3_Savulak.doc Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 17 Савуляк В.І., Заболотний С.А., Бакалець Д.В. Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця, Україна E-mail: Bacalets_Dima@mail.ru ПОЄДНАННЯ ЗВАРЮВАННЯ ТА ПАЯННЯ ДЛЯ РЕМОНТУ РАМ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ УДК 621.791 Показано можливість застосування технології паяння у поєднанні із зварюванням, під час ремонту рам тра- нспортних засобів, а саме в процесі приварювання накладок для підсилення ділянок із експлуатаційними тріщинами. Ключові слова: корозійна стійкість, рамні конструкції, тріщини, зварювання, паяння. Вступ Вагомою причиною, що обмежує термін експлуатації рам вантажних автомобілів, є втомні руй- нування у вигляді тріщин. Це пояснюється тим, що під час руху автомобіля на його раму, крім ваги під- ресорних частин діють динамічні сили під час переїзду нерівностей дороги, гальмування, розгону і руху на поворотах [1]. Крім того на автомобілях з встановленим додатковим навантажувально- розвантажувальним обладнанням, під час його використання виникають додаткові сили в результаті дії яких елементи рами піддаються знакозмінним навантаженням та як наслідок деформуються [2]. Визначальним фактором у випадку втрати стійкості рамної конструкції автомобіля в процесі експлуатації є дія вертикальної складової динамічних сили, яка призводить до появи втомних тріщин рі- зного роду і направленості, що спричиняють зміну напружено-деформованого стану усієї системи. [3]. Систематичні дослідження втомних руйнувань деталей машин почалися з середини минулого століття. В даний час питанням втомної міцності приділяється значна увага [1 - 5]. З метою підвищення якості відремонтованих елементів рамних конструкцій доцільним є вдосконалення існуючих методів від- новлення та технологічних прийомів, а також розробка та впровадження нових. Необхідно відзначити, що найбільш прогресивний напрямок збільшення довговічності та екс- плуатаційних властивостей деталей машин полягає в комбінуванні технологій ремонту тріщин, які утво- рились в процесі експлуатації методами зварювання, в поєднанні з різними процесами зміцнювальних технологій. Такий підхід дозволяє повною мірою задовольнити сучасні вимоги ремонтного виробництва. Основна частина Підсилення та ремонт ділянок рам із зародженими тріщинами можливе шляхом приварювання додаткових елементів [4]. Така технологія ремонту забезпечує необхідну міцність конструкції, але її не- доліком є ослаблення металу в зоні температу- рного впливу та зменшення у цій зоні корозій- ної стійкості. Дані недоліки можна усунути шляхом використання запропонованої техно- логії, яка поєднує процеси зварювання та па- яння. Технологія передбачає використання припоїв з необхідною температурою плавлен- ня для підвищення міцності зварних з’єднань в напуск, а також підвищення корозійної стійко- сті навколошовної зони. Особливістю є те, що припой встановлюється між основними елеме- нтами, які зварюються, та розплавляється за рахунок температури навколошовної зони (рис. 1). Попередніми дослідженнями [5] встановлено, що відновлення та зміцнення сталевих конструк- цій шляхом заліковування пошкоджень сплавами на основі міді забезпечує гальмування тріщин, істотно збільшує їх живучість. В якості припоїв для проведення експериментів використано сплави міді з цинком, марганцем та іншими елементами. Мідь у чистому вигляді в розплавленому стані характеризується високою рідкоте- кучістю, добре змочує поверхню сталей, твердих сплавів, нікелю та нікелевих сплавів; затікає в найтонші капілярні зазори і дає міцні та пластичні паяні з'єднання. Мідно-цинкові припої являють собою подвійні сплави міді та цинку в різних співвідношеннях. Діаграма стану сплавів системи мідь - цинк наведена на рис. 2. Найбільшу зацікавленість представляють сплави, що містять менше 34 % Zn і мають однофазну структуру а-твердого розчину. Зі збільшенням вмі- сту цинку пластичність припоїв знижується, що підвищує крихкість паяних з'єднань. Рис. 1 – Спосіб зварювання внапуск mailto:Bacalets_Dima@mail.ru Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 18 а б Рис. 2 – Діаграма стану сплавів системи: а – мідь – цинк; б – мідь - марганець Поряд з високими технологічними властивостями, у якості припою, мідно-цинкові сплави мають високу корозійну стійкість [6]. Припої, що мають структуру a-твердого розчину, зберігають достатню міцність навіть в умовах низьких температур. Недоліком цих припоїв є випаровування цинку від високих температур, що погіршує умови роботи з ними. Припої на основі сплавів міді з марганцем мають порівняно низьку температуру плавлення, до- статньо високу міцність і пластичність. Припої цієї системи не набули поширення, але вони дуже перс- пективні, так як паяні ними конструкції мають більш високу міцність в порівнянні зі з'єднаннями, які паяні мідно-цинковими припоями, під час їх експлуатації при температурах 500 - 600 °С. На кафедрі технології підвищення зносостійкості ВНТУ розроблено спосіб зварювання внапуск, який передбачає розміщення паяльного матеріалу на основі міді між деталями, що зварюються, в області температурного поля, де забезпечується його розплавлення (рис. 1). Необхідною умовою реалізації описаного вище способу є обґрунтований вибір або розрахунок параметрів процесу зварювання-паяння, при яких відбудеться повне розплавлення припою, і утворюва- тиметься якісне з’єднання деталей. Для цього необхідно визначити: режими зварювання, із врахуванням товщини профілю рами в зоні приварювання h0 та накладки hн; склад паяльного матеріалу; товщину hп та ширину b смужки при- пою; її віддаль від зварного шва a в залежності від глибини проплавлення та геометрії шва в поперечно- му перетині. Допустимий зазор між деталями, що зварюються в напуск регламентується ГОСТом 5264-80, який залежить від товщини деталей і може становити до 2 мм. Відповідно до цього необхідно використовувати смужки паяльного матеріалу із товщиною, що не перевищує 2 мм. Визначення оптимальних режимів комбінованого зварювання доцільно проводити методом мо- делювання процесу із використанням спеціалізованого програмного забезпечення на основі кінцево- елементного аналізу [7]. Розроблено модель, яка дозволила аналізувати в часі теплові поля в процесі зва- рювання та охолодження деталі, а саме визначати зміни температур в різних точках об‘єму матеріалу де- талі та припою. Перевірка адекватності моделі виконувалась шляхом проведення натурного експерименту. За аналогічною схемою вимірювались температури в точках Т1 - Т5 моделі, по довжині пластини припою і точках Т5-Т10 по її ширині (рис. 3), під час зварювання деталей в напуск та подальшого їх охолодження. Розроблена комп'ютерна модель конструкції у вигляді двох пластин товщиною 5 мм та смужки припою 5 × 1 мм і заданих режимів зварювання дозволила отримати термограми (рис. 4) для вказаних точок. З графіка видно, що температура в точці Т1 є мінімальною і досягає температури 932 ˚С на третій секунді після початку зварювання. Для вибору припою доцільно використати діаграму стану з якої вид- но, що така температура є достатньою для розплавлення припою із концентрацією компонентів, що від- повідає області діаграми стану сплаву Cu-Zn розташованої праворуч від лінії Сп.І (рис. 2, а). У випадку використання припою на основі міді з марганцем слід обрати сплав із проміжку між лініями Сп. II - III (рис. 2, б). Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 19 Рис. 3 – Модель Рис. 4 – Температури у точках навколошовної зони (модельні розрахунки) У випадку, коли необхідно було забезпечити розплавлення припою із заданою концентрацією компонентів у відповідності до експлуатаційних вимог, змінювали режими зварювання (силу струму, швидкість, кут нахилу електроду). У випадках, коли повне розплавлення припою за рахунок тепла, що виділялось при зварюванні, ставало неможливим, конструкція попередньо підігрівалась. Макрошліфи з‘єднань, отриманих при різних режимах, наведені на рис. 5. У всіх випадках мідь повністю розплави- лась, заповнивши проміжок між пластинами зі сторони зварного шва. Рис. 5 – Макрошліфи паяно - зварних з‘єднань Мікроструктурний аналіз зони сплавлення між сталлю і міддю показав наявність чіткої границі без включень та інших дефектів. У деяких випадках виявлено взаємопроникнення металу зварного шва і припою (рис. 6, а). Проте таке перемішування локальне, не поширюється у глиб зварного шва і в значній мірі не впливає на механічні властивості з‘єднання. Інший край мідного припою (рис. 6, б) за рахунок високої рідкотекучості та сил поверхневого натягу розтікається на певну відстань по поверхні сталі, тим самим забезпечуючи її додатковий корозійний захист. Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 20 а б Рис. 6 – Границі сплавлення між сталлю і міддю: а – із сторони зварного шва; б – із протилежної сторони від зварного шва Для визначення запасу міцності зразків зварених по описаній вище технології, було проведено випробування на розривній машині. Використовувались відомі методи випробувань, що подібні з умова- ми роботи конструкції. В результаті випробувань встановлено, що руйнування усіх зразків, відбувалось поза зварним швом та зоною зпаювання. Виявлено, що руйнування місця зпаювання має в'язкий характер, відбувається по криволінійній траєкторії і в деяких місцях проходить по основному металу деталі без руйнування припою, що свідчить про високу міцність такого з‘єднання. Встановлено, що з‘єднання зварені за розро- бленою технологією мають міцність на 20 ... 25 % вищу, ніж з‘єднання, що зварені без встановлення пая- льного матеріалу за стандартною технологією. Висновки Розроблено технологію та ряд практичних рекомендацій, щодо використання комбінованого зва- рювання з використанням припоїв на основі міді для проведенно ремонту поперечних тріщин рам транс- портної техніки, шляхом встановлення підсилюючих накладок. Наведена у статті методика, що ґрунтується на використанні програм кінцево-елементного аналі- зу, дає можливість чітко визначати оптимальні параметри режиму комбінованого зварювання. Відновлювання та зміцнення сталевих конструкцій шляхом використання комбінованого зварю- вання з використанням припоїв на основі міді окрім підвищення характеристик міцності такого з'єднання забезпечує корозійний захист зони термічного впливу. Література 1. Максапетян Г.В. Определение напряженного состояния рам грузовых автомобилей при раз- личных кузовах / Г.В Максапетян, Г. Дж. Кочинян // Сборник научных трудов АрмСХИ. – 1977. – Вып. XXVIII. – С. 112-115. 2. Миронов Е.И. Новый способ экспериментальной оценки нагрузок манипуляторов сучкорезно- раскряжевочной установки / Е.И. Миронов, З.В. Иванова // Строительные и дорожные машины. – 1983. № 8. – С. 20. 3. Трощенко В. Т. Циклические деформации и усталость металлов. Т. 2. Долговечность металлов с учетом эксплуатационных и технологических факторов / В. Т. Трощенко, Л. А. Хамаза, В. В. Покровский [и др.]. – К. : Наукова думка. – 1985. – 222 с. 4. Бакалець Д.В. Підвищення надійності та відновлення металоконструкцій транспортних та сільськогосподарських машин / Д.В. Бакалець, В.І. Савуляк // Збірник наукових праць Вінницького націо- нального аграрного університету. Серія Технічні науки. – 2012. – Випуск 11(66). – Т. 2. – С. 302-306. 5. Савуляк В.І. Вплив заліковування тріщин мідними сплавами на міцність сталевих конструкцій / В.І. Савуляк, Д.В. Бакалець // Вісник Вінницького політехнічного інституту. – 2012. – № 4. – С.172-175. 6. Ляпіна. О.В. Фізико-хімічні процеси на поверхні плівок мідних сплавів : автореф. дис. на здо- буття наук. ступеня канд. хім. наук : спец. 01.04.18. “Фізика і хімія поверхні” / Ляпіна Олена Василівна; Прикарпатський національний університет ім. В. Стефаника. Івано-Франківськ, 2006. 20 с. 7. Савуляк В.І. Температурні поля та деформації під час відновлення деталей транспортної тех- ніки / В.І. Савуляк, С.А. Заболотний, В.Й. Шенфельд // Вісник Східноукраїнського національного універ- ситету ім. Володимира Даля. – 2009. – №11(141). – С. 48-52. Надійшла в редакцію 11.07.2014 Поєднання зварювання та паяння для ремонту рам транспортних засобів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2014, № 3 21 Savuljak V.І., Zabolotnij S.A., Bakalec' D.V. The Combination of welding and soldering for repair of frames of transport vehicles. The frame constructions of transport and technological machines perceive the static load and dynamic load as a result of hat in the process of exploitation cracks and other damages on certain areas are appeared. By the problem of establishment of elements of strengthening in dangerous areas, and also proceeding in descriptions of durability of such areas with the engendered cracks, there is a danger of damage of parent metal frames due to negative processes, which can take place during welding. For indemnification of these negative consequences a scarf-welding method is developed, which provides for placing in the area of temperatures, which provide its melting, soldering material on the basis of copper between details which weld. It is well-proven researches, that renewal and strengthening of steel constructions by the use of the developed technology of welding and soldering with the use of solders on the basis of copper except for the increase of descriptions of durability provides effective slushing defence of surfaces of details in the thermal affected zone. Keywords: corrosive firmness, frame constructions, cracks, welding, soldering. References 1. Maksapetjan G.V., Kochinjan G. Dzh. Opredelenie naprjazhennogo sostojanija ram gruzovyh avtomobilej pri razlichnyh kuzovah, Sbornik nauchnyh trudov ArmSHI, 1977, Vyp. XXVIII, pp. 112-115. 2. Mironov E.I., Ivanova Z.V. Novyj sposob jeksperimental'noj ocenki nagruzok manipuljatorov suchkorezno-raskrjazhevochnoj ustanovki, Stroitel'nye i dorozhnye mashiny, 1983, №8, р. 20. 3. Troshhenko V.T., Hamaza L.A., Pokrovskij V.V. Ciklicheskie deformacii i ustalost' metallov. T. 2. Dolgovechnost' metallov s uchetom jekspluatacionnyh i tehnologicheskih faktorov. K.: Naukova dumka, 1985. 222 р. 4. Bakalec' D.V., Savuljak V.І. Pіdvishhennja nadіjnostі ta vіdnovlennja metalokonstrukcіj transportnih ta sіl's'kogospodars'kih mashin, Zbіrnik naukovih prac' Vіnnic'kogo nacіonal'nogo agrarnogo unіversitetu. Serіja Tehnіchnі nauki, 2012, Vyp. 11(66), T. 2, pp. 302–306. 5. Savuljak V.І., Bakalec' D.V. Vpliv zalіkovuvannja trіshhin mіdnimi splavami na mіcnіst' stalevih konstrukcіj, Vіsnik Vіnnic'kogo polіtehnіchnogo іnstitutu, 2012, №4, pp. 172 –175. 6. Ljapіna. O.V. Fіziko-hіmіchnі procesi na poverhnі plіvok mіdnih splavіv : avtoref. dis. na zdobuttja nauk. stupenja kand. hіm. nauk: spec. 01.04.18. “Fіzika і hіmіja poverhnі”, Prikarpats'kij nacіonal'nij unіversitet іm. Vasilja Stefanika, Іvano-Frankіvs'k, 2006. 20 p. 7. Savuljak V.І., Zabolotnij S.A., Shenfel'd V.J. Temperaturnі polja ta deformacії pіd chas vіdnovlennja detalej transportnoї tehnіki, Vіsnik Shіdnoukraїns'kogo nacіonal'nogo unіversitetu іm. Volodimira Dalja, 2009. №11(141), pp. 48-52.