Повышение выносливости ведущих мостов автомобилей из перлитных разнородных сталей путем совершенствования технологии дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа

Развитие современного машиностроения в направлении снижения металлоемкости конструкций, повышения работоспособности и долговечности приводит к необходимости широкого применения легированных сталей и сплавов. Как правило, из этих материалов рационально изготовлять не все изделие, а лишь наиболее напряженные его участки, испытывающие воздействие высоких температур, активных коррозионных сред и т. д.

Для соединения в одном узле деталей из сталей разного легирования в большинстве случаев наиболее целесообразно использовать сварку, так как существующие механические крепления сложны в изготовлении и не удовлетворяют требованию надежности в эксплуатации. Переход к подобным сварным узлам приводит к наиболее полному использованию материала в конструкции, значительному снижению ее стоимости в связи с резким уменьшением расхода легированных сталей и повышает технологичность изделия [13, 20, 39, 40].

При использовании сварных соединений из разнородных сталей в конструкциях общего назначения достигается снижение веса изделия за счет изготовления наиболее напряженных деталей из высокопрочной стали. В машиностроительных конструкциях имеется большое число узлов, при работе которых лишь отдельные участки нагружены значительно больше остальной части изделия или подвержены воздействию различных видов износа. В рассматриваемых сварных узлах основное применение находят перлитные стали различного легирования [5, 6,11,13].

Примером такой конструкции является картер ведущего моста автомобиля, от работоспособности которого зависит исправность и безопасность автомобиля в целом. Эксплуатационная надежность ведущих мостов должна обеспечиваться на стадиях проектирования и изготовления. При этом необходимо удовлетворение всем предъявляемым требованиям к изделию, к которым относятся: герметичность картера моста, стойкость при приложении крутящего момента без остаточной деформации, усталостная прочность и т. д. Так же необходимо учитывать технологическую особенность изготовления ведущего моста, трудоемкость и длительность операций технологического процесса могут значительно повлиять на снижение производительности.

В настоящей работе наибольший интерес представляют картеры ведущих мостов грузовых автомобилей с повышенной проходимостью, к которым предъявляются повышенные эксплуатационные требования. К рассмотрению были приняты пггампосварные картера задних ведущих мостов, изготавливаемые на Открытом Акционерном Московском Обществе «Завод имени И. А. Лихачева» (AMO ЗИЛ) для автомобилей ЗИЛ-131, ЗИЛ-1ЭЗГ, ЗИЛ-432 720 и ЗИЛ-432 730 (рис. 1). Основной трудностью при изготовлении картеров является получение качественного сварного соединения концевых фланцев с рукавами балки картера моста (рис. 2). Балка картера изготавливается из стали 17ГС, а концевые фланцы — из среднеуглеродистой стали 45, для придания им после сварки определенной твердости на рабочих поверхностях. Эти стали, входящие в состав сварного соединения, классифицируются как перлитные разнородные стали [6, 11, 13, 19, 38] и процесс сварки их сопряжен с рядом трудностей, преодоление которых значительно усложняет технологический процесс изготовления картеров. ст, 45).

Рис. 2. Сварное соединение балки картера с концевым фланцем.

В настоящее время для получения комбинированного сварного соединения из сталей 17ГС и 45 при производстве картеров ведущих мостов в автомобилестроении используются в основном способы контактной стыковой сварки оплавлением и сварки трением, считая их наиболее перспективными способами. При этом дуговую сварку плавящимся электродом в среде защитных газов рассматривают при невозможности или большой сложности применения вышеназванных способов сварки.

Исходя из конструктивных особенностей и эксплуатационных требований, получение сварного соединения концевых фланцев с балкой картера моста может осуществляться на разных этапах организации производства несколькими способами сварки: ручная дуговая сварка плавлением покрытыми электродами, дуговая сварка плавящимся электродом в среде СО2, контактная стыковая сварка оплавлением.

На начальных стадиях организации производства картеров ведущих 1 мостов автомобилей, в технологическом процессе изготовления которых, в первую очередь уделялось внимание наиболее простому и мобильному способу сварки, не требующему больших материальных затрат на приобретение и обслуживание сварочного оборудования, а так же позволяющему организовать на производственных площадях участки, не требующие сложного вспомогательного оборудования. Одним из таких способов и является ручная дуговая сварка плавлением покрытыми электродами. Сущность ручной дуговой I сварки плавлением покрытыми электродами изложена в работах [9, 23, 41,.

51, 58, 59, 61, 60]. При наращиваниях темпов производства до крупносерийного или массового данный технологический процесс не является перспективным. Ручная дуговая сварка плавлением покрытыми электродами обладает низкой производительностью и степенью автоматизации процесса. Необходимо выполнение операций, таких как удаление шлака, предварительный подогрев и последующая термическая обработка для предупреждения образования горячих и холодных трещин, снижения остаточных сварочных напряжений. Это значительно осложняет технологический процесс и снижает I производительность. Выполнение сварки требует использование работников высокой квалификации, но наряду с этим, невозможность полной автоматизации процесса изготовления картеров ведущих мостов данным способом сварки показывает нестабильность качества сварных соединений.

При анализе вышеизложенного способа сварки и его недостатков при крупносерийном и массовом производстве возникает необходимость рассмотрения технологического процесса с более прогрессивным способом сварки, который бы удовлетворял предъявляемым требованиям. Дуговая * сварка плавящимся электродом в среде СО2 удовлетворяет необходимым производственным требованиям, при этом не осложняя технологический процесс изготовления картеров ведущих мостов. Данный способ сварки характерен высокой автоматизацией процесса и соответственно высокой производительностью, применяемое оборудование и его обслуживание не требуют больших затрат. Сварочные материалы, применяемые при сварке данным способом, относительно дешевы. Общие сведения и характерные особенности получения сварного соединения дуговой сваркой плавящимся электродом в среде СО2 рассмотрены в работах [12, 45, 51, 58, 59, 60, 61]. Технологический процесс с дуговым способом сварки плавящимся электродом в среде СО2 позволяет получать сварные соединения концевых фланцев с балкой картера ведущего моста высокой плотности, по сравнению с ручной дуговой сваркой. Способ сварки позволяет автоматизировать процесс изготовления картеров ведущих мостов и исключить фактор нестабильности качества сварных соединений, повысить производительность. Но недостатки данного технологического процесса с использованием сварки плавящимся электродом в среде СО2 весьма существенны. Основным недостатком этого технологического процесса является недостаточная выносливость картера ведущего моста, а в частности — стыковых сварных соединений концевых фланцев с балкой картера. Так же необходимо проведение предварительного подогрева и термической обработки сварного соединения после сварки для предупреждения возникновения горячих и холодных трещин, снижения остаточных сварочных напряжений.

Контактной стыковой сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие металлы и сплавы. Это наиболее механизированный и автоматизированный способ сварки: при его использовании практически полностью автоматизирован технологический цикл получения сварного соединения. Наиболее широко применяют два основных способа контактной стыковой сварки: сопротивлением и оплавление. Применение контактной стыковой сварки сопротивлением весьма ограничено в связи со сложностью обеспечения равномерного нагрева стыка и получения соединения по всей площади поперечного сечения деталей из-за трудностей удаления оксидной пленки.

Этот способ предназначен в основном для соединения деталей с небольшим поперечным сечением: проволок, стержней, труб и др. Контактная сварка оплавлением находит применение при создании разнообразных конструкций как малых, так и больших сечений. Прочность и пластичность сварных соединений, выполненных таким способом сварки, мало уступают основному металлу [33, 57]. Сущность способа контактной стыковой сварки оплавлением, особенности формирования сварного соединения изложены в работах [4, 14, 21, 51, 57]. Анализируя особенности конструкции и необходимую мощность сварочного оборудования, для получения качественного сварного соединения, возникает необходимость проектирования и изготовления специализированной сварочной установки для контактной стыковой сварки оплавлением. Конструктивной особенностью сварочной установки является расположение на ней двух сварочных трансформаторов, позволяя выполнять сварку двух концевых фланцев с балкой картера моста одновременно. Мощность каждого трансформатора должна составлять 750 кВ-А. Полученное сварное соединение способом контактной стыковой сваркой оплавлением обладает оптимальным сочетанием прочности и пластичности, а так же удовлетворяет всем предъявляемым эксплуатационным требованием. Результаты проведения ходовых динамико-прочностных испытаний картеров ведущих мостов, изготовленных с применением способа контактной стыковой сварки оплавлением, показали достаточную выносливость с высоким запасом прочности. Кроме того, данный способ сварки обладает высокой степенью автоматизации процесса и существенно малым временем, затрачиваемым на сварочные операции. Это позволяет применять данный технологический процесс для крупносерийного и массового производства.

Недостатками данного способа сварки в данном технологическом процессе является необходимость применения специализированного (уникального) сварочного оборудования для выполнения процесса сварки. Стоимость сварочного оборудования, а так же затраты на его проектирование, на несколько порядков выше стоимости оборудования для дуговой сварки плавлением. Так же к недостаткам стоит отнести сложность обслуживания и ремонта сварочного оборудования (изготовление и замена изнашиваемых частей). Применение специального оборудования для удаления грата с внешних и, особенно с внутренних поверхностей картера моста значительно осложняет технологический процесс изготовления. Следует учесть и особенность удаления грата — необходимость проведения данной операции пока металл сварного соединения, и сам грат, находятся после сварки в нагретом состоянии. Термическая обработка сварного соединения, после сварки перлитных разнородных сталей, при использовании контактного стыкового способа сварки остается обязательной операцией технологического процесса, для получения заданных свойств сварного соединения. В настоящее время AMO ЗИЛ не обладает необходимым оборудованием, а его проектирование и изготовление, как говорилось ранее, является весьма дорогостоящим.

Проанализировав достоинства и недостатки возможных способов изготовления картеров ведущих мостов автомобилей, с использованием комбинированных соединений перлитных разнородных сталей, использование дуговой сварки в защитных газах является столь же перспективным способом, основным недостатком которого является необходимость применения предварительного подогрева и последующей термической обработки сварного соединения из сталей 17ГС и 45, что осложняет технологический процесс изготовления, повышая его трудоемкость. Но так же и стоит отметить, что картеры ведущих мостов, изготовленные способом сварки плавящегося электрода в среде СО2, обладали недостаточной выносливостью, что сокращало срок эксплуатации автомобилей и является недопустимым в их производстве.

Целью настоящей работы является повышение выносливости пггампос-варных картеров ведущих мостов автомобилей путем совершенствования технологии дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнение следующих задач:

1) анализ особенностей свариваемости перлитных разнородных сталей, входящих в состав сварного соединения;

2) выбор режимов дуговой сварки, состава защитного газа и сварочной проволоки для получения оптимального состава металла шва и свойств сварного соединения без предварительного подогрева и последующей термической обработки;

3) определение расчетным и экспериментальным методами механических свойств сварного соединения, полученного дуговой сваркой плавящимся электродом в среде защитного газа;

4) исследование химического состава сварного шва, определение изменения структурного состава и твердости в зонах сварного соединения;

5) влияние технологических факторов на выносливость штампосвар-ных картеров ведущих мостов автомобилей;

6) разработка технологических рекомендаций на процесс изготовления штампосварных картеров ведущих мостов из перлитных разнородных сталей, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям;

7) возможность автоматизации операций технологического процесса сварки при крупносерийном и массовом производстве.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ способов сварки и их технологических особенностей при изготовлении сварного соединения из перлитных разнородных сталей 17ГС и 45 концевых фланцев с балкой картера ведущего моста автомобиля показал возможность разработки нового технологического процесса с использованием способа дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.

2. Анализ литературных данных показал возможность получения необходимого качества комбинированного сварного соединения из сталей 17ГС и 45 без предварительного подогрева и последующей термической обработки с использованием в качестве защитной среды смеси 80%Аг+20%С02 и сварочной проволоки Св-08ХЗГ2СМ, содержащей в качестве легирующих элементов хром и молибден.

3. Проведенные исследования подтвердили вышесказанное предположение. При указанном сочетании сварочных материалов происходит небольшое легирование сварного шва хромом и молибденом, которые связывая некоторое количество углерода в карбиды, уменьшают тем самым вероятность образования закалочных структур. Карбиды хрома и молибдена располагаются в сварном шве из-за малого количества весьма рассредоточено и не повышают твердость, вследствие чего не возрастает опасность хрупкого разрушения.

4. Использование термической обработки (нормализации) при сварке проволокой марки Св-08ХЗГ2СМ в смеси 80%Аг+20%С02 не оказывает существенного влияния на твердость и структуру как в сварном шве, так и в ЗТВ. Это дает возможность отказа от проведения термической обработки в технологическом процессе получения комбинированного сварного соединения из перлитных разнородных сталей 17ГС и 45.

5. Разработана технология с использованием смеси 80%Аг+20%С02 и сварочной проволоки Св-08ХЗГ2СМ без применения предварительного подогрева и последующей термической обработки, позволяющая получать сварные соединения картеров ведущих мостов автомобилей из перлитных разнородных сталей 17ГС и 45, обладающие требуемой прочностью и выносливостью.

6. Использование РТК с промышленным роботом РМ-01 позволяет автоматизировать разработанный технологический процесс сварки и повысить производительность.

7. Для реализации разработанного технологического процесса спроектирован и создан опытно-экспериментальный участок сварки концевых фланцев с балкой картера ведущего моста автомобиля на AMO ЗИЛ с использованием РТК на базе промышленного робота РМ-01.

8. По результатам проведенных усталостных испытаний выявлено, что технология изготовления пггампосварных картеров ведущих мостов дуговой сваркой в среде 80%Аг+20%С02 с проволокой марки Св-08ХЗГ2СМ без применения предварительного подогрева и последующей термической обработки способствовала повышению выносливости на 65%, по сравнению с дуговой сваркой в СОг проволокой Св-08Г2С с последующей нормализацией сварных соединений.

9. Результаты исследований и испытаний позволили использовать разработанную технологию для получения комбинированных сварных соединений перлитных разнородных сталей других марок (10 и 35, 17ГС и 40Х, 20 и 40Л) без предварительного подогрева и последующей термической обработки при изготовлении деталей автомобилей на AMO ЗИЛ.