2.8.2. Выплески

Выплески — это выброс части расплавленного металла из зоны сварки. Они снижают эксплуатационные свойства сварных изделий и в ряде случаев, например, в авиационном и космическом машиностроении недопустимы. Однако большинство современных традиционных технологий контактной точечной сварки не могут гарантировать их отсутствие. Ниже рассмотрены основные виды выплесков с учетом современных представлений о причинах и механизмах их образования.

Выплески, по причинам, которые их вызывают, и механизмам их образования можно разделить на виды, показанные на рис 2.23.

Выплески традиционно разделяют на выплески внутренние и выплески наружные, а внутренние и наружные выплески в свою очередь разделяют на начальные и конечные.

Н ачальные выплески. К начальным выплескам относят выплески, которые образуются в начале процесса нагрева, до расплавления металла в контакте деталь – деталь. Их разделяют на наружные начальные выплески (рис. 2.23, а), в которых расплавленный металл выбрасывается вне деталей из контакта электрод – деталь, и внутренние начальные выплески (рис. 2.23, в), в которых расплавленный металл выбрасывается в зазор между свариваемыми деталями из контакта деталь – деталь.

Механизм образования начальных выплесков, как наружных (рис. рис. 2.23, а), так и внутренних (рис. рис. 2.23, в) исследован наиболее полно. Общепринятым можно считать то, что основной причиной, вызывающей их образование, является местный (локальный) перегрев металла в контактах электрод – деталь (при наружных выплесках) или деталь – деталь (при внутренних выплесках). Причин этого в реальных условиях КТС может быть несколько.

Когда-то вполне обоснованно считалось, что одной из наиболее существенных причин образования начальных выплесков является недостаточная скорость микропластических деформаций шероховатостей в контактах электрод – деталь или деталь – деталь из-за уменьшения усилия сжатия деталей вследствие большой инерционности подвижных частей привода сварочной машины. Однако после того, как на машинах для точечной сварки между приводом усилия и ползуном стали устанавливать пружину, а между ползуном и направляющими стали устанавливать ролики, уменьшающие силы трения и исключающие заклинивание ползуна, эта причина стала несущественной. В современных сварочных машинах усилие сжатия электродов в начале процесса сварки изменяется незначительно (рис. 2.24), а во время импульса сварочного тока, в первой его половине, даже несколько увеличивается (примерно на 2…5 %).

В современных технологиях КТС начальные выплески образуются в основном из-за причин технологических. В частности, причиной локального перегрева металла в контактах как электрод – деталь, так и деталь – деталь может быть плохая подготовка поверхностей деталей или загрязнение рабочих поверхностей электродов, что приводит к резкому увеличению электрического сопротивления контактов из-за уменьшения их фактической площади. К увеличению электрического сопротивления контактов и плотности тока в них приводит также уменьшение их площади из-за перекосов электродов или деталей, либо коробления последних. Кроме того, причинами образования такого выплеска также может быть либо чрезмерно быстрое нарастание сварочного тока, либо недостаточная скорость микропластических деформаций шероховатостей в контактах электрод – деталь или деталь – деталь из-за уменьшения усилия сжатия деталей вследствие большой инерционности подвижных частей привода сварочной машины, если мощность машины чрезмерно завышена по отношению к толщине свариваемых деталей, либо одновременное воздействие этих факторов. Очевидно, что образование начальных выплесков больше связано не с техническими проблемами осуществления технологии точечной сварки, а с уровнем культуры производства и состоянием технологической дисциплины. Устранение перечисленных выше причин, как правило, предотвращает образование выплесков этого вида.

Практика точечной сварки как легких сплавов, так и сталей, показывает, что, если начальный диаметр свариваемого контакта (или диаметр уплотняющего пояска d_Пt в любой момент процесса сварки до начала плавления металла в контакте деталь-деталь) не меньше 2…3 s, где s — толщина деталей, а его электрические параметры находятся в пределах нормы, т. е. геометрия рабочей части электрода, качество подготовки поверхностей свариваемых деталей и их положение в между электродами соответствуют всем параметрам предусмотренным технологическим процессом сварки, начальные выплески не образуются. В этом случае, основным фактором, отклонение которого может привести к образованию начального выплеска, является усилие сжатия электродов. Поэтому для предотвращения образования начальных выплесков следует обеспечивать как его стабильность в процессе точечной сварки, так и задавать его значение следует не меньше некоторой величины, обеспечивающей получение приемлемых значений площади начального контакта, плотности тока в нем на начальной стадии процесса и, в конечном итоге, отсутствие начальных выплесков в процессе КТС.

Конечные выплески. В практике точечной сварки до сих пор наиболее часто встречающимися и наиболее трудно устранимыми, являются так называемые конечные выплески (рис. 2.25), которые образуются в период времени от начала плавления металла в свариваемом контакте до окончания импульса сварочного тока или же сразу после его окончания. Их, так же, как и начальные выплески, разделяют на конечные наружные выплески (2.25, а), в которых расплавленный металл выбрасывается из ядра вне деталей через прорванную оболочку над ядром, и конечные внутренние выплески (2.25, б), в которых расплавленный металл выбрасывается в зазор между деталями из свариваемого контакта деталь – деталь.

Конечные наружные выплески образуются в результате прорыва твердого металла над ядром при чрезмерно большом проплавлении деталей и диаметре ядра (рис. 2.23, б). Кроме того, что они снижают прочностные показатели точечного сварного соединения, они еще и ухудшают вид поверхностей свариваемых деталей.

В большей мере они характерны для односторонней контактной точечной сварки (рис. 2.25, а), отличающейся ассимметрией температурного поля. В этом случае детали в наибольшей степени нагреваются в направлении между электродами, в этом же направлении смещаются зоны расплавленного металла и здесь же возникают наружные выплески.

При двусторонней точечной сварке конечные наружные выплески возникают, как правило, только при сварке деталей из титановых сплавов или, что значительно реже, из высоколегированных сталей.

Как при односторонней, так и при двусторонней точечной сварке наружные выплески устраняются технологическими мероприятиями, которые уменьшают проплавление деталей, в частности, уменьшением жесткости режима сварки.

К онечные внутренние выплески (рис. 2.25, б) до сих пор являются основной проблемой при разработке технологии КТС и практической сварке в части обеспечения устойчивости процесса формирования соединения, особенно при сварке изделий ответственного назначения.

В практике точечной сварки наиболее часто встречается разновидность конечного внутреннего выплеска, который образуется в процессе формирования ядра, в период от начала плавления металла до окончания импульса тока. Как правило, при режимах сварки близких к режимам оптимальным, момент его образования, вызванного неблагоприятным сочетанием случайных возмущающих факторов, находится в районе 2/3 длительности импульса тока.

Раньше образование такого выплеска объяснялось чрезмерно высокими скоростями плавления металла. В результате чего уменьшается ширина уплотняющего пояска и происходит его прорыв расплавленным металлом. Однако, практика сварки показывала, что внутренние конечные выплески образуются и при большой ширине уплотняющего пояска, а также — что они отсутствуют при уменьшенных ее значениях. Очевидно, что объяснение образования конечного выплеска только отклонением тепловых процессов не полностью отражает реальное взаимовлияние факторов, приводящих к выбросу расплавленного металла.

В конечном итоге получила подтверждение точка зрения, что возникновение выплеска не определяется сопротивлением уплотняющего пояска против его «прорыва» (его прочностью), как это считалось ранее. При этом отсутствует какая-либо однозначная зависимость между шириной уплотняющего пояска и склонностью процесса к выплескам. Так (рис. 2.26), при определенных условиях выплески могут возникать и при большой ширине уплотняющего пояска b_П (например (рис. 2.26, а), при b_П  2,25 s, где s — толщина деталей) или отсутствовать при относительно небольшой его ширине (например (рис. 2.26, б), при b_П  0,2… 0,3 s.

П олучили подтверждения данные о том, что образование выплеска в период от начала плавления металла в контакте деталь-деталь до момента окончания импульса тока, не связано однозначно с шириной уплотняющего пояска, то есть его прочностью против «прорыва» расплавленным металлом, и о том, что образование внутреннего конечного выплеска в этот период в основном связано с раскрытием зазора в уплотняющем пояске, вызванным давлением расплавленного металла в ядре, обусловленным расширением металла при его нагреве и расплавлении.

То, что образование таких выплесков в основном происходит путем раскрытия зазора давлением расплавленного металла в ядре, подтверждается и характером его выброса (рис. 2.27) — одновременным его выбросом по всему контуру уплотняющего пояска (рис. 2.27, а).

Конечно, такой выброс металла при конечном выплеске можно получать только на машинах с жестким силовым контуром, деформации которого в процессе КТС незначительны, например, на машинах типа МТР. В большинстве же случаев сварки трудно обеспечить равномерное распределение напряжений по контуру уплотняющего пояска из-за деформаций элементов силовых контуров машин, приводящих к перекосу электродов. В результате, при сварке на машинах типа МТ, деформации силового контура в которых существенны, раскрытие зазора чаще всего происходит в месте, расположенном от контура машины, где сжимающие напряжения в уплотняющем пояске наименьшие, и выброс расплавленного металла как правило локализован в относительно узкой области (рис. 2.27, б).

Отклонения усилия сжатия электродов F_Эt во время импульса тока от установившихся его значений до начала импульса тока, которые происходят из-за инерционности подвижных частей приводов сварочных машин и сил трения в них (см. рис. 2.24), не могут существенно влиять на устойчивость процесса КТС против образования конечных выплесков. Так, при КТС на режимах близких к оптимальным, в первой половине процесса нагрева F_Эt увеличивается всего на 2…7 %, а во второй — уменьшаются на 1…5 % по сравнению с его величиной до начала импульса тока. Таким образом, даже предельные динамические отклонения F_Э на +7…-5 % не могут являться основной причиной образования выплесков, поскольку сварочное усилие сжатия электродов в технологии КТС задают на 15…25 % больше некоторой его величины, называемой критической, при которой выплески образуются регулярно.

С разу же после выплеска, вследствие выброса значительного объема расплавленного металла, электроды «проседают» в детали и подвижный электрод резко приближается к неподвижному. Из-за этого в силовом контуре машины возникают колебания, в том числе и величины F_Эt, по амплитуде достигающие до -20…-30 % (рис. 2.28). При этом происходит резкое уменьшение падения напряжения на участке электрод – электрод U_ЭЭ из-за увеличении площадей контактов. Сварочный ток I_СВ после выплеска заметно не изменяется.

При сварке на режимах, близким к оптимальным, образование выплесков носит случайный характер, поскольку являются следствием неблагоприятного сочетания нескольких возмущающих факторов процесса КТС. Вместе с тем, в зависимости склонности процесса сварки к образованию выплесков, а также момента их образования, от изменений сварочного тока I_СВ и усилия сжатия электродов F_Эt просматривается вполне определенные закономерности. Так, увеличение I_СВ (рис. 2.28, а и б), смещают момент образования выплеска к началу процесса КТС. Аналогично на момент образования выплесков влияет и уменьшение усилия сжатия электродов. При некоторых сочетаниях I_СВ и F_Эt конечные выплески могут образовываться почти сразу после начала плавления металла (рис. 2.28, б).

Такое влияние отклонений I_СВ и F_Эt на устойчивость процесса против образования выплесков является типичным для процессов точечной сварки деталей любых толщин из всех конструкционных сталей и сплавов.

Практика точечной сварки легких сплавов и сталей показывает, что конечные выплески «прорывом пояска» не образуются, если при увеличении диаметра ядра до конечного его значения, которое не превышает допускаемых значений, ширина уплотняющего пояска в любой момент роста ядра не меньше 0,2…0,5 толщины деталей.

Т акой вид выплесков происходит вследствие раскрытия пояска давлением расплавленного металла в ядре при отклонениях параметров термодеформационных процессов от оптимальных их значений. Для их предотвращения следует снижать жесткость режимов сварки.

Склонность процесса к выплескам сильно зависит от равномерности распределения сжимающих напряжений в площади уплотняющего пояска по его контуру. Кроме деформаций элементов силового контура сварочной машины на равномерность распределения сжимающих напряжений в уплотняющем пояске существенно могут влиять зазоры между свариваемыми деталями. В этом случае, они могут являться причиной образования конечных выплесков.

При сварке с усилием сжатия электродов F_Э = 1,2…1,3 F_КР, где F_КР — критическая величина F_Э, при которой регулярно возникают выплески, и величине зазоров  ≤ 2…2,5 мм выплески наблюдаются редко и носят случайный характер. Это объясняется тем, что, как было показано выше, наличие зазоров приводит к уменьшению ядра вплоть до непровара.

Но при сварке деталей с зазорами выплески отсутствуют только в том случае, если режим сварки не регулируется по силе сварочного тока I_СВ или времени его протекания t_СВ с целью увеличения размеров ядра до заданных значений. Если же при сварке деталей толщиной s > 1 мм и наличии зазора попытаться увеличить d_Я до заданных значений путем повышения I_СВ или t_СВ, то выплески возникают регулярно. При этом на склонность процесса к выплескам наиболее значимо влияют величина зазора и шаг между точками.

Даже при сварке с зазором для всех толщин деталей существуют сочетания d и t, при которых выплески не наблюдаются (рис. 2.29, зона А), сочетания d и t_Ш для каждой s, при которых наблюдается повышенная склонность процесса к выплескам (зона В) и непроварам (зона С). При сочетаниях d и t , ограниченных зоной Д, систематически наблюдаются выплески даже при F_Э = 1,2…1,3 F_КР. При этом выплеск носит характер оплавления без наличия значительных объемов расплавленного металла. Причиной такого выплеска является "зависание" электродов, т. е. значительное уменьшение усилия сжатия в сварочном контакте.

В этом случае на склонность процесса к выплеску оказывают влияние особенности формирования сварочного контакта при наличии значительных по величине зазоров.

Увеличение зазора до 1,5…2,5 мм приводит к уменьшению контурной площади S_К начального контакта деталь – деталь на 20…40 % по сравнению с начальным ее значением при  = 0. Кроме того, с увеличением  и s, a также с уменьшением t контурная площадь вытягивается вдоль оси, перпендикулярной кромке свариваемых деталей, и одновременно сужается вдоль этой кромки. Именно при сочетаниях значений d, s и t_Ш , соответствующим зоне В, наблюдается наибольшая эллипсность контакта. Вследствие этого детали зависают на участках контура уплотняющего пояска, близких к оси изгиба, которая перпендикулярна кромке нахлестки, а на участках вдоль нахлестки, куда металл может течь наиболее свободно, сжимающие напряжения значительно уменьшаются и создаются наиболее благоприятные условия для раскрытия пояска и образования конечного выплеска.

Изложенное выше подтверждает, что зазоры являются сложным возмущающим фактором процесса формирования соединения, приводящим при определенных условиях к противоположным по механизму образования дефектам: уменьшению геометрических размеров соединения (вплоть до непровара) и повышению склонности процесса к образованию конечного выплеска.

Вместе с тем, известно, что внутренний конечный выплеск может образовываться при сварке и на очень мягких режимах, как правило, при сварке электродами с плоской рабочей поверхностью в самом конце импульса тока или даже после его окончания, например, при приложении ковочного усилия (рис. 2.30).

Основной причиной, приводящей к образованию такого вида выплесков являются чрезмерно большие размеры ядра (его высоты h_Я и диаметра d_Я) или резко увеличивающееся усилие сжатия электродов. В этом случае (рис. 2.23, д) твердый металл под электродами, в контуре L_Э, чрезмерно вдавливается («проседает») в поверхности свариваемых деталей и работает как мембрана, увеличивая давление Р_Я расплавленного металла в ядре из-за сжатия деталей усилием F_Э. Это же давление Р_Я, в данном случае определяемое не тепловым расширением металла и процессами его пластических деформаций, а усилием сжатия электродов и размерами ядра, вне контура L_Э стремится раздвинуть детали и раскрыть уплотняющий поясок. При определенных сочетаниях толщины деталей, размеров ядра и усилия сжатия электродов Р_Я происходит локальное раскрытие пояска и образуется конечный выплеск этого вида.

П редотвращаются такие внутренние конечные выплески относительно просто. Иногда для этого достаточно скорректировать параметры режима сварки по току или времени его протекания до значений, обеспечивающих оптимальные размеры ядра. Если же технологические факторы (подготовка деталей, параметры оборудования и т. д.) не гарантируют требуемую стабильность размеров ядра, то в этих случаях рационально применять корректирование режима до начала процесса сварки, стабилизацию или регулирование параметров режима в процессе формирования точечного сварного соединения.

Очевидно, что причины, которые приводят к образованию описанных выше двух видов внутреннего конечного выплеска, различны. Поэтому первый из них (рис. 2.23, г), при образовании которого давление в ядре в основном определяется термодеформационными процессами, протекающими в зоне формирования соединения, называют «», а второй (рис. 2.23, д), при образовании которого давление в ядре в основном определяется вдавливанием электродов в объем ядра — называют «пассивный конечный выплеск».

Основные технологические рекомендации по уменьшению склонности процесса к образованию активных конечных выплесков следующие:

1. конечный диаметр ядра d_Я не должен чрезмерно превышать минимально допускаемых его значений d_Яmin;

2. усилие сжатия электродов в любой момент процесса формирования соединения должно обеспечивать формирование уплотняющего пояска шириной, достаточной для удержания расплавленного металла;

3. применять технологические мероприятия, понижающие давление расплавленного металла в ядре, в частности, путем уменьшения сопротивления пластической деформации металла в уплотняющем пояске и его ширины:

• уменьшением жесткости режима сварки;

• использованием предварительного подогрева деталей отдельным или модулированным импульсом тока;

• размещением между деталями пластичных прокладок;

• программированием усилия сжатия электродов во время импульса сварочного тока;

4. при сварке на машинах переменного тока уменьшать тепловые пульсации в зоне формирования соединения, для чего применять режимы, близкие к полнофазному включению тока;

5. искусственно перераспределять напряжения в площадях контактов электрод – деталь и деталь-деталь между центральной частью зоны сварки и ее периферией, например, применением специальных способов сварки с обжатием периферийной зоны соединений и электродных устройств с обжимными втулками.

Таким образом, образование непроваров и выплесков, таких противоположных дефектов по влиянию технологических факторов их вызывающих, в основе своей вызываются одной причиной ― отклонением параметров термодеформационных процессов от оптимальных их значений в ту или иную сторону: завышение уровня макропластических деформаций металла в зоне сварки приводит к уменьшению в ней плотности тока и ее электрического сопротивления, скорости ее нагрева и количества выделяемой в ней теплоты, и в конечном итоге к образованию непровара, а занижение уровня макропластических деформаций металла в зоне сварки, наоборот, приводит к увеличению плотности тока в зоне сварки и ее электрического сопротивления, скорости нагрева и количества выделяемой в ней теплоты, и в конечном итоге к образованию выплеска.