Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением

Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением выполняется практически по одной схеме и состоит из двух этапов - нагрева торцов деталей и осадки.

   Основными процессами при стыковой сварке, как и при точечной, являются: нагрев и охлаждение металла, пластическая деформация и удаление оксидных пленок.

   Основные процессы вызывают ряд сопутствующих процессов: изменение структуры и свойств металла, тепловое расширение и усадку металла, массоперенос в контакте электрод-деталь. Процессы теплового расширения металла и массопереноса в контакте электрод-деталь, как правило, несущественно влияют на качество соединений.

   Условия образования межатомных связей определяются состоянием поверхностей и для двух методов разные.

Стыковая сварка сопротивлением

   Сначала детали (1, 2) фиксируют в токоподводящих зажимах-электродах (3, 4) сварочной машины, обеспечивая установленную длину вылета их из зажимов (L1, L2), затем плотно сжимают между собой с усилием Fн и включают электрический ток. Металл нагревается до пластического состояния, после чего усилием сжатия Fос деформируется на заданную величину осадки.

   Нагрев деталей при стыковом соединении происходит за счет выделения тепла на сопротивлении проходящему электрическому току. Количество тепла можно определить, используя уравнение:

   где : iсв(t) - мгновенное значение сварочного тока, rээ(t) - общее сопротивление металла, который находится между электродами в момент времени t

   Роль сопротивлений, которые входят в это уравнение, при стыковой сварке другая, по сравнению с точечной (рис.2).

   После включения сварочного тока микроконтакты быстро нагреваются, снижается сопротивление металла пластической деформации, облегчаются условия разрушения пленок и при соответствующих критических температурах, характерных для определенного металла rд1д2 снижается практически до нуля, а rэд1, rэд2 - до относительно малых величин.

   В связи с тем, что rэд1, rэд2 находятся далеко от зоны сварки, они на ее нагрев существенно не влияют.

   Контактное сопротивление при стыковой сварке из-за относительно малого давления обычно в 1.5-2 больше, чем при точечной сварке.

    В общем балансе теплоты часть тепла, которая выделяется на контактном сопротивлении между деталями, не превышает 10…15%. Однако она выделяется в узкой приконтактной зоне за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней температуры, которая сохраняется после исчезновения rд1д2 до конца цикла сварки, т.к. эта зона нагревается сильнее других участков. Интенсивность тепловыделения в контакте определяется начальным давлением. При снижении давления интенсивность тепловыделения растет, но ухудшается равномерность нагрева в сечении, что связано со случайным расположением участков контакта и является серьезным недостатком этого процесса. Нагрев при сварке сопротивлением можно рассмотреть как наложение двух процессов: 1) нагрев бесконтактного стержня теплом Q1, что равномерно выделяемым на собственном сопротивлении по всей устанавливаемой длине вылета с учетом потерь в электрод и на излучение; 2) дополнительный нагрев теплом, которое выделяется в стыке и распространяется в стороны от него:

   где Iсв - сварочный ток; tсв - продолжительность тока; kп -коэффициент потерь; ?Т -удельное электросопротивление (зависит от температуры нагрева; l0, S - устанавливаемая длина и сечение свариваемых деталей.

   Торцы деталей в приконтактной зоне подогреваются до температуры Tсв, которая ниже температуры плавления металла Tпл (Тсв = 0,8...0,9 Tпл).

   Основная роль пластической деформации состоит в обеспечении электрических контактов (преимущественно на протяжении первого этапа нагрева) и удалении оксидов для образования металлических связей в стыке (второй этап).

   Деформация вызывается действием усилия сжатия, которое создается приводом сварочной машины. Для образования начального электрического контакта достаточно небольшого давления (5..10 МПа), при котором происходит только микропластическая деформация рельефа поверхностей торцов. При малом давлении контактное сопротивление велико и его роль в тепловыделении растет. Для удаления оксидов и образования связей необходима большая пластическая деформация деталей, которая вызывает интенсивное вытеснение преимущественно приконтактных нагретых слоев металла и оксидов из зоны сварки.

   При стыковой сварке в большинстве случаев используется свободная схема объемной деформации, когда металл течет без любого внешнего ограничения.

   Объемную пластическую деформацию в условиях стыковой сварки часто характеризуют коэффициентом площади kпл - отношение конечной и начальной площадей сечения торцов. При мягких режимах сварки увеличивается длина зоны термического влияния и kпл, при жестких режимах kпл, уменьшается, т.к. деформация локализуется на относительно коротком участке свариваемых деталей.

   При сварке сопротивлением допускаемое максимальное значение kпл<4. Такая деформация, как правило не обеспечивает полного удаления оксидов. В тоже время увеличение kпл приводит к нарушению монолитности металла зоны сварки. Значительное увеличение области всестороннего сжатия, активизация вытеснения оксидов и восстановление поверхности для образования металлических связей достигается при использовании схемы принудительного формирования стыка в специальных зажимах, между которыми локализуется деформация.

   В процессе сварки о величине деформации делают вывод по укорочению деталей, вызванного осадкой.

   Усилие осадки Fос растет при увеличении сечения свариваемых деталей, жаропрочности металлов и скорости осадки: чем больше скорость осадки Vос, тем меньше вероятность того, что в стыке останутся оксиды. Чрезмерное увеличение Vос иногда ухудшает качество сварки из-за затрудненной пластической деформации.

   На процесс образования соединения при стыковой сварке огромное влияние имеют оксидные пленки на торцевой поверхности деталей. Они затрудняют межатомное взаимодействие и препятствуют формированию крепких металлических связей. Оксидные пленки должны быть удалены из зоны соединения или разрушены в процессе пластической деформации при осадке.

   При стыковой сварке торцы не защищены от взаимодействия с атмосферой. Условия разрушения и удаления оксидов при стыковой сварке зависят от температуры торцов, градиента температур, свойств оксидов и металлов.

   При сварке сопротивлением вследствие сравнительно малой пластической деформации происходит только частичное разрушение и удаление оксидов. Восстановление поверхности составляет не больше 60-70%, что в общем случае определяет относительно низкую пластичность соединения.

   Подготовка деталей для стыковой сварки состоит в придании их торцам определенной формы и тщательной зачистке поверхностей. Торцевые поверхности обрабатывают мех. резанием при помощи ножниц, резания (на металлорежущих станках) или др. способами.