3.1.4. Общее сопротивление деталей

Точечная сварка. Первый период (I) характеризуется резким спадом r_ээ за счет снижения r_дд и 2r_эд, которое не компенсируется повышением 2r_д за счет увеличения ρ. В течение второго периода (II) r_ээ практически определяется собственным сопротивлением деталей 2r_д (так как r_дд = 0, а 2 r_эд невелико). Небольшой спад r_ээ определяется на этом участке увеличением площади электрических контактов (рис. 19).

Р ис. 19. Кинетика изменения электрических сопротивлений при точечной сварке.

В общем случае характер изменения r_ээ зависит от свойств ме­талла, толщины деталей, режима сварки, формы импульса тока, размеров ядра, формы рабочей поверхности электродов и т. п.

Рис. 20. Кинетика изменения r_ээ в процессе рельефной сварки низкоуглеродистой стали толщиной 2+2 мм.

При рельефной сварке кинетика r_ээ в значительной мере отли­чается от предыдущего случая. В области I (рис. 20) происходит резкое падение сопротивления из-за быстрой деформации нагревае­мого выступа. Далее в области II значение r_ээ стабилизируется, а затем (область III) вновь уменьшается в связи с расширением кон­тактов при образовании ядра. На конечной стадии диаметры кон­тактов и тепловое состояние металла стабилизируются, и r_ээ мало изменяется. Конечная величина r_ээ при этом меньше, чем при точечной сварке, за счет больших размеров контактов.

При шовной сварке герметичным швом вследствие достаточно высокой начальной температуры последующей точки заметно сни­жается роль r_дд и 2r_эд. В начале цикла уже не отмечается увеличе­ние (максимума) r_ээ (2r_эд), и полное сопротивление деталей моно­тонно уменьшается вплоть до момента выключения тока. Конечные значения r_ээ из-за большей площади контактов заметно меньше, чем при точечной сварке.

Стыковая сварка. Сопротивление деталей в начальной стадии оплавления значи­тельно меньше контактного и сравнительно мало влияет на нагрев деталей. К концу оплавления скорость сближения возрастает, и бла­годаря увеличению при этом количества и размеров перемычек r_дд уменьшается, а 2r_д в результате нагрева деталей несколько воз­растает. Суммарное сопротивление r_ээ к концу оплавления снижается (рис. 21, а), а при осадке становится равным 2r_д + 2r_эд. При стыко­вой сварке сопротивлением характер изменения r_дд, r_д, r_эд и r_ээ (рис. 21, б) практически не отличается от их изменения при точечной сварке (см. рис. 19).

Рис. 21. Характер изменения электрических сопротивлений при стыковой сварке: а - сопротивлением; б - оплавлением.

3.1.5. Температурные и электрические поля

Точечная сварка. Выделение теплоты вызвано действием ряда источников. Основной источник - объемно распределенный. К второстепенным источникам следует отнести плоские источники, связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопро­тивлениях, а также плоский источник, обусловленный эффектом Пельтье*¹.

Однако считается, что основ­ная часть теплоты при точечной, рельефной и шовной сварке выде­ляется за счет действия объемно распределенного источника и доля указанных выше плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10 %, и обычно ими пренебрегают.

Выделяющаяся в зоне сварки энергия (Q_ээ) расходуется на нагрев металла до температуры плавления или ликвидуса (Q₁ ≈ 20-30 % Q_ээ), а остальная часть передается теплопроводностью в окружающий ядро металл (Q₂) и электроды (Q₃). Таким образом,

Q_ээ= Q₁ + Q₂ + Q₃.

Радиационным и конвективным теплообменом с поверхности де­талей и электродов обычно пренебрегают. Основная часть теплоты (более 50 % Q_ээ) обычно отводится в электроды, что определяет отсутствие сквозного проплавления деталей. Снижение теплоотвода способствует накоплению теплоты в зоне сварки, стимулирует раз­витие процессов пластической деформации, что часто используется при соединении деталей разной толщины и разноименных металлов.

Для сварки характерно неравномерное электрическое поле, что связано с действием геометрического, температурного и магнито­электрического факторов.

Геометрический фактор обусловлен тем, что раз­меры электрических контактов, как правило, намного меньше раз­меров деталей, а также явлением шунтирования тока. Иллюстра­цией влияния геометрического фактора служат характер электриче­ского поля в равномерно нагретых деталях при точечной сварке (рис. 22, а). Электрическое поле, характеризуемое в данном случае распределением потенциалов, симметрично относительно z.

Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потенциа­лов и электрических сопротивлений деталей и электродов. Наиболь­шие плотности тока (рис. 22, б) в сечениях I-I и III-III дости­гаются вблизи границ контактов в результате растекания тока в электродах и деталях. В сечении II-II плотность тока вблизи оси z практически постоянна и постепенно убывает за границами контакта. Неравномерность электрического поля возрастает с умень­шением отношения d_к/s. Например, при d_к/s = 3,3 около 25 % тока протекает вне поверхности цилиндра с основанием d_к, а при d_к/s = 5 лишь 15 %. Характер поля зависит также от диаметра электрода, расположения в нем охлаждающего канала.

Рис. 22. Электрическое поле при точечной сварке: а - распределение потенциалов; б - распре­деление плотности тока в различных сечениях без учета контактных сопротивлений

Т емпературный фактор проявляется в обтекании током более нагретых участков соединения, отличающихся повышен­ным сопротивлением, в условиях неравномерного температурного поля и поля электрических сопротивлений.

Это явление наглядно представляется при наличии расплавлен­ного ядра (рис. 23), удельное электросопротивление которого в 1,5-2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока в сечении II-II (z = s/2) вблизи границ ядра за­метно повышается (на 25 % и более) по сравнению с рассмотренным ранее случаем равномерно нагретых деталей и снижается над ядром. Во многом аналогичная картина отмечается и в сечении III-III (z = 0). Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует росту этого пояска по мере возрастания диаметра ядра.

Р ис. 23. Распределение плотно­сти тока в сечениях II-II и III-III при наличии жидкого ядра

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта, эффекта близости и т. п., мало влияет на характер электрического поля, за исключением случая сварки токами повышенной частоты.

Температурное поле обычно описывается изотермами, располо­женными в сечении, проходящем через ось z. В силу симметрии поля относительно оси z изотермы в сечениях, параллельных поверхностям деталей, имеют форму окружности. Металл начинает плавиться спустя некоторое время с начала импульса тока (0,3-0,5t_св). Ядро возникает в области контакта деталь - деталь, где достигается наи­большая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. По мере прохождения тока ядро растет в направлении осей z и r. Максимальная температура в ядре лишь на 15-20 % превышает температуру ликвидуса сплава. Температура в контакте электрод-деталь достигает максимального значения к концу им­пульса и составляет в среднем 400-500 °С (для сталей, алюминие­вых сплавов) и повышается с ростом темпа сварки. Градиенты температур в условиях шовной и особенно точечной сварки очень велики и могут достигать по оси z, например, при сварке сталей малой толщины, 100 000 °С/см. Температурное поле является крайне нестационарным, так как скорость нагрева очень большая - до 200 000 °С/с, особенно при сварке малых толщин импульсами не­большой длительности.

Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями на­грева. Так, при точечной сварке деталей толщиной 1-4 мм уже через 0,02-0,08 с ядро полностью кристаллизуется. В течение этого времени часть теплоты распространяется в глубь деталей, нагревая околошовную зону.

На характер температурного поля оказывает влияние параметры режима, размеры и форма электродов, свойства электрод­ных материалов. В общем случае температурное поле при точечной сварке описы­вается уравнением теплопроводности Фурье.

В зависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жесткие и мягкие режимы сварки.

Жесткий режим характеризуется кратковременным мощ­ным импульсом тока, когда t_св < 0,02s (с) при сварке деталей тол­щиной 1-4 мм. Температурное поле в этом случае определяется преимущественно тепловыделением: изотерма температуры ликвидуса имеет при этом в сечении форму, близкую к прямоугольнику, углы которого вытянуты в сторону областей с повышенной плотностью тока (к периферии контактов), a Q₂ + Q₃ ≤ 20 % Q_ээ. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. При этом обычно увеличивается склонность к образо­ванию выплеска, и для его предотвращения повышают сварочное усилие.

Мягкие режимы характерны значительной длитель­ностью протекания тока (t_св > 0,1s) относительно малой, силы. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами (Q₂+Q₃ ≥ 80 % Q_ээ). Изотерма температуры лик­видуса имеет в сечении форму овала или эллипса. Скорость нагрева и охлаждения, а также величина F_св меньше, чем на жестких ре­жимах.

Стыковая сварка сопротивлением. Контактное сопротив­ление оказывает решающее влияние на нагрев деталей в зоне сварки. В общем балансе теплоты доля теплоты, выделяемой на контактном сопротивлении между деталями, не превышает 10 - 15 %. Однако она выделяется на узкой приконтактной зоне за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней температуры, которая сохраняется и после исчезновения r_дд до конца цикла сварки, так как эта зона нагрета сильнее других участков. Интенсивность тепловыделения в контакте определяется начальным давлением, которое для сталей обычно не превышает 15-30 МПа. При снижении давления интенсивность тепловыделения возрастает, но ухудшается равномерность нагрева по сечению. Неравномерность, нагрева деталей связана со случайным располо­жением участков контактирования и является серьезным недостатком процесса сварки сопротивлением. Неравномерность нагрева воз­растает с увеличением сечения и особенно сильно проявляется при сварке деталей с развитым сечением.

Нагрев при сварке сопротивлением можно рассматривать как наложение двух процессов: 1) нагрева (до температуры Т₁) бескон­тактного стержня теплотой, равномерно выделяемой на собственном сопротивлении по всей его длине; 2) дополнительного нагрева (до температуры Т₂) теплотой, выделяемой в стыке и распространяю­щейся в стороны от него (рис. 24).

Рис. 24. Распределение температуры при стыковой сварке сопротивлением

Стыковая сварка оплавлением. Основная технологическая роль оплавления заключается в нагреве деталей до образования на тор­цах слоя расплавленного металла, а также соответствующего распре­деления температур в околошовной зоне для проведения последу­ющей осадки с целью удаления расплава и оксидов. Это достигается оплавлением (при сварке непрерывным оплавлением) или в сочетании с предварительным подогревом (при сварке оплавлением с подо­гревом).

Нагрев при оплавлении в основном происходит за счет теплоты, выделяющейся в контактном сопротивлении r_дд, которое определяется перемычками расплавленного металла, находя­щимися в искровом промежутке. Доля теплоты, выделяемой в соб­ственном сопротивлении деталей 2r_д вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитывается в тепло­вых расчетах.

Механизм нагрева при оплавлении обычно представляют следую­щим образом. При сближении деталей при включенном напряжении и малом давлении между твердыми или жидкими локальными участ­ками поверхности торцов образуются электрические контакты. На­грев контактов происходит током, который вызывает их быстрое плавление и образование перемычек из жидкого металла (рис. 25). Перемычки быстро разрушаются. Длительность существования пере­мычек обычно не превышает 0,001-0,005 с. Форма и размеры пере­мычек определяются действием двух основных противоположно направленных сил (рис. 25, а): сил от поверхностного натяжения σ, стремящихся при сближении деталей уменьшить зазор Δ_з, увеличить диаметр перемычки d_n, и электромагнитных сил F_c (пропорциональ­ных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать и разорвать перемычку. Сжатие перемычки вызывает увеличение в ней плот­ности тока и скорость нагрева. При достаточно большой плотности тока (например, ~ 3000 А/мм², при оплавлении низкоуглеродистой стали) металл в центре перемычки переходит в парообразное состо­яние и вызывает ее взрывообразное разрушение от сил F_п. Давление паров в момент взрыва достигает 10-20 МПа, а температура 6000-8000 °С. Расплавленный металл выбрасывается из зазора в виде искр (со скоростями, превышающими 60 м/с), что ведет к укорачиванию деталей.

Перемычки в стадии их формирования до момента разрушения служат источниками нагрева (за счет теплопроводности) металла околошовной зоны. С увеличением времени существования пере­мычек градиент температуры нагрева деталей снижается, и наоборот. Разрушение перемычек и выброс нагретого металла за пределы искро­вого промежутка рассматривают как потерю накопленной тепловой энергии. Разрушение перемычек сопровождается образованием на торцах углублений - кратеров. С увеличением размера перемычек соответственно увеличиваются размеры кратеров: рельеф поверх­ности торцов ухудшается.

Рис. 25. Схемы расположения перемычек ленного металла при оплавлении: а - действующие на перемычку силы σ и F_c; б - смещение перемычек под действием сил F_в и F_к; в - последователь­ность образования перемычек на торце детали

В некоторых случаях при высоких значениях напряжения во вторичном контуре u₂₀, малой длительности существования перемычек, небольшой работы выхода электронов и большой индуктивности контура машины в качестве дополнительного источника теплоты (кроме перемычек) могут становиться дуговые разряды, которые нагревают металл до более высоких температур. Они возникают в периоды полного раз­мыкания торцов. При этом запасенная в магнитном поле энергия вызывает перенапряжение, пробой и возбуждение дуги. Возникновение следующей перемычки шунти­рует дугу, и она гаснет. При сварке деталей (небольших сечений) из алюминиевых сплавов до 50 % тепловой энергии при оплавлении приходится на долю дуговых разрядов. Роль этих разрядов с увели­чением сечения алюминиевых деталей, а также при сварке сталей и других металлов с большим значением работы выхода электронов снижается.

Между одновременно существующими перемычками, как между проводниками с током одинакового направления, действуют элек­тромагнитные силы F_в (рис. 25, б), стремящиеся их сблизить и объ­единить. Однако из-за быстрого разрушения перемычек этот процесс обычно не успевает завершиться.

Силы F_к, вызванные взаимодействием тока в перемычках с магнит­ным полем сварочной машины, способствуют их перемещению в искровом промежутке и выталкиванию из сварочного контура.

Обычно в начале оплавления распределение температуры на оплавленных торцах неравномерно, причем степень неравномерности по мере нагрева уменьшается (рис. 26). Хотя расплавленные участки появляются уже в начале оплавления, средняя температура на торцах растет постепенно до тех пор, пока их поверхности не покроются более или менее равномерным слоем расплавленного металла. Это обеспечивается при установившемся процессе оплавления, когда перемычки последовательно; и многократно с большой частотой возникают по всей площади торцов деталей.

Рис. 26. Схема распределения темпера­туры при сварке оплавлением: а - в начальной стадии процесса; б - в ко­нечной стадии процесса

Для процесса оплавления характерны высокие локальные плот­ности тока в перемычках и малая средняя плотность тока, отнесенная ко всему сечению деталей.

Оплавление сопровождается характерными электрическими процессами (рис. 27). При сближении торцов и образовании одного контакта (рис. 27, а) напряжение u₂₀ снижается до u_ээ (точка 1). При увеличении тока i_св напряжение u_ээ = r_ээi_св несколько возрастает, а затем при взрыве перемычки (точка 2), за счет запасенной в магнитном поле машины энергии, резко увеличивается (точка 3), превышая u₂₀. Расход накопленной энергии сопровождается сни­жением напряжения до значения u₂₀ и плавным спадом до нуля. При возникновении очередного единичного контакта процесс повто­ряется. Обычно при оплавлении за полупериод (0,01 с) наблюдается 4-7 пульсаций тока. При этом если ток снижается до нуля (точка 4), на кривой u_ээ возникают пульсации напряжения, значения которых часто превышают u₂₀. Такой механизм соответствует режиму обра­зования и разрушения одиночных перемычек. Если ток не достигает нулевого значения (рис. 27, б), пульсации напряжения снижаются. Это указывает на одновременное существование нескольких парал­лельных перемычек и на неодновременное, их разрушение.

При оплавлении деталей больших сечений образуются контакты площадью 1000 мм² и более. Длительность их существования может достигать нескольких полупериодов тока промышленной частоты. Разрушение таких контактов происходит в основном в результате их местного плавления, при котором жидкий металл под действием электромагнитных сил выдавливается в зазор и кристаллизуется, и лишь небольшая часть металла выбрасывается в результате взрыва. При уменьшении зазора развивается вторичное плавление металла, закристаллизовавшегося в зазоре в процессе местного плавления контакта.

Одним из главных параметров режима стыковой сварки оплавле­нием является скорость оплавле­ния v_опл. Она оказывает решаю­щее влияние на температурное поле, равномерность распределе­ния температур (рис. 28), рельеф поверхнос­ти торцов, степень окисления ме­талла торцов, качество сварного соединения.

Р ис. 27. Электрические процессы при оплавлении (машина однофазная пере­менного тока): а - одиночные перемычки; б - несколько одновременно существующих перемычек

При оплавлении на одну и ту же величину увеличение средней скорости приводит к сужению зоны нагрева деталей и увеличению градиента температур, уменьшению времени существования перемычек и более равномерному нагреву торцов деталей вследствие их более интенсив­ного оплавления. В то же время повышение скорости приводит к увеличению размера перемычек и кратеров (к ухудшению рельефа поверхности торцов). При снижении скорости увеличивается дли­тельность существования перемычек и глубина прогрева деталей, а градиент температуры снижается. Размеры перемычек умень­шаются, а рельеф поверхности улучшается. Однако нагрев торцов становится менее равномерным.

Оплавление с малой скоростью используется при сварке толсто­стенных изделий, когда необходимо получить наиболее широкую зону нагрева торцов.

Для конкретных условий сварки существует некоторая оптималь­ная средняя скорость оплавления, которая обеспечивает наилучшие показатели качества соединений. Так, например, чем больше активность металла к образованию оксидов и взаимодей­ствию с атмосферными газами, тем выше должна быть скорость оплавления.

При некоторой постоянной скорости v_опл, которая зависит от теплофизических свойств свариваемых металлов и условий оплавле­ния, достаточно каждую деталь оплавить на величину Δ_опл, чтобы приблизиться к квазистационарному состоянию, при котором на торцах образуется слой расплавленного металла, и дальнейшее оплавление мало изменяет температурное поле (рис. 28).

Рис. 28. Схема распределения вдоль свариваемых деталей средней по сечению температуры при непрерывном оплавлении

Для устойчивого равномерного оплавления мгновенная скорость сближения деталей v_сбл должна соответствовать мгновенной скорости оплавления v_опл (скорости фактического укорочения). При v_сбл >> v_опл зазор Δ_з уменьшится, а диаметр перемычек увеличится на­столько, что их разрушение станет невозможным, произойдет корот­кое замыкание деталей, и оплавление прекратится. При v_сбл << v_опл образование и разрушение перемычек сопровождается увеличением зазора Δ_з и перерывом процесса оплавления.

При оплавлении для сближения деталей в стадии нагрева исполь­зуют как «жесткие» программы, так и «нежесткие», зависящие от изменения каких-либо параметров процесса сварки. Распростра­нение получили преимущественно заранее заданные жесткие про­граммы перемещения подвижной плиты машины.

Для того чтобы начать оплавление холодных деталей и устойчиво его поддерживать, сближение оплавляемых деталей должно идти с постепенно возрастающей скоростью. Для этого часто применяют параболический закон сближения деталей, при котором скорость линейно возрастает со временем: v_опл = kt. С увеличением ускоре­ния k растет градиент температуры у торцов и сужается зона нагрева.

При оплавлении часто используют другие законы увеличения скорости, отлич­ные от линейного. Они позволяют получить высокую интенсивность оплавления в конце процесса при более медленном нарастании скорости в начале оплавления, что повышает его устойчивость. Вне зависимости от программы изменения скорости ее увеличение всегда повышает градиент температуры на торце и сужает зону на­грева.

При сварке непрерывным оплавлением деталей больших сечений часто применяют ступенчатое или плавное изменение скорости. Вместо жестких программ скорость сближения деталей связывают с параметрами, оказывающими влияние на устойчивость оплавления и на общее качество сварного соединения, например, на такие, как напряжение u_ээ сварочный ток i_св и его частота пульсации f_п темпера­тура торцов деталей Т и др.

На устойчивость процесса оплавления оказывают влияние: эффект саморегулирования, запас электриче­ской мощности машин, предварительный подогрев деталей перед оплавлением, геометрия соединений, локальная интенсивность про­цесса, род тока (переменный или постоянный) и другие факторы.

Интенсификация нагрева металла при оплавлении. При сварке средних сечений в большинстве случаев ведут сварку непрерывным оплавлением (до 5000 мм²) или оплавлением с предварительным подогревом (до 10000 мм²). В первом случае целесообразно вести процесс при минимальном напряжении u₂₀, однако, достаточном для устойчивого оплавления. При этом увеличивается время пребывания перемычек в искровом промежутке, больше расплавленного металла остается на торцах, соответственно увеличивается доля теплоты, идущей на непосредственный нагрев деталей и глубина прогрева деталей. Однако такой процесс при сварке больших сечений связан с увеличением времени сварки, припуска на оплавление и недостаточно устойчив.

Предварительный подогрев облегчает возбуждение оплавления, однако при больших сечениях (как и при сварке сопротивлением) не обеспечивает равномерности нагрева торцов, а также требует чрезмерно высокой электрической мощности.

Поэтому для сварки больших сечений (свыше 10000 мм²) при­меняют специальные способы интенсификации нагрева: программное регулирование напряжения и импульсное оплавление.

При программном регулировании для воз­буждения оплавления напряжение u₂₀ вначале увеличивают (в тече­ние 0,1t_опл). Повышение u₂₀ ускоряет разрушение перемычек и сужает зону нагрева. По мере прогрева деталей и стабилизации оплавления u₂₀ снижают и поддерживают постоянным (в течение 0,7t_опл). В конце оплавления, перед осадкой u₂₀ снова кратковре­менно увеличивают для повышения локальной устойчивости процесса (рис. 29). Управлять напряжением удобно путем фазового регулирования источника тока.

Рис. 29. Программа изменения вторичного напряжения u₂₀ (1), скорости оплавления v_опл (2) и плотности тока j_опл (3)

При программном регулировании на­пряжения и скорости в 3-5 раз сни­жается потребляемая мощность и в 1,5-2 раза время сварки.

При импульсном оплав­лении на основное поступательное движение, которое совершает подвижная плита сварочной машины, накладывается дополнительное колебание (с частотой f_к = 3÷45 Гц и амплитудой А_к = 0,14-0,8 мм). Это вызывает периоди­ческое высокоскоростное изменение зазора между деталями (рис. 30). В стадии уменьшения зазора идут процессы частичного оплавления и разрушения преимущественно мелких перемычек, а также одновременно нагрев, деформация и увеличение площади другой части контактов, которая была нагрета до температуры, близкой к температуре плавления. В стадии увеличения зазора эти контакты механически разрушаются и лишь частично оплавляются вследствие большой скорости увеличения зазора. При таком режиме увеличивается время существования в зазоре нагретого металла и снижаются потери, связанные с плавлением и разрушением пере­мычек. Импульсное оплавление по сравнению с непрерывным можно осуществлять при более низких напряжениях u₂₀; при этом на 10-15 % повышается температура в околошовной зоне, в 3-4 раза сокращается время оплавления, в 2-2,5 раза снижается расход электроэнергии и в 3-4 раза припуск на оплавление.

Рис. 30. Импульсное оплавление: а - стадия уменьшения зазора (1 - жидкая перемычка; 2 - деформируемый контакт) б - стадия увеличения зазора (3 - механическое разрушение контакта); в - осциллограмма сварочного тока i_св и перемещение s_n подвижной плиты. Стрелками показано дви­жение: ---- поступательное, — колебательное