3.1.6. Шунтирование тока

Шунтирование тока - протекание его части через ранее сваренные точки (вне зоны сварки) или через одну из деталей при односторонней точечной сварке (рис. 1, 31). Вследствие этого нарушается симметрия электрического поля, уменьшаются тепловыделение в зоне сварки, размеры и прочность сварной точки, стабильность качества сварных соединений.

Степень шунтирования через ранее сваренные точки зависит от свойств свариваемого металла, толщины и количества деталей, шага точек и порядка их постановки. Ток шунтирования увеличивается с уменьшением шага точек и ростом толщины деталей.

Значения тока шунтирования , тока во вторичном контуре и сварочного тока (протекающего через сварную точку) определяют по формулам

где и - соответственно электрическое сопротивление зоны сварки и шунта.

Сопротивление шунта рассчитывают по формуле

_,

где к_э ~ 0,4; ρ – удельное электросопротивления; - шаг точек; s – толщина деталей; - приведенная с учетом растекания тока ширина шунта, равная (d_к + d_п)/2 (d_к – диаметр контакта деталь – деталь и электрод – деталь, d_п – диаметр пластического пояска).

Рис. 31. Шунтирование тока при двусто­ронней точечной сварке: а - схема шунтирования; б - распределение тока в сечении II-II при наличии шунтирования (кривая 1) и без него (кривая 2)

Как следует из приведенных формул, уменьшение и рост s вызы­вают снижение и соответственно размеров ядра, а также при­водят к повышению температуры в контакте электрод-деталь и ско­рости износа электрода.

Для каждой толщины и марки металла определяют минимальное значение шага точек . При этом принимается, что если > , то ≤ 0,05 , и шунтирование тока практически не влияет на электрическое поле и размеры ядра.

Ток шунтирования снижается при увеличении удельного электросопротивления деталей (за счет нагрева шунта и снижения ) и шага точек, уменьшении отношения толщин деталей и сопротивления токоведущей подкладки. Частично уменьшить ток шунтирования, устранить искажение температурного поля и повысить стойкость электродов можно, применяя режим сварки с подогревом. Первый импульс увеличивает сопротивление шунта, а второй формирует соединение при малом токе шунтирования.

Также при шовной сварке герметичных соединений ( ~ (2 ÷ 3)s и < d_Я) из-за повышенной температуры предыдущей точки шунтирования весьма ограничены, особенно при большой скорости и непрерывном вращении роликов.

П ри стыковой сварке шунтирование наблюдается в детали, имеющей замкнутый контур (рис. 32).

Рис. 32. Шунтирование тока при стыковой сварке

3.2. Пластическая деформация металла

Пластическая деформация металла - один из основных процессов, способствующих формированию соединений, вызывается как внешними факторами - усилием со стороны электродов, так и внутренними - напряжениями, возникающими при несвободном расширении металла зоны сварки. Пластическая деформация ме­талла имеет место на протяжении всего процесса сварки: от форми­рования холодного контакта до проковки соединения.

Процесс пластической деформации неразрывно связан с процес­сом нагрева. Тесная взаимосвязь этих двух процессов проявляется в эффекте саморегулирования теплового состояния зоны сварки путем соответствующего изменения сопротивления пластической деформации, размеров контактов и плотности тока. Так, при слу­чайном увеличении тока и росте температур снижается сопротивле­ние пластической деформации, что приводит к увеличению площади контактов, снижению плотности тока, уменьшению интенсивности нагрева и определенной стабилизации температурного поля и раз­меров ядра.

В зависимости от объема деформируемого металла различают микропластическую деформацию рельефа контакта поверхности и объемную пластическую деформацию значительных масс металла зоны сварки. Основная роль пластической деформации при сварке заключается в формировании электрического контакта; в образова­нии пластического пояса для удержания расплавленного металла от выплеска и ограничения растекания сварочного тока во внутрен­нем контакте; в уплотнении металла на стадии охлаждения.

Микропластическая деформация идет на протяжении I и II этапов формирования соединения (см. рис. 12).

При точечной сварке вследствие неравномерного нагрева образуется зона металла с различным сопротивлением пластической деформации. Тепловое расширение происходит в стесненных усло­виях и сопровождается возникновением неравномерного распреде­ления внутренних напряжений, которые в сочетании с постоянно действующим внешним усилием сжатия F_св вызывают необратимые объемные пластические деформации.

Упрощенная качественная модель напряжений, сил и деформа­ции в стадии нагрева представлена на рис. 33. Объемно-напря­женное состояние зоны сварки характеризуется сжимающими ра­диальными (σ_r), окружными (σ_θ) и осевыми (σ_z) напряжениями (последние суммируются с σ_r и σ_θ), а также деформациями ε_z, ε_r и ε_θ.

Наибольшие значения σ_z отмечаются вблизи оси z, где напря­женное состояние близко к всестороннему сжатию. Наименьшее значение σ_z и соответственно σ_д - на периферии контактов и осо­бенно на границе контакта деталь-деталь. Это объясняется нали­чием зазора между деталями, образующегося вследствие теплового расширения металла, в который относительно свободно течет деформируемый металл.

Н аибольшая степень пластической деформации (ε_z, ε_r и ε_θ) отме­чается в области пояска (z = 0).

Рис. 33. Характер пластической деформации при точечной сварке

До расплавления снижение σ_д и избыток металла за счет дилатомет­рического эффекта компенсируются небольшим раздвиганием электродов, а также вытеснением части металла в зазор, что обеспечивает во внутрен­нем контакте рельеф, ограничиваю­щий растекание сварочного тока.

При расплавлении в замкнутом объеме резко увеличивается объем металла ядра, возбуждаются электромагнитные силы (~ 5 % F_св); в результате возникает гидростатическое дав­ление (р_я), определяемое общим балансом напряжений в зоне свар­ки. Дилатометрический эффект и общее снижение σ_д компенсируют­ся раздвиганием электродов и дальнейшим вытеснением в зазор деформируемого металла. Это способствует образованию не только рельефа, ограничивающего растекание сварочного тока, но и герме­тизацию литого ядра, предохраняя металл от выплеска и контакта с атмосферой.

Сварочное усилие F_cв на стадии плавления должно быть наиболь­шим, так как оно контролирует устойчивость процесса против обра­зования выплеска. Это усилие возрастает при увеличении σ_д металла, например, при жестких режимах сварки или при сварке жаропроч­ных металлов. Оно может быть уменьшено путем предварительного подогрева деталей.

Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение σ_д; соответственно температура внешней границы намного ниже, а σ_д больше. Металл пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом сжи­мающие напряжения (σ_zп) и сила F_n стремятся увеличить зазор между деталями.

Рассмотренный характер объемной деформации приконтактной области I-I (см. рис. 33) деталей вызывает «оседание» верхних слоев металла и образование вмятины от электрода на поверхности. Скорость этого оседания и размеры вмятины резко возрастают при образовании внутреннего выплеска.

Шовная сварка. При выполнении первой точки шва характер пластической деформации такой же, как при точечной сварке. Однако при сварке следующих точек перед роликом металл деформируется в зазор, как и при точечной сварке, а позади ролика металл вытесняется под ролик (рис. 34). На поверхности шва образуется серповидный рельеф. Вследствие относительно высокого теплосодержания зоны соединения при шовной сварке общая степень пластической дефор­мации и размеры уплотняющего пояска больше. Это дает возмож­ность несколько уменьшить время сварки и усилия по сравнению с режимами точечной сварки.

Рис. 34. Направление пластической деформации при шовной сварке герметичных швов: 1 - зона интенсивной деформации; 2 - расплавленный металл

С другой стороны, деформация поверхностных слоев металла приводит к ускоренному износу роликов. Пластическая деформация может оказать благоприятное влияние на плотность шва. Так, при сварке последующих точек и повторном нагреве несплошности (раковины) в предыдущих точках могут заполняться деформируе­мым в эти несплошности металлом.

П ри рельефной сварке отмечается интенсивная деформация (осадка) рельефа на первом и, особенно на втором этапе формирова­ния соединений. При рельефной сварке в твердом состоянии стре­мятся обеспечить большую степень пластической деформации в ра­диальном направлении в контакте деталь-деталь, что способствует очистке поверхности и обра­зованию металлических связей (рис. 35, а). Одновременно про­исходит деформация вдоль оси z и заполнение впадины под электро­дом. Обычно соединение в твердом состоянии образуется по кольцу по периферии контакта. Дальнейший нагрев металла приводит к об­разованию ядра по обычной схеме точечной сварки (рис. 35, б). Рельеф при этом полностью деформируется, но под электродами остаются небольшие вмятины.

Рис. 35. Пластическая деформация металла при рельефной сварке: а - в начале процесса; б - в конце про­цесса

а

б

Стыковая сварка. Для образования начального электрического контакта достаточно небольшое давление (5- 10 МПа при сварке сопротивлением и ~ 0,001 МПа при сварке оплавлением), при котором обычно проис­ходит лишь микропластическая деформация рельефа поверхности торцов. При малом давлении контактное сопротивление велико, и его роль в тепловыделении возрастает. Для удаления оксидов и образования связей требуется относительно большая объемная пластическая деформация деталей, которая вызывает интенсивное вытеснение преимущественно приконтактных нагретых слоев ме­талла и оксидов из зоны сварки. Удаление оксидов при сварке опла­влением затрудняется при образовании глубоких кратеров. В этом случае степень объемной деформации и усилие осадки приходится увеличивать.

При стыковой сварке в большинстве случаев используется сво­бодная схема объемной деформации, при которой металл течет по направлению стрелок вдоль оси z без какого-либо внешнего ограни­чения (рис. 36, а). В точке А имеет место всестороннее неравно­мерное сжатие (действуют сжимающие напряжения, осевые σ_х, радиальные σ_r и окружные - тангенциальные σ_θ). Напряжения σ_r и σ_θ контролируют преимущественно деформации, действующие в плоскости стыка соединяемых деталей. В точке В действуют напря­жения двустороннего сжатия σ_х и σ_r, а напряжения σ_θ меняют знак и становятся растягивающими. В точке Б действует двустороннее сжатие (σ_х и σ_r) с растяжением (σ_θ). Напряжения σ_r и σ_θ при чрез­мерном их увеличении могут вызвать раскрытие зазора, расслоение и искривление волокон металла, а также образование при охлажде­нии и усадке металла продольных трещин.

Объемную пластическую деформацию в условиях стыковой сварки часто характеризуют коэффициентом площади к_пл = S_кон/S_нач, где S_кон и S_нач - соответственно конечная и начальная (до сварки) площади сечения торцов.

Рис. 36. Деформация металла при осадке: а - схема свободной деформации; б - схема принудительной деформации (1 - свариваемые детали; 2 - формирующие зажимы); в - начальный момент осадки

При мягких режимах сварки увеличиваются протяженность околошовной зоны и к_пл; при жестких режимах к_пл снижается, так как деформация локализуется на относительно коротком участке свариваемых деталей. При сварке сопротивлением допускают макси­мальное значение к_пл < 4. Такая деформация, как правило, не обеспечивает полного удаления оксидов. В то же время дальнейшее увеличение к_пл приводит к нарушению монолитности металла зоны сварки. Значительное увеличение области всестороннего сжатия, активизации вытеснения оксидов и обновления поверхности для образования металлических связей достигается при использовании схемы принудительного формирования стыка в специальных зажи­мах (рис. 36, б), между которыми локализуется деформация. При этом в точке Б становится допустимым существенное увеличение напряжений σ_r и σ_θ.

При сварке оплавлением из-за относительно жестких режимов сварки и плавления металла качественное соединение без оксидов получают при к_пл < 2.

В процессе стыковой сварки о величине деформации судят по укорочению деталей, вызванному осадкой Δ_ос.

При стыковой сварке оплавлением деформация обычно характери­зуется Δ_ос, Р_ос и скоростью осадки v_oc. Величина Δ_ос должна быть достаточной для полного закрытия зазора Δ_з, вытеснения окислен­ного и расплавленного металла (2δ_ж) и для некоторой пластической деформации нагретого металла с целью устранения кратеров 2Δ_кр (рис. 36, в). При этом значение Δ_ос зависит главным образом от рельефа поверхности торцов. При увеличении сечения свариваемых деталей увеличиваются размеры перемычек и кратеров, соответ­ственно увеличивается Δ_ос. При сварке с подогревом деформация распространяется на большую длину деталей и Δ_ос также увеличи­вается.

Усилие осадки Р_ос растет при увеличении сечения свариваемых деталей, жаропрочности металлов и скорости осадки. При непрерыв­ном оплавлении Р_ос 1,5-2 раза больше, чем при сварке с подогре­вом. Часть осадки (0,5 Δ_ос) осуществляют при включенном токе, что облегчает пластическую деформацию и уменьшает Р_ос.

Чем выше скорость осадки v_oc, тем меньше вероятность застревания оксидов в стыке. Чрез­мерное увеличение v_oc иногда ухудшает качество сварки из-за за­трудненной пластической деформации.