Технология и оборудование контактной сварки

=/ i e иоо/1.58. IQ'*. 1 » 21 кА.

1.2.8.Теория теплового подобия. Приближенный расчет параметров режима

Применение теории подобия позволяет по одному экспериментально определенному режиму с использованием критериев подобия рассчитать параметры режима сварки деталей других толщин.

Известно, что два физических процесса подобны, если они описываются одним и тем же дифференциальным уравнением и имеют подобные начальные и граничные условия. Подобие выражается в том, что при определенных условиях в.сходственны* точках тел, т. е. в точках с одной и той же относительной координатой, например, в точках, расположенных в середине листа, достигаются одни и те же значения пере­ менных, в частности температуры при тепловом подобии.

Подобие соблюдается при равенстве критериев подобия — ряда безразмерны* величин. По этим критериям, определяемым по моделям, рассчитывают масштабные коэффициенты для определения параметров процесса. Процессы точечной и шовной сварки деталей разной толщины могут быть подобны при соблюдении геометриче­ ского подобия (формы деталей) и подобия гра­ ничных условий (формы и размеров рабочей части электродов). Характерными точками в

1.3.3. Объемная пластическая деформация при точечной сварке

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

Упрощенная качественная модель напряжений, сил и деформа­ ции в стадии нагрева представлена на рис. 1.26. Объемно-напря­ женное состояние зоны сварки характеризуется сжимающими ра­ диальными (аг), окружными (а0) и осевыми (а2) напряжениями (последние суммируются с аг и ае), а также деформациями е2, ег и е0.

Наибольшие значения аг отмечаются вблизи оси г, где напря­ женное состояние близко к всестороннему сжатию. Наименьшее значение аг и соответственно ад — на периферии контактов и осо­ бенно на границе контакта деталь—деталь. Это объясняется нали­ чием зазора между деталями, в который относительно свободно течет деформируемый металл.

Наибольшая степень пластической деформации (ег, е0 и еГ) отме­

Рис. 1.27. Направление пластической деформации:

а — нагрев целой пластины; б — шовная сварка герметичных швов: 1 — зона интенсивной деформации; 2 — расплавленный металл

металла ядра, возбуждаются электромагнитные силы (последние со­ ставляют ~ 5 %FCB ; в результате возникает гидростатическое дав­ ление (/?я), определяемое общим балансом напряжений в зоне свар­ ки. Дилатометрический эффект и общее снижение ад компенсируют­ ся раздвиганием электродов и дальнейшим вытеснением в зазор деформируемого металла. Это способствует образованию не только рельефа, ограничивающего растекание сварочного тока, но и герме­ тизацию литого ядра, предохраняя металл от выплеска и контакта с атмосферой.

Сварочное усилие FCB на стадии плавления должно быть наиболь­ шим, так как оно контролирует устойчивость процесса против обра­ зования выплеска. Это усилие возрастает при увеличении ад металла, например, при жестких режимах сварки или при сварке жаропроч­ ных металлов. Оно может быть уменьшено путем предварительного подогрева деталей.

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

Рассмотренный характер объемной деформации приконтактной области I —/ (см. рис. 1.26) 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.

При нагреве до плавления целой пластины (рис. 1.27) или при сварке двух деталей с автономным обжатием периферии соединения (см. рис. 3.16, б) сопротивление деформации в радиальном направле­ нии весьма велико. Поэтому пластическая деформация проявляется в образовании рельефа на поверхности деталей — в области с наи­ меньшим сопротивлением деформации. При этом увеличивается раз­ двигание электродов и уменьшаются размеры вмятины на поверх­ ности детали.

При обычной схеме сварки можно предполагать наличие неко­ торого динамического равновесия между величиной Fou, средним сопротивлением пластической деформации зоны сварки и количе­ ством вытесненного металла в зазор между деталями.

Нарушение такого равновесия приводит или к быстрому росту пластического пояска, снижению плотности тока и замедлению роста литого ядра — устойчивый процесс сварки, или, наоборот, к быстрому росту литого ядра, увеличению давления рЯ1 замедлению роста пояска, разгерметизации расплавленной' зоны и выплеску.

Приближенно объективным критерием оценки устойчивости про­ цесса к выплеску может служить общая степень пластической де­ формации е0, которая определяется отношением смещенного объема

Отмечается определенное постоянство ес, что объясняется необходи­ мостью перемещения заданных объемов металла в зазор для обра­ зования уплотняющего пояска и компенсации теплового расши­ рения.

1.3.4. Особенности объемной пластической деформации при шовной и рельефной сварке

При выполнении первой точки шва характер пластической

под ролик (см. рис. 1.27, а), как и в случае нагрева целой пластины (см. рис. 1.27,6). На поверхности шва образуется серповидный рельеф. Вследствие относительно высокого теплосодержания зоны соединения при шовной сварке общая степень пластической дефор­ мации и размеры уплотняющего пояска больше. Это дает возмож­ ность несколько уменьшить время сварки и усилия по сравнению

срежимами точечной сварки.

Сдругой 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 деформируе­ мым в эти несплошности металлом (см. рис. 1.43).

При рельефной сварке отмечается интенсивная деформация (осадка) рельефа на первом и особенно на втором этапе формирова­ ния соединений. При рельефной сварке в твердом состоянии стре­ мятся обеспечить большую степень пластической деформации в ра­ диальном направлении в контакте деталь—деталь, что способствует

и заполнение впадины под электро­ дом. Обычно соединение в твердом состоянии образуется по кольцу

по периферии контакта. Дальнейший нагрев металла приводит к об­

с рассмотренным процессом деформации разработана деформационная модель (см.

Поверхностные пленки (оксиды, слои плакировки и др.), как правило, более тугоплавки (за исключением оксидов железа), чем свариваемые металлы или сплавы. В процессе сварки они должны быть разрушены и удалены с плоскости соединения двух деталей, так как, в общем случае, их наличие в конечной стадии процесса препятствует образованию металлических связей. Этот процесс относят к одному из основных при формировании сварных соеди­ нений.

В условиях точечной, рельефной и шовной сварки разрушить и перераспределить поверхностные пленки дается только при рас­ плавлении металла в контакте двух листов. Разрушение и удаление указанных пленок происходит под действием определенных сил, в ос­ новном электродинамических по своей природе. Результатом дей­ ствия этих сил является интенсивное перемешивание жидкого ме­ талла ядра в направлениях, указанных стрелками на рис. 1.30, а. Следы перемешивания хорошо видны на микрошлифах поперечных

Для контрастности выявления этого процесса время сварки вы­ бирают равным приближенно от трети до двух третей времени сварки номинального режима, так как из-за интенсивного перемешивания жидкого металла при номинальном времени сварки происходит выравнивание состава литого ядра.

Причинами перемешивания жидкого металла являются объем­ ные силы, возникающие в результате взаимодействия сварочного тока с магнитным полем, созданного этим же током. Характер и

Рис. 1.30. Перемешивание жидкого металла ядра:

а — направление циркуляции жидкости; б — структура точки

направление действия этих сил могут быть определены при рассмо­ трении упрощенной модели процесса сварки (рис. 1.31). В предполо­ жении равномерного распределения плотности тока /0 по сечению ядра сила AF;-, действующая на элементарный объем металла АV, находящийся на расстоянии г от оси z,

AFj = ро/о AVH = [Ха/о AW/2,

где Н = /0г/2 — напряженность магнитного поля; [ха - абсолютная магнитная проницаемость вещества. Направление к центру ядра этой силы определяют по правилу левой руки.

Силы AFj, действующие на все объемы AV ядра, создают в жид­ ком ядре давление, подобное давлению, возникающему в жидкости от гравитационных сил. Силы AFj действуют также на объемы ме­ талла, находящегося в твердом состоянии, где они уравнове­ шиваются силами сопротивле­ ния кристаллической решетки.

Объемные силы AFj имеют максимальное значение на пе­ риферии ядра и снижаются до нуля в центре ядра. Давление (в сечении контакта листов) описывается уравнением пара­ болы (рис. 1.31, а)

P = »afo(R2- r 2)/4,

достигая максимума в его цент­ ре (R — радиус ядра).

Рис. 1.31. Схема определения электро­ динамических сил:

а — эпюры распределения плотности тока / 0, сил Fj, и давлений р в жидком металле

по осям г н г; 6 — характер распределения

сил, действующих на взвешенные в рас­ плаве частицы

Как правило, литое ядро имеет форму эллипсоида, поэтому

врасплавленном металле возникают градиенты давления не только

вгоризонтальном (Дрг), но и в вертикальном (Д/?2) направлениях. Под действием этих градиентов слои жидкости циркулируют в ука­

или чаще неэлектропроводимые ДУ2 — рис. 1.31, б) частицы пленок действуют силы AF]n вызванные разностью давлений в сечениях / — / и I I — II:

&Fv = APrAV.

Неэлектропроводимые частицы перемещаются и скапливаются на периферии литого ядра. Если плотность тока j\ в электропроводимой

внем поверхностных пленок, но и к сепарации частиц пленок в ядре

взависимости от их электропроводимости. Последнее явление ис­

Развитие сопутствующих процессов в значительной мере является следствием протекания рассмотренных выше основных процессов.

1.5Л. Тепловое расширение металла при сварке

Нагрев металлических тел сопровождается увеличением их линейных размеров и объема (дилатометрический эффект). В част­ ности, при температуре Т твердого тела его длина 1Т и объем Vr равны

В условиях точечной и шовной сварки увеличение толщины и объема деталей происходит преимущественно в направлении оси г (см. рис. 1.27), так как возрастание объема в направлении оси г сдерживается более холодной массой соседних участков металла.