Технология и оборудование контактной сварки

растает, а затем при взрыве перемычки (точка 2), за счет запасенной в магнитном поле машины энергии, резко увеличивается (точка 3)9 превышая и20. Расход накопленной энергии сопровождается сни­ жением напряжения до значения и20 и плавным спадом до нуля. При возникновении очередного единичного контакта процесс повто­ ряется. Обычно при оплавлении за полупериод (0,01 с) наблюдается 4—7 пульсаций тока. При этом если ток снижается до нуля (точка 4), на кривой и;)д возникают пульсации напряжения, значения которых часто превышают и20. Такой механизм соответствует режиму обра­ зования и разрушения одиночных перемычек. Если ток не достигает нулевого значения (рис. 2.8, б), пульсации напряжения снижаются. Это указывает на одновременное существование нескольких парал­ лельных 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.

♦г

одновременно существующих перемычек

(рис. 2.9, а), уменьшению времени существования перемычек и более равномерному нагреву торцов деталей вследствие их более интенсив­ ного оплавления. В то же время повышение скорости приводит к увеличению размера перемычек и кратеров (к ухудшению рельефа поверхности торцов). При снижении скорости увеличивается дли­ тельность существования перемычек и глубина прогрева деталей, а градиент температуры снижается. Размеры перемычек умень­ шаются, а рельеф поверхности улучшается. Однако нагрев торцов становится менее равномерным.

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

Для конкретных условий сварки существует некоторая оптималь­ ная средняя скорость оплавления, которая обеспечивает наилучшие показатели качества соединений (рис. 2.9, б). Так, например, чем больше активность металла к образованию оксидов и взаимодей­ ствию с атмосферными газами, тем выше должна быть скорость оплавления. Оптимальной скорости оплавления часто соответствует оптимальное значение частоты пульсации тока (/п).

При некоторой постоянной скорости иопл, которая зависит от теплофизических свойств свариваемых металлов и условий оплавле­ ния, достаточно каждую деталь оплавить на величину Допл, чтобы приблизиться к квазистационарному состоянию, при котором на торцах образуется слой расплавленного металла, и дальнейшее оплавление мало изменяет температурное поле (рис. 2.10). Оценить температурное поле можно, используя следующее приближенное решение:

Т(х) TQ= (Т пл То) exp ( vonJiXj2(i)9

где Ть — начальная температура (Т ж 0 при непрерывном оплавле­ нии и Т0 = Тиод при сварке с подогревом); Тил — температура торца, равная при квазистационарном процессе температуре плавления

При оплавлении для сближения деталей в стадии нагрева исполь­ зуют как «жесткие» программы, так и «нежесткие», зависящие от изменения каких-либо параметров процесса сварки. Распростра­ нение получили преимущественно заранее заданные жесткие про­ граммы 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: исбл = kt. С увеличением ускоре­ ния k растет градиент температуры у торцов и сужается зона нагрева.

Для приближенных технологических расчетов нагрева деталей при параболическом оплавлении можно использовать следующую эмпирическую формулу:

Т(х) - Т0 = (Тпл — Г„) ехр [ - 0,92 (А/а2) 1'3 *]•

Такое распределение температуры, близкое к квазистационарному, устанавли­ вается после оплавления деталей на величину припуска

Д т ш = 1,4/(*/а2)1/3.

При оплавлении часто используют другие законы увеличения скорости, отлич­ ные 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 на­ грева.

При сварке непрерывным оплавлением деталей больших сечений часто применяют ступенчатое или плавное изменение скорости Вместо жестких программ скорость сближения деталей связывают

спараметрами, оказывающими влияние на устойчивость оплавления

ина общее качество сварного соединения, например, на такие, как

напряжение и э. У сварочный ток / св, частота пульсации /п, темпера­ тура торцов деталей Т и др. (см. п. 9.32).

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

С а м о р е г у л и р о в а н и е — основное условие устойчивого оплавления. Обычно при стыковой сварке гдд ^ Z2K (область Б). При этом за цикл сварки гдд непрерывно снижается. Для поддержа­ ния устойчивого оплавления, предупреждения короткого замыка­ ния, а также произвольного прекращения оплавления снижение гдл должно быть компенсировано быстрым нарастанием / 2 и повышением

При сварке на трехфазных машинах с униполярными импуль­ сами тока (низкочастотные машины и машины с выпрямлением тока во вторичном контуре, см. §6.4) снижается потребляемая мощность и повышается устойчивость оплавления (непрерывность тока и малое внутреннее сопротивление машины), более равномерно нагревается сечение деталей (меньшее влияние поверхностного эффекта). Опыт сварки оплавлением тонкостенных деталей показал также, что при этом улучшается рельеф поверхности и образуется более равномер­ ный слой расплавленного металла на торцах. Однако при сварке больших сечений из-за увеличения активного сопротивления венти­ лей контактора преимущества постоянного тока становятся менее очевидны.

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 10 000 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

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 10 000 мм2) при­ меняют специальные способы интенсификации нагрева: программное регулирование напряжения и импульсное оплавление.

сужает зону нагрева. По мере прогрева деталей и стабилизации

грамма сварочного тока iCB и перемещение sn подвижной плиты. Стрелками показано дви­

= 3-4-45 Гц и амплитудой А к = 0,14-0,8 мм). Это вызывает периоди­ ческое высокоскоростное изменение зазора между деталями (рис. 2.13). 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 пере­ мычек. 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

Основная роль пластической деформации заключается в удалении оксидов для образования металлических связей в стыке (второй этап цикла сварки) и электрических контактов (преимуще­ ственно в течение первого этапа нагрева). Деформация вызывается действием усилия сжатия, создаваемого приводом сварочной машины. Для образования начального электрического контакта достаточно небольшое давление (5—10 МПа при сварке сопротивлением ~0,001 МПа при сварке оплавлением), при котором обычно проис­ ходит лишь микропластическая деформация рельефа поверхности торцов. При малом давлении контактное сопротивление велико,

а — схема свободной деформации; б — схема принудительной деформации (У — свариваемы детали; 2 — формирующие зажимы); в — начальный момент осадки

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 ме­ талла и оксидов из зоны сварки. Удаление оксидов при сварке опла­ влением затрудняется при образовании глубоких кратеров. В этом случае степень объемной деформации и усилие осадки приходится увеличивать.

При стыковой сварке- в большинстве случаев используется сво­ бодная схема объемной деформации, при которой металл течет по направлению стрелок вдоль оси z без какого-либо внешнего ограни­ чения (рис. 2.14, а). В точке А имеет место всестороннее неравно­ мерное сжатие (действуют сжимающие напряжения, осевые ох, радиальные аг и окружные — тангенциальные а0). Напряжения от и а0 контролируют преимущественно деформации, действующие в плоскости стыка соединяемых деталей. В точке В действуют напря­ жения двустороннего сжатия ох и аг, а напряжения а0 меняют знак

истановятся растягивающими. В точке Б действует двустороннее сжатие (ах и аг) с растяжением (а0). Напряжения аг и а0 при чрез­ мерном их увеличении могут вызвать раскрытие зазора, расслоение

иискривление волокон металла, а также образование при охлажде­ нии и усадке металла продольных трещин.

Объемную пластическую деформацию в условиях стыковой сварки

часто характеризуют коэффициентом площади knjI = S K0H/S нач> где S H0H и S,jaii — соответственно конечная и начальная (до сварки) площади сечения торцов.

При мягких режимах сварки увеличиваются протяженность околошовной зоны и /?пл; при жестких режимах kUJ1 снижается, так как деформация локализуется на относительно коротком участке свариваемых деталей. При сварке сопротивлением допускают макси­ мальное значение knjl < 4. Такая деформация, как правило, не обеспечивает полного удаления оксидов. В то же время дальнейшее увеличение kun 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 зажи­ мах 2 (рис. 2.14, б), между которыми локализуется деформация. При этом в точке Б становится допустимым существенное увеличение напряжений ог и о0.

При сварке оплавлением из-за относительно жестких режимов сварки и плавления металла качественное соединение без оксидов получают при /?11Л < 2.

В процессе стыковой сварки о величине деформации судят по укорочению деталей, вызванному осадкой Дос-

При стыковой сварке оплавлением деформация обычно характери­ зуется Д0с» Рос и скоростью осадки voc. Величина Дос должна быть достаточной для полного закрытия зазора Д3, вытеснения окислен­ ного и расплавленного металла (26ж) и для некоторой пластической деформации нагретого металла с целью устранения кратеров 2Д1ф (рис. 2.14, в). При этом значение Дос зависит главным образом от рельефа поверхности торцов. При увеличении сечения свариваемых деталей увеличиваются размеры перемычек и кратеров, соответ­ ственно увеличивается Дос. При сварке с подогревом деформация распространяется на большую длину деталей и Дос также увеличи­ вается.

Усилие осадки Рос растет при увеличении сечения свариваемых деталей, жаропрочности металлов и скорости осадки. При непрерыв­ ном оплавлении Рос в 1,5—2 раза больше, чем при сварке с подогре­ вом. Часть осадки (0,5ДОС) осуществляют при включенном токе, что облегчает пластическую деформацию и уменьшает Рос.

Чем выше скорость осадки иос, тем меньше Д^ [см. формулу (2.10)], тем меньше вероятность застревания оксидов в стыке. Чрез­ мерное увеличение v0ii иногда ухудшает качество сварки из-за за­

На процесс образования соединения при стыковой сварке решающее влияние оказывают оксидные пленки на торцовой поверх­ ности деталей. Они затрудняют межатомное взаимодействие и пре­ пятствуют формированию прочных металлических связей. Оксидные пленки должны быть удалены из зоны соединения или раздроблены в процессе пластической деформации при осадке.

При стыковой сварке торцы открыты для взаимодействия с атмо­ сферой. Наиболее активно развиваются процессы окисления при сварке сопротивлением. Для сварки оплавлением характерно не­ прерывное обновление металла на торцах, образование большого количества капель и паров металла в зазоре (например, при сварке сталей оксида углерода СО) при взрыве перемычек, связывающих кислород и другие газы, что значительно снижает интенсивность взаимодействия металла с атмосферой. Однако при соединении химически активных металлов (титана, молибдена и др.) такая

твердость ниже, чем устали. При сварке оплавлением, когда оксиды находятся преимущественно на жидкой подложке, их твердость не оказывает существенного влияния на их удаление. При сварке сопро­ тивлением вследствие сравнительно малой пластической деформации происходит лишь частичное разрушение и удаление оксидов. Об­ новление поверхности (удаление с поверхности торцов оксидов) со­ ставляет при этом не более 60—70 %, что в общем случае опреде­ ляет относительно низкую пластичность соединений.

При сварке оплавлением удаление оксидов значительно облег­ чается и происходит вместе с частицами расплавленного металла, выбрасываемого из стыка, и главным образом при осадке вытесне­ нием оксидов с жидким и твердым металлом в грат. При сравни­ тельно небольшой деформации обновление поверхности при опти­ мальном режиме сварки приближается к 100 %. Однако при этом необходимо учитывать, что на поверхности оплавленных торцов, как правило, имеются неровности, и, хотя осадку выполняют отно­ сительно быстро, для закрытия зазора Д3 и полного удаления из стыка оксидов требуется определенное время Дtv При оплавлении между двумя последовательно образующимися на одном и том же месте перемычками проходит некоторое время Дt2. Этот же интервал времени может быть между началом образования последней пере­ мычки и фактической осадкой (моментом соприкосновения деталей). Таким образом, в течение Дt = Дtx + Д/2 может происходить осты­ вание металла (например, на дне кратера) при незакрытом зазоре (рис. 2.15).

где 6>и — толщина слоя расплавленного металла на торцах; Т2 — температура, при которой металл на поверхности торца теряет жидкотекучесть.

Числитель в уравнении (2.9) — количество теплоты, на которое уменьшается теплосодержание расплавленного слоя единичной пло-