4. Условия работы электродов
Электроды и являются инструментом, осуществляющим непосредственный контакт машины со свариваемыми деталями. Электроды в процессе точечной и роликовой сварки выполняют следующие основные функции: сжимают детали, подводят ток, отводят тепло, выделяющееся в деталях при сварке. Форма и размеры рабочей поверхности, контактирующей с деталями, и вся конструкция электродов в целом оказывают значительное влияние на качество сварных соединений и производительность процесса.
При точечной сварке электроды нагреваются до высоких температур за счет тепла, выделяющегося непосредственно в них при протекании тока, и за счет передачи тепла от свариваемых деталей.
В процессе сварки в контакте электрод—деталь на рабочей поверхности электродов могут развиваться температуры до 750°С при точечной сварке сталей.
Характерной особенностью условий работы электродов является циклический характер действия температур и давлений [4, рис. 1]. При точечной сварке на относительно жестких режимах с малым темпом (25—30 точек/мин) за время паузы электрод обычно охлаждается до исходной температуры. При сварке с большим темпом (100—150 точек/мин), а также при использовании мягких режимов температура на рабочей поверхности электродов за время пауз лишь снижается до некоторого значения. Максимальные рабочие температуры в электродах значительно превосходят температуру рекристаллизации сплавов, применяемых для изготовления электродов, а иногда при сварке некоторых металлов (молибден, тантал) достигают температуры плавления. Циклические нагревы и охлаждения электродов при протекании тока усугубляются их водяным охлаждением (внутренним или наружным), что вызывает образование дополнительных термических напряжений.
Напряжения, возникающие под действием усилия сжатия, могут значительно превышать предел текучести металла электродов. Электроды подвергаются также и действию нагрузок изгиба, возникающих при использовании фигурных электродов, неправильной установке и сдвиге электродов, вследствие деформации элементов механического контура сварочной машины. Металл рабочей части роликов кроме напряжений сжатия испытывает напряжения сдвига, возникающие при передвижении свариваемых деталей.
Под действием усилия и высокой температуры в металле рабочей части электродов возникает неравномерная пластическая деформация, которая приводит к его неравномерному разупрочнению. Металл рабочей части подвержен сложному воздействию ползучести, термической усталости и динамических нагрузок низкой частоты.
Цикличность изменения нагрузки и температуры, ускоряя рекристаллизацию металла и коагуляцию упрочняющей фазы, также обычно увеличивает скорости ползучести и, кроме того, вызывает усталость металла, в том числе и термическую. Окисление рабочей поверхности электродов, увеличивая сопротивление контактов электрод— деталь, приводит к еще большему нагреву металла при прохождении тока. В результате периодического нагружения при ползучести в металле электродов могут образовываться микротрещины. Наличие микротрещин ползучести, вызывая концентрацию напряжений, ускоряет образование усталостных трещин, а те, в свою очередь, способствуют разрушению при ползучести, а именно: быстрому износу и увеличению исходного диаметра рабочей поверхности электродов (в случае электродов с плоской поверхностью).
Чем менее теплопроводен материал электрода, тем больше перепад температуры и неравномерное распределение напряжений по сечению электродов и тем вероятнее образование трещин на рабочей поверхности.
Следует отметить, что трещины в электродах, как правило, образуются после увеличения диаметра контактной поверхности электрода при сварке более чем на 20%, т. е. после сварки 1,5—2 тыс. точек, и поэтому при правильной эксплуатации электродов (своевременной переточке) не отражаются на их стойкости.
Измерение твердости металла рабочей поверхности электродов после сварки 10 000 точек показывает, что в центральной ее части разупрочнение проявляется в большей степени, чем на периферии [4, рис. 3, а]. Это объясняется более низкой температурой в периферийной зоне, а также возможным повышением твердости металла за счет наклепа при пластической деформации. Разупрочнение металла рабочей части электрода распространяется на относительно большую глубину [4, рис. 3, б], что свидетельствует о наличии некоторого разупрочнения рабочей поверхности даже после переточки электродов.