книги / Технология и оборудование контактной сварки

ровании соединения выделим среди них основные — нагрев и кри­ сталлизацию металла; пластическую деформацию, удаление поверх­ ностных пленок за счет процесса электромагнитного перемешива­ ния расплавленного металла; сопутствующие процессы (см. рис. 1.2). На основании многолетнего практического опыта и теоретических представлений предложено несколько циклограмм сварки (см. § 3.3.1), обеспечивающих получение качественных сварных соеди­ нений различных конструкционных материалов.

Однако все они имеют общую основу, поэтому с целью уточнения взаимосвязи основных и сопутствующих процессов рассмотрим один из типовых электротермодеформационных циклов сварки (см. рис. 1.1).

На первом этапе сопутствующие процессы ввиду относительно ма­ лой деформации и низкой температуры зоны сварки не получают большого развития. При появлении на втором этапе расплавленного ядра резко возрастает тепловое расширение металла, появляется опасность выплеска, вследствие теплопроводности отмечается нагрев околошовной зоны, изменение исходной структуры металла, массоперенос в контакте электрод—деталь. На третьем этапе при охлажде­ нии металла происходит кристаллизация металла ядра, образование литой структуры и значительных остаточных напряжений, продол­ жается теплопередача в околошовную зону и изменение структуры металла в этой части соединения. Степень развития сопутствующих процессов и изменения первоначальных свойств металла может быть уменьшена, например, за счет уменьшения скорости нагрева (роста сварочного тока) и увеличения усилия на стадии охлаждения.

Обеспечение высокого качества сварки и максимальной произво­ дительности процесса для данной толщины, формы и материала изделий определяется правильностью выбранного режима сварки.

Р е ж и м с в а р к и — совокупность электрических, механиче­ ских и временных параметров, обеспечиваемых сварочным обору­ дованием для получения качественного соединения.

Кроме того, качество соединений зависит от техники сварки, формы электродов, качества сборки и подготовки поверхности, сва­ рочного оборудования, системы контроля и от других конструктивно­ технологических факторов, которые подробно рассмотрены в после­ дующих разделах.

§1.2. ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

1.2.1.Источники теплоты при сварке

Нагрев и плавление металла происходят за счет выделения теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении через них электрического тока. Полное количество теплоты, генерируемое между электродами за время сварки (/сн), определяется законом

где iCB (/) — мгновенные значения сварочного тока, обычно меняю­ щиеся в процессе сварки; гаа (/) — общее сопротивление металла меж­ ду электродами в момент времени t < /CD. При сварке двух деталей из одного и того же металла и равной толщины (рис. 1.3)

Условный, изменяющийся в процессе сварки диаметр контакта (электрод—деталь и деталь—деталь) dK равен диаметру рабочей поверхности d3. Для электродов с идеальной сферической поверх­ ностью диаметр контакта значительно изменяется в процессе сварки, например, в 1,5—2 раза с момента включения до момента выключе­ ния тока. Однако при выполнении большого числа точек на рабочей поверхности этих электродов образуется плоская площадка, диаметр которой приблизительно равен dd (см. § 5.4), т. е. и в этом случае dK = d3. Однако края площадки на электродах с плоской рабочей поверхностью постепенно скругляются. Таким образом, несмотря на отличие первоначальной формы указанных типов электродов, наблюдается тенденция к образованию наиболее устойчивой конфи­ гурации рабочей поверхности, отличающейся наличием плоской площадки на рабочей части с плавным переходом к наружной ци­ линдрической части электрода.

Сумму сопротивлений 2гад + Гдд = г„ часто называют общим контактным сопротивлением.

Для анализа роли в процессе нагрева контактных и собственных сопротивлений удобно представить уравнение (1.1) в следующем

На сопротивления ги и гд в той или иной степени влияют свойства металлов, форма соединяемых деталей, усилие сжатия, неравно­ мерность нагрева, состояние поверхности. Разделение сварочного контакта назоны (1.2) в значительной мере условно, так как электри­ ческие поля в них взаимосвязаны.

Всю совокупность факторов не представляется возможным учесть расчетным путем, поэтому во многих случаях прибегают к экспери­ ментальным данным и упрощенным приближенным расчетам.

Обычно составляющие электрических сопротивлений (1.2) рас­ сматривают в условиях холодного (до включения сварочного тока) и горячего (при протекании сварочного тока) состояний контакта. Холодный контакт мало характерен для сварки. Поэтому большое внимание уделяют горячему контакту (на стадии нагрева) и особенно конечному значению его сопротивления, которое при заданных усло­ виях сварки обычно стабилизируется и определяется в основном соб­ ственным сопротивлением деталей. В конце цикла .нагрева при вы­ соких значениях давлений (250—600 МПа) и температур роль кон­ тактных сопротивлений становится незначительной.

1.2.2. Контактные сопротивления

Контактные сопротивления — сопротивления, сосредото­ ченные в узкой области контактов деталь—деталь -и электрод—де­ таль.

Наличие контактных сопротивлений можно обнаружить, если через металлические детали, сжатые усилием F, пропустить неболь­ шой ток и измерить падение напряжения на участках равной длины в области контакта и на самих деталях (рис. 1.4, а). При этом Дит > > Д^д (Ди = 1г). При холодных деталях гк обычно составляет значительную долю от гээ. Поэтому, например, для оценки качества состояния поверхности деталей измеряют гэи и условно отождеств­ ляют его со значением гк.

Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади электрического контакта из-за неровной поверхности де­ талей и электродов, а также из-за различных неэлектропроводимых поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и т. п. (рис. 1.4, б).

Поэтому фактическая площадь контакта (5Ф) до нагрева деталей значительно меньше контурной площади контакта (SK), определяе-

Рис. 1.4. Схема образования контактного сопротивления:

а — распределение тока в зоне соприкосновения холодных деталей;

в — распределение мнкроконтактов

л

woo

800

600

т

200

мой диаметром электрода йъ или диаметром пластического пояска da (рис. 1.4, в). В этих условиях имеет место так называемый «ситовый» характер проводимости — ток проходит по отдельным микрокон­ тактам (5ф). Влияние состояния поверхности деталей на контактное сопротивление очень велико. Так, контактное сопротивление (по результатам измерения) двух различно обработанных пластин из

300; очищенных наждачным кругом и шлифованных — 100; обра­ ботанных резцом — 1200; покрытых окалиной — 80 000; покрытых ржавчиной и окалиной — 300 000.

Контактное сопротивление деталей уменьшается при росте усилия сжатия (рис. 1.5) и зачистке поверхности (рис. 1.6), а затем стабили­ зируется. В первом случае увеличивается S,j, за счет смятия выступов, увеличения их числа и разрушения поверхностных пленок. Во втором — в той или иной степени происходит удаление неэлектро-

размеров деталей и может служить лишь для ориентировочных расчетов. Размеры 5 Ф и значения гдд и гэд зависят также от твердо­ сти металлов. Так, в контакте твердого металла с электродом из мягкого сплава 5 Ф больше, а г8Д меньше, чем в контакте свариваемых

деталей, где 5Фменьше, а гдд больше. При обжатии хорошо очищен­

чины.

Более точные значения Гдд и 2гэд получают путем непосредствен­ ного измерения электрических сопротивлений (см., например, рис. 1.10, а). При повороте деталей на небольшой угол относительно электродов резко снижается 2гэд, а при взаимном повороте деталей — rra. Сравнивая исходное значение гээ с новыми, нетрудно найти 2гдд и Гдд. После включения сварочного тока микроконтакты быстро нагреваются, снижается сопротивление металла пластической дефор­ мации, облегчаются условия разрушения пленок, и при определен­ ных критических температурах Гкр, характерных для данного металла, гк резко снижается (гдд практически до нуля, а гэд до относительно малой величины). При этом гъь определяется в основ­ ном сопротивлением самих деталей. Значения Ткр для сталей со­ ставляют 600—700 °С, алюминиевых сплавов 400—450 °С и дости­

Экспериментально показано (например, при калориметрировании), что доля теплоты, выделяемой на сопротивлении гпд, обычно (при сварке деталей толщиной 1 мм) не превышает 5 % общей энер­ гии, генерируемой в зоне сварки. Несмотря на то, что rM существует относительно короткое время, оно может оказать влияние на после­ дующий нагрев, особенно при сварке деталей малых толщин, где высота микрорельефа поверхности соизмерима с толщиной деталей. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопротивлением, способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении гдд стабильность тепловыделения мала, а с ростом гэд снижается стойкость электродов.

Для стабилизации тепловыделения, размеров соединений и стой­ кости электродов перед сваркой выполняют подготовку поверхностей деталей с целью удаления толстых поверхностных пленок и загряз­ нений, обеспечивая тем самым достаточно низкие и стабильные зна­ чения контактных сопротивлений. Для этих же целей часто реко­ мендуется применение повышенных сварочных усилий.

1.2.3. Собственное сопротивление деталей

Собственное сопротивление — сопротивление, распре­ деленное определенным образом в объеме деталей. На этом сопротив­ лении при прохождении через него электрического тока выделяется основное количество теплоты [второй член уравнения (1.3)].

До включения тока (холодное состояние контакта) ^ ф, dKи соот­ ветственно гд неопределенны, так как отсутствует общая зависи­ мость 5Ф dB от Fсв и состояния поверхности. При расчете тепловых процессов удобно рассматривать сопротивление деталей в конце

тивлений двух условных пластин 1 и 2 одинаковой толщины, каждая из которых нагретадо некоторой средней температуры 7\ и 7^ (рис. 1.7).

температур Т1 и 7g При сварке деталей из низкоуглеродистых ста­ лей 7\ и Т2 принимают равными 1200 и 1500 °С, а для алюминиевых сплавов 450 и 630 °С. Коэффициент /Ср учитывает неравномерность нагрева деталей. Для сталей Кр = 0,85, для алюминиевых и магние­ вых сплавов 0,9. Коэффициент А равен отношению гд/гц (гц — электрическое сопротивление цилиндрического столбика металла длиной s и диаметром d3). За счет шунтирования тока в массу детали гд

При протекании сварочного тока общее сопротивление, например, двух деталей одинаковой толщины, существенно изме­ няется. Характер изменения регистрируют осциллографом с исполь­ зованием измерительной схемы (рис. 1.10, а). При этом измеряют (вибратором В1) напряжение uaa и напряжение, пропорциональное сварочному току (вибратор В2). По полученным данным с учетом масштабов напряжений вычисляют raa (/). В качестве датчика тока, как правило, используют ДСТ-1 (см. гл. 9). Кинематическая кривая изменения гээ (/) обычно имеет падающую характеристику (рис. 1.10, б).

Первый период (/) характеризуется резким спадом гээ за счет снижения гдд и 2гэд, которое не компенсируется повышением 2гд за счет увеличения р. В течение второго периода (//) гээ практически

участке увеличением площади электрических контактов, диаметры

иобщей стабильности процесса сварки.

Вобщем случае характер изменения гаа зависит от свойств ме­ талла, толщины деталей, режима сварки, формы импульса тока, размеров ядра, формы рабочей поверхности электродов и т. п. На­

пример, за цикл точечной сварки стали 08кп р увеличивается в 5— 7 раз, что в значительной степени компенсирует увеличение площади контакта, и поэтому значение гаа мало изменяется в процессе сварки. При соединении стали 12Х18Н10Т, сплавов Д16 и ОТ4 имеет место более значительное снижение г9Э в области II (рис. 1.10, б), так как р увеличивается за время сварки всего в 1,5—2 раза (рис. 1.11). Значение гаа меньше для сплавов с более низким удельным электро­ сопротивлением (сплавы на основе меди и алюминия). С ростом тол­ щины деталей общее сопротивление за счет увеличения площади

Рис. 1.10. Схема измерения и кинетика изменения электрических сопротивлений при точечной сварке:

а — электрическая схема измерения иээ и сварочного тока; б — изменение электрических сопротивлений в процессе сварки:

1 — гдд1 2 — 2гэЛ' 3 ” 2гд* 4 — гээ

метное влияние на гээ (рис. 1.12) в соответствии с изменением тепло­ вого состояния металла (р) и площади контактов. Так, увеличение FCB1 / св приводит к росту диаметра контактов и снижению г

Переход к режимам с большим временем сварки при сохранении одного и того же диаметра ядра вызывает некоторое снижение гаа и гээ. к за счет уменьшения сопротивления пластической деформации

чается меньшими размерами контакта на первом этапе (см. рис. 1.13), соответственно большей плотностью тока и большей скоростью тепловыделения. Зона расплавления возникает раньше, чем при сварке электродами с плоской рабочей поверхностью, и поэтому область / на рис. 1.10, б характерна меньшей протяженностью и зна­ чения гээ в этой области заметно выше (рис. 1.13). При этом скорость повышения гээ возрастает с уменьшением радиуса сферы. Характер изменения гээ в области II для обоих типов электродов примерно одинаков. Однако в течение всего цикла сварки среднее значение гээ на 10—15 % выше для электродов со сферической рабочей поверх-