книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование
.pdfчения соединений используют термин «сварка сопротивлением», который также подразумевает нагрев металла импульсным про ходящим током — за счет действия внутренних источников теп лоты. Как и при большинстве других наиболее распространен ных способах сварки, например дуговой, металл нагревают до расплавления (точечная сварка, стыковая сварка оплавлением и т. п.), что гарантирует удаление поверхностных пленок и об разование физического контакта по заданной площади.
Значительная пластическая деформация зоны сварки позво ляет получать высокие механические свойства соединений раз ных конструкционных металлов, обеспечивает надежный элек трический контакт между деталями, устойчивость процесса расплавления металла и защиту его от взаимодействия с ок ружающей средой (контактная точечная и шовная сварка).
Известные способы сварки классифицируются по ряду тех нических и технологических признаков (ГОСТ 19521—74):
1) по технологическому способу (форме) соединений — то чечная, шовная, стыковая;
2) по конструкции соединения: виду сборки деталей — нахлесточные и стыковые (торцевые) соединения, предусмотрен
ные выступы на одной |
из деталей — рельефная |
сварка; |
3) по предельному |
состоянию металла в |
зоне сварки — |
срасплавлением металла и без расплавления;
4)по числу одновременно выполняемых соединений (швов)— одно- и многоточечная, сварка одним или сразу не
сколькими швами, одновременная сварка одного или несколь ких стыков;
5) по способу подвода и роду сварочного тока — наиболее распространенные способы с кондукционным (контактным) под водом тока или с индукционным нагревом, характерным в ос новном для стыковой сварки; сварка импульсом переменного тока или униполярным импульсом (изменяющийся во времени ток одной полярности);
6) по применению дополнительных защитных или связую щих компонентов (грунтов, эмалей, клеев, припоев) — сварка по слою грунта, клеесварные и сварнопаяные конструкции.
Глава 20 ТОЧЕЧНАЯ И ШОВНАЯ СВАРКА 20.1. Общие сведения
Точечная и ш овная сварки являю тся |
самыми распространенными спосо |
бами контактной сварки: ~ 9 0 % всех |
соединений выполняются этими спо |
собами в разных отраслях современной промышленности, так как в них наи более ярко проявляю тся преимущ ества контактной сварки, приведенные пыше.
Рис. 20.1. Схемы основных процессов контактной сварки
20.1.2. Физические основы образования соединений
Эксплуатационные свойства соединений (механические харак теристики, плотность и т. д.), выполненных контактной точечной и шовной сваркой, определяются условиями формирования этих соединений. Эти условия достигаются в результате двух процес сов— нагрева (расплавления) металла и его пластической де формации. Сочетание их параметров (например, усилия и тем пературы) обеспечивает получение определенного термодефор мационного цикла. Оптимальная программа этого цикла дает возможность получить соединение с высокими эксплуатацион ными свойствами.
Необходимый и достаточный признак качественного соедине ния при точечной и шовной сварке — обеспечение заданных размеров зоны расплавления (ядра).
Нагрев и расплавление свариваемого металла
Нагрев металла (размеры ядра) зависит от количества теплоты ( Q B . в ) , вы деляемой в зоне соединения, которое определяется законом Джоуля — Ленца в интегральной форме:
<?Э.Э= |
*св |
* 0 ) Г Э. 3 (1)Ш, |
|
|
|
|
|
(20.1) |
|
$ |
|
|
|
|
|
||||
|
о |
|
|
|
|
|
|
|
|
где i — мгновенное значение |
сварочного |
тока; |
г», в — общее |
сопротивле |
|||||
ние участка металла, заключенного между электродами (роликами), |
и су |
||||||||
щественно изменяющиеся при сварке за время t. |
|
|
(рис. |
20.2): |
|||||
Общее |
сопротивление представляется |
следующим образом |
|||||||
гз. э = |
гэ. д + гд + гд. д + |
гд + гэ. д» |
|
|
|
|
|
||
где Гэ. д — сопротивление |
в |
контакте электрод — деталь, |
гд — собственное |
||||||
сопротивление |
деталей, |
гд. д — сопротивление в |
контакте |
деталь — деталь. |
В случае сварки двух деталей одинаковой толщины и из одного и того же металла формула имеет вид:
гэ. э = 2гэ. д + 2гд + гд. д.
Контактные сопротивления связаны с ограниченностью фактического кон такта из-за наличия на поверхности реальных тел, микронеровностей и повышенного сопротивления поверхностных (в основном оксидных) пленок. Поскольку окисление в ряде случаев носит избирательный характер, контакт ные сопротивления весьма нестабильны и, следовательно, колеблется тепло выделение. Это особенно проявляется при сварке на малых усилиях и хими чески активных металлов, например алюминиевых и магниевых сплавов. Поэтому роль этих сопротивлений стараются ограничить, применяя предва рительную подготовку свариваемых поверхностей.
Если доля 2гэ. д+ гд. д от гв. а в начале нагрева оценивается в 50%, то к концу процесса сварки она снижается до 3—5 % и практически не оказы вает влияния на размеры ядра и свойства соединений, так как нагретый металл микронеровностей быстро деформируется, а поверхностные пленки разрушаются, что приводит к резкому росту площади фактического кон такта.
Таким образом, главным источ ником тепловыделения при контакт ной точечной и шовной сварке явля йся собственное сопротивление де талей, величина которого в начале процесса приближенно оценивается следующей формулой:
Ч = 1 М ЯГк„)]Ро*г.
где 5 — толщина |
деталей, |
гКо — на |
|
|
|
|
||||
чальный |
радиус |
контактов; |
kr — |
|
|
|
|
|||
коэффициент, |
|
учитывающий растека |
|
|
|
|
||||
ние тока |
вне |
поверхности |
цилиндра |
|
|
|
|
|||
с радиусом |
|
основания |
гк; |
ро — |
|
|
|
|
||
удельное |
электрическое сопротивле |
|
|
|
|
|||||
ние металла при комнатной темпе |
Рис. |
20.2. |
Электрическое сопротивление |
|||||||
ратуре (табл. |
20.1). Величина |
гДо |
зоны сварки: |
|
||||||
невелика, |
в |
значительной |
мере |
за |
а — распределение сопротивлений; б — |
|||||
висит от ро и, например, |
для дета |
эквивалентная электрическая |
схема |
|||||||
лей из алюминиевых сплавов толщи |
|
для |
малоуглеродистых |
сталей — |
||||||
ной (1 + 1) |
мм |
составляет |
10—15 мкОм, |
25—30, а для сплавов титана — 80—120 мкОм.
При нагреве металла гд существенно изменяется в результате действия двух факторов — увеличения р и dK за счет развития пластической деформа ции нагретого металла. Для большинства конструкционных сплавов преоб ладает роль второго фактора, так как термический коэффициент электриче ского сопротивления для этих металлов сравнительно мал, и в процессе
сварки отмечается |
монотонное уменьшение гд |
приблизительно в два-три |
раза по сравнению |
с первоначальным значением |
(гДо) и гэ. э в основном |
определяется значениями гд, а сварочный ток — величиной р (табл. 20.1). Температурное поле, определяющее тепловое состояние металла при
сварке, в настоящее время получают математическим анализом физических моделей процессов сварки и, в частности, точечной сварки как наиболее прос того процесса. При этом общая модель подразделяется на три взаимосвя занные подмодели [2]:
электрического поля, учитывающую геометрию соединения и электродов, а также тепловое состояние металла (поле удельных электрических сопро тивлений);
непосредственно температурного поля (уравнение теплопроводности с со ответствующими граничными условиями, например, в контакте электрод — деталь);
Т А Б Л И Ц А 20,1
УДЕЛЬНОЕ И ОБЩЕЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ -МЕТАЛЛОВ гэ э = 2г. К КОНЦУ ТОЧЕЧНОЙ (ЧИСЛИТЕЛЬ)
И ШОВНОЙ (ЗНАМЕНАТЕЛЬ) СВАРКИ
Металл |
Ро- |
|
мкОмчсм |
Д16АТ |
7,3 |
Л62 |
6,5 |
08кп |
13 |
Э0ХГСА |
21 |
I2X18H10T |
75 |
15Н5Д2Т |
85 |
ОТ4—1 |
142 |
|
|
1 |
при S , |
мм |
|
|
|
|
гэ. э“ ^ д |
' |
|
|
|
0,3 |
0,5' |
1.0 | |
1.5 |
| |
2.0 |
3,0 |
15/— |
13/12 |
10/9 |
9/8.5 |
8/7 |
61— |
|
60/39 |
38/24 |
25/14 |
20/12 |
15/10 |
14/— |
|
120/88 |
105/75 |
85/62 |
77/66 |
70/39 |
59/— |
|
84/115 |
115/102 |
98/81 |
85/68 |
78/51 |
71/— |
|
171/148 |
145/125 |
118/101 |
102/85 |
94/80 |
88/— |
|
115/135 |
125/114 |
105/95 |
99/84 |
85/74 |
80/— |
|
190/174 |
165/160 |
125/121 |
115/105 |
102/98 |
95/— |
поля пластических деформаций, в частности, деформаций в объеме ме талла вблизи контакта деталь — деталь.
Математически эти модели описываются соответствующими дифференци альными уравнениями, которые представляются в конечных разностях или конечных элементах и решаются на ЭВМ. Таким образом, могут быть уч тены самые разные факторы: изменение в широком диапазоне температур теплофизических свойств металла, форма импульса сварочного тока, сва рочное усилие, свойства и геометрия электродов и т. д. Время счета по современным методикам не превышает 10—15 мин.
В настоящее время известен целый ряд решений подобных моделей для случаев точечной сварки деталей из сталей, сплавов алюминия, магния и титана [2].
Установлено, что на начальной стадии процесса (0,054-0,1) /св преобла дает тепловыделение, и температурное поле в основном определяется элект рическим полем. На периферии контактов, где плотность тока оказывается наибольшей, отмечается заметный рост температур вплоть до температуры ликвидуса сплава. Градиенты температур в это время наибольшие.
В дальнейшем заметно возрастает роль теплопроводности в радиальном и особенно в направлении электродов и одновременно с продолжающимся нагревом градиенты температур снижаются. На определенной стадии про цесса при (0,34-0,5) /Св металл начинает расплавляться вблизи центра соеди нения и к концу импульса тока зона расплавления — ядро — достигает своих номинальных размеров (рис. 20.3) по диаметру и высоте. Обычно ядро представляется в виде эллипсоида вращения. Выделяющаяся в зоне сварки
теплота Qa. а расходуется таким образом на |
нагрев металла до Га, несколько |
(на 15—20% ) превышающей температуру |
ликвидуса (Qi«204-30 % Q8. э), |
а остальная часть передается теплопроводностью в окружающий металл и
электроды |
(соответственно Q2« 104-13% Qa. э и Q3« 504-60 % Q8. э). |
Итак |
0э. э = |
Qi -г Q t + Qs* |
|
Значительный теплоотвод в электроды затрудняет проплавление |
дета |
лей на всю толщину и обычно высота ядра составляет в каждой детали по ловицу ее толщины. Характерно, что с уменьшением коэффициента теплопро водности проплавление возрастает.
Очевидно, что одинаковые размеры ядра могут быть получены [см. формулу (20.1)] при разном сочетании / св и /Св. В соответствии с этим в практике контактной сварки дифференцируют жесткие и мягкие режимы, отличающиеся относительной ролью процессов тепловыделения и теплопере дачи.
Жесткий режим характерен кратковременным и мощным импульсом тока (с большой плотностью), например, при /св<0,02 s при сварке деталей тол щиной 1—4 мм. Температурное поле в этом случае определяется в основ ном процессами тепловыделения и обычно Q2+Q3<0,5 Q8. а. При этом от мечаются очень высокие скорости нагрева (до 2 ‘ Ю5 °С/с) и градиенты температур (до 105 °С/см при соединении сталей). Поэтому для обеспечения заданной степени деформации и предотвращения выплеска необходимо ис пользовать большие сварочные усилия.
Мягкие режимы отличаются |
значительной длительностью |
протекания |
||
тока |
(/с в >0,1 s) |
относительно малой силы. При этом происходит интенсив |
||
ный |
теплообмен |
внутри деталей |
и с электродами (Q2+Q3>0,5 |
Qa. э). Ско |
рости нагрева и охлаждения, а также сварочное усилие меньше, чем при жестких режимах.
Между жесткими и мягкими режимами находится область режимов средней интенсивности, которые наиболее часто используются при точечной и шовной сварке.
Значительные градиенты температур при контактной сварке определяют очень быстрое охлаждение металла после выключения тока, особенно при соединении металлов с высокой теплопроводностью — сплавов на основе
|
грева |
и |
размеров |
ядра |
(рис. 20.4). |
||
|
При постоянном сварочном усилии и |
||||||
|
довольно высоком значении тока устой |
||||||
|
чивость плавления |
металла |
нарушается |
||||
|
и образуется выплеск. Рост сварочного |
||||||
|
усилия приводит к увеличению степени |
||||||
|
пластической деформации, площади кон |
||||||
|
тактов, уменьшению плотности тока н |
||||||
|
размеров ядра. К другим факторам |
||||||
|
следует отнести шунтирование тока, раз |
||||||
|
меры, форму и теплофизические свой |
||||||
|
ства электродов. Шунтирование тока от |
||||||
|
мечается через ранее сваренные точки, |
||||||
Рнс. 20.4. Характер изменения разме |
что вызывает снижение плотности тока |
||||||
ров ядра от параметров режима |
на основном |
участке |
проводимости и |
||||
|
соответственно |
уменьшение |
размеров |
||||
|
ядра |
[2]. |
По |
исходной |
форме рабочей |
поверхности различают электроды с плоской и сферической рабочими по верхностями.
При сферической поверхности площадь первоначального контакта дета лей относительно невелика, плотность тока весьма значительна и поэтому нагрев идет эффективно и с большой скоростью. При плоской рабочей по верхности электродов плотность тока меньше почти на протяжении всего процесса сварки и требуется больше энергии для получения заданных раз меров ядра. Однако при сварке большого количества точек отмечается износ рабочей поверхности электродов, например, на сфере образуется плоская площадка, равная 0,4—0,6 а, и таким образом преимущества подобных элек тродов в значительной мере снижаются Большое влияние на тепловое со стояние металла в зоне сварки оказывает теплопроводность электродных материалов п степень охлаждения электродов, так как более половины всей выделяющейся теплоты отводится в электроды. Окисление, переход свари ваемого металла на поверхность электродов приводит к заметному снижению теплоотвода и росту размеров соединений.
При плохом состоянии поверхностей деталей, например после длитель ного хранения, отмечается увеличение, контактных сопротивлений, что вызы вает рост тепловыделения и размеров ядра (в первую очередь проплавле ния), снижение устойчивости процесса, сопровождающееся образованием вы плесков.
На стадии охлаждения характер температурного поля может также ре гулироваться подогревом дополнительными относительно малыми импуль сами тока или изменением времени проковки — от конца импульса тока до момента подъема электродов. Очевидно, что после подъема электродов ско рость охлаждения металла в зоне сварки резко уменьшается.
Пластическая деформация в зоне сварки
Пластическая деформация свариваемого металла — отличитель ная особенность контактной сварки. На первом этапе в ос новном отмечается деформация микронеровностей, степень ко торой в контакте деталь—деталь достигает 60—70 % (по умень шению высоты микровыступов). Эта деформация облегчается, если использовать на этой стадии повышенные усилия обжа тия или дополнительные импульсы тока для формирования на дежного электрического контакта (рис. 20.5). При включении тока металл быстро нагревается, снижается сопротивление его пластической деформации, скорость микропластической дефор
мации возрастает и к моменту |
|
|
|
|||
начала плавления металла сте- |
|
|
|
|||
пень этой деформации приближа |
|
|
|
|||
ется к 100 %. |
нагрева |
металла |
|
|
|
|
С момента |
|
|
|
|||
током начинает развиваться объ |
|
|
|
|||
емная пластическая |
деформация |
|
|
|
||
Металла. Она |
вызывается внеш |
|
|
|
||
ним (сварочным) усилием и вну |
Рис. |
20.5. Кинетика |
объемной (в0) и |
|||
тренним, связанным |
с |
неравно |
мнкропластической |
(ем) деформации |
||
мерным температурным |
полем и |
при |
точечной сварке |
|
||
несвободным тепловым |
расшире |
|
|
|
нием металла. Эти усилия вызывают неравномерное объем ное сжатие металла в зоне сварки. Напряженное состоя ние характеризуется сжимающими осевыми ог, радиальными Or, окружными сте напряжениями и соответствующими деформа циями. Значения этих характеристик могут быть получены ре шением задач теории пластичности в конечных элементах на ЭВМ. Так на рис. 20.6, а показано распределение перемещений <0т и деформаций ег к концу процесса точечной сварки алюми ниевого сплава 1420 толщиной 1,5+1,5 мм, полученного авто рами совместно с А. Н. Прохоровым посредством решения од ной из математических моделей пластической деформации. Привлекает внимание значительный уровень сжимающих на пряжений (рис. 20.6,6) и относительная ограниченность сте пени деформации. В области уплотняющего пояска отмечены удлинения, что свидетельствует о преимущественном течении металла в зазор между деталями. Этот зазор увеличивается при сварке из-за теплового расширения металла в зоне плав ления.
На стадии охаждения и кристаллизации наблюдается со кращение объема металла и в зоне сварки возникают остаточ ные напряжения растяжения, которые могут приводить к об разованию трещин и снижению работоспособности конструк ций. Особенность деформации охлаждающегося металла состоит
втом, что наиболее быстро сокращается его объем вблизи оси.
Врезультате этого снижается давление в центре ядра и появ
ляется возможность |
обратной деформации — от |
края соедине |
ния к его центру, |
способствующей снижению |
напряжений и |
склонности к образованию несплошностей, особенно при дейст вии на этой стадии повышенных ковочных усилий (см. рис. 20.1).
После сварки на поверхности соединения наблюдается вмя тина, относительная глубина которой составляет 0,1—0,15 s.
Принято считать [2], что одним из условий устойчивости про цесса (отсутствия выплеска) является определенная степень
пластической деформации |
(объем металла, перемещенного |
в зазор; ее относительная |
величина для алюминиевых сплавов, |
г,
Рис. 20.6. Распределение напряжений аи (а) и Ofr (б) по радиусу контакта
например 12—15%). Степень этой деформации возрастает при использовании повышенных сварочных усилий, применении мяг ких режимов, предварительного подогрева и т. п.
Условие равновесия может быть получено также из рассмотрения сил» действующих в соединении вдоль оси z (рис. 20.7). Используя средние ве личины» можно записать:
где ря — среднее |
давление в ядре, |
dn — диаметр уплотняющего |
пояска |
(диаметр контакта |
деталь — деталь), |
<JZп. ср — среднее нормальное |
напря |
жение на пояске. |
|
|
|
Для оценки ря и о* п. ср рекомендуются формулы:
Ря = (4/V3 ) Од. п [In (dn/da)0,63 + У.1.
п. ср — а д. п (2 — d H/d n)f
где Од. п — среднее (по поясу) сопротивление пластической деформации, рав ное o 0k T k u k e (здесь о0— базовое значение од, k T , k u и k e — коэффициенты, определяемые по соответствующим таблицам и зависящие от температуры,
скорости и степени |
пластической деформации). |
|
1 + 1 мм |
||
Од. п |
Например, при |
сварке алюминиевого сплава АМгб толщиной |
|||
к концу процесса сварки составляет |
180—200 |
МПа (жесткий |
режим) |
||
или |
80—100 МПа (мягкий режим), а ря |
имеет |
значения соответственно |
||
250 и 130 МПа. |
|
быть использовано для |
расчета |
||
|
Приведенное выше уравнение может |
сварочных усилий или программы их изменения в процессе сварки. При шовной сварке герметичными швами перед роликом металл, как и при то
чечной сварке, деформируется |
в зазор, а позади ролика металл вытесня |
ется под ролик, в *результате |
чего на поверхности шва Образуется серпо |
видный выступ. Поскольку теплосодержание шва выше, чем отдельных точек, сопротивление деформации металла относительно невелико и это дает воз можность заметно (на 20—25 %) уменьшить время сварки и усилие по сравнению с режимами точечной сварки. Пластическая деформация в этом случае может приводить и к залечиванию дефектов в предыдущей точке плотного шва. Однако течение металла на поверхности соединения вызы вает повышенный износ ролика.
Особенно значительная деформация отмечается при рельеф ной сварке сразу после включения тока. В ряде случаев тече-