3. Выбор режима сварки

Режим сварки задается током I_с, длительностью его про­текания t_c, усилиями сварки Р_с и проковки-P_к, а также диа­метром электрода d_Э с плоской или сферической формой ради­усом R_э (иногда указывается диаметр ядра). I_с и Р_с могут задаваться по определенной программе. Важной характеристи­кой также служит R_ЭЭ, зависящее от R_ЭД, R_д и R_K. Совмеща­емые графики I_с и Р_с во времени именуются циклограммами . Их выбирают с учетом материала, толщины дета­лей, требований к качеству и имеющегося оборудования.

Обычно параметры режима задают по таблицам ориенти­ровочных режимов, номограммам, результатам анализа фи­зических свойств свариваемых материалов или устанавлива­ют по технологической карте. Выбранные режимы уточня­ются при испытаниях по ТУ опытных образцов или деталей.

Основные параметры режима связаны с электро- и тепло­проводностью (р и с) материала, его прочностью при темпе­ратурах сварки, коэффициентами линейного расширения л и чувствительностью материала к нагреву. С повышением р и с увеличиваются требуемые I_с и уменьшается t_с, что требует увеличения мощности машин. При повышенной прочности необходимы большие Р_с, зависящие от температурного поля, схемы, скорости и степени деформации нагретого металла. Из-за сложности расчета Р_с сопротивление деформации ориен­тировочно определяют, исходя из а_в материала при 0,5 ... 0,6 T_ПЛ⁰ С. С повышением л увеличиваются деформация и усадка ядра при кристаллизации и возможны в нем раковины и трещины, а также трещины в околостыковой зоне. Для их предупреждения программируют Р_с или используют Р_к или дополнительный импульс J_т. При больших скоростях нагрева (1000...10000° С/с) и охлаждения у ряда материалов возмож­но резкое повышение твердости и большие остаточные напря­жения, что требует термообработки соединений в машине или вне ее. Следовательно, при выборе режима необходимы дан­ные по теплофизическим свойствам материалов и их пластичес­кой деформации при высоких температурах.

Режим меняется при колебаниях напряжения сети, шун­тировании, износе электродов, изменении R_эд и R_k. Поэтому параметры режима стабилизируют или автоматически регули­руют, a d_Э восстанавливают. Соединения, сваренные на выбран­ном и уточненном режиме, испытывают на срез и отрыв или на скручивание с анализом макро- и микроструктуры. Обычно Р_с в пределах ± 10%, мало влияющее на качество, при уточнении режимов не меняют. При выбранном d_Э и R_Э уточняют I_с и t_c контролируя качество по технологической пробе.

Таблица 1- Относительные параметры режима сварки.

4. Сварка различных материалов

Ориентировочные режимы (таблица 2) приводятся для метал­лов д = 1 и 3 мм, причем вместо I_с и Р_с указаны плотность J= I_с/F_Я и давление р = P_C/F_Я , а F_Я определена, исходя из d_Я Ч(~0,8 d²_Я).

Несмотря на то что многие из рассмотренных материалов и сплавов можно сваривать на постоянном или переменном токе без модуляции или с ней, а также при импульсном токе низкочастотных и конденсаторных машин, для каждого ма­териала наиболее целесообразен рекомендуемый термодефор­мационный цикл.

Переменным током с плавным его нарастанием в каждом импульсе (модулирование) и спадом в конце сваривают од­ним или несколькими импульсами закаливающиеся стали, ни­келевые и титановые сплавы толщиной до 3 мм (редко до 6 мм), а также алюминиевые сплавы толщиной до 1 ,5 мм (огра­ничения связаны с мощностью машин), униполярными импуль­сами постоянного и низкочастотного тока с регулированием его спада в конце импульса сваривают практически все материалы и в особенности стали и сплавы, требующие мягких режимов. Мощными импульсами конденсаторных машин сваривают теплоэлектропроводные материалы или при надлежащем регу­лировании углеродистую сталь и другие материалы, а мало­мощными - тонкие детали.

Для предупреждения трещин и раковин, а также для тер­мопластической обработки образовавшегося ядра приклады­вается ковочное усилие Р_к. Оно повышается с ростом у_т, д, R_э и уменьшением t_c. Приложение Р_к до выключения тока вызывает непровар, при выключении чрезмерно усиливается деформация, а при большой задержке не завершается требуемая пластическая деформация. Поэтому паузу в диапазоне 0,02...0,20 с выбирают по толщине материала. Для стабилиза­ции нагрева металл толще 5 мм предварительно обжимают. С увеличением д для расширения технологических возможнос­тей машин несколько снижается j и увеличивается t_c.

Низкоуглеродную сталь сваривают в широком диапазоне мягких (плотность тока j_c = 80...160 А/мм²), средних и жест­ких (j_с =200...500 А/мм ) режимов. Обычно диаметр электро­да d_Э = 2д + 2,5 мм, Р_с = (100 ... 200)д.

Часть усилия, расхо­дуемая на деформацию детали до сварки, повы­шается с увеличением пре­дела текучести и толщины зазоров, а также с умень­шением шага S_т.

Высокопроизводительные жесткие режимы сварки, умень­шающие деформацию деталей, требуют меньшего расхода энер­гии, но более тщательной подготовки деталей и их сборки.

В автомобилестроении низкоуглеродистую сталь сваривают при j=200...500 А/мм² и р_с =65...115 МПа.

Тонкие детали лучше сваривать на жестких режимах, а толстые при программировании I_с и Р_с (табл. 19) при синхрон­ном многоимпульсном (до 10) включении первого, его стаби­лизации в пределах, ±2% и модуляции переднего фронта импуль­са. Одноимпульсные режимы при постоянном давлении обычно не исключают появления усадочных дефектов, а многоимпуль­сные их устраняют и повышают прочность. При этом на 25 ... 30% снижается I_с, на 35 ... 40% Р_с при незначительном (не более 10 ... 15%) снижении производительности. Сложные циклы t_c=0.4…0.5 с, t_п=0.1…0,2 с исключают выплески, повы­шают стойкость электродов и качество соединений.

Для деталей 5 = 1 и 2 мм можно применять обжимку, ко­торая имеет соответственно d_H = 8 и 11 мм и d_B = 6 и 8 мм, h = 3 и 3,5 мм, д_ПР = 0,1 ... 0,2 мм. Режимы сварки низкоугле­родистой стали: Р_с = 4350 и 5000 Н, I_с = 7,8 ... 10,2 кА, t_с = 0.14…0.3 c.

Таблица 2- Ориентировочные режимы точечной сварки

Небольшие трудности вызывает окалина, которая резко повышает R_K и R_эд, внедряется в электроды и усиливает их износ, препятствуя протеканию тока или вызывая выплески. Если удаление окалины невозможно, то в начале нагрева повы­шают Р_c, программируют на мягком режиме I_с, снижая его начальную величину, или сваривают с наложением ультразву­ковых колебаний.

Эти колебания стабилизируют сварку горячекатаного ме­талла, резко снижая количество выплесков и повышая проч­ность соединений. Основной дефект при сварке сталей с окали­ной — пористость — возникает из-за взаимодействия кислорода окалины с углеродом и образования нерастворимой окиси углерода. Вытеснение окалины при колебаниях подавляет эту реакцию. Одновременно с этим снижается уровень внутрен­них напряжений. Прочность соединений повышается на 8 ... 10%, а рассеивание показателей уменьшается вдвое.

Толщина и материал покрытия существенно влияют на I_с. Детали с цинковым (Zn) покрытием, имеющим малую твердость и низкую T_ПЛ, имеют меньшее сопротивление, чем с Ni, Си и Сг, поэтому у первого d_Я достигается при больших I_С. У обычной стали R_ЭЭ после кратковременного спада воз­растает и достигает максимума при плавлении ядра. У сталей с Zn и РЬ покрытием R_ЭЭ меньше и устанавливается позже, что затрудняет формирование ядра, в особенности в его центре. Влияние покрытия усиливается с увеличением его толщины. Так, если Zn покрытие до 380 г/м² у полос толщиной 0,88 мм мало влияет на режим, то при 460 г/м² /_с увеличивается с 13 до 22 кА при t_с = 0,14 с. Уменьшение тока на 5% при цинковом покрытии уменьшает прочность на 14%, а увеличение д_п по­крытия на 5 мкм требует повышения тока на 20%.

При точечной сварке деталей автомобиля д = 1.2 мм из стали 08кп с цинковым покрытием толщиной 25 и 10 мкм ре­комендуется увеличивать t_c, так как с ростом I_с качество не­стабильно из-за перегрева и выплесков. Вместе с тем посте­пенное повышение I_С и Р_с целесообразно. Сталь с алюминиевым покрытием д _П =0,6; 1,0; 1,2 и 1,4 мм сваривают при d_Э = 16 мм, R_э = 50 мм с Р_с = 1800, 2000, 2500 и 4000 Н, I_с =8,7, 10,5,13 и 14 кА соответственно (при I_с, исключающем глубокие вмя­тины) . Также важен выбор материала электрода.

Электроды со вставками из W и Мо растрескиваются и выкрашиваются при нагреве быстрее медных с Zr. Добавки в W небольших количеств Сг и Си или 0,5% Ti и 0р8% Zr их стойкость повышают. При односторонней сварке горячее оцинкованных сталей заметно шунтирование тока и снижение стой­кости электродов. Площадь электрода резко возрастает после 500 ... 1000 точек со скоростью, не зависящей от типа покрытия. Износ электродов определяется его диффузионным взаимодей­ствием с покрытием. Модуляция тока, униполярные импуль­сы и многоимпульсные режимы уменьшают износ. Стабилиза­ция толщины покрытия стабилизирует режим, повышая стой­кость электродов из сплава Си - Сг - Zr до 8000 ... 15000 точек. Нанесение на цинковое покрытие осаждением Fe и Ni умень­шает I_с и повышает стойкость электродов без ухудшения кор­розионной стойкости соединения. Так, наличие 30% Fe в покры­тии уменьшает I_с в 13 раза.

Покрытия с низкой Т_т взаимодействуют с электродами, образуя бронзы и изменяя их размеры и форму. Лужение или цинкование электродов замедляет образование бронз. На прак­тике электроды зачищают через 500 ... 1000 точек. Наружное охлаждение электродов с расходом воды 4 л/мин резко ослаб­ляет нагрев. Для повышения стойкости целесообразно высокое давление р_с и малая t_c, а также задержка их на детали после окончания нагрева. Специальные пасты и смазки, уменьшающие трение при деформации, уменьшают взаимодействие электрода с покрытием.

Интенсивно закаливающиеся материалы сваривают на мяг­ких или жестких режимах с термообработкой. Большие ско­рости их нагрева и охлаждения повышают в 1,5....2 раза и более твердость соединений и снижают резко их пластичность. Возникающие при этом внутренние напряжения могут при 6 > 2 мм дать трещины, раковины и поры. Мягкие режимы уве­личивают коробление деталей. Термообработка точки в электродах по сравнению с отпус­ком в печи на ряде сталей (25ХГСА, 25ХСНВА, 17ХНВФА и др.) в несколько раз быстрее и требует в десятки раз меньшего расхода электроэнергии. После электротермообработки усилие среза Р_ср по сравнению со сваркой без нее повышается в 1,2...2 раза, а усилие отрыва - Р_отр - в 3,5....7 раз.

Появление хрупких структур и образование трещин пре­дупреждают также сваркой на мягких режимах t_с, в 3.5 раза большей, чем у металлов 1-й группы, с двухимпульсным, а для толстых листов часто с трехимпульсным нагревом при замедленном охлаждении во втором импульсе. Давление у этих материалов значительно выше, чем у материалов 1-й группы. Пластическая деформация в стадии проковки при нагреве, в 1,5 раза большем t_с, до температур ниже А_с1 улучшает структуру и предупреждает трещинообразование. Хорошие результаты без заметного роста зерен в околоточечной зоне также получены при сварке на жестких режимах и деформации в стадии отпуска при температурах на 100 ... 150° С ниже А_с1. Повышение давления р_к до 2,5 р_с усиливает теплоотвод.

Нержавеющие стали аустенитного класса можно сваривать на различных режимах, однако из-за высокого коэффициента теплового расширения и возможных при больших t_c дефор­маций целесообразнее жесткие режимы. Высокопрочные нержа­веющие стали (термообработанные, нагартованные) требуют повышенных на 20 ... 40% Р_с. Аустенитные стали также свари­вают через прокладку из фольги ванадия. Для ряда закали­вающихся сплавов целесообразен второй импульс тока. Неко­торые двухфазные стали сваривают с последующей термооб­работкой при меньшем I_С и t_c и большем Р_с чем детали из ниэкоуглеродистой стали. Ориентировочно при д =0.3...3 мм, J_c = 2,5...17 кА, Р_с= 1,1...12,0 кН,d_э = 3...8,5мм, t_с= = 0,06 ... 0,4 с.

Титановые сплавы хорошо свариваются на режимах сварки аустенитных сталей после травления (R_к = 50.... 60 мкОм, через 50 ч повышается до 100 мкОм). Для сварки используют электроды из кадмиевой бронзы. Изменение R_Э (50 ... 100 мм) и Р_с мало влияет на d_э. Целесообразна проковка, измельчающая структуру с Р_к = (3,5 ... 4) Р_с (для сплава ОТ-4).

Жаропрочные сплавы во избежание выплес­ков лучше сваривать униполярными импульсами с повышен­ным Р_с. Возможна сварка на мягких режимах, с большим Р_с. Медные, алюминиевые и магниевые сплавы сваривают на жестких режимах при больших плотностях тока; алюминиевые сплавы из-за значительной усадки (6 ... 7%) помимо больших Р_с и малых t_c требуют удаления окисной пленки и применения Р_к. Детали зачищают щетками из нержавеющей стали, кремнефтористыми или фосфорными кислотами, снижающими R_эд от 1000 до 10 ... 50 мкОм. I_c линейно связано с d_я, при увеличении d_я более 8 мм линейность несколько нарушается. Это обусловлено тем, что в области оптимальных I_c и Р_к. они не влияют на d_я и прочность.

С ростом I_с и снижением Р_с увеличивается количество де­фектов в ядре. Налипание металла на электрод снижает I_с и уменьшает d_я. Поэтому электроды зачищают часто, иногда через 20 ... 30 точек.

Сплавы алюминия сваривают при нарастании тока со ско­ростью 150 ... 180 кА/с. При меньших скоростях ухудшается структура ядра точки, расширяется зона нагрева, увеличиваются вмятины и усиливается налипание материала электродов на свариваемые детали и металла деталей на электроды.

В зоне отжига около сварной точки термически упрочненных сплавов типа Д16 происходят разупрочнение металла и рост зерна.

Магниевые сплавы сваривают на жестких режимах с мень­шим Р_с при частой зачистке электродов (из-за переноса металла деталей на электроды и наоборот).

Чистая медь из-за чрезмерно высокой тепло- и электро­проводности при сварке на обычных режимах не образует ядра. Для повышения сопротивления поверхность контактов покры­вают тонким слоем серебра после их зачистки, промывки и удаления окислов. Такие листы при д = 0,127 + 0.94 мм и 0,94 + 0,94 мм сваривают на конденсаторных машинах электродами из вольфрама или молибдена. Чистый алюминий и медь свари­вают иногда с прокладкой между электродами и деталями полосок нержавеющей стали толщиной 0.1...0,2 мм. Без про­кладок алюминий и медь привариваются к электродам. Такие прокладки допускают сварку алюминия на обычных машинах небольшой мощности.

Никель из-за низкого электросопротивления и высокой теплопроводности, а также повышенной пластичности сваривают на жестких режимах двумя импульсами, первый импульс из которых при малом токе повышает электросопротивление, а второй является сварочным. Проковку обычно не применяют.

Тугоплавкие химически активные ма­териалы (W,Mo и др.) из-за высоких Т_пл обычно сваривают через легкоплавкие прокладки из технического титана, никеле­вого сплава ВЖ98 и др. Многоимпульсные режимы облегчают сварку без прокладок. Несколько лучше свариваются менее теплопроводные (чем молибден) с более высокими р тантал, ниобий и их сплавы. На режимах сварки титановых сплавов с повышенной в 1,6 ... 1,7 плотностью тока сваривают цирконий.

Разноименные материалы сваривают на мяг­ких режимах. Для более симметрического расположения ядра усиливают нагрев и уменьшают теплоотвод в теплопроводный материал за счет уменьшения диаметра и теплопроводности электрода.

При большом различии в температурах плавления и тепло-физических свойствах на мягких режимах нагрев не выравни­вается. Поэтому их сваривают на жестких режимах с исполь­зованием вставок в электроды, прокладок и покрытий, приме­нением обжимок, программирования Р_с и I_с и др.