Технология и оборудование контактной сварки

Тепловое расширение металла при сварке вызывает перемещение (раздвигание) электродов машины, в основном верхнего подвижного электрода. Однако измеренные значения Ди значительно меньше расчетных значений Др (рис. 1.33, а) вследствие развития парал­ лельного и одновременного процесса пластической деформации

Большие значения Ди отмечаются при сварке металлов с большим сопротивлением деформации, при использовании жестких режимов сварки и машин с большой жесткостью нижней консоли (электрода) и малых сил трения в приводе подвижного электрода. Характерно, что при шовной сварке, когда металл предварительно нагрет тепло­ той от сварки предыдущей точки и имеет меньшее сопротивление деформации (тд, перемещение Дп значительно ниже, чем при точечной сварке.

Заметное перемещение верхнего электрода наблюдается с момента расплавления металла (появления ядра) и далее происходит в соот­ ветствии с изменениями температурного поля и ростом размеров ядра. Максимальные значения Д„ обычно соответствуют моменту выключения тока при сварке униполярным током (рис. 1.33, а). При сварке деталей на конденсаторных машинах Дптах отмечается несколько позже максимального значения сварочного тока.

Связь перемещения Ди с изменениями температурного поля хорошо наблюдается при сварке тонких деталей на машине пере­ менного тока с большими углами управления тиристоров (отсечки тока, рис. 1.33, б), когда имеет место пульсация перемещения элек­ трода, соответствующая импульсам тока и изменению температур­ ного поля. Глубина этой пульсации зависит от теплопроводности Xt коэффициентов a t и pv, теплоемкости и скрытой теплоты плавления

fly

2о JOO woo тот?с

Рнс. 1.32. Относительное измеРис. 1.33. Характер теплового расширения менение объема при нагреве алюталла Др, перемещения электрода Ди и пластимнния (/), меди (2) и стали (3) ческой деформации (глубины вмятины Дд) в про­

цессе точечной сварки импульсом постоянного

(а) и переменного тока (б)

взаимной диффузии. При недостаточно тщательной зачистке поверх­ ностей деталей или электродов изолированные полости, образован­ ные между микрорельефами, оказываются заполненными оксидными и гидроксидными пленками и адсорбированными веществами. С ро­ стом температуры гидрооксиды разлагаются с выделением газа, в частности кислорода. Возникающее при этом избыточное давление создает так называемый «распорный» эффект, который снижает давление в контактах, а избыток кислорода вторично окисляет осно­ вания выступов, препятствуя расширению площади электрических контактов (рис. 1.34, г). Вторичное окисление и распорный эффект соответственно препятствуют снижению локальной плотности тока и увеличивают контактное сопротивление, что способствует повы­ шению температуры в контакте электрод — деталь.

При выключении сварочного тока и снятии усилия сжатия обра­ зовавшиеся локальные связи разрушаются от действия упругих сил, накопленных при деформации микровыступов, а также частично от распорного эффекта. При подъеме электрода обычно дополнительных сил для разрушения связей не требуется.

На поверхности электродов остаются частицы свариваемого металла, перешедшего в результате диффузии или механических деформационных процессов (рис. 1.34, д). Активность последних в значительной мере зависит от соотношения твердости металла электродов и деталей. Так, частицы мягкого металла (например, алюминия) легко «захватываются» относительно твердым рельефом поверхности электрода. Этот процесс практически не отмечается при сварке стальных деталей.

В процессе эксплуатации электродов скопление на их поверх­ ности продуктов взаимодействия от массопереноса увеличивается. При этом возникают участки, где образуются металлические связи, препятствующие проведению нормального процесса сварки.

На поверхности деталей остаются включения электродного ме­ талла (рис. 1.34, д), их количество увеличивается по мере увеличения продуктов взаимодействия на электродах.

Таким образом, скорость массопереноса контролируется темпе­ ратурой в контакте, временем пребывания металлов при повышенных температурах, состоянием поверхностей деталей и электродов, сте­ пенью деформаций сдвига и физическими свойствами электродного и свариваемого металлов.

1.5.3. Воздействие термодеформационных процессов на свойства металла зоны сварки

Металл в процессе сварки подвергается термодеформа­ ционному воздействию, оказывающему влияние на структуру и свойства металла ядра и околошовной зоны.

При больших скоростях охлаждения, характерных для контакт­ ной сварки, увеличивается вероятность переохлаждения жидкого металла. Например, на магниевых сплавах (МА2-1) направленная кристаллизация на базе полуоплавленных зерен основного металла

Характер распределения внутренних напряжений изменяется во времени, так как зависит не только от усадки и внешнего давле­ ния, но и от сопротивления пластической деформации металла. В начале охлаждения или при относительно малом значении ад усадка вдоль оси г в значительной мере компенсируется деформацией металла от FCB и при точечной сварке в этом направлении растяги­ вающие напряжения невелики, г в приэлектродной области часто обнаруживаются остаточные сжимающие напряжения.

Усадка в продольном направлении (вдоль оси г) практически не остается некомпенсированной, так как за счет охлаждения вокруг литого ядра образуется своеобразный жесткий каркас, препятству­ ющий деформации от внешнего усилия в этом направлении. Поэтому в центральной части зоны сварки получают развитие процессы образования остаточных радиальных аг и окружных сг0 напряжений

(рис. 1.36).

Механизм образования этих напряжений можно пояснить следу­ ющей схемой. При охлаждении внутренние слои, например, в виде кольца стремятся укоротиться, однако соседние наружные более холодные слои препятствуют этому, и в них образуются остаточные растягивающие напряжения сг0 и оГ. При удалении от ядра темпе­ ратура и величина усадки снижаются, растягивающие напряжения уменьшаются до нуля. На значительном расстоянии а0 меняют свой знак и превращаются в сжимающие. Следует иметь в виду, что при охлаждении остаточные растягивающие напряжения могут пре­ вышать аг. После полного охлаждения уровень напряжений меньше а7, например, при точечной сварке деталей из сплава АМгб они достигали 0,4—0,5аг.

Если по мере охлаждения зоны сварки за счет увеличения внеш­ него давления вызвать дополнительную пластическую деформацию металла и тем самым обеспечить компенсацию усадочных процессов, можно снизить и даже преобразовать растягивающие напряжения аг и а0 в сжимающие. Это практически реализуется путем плавного или ступенчатого повышения усилия сжатия до FK0B (рис. 1.37).

При использовании постоянного усилия FCB растягивающие напряжения ох на пояске (точка А) образуются при температуре пластического состояния металла (например, для углеродистой ста­ ли 600 °С) и развиваются до полного охлаждения околошовной

в чертеже изделия. Непровар может проявляться в виде полного отсутствия (рис. 1.38, а) или уменьшения (рис. 1.38, в) литого ядра, а также при частичном или полном сохранении оксидной пленки или плакирующего слоя в контакте деталь — деталь (рис. 1.38, г, д). Наиболее опасен непровар, в котором образуется соединение в твер­ дом состоянии (рис. 1.38, б) по микрорельефам поверхности. Такое соединение трудно выявить, оно может выдержать иногда относи­ тельно большие статические срезывающие нагрузки и хрупко раз­ рушиться при небольших напряжениях отрыва и знакопеременных нагрузках.

Непровары, показанные на рис. 1.38, г, д, встречаются, напри­ мер, при сварке алюминиевых сплавов (АМгб, Д16 и др.), имеющих на поверхности увеличенную толщину плакирующего слоя из чи­ стого алюминия — металла, который обладает более высокой элек­ тропроводимостью и Тил, чем основной сплав. При плавлении основ­ ного металла плакирующий слой не расплавляется и препятствует образованию металлических связей в расплавленном состоянии. В этом случае, а также при относительно толстых тугоплавких оксидных пленках электромагнитные силы, необходимые для пере­ мешивания расплавленного металла, оказываются недостаточными для их разрушения (см. § 1.4).

Общая причина непровара — изменение параметров режима сварки (снижение / св, tCB} увеличение FCB и d0), а также других технологических факторов (малые нахлестка, расстояние между точками, большие зазоры), приводящие к снижению плотности тока (тепловыделения).

При шовной сварке отмечается постепенное снижение плотности тока и размеров литой зоны после сварки нескольких первых точек из-за накопления теплоты и снижения сопротивления пластической деформации металла. Это обстоятельство следует учитывать при выборе режима шовной сварки.

Для предупреждения непроваров следует обеспечить стабильность технологических факторов и работы сварочного оборудования, а также удалить перед сваркой тугоплавкие оксиды и плакирующий слой, препятствующие процессу образования зоны взаимного рас­ плавления деталей.

1.6.2. Выплески

Выплеск — это выброс части расплавленного металла из зоны сварки (рис. 1.39). Выплески разделяют на наружные (из об­ ласти контакта электрод — деталь), внутренние (между деталями), начальные (на I этапе)и конечные (на II этапе, см. § 1.1). Наружные выплески ухудшают внешний вид изделий и снижают стойкость электродов. Отрываясь от детали, выплески могут приводить к за­ сорению магистралей и агрегатов. Кроме того, внутренние выплески часто препятствуют дальнейшему росту ядра вследствие повышен­ ного растекания тока и охлаждения металла. Конечные выплески часто сопровождаются образованием трещин, раковин и глубоких вмятин.

Общая причина появления этого дефекта состоит в отставании скорости деформации от скорости нагрева. Например, начальные выплески объясняются перегревом отдельных участков (локальных контактов) относительно малой площади из-за перекоса электродов, плохой подготовки поверхности. При сварке металлов с малым сопротивлением деформации выплески не характерны (алюмини­ евые и магниевые сплавы). Вероятность появления их возрастает при использовании жестких режимов сварки и небольших усилий. Образование конечного внутреннего выплеска связано с раскрытием зазора, вызванного тепловым расширением металла, потерей герме­ тичности соединения и выбросом жидкого металла, находящегося под высоким давлением (рис. 1.38, в). Этот вид выплеска образуется при условии: FCB < F„ dn -+d. При соблюдении неравенства FCB > > ^ я и dn выплески маловероятны.

Склонность к появлению конечного внутреннего выплеска можно оценить, используя коэффициент/^ (рис. 1.40), который представляет собой отношение критического dHp и минимально допустимого dmln диаметров ядер:

= ^кр/^mln*

Величина dKp — это максимальный диаметр ядра, который удается получить без выплеска за счет увеличения / сВ (при FCB = const и tcв = const). Величина kB зависит от режима сварки и формы импульса сварочного тока. Для увеличения kв (уменьшения ад) лучше использовать мягкие режимы, предварительный подогрев отдельным или модулированным импульсом, униполярные импульсы

Рис. 1.39. Виды выплесков:

™ж "?гР>ж,,ыП-’ ^ — начальный внутренний; в — конечный внутренний; г — конечный па- р>лнып при односторонней сварке

1.6.3.Несплошности зоны сварки

Встадии охлаждения часты случаи образования несплошностей в литом металле сварного шва: наружные и внутренние тре­ щины, раковины (рис. 1.41). Образование несплошностей наиболее часто наблюдается при сварке деталей толщиной свыше 1 мм из сплавов с широким интервалом кристаллизации. Как показали исследования, трещины являются горячими и образуются преиму­ щественно в температурном интервале хрупкости.

Нехватка металла при кристаллизации ядра без внешнего давле­ ния приводит к образованию рассеянных или сосредоточенных несплошностей (раковин). В связи с высоким начальным давлением

вядре и большой скоростью охлаждения образование значительной пористости маловероятно.

Усадка кристаллизующего металла, например, в радиальном или окружном направлениях вызывает объемную деформацию ем =; = ам/£ м, где ам — напряжение, действующее в выбранном на­ правлении усадки; Ем— модуль упругости металла. Если счи-

тать, что деформация границ охлаж­ даемого металла ограничена, то воз­ никнут напряжения

<*м == Е м & Т ср ( Г вр Т'н)»

Когда пластическая деформация, вызванная действием Fсв или перемещением границ зерен металла, скомпенсируется, тогда (Тм < ав, и горячая трещина не образуется. Таким образом, предупре­

ждение образования горячих трещин и раковин связано с уменьше­ нием растягивающих напряжений. Основным способом снижения растягивающих напряжений и предупреждения образования несплошностей в зоне сварки является применение ковочного усилия. При выборе Fков и /к следует учитывать теплофизические и механи­ ческие свойства металла, толщину деталей, режим сварки, форму импульса тока. Большие скорости кристаллизации, например, при сварке металлов с высокой теплопроводностью, вызывают необхо­ димость увеличения Fvов и уменьшения tK. С ростом толщины деталей Fков и /к возрастают. Переход к более жестким режимам (уменьше­ ние /св) приводит к повышению Fh0B и снижению /к.

При выборе следует учитывать, что при сварке на конденса­ торных машинах нагрев зоны сварки продолжается после максимума сварочного тока.

Приложение FKов должно совпадать с началом кристаллизации металла. Усилие должно сохраняться до полного охлаждения зоны

жения плотности тока могут возникнуть непровары, кроме того, увеличится глубина вмятин и зазор между деталями. Если Fнов будет приложено после частичной или полной кристаллизации («поздняя» ковка при /к. п), то сопротивление деформации металла будет велико и образуются несплошности.

Обычно оптимальные значения /к и Ряов подбирают эксперимен­ тальным путем. Некоторые значения этих величин приведены в гл. 3.

При шовной сварке деталей толщиной 2—3 мм кристаллизация металла может частично или полностью происходить без внешнего давления, так как ролик уже переместился на шаг. При этом пре­ имущественно образуются трещины, расположенные перпендику­ лярно к оси z.