Тепловые процессы при стыковой сварке оплавлением

Роль оплавления заключается в нагреве деталей до момента образования на торцах слоя расплавленного металла. Слой расплава обеспечивает более равномерное распределение температур в области контакта, тем самым создавая благоприятные условия для формирования соединения и удаления поверхностных оксидов вместе с расплавом в процессе пластической деформации при осадке. Вышеуказанные процессы могут быть реализованы непрерывным оплавлением или оплавлением в сочетании с предварительным контактным подогревом.

Нагрев при оплавлении в основном происходит за счет теплоты, выделяющейся в контактном сопротивлении гопределяемом состоянием перемычек расплавленного металла в искровом промежутке. Доля теплоты, выделяемой на собственном сопротивлении деталей 2г_л из-за сравнительно малой средней плотности тока, как правило, мала и не учитывается при тепловых расчетах.

Процесс нагрева обычно представляют следующей схемой. В процессе сближения деталей, находящихся под напряжением источника, в момент их соприкосновения при сравнительно небольшом давлении, на поверхности торцов между ихлокальными участками образуются электрические контакты. При прохождении тока через контакты происходит их быстрое плавление и образование перемычек из жидкого металла (рис. 3.6). Перемычки разрушаются с высокой скоростью, длительность их существования обычно не превышает 0,001—0,005 с.

Форма и размеры перемычек определяются действием двух сил, направленных противоположно (рис. 3.6, а):

• • сил поверхностного натяжения а, стремящихся при сближении деталей уменьшить зазор Д₃, увеличить диаметр перемычки d";
• • электромагнитных сил F_c (пропорциональных квадрату протекающего через них тока), стремящихся сжать и разрушить перемычку.

В результате сжатия перемычки увеличивается плотность протекающего тока и, следовательно, скорость нагрева. При достижении большой плотности тока (например, порядка 3000 А/мм² при оплавлении низкоуглеродистой стали) металл в центре перемычки интенсивно испаряется и вызывает ее взрывообразное разрушение от сил действия паров F_ir В момент взрыва давление паров достигает 10—20 МПа, а температура — 6000—8000 °С. Капли расплавленного металла выбрасываются из зазора в виде искр (со скоростью, превышающей 60 м/с), что приводит к постепенному уменьшению длины деталей.

Рис. 3.6. Схемы расположения перемычек расплавленного металла при оплавлении: а — образование перемычки и действующие на нее силы; б — разрушение перемычек Перемычки являются источниками теплоты, часть которой в течение времени их существования передается теплопроводностью торцам деталей. Увеличение времени существования перемычек вызывает снижение градиента температуры в деталях. Разрушение перемычек и выброс нагретого металла за пределы зоны сварного соединения приводит к потерям накопленной тепловой энергии. В результате разрушения перемычек на торцах образуются кратеры, глубина и диаметр которых зависят от размера перемычки. Между одновременно существующими перемычками, как между проводниками с током одинакового направления, действуют электромагнитные силы F_a (рис. 3.6, б), стремящиеся их объединить, но из-за малого времени существования перемычек объединение обычно не завершается.

Силы F_K, вызванные взаимодействием тока в перемычках с магнитным полем сварочной машины, способствуют их перемещению в искровом промежутке и выталкиванию из сварочного контура.

В начале оплавления распределение температуры на оплавленных торцах неравномерно (рис. 3.7, а). Затем степень неравномерности по мере нагрева уменьшается.

Рис. 3.7. Схема распределения температуры при сварке оплавлением: а — в начальной стадии процесса; б — в конечной стадии процесса Расплавленные участки появляются с начала процесса оплавления, средняя температура торцов растет до образования на их поверхности равномерного слоя расплавленного металла.

Для установившегося процесса оплавления характерно многократное с высокой частотой образование перемычек по всей поверхности торцов деталей, что приводит к возникновению равномерного слоя расплава на торцах (рис. 3.7, б).

Для процесса оплавления характерны высокие локальные плотности тока в перемычках и малая средняя плотность тока, отнесенная ко всему сечению деталей.

Электрические процессы при сварке оплавлением имеют сложный характер, поскольку обеспечиваются источником переменного тока (рис. 3.8). Образование одного контакта при сближении торцов (рис. 3.8, а) снижает напряжение источника от значения U_2x до U₃₃ (точка 1). При увеличении тока /_св по синусоиде напряжение (U₃₃ = r₃₃i_CB) несколько возрастает, а затем после разрушения перемычки (точка 2) резко увеличивается (точка 3), превышая U_2x за счет запасенной в магнитном поле машины энергии. Текущее значение напряжения холостого хода U_2x восстанавливается, исчерпав запасенную энергию (точка 4). Процесс повторяется по мере возникновения очередных единичных контактов, обычно наблюдается 4—7 пульсаций тока за полупериод (0,01 с). При снижении тока до нуля на кривой U₃₃ могут возникать пульсации напряжения со значениями, часто превышающими U_2x. Таков механизм образования одиночных перемычек. Если снижения тока до нулевого значения не происходит, а пульсации напряжения уменьшаются (рис. 3.8, б), это означает одновременное существование нескольких перемычек и несинхронное их разрушение.

В некоторых случаях дополнительным источником теплоты становятся дуговые разряды, нагревающие металл до более высоких температур. Разряды возникают при высоких значениях напряжения источника U_2x9 малой длительности существования перемычек, небольшой работе выхода электронов и большой индуктивности контура машины.

Рис. 3.8. Электрические процессы при оплавлении: а — одиночные перемычки; б — несколько одновременно существующих перемычек Возбуждение дуги происходит при полном размыкании торцов, когда запасенная в магнитном поле энергия вызывает перенапряжение и в результате возникает пробой промежутка между торцами деталей (рис. 3.8, а, точка 3). При возникновении следующей перемычки дуга гаснет из-за шунтирования тока. При сварке деталей (небольших сечений) из алюминиевых сплавов до 50% тепловой энергии при оплавлении приходится на долю дуговых разрядов. Доля тепла, выделяющаяся за счет дуговых разрядов, мала при сварке металлов и сплавов с большим значением работы выхода, а также при большом сечении деталей.

Одной из важнейших характеристик процесса оплавления является его скорость (о_ОШ1Л Она оказывает существенное влияние и на весь процесс сварки, качество сварного соединения, в частности определяет температурное поле в целом и равномерность его распределения, рельеф поверхности и степень окисления металла торцов. Для конкретных условий сварки существует некоторая оптимальная средняя скорость оплавления, которая обеспечивает наилучшие показатели качества соединений.

Увеличение средней скорости (К_{опл ср} = Д_опл //_опл) оплавления (при оплавлении на одну и ту же величину (А_опл)) приводит к сужению зоны нагрева деталей, а следовательно, к увеличению градиента температур dT/dx, уменьшению времени существования перемычек. Интенсивное оплавление приводит к более равномерному нагреву торцов. Вместе с тем повышение скорости способствует ухудшению рельефа поверхности торцов из-за увеличения кратеров вследствие роста размера перемычек.

Снижение скорости увеличивает длительность существования перемычек и глубину прогрева деталей, уменьшает градиент температуры. Размеры перемычек уменьшаются, а рельеф поверхности улучшается, но снижается равномерность нагрева.

Существует некоторая постоянная скорость (о_0ПЛ), которая после оплавления на некоторую величину (А_опл) и формирования слоя расплавленного металла на торцах приводит к квазистационарному состоянию, характеризующемуся малым изменением температурного поля при дальнейшем оплавлении. Величина этой скорости зависит от условий оплавления и теплофизических свойств свариваемых металлов.

Устойчивость процесса оплавления — важная характеристика энергетической системы источник — сварочный контур — привод перемещения — искровой промежуток. Для обеспечения непрерывного оплавления без длительных коротких замыканий деталей или длительных перерывов в протекании тока необходимо, чтобы мгновенная скорость сближения деталей о_сбл соответствовала мгновенной скорости оплавления и_опл (скорости фактического укорочения свариваемых деталей). При и_с6л >> о_0ПЛ зазор Д₃ уменьшится, а диаметр перемычек увеличится настолько, что их разрушение станет невозможным, поэтому произойдет короткое замыкание деталей и оплавление прекратится. При о_Сбл << и_опл образование и разрушение перемычек сопровождается увеличением зазора Д₃, что приведет к прекращению процесса оплавления.

Мгновенная скорость оплавления зависит от интенсивности нагрева и плавления металла на торцах деталей и перегрева части расплава до температуры кипения. Это определяется тепловой мощностью (количеством теплоты, выделяемой в секунду), развиваемой в искровом промежутке при оплавлении:

где к — коэффициент, учитывающий неполнофазность переменного тока к ~ 0,75−0,8.

Она расходуется на нагрев от температуры Т, до Т_ОШ1 металла, выбрасываемого из зазора в виде искр и брызг <�у_искр, и на теплопередачу в детали q_R"

где S — сечение детали;

с, у, К т₀ — удельная теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности и скрытая теплота плавления свариваемого металла;

Т_опл — средняя температура выбрасываемого при оплавлении металла (для стали Т_опл — 2000 °С);

Т, — средняя температура торцов (в начале оплавления — окружающей среды, к его концу — близкая к температуре плавления, при сварке с подогревом Т, = Т_под);

dT/dx — градиент температуры торца.

Отсюда и_0Ш| после подстановки вместо q_owl его значения:

Следовательно, мгновенная скорость оплавления растет с увеличением тепловой и полезной мощности (Р_ээ = q_om = г_ш1²_свк), с уменьшением градиента температуры dT/dx и повышением температуры торцов Т,. В начато процесса, когда dT/dx велик и Т, 0, оплавление идет медленно. По мере подогрева торцов о_ОШ1 растет. Для поддержания устойчивого процесса оплавления при неизменной мощности скорость сближения деталей и_с6л должна постепенно увеличиваться, чтобы соответствовать нарастающей о_опл. Подогрев деталей до Т, = Т_пол увеличивает возможную скорость их сближения при данной мощности.

Другие факторы и приемы повышения устойчивости оплавления:

• • использование эффекта саморегулирования;
• • предварительный подогрев деталей перед оплавлением;
• • программное управление параметрами режима;
• • автоматическое управление оплавлением;
• • импульсное управление оплавлением.

Сущность саморегулирования заключается в реакции энергетической системы на внешние и внутренние возмущения сварочного процесса. В процессе сварки сопротивление г_т непрерывно снижается, что могло бы привести к нарушению стабильности оплавления. Ответной реакцией процесса является рост тока /_опл. Для поддержания устойчивого оплавления снижение г_лд должно быть компенсировано быстрым повышением еще и полезной мощности Р_ээ.

Зависимость полезной мощности от сварочного тока имеет вид.

Эта зависимость носит экстремальный характер. Максимальное значение Р_э, соответствует равенству г_т = Z_M. Если r_m < Z_M, то малейшее снижение сопротивления г_т приводит к прогрессирующему снижению Р₃₃, короткому замыканию и прекращению оплавления. Но обычно г_ш > Z_M, и по мере снижения мощность увеличивается, в результате чего происходит активное разрушение перемычек и, следовательно, будет сохраняться непрерывное оплавление. Таким образом, выражение r_m > Z_M является необходимым условием устойчивости процесса оплавления. Поэтому для сварки оплавлением рекомендуются системы питания с очень жесткими характеристиками — трансформаторы с минимальным магнитным рассеянием и предельно короткие сварочные контуры.

Предварительный подогрев торцевой части деталей выполняется за счет их короткого замыкания перед сваркой непосредственно в губках сварочной машины. В этом случае снижается необходимая для начального возбуждения оплавления электрическая мощность, увеличивается глубина прогрева деталей. Для возбуждения процесса и устойчивого оплавления деталей необходим 3—5-кратный запас устойчивости, который представляет собой отношение тока короткого замыкания к среднему току при оплавлении: /_к//_св. Большее отношение применяют при сварке больших компактных сечений.

Быстро достичь устойчивого оплавления позволяет скос торцов деталей, когда вначале в контакт вступает лишь часть площади сечения сварного соединения.

Программное управление током и скоростью оплавления (рис. 3.9) может выполняться по жесткому, т. е. заранее заданному, алгоритму, с помощью двух исполнительных устройств — тиристорного регулятора в цепи сварочного трансформатора и двигателя в составе механического привода оплавления. При программном управлении током для возбуждения оплавления напряжение U_2x вначале увеличивают (в течение 0,1/_опл). Повышение U_2x ускоряет разрушение перемычек и сужает зону нагрева. По мере прогрева деталей и стабилизации оплавления U_2x снижают и поддерживают постоянным (в течение 0,7 /_опл). В конце оплавления, перед осадкой U_2x снова кратковременно увеличивают для повышения локальной устойчивости процесса, т. е. обеспечения равномерного прогрева по всей площади обоих торцов. Программное управление скоростью оплавления v_OMJ1 обычно также выполняется с жестким алгоритмом. Часто применяют параболический закон сближения деталей, при котором скорость линейно возрастает со временем по соотношению и_опл = kt. При одновременном программном управлении током и скоростью в 3—5 раз снижается потребляемая мощность и в 1,5—2 раза — время сварки.

Автоматическое регулирование параметров режима — сложный, но и более эффективный прием повышения устойчивости и качества сварки. Различают системы стабилизации параметров и системы программного регулирования.

Регулирующие воздействия в обоих вариантах передаются на источник и привод. В системах стабилизации в качестве регулируемых величин, контролируемых датчиками в цепях обратной связи, принимаются следующие сигналы: напряжение U_m сварочный ток /_с", частота пульсацииf", реже — температура торцов деталей и др. Системы программного регулирования отличаются от систем стабилизации и жесткого программного управления наличием заданной программы изменения параметров режима по ходу сварки и цепей обратных связей, с помощью которых контролируется ее выполнение.

Рис. 3.9. Программа изменения напряжения U_2x (1), скорости оплавления v_1)IW (2) и плотности тока у_опл (2).

Импульсное оплавление — специальный метод, разработанный для сварки сверхбольших сечений (более 10 000 мм²). При импульсном оплавлении на основное поступательное движение, которое совершает подвижная плита сварочной машины, накладываются дополнительные колебания (с частотой f_K = 3−45 Гц и амплитудой А_к = 0,1—0,8 мм). На рис. 3.10, а—в штриховыми стрелками показано колебательное перемещение, сплошными — поступательное. Колебания плиты с одной из деталей вызывают периодическое высокоскоростное изменение зазора между деталями.

В стадии уменьшения зазора идут процессы частичного оплавления и разрушения преимущественно мелких перемычек, а также одновременно нагрев, деформация и увеличение площади другой части контактов, которая была нагрета до температуры, близкой к температуре плавления.

Рис. 3. К). Импульсное оплавление: а — стадия уменьшения зазора (1 — жидкая перемычка; 2 — деформируемый контакт); б — стадия увеличения зазора (3 — механическое разрушение контакта); в — осциллограмма сварочного тока /_св и перемещения S_u подвижной плиты В стадии увеличения зазора эти контакты механически разрушаются и лишь частично оплавляются вследствие большой скорости увеличения зазора. При таком режиме увеличивается время существования в зазоре нагретого металла и снижаются потери, связанные с плавлением и разрушением перемычек. Импульсное оплавление по сравнению с непрерывным можно осуществлять при более низких напряжениях U_lx при этом на 10—15% повышается температура в околошовной зоне, в 3—4 раза сокращается время оплавления, в 2—2,5 раза снижается расход электроэнергии и в 3—4 раза — припуск на оплавление.