Термомеханические методы сварки

Контактная сварка

Контактная сварка относится к одному из наиболее распространенных видов сварки. Различают несколько способов контактной сварки, основные из них точечная, шовная, стыковая, рельефная.

Точечная сварка. При этой сварке детали собираются внахлестку и свариваются по отдельным ограниченным участкам касания, называемым точками. Для производства сварки детали плотно прижимаются электродами сварочной машины (рис. 24.1), затем нагреваются кратковременным импульсом электрического тока. В начальный момент сварки происходят образование электрического контакта, расширение нагретого металла и увеличение в результате этого зазора между деталями. Часть металла под влиянием давления электродов вытесняется в зазор, создавая уплотняющий поясок. В последующем образуется расплавленное ядро, наблюдаются разрушение оксидных пленок, их перемешивание с жидким металлом. Дальнейшее пластическое истечение металла в зазор увеличивает уплотняющий поясок вокруг жидкого ядра и препятствует его выдавливанию, а также защищает расплавленный металл от взаимодействия с атмосферой.

После выключения сварочного тока происходит интенсивная кристаллизация ядра, завершающаяся образованием монолитного соединения обеих деталей в точке касания.

Рис. 24.1. Схема точечной сварки:

• 1 — литое ядро; 2 — свариваемые детали; 3 — верхний электрод; 4 — трансформатор;
• 5 — нижний электрод

Для того чтобы в период кристаллизации непрочная точка не была разрушена вследствие упругих сил конструкции, давление с электродов не снимается, причем чем больше толщина металла и жесткость свариваемого узла, тем больше время выдержки точки под давлением. Кроме того, при кристаллизации происходит усадка металла и в нем могут образовываться усадочная рыхлота и раковины. В это же время в ядре возникают растягивающие напряжения, которые могут стать причиной образования трещин. Создание в центре ядра за счет давления электродов зоны сжимающих напряжений позволяет снизить вероятность образования трещин. Она еще более снизится в случае приложения ковочного усилия, т. е. резкого (в 2—3 раза) увеличения давления на электродах на завершающей стадии сварки.

Последовательность включения и выключения сварочного тока и давления составляют цикл сварки. Простейший цикл изображен на рис. 24.2, а, а цикл с проковкой — на рис. 24.2, б.

Рис. 24.2. Циклограммы точечной сварки:

а — простейший цикл; б — цикл с проковкой; в — трехимпульсный цикл; г — цикл с увеличением давления в начальный период или уменьшением давления в момент протекания тока; /_свл — действующее значение тока; /_под — ток импульсного подогрева; /_лоп — ток дополнительного импульса; ?_под — длительность импульса подо- 1рева; t_cn — длительность спада импульса; t_nx и t"₂ — длительность пауз; t_CB — длительность сварочного импульса; Р_св — усилие на электродах при протекании сварочного тока; Р_и — начальное усилие; Р_к — ковочное усилие Существуют более сложные циклы. Так, для уменьшения скорости охлаждения металла при сварке сталей, склонных к закалке, во избежание образования трещин применяют двухи трехимпульсную сварку. При двухимпульсной сварке первый импульс служит для подогрева металла в месте контакта. Это снижает скорость охлаждения металла и повышает его пластичность. Кроме того, в результате нагрева улучшается прилегание свариваемых деталей друг к другу. Возможна двухимпульсная сварка, когда первый импульс является сварочным, а второй — дополнительным для термообработки сварной точки. Высокого качества можно достичь, применяя трехимпульсную сварку, при этом последовательно осуществляются подогрев, сварка и после нее термообработка (рис. 24.2, в).

Сила тока, давление и характер их изменения являются важнейшими параметрами режимов сварки. Так, например, между количеством выделяемой теплоты и силой тока на основании закона Джоуля — Ленца

имеется квадратичная зависимость. Даже небольшие колебания величины сварочного тока существенно изменяют количество выделяемой в сварочном контакте теплоты.

Па силу сварочного тока, проходящего через место сварки, оказывает влияние шунтирование тока через соседние, уже сваренные точки. Чем меньше расстояние между точками, которое назначает конструктор исходя из требуемой прочности сварного узла, и чем толще свариваемые детали, тем больше потери на шунтирование. Они возрастают и в случае повышенного контактного сопротивления из-за плохой подготовки поверхности деталей под сварку или при малом давлении на электроды. Существуют рекомендации о минимально допустимом расстоянии между точками в зависимости от марки и толщины свариваемых материалов. Ориентировочно можно считать, что минимальное расстояние между точками для деталей из низколегированных сталей должно равняться 3—4 диаметрам точки, из хромоникелевых сталей — на 15—20% меньше, у алюминиевых — на 25—30% больше.

Па силу сварочного тока влияет введение в сварочный контур больших магнитных масс, особенно в случае сварки крупногабаритных изделий. Индуктивное сопротивление сварочного контура.

где /— частота тока, Гц; L = (р₀/я)/е — индуктивность контура, Гн; р₀ = 1,256 • 10⁶ Гн/см — магнитная проницаемость воздуха; к — величина, определяемая геометрическими параметрами.

Так как магнитная проницаемость стали р > р₀, то с введением в контур магнитных масс индуктивность L начнет возрастать, а вместе с этим увеличиваться и индуктивное сопротивление X_L. Следовательно, по мере перемещения свариваемых деталей внутрь контура сварочный ток будет уменьшаться, что приведет к снижению прочности точек. Избежать последнего можно соответствующим увеличением потребляемой электрической мощности из сети. Следует так проектировать сварные конструкции, чтобы в процессе сварки их можно было перемещать поперек сварочного контура. Тогда изменение индуктивности будет незначительным.

Снижение индуктивного сопротивления вторичной цепи достигается применением трехфазной низкочастотной сварки. Как можно заметить из формулы индуктивного сопротивления, уменьшение частоты / приводит к уменьшению индуктивного сопротивления.

Значительно уменьшаются потери на индуктивность, а значит, и потребляемая мощность при сварке на постоянном токе благодаря включению во вторичный контур сварочной машины полупроводниковых выпрямителей.

Па образование соединения оказывает существенное влияние общее сопротивление R зоны сварки на участке «электрод — электрод» (см. рис. 24.1). Его можно представить как.

где /?," R'_u — переходное сопротивление соответственно между верхней деталью и электродом и нижней деталью и электродом; R_JV я; — сопротивление верхней и нижней детали соответственно; R_K — сопротивление контакта между деталями. Если свариваются одинаковые толщины и материалы, то.

Установлено, что основная роль в выделении теплоты принадлежит сопротивлению деталей Д_д и (кроме микросварки, где сопротивление деталей и контактное сопротивление соизмеримы).

Если сопротивление деталей является величиной постоянной, то сопротивление контакта между деталями R_K, оказывающее определенное влияние на процесс сварки, зависит от многих факторов, в том числе от физических свойств металла, состояния поверхности деталей в месте их контакта, давления на электродах, их формы.

При сварке сплавов, обладающих высокой электрои теплопроводностью, например алюминиевых, необходимо увеличить тепловыделение в зоне контакта при прохождении электрического тока, чего можно добиться уменьшением в этот момент давления на электродах и увеличением таким образом контактного сопротивления (рис. 24.2, г). Такой характер изменения давления способствует также увеличению эффекта проковки.

Чтобы уменьшить вредное влияние переходного сопротивления R_w торцы электродов периодически зачищают, с поверхности свариваемых деталей оксиды и различного рода загрязнения удаляют механической зачисткой или химическим травлением. Электроды изготавливают из сплава, хорошо проводящего электрический ток, позволяющего получить малую величину сопротивления в контакте «электрод — деталь». Для повышения стойкости электроды изнутри охлаждаются водой.

Режим точечной сварки выбирают на основании отраслевых стандартов, инструкций и рекомендаций. В практике они могут корректироваться в зависимости от влияния ряда факторов.

Довольно распространенным случаем при точечной сварке является сварка двух деталей разных толщин. Неодинаковая толщина свариваемых деталей приводит к смещению ядра точки к центру деталей. Для обеспечения минимальной глубины проплавления более тонкой детали, составляющей не менее 15% ее толщины, следует принимать меры к увеличению ее нагрева. Это достигается применением со стороны тонкой детали (или детали с меньшим электросопротивлением) электрода из менее теплопроводного материала или подбором специальных прокладок между электродом и указанными деталями, а также размещением между деталями прокладок из материала с более высоким электросопротивлением.

Некоторые изменения режимов точечной сварки, ее технологии приходится осуществлять при использовании клсесварных соединений. Применяются клеи, которые могут наноситься как после, так и до сварки. При сварке по клею следует помнить, что сварка и исправление дефектных точек должны быть закончены до затвердения клея, т. е. в течение нескольких часов. Клеи могут быть холодного или горячего отверждения. Последние требуют после завершения сварки специальной термообработки для протекания процесса полимеризации клея. Указанные клеи более долговечны и надежны, чем клеи холодного отверждения, и поэтому нашли большее применение.

Основным типом соединения при точечной сварке является нахлесточное. В соответствии с особенностями технологии точечной сварки и применяемым оборудованием необходимо проектировать сварные узлы так, чтобы магнитные массы, вводимые в контур, были минимальными. С этой точки зрения конструкция а целесообразнее конструкции б (рис. 24.3), так как во втором случае изделие при сварке обязательно должно вводиться вну трь сварочного контура, тогда как в первом имеется возможность перемещения свариваемых деталей поперек сварочного контура. Конструкция узла г менее распространена, чем конструкция в, из-за необходимости применения электрода сложной формы, более трудоемкого в изготовлении.

Конструкция узла д является типичным примером нерационального расположения сварной точки в месте, где практически невозможно обеспечить плотное прилегание свариваемых деталей.

В ряде конструкций затруднен доступ к свариваемым деталям с двух сторон. Для таких случаев применяется односторонняя то;

Рис. 243. Примеры рациональных (а, в) и нерациональных (б, г, д) конструкций узлов для точечной сварки.

чечная сварка (рис. 24.4), позволяющая нс только сваривать конструкции с затрудненным доступом с двух сторон, но и обладающая другим достоинством — габариты изделия почти не влияют на размеры сварочных машин и величину индуктивного сопротивления вторичного контура, которые в процессе односторонней сварки практически постоянны.

Двухили многоточечная сварка способствует увеличению производительности сварки. Осуществить это можно применением специальных машин, имеющих две пары сваривающих электродов или более. Сваривать ими можно с очень высокой производительностью (50 000 точек в час и выше). В многоточечных машинах прижатие электродов осуществляется последовательно или одновременно всех сразу. В последнем случае деформации сварного узла получаются меньше, и такая схема более предпочтительна.

Кроме стационарного оборудования, для точечной сварки применяются различные переносные устройства типа клещей и пистолетов. Основная область их использования — сварка тонколистовых конструкций в труднодоступных местах.

Разновидностью контактной точечной сварки является рельефная сварка, характер образования сварного соединения при которой во многом сходен с точечной сваркой. Сварка в данном случае происходит по предварительно подготовленным в металлических изделиях выступам.

Рис. 24.4. Схема односторонней точечной сварки при одинаковой (а) и разной (б) толщине деталей:

1 — сварочные электроды; 2 — верхняя деталь; 3 — нижняя деталь; 4 — медная подкладка; 1 — ток шунтирования; /₂ — ток, проходящий через нижнюю деталь; /₃ — ток, проходящий через медную шину Обычно на поверхности деталей выполняется несколько рельефов или один выступ замкнутой формы в виде кольца, и в первом случае детали соединяются одновременно в нескольких точках, во втором — образуется непрерывный герметичный шов (контурная рельефная сварка). Рельефная сварка применяется для деталей небольших размеров из-за значительной величины потребляемой мощности. Одним из вариантов рельефной сварки является Т-образная сварка, при этом к плоским деталям привариваются детали типа стержня с закругленным концом.

Точечная сварка широко применяется для сварки конструкций и узлов из сталей, титановых и алюминиевых сплавов.

Шовная сварка обеспечивает соединение элементов внахлестку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва. Принципиальные схемы двухсторонней и односторонней сварки приведены на рис. 24.5. В зависимости от характера вращения роликов различают непрерывную и шаговую (прерывистую) шовную сварку.

При непрерывной сварке ток подается при вращающихся роликах непрерывно или в виде импульсов при постоянном давлении на электродах.

Импульсная подача тока по ряду позиций является более предпочтительной. Точка образуется в этом случае при прохождении каждого отдельного импульса. Перемещение свариваемых деталей и частоту импульсов надо подбирать так, чтобы точки перекрывали друг друга на 30—50%, тогда соединение получится плотным. При большой скорости перемещения деталей и малой частоте импульсов можно получить прочные, но не герметичные швы, аналогичные швам, получаемым при точечной сварке.

При сварке некоторых материалов, прежде всего алюминиевых сплавов, рекомендуется шаговая (прерывистая) сварка. Она заключается в том, что в период подачи сварочного тока дисковые электроды (ролики) неподвижны относительно изделия, а перемещение изделия происходит благодаря периодическому повороту.

Рис. 24.5. Схема шовной двухсторонней (а) и односторонней (6) сварки:

• 1 — свариваемые детали; 2 — сварочные ролики; 3 — сварочный трансформатор;
• 4 — медная прокладка электродов на небольшой угол в паузах между импульсами тока. Такой режим сварки ускоряет кристаллизацию точки, улучшает условия охлаждения роликов, уменьшает их износ, стабилизирует качество точки.

Давление на электродах может быть постоянным или увеличиваться в конце сварки. Последнее позволяет осуществлять проковку точки.

Из-за значительного шунтирования через ранее сваренные точки при шовной сварке требуются большие мощности, чем для точечной. С учетом более жестких режимов при шовной сварке и шунтировании сила тока по сравнению с точечной выбирается больше на 20—60%.

Типы соединений, рекомендуемые для шовной сварки, аналогичны тем, которые применяются для точечной сварки. Основное из них — нахлесточное, которое варьируется в зависимости от конструкции изделий. Некоторое ограничение в выборе вида соединения сужает область применения шовной сварки.

Шовная сварка, как и точечная, из-за использования в изделиях нахлесточных соединений приводит к некоторому увеличению расхода металла и массы конструкций.

Стыковая сварка — это контактная сварка, при которой соединение свариваемых деталей происходит по поверхности стыкуемых торцов.

По характеру протекания процесса образования соединения стыковая сварка может быть сваркой сопротивлением или сваркой оплавлением. Последняя, в свою очередь, подразделяется на сварку с прерывистым и непрерывистым оплавлением. Принципиальная схема стыковой сварки приведена на рис. 24.6.

При сварке по методу сопротивления нагрев металла осуществляется без оплавления соединяемых торцов, которые хорошо подгоняют друг к другу посредством механической обработки. Детали перед сваркой приводят в соприкосновение и пропускают через них сварочный ток. Нагревание места сварки до температуры (0,8⁰, 9) Г_П1 происходит в основном благодаря теплоте, выделяемой в зоне контакта и в свариваемых деталях.

После нагревания сварочного стыка до пластического состояния ток выключается и производится осадка деталей, при этом ско;

Рис. 24.6. Схема стыковой сварки:

1 — детали; 2 — зажимные губки; 3 — сварочный трансформатор рость сближения резко увеличивается, в результате чего торцы деталей пластически деформируются и в месте их соприкосновения образуется сварное соединение в твердом состоянии.

Определенную трудность при сварке сопротивлением представляет удаление из стыка оксидных пленок, без чего невозможно образование качественного соединения. В связи с этим важная роль принадлежит процессу пластического деформирования торцов свариваемых деталей, в результате которого часть оксидов может выдавливаться в образующееся утолщение.

При сварке методом оплавления нагрев металла сопровождается оплавлением соединяемых торцов. Зажатые в губках машины детали сближают при включенном сварочном трансформаторе. Процесс сварки в этом случае начинается с оплавления отдельных контактных точек, выступающих над поверхностью торцов, сопровождается интенсивным искрообразованием и заканчивается полным оплавлением всей поверхности стыка. Затем производят осадку, в результате которой оксиды вместе с жидким металлом вытесняются наружу, а сварка осуществляется в твердой фазе.

При стыковой сварке оплавлением в свариваемом стыке образуется большое количество паров металла и химических соединений, например СО и СО2 (при сварке сталей), что снижает количество кислорода, взаимодействующего с расплавленным металлом. Таким образом, металл шва получается более чистым, чем при сварке сопротивлением, если она осуществляется без защиты каким-либо способом свариваемого стыка от окисления.

Сварку оплавлением рекомендуют для соединения деталей с повышенной площадью поперечного сечения, сложной конфигурацией, а также для сплавов с повышенной электрои теплопроводностью, например алюминиевых.

Конструкции сварных соединений для стыковой сварки должны максимально удовлетворять требованию равномерного нагрева обеих деталей. Это достигается при сварке деталей с одинаковым сечением из одного и того же металла. Если детали имеют разное сечение, необходимо изменением конструкции одной из них добиться более близких по характеру условий теплоотвода при сварке.

Большие затруднения возникают при сварке деталей из разнородных металлов, особенно при существенных различиях их электрои теплопроводности. В таком случае лучше использовать сварку оплавлением.

Стыковая сварка в настоящее время применяется для изготовления деталей из сталей, алюминиевых, титановых и некоторых тугоплавких металлов. Ею можно соединять детали как с компактными, так и с развитыми, сложными сечениями. Стыковая сварка весьма перспективна при замене дуговых методов, тем более что производительность ее существенно выше.