Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

При шовной сварке герметичным швом на характер изменения r

э-э

оказы-

вает влияние наличие вмятин от роликов, образовавшихся при формировании

предыдущей литой зоны шва. Это приводит к тому, что в момент включения

тока ролики частично находятся во вмятине соседней точки, что увеличивает

площадь их контакта с деталью по сравнению с точечной сваркой. В связи с

этим начальные значения r

э-э

будут ниже, чем при сварке того же металла от-

дельными точками. В процессе формирования литой зоны при шовной сварке

изменение r

э-э

носит падающий характер (рис. 2.7), однако значения r

э-э

в конце

процесса сварки несколько меньше, чем при точечной сварке за счёт большей

площади контакта между деталями.

При рельефной сварке кинетика r

э-э

имеет свои отличия. В области I

(рис. 2.8) происходит резкое падение сопротивления из-за быстрой деформации

нагреваемого выступа. Далее в области II значение r

э-э

стабилизируется, а затем

(область III) вновь уменьшается вследствие увеличения площади контакта меж-

ду деталями при формировании сварного ядра.

Рис. 2.7. Изменение r

э-э

при шовной

сварке сплава ОТ4-1 (1), стали ВНС2

(2) и стали Х18Н9Т (3) толщиной

1+1 мм

Рис. 2.8. Изменение r

э-э

при рельефной

(⎯⎯) и точечной (----) сварке стали

08кп толщиной 2+2 мм

2.5. Перемешивание металла ядра сварной точки

Поверхностные пленки (окислы, слои плакировки), как правило, более

тугоплавкие, чем основной металл (исключение составляют окислы железа),

полностью разрушаются и перераспределяются лишь в жидком металле. Про-

цесс перемешивания металла ядра сварной точки является одним из основных,

так как он способствует удалению поверхностных пленок, мешающих взаимо-

действию

в жидкой фазе.

Разрушение и удаление указанных пленок в жидком металле происходит

под действием определенных сил, имеющих электродинамическую природу.

Действие этих сил приводит к интенсивному перемешиванию жидкого металла

и выравниванию состава ядра при сварке разнородных металлов. Следы пере-

мешивания можно обнаружить по шлифам лишь на ранней стадии процесса,

например, в

начале второго этапа. Локальный анализ состава ядра микрорент-

геноспектральным методом показывает в этом случае крайне неравномерное

распределение элементов по сечению ядра.

Действие электродинамических сил может быть представлено следую-

щим образом. В результате взаимодействия тока с его собственным магнитным

потоком при постоянной плотности тока j

на расстоянии r от оси z в элемен-

тарном объёме dV (рис. 2.9) действует элементарная сила:

, (2.4)

где

– абсолютная магнитная проницаемость вещества.

В соответствии с правилом левой руки (вытянутые пальцы совпадают с

направлением тока, вектор индукции H магнитного поля входит в ладонь, от-

ставленный большой палец указывает направление силы, действующей на про-

водник) элементарная сила dF

направлена к центру ядра.

Объёмные силы dF

имеют максимальное значение на периферии и сни-

жающиеся до нуля в центре ядра. В результате действия этих сил в расплаве

происходит распределение давления по параболическому закону:

)rR(

−=

, (2.5)

где R – радиус ядра сварной точки.

Как правило, литое ядро имеет форму эллипсоида, поэтому для принятой

схемы давление в центре максимально (например, при точечной сварке деталей

из сплава АМг6 толщиной 2+2 мм это давление достигает 15 МПа). На границе

ядра оно снижается до нуля. Такое распределение давления вызывает циркуля-

цию жидкости от центра

к периферии.

Рис. 2.9. Схема определения электродинамических сил в жидком ядре и эпюры

распределения плотности тока, сил F

и давления P в расплаве по осям 0y и 0z

Находящаяся в расплаве нерастворимая частица испытывает элементар-

ную силу от градиента давления:

rrр

dVpdF

, (2.6)

где

- градиент давления на частицу объемом dV

вызванный разностью дав-

лений в сечениях I и II (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Характер циркуляции жидкого металла в ядре и сил, действующих на

нерастворимые неэлектропроводные dV

и электропроводные dV

частицы

Плавление металла в объеме ядра протекает неравномерно. В расплаве,

особенно в начальной стадии, могут присутствовать отдельные нерасплавлен-

ные металлические блоки, частицы пленки и плакировки с различными темпе-

ратурой и электропроводностью. Поэтому на ранней стадии формирования ядра

плотность тока в нем не постоянна. Плотность тока в частице j

может отли-

чаться от плотности тока в расплаве. Если j

, то на частицу действует допол-

нительная сила dF

, которая больше силы dF

и тогда происходит перемещение

частицы в центр ядра. Если же частица не электропроводна, то она будет пере-

мещаться к периферии. Обычно частицы пленки практически не электропро-

водны и перемещаются, как правило, к периферии.

2.6. Массоперенос в контакте электрод-деталь

При контактной сварке происходит взаимный перенос небольших масс

металла электродов

и деталей через границу контактов электрод-деталь меха-

ническим путём или вследствие диффузии.

Процесс массопереноса проходит по следующей схеме:

1. При приложении сварочного усилия до включения сварочного тока в

контакте электрод-деталь идут процессы упругопластического деформирования

микровыступов, внедрение выступов во впадины, их срез и застревание друг в

друге, происходит частичное разрушение

оксидного слоя и образование ло-

кальных физических связей (рис. 2.11 а).

2. При включении сварочного тока по мере нагрева приэлектродной об-

ласти деталей сопротивление пластической деформации микрорельефов снижа-

ется, проходит повышенная взаимная диффузия металлов деталей и электродов

(рис. 2.11 б).

3. Между электродами и деталью образуются области, заполненные ок-

сидными и гидроксидными плёнками

и адсорбированными веществами. С рос-

том температуры они разлагаются с выделением газов, преимущественно ки-

слорода. При этом возникает распорный эффект, снижающий давление в кон-

такте электрод-деталь и препятствующий расширению зон электрического кон-

такта электрод-деталь (рис. 2.11 в). В результате этого происходит локальный

перегрев электродов и их повышенный износ, возрастает вероятность

выплеска.

Эффект тем сильнее, чем хуже зачищена и больше окислена поверхность дета-

ли.

4. При выключении сварочного тока и снятии усилия сжатия, образовав-

шиеся локальные связи в контакте электрод-деталь разрушаются под действием

упругих сил, накопленных при деформации микровыступов и от распорного

эффекта (рис. 2.11 г). Дополнительных усилий при отрыве от

детали и подъёме

электрода обычно не требуется.

5. На поверхности электрода остаются частицы свариваемого металла.

Чем мягче свариваемый металл, тем сильнее он прилипает к электродам. На-

пример, при сварке сталей прилипания металла к электродам практически не

наблюдается, а при сварке алюминиевых сталей происходит активное налипа-

ние материала деталей на электроды. Чем

больше на электроде налипшего ме-

талла, тем сильнее в процессе сварке нагревается область электрод-деталь и ин-

тенсивнее происходит процесс массопереноса.

Скорость массопереноса контролируется следующими параметрами:

- температурой в контакте электрод-деталь;

- временем пребывания металлов при повышенной температуре;

- состоянием поверхностей деталей и электродов;

- степенью деформации сдвига при сдавливании электродов;

- физическими свойствами металлов детали и электродов.

а)

б)

в) г)

Рис. 2.11. Схема процесса массопереноса в контакте электрод-деталь

2.7. Задание геометрических размеров сварного соединения

по ГОСТ 15878-79

Основными параметрами, влияющими на прочностные показатели точеч-

но-сварного соединения, являются его геометрические размеры.

ГОСТ 15878-79 регламентирует эти параметры. При точечной, шовной и рель-

ефной сварке обязательно получение литого ядра, диаметр которого d является

основным параметром соединения. Другими параметрами, характеризующими

соединение, являются величины проплавления h и h

, глубины вмятины g и

(рис. 2.12).

ГОСТ 15878-79 регламентирует две группы точечных соединений: группа

А и группа Б (табл. 2.9). Соединения группы А имеют литую зону большего

диаметра, обладают более высокой прочностью, но требуют большей нахлёст-

ки. Группа соединения должна устанавливаться при проектировании в зависи-

мости от требований к сварной конструкции и особенностей процесса сварки.

Рис. 2.12. Конструктивные элементы сварных соединений, выполненных то-

чечной сваркой: а) неплакированные металлы; б) плакированные металлы;

в) детали неравной толщины; г) разноимённые металлы

Таблица 2.9

Геометрические параметры точечно-сварного соединения

по ГОСТ 15878-79

Параметры соединений, мм

Группа А Группа Б

В, не менее В, не менее

Толщина

деталей,

мм

d, не менее

чёрные

металлы и

сплавы

цветные

металлы и

сплавы

t, не менее

с, не менее

d, не менее

чёрные

металлы и

сплавы

цветные

металлы и

сплавы

t, не менее

с, не менее

0,3…0,4 2,7 7 8 9 1,7 5 7 7 8,5

0,4…0,5

0,5…0,6

3 8

10 12

2,2

8 10

0,6…0,7

0,7…0,8

3,3

3,5

15,5

2,5 8 10 10 12

0,8…1,0

1,0…1,3

1,3…1,6

1,6…1,8

1,8…2,2

2,2…2,7

2,7…3,2

6,5

20,5

3,5

4,5

19,5

3,2…3,7

3,7…4,2

4,2…4,7

4,7…5,2

5,2…5,7

5,7…6,0

10,5

- - - - -

Рекомендуемые ГОСТ диаметры ядра сварной точки хорошо вписывают-

ся в формулу

5,275,1 +=

, где d

- в мм.

Допустимая величина проплавления h для магниевых сплавов составляет

20…70 %, для титановых – 20…95 % и для остальных металлов и сплавов

20…80 % толщины деталей.

Глубина отпечатка g не должна превышать 20 % толщины при сварке де-

талей одинаковой толщины и 30 % от тонкой детали при сварке деталей разной

толщины.

ГОСТ 15878-79 так же регламентирует минимальный рекомендуемый

шаг между

точками t, величину нахлёстки листов B и расстояние от сварной

точки до края пластины c.

2.8. Шунтирование тока при точечной, шовной и рельефной сварке

Шунтирование – утечка части расчётного сварочного тока параллельно

основному току по ранее сваренным точкам, покрытию, приспособлению или

участкам плотного касания детали вокруг свариваемой точки. Шунтирование

тока

проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ра-

нее сваренные точки (рис. 2.13 а) при двухсторонней точечной сварке или через

одну из деталей при односторонней сварке (2.13 б). Шунтирование в значи-

тельной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом

расстоянии или шаге между точками t

привести к уменьшению плотности тока

и размеров литого ядра.

Масштабы шунтирования практически невозможно оценить путём из-

мерения вторичного или первичного тока при точечной сварке. Вторичный ток

практически не меняется по своей величине – меняется только соотношение

сварочного I

св

и шунтирующихся I

токов. Их сумма при всех случаях сохраня-

ется приблизительно постоянной. При этом угол сдвига фаз между вторичным

током, сваривающим и шунтирующимся токами оказывается настолько малым,

что вполне справедливо суммировать токи не векторально, а арифметически,

т.е. считать I

св

а)

б)

Рис. 2.13. Шунтирование тока при двусторонней (а) и односторонней (б)

точечной сварке

Токи шунтирования обычно снижаются в процессе сварки за счёт нагре-

ва шунта и снижения r

ээ

. Увеличение шага между точкам t

приводит к умень-

шению токов шунтирования. Для учёта влияния тока шунтирования на пара-

метры режима сварной точки в ряде случаев первую точку ставят на понижен-

ном токе, а последующие сварные точки ставят на повышенных токах.

При рельефной сварке шунтирование тока через детали и приспособления

в ряде случаев значительно уменьшает сварочный ток и заставляет прибегать

дополнительным технологическим приёмам. Так, например, при приварке бол-

та к пластине (рис. 2.14 а) происходит шунтирование тока через свариваемые

детали и через болт на второй электрод (рис. 2.14 б). Это приводит к значитель-

ному уменьшению сварочного тока, что заставляет повышать вторичное на-

пряжение, снижает стабильность получения соединения. Устранить шунтиро-

вание в

этом случае возможно с помощью специальной диэлектрической насад-

ки в нижнем электроде (рис. 2.14 в).

Шов в отличие от точки образуется при значительном шунтировании тока

ранее сваренным участком и сильном разогреве свариваемых кромок. В резуль-

тате этого происходит вытягивание сварных точек в сторону ранее сваренных

(рис. 2.15 а, б).

Шунтирование возрастает с

уменьшением удельного сопротивления де-

талей

, увеличением толщины свариваемых деталей δ, уменьшением расстоя-

ния между точками S

. Положительным результатом эффекта шунтирования

тока при шовной сварке является упрощение перекрытия сварных точек и обра-

зование герметичного шва, т.к. перекрытие сварных точек происходит за счёт

шунтирования тока.

а)

Болт

Пластина

б)

СВ

в)

Рис. 2.14. Шунтирование тока при рельефной сварке (приварка болта к пласти-

не)

а)

б)

Рис. 2.15. Влияние шунтирования на форму сварной точки

при контактной шовной сварке

При шовной сварке низкоуглеродистых сталей ток только на 15 % выше, чем

при обычной точечной сварке. Это объясняется высокой температурой ранее сварен-

ной точки и вследствие этого большим значением её удельного сопротивления. При

сварке лёгких сплавов ранее сваренные точки охлаждаются быстрее, вследствие чего

происходит дополнительное увеличение тока шунтирования, вследствие того свар-

ные точки

становятся более вытянутыми в сторону ранее сваренных точек.

Для учёта эффекта шунтирования ток при шовной сварке увеличивают на

20…30 % по сравнению с точечной сваркой. Низкие значения тока сварки приводят

к непровару, а высокие значения – к подплавлению поверхности и налипанию ме-

талла на ролики.

2.9. Выплески при контактной точечной, шовной и

рельефной сварке

Выплески – процесс выбрасывания из ядра частиц расплавленного металла.

Частицы металла, выброшенные из ядра, могут отрываться от него и, попадая

в полость изделия, приводить к выходу из строя различных агрегатов. Кроме того,

выплески снижают стойкость электродов и повышают склонность к образованию

больших трещин, часто выходящих на поверхность листов. Выплески

разделяют на

наружные (из зоны контакта электрод-деталь) и внутренние – между деталями.

Наружный выплеск обычно связан с перегревом металла в контакте электрод–

деталь. Он возникает при малых сварочных усилиях, большой плотности тока, пере-

косе деталей (рис. 2.16 а), неудовлетворительном состоянии поверхности деталей

или электродов, из-за шунтирования тока при односторонней сварке (рис

. 2.16, г) и

т.д.

Внутренний выплеск бывает начальный и конечный. Начальный выплеск, осо-

бенно при сварке пластичных металлов, встречается редко. Он образуется до появ-

ления расплавленного ядра и связан обычно с перегревом металла в контакте деталь-

деталь (рис. 2.16, б). Конечный выплеск происходит на конечной стадии процесса

плавления. Такой выплеск связан

с локальным образованием зазора в уплотняющем

пояске за счет сил, возникающих при расплавлении металла (рис. 2.16 в).

а)

б) в)

Рис. 2.16. Виды выплесков: а) наружный выплеск при перекосе деталей; б) началь-

ный выплеск; в) конечный внутренний выплеск

Склонность металла к выплеску повышается при увеличении его жёсткости и

сопротивления пластической деформации, при увеличении толщины металла, вели-

чины проплавления и диаметра точки, при низких сварочных давлениях и высоких

сварочных токах.

Интенсивность пластической деформации зависит от величины действующих

в контакте напряжений и сопротивления металла пластической деформации. Веро-

ятность выплеска увеличивается с

ростом диаметра ядра и проплавления, а также

размеров контактов, в связи с возрастанием раскрывающих усилий и уменьшением

значения действующих в зоне деформирования напряжений.

Чувствительность процесса к рассматриваемому дефекту зависит от парамет-

ров, режима — времени сварки, сварочного усилия, состояния поверхности деталей

и электродов и сопротивления металла деформации в определенном интервале тем-

ператур (около 0,5…0,7Т

пл

). Так, например, из алюминиевых сплавов сплав

АМг6 наиболее склонен к выплеску, так как он отличается высоким сопротивлением

деформации при температурах 350…400 °С. Часто также наблюдаются выплески

при сварке жаропрочных сплавов. При неудовлетворительном состоянии поверхно-

сти деталей и электродов (высокие значения r

д-д

и r

э-д

) склонность к конечному вы-

плеску возрастает. Очевидно, в этом случае скорость нагрева (раскрытия зазора)

увеличивается, а деформируемый металл не успевает залечивать образовавшийся за-

зор.

Для облегчения пластической деформации в области уплотняющего пояска и

предупреждения конечного выплеска целесообразно использовать более мягкие ре-

жимы сварки и повышать сварочное усилие. Кроме того, склонность

к выплеску

снижается при наличии плакировки или введении между деталями прокладок из

мягкого металла (например, алюминия при сварке алюминиевых сплавов), а также

при использовании импульсов с плавным нарастанием тока.

2.10. Технология контактной точечной сварки

2.10.1. Выбор режимов контактной точечной сварки

Основными параметрами режима контактной точечной сварки являются:

- сварочный ток –

св

;

- длительность его протекания – t

св

;

- усилие сжатия F

сж

;

- диаметр рабочей поверхности электрода – d

Основной задачей технолога является подобрать параметры режима сварки та-

ким образом, чтобы обеспечить геометрические размеры сварной точки, соответст-

вующие ГОСТ 15878-79.

Параметры режима сварки зависят от толщины материала, его теплофизиче-

ских свойств:

- увеличение теплопроводности

и электропроводности материала 1/

(например,

алюминиевые сплавы) приводит к необходимости повышения силы сварочного тока

св

и снижения времени сварки t

св

, т.е. сварка выполняется на жёстких режимах;