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

Подождите немного. Документ загружается.

2.12. Общие вопросы контактной шовной сварки

Шовная сварка – способ соединения с последовательным расплавлени-

ем током небольших сжатых участков деталей, образующих шов. Шовная свар-

ка по природе близка к точечной сварке. При перекрывании точек образуется

прочноплотный шов, а без перекрытия – прочный шов или ряд точек.

Шовной сваркой соединяют различные изделия и в частности бензобаки,

вёдра, трубы, бочки, сильфоны и

другие, преимущественно листовые детали из

холоднокатанной стали толщиной до 3…4 мм, горячекатанной стали и латуни –

до 1,5…2 мм, алюминиевых сплавов – до 5 мм и титана – до 3 мм.

Типовые соединения при шовной сварке (по снижению употребительно-

сти) – по отбортовке (рис. 2.31 а), внахлёстку (рис. 2.31 б), шовно-стыковое

(при изготовлении труб из ленты) (рис. 2.31 в),

шовно-стыковое с накладками.

Тонкие детали, имеющие защитное покрытие, сваривают при пропускании ме-

жду деталями и роликами круглой медной проволоки (рис. 2.31 г).

Рис. 2.31. Типовые соединения при контактной шовной сварке

2.12.1. Образование соединения при непрерывном и прерывистом пропус-

кании тока

Различают следующие разновидности контактной шовной сварки: непре-

рывная, прерывистая и шаговая. При непрерывной сварке происходит постоян-

ное вращение роликов и пропускание через них переменного сварочного тока,

такой сваркой можно соединять листы толщиной до 0,5 мм (рис. 2.32 а). При

прерывистой сварке происходит непрерывное вращение роликов и прерывистое

пропускание через них переменного электрического

тока, при этом возможно

получение следующих видов соединений. Ток на участке контакта деталей мо-

жет включаться импульсами t

через длительные паузы t

. При этом образуется

ряд точек (рис. 2.32 б). При сокращении времени пауз t

происходит совпадение

границ расплава, а уменьшение скорости сварки v

св

приводит к их перекрытию

(рис. 2.32 в). При шаговой сварке происходит периодическая остановка роли-

ков, после чего через них пропускается электрический ток, кратковременно

прикладывается ковочное давление, потом возобновляется вращение роликов.

Таким образом, точки ставятся при остановившихся роликах.

Рис. 2.32. Разновидности соединений, получаемых контактной шовной сваркой

При осуществлении циклограммы непрерывной шовной сварки

(рис. 2.33 а) происходит зажатие деталей роликами, вращение роликов с непре-

рывным пропусканием сварочного тока через свариваемые детали. При этом

резко повышается скорость сварки, однако качество соединений и стойкость

роликов снижается.

При циклограмме непрерывной сварки отдельными импульсами

(рис. 2.33 б) происходит зажатие деталей роликами, вращение роликов и пе-

риодическое пропускание через них импульсов сварочного тока. Во время пау-

зы t

между импульсами ролики и детали успевают частично охладиться, стой-

кость роликов возрастает, уменьшается ширина ЗТВ, снижаются остаточные

деформации.

При шаговом вращении роликов (рис. 2.33 в) происходит зажатие деталей

между роликами и вращение роликов с периодическими остановками в момент

пропускания через них импульса сварочного тока. Остановка роликов способ-

ствует сильному охлаждению деталей

и рабочей поверхности роликов. Повы-

шается стойкость роликов, устойчивость и качество точек. Кроме того, оста-

новка роликов позволяет приложить ковочное усилие при сварке толстостен-

ных деталей (до 4 мм) из алюминиевых и магниевых сплавов.

Рис. 2.33. Циклограммы контактной шовной сварки

2.12.2. Выбор режимов контактной шовной сварки

Основными параметрами режима контактной прерывистой шовной свар-

ки являются:

Ширина рабочей части роликов В, мм.

Сила сварочного тока I

св

, кА.

Время сварки t

св

, сек.

Время паузы между импульсами t

, сек.

Усилие роликов F

св

, Н.

Скорость сварки V

св

, м/мин.

Увеличение ширины рабочей части сварочных роликов вызывает увели-

чение площади контакта электрод-деталь и деталь-деталь, что приводит при

неизменных параметрах режима сварки к снижению размеров и прочности

сварных соединений.

С увеличением усилия на роликах F

св

площади контактов электрод-деталь

и деталь-деталь возрастают, что снижает интенсивность тепловыделения и уве-

личивает отвод теплоты из зоны сварки. Поэтому при постоянстве остальных

параметров режима увеличение F

св

приводит к уменьшению, а уменьшение F

св

– к увеличению размеров и прочности сварных соединений. Однако чрезмерно

низкое сварочное давление приводит к повышению вероятности образования

выплесков, снижается стабильность размеров литой зоны. Увеличение тока

сварки I

св

приводит к увеличению ширины литой зоны, повышается стабиль-

ность качества сварки.

Увеличение времени сварки t

св

приводит к увеличению величины про-

плавления при сварке роликами со сферической поверхностью. При сварке ро-

ликами с плоской поверхностью величина проплавления заметно растёт лишь в

начале процесса.

При заданном шаге точек V

св

тем больше, чем меньше t

св

и t

. Для повы-

шения V

св

шовная сварка с прерывистым включением тока выполняется на зна-

чительно более жёстких режимах, чем точечная. В связи с этим, а также для

учёта токов шунтирования и склейки в контакте деталь-деталь от формирова-

ния предыдущих точек, сварочный ток I

св

(и вторичный ток I

) приходится зна-

чительно увеличивать по сравнению с точечной сваркой.

Усилие электродов при шовной сварке должно быть несколько выше, чем

при точечной. По мере повышения V

св

различие в значениях F

св

при шовной и

точечной сварке растёт.

Шовная сварка различных металлов и сплавов производится на режимах,

выбор которых определяется теплофизическими свойствами металлов. С

уменьшением электро- и теплопроводности снижается необходимый ток при

сварке I

св

, и соединение образуется при потреблении меньшей электрической

мощности. Чем выше температуропроводность металла, тем меньше должно

быть t

св

. Высокая прочность при повышенных температурах (жаропрочность) и

высокая твёрдость требуют повышенных F

св

. С повышением коэффициента ли-

нейного расширения металла увеличивается его усадка при кристаллизации,

что требует во избежание образования усадочных раковин увеличения F

св

или

применения цикла с проковкой (при шаговой сварке).

Низкоуглеродистые стали имеют относительно высокое электрическое

сопротивление, низкую теплопроводность и невысокую прочность. Эти стали

можно сваривать в широком диапазоне режимов. Ориентировочные режимы

шовной сварки низкоуглеродистых сталей приведены в табл. 2.15.

Таблица 2.15

Ориентировочные режимы контактной шовной прерывистой сварки низ-

коуглеродистой стали

Толщина

деталей, мм

св

, кА t

св

, с t

, с F

св

, кН v

св

, м/мин

0,5

0,8

1,2

1,5

7…8

8,5…10

10,5…12

12…13

13…14,5

15,5…17

18…22

0,02…0,04

0.04…0,06

0,06…0,08

0,08…0,1

0,12…0,14

0,16…0,18

0,24…0,32

0,04…0.06

0,04…0,08

0,08…0,1

0,1…0,12

0,18…0,14

0,18…0,22

0,28…0,34

1,5…2

2…3

3…4

4…5

5…6

7…8

10…11

1,2…1,4

1…1,2

0,8…0,9 0,

7…0,8

0,6…0.7

0,5…0,6

0,4…0,5

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают низкой теплопро-

водностью по сравнению с низкоуглеродистой сталью, прочностью и коэффи-

циентом линейного расширения. Сварка этих сталей выполняется на повышен-

ных F

св

, пониженных I

св

при относительно малых значения t

св

(табл. 2.16).

Таблица 2.16

Параметры шовной сварки коррозионно-стойких сталей

Толщина

деталей, мм

св

, кА t

св

, с t

, с F

св

, кН v

св

, м/мин

0,3

0,5

0,8

1,2

1,5

2,5

4,4…7

5…7

7…9

9…11

10…12

11,5…13

12…16

13…17

14…18

0,02

0,02…0,04

0.04…0,06

0,06…0,08

0,06…0.08

0,08…0,1

0,12…0,16

0,16…0,2

0,2…0,3

0,04…0.06

0,06…0.08

0,08…0,12

0,12…0,16

0,14…0,18

0,18…0,2

0,24…0,32

0,32…0,4

0,6…0,7

2…2,5

3…3,5

4…5

5…6,5

6…7

7…9

10…13

11…14

13…16

0,8…1,6

0,6…1,3

0,5…1

0,5…0,8 0,

5…0,8

0,4…0.7

0,3…0,6

0,3…0,5

0,2…0,4

Алюминиевые и магниевые сплавы характеризуются очень высокой элек-

тро- и теплопроводностью, в связи с чем при их сварке применяются кратко-

временные импульсы тока очень большого значения. Сварка магниевых, а так-

же пластичных (неупрочняемых) алюминиевых сплавов, обладающих невысо-

кой прочностью, ведётся при низких F

св

. Высокопрочные алюминиевые сплавы,

обладающие низкой пластичностью и повышенной склонностью к образованию

усадочных дефектов, свариваются на высоких F

св

с обязательным приложением

ковочного усилия F

. Ориентировочные режимы сварки латуни, алюминиевых

и магниевых сплавов на машинах переменного тока приведены в табл. 2.17.

Таблица 2.17

Режимы контактной шовной сварки лёгких сплавов

Толщина

деталей,

мм

св

кА

св

, с F

св

кН

св

м/мин

св

кА

св

, с t

, с F

св

кН

св

м/мин

Алюминиевые сплавы типа

АМг

Латунь типа Л-62

0,5

0,8

1,2

1,5

0,04

0,06

0,08

0,1

0,14

0,18

0,2

0,24

2,5

3,5

4,5

0,7

0,6

0,5

0,45

0,4

0,06

0,08

0,1

0,12

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

4,5

5,5

0,75

0,7

0,65

0,6

2.13. Несплошности и непровары при контактной

точечной и шовной и сварке

Непровар – наиболее опасный и трудновыявляемый дефект, при котором

зона взаимного расплавления меньше требуемой в чертеже изделия. Непровар

может проявляться в виде полного отсутствия или уменьшения ядра сварной

точки.

При отсутствии взаимной литой зоны возможны воздушная прослойка

(зазор между деталями) (рис. 2.34 а) и соединение деталей типа «склейки» (сли-

вания) (рис. 2.34 б).

Отсутствие соединения при наличии зазора легко обнару-

жить после выполнения сварки.

а) б) в) г) д)

Рис. 2.34. Виды непроваров: а – полное оьсутствие соединения; б – склейка;

в – малый диаметр ядра; г – малый размер зоны взаимного расплавления;

д – полное отсутствие взаимного расплавления

При склейке между частицами металла соединяемых деталей возможно

образование достаточной силовой связи за счёт совместно образованных зёрен

или механического зацепления пограничных

зёрен (анкерный эффект). Поэтому

такие соединения могут выдерживать значительные статические нагрузки, од-

нако легко разрушаются при динамических нагрузках, а особенно при повы-

шенных температурах. В связи с технической сложностью обнаружения мето-

дами дефектоскопии следует считать склейку наиболее опасным видом дефек-

та. На макрошлифах соединений со склейкой достаточно отчётливо видна гра-

ница

поверхностей деталей (рис. 2.35 а). Разрушение образца с дефектом типа

склейки обычно происходит по сварной точке, при этом на её изломе наблюда-

ется матовая поверхность с шероховатостью большей, чем у исходной поверх-

ности деталей.

При нарушении режима сварки, а так же вследствие шунтирования воз-

можно уменьшение размеров литой зоны соединения (рис. 2.34 в). Это наибо-

лее сильно проявляется при сварке металлов с низким электрическим сопро-

тивлением, а так же деталей большой толщины. При испытаниях на разрушение

сварных образцов с малым диаметром ядра сварной точки обычно происходит

разрыв по основному металлу (для малых толщин) или вырыв сварной точки

(для больших толщин), однако в обоих случаях диаметр такого вырыва будет

меньше требуемого ГОСТ 15878-79. На макрошлифах таких соединений отчёт-

ливо видно уменьшение литой зоны (рис. 2.35 б).

При сварке алюминиевых сплавов с увеличенной толщиной плакирующе-

го слоя из чистого алюминия

или сталей с окисленной поверхностью или цин-

ковым покрытием возникает уменьшение площади зоны взаимного расплавле-

ния из-за наличия на периферии литой зоны нерасплавившегося материала пла-

кировки или окислов (рис. 2.34 г), при этом возможны даже случаи, когда литая

зона соединения состоит как бы из двух частей, разделённых нерасплавившим-

ся плакирующим

слоем (рис. 2.34 д). Это происходит при большой толщине

плакировки и использовании мягких режимов сварки в сочетании с малым сва-

рочным усилием. Возможно так же образование зон нерасплавленного плаки-

рующего слоя в центре ядра (рис. 2.35 в).

а)

б)

в) г)

Рис. 2.35. Макрошлифы сварных дефектов: а – склейка; б – малый диаметр яд-

ра; в – цинковые включения в ядре; г - раковина

Часто в литой зоне точечных и шовносварных соединений образуются

дефекты нарушения сплошности металла, которые связаны с усадкой расплав-

ленного металла при затвердевании и охлаждении. Нехватка металла при кри-

сталлизации ядра без внешнего

давления приводит к образованию рассеянных

или сосредоточенных несплошностей (раковин) (рис. 2.35 г).

Образование несплошностей в виде трещин наиболее часто встречается

при сварке деталей толщиной более 1 мм из сплавов с широким интервалом

кристаллизации. Как показывают исследования, трещины являются горячими и

образуются преимущественно в температурном интервале хрупкости. Наруж-

ные трещины наблюдаются обычно при сварке высокопрочных алюминиевых

сплавов, для их устранения необходимо повышение сварочного усилия и

сни-

жение жёсткости режима сварки, а так же стремиться избежать чрезмерного

проплавления металла. Внутренние трещины возникают в основном при сварке

высокопрочных алюминиевых сплавов и жаропрочных сталей, для борьбы с

ними помимо понижения жёсткости режима следует использовать циклы свар-

ки с приложением ковочного усилия, а так же выдерживать режимы сварки с

высокой точностью.

Контрольные вопросы к главе 2

1. Схема формирования соединения при контактной точечной, шовной и рель-

ефной сварке. Основные и сопутствующие процессы.

2. Какие источники теплоты существуют при контактной точечной, шовной и

рельефной сварке?

3. Как изменяются сопротивления контактные и деталей и в процессе точечной,

шовной и рельефной сварки?

4. Как происходит взаимодействие электрического и магнитного полей при кон

тактной точечной, шовной и рельефной сварке?

5. Как происходит перемешивание металла ядра сварной точки?

6. Как происходит массоперенос в контакте электрод-деталь? От чего он зави-

сит и как с ним бороться?

7. Как происходит шунтирование тока при точечной, шовной и рельефной свар-

ке? Как с ним бороться?

8. Что такое выплески

при контактной сварке, как они подразделяются, к чему

приводят, от чего зависят и как с ними бороться?

9. Как выбираются режимы при контактной точечной сварке? Какие основные

циклограммы при контактной точечной сварке и с помощью каких устройств

они реализуются?

10. Как параметры контактной точечной сварки влияют на форму и размеры

ядра сварной

точки?

11. От каких параметров точечно-сварного соединения зависит смещение свар-

ного ядра относительно плоскости свариваемого контакта?

12. Какова структура и прочностные показатели точечно-сварного соединения?

Как происходит контроль качества при контактной точечной сварке?

13. Определение контактной шовной сварки. Какие существуют разновидности

контактной шовной сварки?

14. Как происходит выбор режимов при контактной

шовной сварке?

15. Какие дефекты соединения и причины их возникновения при точечной и

шовной сварке?

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ КОНТАКТНОЙ

СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

3.1. Стыковая контактная сварка. Сущность стыковой сварки

Стыковая сварка – способ соединения деталей встык по всей поверхно-

сти их соприкосновения с местным нагревом током и пластической деформаци-

ей (осадкой). Различают стыковую сварку сопротивлением или оплавлением, а

также оплавлением с подогревом.

При сварке сопротивлением ток

включается после закрепления в губках

деталей и их сжатия с усилием, которое не меняется при нагреве или резко воз-

растает к концу нагрева. Усилие сжатия снимается после отключения тока.

Широкая зона нагрева и небольшие (0,2…0,4 МПа) усилия сжатия позволяют

получать соединения с плавным усилением в стыке.

При сварке оплавлением к закрепленным

деталям подводится напряже-

ние и они сближаются с постоянной или возрастающей скоростью. При сбли-

жении непрерывно возникают электрические контакты-перемычки, разрушаю-

щиеся при плавлении взрывообразно с выбросом паров и частиц металла и об-

разованием на торцах небольших кратеров с расплавом. После определенного

укорочения (оплавления) деталей и образования на их торцах

достаточно рав-

номерного слоя расплава детали сжимаются с большой скоростью и нарастаю-

щим большим давлением. Избыточное давление паров металла и обновление

торцов в результате разрушения перемычек снижают интенсивность окисления

расплава. При сдавливании (осадке) расплав с окислами и перегретый металл

околостыковой зоны вытесняется из стыка, образуя усиление и грат (окислен-

ный, перегоревший

металл).

Образование соединения при стыковой сварке происходит в процессе со-

вместной пластической деформации нагретых электрическим током деталей

при осадке. Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением происходит прак-

тически по единой схеме и состоит из двух этапов: нагрева торцев деталей и

осадки (рис. 3.1)

Первый этап при стыковой сварке сопротивлением (рис. 3.1 а)

в значи-

тельной мере аналогичен процессам, протекающим до образования расплавле-

ния в контакте деталь-деталь при точечной сварке. При стыковой сварке оплав-

лением (рис. 3.1 б) нагрев деталей происходит до образования на торцах слоя

расплавленного металла толщиной

в результате локального расплавления и

разрушения перемычек. Второй этап сопровождается деформацией нагретых

поверхностей – осадкой.

Основными процессами при стыковой сварке, как и при точечной, явля-

ются нагрев и охлаждение металла, пластическая деформация и удаление окис-

ных плёнок. Из сопутствующих процессов массоперенос в контакте электрод-

деталь, тепловое расширение металла и электродинамические эффекты

в сва-

рочном контуре обычно не оказывают существенного влияния на качество со-

единения.

Рис. 3.1. Этапы образования соединений при стыковой сварке: а) сопротивле-

нием (F

– начальное усилие; F

ос

– усилие осадки); б) оплавлением (Δ

– зазор

между деталями; δ

– слой расплавленного металла)

При стыковой сварке сопротивлением на первом этапе процесса образо-

вания соединения торцы деталей сближают до образования общего контакта

под давлением F

, через детали пропускают электрический ток I

св

, осадка дета-

лей под током происходит при небольших скоростях. На этом этапе происходит

разогрев торцев и их переход в пластическое состояние. На втором этапе сва-

рочный ток выключают, происходит осадка деталей при больших скоростях и

усилиях осадки F

ос

(рис. 3.2 а).

а)

ОС

СВ

ОС

б)

ОС

ОПЛ

ОС

Рис. 3.2. Типовые циклограммы процесса стыковой сварки сопротивлением и

оплавлением:

св

– общая деформация деталей; t

– время нагрева; t

опл

– время

оплавления; t

ос

– время осадки; S

– перемещение подвижной плиты машины

При стыковой сварке оплавлением на первом этапе – этапе оплавления

детали сближают по определённому закону. При этом через них проходит ток

оплавления. После формирования на торцах деталей расплава их сближают с

большой скоростью и производят осадку. Для увеличения длительности осадки

под током целесообразна ступенчатая осадка, которую проводят

в два этапа: на

первом этапе на величину 20…30 % общего припуска с большой скоростью, на

втором – при пониженной скорости (рис. 3.2 б). Ток выключают на втором эта-

пе – этапе осадки выключение тока до закрытия зазора между деталями при

осадке недопустимо, т.к. это приводит к окислению и образованию дефектов в

стыке.

3.2. Нагрев металла при сварке

сопротивлением

3.2.1. Источники теплоты при сварке сопротивлением

Нагрев металла при стыковой сварке сопротивлением происходит за счёт

генерирования теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении

через них электрического тока. Такими сопротивлениями являются: контактное

сопротивление r

дд

между деталями, собственное сопротивление деталей 2r

(рис. 3.3). Контактное сопротивление r

эд

между электродами и свариваемыми

деталями относительно мало, оно так же находится вдали от зоны сварки и по-

этому практически не оказывает влияния на нагрев формирование сварного со-

единения.

В начале процесса плотность тока на участках контактирования значи-

тельно превышает плотность тока в деталях. В результате интенсивного тепло-

выделения контактная зона

быстро нагревается. Благодаря развитию пластиче-

ской деформации растет площадь контактирующих участков, образуются но-

вые контакты и, несмотря на увеличение удельного электросопротивления ме-

талла в результате нагрева, общее сопротивление контакта быстро уменьшает-

ся, практически исчезая при высоких температурах. Резкое уменьшение r

дд

начале процесса и рост 2r

типичны для сварки сопротивлением. Общее сопро-

тивление сварочной цепи на участке между зажимами r

ээ

в начале процесса

уменьшается, а затем возрастает (рис. 3.4).

Рис. 3.3. Схема нагрева деталей

при стыковой сварке

Рис. 3.4. Изменение сопротивле-

ния контактного r

дд

, деталей 2r

общего r

ээ

при сварке сопротив-

лением