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

Подождите немного. Документ загружается.

Собственное сопротивление деталей r

зависит удельного электросопро-

тивления

, их вылета l

из электродных губок, площади S поперечного сечения

деталей:

S/lkr

пд 0

, (3.1)

где k

– коэффициент поверхностного эффекта.

Поверхностный эффект заключается в оттеснении переменного тока к по-

верхности проводника, в результате чего снижается плотность тока в средней

части проводника и повышается его сопротивление электрическому току. Этот

эффект проявляется в наибольшей степени у ферромагнитных металлов и воз-

растает при увеличении диаметра свариваемых деталей. При увеличении сва-

рочного тока поверхностный эффект уменьшается, так как возрастает напря-

женность магнитного поля и в результате уменьшается относительная магнит-

ная проницаемость. Практически влияние поверхностного эффекта начинает

проявляться при сварке деталей диаметром более 20 мм (рис. 3.5).

3.2.2. Тепловые процессы при сварке сопротивлением

В процессе прохождения электрического тока через детали при сварке

сопротивлением тепло выделяется в стыке деталь-деталь на контактном сопро-

тивлении r

дд

и на самих деталях из-за их сопротивления 2r

. В месте зажатия

деталей происходит интенсивный теплоотвод в медные губки.

В общем случае на основании принципа суперпозиции температурных

полей температуру T в контакте деталь-деталь можно представить как сумму

температуры T

от нагрева при прохождении сварочного тока через распредё-

лённое по длине деталей сопротивление r

и температуры Т

от локального на-

грева током контакта деталь-деталь сопротивлением r

дд

(рис. 3.6 а).

Контактное сопротивление r

дд

оказывает решающее влияние на нагрев

деталей в зоне сварки. В процессе сварки на нём выделяется всего 10…15 %

всей теплоты сварки, однако эта теплота выделяется в узкой приконтактной зо-

не за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение темпе-

ратуры в этой зоне. Кроме того, после исчезновения контактного сопротивле-

Рис. 3.5. Зависимость коэффициента по-

верхностного эффекта от плотности тока

и диаметра стержней из низкоуглероди-

стой стали

ния повышенная интенсивность тепловыделения в приконтактной зоне сохра-

няется, так как эта зона нагрета сильнее других участков деталей и обладает

вследствие этого большим сопротивлением.

Максимальный разогрев деталей происходит в области их соединения на

участке 1, по длине участка 2 детали нагреваются равномерно, а в области за-

жатия в губки 3 температура

деталей резко падает. Такая неравномерность на-

грева увеличивается при снижении установочной длины деталей (рис. 3.6).

а)

б)

Рис. 3.6. Схема распределения температуры вдоль деталей при сварке сопро-

тивлением при большой (а) и малой (б) установочной длине 2l

Установочная длина деталей l

ограничивается по следующим причинам:

- при большой l

возникает риск потери устойчивости деталей при осадке

вследствие их нагрева;

- при большой l

приходится неоправданно повышать мощность машины

вследствие увеличения 2r

Поэтому величина l

обычно не превышает диаметр или толщину сва-

риваемых деталей. В этих условиях теплоотвод в электроды не может значи-

тельно повлиять на температурное поле в деталях и температуру стыка.

Охлаждающее влияние зажимов возрастает с увеличением длительности

нагрева.

Интенсивность нагрева в приконтактной области 1 (рис. 3.6 а):

- увеличивается с увеличением жёсткости режима, так

как увеличение си-

лы тока повышает интенсивность тепловыделения, а снижение длительности

нагрева уменьшает теплопередачу из приконтактной зоны в глубь деталей;

- уменьшается при увеличении начального давления на торцах деталей.

При уменьшении давления возрастает интенсивность приконтактного ис-

точника теплоты, но в то же время ухудшается равномерность нагрева деталей

по сечению.

Основным недостатком

стыковой контактной сварки сопротивлением яв-

ляется трудность обеспечения равномерного нагрева детали по сечению. Не-

равномерность нагрева возникает по следующим причинам:

- случайный характер распределения контактных площадок на стыке де-

талей, особенно при сварке деталей с развитым сечением;

- поверхностный эффект, особенно при сварке деталей большой толщи-

ны.

Равномерность нагрева деталей по сечению

улучшается при увеличении

длительности процесса. Это объясняется тем, что с увеличением времени на-

грева распределение тока по сечению выравнивается и возрастает роль тепло-

передачи, которая способствует выравниванию температуры в плоскости сты-

ка. Равномерность нагрева можно улучшить специальной подготовкой торцов

деталей, повышающей равномерность распределения тока по сечению. Напри-

мер, при сварке труб равномерность нагрева значительно улучшается при сня-

тии фасок на их торцах.

В общем

случае нагрев при сварке сопротивлением обеспечивает благо-

приятное распределение температуры вдоль деталей, позволяющее осущест-

вить необходимую деформацию их торцов при осадке. Однако неравномер-

ность нагрева по сечению и интенсивное окисление торцов при нагреве ограни-

чивают применение сварки сопротивлением деталями относительно малого се-

чения.

3.3. Сущность стыковой сварки оплавлением

3.3.1. Физика

процесса оплавления

Сварочный цикл начинается с того, что к разомкнутым стержням под-

ключают вторичное напряжение (рис. 3.7 а), при котором начинают сближать

стержни так, чтобы они встретились в какой-то физической точке (рис. 3.7 б).

Поскольку этот контакт единственный, на который замыкается вся электриче-

ская энергия трансформатора, то за тысячные доли секунды

контактирующие

микровыступы расплавляются и вскипают (рис 3.7 в).

Рис. 3.7. Схема образования и последующего разрыва единичного контакта при

стыковой сварке оплавлением

На образовавшуюся перемычку действуют следующие противоположные

по направлению и характеру влияния силы (рис. 3.8):

- силы поверхностного натяжения F

пн

, стремящиеся увеличить диаметр пе-

ремычки;

- электромагнитные силы F

, стремящихся сжать и разорвать перемычку;

- распирающее усилие F

от давления паров металла, сжатых внутри пере-

мычки, стремящихся взорвать её изнутри. При этом давление внутри перемыч-

ки достигает 10…20 МПа, а температура 6000…8000

С;

- электродвижущая сила F

эд

, стремящаяся вытолкнуть перемычку из стыка

деталей наружу. При этом скорость выбрасывания жидкого металла наружу

превышает 60 м/с. При этом свариваемые детали необходимо закрывать кожу-

хом для защиты персонала от вылетающих искр.

Рис. 3.8. Схема действия сил на перемычку

Образующиеся при сварке оплавлением перемычки в стадии их формиро-

вания до момента разрушения служат источниками нагрева металла околошов-

ной зоны. Разрушение перемычек сопровождается образованием на торцах де-

талей углублений – картеров. При этом увеличение размеров перемычек сопро-

вождается увеличением размеров кратеров и ухудшением поверхности торцев.

Оплавление сопровождается характерными электрическими процессами,

которые можно диагностировать с применением осциллографирования кривых

вторичного тока i

и падения напряжения u

ээ

на электродах. До образования пе-

ремычки величина u

ээ

равна вторичному напряжению u

холостого хода сва-

рочного трансформатора (рис. 3.9 а). При сближении торцов и образовании од-

ного контакта происходит уменьшение сопротивления r

ээ

сварочной цепи,

вследствие чего наблюдается падение напряжения u

ээ

(точка 1). При увеличе-

нии вторичного тока i

напряжение u

ээ

св

ээ

несколько возрастает, а затем при

взрыве перемычки (точка 2), за счёт запасённой в магнитном поле машины

энергии, резко увеличивается (точка 3), превышая u

. Расход накопленной

энергии сопровождается снижением напряжения до значения u

и плавным

спадом его до нуля. При возникновении очередного единичного контакта про-

цесс повторяется. Обычно за полупериод (0,01 сек) наблюдается 4…7 пульса-

ций тока. При этом если ток снижается до нуля (точка 4), на кривой u

ээ

возни-

кают пульсации напряжения, значения которых часто превышают u

. Такой

механизм соответствует режиму образования и разрушения одиночных пере-

мычек. Если ток не достигает нулевого значения, величина пульсаций напря-

жения снижается. Это указывает на одновременное существование нескольких

параллельных перемычек и на неодновременное их разрушение.

На производстве стабильность процесса оплавления проверяют на осцил-

лограммах напряжения и тока, на которых обычно должно

присутствовать 4…

10 пиков в каждом полупериоде. Если число пульсаций меньше, то увеличива-

ют скорость оплавления и напряжение, которое при сварке оплавлением не мо-

жет быть менее 2,5…3 В.

Рис. 3.9. Электрические процессы при сварке оплавлением с образованием оди-

ночных перемычек (машина однофазная переменного тока)

3.3.2. Тепловые процессы при стыковой сварке оплавлением

Характерным отличием стыковой сварки оплавлением от стыковой свар-

ки сопротивлением является то, что нагрев деталей происходит исключительно

за счёт сопротивления искрового промежутка, а выделением тепла на деталях

можно

пренебречь. Это приводит к увеличению градиента температуры вдоль

деталей, когда сами детали остаются относительно холодными, а на их торцах

развивается температура плавления и кипения металла.

Вследствие этого можно сформулировать три принципиальных отличия

сварки оплавлением от сварки сопротивлением, определяемые особенностями

характера нагрева при этих видах сварки:

1. Состояние торцев и температурная обстановка

в зоне контакта. При

сварке сопротивлением торцы деталей нагреты до температур порядка

0,7…0,8T

пл

, а при сварке оплавлением на торцах под действием нагрева форми-

руется тонкий слой расплавленного металла.

2. Размер зоны, в пределах которой произойдёт значительная пластиче-

ская деформация при приложении усилия осадки. При сварке сопротивлением

происходит интенсивный нагрев не только торцев, но и близлежащих слоёв ме-

талла, поэтому при приложении усилия осадки происходит

пластическая де-

формация торцев и усиление основного металла (рис. 3.1 а). При стыковой

сварке оплавлением прилежащий к торцам металл нагревается менее интенсив-

но, поэтому усилие осадки приводит только к выдавливанию расплавленного

металла из стыка деталей, а сами детали при этом не деформируются

(рис. 3.1 б).

3. Размер зоны термического влияния при сварке. При сварке оплавлени-

ем только 10…15 % теплоты выделяется на деталях, а остальная теплота выде-

ляется на торцах. При сварке сопротивлением зона термического влияния

имеет

большую протяжённость, чем при сварке оплавлением, поэтому качество со-

единения при сварке оплавлением выше.

Тепловая мощность, развиваемая в искровом промежутке при оплавле-

нии, равна

оплопопоп

tIUq

, (3.2)

где U

оп

– действующее напряжение на стержнях, В;

оп

– ток оплавления, А;

t – время оплавления, с.

Эта мощность выделяется сварочным током на сравнительно большом

контактном сопротивлении между деталями (при сварке оплавлением величина

сопротивления искрового промежутка достигает 2000…3000 мкОм). Только

часть этой теплоты q

выделяется в оба оплавляемых стержня и обеспечивает

прогрев деталей, другая часть q

из

теряется с металлом, который выбрасывается

из зазора при разрушении контактов-перемычек. В общем случае:

мизоп

qqq

. (3.3)

Эффективность нагрева деталей характеризуется термическим кпд про-

цесса оплавления:

олмопл

qq /

. (3.4)

Значение термического кпд процесса оплавления имеет наибольшее зна-

чение в начале процесса. В конце процесса при приближении к квазистацио-

нарному тепловому состоянию

опл

=0, так как при неизменяющемся темпера-

турном поле теплосодержание оплавляемых деталей остаётся постоянным и,

следовательно, q

=0.

На характер распределения температуры по длине оплавляемых деталей

влияют следующие характеристики процесса оплавления:

- напряжение источника питания U

;

- скорость оплавления v

опл

;

- время оплавления t

опл

Скорость оплавления v

опл

При увеличении скорости оплавления сужается зона нагрева деталей и

увеличивается градиент температуры у оплавляемых торцев (рис. 3.10). При

оплавлении металлов с большим коэффициентом температуропроводности

(алюминия, меди, молибдена) зона нагрева расширяется. Время достижения

квазистационарного состояния зависит от скорости оплавления: чем больше

скорость, тем быстрее наступает теплонасыщение деталей (рис. 3.11). Однако

чрезмерное увеличение скорости

оплавления приводит к увеличению размеров

кратеров после взрыва перемычек, процесс сварки оплавлением может перейти

в сварку сопротивлением.

Уменьшение скорости оплавления приводит к увеличению глубины про-

грева деталей. Однако при уменьшении скорости ниже определённого критиче-

ского значения нагрев деталей начинает уменьшаться, что связано с понижени-

ем средней температуры торцев. При сварке изделий из углеродистых сталей

наибольшее количество

теплоты можно передать в детали при скорости оплав-

ления 0,2…0,3 мм/сек, а при сварке алюминиевых сплавов максимальный на-

грев соответствует скорости оплавления 3…5 мм/сек. Критическая скорость

оплавления уменьшается при увеличении сечения деталей.

1500

1000

500

L, мм

0,6

0,4

0,2

ОПЛ

t опл, сек

Рис. 3.10. Распределение температур

по длине свариваемых деталей в за-

висимости от скорости

сварки v

> v

Рис. 3.11. Изменение термического

кпд при оплавлении с различной

скоростью v

> v

Напряжение источника U

Если процесс нагрева металла методом сопротивления может происходить при

любом вторичном напряжении, то процесс оплавления может происходить только в

сравнительно узком диапазоне напряжений. Уменьшение напряжения U

ниже

2,5…3 В приводит к прекращению процесса оплавления и остыванию торцев дета-

лей, увеличение напряжения U

выше определённого значения приводит к тому, что

процесс оплавления переходит в непрерывный электродуговой процесс.

Нагрев деталей существенно зависит от напряжения источника U

. Чем ниже

напряжение при заданной скорости оплавления, тем выше термический кпд процесса

(рис. 3.12), и детали прогреваются лучше. Оплавление в этом случае можно произ-

водить на машинах с меньшей номинальной мощностью, однако необходимо приме-

нение специальных регуляторов скорости, снижающих скорость оплавления.

Напряжение источника питания U

оказывает значительное влияние на рас-

пределение температуры по длине деталей (рис. 3.13): чем ниже U

, тем меньше гра-

диент температурного поля, и детали прогреваются равномернее. Это объясняется

тем, что при уменьшении напряжения увеличивается длительность существования

контактов-перемычек между торцами и, следовательно, больше теплоты передаётся

вглубь деталей при нагреве контактов. Кроме того, при меньшем напряжении

уменьшается интенсивность разрушения контактов и больше расплавленного метал-

ла остаётся на торцах.

Таким образом, чем ниже напряжение источника, тем лучше прогреваются де-

тали при оплавлении, снижается интенсивность оплавления, снижается скорость оп-

лавления

, повышается термический кпд процесса оплавления.

0,6

0,4

0,2

ОПЛ

t опл, сек

Рис. 3.12. Изменение термического

кпд при оплавлении с постоянной

скоростью при различных значениях

: U

Рис. 3.13. Распределение температу-

ры в зоне термического влияния при

оплавлении рельсов I – 3,0 В; II – 3,5

В; III – 4,5 В; IV – при U

=6,26В

Время оплавления t

опл

Продолжительность оплавления оказывает значительное влияние на про-

цесс оплавления и характер распределения температуры по длине свариваемых

деталей.

Процесс нагрева деталей при сварке оплавлением может быть неустано-

вившимся и квазистационарным. При неустановившемся процессе происходит

постоянное изменение температурного поля в деталях (их нагрев или охлажде-

ние). Такой процесс наблюдается при малых значениях

опл

, когда детали не ус-

певают достаточно прогреться.

При квазистационарном процессе температурное поле в деталях остаётся

неизменным в течение всего процесса сварки. Такой процесс наблюдается при

больших значениях t

опл

. При квазистационарном процессе вся энергия, выде-

ляемая в искровом промежутке, тратится на оплавление и укорочение деталей,

прогрева деталей вглубь не происходит (термическое кпд процесса

опл

=0),

дальнейшее увеличение времени оплавления t

опл

сопровождается только силь-

ным укорочением свариваемых деталей и расходом энергии и материалов.

Энергия, выделяемая на контактном сопротивлении, тратится только на образо-

вание и взрыв контактов-перемычек, усиления прогрева основного металла не

происходит:

изоп

. (3.5)

Время оплавления должно быть минимальным, однако, достаточным для

образования расплава и прогрева деталей вглубь.

3.3.3. Закон перемещения подвижной плиты машины

При оплавлении для сближения деталей в стадии нагрева используют как

жёсткие программы, так и «нежёсткие», зависящие от изменения каких-либо

параметров процесса сварки. Распространение получили преимущественно за-

ранее

заданные жёсткие программы перемещения подвижной плиты машины.

Для того чтобы начать оплавление холодных деталей и устойчиво его

поддерживать, сближение оплавляемых деталей должно идти с постепенно воз-

растающей скоростью. Для этого часто применяют параболический закон

сближения деталей, при котором скорость линейно возрастает со временем:

опл

=kt. С увеличением ускорения k растёт градиент температуры у торцев и

сужается зона нагрева.

Перемещение плиты машины S (мм) в зависимости от времени t (сек) в

этом случае происходит по графику:

ktS

(3.6)

где n=1,5…3;

k - коэффициент, зависящий от теплофизических свойств металла, мощ-

ности машины и сечения деталей, обычно изменяется в пределах 0,4…1,5, ко-

торый выбирается исходя из припуска и конечных скоростей оплавления.

Сближение деталей из низкоуглеродистой и низколегированной сталей

производят по графику

ktS =

, а деталей из сталей с высоким сопротивлением

(например, хромоникилевых), требующих снижения начальной скорости, по

графику

2/5

ktS =

3.3.3. Интенсификация нагрева металла при оплавлении

При сварке средних сечений (до 5000 мм

) в большинстве случаев ведут

сварку непрерывным оплавлением. Однако при увеличении сечения сваривае-

мых деталей сложно обеспечить равномерный нагрев торцев деталей, увеличи-

вается время сварки, расход электроэнергии. Поэтому при сварке деталей

больших сечений используют различные способы интенсификации процесса

нагрева деталей:

- предварительный подогрев;

- программное регулирование напряжения;

- импульсное оплавление.

Сваркой непрерывным оплавлением с предварительным подогревом

соединяют детали с поперечным сечением 5000... 10 000 мм

. Способы подог-

рева указаны на рис. 3.14, а, б. Подогрев осуществляют импульсами тока от ис-

точника сварочного тока машины после зажатия деталей в электродных губках.

В первом случае (см. рис. 3.14 а) детали, находящиеся под вторичным на-

пряжением от источника сварочного тока, периодически замыкаются накоротко

путем возвратно-поступательного перемещения подвижной плиты машины с

закрепленной на ней деталью. Детали подогреваются импульсами тока корот-

кого замыкания длительностью 0,5...2 с примерно

с такими же паузами в коли-

честве 3...20 импульсов. Общее время подогрева - от нескольких секунд до

2 мин. После подогрева проводят оплавление деталей с последующей их осад-

кой.

Рис. 3.14. Способы подогрева деталей перед стыковой сваркой непрерывным

оплавлением:

а – подогрев периодическими короткими замыканиями торцов деталей, нахо-

дящихся под напряжением; б – подогрев импульсами тока после замыкания

торцов деталей I

опл

, p

опл

– ток, давление и припуск при оплавлении; I

под

– ток и давление подогрева; S – перемещение подвижной плиты машины

Во втором случае (см. рис. 3.14 б) детали предварительно оплавляют для

выравнивания поверхностей торцов и затем сжимают невысоким давлением

под

=0,3р

ос

, где р

ос

– давление осадки. Далее через замкнутые детали пропус-

кают импульсы тока с программным регулированием их длительности и пауз

между ними. Последний подогревающий импульс тока длительностью

(см. рис. 3.14 б) пропускают при снятом давлении

под

, чтобы не вызывать

большой деформации металла в зоне стыка и этим предупредить сваривание

деталей. После выключения тока подогрева детали разводят и с перерывом

≤0,5 с начинают их новое сближение, выполняя при этом процессы оплавления

и осадки.

Температура подогрева зависит от материала и составляет для углероди-

стых сталей 800...900 °С, а для

труднодеформируемых аустенитных сталей

950...1050 °С.

Подогрев снижает плотность тока последующего оплавления, что позво-

ляет сваривать детали с большей площадью поперечного сечения, расширяет

зону нагрева, снижая этим давление осадки, замедляет кристаллизацию жидко-

го металла на торцах, что дает возможность снизить скорость осадки, снижает