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

Подождите немного. Документ загружается.

припуск на оплавление в 1,5...3 раза, а вместе с этим - потери металла и энер-

гии.

Подогрев благоприятно сказывается на сварке закаливающихся сталей,

снижая скорость их охлаждения и степень закалки, что повышает пластичность

сварного соединения.

Одновременно с достоинствами при сварке с подогревом имеют место

следующие недостатки: трудность ведения процесса оплавления при понижен-

ной

плотности тока из-за сужения области устойчивого оплавления и неравно-

мерность температуры подогрева при повышенных сечениях деталей, как при

сварке сопротивлением.

Программное регулирование вторичного напряжения источника сва-

рочного тока

и скорости оплавления v

опл

позволяет в ходе процесса оплав-

ления интенсифицировать нагрев деталей за счет увеличения длительности су-

ществования контактов (жидких перемычек) в зазоре между торцами деталей

до их разрушения. С возрастанием длительности существования контактов уве-

личивается количество теплоты, отводимой от них в глубь металла деталей, и

снижаются потери теплоты, связанные с выбросом расплавленного

металла

контактов при их разрушении.

Длительность существования контактов повышается с уменьшением ско-

рости оплавления. При сварке сталей наиболее эффективная интенсификация

нагрева достигается при скорости оплавления

опл

= 0,2...0,25 мм/с.

В начале оплавления, когда металл достаточно холодный, даже при низ-

кой скорости оплавления требуется повышенное напряжение источника сва-

рочного тока

(рис. 3.15). После прогрева металла напряжение U

снижают,

чтобы сохранить низкую скорость оплавления.

Снижение вторичного напряжения

увязывается с критическим значе-

нием напряжения на контакте

к.кр

, ниже которого твердый контакт не расплав-

ляется. Значения критических напряжений

к.кр

зависят от теплофизических ха-

рактеристик и температуры нагрева металла. Для стальных контактов при тем-

пературе металла 20 °С напряжение

к.кр

= 1,15 В, а при температуре 1200 °С

оно равно 0,65 В.

Оптимальное увеличение теплоты, передаваемой в глубь металла, при со-

хранении устойчивого оплавления достигается в случае снижения напряжения

до (l,5...2,5)U

к.кp

. Однако при этом требуется быстродействующая аппарату-

ра для регулирования напряжения и скорости перемещения подвижной плиты

контактной машины.

Оплавление на пониженной скорости проводится до оптимального нагре-

ва металла. Перед осадкой скорость оплавления, следовательно, и плотность

тока оплавления необходимо повысить, чтобы обновить окисленный из-за ма-

ло-интенсивного предыдущего оплавления слой жидкого

металла на торцах де-

талей, что осуществляется повышением вторичного напряжения

. Управля-

ют напряжением путём фазового регулирования источника тока.

Программное регулирование вторичного напряжения и скорости оплав-

ления позволяет сваривать детали сечением >10 000 мм

. При этом в несколько

раз снижаются припуск на оплавление, время оплавления и потребляемая мощ-

ность.

Недостатками данного способа являются недоиспользование мощности

источника сварочного тока в интервале времени оплавления с пониженным

вторичным напряжением и зависимость программного регулирования на-

пряжения и скорости оплавления от поперечного сечения деталей и полного

сопротивления вторичного контура контактной машины.

Рис. 3.15. Программа изменения напряжения

(1), скорости оплавления v

опл

(2) и плотности тока

опл

(3)

Импульсное оплавление интенсифицирует нагрев деталей за счет изме-

нения характера разрушения контактов между торцами деталей в процессе оп-

лавления.

Естественное взрывообразное разрушение контактов от перегрева и дей-

ствия электродинамических сил, характеризующееся большими потерями на-

гретого металла и теплоты, заменяется в основном на их принудительное раз-

рушение преимущественно в твердом состоянии

до расплавления. Это сокра-

щает потери теплоты и позволяет полнее использовать теплоту, накопленную в

металле нагретых контактов, для прогрева металла деталей вглубь.

Принудительное разрушение контактов выполняется механическим пу-

тем. Для этого на поступательное перемещение

пост

подвижной детали, пере-

мещающейся со скоростью подвижной плиты

п.п

, налагается колебательное

движение с амплитудой

А и частотой f (рис. 3.16, в).

Колебательное движение подвижной плиты

периодически меняет ве-

личину зазора между торцами деталей. На стадии минимального зазора

(рис. 3.16, а) в твердых и жидких контактах аккумулируется теплота, выделяю-

щаяся при протекании через них тока. При разведении деталей (рис. 3.16, б)

контакты разрушаются с минимальным выбросом нагретого металла. Остав-

шийся почти весь нагретый металл контактов передает свою теплоту

в глубь

деталей, ускоряя этим их нагрев.

Эффективное механическое разрушение контактов происходит при ско-

рости разведения деталей >50 мм/с. При этом твердый контакт не успевает вы-

плавиться.

Для интенсификации нагрева используют частоты f= 10...100 Гц при ам-

плитудах колебания

А = 0,1...0,8 мм.

При импульсном оплавлении в 3...4 раза снижается время оплавления, не-

обходимое для нужного нагрева деталей, в 2...2,5 раза сокращается расход элек-

троэнергии, в 3...4 раза уменьшается припуск на оплавление. На всей стадии

оплавления используется полная мощность источника сварочного тока.

Импульсное оплавление позволяет сваривать детали сечением

1000...100000 мм

. Недостатками данного способа являются сложность и высо-

кая стоимость оборудования.

Рис. 3.16. Схема импульсного оплавления при стыковой сварке:

а – стадия минимального зазора между деталями; б – стадия максимального за-

зора и механического разрушения контактов; в – характер перемещения под-

вижной плиты;

А и f – амплитуда и частота колебания подвижной плиты; j

опл

–

плотность тока оплавления;

Т, °С — температурное поле, обусловленное пере-

дачей теплоты от контактов

3.4. Выбор режимов контактной сварки сопротивлением

К параметрам режима контактной стыковой сварки сопротивлением от-

носят:

- установочная длина деталей

, мм;

- длительность нагрева

св

, сек;

- усилие сжатия (давление сжатия)

сж

), Н (МПа);

- плотность тока

св

, А/мм

При выборе установочной длины деталей

учитывают два фактора:

устойчивость деталей при осадке и теплоотвод в губки. При чрезмерной уста-

новочной длине происходит искривление нагретых деталей при осадке, кроме

того, становится необходимым увеличение полной мощности контактной ма-

шины. При малой установочной длине наблюдается интенсивное охлаждение

деталей за счёт теплоотвода в губки. При сварке круглых деталей диаметром

принимают

) = (0,6…1,0)d. При сварке стальных деталей компактных сече-

ний минимальную установочную длину деталей принимают в зависимости от

сечения деталей

S, мм

25 50 100 250

, мм 3+3 4+4 5+5 6+6

Длительность нагрева и плотность тока при стыковой сварке сопротивле-

нием связаны между собой соотношением:

10⋅≈ ktj

свсв

, (3.7)

где

св

- плотность тока, А/мм

;

св

- время сварки, сек;

k - коэффициент, равный 10 для стали приведённым диаметром до

10 мм, 8 – для стали диаметром более 10 мм, 20 – для алюминия, 27 – для меди.

На практике рекомендуется следующее соотношение

св

и t

св

в зависимо-

сти от сечения свариваемых деталей из низкоуглеродистой стали:

S, мм

св

, А/мм

св

, сек

25 200 0,6

50 160 0,8

100 140 1,0

250 90 1,5

Усилие сжатия деталей F

сж

при стыковой сварке сопротивлением может

быть постоянным за весь сварочный цикл или изменяться по определённой

программе. При постоянном усилии сжатия, сварочное давление

сж

принима-

ют 20…40 МПа для стали, 15…20 МПа для меди, 10…15 МПа для алюминия.

При переменном усилии сжатия начальное давление (давление нагрева) прини-

мают равным 5…15 МПа для стали, 5…10 МПа – для меди и лёгких сплавов.

3.5. Выбор режимов контактной сварки оплавлением

К параметрам режима контактной стыковой сварки оплавлением относят:

- установочная длина деталей

, мм;

- припуски на оплавление и осадку

опл

ос

, мм;

- скорость оплавления

опл

и v

ос

, мм/с;

- токи оплавления и осадки

опл

и I

ос

, А;

- длительность осадки под током

ос.т

, с;

- усилие осадки (давление осадки)

ос

), Н (МПа);

- усилие зажатия (давление зажатия)

заж

заж)

, Н (МПа).

Установочная длина у прутков и труб примерно равна (0,7…1,0)

d, а у

полос (4…5)

, где d – приведённый диаметр деталей,

- толщина листа.

Припуски на оплавление и осадку (

опл

ос

) должны быть достаточны

для равномерного разогрева деталей и создания на их торцах слоя расплава,

выбираются экспериментально или из таблиц и номограмм. Обычно

опл

со-

ставляет 0,7…0,8 от общего припуска

, а

ос

=0,3…0,2(l

). Припуск на

осадку под током составляет 0,5…1,0

ос

При сварке стальных деталей небольшого сечения скорость оплавления

опл

плавно возрастает от начального значения 0,1…0,5 мм/с до значения перед

осадкой 6…8 мм/с. При этом закон изменения перемещения подвижной плиты

машины будет

tkS =

(где k

=0,5…1,5) для низкоуглеродистых и низколегиро-

ванных сталей, или

2/5

tkS =

(где k

=2,5…3) для нержавеющих сталей.

Ориентировочные плотности тока оплавления и осадки определяются:

опл

, А/мм

среднее максимальное

ос

, А/мм

Сталь:

- низкоуглеродистая

- высоколегированная

5…15

10…20

20…30

25…35

40…60

35…50

Сплавы:

- алюминиевые

- медные

- титановые

15…25

20…30

4…10

40…60

50…80

15…25

70…150

100…200

20…40

Усилие осадки F

ос

вычисляется как произведение давления осадки p

ос

на

площадь сечения деталей

S. Ориентировочные значения давления осадки выби-

рают:

Металл Давление осадки, МПа

Сталь:

- низкоуглеродистая

- среднеуглеродистая

- высокоуглеродистая

- низколегированная

- аустенитная

Медь

Алюминий

Титан

60…80

80…100

100…120

100…110

150…250

250…300

120…150

30…60

Усилие зажатия F

заж

зависит от усилия осадки F

ос

, материала деталей и

электродов. Его устанавливают по коэффициенту трения между деталями и губ-

ками f

и f

или коэффициенту зажатия k

заж

ос

заж

;

ос

заж

k =

(3.8)

Коэффициенты зависят от состояния поверхности и материала электро-

дов. Ориентировочно

заж

равен 1,5…2 (для труб и прутков из углеродистой

стали и 2,2…3 (из хромоникелевой стали), 2,3…3,2 для нетравлённого и

2,7…3,5 для травлённого проката листового проката. При сварке полос из алю-

миния и его сплавов

заж

=2,7.

3.6. Шунтирование тока при стыковой сварке

Наибольшим образом шунтирование тока при стыковой сварке сказыва-

ется при выполнении замкнутого контура. Для борьбы с токами шунтирования

при стыковой сварке используют два способа. Первый – для кольцевых деталей

малого диаметра, но больших сечений (например, звенья цепи). Для них проек-

тируют одновременно стыковую сварку двух

стыков из двух полуколец.

Второй способ пригоден для кольцевых изделий большого диаметра

(бочки, колёса, бандажи). В этих случаях токи шунтирования можно свести до

ничтожно малого значения, посредством разъёмных дросселей. Если разъём-

ный железный сердечник надет на кольца, то он становится одновитковым

дросселем, через который идёт ток шунтирования

. Коэффициент самоиндук-

ции такого дросселя определяется так:

жж

l/SL

πμ

, (3.9)

где

– площадь сечения активного железа сердечника (рис. 3.17);

– длина средней магнитной линии по сердечнику;

μ - магнитная проницаемость материала сердечника.

Если принять, что максимальная индукция, допустимая в сердечнике,

B=1,8⋅10

Тл, то, поскольку B=

H (

- магнитная проницаемость) и H=I/u, по-

лучаем:

I/u,

1081

⋅

, (3.10)

где

u – периметр сечения проводника, который можно принять равным l

Индуктивное сопротивление одновиткового дросселя:

108142

жш

др

uS,f

⋅×

ππ

. (3.11)

Для нормальной частоты

f=50 Гц имеем

др

1072

−

, (3.12)

где

– в м

;

др

– в Ом;

– в А.

Если напряжение на свариваемом контакте

оп

, то:

ждршоп

SxIU

1072

−

⋅

. (3.13)

Откуда

≈

14U

оп

, в этой расчётной формуле S

– в см

; U

оп

– в В.

Практически оказывается, что для ликвидации тока шунтирования во

внешнюю часть кольца, сечения железных сердечников дросселей получаются

относительно небольшими. Даже для больших мощностей при оплавлении

(

оп

=10 В) необходимы сердечники сечением приблизительно 12х12 см

Рис. 3.17. Схема расположения дросселя для устранения токов шунтирования

при сварке колец

3.7. Свойства соединений, сваренных стыковой сваркой. Дефекты

стыковых соединений и причины их образования

При оптимальных режимах соединения, выполненные сваркой оплавле-

нием, по прочности и пластичности близки к основному металлу. При сварке

сопротивлением в большинстве случаев не удаётся добиться

полного удаления

оксидов из стыка, поэтому оценочные показатели таких соединений (особенно

по пластичности) ниже, чем у основного металла.

Различные возмущающие воздействия могут вызвать отклонение условий

формирования соединений от оптимальных и появление дефектов, ухудшаю-

щих заданные свойства соединений. Дефекты стыковой сварки можно условно

разделить на три группы: дефекты геометрической формы, дефекты

сплошно-

сти и дефекты структуры.

Дефекты геометрической формы проявляются в основном в смещении

торцов свариваемых деталей в момент осадки и искривлении самих деталей.

Это обуславливается неправильной установкой деталей в губках или их недос-

таточно жёстким креплением, слабым зажатием. Искривление деталей проис-

ходит так же вследствие чрезмерно большой их установочной длины.

дефектам сплошности относят непровары, рыхлоты, расслоения и тре-

щины.

Непровар – полное или частичное отсутствие металлической связи из-за

оставшейся невыдавленной из стыка оксидной пленки (обычно ≥200 мкм), а

также из-за отсутствия образования общих пограничных зерен металла, не-

смотря на удаление оксидов. Непровар снижает пластичность и прочность со-

единения. Причинами возникновения непроваров могут являться отклонение от

требуемого графика тока, выключение тока до начала осадки, малая осадка под

током. Недостаточный припуск на оплавление, чрезмерная скорость оплавле-

ния или малая скорость осадки.

Большое влияние на пластичность соединений оказывает характер оксид-

ных включений. В изломах дефектных соединений из низкоуглеродистой стали

оксидные включения

имеют скругленные границы и почти не имеют раз-

рывов. Это связано со способностью оксидов железа, отличающихся сравни-

тельно небольшой температурой плавления, растекаться в плоскости стыка при

осадке. При испытании на изгиб соединений с такими оксидными включениями

наблюдается резкое снижение угла изгиба.

Вероятность образования непровара возрастает при сварке легированных

сталей

и сплавов, содержащих элементы, образующие тугоплавкие оксиды, ко-

торые в момент осадки находятся в твердом состоянии и по тем или другим

причинам остались в соединении.

Рыхлоты обычно образуются в глубоких кратерах, в местах, заполнен-

ных расплавленным металлом. Кристаллизация этого металла сопровождается

появлением усадочных дефектов — раковин в форме линз. При недостаточной

осадке

раковины могут также возникать и в околостыковой зоне на участке

твердожидкого состояния металла.

Расслоения и трещины (обычно продольные горячие) возникают также

при чрезмерной осадке при сварке металлов с выраженной строчечной структу-

рой, в которой прослойки между волокнами имеют относительно низкую тем-

пературу плавления.

К дефектам структуры относятся образование светлой полоски

в стыке

при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей, пережог металла,

крупное зерно, снижение содержания легирующих элементов в стыке и т. п.

Светлая полоска, образующаяся в центре стыка при сварке низкоуглеро-

дистых сталей, является следствием выгорания углерода на стадии нагрева, что

приводит к образованию в указанной зоне однородного феррита, имеющего

низкую травимость

. Светлая полоска снижает однородность механических

свойств сварного соединения, но не относится к недопустимым дефектам. Дли-

тельная термическая обработка позволяет устранить неравномерное распреде-

ление углерода и светлую полоску.

Пережогом металла является окисление границ зерен при нагреве, близ-

ком к температуре солидуса. Пережог снижает прочность соединения и отно-

сится к недопустимым и

неустранимым дефектам.

Перегрев металла в стыке доэвтектоидной стали при охлаждении обра-

зует видманштеттовую структуру, которая характеризуется тем, что избыток

феррита выделяется в остывающей стали не в виде сетки по границам зерен ау-

стенита, а внутри их параллельными пластинками. Данная структура имеет

грубое строение, что снижает пластичность сварного соединения. Устраняется

видманштеттова структура

нормализацией или отжигом.

В зависимости от природы свариваемого металла ухудшение свойств

сварного соединения может произойти также в результате неблагоприятных

структурных изменений в околошовной зоне под воздействием термомеханиче-

ского цикла сварки.

Контроль дефектов выполняется неразрушающими и разрушающими ме-

тодами. Внешним осмотром можно выявить поверхностные трещины и места

возможных непроваров, где отсутствует грат.

Из неразрушающих методов используют рентгеновский и ультразвуковой

контроль, а так же магнитные методы для магнитных материалов.

Рентгеновский (радиационный) контроль

выявляет непровары, рыхлоты,

трещины, поры. Плоские дефекты (трещины, расслоения и т.д.) обнаруживают-

ся при условии, если их плоскость отклоняется от направления луча не более

чем на 12 º.

Ультразвуковой контроль также позволяет определить трещины, ракови-

ны, непровары в виде оксидных пленок и несплошностей. К общим трудностям

ультразвукового контроля относится появление помех

от крупнозернистой

структуры металла, а к частным при стыковой сварке - необходимость удаления

грата и ввод колебаний в изделие с круглой формой поперечного сечения.

Неразрушающие методы контроля дают возможность определить засо-

ренность сварного соединения дефектами.

Методы разрушающего контроля позволяют определить количественные

характеристики показателей качества (прочность, пластичность, твердость) пу-

тем механических испытаний сварных

образцов или выборочного испытания

сварных соединений штатных изделий. При испытаниях образцов или изделий

выявляются дефекты в местах разрушения.

Определение механических свойств сварных соединений выполняют по

ГОСТ 6996-66. По данному стандарту для соединения стыковой сварки преду-

смотрены следующие виды механических испытаний: ударный изгиб, из-

мерение твердости, статическое растяжение сварного соединения для опреде-

ления наиболее слабого участка, испытание только зоны стыка на статическое

растяжение, испытание на статический изгиб.

Допустимость или недопустимость данного дефекта структуры определя-

ется уровнем требований к качеству сварного соединения.

Контрольные вопросы к главе 3

1. Определение стыковой сварки, её разновидности и основные циклограммы.

2. Какие существуют сопротивления при стыковой сварке сопротивлением и

как они влияют на распределение тепла при сварке, как они изменяются в про-

цессе сварки?

3. Что такое стыковая сварка методом оплавления? Как получаются её осцилло-

граммы?

4. Как параметры стыковой

сварки оплавлением влияют на распределение теп-

ла и формирование соединения в процессе сварки?

5. По какому закону перемещается подвижная плита при стыковой сварке оп-

лавлением?

6. Как выбирается способ стыковой сварки, и какие существуют пути интенси-

фикации нагрева при оплавлении?

7. Как происходит выбор режимов при сварке сопротивлением и оплавлением?

8. Как

возникает шунтирование при стыковой сварке, как с ним бороться?

9. Какие существуют основные дефекты контактной стыковой сварки плавле-

нием и давлением? Из-за чего они возникают?