Стыковая сварка – способ контактной сварки, когда детали соединяются в процессе совместной пластической деформации нагретых электрическим током торцов деталей при осадке по всей площади сечения. Детали 1 (рис.1) устанавливают в токоподводящих зажимах 2 и 3, один из которых, например, зажим 3 подвижный и соединен с приводом усилия сжатия машины. Сварка состоит из двух этапов – нагрева торцов деталей и их осадки.
Нагрев деталей при стыковой сварке происходит благодаря тому, что через них проходит электрический ток Iсв и на общем электрическом сопротивлении деталей R выделяется тепло Q (закон Джоуля – Ленца):
Q = Iсв2R/t , (1)
где: t – время сварки.
Общее сопротивление деталей определяется выражением:
R = 2Rд+Rк, (2)
где: Rд – сопротивление деталей (вылетов деталей из электродов машины);
Rk - контактное сопротивление между деталями (при сварке оплавлением Rk – электрическое сопротивление искрового зазора).
Сопротивление деталей 2Rд зависит от удельного электрического сопротивления металла ρ, длины их вылетов из электродов машины (установочной длины под сварку) Lсв и площади поперечного сечения деталей S:
2Rд = Kп ρLсв/S , (3)
где: Кп – коэффициент поверхностного эффекта (заметно растет до температуры ферромагнитного превращения).
При сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают с заданной скоростью. При соприкосновении деталей в образующихся отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Часть выделившегося при этом тепла безвозвратно теряется в атмосфере с брызгами металла, другая часть благодаря теплопроводности накапливается в стыке. Накопление тепла в процессе непрерывного образования и разрушения контактов – перемычек обеспечивает нагрев торцов деталей. К концу процесса нагрева на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивается скорость сближения деталей. Торцы соединяются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение - грат. Сварочный ток выключается во время осадки деталей. Основная технологическая роль оплавления заключается в нагреве деталей до образования на торцах слоя расплавленного металла и в получении соответствующего распределения температур в околошовной зоне для проведения последующей осадки и удаления расплава и оксидов.
Механизм нагрева при оплавлении можно представить следующим образом. При сближении деталей при включенном напряжении между твердыми или жидкими локальными участками поверхности торцов образуются электрические контакты. Нагрев контактов происходит током большой плотности, который вызывает их быстрое плавление и образование перемычек из жидкого металла (рис.2). Перемычки мгновенно разрушатся (длительность существования перемычек не превышает 0,001...0,005 с). Поскольку детали сближаются, то взамен разрушающихся перемычек возникают новые. При этом процесс образования и разрушения перемычек происходит по всей площади поперечного сечения стыка, что обеспечивает его равномерный нагрев. Таким образом, нагрев оплавлением заключается в непрерывном образовании и разрушении электрических контактов (перемычек) в процессе сближения свариваемых торцов на величину припуска на нагрев оплавлением. Форма и размеры перемычек определяются действием двух основных противоположно направленных сил (рис.2,а): сил от поверхностного натяжения σ, стремящихся при сближении деталей уменьшить зазор Δз, увеличить диаметр перемычки dп, и электромагнитных сил Fс (пропорциональных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать и разорвать перемычку. Сжатие перемычки вызывает увеличение в ней плотности тока и скорости нагрева. При достаточно большой плотности тока (около 3000 А/мм2 при оплавлении низкоуглеродистой стали) металл в центре перемычки переходит в парообразное состояние и происходит ее взрывообразное разрушение под действием сил Fп, [1, 2]. Давление паров в момент взрыва достигает 10…12 МПа, а температура 6000…8000 оС. Расплавленный металл выбрасывается из зазора в виде искр со скоростями, превышающими 60 м/с и ведет к укорочению деталей. Между одновременно существующими перемычками, как между проводниками с током одного направления, действуют электромагнитные силы Fв (рис.2,б), стремящиеся их сблизить и объединить. Однако из-за быстрого разрушения перемычек этот процесс обычно не успевает завершиться. Силы Fк, вызванные взаимодействием тока в перемычках с магнитным полем сварочной машины, способствуют их перемещению в искровом промежутке и выталкиванию из сварочного контура.
Количество и размер перемычек определяют величину сопротивления искрового зазора Rк, которая уменьшается с увеличением числа одновременно существующих перемычек и их сечением. Среднее значение Rк при сварке сталей оплавлением составляет 100…1500 мкОм. Сопротивление деталей в начальной стадии оплавления значительно меньше Rк и сравнительно мало влияет на нагрев деталей. К концу оплавления скорость сближения возрастает и благодаря увеличению при этом количества и размера перемычек сопротивление искрового зазора уменьшается, а сопротивление деталей 2Rд в результате нагрева несколько возрастает. Суммарное сопротивление к концу оплавления снижается благодаря большому количеству контактов и равномерному их распределению по сечению. Таким образом, при сварке оплавлением нагрев деталей происходит, в основном, за счет теплоты, выделяющейся на сопротивлении искрового зазора Rк. Доля теплоты, выделяемой в собственном сопротивлении деталей 2Rд вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитывается в тепловых расчетах.
Следует отметить еще один источник теплоты (кроме перемычек), который присутствует при оплавлении. Это дуговые разряды. В некоторых случаях при высоких значениях вторичного напряжения сварочного трансформатора, малой длительности существования перемычек, небольшой работы выхода электронов свариваемого металла и большой индуктивности контура машины они становятся дополнительным источником теплоты. Дуговые разряды возникают в периоды полного размыкания торцов благодаря тому, что запасенная в магнитном поле сварочного трансформатора энергия вызывает перенапряжение, пробой зазора и возбуждение дуги. Так при сварке деталей из алюминиевых сплавов до 50% тепловой энергии при оплавлении приходится на долю дуговых разрядов. При сварке высокоуглеродистых сталей доля тепловой энергии дуговых разрядов может составлять 3...8%.
В начале процесса оплавления распределение температуры на оплавленных торцах неравномерно, причем степень неравномерности по мере нагрева уменьшается (рис.3). Хотя расплавленные участки появляются уже в начале оплавления, средняя температура на торцах растет постепенно до тех пор, пока их поверхности не покроются более или менее равномерным слоем расплавленного металла. Это обеспечивается при установившемся процессе оплавления, когда перемычки последовательно и многократно с большой частотой возникают и разрушаются по всей площади торцов деталей (рис.3,б). С увеличением времени существования перемычек градиент температуры нагрева деталей снижается, и наоборот. Перемычки в стадии их формирования до момента разрушения служат источниками нагрева металла околошовной зоны за счет теплопередачи от них тепла в тело деталей. При разрушении перемычек выброс нагретого металла за пределы искрового промежутка рассматривается как потеря накопленной тепловой энергии. Разрушение перемычек сопровождается образованием на торцах углублений – кратеров. С увеличением размера перемычек соответственно увеличиваются размеры кратеров, рельеф поверхности торцов ухудшается.
Для процесса оплавления характерны высокие локальные плотности тока в перемычках и малая средняя плотность тока (значительно ниже, чем при сварке сопротивлением).
Следует отметить, что при сварке оплавлением требования к качеству реза торцов лент ножницами значительно ниже, поскольку оплавление обеспечивает равномерный нагрев даже при большой косине реза. Механические свойства сварных соединений ленточных пил, полученные контактной стыковой сваркой оплавлением, значительно превосходят свойства соединений, выполненных сваркой сопротивлением.
Условия разрушения и удаления оксидов при стыковой сварке зависят от нагрева торцов – от температуры и ее градиента в зоне соединения. При сварке оплавлением удаление окислов облегчено. Оно происходит вместе с частицами расплавленного металла, выбрасываемого из стыка в грат. При осадке оксиды вытесняются из стыка вместе с жидким и твердым металлом. Оксиды находятся на жидкой подложке и их твердость не оказывает существенного влияния на процесс удаления. Кроме того избыточное давление паров металла, возникающее при оплавлении, защищает расплавленный металл от окисления, затрудняя проникновение воздуха в искровой зазор.
Скорость оплавления Vопл является одним из главных параметров режима стыковой сварки и оказывает решающее влияние на температурное поле, равномерность распределения температуры в стыке, рельеф поверхности торцов, степень окисления металла торцов и в конечном итоге на качество сварного соединения. При оплавлении деталей до одного и того же значения увеличение средней скорости оплавления приводит к сужению зоны нагрева, увеличению градиента температуры, уменьшению времени существования перемычек и более равномерному нагреву торцов вследствие их более интенсивного оплавления. В тоже время повышение скорости приводит к увеличению размера перемычек и кратеров (к ухудшению рельефа поверхности). При снижении скорости оплавления увеличивается длительность существования перемычек и глубина прогрева деталей, градиент температуры снижается, размеры перемычек уменьшаются и рельеф улучшается. Однако нагрев торцов становится менее равномерным. Для конкретных деталей, металлов и условий сварки существует некоторая оптимальная средняя скорость оплавления, которая обеспечивает наилучшие показатели качества соединений. Так, например, чем больше активность металла к образованию оксидов и взаимодействию с атмосферными газами, тем больше должна быть скорость оплавления. Существует некоторая постоянная скорость оплавления, зависящая от теплофизических свойств свариваемых металлов и условий оплавления, при которой достаточно оплавить каждую деталь на некоторую величину, чтобы приблизиться к квазистационарному состоянию. При этом состоянии дальнейшее оплавление практически не изменяет температурное поле и приводит лишь к неоправданному укорочению деталей.
Устойчивость процесса оплавления. Для устойчивого равномерного процесса оплавления мгновенная скорость сближения деталей Vсбл должна соответствовать мгновенной скорости оплавления Vопл (скорости фактического укорочения). При Vсбл » Vопл искровой зазор уменьшится, а диаметр перемычек увеличится на столько, что их разрушение станет невозможным, произойдет короткое замыкание деталей и оплавление прекратится. При Vсбл « Vопл образование и разрушение перемычек сопровождается увеличением искрового зазора и перерывами в процессе оплавления, что приводит к окислению металла. Мгновенная скорость оплавления зависит от того, с какой скоростью металл на торцах деталей может быть расплавлен и частично нагрет до температуры кипения. Это определяется тепловой мощностью, развиваемой в искровом зазоре при оплавлении. Мгновенная скорость оплавления растет с увеличением тепловой и полезной электрической мощности, с уменьшением градиента температуры и с повышением температуры торцов. В начале процесса, когда детали холодные оплавление идет медленно. По мере подогрева торцов Vопл растет. Для поддержания непрерывного процесса оплавления при неизменной мощности скорость сближения деталей должна соответствовать скорости оплавления. Прогрев деталей увеличивает требуемую скорость их сближения при данной мощности. Для того чтобы начать оплавление холодных деталей и устойчиво его поддерживать, сближение оплавляемых деталей должно идти с заданной скоростью по заданной программе. Для этого часто применяют параболический закон сближения деталей. Вместо жестких программ скорость сближения деталей связывают с параметрами, оказывающими влияние на устойчивость оплавления, например, такими как напряжение и ток сварки, частота пульсаций тока при разрушении перемычки, температура торцов деталей и др.
На устойчивость оплавления оказывают влияние: запас полезной электрической мощности машины, эффект саморегулирования, предварительный подогрев деталей перед оплавлением, геометрия соединения, локальная интенсивность процесса, род тока и др. Саморегулирование – основное условие устойчивого оплавления. Оно возможно в том случае, если снижение сопротивления искрового зазора Rк компенсируется быстрым нарастанием тока сварки и повышением полезной электрической мощности машины, [3]. Для устойчивого оплавления необходим 3…5 - кратный запас устойчивости, который представляет собой отношение тока короткого замыкания к среднему току при оплавлении. На практике для обеспечения устойчивого оплавления применяют сварочные машины с 3…5 - кратным запасом мощности. При большой мощности машин даже кратковременный срыв оплавления с переходом на нагрев сопротивлением (кратковременное короткое замыкание) приводит к резкому увеличению тока. Это обусловливается тем, что напряжения, необходимые для устойчивого оплавления, приблизительно в 1,5 раза выше, чем напряжения, необходимые для нагрева сопротивлением. Переход на нагрев сопротивлением при большом вторичном напряжении и большой мощности машин приводит к резкому увеличению тока и к перегреву металла в зоне соединения. Поэтому разработка новых сварочных машин с меньшим запасом электрической мощности, обеспечивающих высокое и стабильное качество соединений, весьма актуальна.
Процесс оплавления должен иметь не только общую, но и локальную устойчивость или локальную интенсивность, которая характеризуется частотой образования и разрушения перемычек в отдельных точках поверхности торцов. Нарушения локальной интенсивности способствуют возникновению окислительных процессов, непроваров и других дефектов. Высокая локальная интенсивность особенно необходима в конце оплавления.
Следует отметить, что процесс оплавления целесообразно вести при минимально возможном вторичном напряжении, однако достаточном для устойчивого оплавления. При этом время пребывания перемычек в искровом зазоре, доля теплоты, идущей непосредственно на нагрев деталей, глубина прогрева деталей увеличиваются, больше расплавленного металла остается на торцах. В этом случае термический коэффициент полезного действия процесса оплавления максимален.
При контактной стыковой сварке оплавлением усилие осадки не зависит от скорости оплавления и может регулироваться в широких пределах. Поэтому возможно разработать технологию сварки ленточных пил с высокой скоростью закрытия искрового зазора и высокой скоростью осадки. Это позволит повысить качество получаемых соединений, поскольку ускоренное закрытие искрового зазора при осадке снижает вероятность окисления расплавленного металла, а большая скорость деформации зоны соединения обеспечит получение мелкозернистой структуры металла шва.
Скорость осадки растет с увеличением усилия осадки и уменьшением массы подвижного зажима. Однако существенно увеличить скорость осадки при сварке на существующем оборудовании затруднительно, так как большие усилия осадки приводят к потере устойчивости торцов лент, а масса подвижного зажима определена конструкцией машины и не может быть изменена. Особенно мала скорость осадки при сварке сечений, которые являются минимальными для сварочной машины. Это обусловлено необходимостью применения малых усилий осадки, при которых сохраняется устойчивость торцов деталей в процессе деформации. Кроме этого повышение скорости крайне желательно при сварке сложно свариваемых сталей и сплавов. К таким сталям относятся пружинные и быстрорежущие стали, из которых изготовлены биметаллические пилы, а, как известно, получить стабильное качество сварки биметаллической пилы на существующих машинах задача трудновыполнимая. Поэтому актуальна разработка новых машин, которые смогут обеспечить повышенную скорость осадки и улучшить качество получаемых соединений.
Параметры режима контактной стыковой сварки оплавлением зависят от сечения свариваемых деталей, теплопроводности и температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая задается также с учетом активности металла к окислительным процессам и испарения легирующих элементов. Усилие и скорость осадки также зависят от теплопроводности металла и его активности к окислению. Режимы сварки определяют следующие параметры:
- установочная длина деталей l1 + l2 (вылеты деталей из электродов машины); - припуск на оплавление Δопл (суммарное уменьшение установочной длины деталей при оплавлении);
- осадка под током Δос.ток;
- осадка Δос (включает в себя осадку под током и без тока);
- скорость оплавления Vопл;
- усилие осадки Fос;
- плотность тока оплавления jопл;
- длительность оплавления tсв;
- скорость и длительность осадки Vос и tос
Последние два параметра (Vос и tос) зависят от конструкции сварочной машины (массы подвижных частей, инерционности привода осадки и др.).
Установочная длина деталей под сварку Lсв определяется из выражения:
Lсв = l1 + l2 = (0,7…1,2)d, (4)
где: d – толщина ленты, либо диаметр стержня.
При выборе установочной длины учитывают, что при малой ее величине происходит большой отвод теплоты в электроды машины, зона нагрева сужается. При увеличении Lсв растет требуемая электрическая мощность и ухудшается устойчивость деталей при осадке. Припуск на оплавление Δопл выбирают из условия получения равномерного нагрева деталей по сечению, величину осадки под током Δос.ток - с учетом получения необходимой величины деформации, скорость оплавления Vопл выбирают из условия получения определенного распределения температуры. Усилие осадки Fос определяют из условия получения необходимой величины осадки Δос при обеспечении устойчивости деталей в процессе деформации. Плотность тока при оплавлении jопл должна обеспечивать устойчивый процесс оплавления, при этом вторичное напряжение сварочного трансформатора выбирают минимальным также из условия получения устойчивого оплавления.
Дефекты соединений и причины их образования. Сварные соединения, выполненные сваркой оплавлением на оптимальных режимах, по прочности и пластичности близки по свойствам к основному металлу. При сварке сопротивлением в большинстве случаев не удается добиться полного удаления оксидов из стыка. Поэтому оценочные показатели таких соединений (особенно по пластичности) ниже, чем у основного металла.
Различные возмущающие действия, которые могут накладываться на процесс сварки, вызывают появление дефектов, ухудшающих механические свойства сварных соединений. Основными дефектами являются непровары, рыхлоты, искривления волокон, расслоения и трещины, а также дефекты структуры металла шва. Непровары возникают вследствие неполного удаления из стыка оксидов. Образование рыхлот связано с усадочными дефектами в кратерах, заполненных жидким металлом. Искривления волокон в области стыка, расслоения и трещины обычно наблюдаются при чрезмерной осадке металлов с ярко выраженной текстурой. К дефектам структуры соединений относятся крупное зерно, загрязнение стыка неметаллическими включениями, снижение содержания легирующих элементов в зоне сварки и др. Крупное зерно образуется вследствие перегрева металла. Загрязнение связано с окислением при сварке, а также иногда с наличием большого количества таких включений в основном металле. Обеднение шва легирующими элементами происходит вследствие диффузионных процессов, а также из-за выгорания, испарения и выдавливания металла, находящегося в жидком и твердом состоянии. Примером такого дефекта может служить образующийся в стыке при сварке углеродистых сталей обезуглероженный слой с пониженной твердостью.
Контроль качества сварных соединений заключается в качественной или количественной оценке основных признаков, характеризующих их работоспособность. Контроль соединений лент, пил, прутков и проволок, выполненных контактной стыковой сваркой, проводится как с разрушением соединения, так и без разрушения. Внешний осмотр – самый простой и распространенный способ контроля без разрушения, при котором сварное соединение сравнивается с эталоном. Другие методы неразрушающего контроля – радиационный, электромагнитный и ультразвуковой редко применяются при сварке рассматриваемых сечений. Контроль с разрушением проводят путем испытания технологических образцов, а при необходимости и выборочных партий сваренных изделий. Практически этот способ контроля дает консультативную информацию (информацию по аналогии), так как качество неразрушенных соединений в изделиях остается неизвестным. В то же время простота и наглядность результатов обусловили широкое применения разрушающего контроля. По результатам испытания технологических образцов производят подбор режимов сварки и проверку стабильности работы сварочного оборудования. Образец разрушают по зоне соединения и проводят анализ излома (визуально с просмотром через лупу, с проведением микрофрактографических исследований), сравнивая его с эталонным изломом. Кроме этого образцы подвергают испытаниям на статический изгиб, ударный разрыв, на количество перегибов на 180 градусов и др. На наш взгляд для рассматриваемых сечений наиболее рационально и информативно применять испытания на количество перегибов. Такие испытания позволяют оценивать как прочностные, так и пластические свойства сварных соединений. Их необходимо проводить перед началом работы ежедневно и каждый раз после переналадки машины на другой режим сварки.
Нагрев деталей при стыковой сварке происходит благодаря тому, что через них проходит электрический ток Iсв и на общем электрическом сопротивлении деталей R выделяется тепло Q (закон Джоуля – Ленца):
Q = Iсв2R/t , (1)
где: t – время сварки.
Общее сопротивление деталей определяется выражением:
R = 2Rд+Rк, (2)
где: Rд – сопротивление деталей (вылетов деталей из электродов машины);
Rk - контактное сопротивление между деталями (при сварке оплавлением Rk – электрическое сопротивление искрового зазора).
Сопротивление деталей 2Rд зависит от удельного электрического сопротивления металла ρ, длины их вылетов из электродов машины (установочной длины под сварку) Lсв и площади поперечного сечения деталей S:
2Rд = Kп ρLсв/S , (3)
где: Кп – коэффициент поверхностного эффекта (заметно растет до температуры ферромагнитного превращения).
При сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают с заданной скоростью. При соприкосновении деталей в образующихся отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Часть выделившегося при этом тепла безвозвратно теряется в атмосфере с брызгами металла, другая часть благодаря теплопроводности накапливается в стыке. Накопление тепла в процессе непрерывного образования и разрушения контактов – перемычек обеспечивает нагрев торцов деталей. К концу процесса нагрева на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивается скорость сближения деталей. Торцы соединяются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение - грат. Сварочный ток выключается во время осадки деталей. Основная технологическая роль оплавления заключается в нагреве деталей до образования на торцах слоя расплавленного металла и в получении соответствующего распределения температур в околошовной зоне для проведения последующей осадки и удаления расплава и оксидов.
Механизм нагрева при оплавлении можно представить следующим образом. При сближении деталей при включенном напряжении между твердыми или жидкими локальными участками поверхности торцов образуются электрические контакты. Нагрев контактов происходит током большой плотности, который вызывает их быстрое плавление и образование перемычек из жидкого металла (рис.2). Перемычки мгновенно разрушатся (длительность существования перемычек не превышает 0,001...0,005 с). Поскольку детали сближаются, то взамен разрушающихся перемычек возникают новые. При этом процесс образования и разрушения перемычек происходит по всей площади поперечного сечения стыка, что обеспечивает его равномерный нагрев. Таким образом, нагрев оплавлением заключается в непрерывном образовании и разрушении электрических контактов (перемычек) в процессе сближения свариваемых торцов на величину припуска на нагрев оплавлением. Форма и размеры перемычек определяются действием двух основных противоположно направленных сил (рис.2,а): сил от поверхностного натяжения σ, стремящихся при сближении деталей уменьшить зазор Δз, увеличить диаметр перемычки dп, и электромагнитных сил Fс (пропорциональных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать и разорвать перемычку. Сжатие перемычки вызывает увеличение в ней плотности тока и скорости нагрева. При достаточно большой плотности тока (около 3000 А/мм2 при оплавлении низкоуглеродистой стали) металл в центре перемычки переходит в парообразное состояние и происходит ее взрывообразное разрушение под действием сил Fп, [1, 2]. Давление паров в момент взрыва достигает 10…12 МПа, а температура 6000…8000 оС. Расплавленный металл выбрасывается из зазора в виде искр со скоростями, превышающими 60 м/с и ведет к укорочению деталей. Между одновременно существующими перемычками, как между проводниками с током одного направления, действуют электромагнитные силы Fв (рис.2,б), стремящиеся их сблизить и объединить. Однако из-за быстрого разрушения перемычек этот процесс обычно не успевает завершиться. Силы Fк, вызванные взаимодействием тока в перемычках с магнитным полем сварочной машины, способствуют их перемещению в искровом промежутке и выталкиванию из сварочного контура.
Количество и размер перемычек определяют величину сопротивления искрового зазора Rк, которая уменьшается с увеличением числа одновременно существующих перемычек и их сечением. Среднее значение Rк при сварке сталей оплавлением составляет 100…1500 мкОм. Сопротивление деталей в начальной стадии оплавления значительно меньше Rк и сравнительно мало влияет на нагрев деталей. К концу оплавления скорость сближения возрастает и благодаря увеличению при этом количества и размера перемычек сопротивление искрового зазора уменьшается, а сопротивление деталей 2Rд в результате нагрева несколько возрастает. Суммарное сопротивление к концу оплавления снижается благодаря большому количеству контактов и равномерному их распределению по сечению. Таким образом, при сварке оплавлением нагрев деталей происходит, в основном, за счет теплоты, выделяющейся на сопротивлении искрового зазора Rк. Доля теплоты, выделяемой в собственном сопротивлении деталей 2Rд вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитывается в тепловых расчетах.
Следует отметить еще один источник теплоты (кроме перемычек), который присутствует при оплавлении. Это дуговые разряды. В некоторых случаях при высоких значениях вторичного напряжения сварочного трансформатора, малой длительности существования перемычек, небольшой работы выхода электронов свариваемого металла и большой индуктивности контура машины они становятся дополнительным источником теплоты. Дуговые разряды возникают в периоды полного размыкания торцов благодаря тому, что запасенная в магнитном поле сварочного трансформатора энергия вызывает перенапряжение, пробой зазора и возбуждение дуги. Так при сварке деталей из алюминиевых сплавов до 50% тепловой энергии при оплавлении приходится на долю дуговых разрядов. При сварке высокоуглеродистых сталей доля тепловой энергии дуговых разрядов может составлять 3...8%.
В начале процесса оплавления распределение температуры на оплавленных торцах неравномерно, причем степень неравномерности по мере нагрева уменьшается (рис.3). Хотя расплавленные участки появляются уже в начале оплавления, средняя температура на торцах растет постепенно до тех пор, пока их поверхности не покроются более или менее равномерным слоем расплавленного металла. Это обеспечивается при установившемся процессе оплавления, когда перемычки последовательно и многократно с большой частотой возникают и разрушаются по всей площади торцов деталей (рис.3,б). С увеличением времени существования перемычек градиент температуры нагрева деталей снижается, и наоборот. Перемычки в стадии их формирования до момента разрушения служат источниками нагрева металла околошовной зоны за счет теплопередачи от них тепла в тело деталей. При разрушении перемычек выброс нагретого металла за пределы искрового промежутка рассматривается как потеря накопленной тепловой энергии. Разрушение перемычек сопровождается образованием на торцах углублений – кратеров. С увеличением размера перемычек соответственно увеличиваются размеры кратеров, рельеф поверхности торцов ухудшается.
Для процесса оплавления характерны высокие локальные плотности тока в перемычках и малая средняя плотность тока (значительно ниже, чем при сварке сопротивлением).
Следует отметить, что при сварке оплавлением требования к качеству реза торцов лент ножницами значительно ниже, поскольку оплавление обеспечивает равномерный нагрев даже при большой косине реза. Механические свойства сварных соединений ленточных пил, полученные контактной стыковой сваркой оплавлением, значительно превосходят свойства соединений, выполненных сваркой сопротивлением.
Условия разрушения и удаления оксидов при стыковой сварке зависят от нагрева торцов – от температуры и ее градиента в зоне соединения. При сварке оплавлением удаление окислов облегчено. Оно происходит вместе с частицами расплавленного металла, выбрасываемого из стыка в грат. При осадке оксиды вытесняются из стыка вместе с жидким и твердым металлом. Оксиды находятся на жидкой подложке и их твердость не оказывает существенного влияния на процесс удаления. Кроме того избыточное давление паров металла, возникающее при оплавлении, защищает расплавленный металл от окисления, затрудняя проникновение воздуха в искровой зазор.
Скорость оплавления Vопл является одним из главных параметров режима стыковой сварки и оказывает решающее влияние на температурное поле, равномерность распределения температуры в стыке, рельеф поверхности торцов, степень окисления металла торцов и в конечном итоге на качество сварного соединения. При оплавлении деталей до одного и того же значения увеличение средней скорости оплавления приводит к сужению зоны нагрева, увеличению градиента температуры, уменьшению времени существования перемычек и более равномерному нагреву торцов вследствие их более интенсивного оплавления. В тоже время повышение скорости приводит к увеличению размера перемычек и кратеров (к ухудшению рельефа поверхности). При снижении скорости оплавления увеличивается длительность существования перемычек и глубина прогрева деталей, градиент температуры снижается, размеры перемычек уменьшаются и рельеф улучшается. Однако нагрев торцов становится менее равномерным. Для конкретных деталей, металлов и условий сварки существует некоторая оптимальная средняя скорость оплавления, которая обеспечивает наилучшие показатели качества соединений. Так, например, чем больше активность металла к образованию оксидов и взаимодействию с атмосферными газами, тем больше должна быть скорость оплавления. Существует некоторая постоянная скорость оплавления, зависящая от теплофизических свойств свариваемых металлов и условий оплавления, при которой достаточно оплавить каждую деталь на некоторую величину, чтобы приблизиться к квазистационарному состоянию. При этом состоянии дальнейшее оплавление практически не изменяет температурное поле и приводит лишь к неоправданному укорочению деталей.
Устойчивость процесса оплавления. Для устойчивого равномерного процесса оплавления мгновенная скорость сближения деталей Vсбл должна соответствовать мгновенной скорости оплавления Vопл (скорости фактического укорочения). При Vсбл » Vопл искровой зазор уменьшится, а диаметр перемычек увеличится на столько, что их разрушение станет невозможным, произойдет короткое замыкание деталей и оплавление прекратится. При Vсбл « Vопл образование и разрушение перемычек сопровождается увеличением искрового зазора и перерывами в процессе оплавления, что приводит к окислению металла. Мгновенная скорость оплавления зависит от того, с какой скоростью металл на торцах деталей может быть расплавлен и частично нагрет до температуры кипения. Это определяется тепловой мощностью, развиваемой в искровом зазоре при оплавлении. Мгновенная скорость оплавления растет с увеличением тепловой и полезной электрической мощности, с уменьшением градиента температуры и с повышением температуры торцов. В начале процесса, когда детали холодные оплавление идет медленно. По мере подогрева торцов Vопл растет. Для поддержания непрерывного процесса оплавления при неизменной мощности скорость сближения деталей должна соответствовать скорости оплавления. Прогрев деталей увеличивает требуемую скорость их сближения при данной мощности. Для того чтобы начать оплавление холодных деталей и устойчиво его поддерживать, сближение оплавляемых деталей должно идти с заданной скоростью по заданной программе. Для этого часто применяют параболический закон сближения деталей. Вместо жестких программ скорость сближения деталей связывают с параметрами, оказывающими влияние на устойчивость оплавления, например, такими как напряжение и ток сварки, частота пульсаций тока при разрушении перемычки, температура торцов деталей и др.
На устойчивость оплавления оказывают влияние: запас полезной электрической мощности машины, эффект саморегулирования, предварительный подогрев деталей перед оплавлением, геометрия соединения, локальная интенсивность процесса, род тока и др. Саморегулирование – основное условие устойчивого оплавления. Оно возможно в том случае, если снижение сопротивления искрового зазора Rк компенсируется быстрым нарастанием тока сварки и повышением полезной электрической мощности машины, [3]. Для устойчивого оплавления необходим 3…5 - кратный запас устойчивости, который представляет собой отношение тока короткого замыкания к среднему току при оплавлении. На практике для обеспечения устойчивого оплавления применяют сварочные машины с 3…5 - кратным запасом мощности. При большой мощности машин даже кратковременный срыв оплавления с переходом на нагрев сопротивлением (кратковременное короткое замыкание) приводит к резкому увеличению тока. Это обусловливается тем, что напряжения, необходимые для устойчивого оплавления, приблизительно в 1,5 раза выше, чем напряжения, необходимые для нагрева сопротивлением. Переход на нагрев сопротивлением при большом вторичном напряжении и большой мощности машин приводит к резкому увеличению тока и к перегреву металла в зоне соединения. Поэтому разработка новых сварочных машин с меньшим запасом электрической мощности, обеспечивающих высокое и стабильное качество соединений, весьма актуальна.
Процесс оплавления должен иметь не только общую, но и локальную устойчивость или локальную интенсивность, которая характеризуется частотой образования и разрушения перемычек в отдельных точках поверхности торцов. Нарушения локальной интенсивности способствуют возникновению окислительных процессов, непроваров и других дефектов. Высокая локальная интенсивность особенно необходима в конце оплавления.
Следует отметить, что процесс оплавления целесообразно вести при минимально возможном вторичном напряжении, однако достаточном для устойчивого оплавления. При этом время пребывания перемычек в искровом зазоре, доля теплоты, идущей непосредственно на нагрев деталей, глубина прогрева деталей увеличиваются, больше расплавленного металла остается на торцах. В этом случае термический коэффициент полезного действия процесса оплавления максимален.
При контактной стыковой сварке оплавлением усилие осадки не зависит от скорости оплавления и может регулироваться в широких пределах. Поэтому возможно разработать технологию сварки ленточных пил с высокой скоростью закрытия искрового зазора и высокой скоростью осадки. Это позволит повысить качество получаемых соединений, поскольку ускоренное закрытие искрового зазора при осадке снижает вероятность окисления расплавленного металла, а большая скорость деформации зоны соединения обеспечит получение мелкозернистой структуры металла шва.
Скорость осадки растет с увеличением усилия осадки и уменьшением массы подвижного зажима. Однако существенно увеличить скорость осадки при сварке на существующем оборудовании затруднительно, так как большие усилия осадки приводят к потере устойчивости торцов лент, а масса подвижного зажима определена конструкцией машины и не может быть изменена. Особенно мала скорость осадки при сварке сечений, которые являются минимальными для сварочной машины. Это обусловлено необходимостью применения малых усилий осадки, при которых сохраняется устойчивость торцов деталей в процессе деформации. Кроме этого повышение скорости крайне желательно при сварке сложно свариваемых сталей и сплавов. К таким сталям относятся пружинные и быстрорежущие стали, из которых изготовлены биметаллические пилы, а, как известно, получить стабильное качество сварки биметаллической пилы на существующих машинах задача трудновыполнимая. Поэтому актуальна разработка новых машин, которые смогут обеспечить повышенную скорость осадки и улучшить качество получаемых соединений.
Параметры режима контактной стыковой сварки оплавлением зависят от сечения свариваемых деталей, теплопроводности и температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая задается также с учетом активности металла к окислительным процессам и испарения легирующих элементов. Усилие и скорость осадки также зависят от теплопроводности металла и его активности к окислению. Режимы сварки определяют следующие параметры:
- установочная длина деталей l1 + l2 (вылеты деталей из электродов машины); - припуск на оплавление Δопл (суммарное уменьшение установочной длины деталей при оплавлении);
- осадка под током Δос.ток;
- осадка Δос (включает в себя осадку под током и без тока);
- скорость оплавления Vопл;
- усилие осадки Fос;
- плотность тока оплавления jопл;
- длительность оплавления tсв;
- скорость и длительность осадки Vос и tос
Последние два параметра (Vос и tос) зависят от конструкции сварочной машины (массы подвижных частей, инерционности привода осадки и др.).
Установочная длина деталей под сварку Lсв определяется из выражения:
Lсв = l1 + l2 = (0,7…1,2)d, (4)
где: d – толщина ленты, либо диаметр стержня.
При выборе установочной длины учитывают, что при малой ее величине происходит большой отвод теплоты в электроды машины, зона нагрева сужается. При увеличении Lсв растет требуемая электрическая мощность и ухудшается устойчивость деталей при осадке. Припуск на оплавление Δопл выбирают из условия получения равномерного нагрева деталей по сечению, величину осадки под током Δос.ток - с учетом получения необходимой величины деформации, скорость оплавления Vопл выбирают из условия получения определенного распределения температуры. Усилие осадки Fос определяют из условия получения необходимой величины осадки Δос при обеспечении устойчивости деталей в процессе деформации. Плотность тока при оплавлении jопл должна обеспечивать устойчивый процесс оплавления, при этом вторичное напряжение сварочного трансформатора выбирают минимальным также из условия получения устойчивого оплавления.
Дефекты соединений и причины их образования. Сварные соединения, выполненные сваркой оплавлением на оптимальных режимах, по прочности и пластичности близки по свойствам к основному металлу. При сварке сопротивлением в большинстве случаев не удается добиться полного удаления оксидов из стыка. Поэтому оценочные показатели таких соединений (особенно по пластичности) ниже, чем у основного металла.
Различные возмущающие действия, которые могут накладываться на процесс сварки, вызывают появление дефектов, ухудшающих механические свойства сварных соединений. Основными дефектами являются непровары, рыхлоты, искривления волокон, расслоения и трещины, а также дефекты структуры металла шва. Непровары возникают вследствие неполного удаления из стыка оксидов. Образование рыхлот связано с усадочными дефектами в кратерах, заполненных жидким металлом. Искривления волокон в области стыка, расслоения и трещины обычно наблюдаются при чрезмерной осадке металлов с ярко выраженной текстурой. К дефектам структуры соединений относятся крупное зерно, загрязнение стыка неметаллическими включениями, снижение содержания легирующих элементов в зоне сварки и др. Крупное зерно образуется вследствие перегрева металла. Загрязнение связано с окислением при сварке, а также иногда с наличием большого количества таких включений в основном металле. Обеднение шва легирующими элементами происходит вследствие диффузионных процессов, а также из-за выгорания, испарения и выдавливания металла, находящегося в жидком и твердом состоянии. Примером такого дефекта может служить образующийся в стыке при сварке углеродистых сталей обезуглероженный слой с пониженной твердостью.
Контроль качества сварных соединений заключается в качественной или количественной оценке основных признаков, характеризующих их работоспособность. Контроль соединений лент, пил, прутков и проволок, выполненных контактной стыковой сваркой, проводится как с разрушением соединения, так и без разрушения. Внешний осмотр – самый простой и распространенный способ контроля без разрушения, при котором сварное соединение сравнивается с эталоном. Другие методы неразрушающего контроля – радиационный, электромагнитный и ультразвуковой редко применяются при сварке рассматриваемых сечений. Контроль с разрушением проводят путем испытания технологических образцов, а при необходимости и выборочных партий сваренных изделий. Практически этот способ контроля дает консультативную информацию (информацию по аналогии), так как качество неразрушенных соединений в изделиях остается неизвестным. В то же время простота и наглядность результатов обусловили широкое применения разрушающего контроля. По результатам испытания технологических образцов производят подбор режимов сварки и проверку стабильности работы сварочного оборудования. Образец разрушают по зоне соединения и проводят анализ излома (визуально с просмотром через лупу, с проведением микрофрактографических исследований), сравнивая его с эталонным изломом. Кроме этого образцы подвергают испытаниям на статический изгиб, ударный разрыв, на количество перегибов на 180 градусов и др. На наш взгляд для рассматриваемых сечений наиболее рационально и информативно применять испытания на количество перегибов. Такие испытания позволяют оценивать как прочностные, так и пластические свойства сварных соединений. Их необходимо проводить перед началом работы ежедневно и каждый раз после переналадки машины на другой режим сварки.
Комментариев нет:
Отправить комментарий