Материал: Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Рис. 20.1. Схемы основных процессов контактной сварки

20.1.2. Физические основы образования соединений

Эксплуатационные свойства соединений (механические харак­ теристики, плотность и т. д.), выполненных контактной точечной и шовной сваркой, определяются условиями формирования этих соединений. Эти условия достигаются в результате двух процес­ сов— нагрева (расплавления) металла и его пластической де­ формации. Сочетание их параметров (например, усилия и тем­ пературы) обеспечивает получение определенного термодефор­ мационного цикла. Оптимальная программа этого цикла дает возможность получить соединение с высокими эксплуатацион­ ными свойствами.

Необходимый и достаточный признак качественного соедине­ ния при точечной и шовной сварке — обеспечение заданных размеров зоны расплавления (ядра).

Нагрев и расплавление свариваемого металла

Нагрев металла (размеры ядра) зависит от количества теплоты ( Q B . в ) , вы­ деляемой в зоне соединения, которое определяется законом Джоуля — Ленца в интегральной форме:

В случае сварки двух деталей одинаковой толщины и из одного и того же металла формула имеет вид:

гэ. э = 2гэ. д + 2гд + гд. д.

Контактные сопротивления связаны с ограниченностью фактического кон­ такта из-за наличия на поверхности реальных тел, микронеровностей и повышенного сопротивления поверхностных (в основном оксидных) пленок. Поскольку окисление в ряде случаев носит избирательный характер, контакт­ ные сопротивления весьма нестабильны и, следовательно, колеблется тепло­ выделение. Это особенно проявляется при сварке на малых усилиях и хими­ чески активных металлов, например алюминиевых и магниевых сплавов. Поэтому роль этих сопротивлений стараются ограничить, применяя предва­ рительную подготовку свариваемых поверхностей.

Если доля 2гэ. д+ гд. д от гв. а в начале нагрева оценивается в 50%, то к концу процесса сварки она снижается до 3—5 % и практически не оказы­ вает влияния на размеры ядра и свойства соединений, так как нагретый металл микронеровностей быстро деформируется, а поверхностные пленки разрушаются, что приводит к резкому росту площади фактического кон­ такта.

поля пластических деформаций, в частности, деформаций в объеме ме­ талла вблизи контакта деталь — деталь.

Математически эти модели описываются соответствующими дифференци­ альными уравнениями, которые представляются в конечных разностях или конечных элементах и решаются на ЭВМ. Таким образом, могут быть уч­ тены самые разные факторы: изменение в широком диапазоне температур теплофизических свойств металла, форма импульса сварочного тока, сва­ рочное усилие, свойства и геометрия электродов и т. д. Время счета по современным методикам не превышает 10—15 мин.

В настоящее время известен целый ряд решений подобных моделей для случаев точечной сварки деталей из сталей, сплавов алюминия, магния и титана [2].

Установлено, что на начальной стадии процесса (0,054-0,1) /св преобла­ дает тепловыделение, и температурное поле в основном определяется элект­ рическим полем. На периферии контактов, где плотность тока оказывается наибольшей, отмечается заметный рост температур вплоть до температуры ликвидуса сплава. Градиенты температур в это время наибольшие.

В дальнейшем заметно возрастает роль теплопроводности в радиальном и особенно в направлении электродов и одновременно с продолжающимся нагревом градиенты температур снижаются. На определенной стадии про­ цесса при (0,34-0,5) /Св металл начинает расплавляться вблизи центра соеди­ нения и к концу импульса тока зона расплавления — ядро — достигает своих номинальных размеров (рис. 20.3) по диаметру и высоте. Обычно ядро представляется в виде эллипсоида вращения. Выделяющаяся в зоне сварки

а остальная часть передается теплопроводностью в окружающий металл и

лей на всю толщину и обычно высота ядра составляет в каждой детали по­ ловицу ее толщины. Характерно, что с уменьшением коэффициента теплопро­ водности проплавление возрастает.

Очевидно, что одинаковые размеры ядра могут быть получены [см. формулу (20.1)] при разном сочетании / св и /Св. В соответствии с этим в практике контактной сварки дифференцируют жесткие и мягкие режимы, отличающиеся относительной ролью процессов тепловыделения и теплопере­ дачи.

Жесткий режим характерен кратковременным и мощным импульсом тока (с большой плотностью), например, при /св<0,02 s при сварке деталей тол­ щиной 1—4 мм. Температурное поле в этом случае определяется в основ­ ном процессами тепловыделения и обычно Q2+Q3<0,5 Q8. а. При этом от­ мечаются очень высокие скорости нагрева (до 2 ‘ Ю5 °С/с) и градиенты температур (до 105 °С/см при соединении сталей). Поэтому для обеспечения заданной степени деформации и предотвращения выплеска необходимо ис­ пользовать большие сварочные усилия.

рости нагрева и охлаждения, а также сварочное усилие меньше, чем при жестких режимах.

Между жесткими и мягкими режимами находится область режимов средней интенсивности, которые наиболее часто используются при точечной и шовной сварке.

Значительные градиенты температур при контактной сварке определяют очень быстрое охлаждение металла после выключения тока, особенно при соединении металлов с высокой теплопроводностью — сплавов на основе

поверхности различают электроды с плоской и сферической рабочими по­ верхностями.

При сферической поверхности площадь первоначального контакта дета­ лей относительно невелика, плотность тока весьма значительна и поэтому нагрев идет эффективно и с большой скоростью. При плоской рабочей по­ верхности электродов плотность тока меньше почти на протяжении всего процесса сварки и требуется больше энергии для получения заданных раз­ меров ядра. Однако при сварке большого количества точек отмечается износ рабочей поверхности электродов, например, на сфере образуется плоская площадка, равная 0,4—0,6 а, и таким образом преимущества подобных элек­ тродов в значительной мере снижаются Большое влияние на тепловое со­ стояние металла в зоне сварки оказывает теплопроводность электродных материалов п степень охлаждения электродов, так как более половины всей выделяющейся теплоты отводится в электроды. Окисление, переход свари­ ваемого металла на поверхность электродов приводит к заметному снижению теплоотвода и росту размеров соединений.

При плохом состоянии поверхностей деталей, например после длитель­ ного хранения, отмечается увеличение, контактных сопротивлений, что вызы­ вает рост тепловыделения и размеров ядра (в первую очередь проплавле­ ния), снижение устойчивости процесса, сопровождающееся образованием вы­ плесков.

На стадии охлаждения характер температурного поля может также ре­ гулироваться подогревом дополнительными относительно малыми импуль­ сами тока или изменением времени проковки — от конца импульса тока до момента подъема электродов. Очевидно, что после подъема электродов ско­ рость охлаждения металла в зоне сварки резко уменьшается.

Пластическая деформация в зоне сварки

Пластическая деформация свариваемого металла — отличитель­ ная особенность контактной сварки. На первом этапе в ос­ новном отмечается деформация микронеровностей, степень ко­ торой в контакте деталь—деталь достигает 60—70 % (по умень­ шению высоты микровыступов). Эта деформация облегчается, если использовать на этой стадии повышенные усилия обжа­ тия или дополнительные импульсы тока для формирования на­ дежного электрического контакта (рис. 20.5). При включении тока металл быстро нагревается, снижается сопротивление его пластической деформации, скорость микропластической дефор­

нием металла. Эти усилия вызывают неравномерное объем­ ное сжатие металла в зоне сварки. Напряженное состоя­ ние характеризуется сжимающими осевыми ог, радиальными Or, окружными сте напряжениями и соответствующими деформа­ циями. Значения этих характеристик могут быть получены ре­ шением задач теории пластичности в конечных элементах на ЭВМ. Так на рис. 20.6, а показано распределение перемещений <0т и деформаций ег к концу процесса точечной сварки алюми­ ниевого сплава 1420 толщиной 1,5+1,5 мм, полученного авто­ рами совместно с А. Н. Прохоровым посредством решения од­ ной из математических моделей пластической деформации. Привлекает внимание значительный уровень сжимающих на­ пряжений (рис. 20.6,6) и относительная ограниченность сте­ пени деформации. В области уплотняющего пояска отмечены удлинения, что свидетельствует о преимущественном течении металла в зазор между деталями. Этот зазор увеличивается при сварке из-за теплового расширения металла в зоне плав­ ления.

На стадии охаждения и кристаллизации наблюдается со­ кращение объема металла и в зоне сварки возникают остаточ­ ные напряжения растяжения, которые могут приводить к об­ разованию трещин и снижению работоспособности конструк­ ций. Особенность деформации охлаждающегося металла состоит

втом, что наиболее быстро сокращается его объем вблизи оси.

Врезультате этого снижается давление в центре ядра и появ­

склонности к образованию несплошностей, особенно при дейст­ вии на этой стадии повышенных ковочных усилий (см. рис. 20.1).

После сварки на поверхности соединения наблюдается вмя­ тина, относительная глубина которой составляет 0,1—0,15 s.

Принято считать [2], что одним из условий устойчивости про­ цесса (отсутствия выплеска) является определенная степень