ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Стыковая контактная сварка

Для осуществления СКС усилие осадки прикладывается к заго­товкам во время нагрева (сварка сопротивлением) или по окончании нагрева (сварка оплавлением). При сварке сопротивлением ток про­пускают через предварительно сжатые заготовки. По мере нагрева за­готовок уменьшается усилие сжатия. Обычно в конце нагрева сжатие резко увеличивают. Усилие сжатия снимается после отключения тока. При сварке оплавлением заготовки предварительно сжимают низким давлением (около 7 кПа). При сближении, заготовки контактируют по верхушкам микронеровностей. В этих точках возникают электриче­ские контакты, плотность тока в которых возрастает до 10. 100

Л

кА/мм. Металл в точках контакта плавится и взрывообразно разру­шается, появляются кратеры с расплавленным металлом. При оплав­лении пары металла выбрасываются из зоны сварки, и препятствуют окислению зоны сварки. После оплавления заготовок на требуемую величину быстро осаживают концы заготовок, формируя сварное со­единение.

Ток к заготовкам 3 и 4 (рис. 6.1) подводят через губки зажимов 2. Для нагрева заготовок используется понижающий трансформатор 1.

Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля - Ленца:

Q = kI2Zxt,

где: Q - количество теплоты, выделяемое при прохождении электри­ческого тока через твердый или жидкий проводник (сварочную цепь), в Дж, I - сварочный ток, в А, Z^- полное сопротивление сварочной це­пи, в Ом; t - время прохождения тока по сварочной цепи, в с, k - ко­эффициент пропорциональности между тепловой и электрической энергией. Полное сопротивление сварочной цепи складывается из омического и индуктивного сопротивления электрической цепи:

Zr=V( R + 2R - + 2R + R )2 + X2,

где: Яэл - внутренне омическое сопротивление сварочной машины; Язаг - суммарное омическое сопротивление заготовок; Яз - омическое пе­реходное сопротивление контакта «заготовка - зажим»; Як - омиче­ское сопротивление свариваемого стыка (контакта); X - индуктивное сопротивление сварочного контура. Суммарное омическое сопротив­ление заготовок определяют по формуле:

Яз = mfaL+D/F,

где: m - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения тока по сечению проводника; (L1+L2) - установочная длина, условно равна расстоянию между губками; F - площадь сечения заготовки; рз - удельное сопротивление материала заготовок при текущей температу­ре. С повышением температуры растет удельное сопротивление мате­риала заготовок. Однако суммарное омическое сопротивление загото­вок, даже при повышенных температурах лежит в пределах 10- . 10 мкОм. Сопротивление Як зависит от микрогеометрии и состояния (на­личия окисных и иных пленок) поверхностей контакта заготовок с губками, от нагрева заготовок и усилия сжатия.

Вначале, ток, протекая по небольшим контактным поверхностям меж­ду заготовками, испытывает большое сопротивление. По мере нагрева заготовок увеличивается площадь контактных площадок, ток распре­деляется более равномерно, и Як уменьшается. При сварке сопротив­лением Як можно рассчитать по формуле:

R =г а

iVR r сж 5

где: гсж - контактное сопротивление при усилии сжатия Рс = 10Н (для очищенной от окалины низкоуглеродистой стали гк = 0,005 Ом, для алюминия гсж = 0,00Юм); а - показатель степени (для стали а = 0,75, для алюминия а = 0,75.0,85). Наличие окалины на свариваемых по­верхностях увеличивает гсж в 200. 500 раз. При сварке оплавлением гсж соответствует сопротивлению оплавления Ропл, которое зависит от характера и скорости оплавления и от числа жидких перемычек. Со­противление оплавления складывается из сопротивлений единичных перемычек. (гопл): Ропл = Хгопл. При питании сварочной цепи перемен­ным током, в течение одного полупериода происходит рост и взрыв перемычек. На участке «a-b» (рис. 6.2) сопротивление единичной пе­ремычки быстро уменьшается, а затем растет (участок «b-c»). Рас­плавленная перемычка сжимается собственным магнитным полем, и рост сопротивления резко увеличивается (участок «c-d»). Вследствие перегрева перемычка взрывается. После взрыва, часть расплавленного металла остается на заготовках. Часть металла испаряется создавая благоприятные условия для кратковременного дугового разряда. Раз­ряд быстро затухает, и сопротивление увеличивается (участок «d-e»). Наложение друг на друга циклических процессов роста и взрыва пе­ремычек приводит к колебанию Ропл. В результате: Rw + Рэл + R3 <<

Рк, что приводит к выделению основной доли тепла в свариваемом стыке.

Схема установки для СКС показана на рис. 6.3, а. На станине 2 уста­новлены две плиты: неподвижная 3 и подвижная 6, перемещаемая по направляющим 7. Заготовки 4 устанавливаются в зажимах 5. Свароч­ный ток подается от трансформатора 1. Плита 6 перемещается и сжи­мает заготовки с усилием P, обеспечивая осадку (проковку) заготовок. Стыковой контактной сваркой соединяют круглые и не круглые стержни (рис. 6.3, б) одинакового или различных диаметров, круглые или некруглые стержни с плоской заготовкой, плоские или кольцевые заготовки.

Проковка заготовок сопровождается уменьшением их линейных раз­меров. При необходимости обеспечения осевого размера свариваемо­го изделия с заданным допуском используется контроль изменения длины заготовок (на современных станках используются контролле­ры, осуществляющие управление процессом сварки на основе данных о скорости изменения длины заготовок на стадии проковки).

СКС сопротивлением - стыковая контактная сварка, при которой на­грев металла осуществляется без оплавления стыкуемых торцов.

Для правильного формирования сварного шва необходимо протекание процесса сварки в определенной последовательности. Совместное графическое изображение тока (I) и осевого усилия (Р) изменяющихся в процессе сварки называют циклограммой сварки (рис. 6.4). Процесс сварки идет в три этапа: 1 - предварительный прижим заготовок; 2 - разогрев торцов; 3 - проковка (прижим заготовок и выдержка).

Режим СКС сопротивлением определяется установочной длиной заго­товок, рис. 6.5, плотностью тока, длительностью сварки, величиной начального и конечного давления; величиной осадки.

От установочной длины зависят: продольная устойчивость заготовок; интенсивность нагрева и охлаждения заготовок. Установочную длину выбирают в зависимости от площади сечения заготовок (F): L1+L2=kF0,5,

где: к - поправочный коэффициент (для углеродистых сталей к=1,2; для легированных сталей к=1,1). Плотность тока выбирают в зависи­мости от длительности сварки: j = (12.15) + (90.120)/ tc,

Л

где: J - плотность тока в А/мм ; tc - длительность сварки в с. Величи­ну осадки 5 принимают равной:

5 = 0,33(L1+L2).

Начальное давление обычно равно 3.8 МПа, конечное давление рас­считывают по формуле: p = ((1+0,25PF/(2AhS))gt,

где: p - конечное давление в МПа; F - площадь свариваемого сечения в мм2; S - периметр свариваемого сечения в мм; ат - предел текучести при температуре, средней между температурой сварки и 900оС; в - ко­эффициент объемно-напряженного состояния (для круглого сечения в = 1,3, для прямоугольного сечения в = 2); Ан - ширина зоны нагрева свыше 900оС.

Перед сваркой заготовки необходимо очистить от оксидных пленок, их торцы должны по форме соответствовать друг другу. Торцы долж­ны иметь сечение простой формы (круг, квадрат, прямоугольник с ма­лой разницей соотношения сторон) и быть плотно прижаты друг дру­гу за счет предварительной механической обработкой.

Соединения, сваренные СКС сопротивлением, характеризуются плавным очертанием. При медленном нагреве рядом со стыком замет­но растет зерно. Сварка стали без специальной защиты, часто сопро­вождается появлением оксидных включений. Иногда при отсутствии видимых неметаллических включений в стыке обнаруживается полос­ка окисленного феррита. Все это сильно понижает пластичность со­единения.

Л

Заготовки сечением более 300 мм сваривают в атмосфере защитных газов.

Применение защитных газов позволяет обеспечить равномер­ность нагрева по периметру стыка и отсутствие в стыке окислов. При сварке заготовок большого диаметра (рис. 6.6) торцы заготовок обра­батываются со скосом 6.7°, и в газозащитную камеру 2 подается тщательно осушенный и очищенный от кислорода газ (азот или азот с небольшой добавкой водорода). При нагреве, заготовки сжимаются относительно небольшим усилием Рн, благодаря чему контактное со­противление велико и теплота в зоне стыка выделяется очень интен­сивно. В результате конусной подготовки торцов труб, при малом Рн, давление в начале нагрева очень значительно. Это приводит к тому, что при включении сварочного тока сразу достигается плотное взаим­ное прилегание кромок, и нагрев их идет очень быстро и равномерно по всему периметру; острые кромки почти мгновенно свариваются, преграждая доступ газу из трубы в открытую разделку. Дальнейший нагрев кромок, омываемых защитным газом, идет без заметного окис­ления и сопровождается постепенной пластической деформацией. К концу нагрева (температура - до 1200°С; продолжительность нагрева - 4.8 с) стык полностью закрывается. Одновременно с выключением сварочного тока усилие осадки резко увеличивается до Рос (40. 50 МПа). Этим обеспечивается пластическая деформация, необходимая для получения качественного сварного соединения без непровара и крупного зерна.

Сваркой сопротивлением соединяют заготовки из низкоуглеродистых, низколегированных конструкционных сталей; алюминиевых сплавов; сечением до 200 мм.

СКС оплавлением - стыковая контактная сварка, при которой на­грев металла сопровождается оплавлением стыкуемых торцов.

СКС оплавлением имеет две разновидности: сварка с непрерывным и прерывистым оплавлением.

При непрерывном оплавлении заготовки устанавливают в электродах машины с набольшим зазором по торцам (рис. 6.7). После подключе­ния источника тока, заготовки сближают. Вначале соприкосновение заготовок происходит по небольшим площадкам, через которые про­текает ток высокой плотности. Между торцами заготовок появляются перемычки из жидкого металла. Одновременно возрастает сварочный ток и развивается температура до 8 000оС. Под воздействием высокой температуры перемычки испаряются. Давление паров металла в мо­мент испарения перемычек достигает сотен атмосфер. Под действием магнитного поля, часть металла в виде искр (капель) и паров выбра­сывается из стыка. Вместе с металлом из стыка выбрасываются и за­грязнения (оксидные пленки), которые находились на торцах. По мере сближения заготовок число контактов (оплавляемых выступов) уве­личивается. После равномерного оплавления всей поверхности свари­ваемого стыка, отключают сварочный ток и осаживают заготовки.

При этом жидкий металл и часть пластически деформированного ме­талла из стыка, выдавливается наружу, образуя грат. Циклограмма сварки показана на рис. 6.8.

Режим СКС оплавлением определяется: установочной длиной (Lj+L2); величиной полной осадки (5), скоростью оплавления (Копл) и скоро­стью осадки (Кос).

Установочная длина выбирается с учетом требования обеспечения широкой зоны нагрева без потери заготовками продольной устойчи­вости. Чем больше установочная длина, тем выше плотность тока и требуется большее напряжение в сварочной цепи. При малой устано­вочной длине заготовки нагреваются неравномерно, растут потери те­пла в токопроводящих губках, сокращается зона нагрева и требуется увеличение давления осадки. Для прутковых и трубчатых заготовок установочная длина равна: (0,75.1,0)5; для плоских заготовок -

(4.5) 5. Полная осадка (5 в мм) равна сумме припусков на оплавле-

ние (81) и на осадку (52): 5 = 51 + 52. Большое влияние на качество сварки оказывает скорость оплавления (V<,m). При слишком маленькой скорости оплавление неустойчиво и часть расплава может кристалли­зоваться. При слишком большой скорости происходит короткое замы­кание сварочной цепи. , приводит к явлениям, рассмотренным в раз­деле «сварка сопротивлением». Скорость оплавления рассчитывается по формуле:

Vom = 0,24I2Z/(yCF(7’0-Th)),

где: V^ скорость оплавления в мм/с; I - сварочный ток; Z - суммар­ное сопротивление сварочной цепи; у - удельный вес материала заго­товок в г/см3; с - удельная теплоемкость материала заготовок в дж/г кельвин; F - площадь сечения свариваемого стыка в мм2; Тн и То - на­чальная температура заготовок и температура оплавления в град (То = 2 000оС). Оптимальная скорость оплавления для малоуглеродистых сталей лежит в пределах 1.2,5 м/с; для легированных сталей -

2,5. 3,5 м/с. Скорость осадки выбирают исходя из условия предупре­ждения преждевременной кристаллизации и окисления расплава. Для низколегированных сталей скорость осадки лежит в пределах 50. 60 мм/с; для легированных сталей - 60.100 мм/с. Давление осадки оп­ределяет качество сварного соединения. Для низкоуглеродистых ста­лей давление осадки составляет 5.10 МПа, для легированных сталей - 10.18 МПа. Усилие сжатия заготовок (Рсж) зависит от усилия осад­ки коэффициентов трения между губками станка и заготовками:

Рсж = Рос/(У1+/2).

При прерывистом оплавлении, заготовки под напряжением приводят в кратковременное соприкосновение и вновь разводят на небольшое расстояние. При смыкании заготовок происходит прерывистое оплав­ление торцов, заготовки укорачиваются на заданную величину и од­новременно равномерно разогреваются по сечению. Число смыканий может быть от двух до нескольких десятков в зависимости от разме­ров сечения заготовок. После равномерного оплавления всей поверх­ности свариваемого стыка, отключают сварочный ток и осаживают за­готовки.

В процессе СКС оплавлением выравниваются неровности стыка, уда­ляются из стыка все оксиды и загрязнения. Поэтому не требуется осо­бой предварительной подготовки торцов. Сварка позволяет соединять заготовки из разнородных металлов (быстрорежущая и углеродистая стали; медь и алюминий.) сечением сложной формы. Однако, рас­плавленный металл, застывая, образует грат. , который необходимо удалять.

По окончании сварки обработка сварного соединения предусматрива­ет удаление грата, правку изделия и нагрев шва и околошовной зоны для улучшения структуры. Г рат удаляется продувкой газовыми сме­сями (трубчатые заготовки), срезанием (губками, снабженными ре­жущими кромками или режущим инструментом). Крупногабаритные изделия подвергаются высокотемпературному отпуску СКС широко применяется: Для получения из проката длинных изде­лий или заготовок, поступающих в дальнейшую переработку. Напри­мер: сварка трубчатых змеевиков поверхностей нагрева котлов; сварка на трассе стыков труб нефте - и газопроводов; сварка концов рулонов стальной ленты для пропуска через линии непрерывного волочения; сварка железнодорожных рельсов в длинные плети, улучшающие ус­ловия прохождения по ним подвижного состава. Для изготовления де­талей замкнутой формы (звеньев цепей; ободов автомобильных колес; колец жесткости для реактивных двигателей; зубчатых венцов; окон­ных переплетов из легких сплавов и др.). Для экономического образо­вания сложных деталей из простых катаных, кованых, штампованных или механически обработанных заготовок, зачастую подвергаемых перед сваркой окончательной термической обработке. Например: ко­жух карданного вала автомобиля, можно сваривать из трубы и двух поковок; тягу самолета, сваривают из трубы и двух штампованных проушин. Для экономии легированных сталей. Например: рабочая часть сверла из быстрорежущей стали сваривается с хвостовиком из низкоуглеродистой стали; заготовку клапана двигателя внутреннего сгорания, получают сваркой стержня из жаропрочной стали, обра­зующего после высадки головку клапана, и хвостовика из конструк­ционной стали. Для уменьшения отходов. Например: сварка прутков арматуры железобетона в бесконечную плеть с отрезкой от нее стерж­ней заданной длины; сварка коротких угольников, швеллеров и т. д.