ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Точечная контактная сварка

ТКС широко применяется в штампосварных конструкциях, в ко­торых две или более деталей, штампованные из листа, свариваются в жесткий узел (пол легкового автомобиля, кабина грузовика и т. п.). Точками часто свариваются каркасные конструкции (боковина и крыша пассажирского вагона, бункер комбайна, узлы самолёта и т. п.). Широко распространена ТКС пересекающихся стержней диаметром 25 мм и более при изготовлении арматуры железобетона в виде сеток и каркасов. Сварка дает лучшие результаты при изготовлении узлов из относительно тонкого металла (в стальных конструкциях большого размера суммарная толщина свариваемых листов лежит в пределах 2,5.4 мм; в небольших узлах, легко подаваемых к мощным стацио­нарным машинам - 5.6 мм). Специальные машины позволяют сва­ривать заготовки толщиной до 6.7 мм. Важная область ТКС - соеди­нение очень тонких деталей в электровакуумной технике, приборо­строении.

ТКС подразделяется на: одноточечную (рис. 6.9, а) и многото­чечную (рис. 6.9, б); с двухсторонним подводом тока - двухсторонняя (рис. 6.9, а, б), с односторонним подводом тока - односторонняя (рис.

6.9, в) и с косвенным подводом тока (рис. 6.9, г).

Перед началом сварки контактные поверхности заготовок зачи­щают и обезжиривают.

При двухсторонней сварке (рис. 6.10, а) заготовки устанавлива­ют между нижним и верхним электродами 2 сварочной машины. Заго­товки сжимают усилием сжатия (Ро). После выдержки (^бж), необхо­димой для надежного электрического контакта, на электроды подается напряжение 5.6 в. Кратковременный (0,01.0,1 с) мощный импульс сварочного тока (!св) обеспечивает быстрый нагрев зоны сварки и об­разование зоны расплавления - жидкой точки 3 между контактными поверхностями. Нагрев сопровождается пластической деформацией металла заготовок и вокруг жидкой точки образуется уплотняющий поясок 4, предохраняющий жидкий металл от окисления и выплеска. После выключения тока металл ядра быстро охлаждается и кристал­лизуется. Между металлами заготовок образуется прочная металличе­ская связь. При односторонней сварке (рис. 6.10, б) заготовки уста­навливают на подкладку 5 (медную плиту) и прижимают электродами, расположенными с одной стороны заготовок.

При односторонней сварке необходимо учитывать шунтирова­ние тока: в верхней заготовке (!1ш), между сварными точками (!2ш) и в медной пластине (In).

J-св Im + I11 + I2m + ^^-п:,

где: !ит - ток источника тока; !св- сварочный ток, необходимый для по­лучения одной сварной точки.

Точечная сварка всегда начинается с предварительного сжатия деталей для обеспечения хорошего контакта. Если при включении то­ка усилие Ро, развиваемое электродами недостаточно (рис. 6.11, а), то контактные сопротивления велики и на них почти мгновенно выделя­ется очень много тепла: металл в контактах плавится и быстро выбра­сывается в виде искр; (начальный выплеск). При малом усилии воз­можен прожег деталей и обгорание электродов.

Под действием усилия сжатия на поверхности деталей образует­ся вмятина. Если выключить ток при нагреве до достижения темпера­туры плавления, то в структуре сварочной точки присутствуют круп­ное зерно и цепочки не металлических включений, но отсутствуют раковины и поры (структура непровара). При сварке с расплавлением ядра кристаллизация металла в нём сопровождается усадкой с воз­можным образованием раковин и пор. Обжатие кристаллизующего металла способствует его уплотнению. Поэтому снятие давления с электродов должно запаздывать относительно момента выключения тока на время їк достаточное для завершения кристаллизации ядра. Кристаллизация под давлением обеспечивает проковку и отсутствие несплошностей (трещин, усадочных раковин, повышенных остаточ­ных напряжений.) в литом металле сварной точки. С увеличением толщины деталей охлаждение и кристаллизация ядра замедляются, а следовательно, їк растёт (например, при увеличении толщины стали от 1 до 8 мм tE растёт с 0,1. 0,2 с до 1,5. 2,5 с).

При простейшем, наиболее распространённом графике сжатия электродов и выключения тока (рис. 6.11, б), усилие Ро прилагается до включения тока (tnp - время предварительного сжатия), остаётся по­стоянным в течение всего процесса и снимается с запаздыванием на tK. Для борьбы с усадочными дефектами в ядре, относительно толстый материал (дуралюмин толщиной более 1,5.2 мм, сталь толщиной бо­лее 5-6 мм) сваривают с проковкой, увеличивая усилие на электродах во время кристаллизации ядра (рис. 6.11, в), Ковочное усилие Рк должно следовать за выключением тока через небольшой промежуток времени tn. При большом запаздывании (tn > 0,2 сек.) оно бесполезно. Формирование сварного соединения при ТКС достигается в результа­те нагрева (расплавления) металла и его пластической деформации.

Нагрев металла зависит от количества тепла, выделяемого в зоне контакта, определяемого интегральным законом Джоуля - Ленца:

tсв

Q = I i2(t )r(t )dt

0

где: Q - количество тепла, выделяемое в зоне контакта; i - мгновенное значение сварочного тока; r- общее сопротивление участка металла, заключенного между электродами. Общее сопротивление r равно:

r = r 1заг + r2заг + гк + r 1эд + r2эд = г^заг + гХэд + rк,

где: r1w и r2w - собственное сопротивление заготовок; гк - сопротив­ление в контакте «заготовка - заготовка»; г1эд и г2эд - сопротивление в контакте «электрод - заготовка». Контактные сопротивления (г^эд и гк) определяются площадью фактического контакта реальных поверхно­стей (контакт по микронеровностям) и наличием поверхностных пле­нок. При малых усилиях сжатия реальных поверхностей или при кон­такте химически активных металлов (например, алюминиевых или магниевых сплавов) контактные сопротивления нестабильны. Для стабилизации контактных сопротивлений свариваемые поверхности заготовок необходимо подготовить под сварку (очистить от окисных пленок, уменьшить шероховатость). При тщательной подготовке сва­риваемых поверхностей доля контактных сопротивлений в начале на­грева доходит до 50% от величины полного сопротивления. В конце стадии нагрева доля контактных сопротивлений уменьшается до 3. 5% (разрушение окисных и иных пленок, пластическое деформи­рование вершин микронеровностей приводит к увеличению фактиче­ской площади контакта поверхностей). Поэтому. При ТКС главным источником тепловыделения является сопротивление материала заго­товок г^ззг. При сварке заготовок из одного и того же материала сум­марное собственное сопротивление заготовок r£w можно определит из зависимости:

^заг [(s1+s2)/(nRR '')p(t)kr,

где: (s1+s2) - суммарная толщина заготовок; Як - радиус контакта электрода с заготовкой; p(t) - удельное электрическое сопротивление материала заготовок, как функция нагрева; kr - коэффициент, учиты­вающий растекание тока вне поверхности цилиндра с радиусом осно­вания Як. В процессе нагрева г^заг увеличивается за счет увеличения как p(t), так и Як.

Нагрев при ТКС характеризуется малой продолжительностью (от ты­сячных долей секунды до нескольких секунд) и значительной нерав­номерностью. Наиболее интенсивно нагревается центральный стол­бик, в пределах которого плотность тока наибольшая. Окружающий металл нагревается протекающим в нем током малой плотности и за счёт теплопередачи.

На начальной стадии нагрева (~5 .10 % от времени сварки) участки контакта нагреваются неравномерно (рис. 6.12, а) так как ток имеет наибольшую плотность в области, прилегающей к контакту между свариваемыми деталями. В дальнейшем ток перераспределяется меж­ду горячими и холодными участками, и нагрев выравнивается (рис.

6.12, б). При нагреве до определенной температуры, в контакте между деталями, под действием силы сжатия, начинают образовываться об­щие зёрна - начинается сварка без расплавления. На определенном этапе (~30. 50 % от времени сварки) появляется жидкое ядро (рис.

6.12, в). Ядро увеличивается в объеме, перемешивается и выравнива­ется по составу электромагнитным полем (рис.6.12, г). После кристал­лизации ядро образует прочное соединение между заготовками. Расплавленный металл удерживается в ядре окружающим его кольцом плотно сжатого, пластичного металла. При нарушении плотности это­го кольца жидкий металл, сдавленный в ядре, частично выбрасывается - происходит выплеск. Выплеск происходит в начале процесса при слишком быстром нагреве и недостаточном давлении (металл плавит­ся до образования уплотняющего кольца) или к концу чрезмерного нагрева, когда из-за значительного увеличения диаметра ядра его тон­кая оболочка прогибается, растёт гидростатическое давление в ядре и кольцо прорывается.

Пластическая деформация свариваемых металлов начинается с мо­мента приложения к заготовкам усилия сжатия. В этом момент начи­нается микропластическая деформация. Деформация выступов мик­ронеровностей достигает 60... 70%. При приложении повышенных усилий обжатия деформация микровыступов достигает 100%. С нача­лом нагрева металла начинает развиваться объемная пластическая де­формация. Эта деформация вызывается как внешним (сварочным), так и внутренним усилием. Внутреннее усилие связано с неравномерным температурным полем в сварочной зоне (рис. 6.12) и несвободным те­пловым расширением металла. В формирующемся жидком ядре эти усилия вызывают значительный уровень сжимающих напряжений. На стадии охлаждения и кристаллизации уменьшается объем металла жидкого ядра и околошовной зоны. В зоне сварки появляются оста­точные напряжения растяжения. Эти напряжения могут быть причи­ной образования трещин. Наибольшее уменьшение объема металла наблюдается в центре ядра, что сопровождается деформацией от края соединения к центру. Эта деформация способствует образованию не - сплошностей, особенно при повышенных усилиях проковки. Ядро на­гревается и охлаждается с большой скоростью (до10000оС в секунду). Если усилия сжатия мало, то при охлаждении возможно появление усадочной раковины и трещин. Это явление характерно для сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации и для хромони­келевых сталей с повышенным содержанием углерода. Усадочные ра­ковины и трещины можно устранить дополнительной проковкой элек­тродами в конце кристаллизации.

Различают сварку на мягких и жестких режимах. Для мягкого режима характерны: большая продолжительность протекания сварочного тока (0,5.3 с); плавный нагрев металла с большой зоной термического влияния; обеспечение минимального диаметра ядра. Формирование ядра при медленном нагреве существенно зависит от давления. С уве­личением давления уменьшается тепловыделение, растет теплоотвод, что приводит к уменьшению ядра. Мягкий режим целесообразен для сварки углеродистых и низколегированных сталей, склонных к закал­ке. Для жесткого режима характерны: предельно возможный свароч­ный ток; малая продолжительность протекания сварочного тока (0,001.0,01 с); большое усилие сжатия электродов. Такой режим ре­комендуется для сварки высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Прочность сварного соединения определяется как конструктивными элементами соединения, так и режимом сварки.

При сварке заготовок одинаковой толщины ядро располагается симметрично относительно плоскости стыка. При сварке разнотол - щинных заготовок ядро смещается в толстую заготовку. Смещение ядра тем сильнее, чем мягче режим сварки. При сваре заготовок с че­тырех пяти кратной разнице толщин на мягких режимах ядро может вообще не коснуться тонкой заготовки. При сварке трех заготовок два ядра образуются на площадках контакта и затем они сливаются в теле толстой заготовки.

Размеры ядра (его диаметр d и проплавление h) (рис. 6.10), оп­ределяющие прочность соединения, зависят от технологических па­раметров процесса. Диаметр электрода d-j является только одним из параметров этого процесса. При рациональной технологии диаметр ядра растёт с увеличением толщины деталей по приближённой зави­симости (при 5>0,5 мм): d=25+3 мм,

где 5 - толщина в мм более тонкой из свариваемых деталей. Основными параметрами режима точечной сварки являются: свароч­ный ток I и продолжительность его включения tCT, влияющие на теп­ловые процессы; усилие на электродах P и размеры их контактной по­верхности d3. Два последних параметра одновременно влияют как на условия пластической деформации зоны сварки, так и на нагрев этой зоны, поскольку они существенно сказываются на её электрическом сопротивлении. Важным элементом, определяющим прочность свар­ного соединения, является расчетный (минимальный) диаметр ядра d сварной точки.

Величину усилия сжатия электродов ориентировочно выбирают в за­висимости от суммарной толщины «s» свариваемых заготовок (табл. 6.1). Для выбора сварочного тока используют эмпирическую форму­лу:

/=(120.170)d/p,

где: p - удельное электрическое сопротивление расплавленного ме­талла в Омсм.

Таблица 6.1.

Усилие сжатия при сварке различных материалов и удельное электри­ческое сопротивление расплавленного металла

мендуемое сварочное давление составляет: для низколегированных сталей 70.100 МПа; для хромоникелевых сталей - 180.250 МПа; для алюминиевых сплавов - 120..200 МПа.

Шаг между сварными точками (Нт) определяется условиями шунтирования и беспрепятственной пластической деформации. Ми­нимальное расстояние между сварными точками должно быть более

(3,5.4,5) суммарных толщин свариваемых листов. С увеличением толщины деталей увеличивается минимальный допустимый шаг точек и их наименьшее расстояние до элементов, затрудняющих деформа­цию деталей. Дальнейшее уменьшение шага заметно понижает ста­бильность прочности. При сварке аустенитных сталей и сплавов с вы­соким сопротивлением предельный шаг точек на 15.20 % меньше, а при сварке алюминиевых сплавов на 25. 30% больше, чем при сварке конструкционных сталей.