СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Физические основы прецизионной контактной сварки

Прецизионная контактная сварка (ПКС) — это разновидность классической контактной сварки. При ПКС образуется соедине­ние с остаточной пластической деформацией (осадкой или вмя­тиной), не превышающей 2 % от толщины (диаметра) детали.

Классическая контактная сварка сопровождается гратом в сты­ке или вмятиной в точке, достигающей 20 % от толщины или диаметра детали.

Сварное соединение с остаточной пластической деформацией, не превышающей 2 % от толщины (диаметра) детали, можно на­звать прецизионным, или высокоточным, если выполняется ус­ловие геометрической точности:

-1 < r< + I, (9.1)

где Т — безразмерный критерий геометрической точности соеди­нения, который определяется соотношением

Т= (До - ев ± j)/j, (9.2)

где Л0 — относительная остаточная деформация (осадка, вмяти­на) сварного соединения; ев — учтенная в припуске заготовки относительная вынужденная деформация, при которой заверша­ется процесс образования сварного соединения; j — относитель­ный допуск на номинальный размер сварного соединения для данного класса точности его изготовления.

Для того чтобы выполнялось условие прецизионности (9.1), необходимо условие

(До - єв) -> 0.

Относительную вынужденную деформацию можно выразить в безразмерной форме:

єв = ЄкКуЛнСЛ (9.3)

где єк — показатель полного сближения приконтактных шерохо­ватых поверхностей, при котором плотность в контакте стремится к единице; практически для реальных поверхностей ек= 0,3...0,6; Ку и С — соответственно показатели упрочнения и напряжения в шероховатом слое контакта; для реальных условий Ку = 1... 10; С = = 4,6... 9,2; J1H — показатель локальности нагрева, Лн = 1 ...0,1.

Формула (9.3) позволяет оценивать вынужденную деформацию с учетом краевых граничных условий при различных способах свар­ки давлением.

Например, при сварке давлением с общим равномерным на­гревом всей детали (J1H = 1) и сжатии деталей без деформацион­ного упрочнения шероховатого слоя в контакте (Ку < 1), а также при условии єк= 0,5 (механическая обработка поверхностей) и С = = 5 (медленное сжатие деталей)

ев = 0,5 -1 ■ 1/5 = 0,1 (10%).

Если сжатие деталей производят при комнатной температуре (Лн = 1) с максимальным упрочнением шероховатого слоя в кон­такте, т. е. при С = 10; Ку = 10, то ев достигает своего максимально­го значения (холодная сварка):

Єв= 0,5-10-1/10 = 0,5 (50%).

Формула (9.3) показывает, что локализовать осадку деталей при сварке давлением можно четырьмя основными приемами:

• уменьшением деформационного упрочнения шероховатого слоя в контакте (Ку -» 1) путем замедленного сжатия деталей при высоких температурах нагрева — это контактная сварка по спосо­бу А. М. Игнатьева; диффузионная сварка по способу Н. Ф. Каза­кова; газопрессовая сварка. В этих случаях ев< 8 %;

• резким увеличением напряженного состояния в шероховатом слое контакта (С » 10) путем создания чисто контактного напря­жения. Это сварка взрывом, сварка импульсом магнитной энер­гии. В этом случае єв —> 1 %;

• созданием чистого контактного локального нагрева деталей;

• контактированием деталей с критической скоростью, при которой благодаря действию механизма пороговой и непороговой (диффузионной) ползучести разупрочнение в шероховатом слое материала контакта преобладает перед его деформационным уп­рочнением.

Технически и технологически эффекта прецизионности при контактной сварке достигают при уменьшении обьема расплав­ленного металла в плоскости контактирования; снижении уси­лия сжатия в 3 — 5 раз и короткоимпульсном дозированном вло­жении энергии для гарантии минимально необходимого проплав­ления.

По ГОСТ 15878 — 79 «Контактная сварка. Соединения свар­ные. Конструктивные элементы и размеры» при контактной свар­ке допускается широкий интервал проплавления детали: Лпр = = (0,2...0,8)5, где S — толщина детали, мм.

По ГОСТ 15878 — 79 допустимая вмятина при точечной или осадка при стыковой сварке не должна превышать 0,2 (20 %), при этом минимальный уровень деформации ГОСТ не лимитирует.

Таким образом, чтобы вмятина от электродов при точечной или осадка при стыковой сварке не превышала 2 % достаточно выполнить три необходимых условия:

• процесс сжатия деталей вести с критической скоростью — без деформационного упрочнения приконтактного шероховатого слоя, в идеале, с расплавлением его (Ку - н> 1);

• сварку вести с минимальным проплавлением, обеспечиваю­щим локальность нагрева не выше 0,25. Для этого необходимо локализовать тепловыделение только на сопротивлении контакта между деталями RK

• для сохранения высокой скорости сварки средняя гомологи­ческая температура / = Тсв/Тпл в контакте должна быть не менее 0,9.

Эти условия можно выполнить, если воспользоваться номо­граммой для оценки режима прецизионной сварки давлением. По номограмме (см. рис. 8.2) находим, что при TCJT^ = 0,9 крити­ческая скорость контактирования для низколегированных спла­вов находится на уровне 10-1... 5 • 10“2 с'1, а удельное давление —

4.. .5 МПа, что в 3 — 5 раз ниже, чем при классической контакт­ной сварке.

Основное назначение давления при контактной сварке — обес­печение надежного электрического контакта между электродом и деталью. По критерию Хольма удельное давление для обеспечения надежного электрического контакта составляет 2...6 МПа. Таким образом, по номограмме удельное давление при контактной сварке вполне удовлетворяет как условиям критического контактирова­ния, так и условиям электрического контактирования.

Согласно известным классическим кривым RK = f(p) снижение давления (рис. 9.1, а) приводит к увеличению RK в 2— 3 раза по сравнению с общепринятым давлением. Согласно закону Джоу­ля—Ленца это позволяет повысить тепловложение непосредствен­но в узкой приконтактной зоне. О повышении тепловыделения

а б

Рис. 9.1. Зависимость контактного сопротивления RK(a) и глубины проплавления Лпр (б) от усилия сжатия F

при снижении давления сжатия свидетельствует известная клас­сическая кривая зависимости проплавления от давления (рис. 9.1, б). Из нее видно, что при малом давлении проплавление (тепло - вложение) оказывается в 1,5 — 2 раза большим, чем при больших сжатиях.

Благодаря эффекту конуса давления (по Биргеру) удельное давление в контакте электрод—деталь оказывается на 30...40% выше, чем в контакте между деталями. Это обстоятельство в соче­тании с низким переходным контактным сопротивлением в паре медь—сталь (в 3 раза меньшем, чем в паре сталь—сталь) предот­вращает выделение теплоты непосредственно под электродами и не приводит к наружным выплескам металла.

Однако при малых удельных давлениях (3... 6 МПа) в условиях классической контактной сварки в контакте между свариваемыми деталями происходит такое интенсивное тепловыделение, что возникает опасность перехода от тепловыделения за счет джоуле - вой теплоты к более мощному тепловыделению за счет дугообра - зования (радиационного излучения). Это приводит к внутреннему выплеску или сквозному прожогу.

Следовательно, основные требования к условиям проведения ПКС — минимальное проплавление (Апр < 0,25) и минимальное удельное давление сжатия (до 5 МПа) в условиях классической контактной сварки наталкиваются на два технических противоре­чия:

Рис. 9.2. Кинетика тепловыделения Q при классической (а) и прецизи­онной (б) контактной сварке:

1—4 — ступени трансформатора, при которых производится сварка деталей; Топ, Тсв — соответственно температура плавления и сварки; ти, тп, тц, т0б — соответственно время импульса, паузы, цикла и общее время сварки

• при минимальном проплавлении (в пределах, допустимых ГОСТом) возрастает риск попасть в область неполного провара, т. е. качество контактной сварки становится нестабильным;

• при минимальном удельном давлении возрастает риск неста­бильного контактирования, чреватого, с одной стороны, непро - варом типа слипания, с другой стороны — прожогом.

Эти противоречия типичны для неустановившегося процесса нагрева, сопровождающего классический режим контактной свар­ки (рис. 9.2, а).

Чтобы разрешить эти два противоречия, необходимо приме­нить установившийся режим сварки путем дозированного, им­пульсного введения энергии (рис. 9.2, б).

Таким образом, при переходе с классической сварки на ПКС все свелось к уменьшению удельного давления в 3 — 5 раз и опре­делению максимального времени импульсного введения энергии, в пределах которого єв не будет больше 2 % осадки, а проплавле­ние — 20 %.