Пластическая деформация металла

Назначение этого процесса - создание электрического контакта на начальной стадии, обеспечиваемого при давлении 5—10 МПа (сварка сопротивлением) и ~ 1 кПа (сварка оплавлением), а также удаление поверхностных пленок и образование физического контакта по достаточно большой площади на стадии осадки за счет течения довольно узких слоев нагретого металла вдоль стыка. При этом в центре соединения напряженное состояние близко к всестороннему сжатию, а вблизи поверхности деталей отмечается действие растягивающих окружных напряжений σΘ.

Степень объемной пластической деформации характеризуют коэффициентом площади K_пл=S_кон/S_нач, (где S_кон, S_нач — соответственно конечная и начальная площади сечения торцов). При сварке сопротивлением К_пл≤4, а при сварке оплавлением К_пл≤2. Иногда деформацию оценивают по укорочению деталей при осадке (Δ_ос), которое обеспечит полное закрытие зазора (Δ_з), вытеснение жидкого металла (2δ_ж) и деформацию (смятие) кратеров (2Δ_кр). Величина Δ_ос зависит от рельефа оплавленных поверхностей, например она возрастает при увеличении сечения деталей.

Параметры цикла осадки — усилие и скорость осадки (F_ос и v_ос) При увеличении сечения деталей, жаропрочности свариваемого металла и скорости осадки F_ос также возрастает. Подогрев перед оплавлением позволяет в полтора — два раза снизить F_ос. Интенсивная деформация вызывает удаление из зоны соединения поверхностных (оксидных) пленок или их раздробление. Тем не менее при сварке сопротивлением металл в значительной мере окисляется и частицы оксидов частично остаются в стыке. При сварке оплавлением происходит непрерывное обновление поверхностей за счет выброса перемычек, образование паров, препятствующих попаданию газов и связывающих их в нейтральные соединения. Это обеспечивает надежную защиту металла от атмосферы и лишь при сварке таких активных металлов, как титан и молибден рекомендуется вести процесс в среде защитных газов.

Технологические возможности стыковой сварки

Стыковой сваркой соединяются все известные конструкционные металлы как однородные, так и разнородные в широком диапазоне сечений от 1—2 мм² до 20 дм² в виде проволоки, полос, профилей и т. п. При сварке сопротивлением сечение свариваемых деталей (обычно круглое) ограничено 500 мм²для сталей, 200 мм² для алюминия и меди из-за относительно низкой прочности и пластичности соединений и высокой энергоемкости.

Наибольшее распространение получила сварка оплавлением. Непрерывным оплавлением сваривают детали компактного (до 10 см²) сечения (прутки) из малоуглеродистой стали и несколько большего (развитого) сечения детали (трубы, листы). Сварка оплавлением с подогревом используется для сечений 5—100 см². Для больших деталей (S = 50÷400 см²) рекомендуется сварка оплавлением с программным управлением током и скоростью перемещения зажимов, а импульсное оплавление позволяет сваривать детали из стали сечением до 20 дм², из алюминия — до 2,2 дм².

Механические свойства соединений, выполненных стыковой сваркой оплавлением, и основного металла весьма близки (табл. 21.1).

Технология стыковой сварки

Свариваемые материалы и требования к конструкциям

Стыковая сварка сопротивлением применяется в основном для соединений малоуглеродистых сталей, проволоки из алюминия и меди. Имеются также сведения о непосредственном соединении разнородных металлов, например меди с фехралем, стали, чугуна с медью и алюминием или через промежуточные прокладки, дополнительно легирующие шов. Стыковой сваркой оплавлением успешно соединяют все конструкционные металлы — от алюминиевых сплавов и сталей до жаропрочных и титановых сплавов.

Особое внимание обращается на рациональную конструкцию (форму) торцов деталей, которая должна обеспечить равномерный нагрев деталей и одинаковую деформацию (рис. 21.4), защиту торцов от окисления и деформацию металла (рис. 21.4,б — кольцевой выступ при сварке сопротивлением, сфера, конус и т. д.), установку в токоподводящие зажимы машины. Формы и размеры обеих деталей должны быть приблизительно одинаковыми: отличие по диаметрам ≤15%, по толщине ≤10%.

Подготовка к сварке

Для получения соединений высокого качества поверхности должны быть ровными и чистыми. Торцуют детали механической резкой ножницами, пилами на металлорежущих станках, плазменной или газовой резкой. Дополнительно торцы и поверхности детали под зажимы обрабатывают металлической дробью, травлением, фрезерованием или шлифованием. Перекосы иногда устраняют предварительным оплавлением. При сварке сопротивлением зазор между торцами не должен превышать 0,5 мм, оплавлением — 15% припуска на оплавление. Установочная длина (l₁+l₂) при сварке сопротивлением полостолщиной s из малоуглеродистых сталей составляет 1,2√s, из легированных сталей —1,1 √s.

Металл, имеющий большую теплопроводность, должен иметь и большую установочную длину. При сварке оплавлением l₁+l₂= Δ_опл + Δ_ос + Δ_к, где Δ_к— конечное расстояние между зажимами, выбираемое из условия сохранения устойчивости деталей и низкого уровня теплоотвода в зажимы (обычно Δ_к≤Δ_опл+Δ_лс). Для круглых стержней l₁+l₂= (0,7÷1,0) d, для полос (4÷5) s.

Выбор параметров режима

Значения параметров режима (программа их изменения) определяются видом сварки и свойствами свариваемых металлов.

Сварка сопротивлением характеризуется следующими основными параметрами:

— плотностью тока, определяемой удельным сопротивлением металла, А/мм²: при сварке сталей 100—150, алюминия 200—300, меди 400—500;

— временем сварки, увеличивающимся с ростом площади сечения детали (равномерный прогрев) и уменьшающимся с ростом теплопроводности (сплавы алюминия и меди), составляющим в среднем 0,2—1 с (диаметр проволоки ≤5 мм);

— давлением при осадке (р_ос), связанным с сопротивлением пластической деформации нагретого металла, МПа, ∼20 для малоуглеродистых сталей, 125 для легированных, ∼10 для цветных металлов.

Сварка оплавлением определяется следующими основными параметрами:

— плотностью тока в расчете на полное сечение детали, увеличивающейся с ростом сечения, тепло- и электропроводностью металла, заметно меньшими, чем при сварке сопротивлением (для стали j≈20 А/мм², для сплавов алюминия ~35 А/мм²). На мягких режимах (при малых t_св и v_опл) плотность тока может быть снижена;

— скоростью оплавления и Δ_опл — припуском, выбираемыми из условия равномерного нагрева торцов и достаточного прогрева околошовной зоны. К концу процесса скорость оплавления увеличивают. Величина Δ_опл, составляющая до 0,8 общего припуска, определяет градиент температур вдоль деталей. С ростом теплопроводности металла v_опл возрастает: при сварке сталей средняя v_опл=1÷3 мм/с, хромоникелевых сталей 2,5—3 мм/с, сплавов алюминия 4—10, меди ~20 мм/с. Давление осадки зависит от сопротивления деформации и степени нагрева металла (подогрева), например, при сварке малоуглеродистых сталей р_ос = 70 МПа (50 МПа при сварке с подогревом), коррозионностойких сталей—170 (110), сплавов алюминия — 220, титана — 60 (35) МПа. Припуск на осадку под током Δ_ос.т=0,4÷0,7 Δ_ос и возрастает при увеличении сечения деталей (Δ_ос=5 мм, Δ_ос.т=2 мм при S=10 см²; Δ_ос=11 мм, Δ_ос.т=4 мм, при S=100 см²). Скорость осадки обычно в 10—15 раз больше v_опл, она возрастает при увеличении теплопроводности металла, например, при сварке сталей до 60 мм/с, алюминия — до 150, меди — до ≥200 мм/с. Из других параметров следует отметить напряжение холостого хода (U_2.0), которое обычно выбирают минимальным для обеспечения устойчивого оплавления. В качестве примеров в таблицах 21.2, 21.3 приведены режимы сварки труб, рельсов и детален из сплава АМг6.

 

Точечная и шовная сварка.

 

При точечной контактной сварке локализация эффекта Джоуля и эффективность проковки определяются формой наконечников электродов и прилагаемым к электродам усилием. В случае рельефной сварки усилие, прилагаемое к электродам при проковке, и сечение канала прохождения тока определяются контактом на специально выштампованных выступах или рельефах.

Размеры рельефов определяют объем металла в соединяемых деталях, в котором будет происходить образование ядра сварных точек. Значительное усилие сжатия, прилагаемое ко всем выступам одновременно, и распределение тока, определяющего эффект Джоуля, достигаются за счет большой общей поверхности электродов — выступов, причем ток в этом случае проходит именно через данные рельефы.

Схема рельефной сварки

Способы рельефной сварки

Кинематическая схема данного способа сварки близка к схеме точечной сварки. Очень быстрое повышение температуры в области рельефов и в области с другой, плоской стороны листов одновременно вызывает и расплавление рельефов, и образование литого ядра. По мере осуществления сварки выступы полностью сглаживаются по отношению к поверхности верхнего свариваемого листа, и свариваемые детали соединяются таким же образом, как и в случае точечной контактной сварки за счет образования литого ядра.

Основной интерес к данному способу сварки вызван тем, что он позволяет одновременно сваривать значительное количество рельефных контактов на одной стороне деталей (при ограниченных размерах машины и ограничениях по геометрической форме соединяемых деталей).