Контактная сварка

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ...

Изменение полного сопротивления стыкового контакта от температуры в плоскости контакта вполне достоверно описывает (см. рис. 1.22 и 1.23) формула
...
Действительно, посмотрев на рис. 2.13, можно убедиться, что зона В, в пределах которой происходит искривление линий электрического тока, непостоянна: она максимальна в начальный момент и полностью исчезает в конце сварки, ведь эта зона и определяет геометрическую составляющую полного сопротивления контакта. Вместе с тем зона А тоже подвижна и тоже влияет на тепловую картину сваривания, но эта зона, отделяемая от зоны В подвижной поверхностью S, уже обусловливает активное сопротивление самих стержней.
...
Для рассмотрения сложной картины тепловыделения в стыковом контакте рационально считать, что действительно наблюдаемая в контакте температура Тк
...
Рис. 2.13. Искривление линий электрического тока в стыковом контакте
...
Это соотношение весьма существенно для выбора способа нагрева и способа сварки. Из него видно, что регулировать интенсивность тепловыделения в плоскости контакта технолог может, главным образом, величиной начального сопротивления контакта. Здесь открываются, в первую очередь, возможности оперирования с программированием механического давления. Контактное сопротивление, как было ранее показано, зависит от конструкции контакта. Это значит, что, придавая различную форму свариваемым деталям, можно получить различное сопротивление контакта и, следовательно, разные скорости тепловыделения и, соответственно, разные картины температуры распределения.
...
Все это можно иллюстрировать примерами, показанными на рис. 2.14 и 2.15. Идеальное контактирование обеспечивается при подготовке контакта по схеме рис. 2.14, а.
...
Рис. 2.16. Ударно-стыковая сварка разрядом конденсатора. Осциллограмма сварочного тока и отдельные моменты формирования разряда
...
Тепловыделение в контакте и распределение температуры по свариваемым стержням, согласно формуле (2.54), определяется давлением и силой сварочного тока, т. е. вполне регулируемыми параметрами.
...
Кривая / (рис. 2.15) определяет распределение температуры при слишком большом давлении и относительно малом токе. Кривая 2 характерна для импульсного режима, например для сварки разрядом конденсатора (3 — нагрев методом сопротивления). Охлаждающее действие зажимных губок в условиях реальной действительности несущественно. Это объясняется малым коэффициентом теплопроводности контакта деталь — губки вследствие неизбежного загрязнения губок в условиях производства.
...
Как было показано ранее [см. формулу (1.37)], глубина прогрева х1з х2 и х8 определяется временем действия энергии в плоскости контакта. Наименьший размер ха может быть получен в пределах долей миллиметра. Это происходит при ударной стыковой сварке проволок разрядом конденсатора или разрядом электромагнитной энергии, запасенной в железной массе трансформатора.
...
Принцип ударной сварки проволок сводится к следующему. Верхний конец свариваемой проволочки (рис. 2.16, поз. /) вместе с зажимающей его губкой падает на нижний конец, закрепленный в столе ударной машины. Проволочки находятся под напряжением 900—2000 В. В момент времени, при котором расстояние h
...
Рис. 2.16. Ударно-стыковая сварка разрядом конденсатора. Осциллограмма сварочного тока и отдельные моменты формирования разряда
...
щий плазменный шнур, и начинается разряд конденсатора. Стриммер превращается в концентрированный разряд. В момент максимума тока, на участке от позиции 2 до 3, скорость взрыво-искрового выплавления кипящего металла проволочек равна скорости падения верхнего зажима. От позиции 3 до 4 интенсивность разряда падает и, наконец, в позиции 5 проволочки стыкуются ударом, выплескивающим из стыка жидкий кипящий слой. Контакт сваривается ударным давлением, плоскость свариваемого контакта представляет собой тончайший (микрометры и десятки микрометров) слой интерметаллида, если свариваются разнородные сплавы. Малая толщина интерметаллидов, или малая толщина структурно дезорганизованного однородного металла, практически не снижают прочность сварных соединений по сравнению с прочностью целого металла. Концентрация энергии в контакте такова, что позволяет приваривать проволоку к любым массивным деталям.
...
Резко концентрированная энергия в свариваемом контакте характерна и для основного процесса стыковой сварки, который носит название стыковой сварки методом оплавления. Это процесс физически очень сложный. В настоящее время благодаря работам академиков УССР В. К- Лебедева и С. И. Кучук-Яценко создана весьма основательная теория процесса оплавления, разработана технология многих ответственных конструкций и соединений, разработаны новые специализированные машины. Рассмотрим только основные элементы физической сущности процесса оплавления.
...
Сварочный цикл начинаем с того, что (рис. 2.17, а) к разомкнутым стержням подключаем вторичное напряжение Uxx, при котором начинаем сближать стержни так, чтобы они встретились в какой-то физической точке (рис. 2.17, б). Поскольку этот контакт единственный, на который мы замыкаем всю электромагнитную энергию трансформатора, то за тысячные доли секунды контактирующие микровыступы не только расплавятся, но расплав даже вскипит (рис. 2.17, в). Какие же силы в эти мгновения действуют на жидкую перемычку? Это можно рассмотреть на рис. 2.17, г.
...
При малом зазоре между стержнями силы поверхностного натяжения Рп. н стремятся эту жидкую перемычку «размазать» на торцы стержней. Магнитное поле Н,
...
круга, но к нему надо обязательно стремиться. Жесткость всех шин, создающих вторичный контур, полностью препятствует формированию круглого контура. И в этом контуре только жидкая перемычка оказывается легко податливой под воздействием давлений магнитных линий сварочного контура. Она под влиянием этого давления и начинает движение во внешнее пространство. Так рвется и взрывается под влиянием всех перечисленных сил единичная контактная перемычка между двумя стержнями за время в несколько миллисекунд.
...
Взрыв перемычки заканчивается либо искровым разрядом между стержнями, либо кратковременным дуговым. Любой из этих разрядов оставляет след на торцевых поверхностях. Так, в частности, электрический искровой разряд производит удар, давление которого можно определить по формуле
...
где ряек — ударное давление, МПа, Е — энергия искрового раз ряда, Дж; г — радиус шарового пространства, в котором произошел искровой разряд, м.
...
Рис. 2.17. Схема образования и последующего взрыва единичного контакта при стыковой сварке оплавлением
...
Пример. Допустим, свариваются стержни диаметром 30 мм. Радиус шарового объема взорванной перемычки г = 1,5 мм. Энергия взрыва при токе /оп = 10 ООО А и напряжении U = 5,2 В за время t — 5-10~8 с
...
Таким образом, взрыв элементарной перемычки создает такой удар по торцевой поверхности, который не может не оставить на ней особого структурного следа. Если в какое-то мгновение перед взрывом перемычку считать цилиндриком (рис. 2.17, г) диаметром d = 3 мм и длиной / = 3 мм, то при той же энергии Е = 260 Дж температура металла перемычки составит Т = 260/(ycV)
...
Эта температура весьма близка к точке кипения. Сжатие перемычки и уменьшение ее диаметра до 2 мм мгновенно повысит температуру до состояния испарения. Однако электромагнитные силы пинч-эффекта и Рад не ждут этой температуры, а рвут перемычку и выбрасывают ее металл в виде мелких брызг до момента кипения.
...
До сих пор мы занимались единичной перемычкой. Однак процесс оплавления механически сводится к тому, что стержни по мере взрыва перемычек с некоторой скоростью перемещаются навстречу друг другу. Скорость перемещения подбирается такой, чтобы непрерывно создавались и взрывались не только одна перемычка за другой, но и несколько одновременно. При установившемся процессе оплавления между торцами бушует непрерывный взрывоискровой процесс от 300 до 500 перемычек в секунду. Получается сильнейший эффект сплошного фейерверка из потока мелких брызг горячего металла, который виден издалека, если зону оплавления не закрывают особыми футлярами по правилам техники безопасности.
...
На рис. 2.18 показано, как от первой 1, единичной, перемычки взрывоискровой процесс развивается по торцевым поверхностям благодаря медленному непрерывному сближению торцов и за счет замыкания некоторых узких зазоров брызгами металла только что взорванных перемычек (точки 2—4, рис. 2.18). Установившийся процесс оплавления — это сплошной веерообразный сноп мелких брызг раскаленного металла.
...
С помощью осциллографа можно проследить весь процесс сварки оплавлением (рис. 2.19). На рис. 2.19, а на стержни подано напряжение холостого хода Uxx. Стержни разомкнуты, никакого тока нет: / = 0. На рис. 2.19, б показан момент времени, когда процесс оплавления установился как бурный и непрерывный взрывоискровой. Напряжение на стержнях и ток фиксируются как некоторые высокочастотные кривые, наложенные на синусоидальную основу. Амплитудное значение напряжения на
...
стержнях Uon сравнительно близко к напряжению холостого хода Uxx, а амплитудный ток относительно невелик по сравнению с тем, какой получается при плотном контактировании стержней. На рис. 2.19, в показан именно такой момент, когда оплавление закончено и стержни сжимают для сваривания.
...
Формула (2.56) определяет прямую зависимость скорости оплавления от удельной мощности, что полностью согласуется с весьма достоверными опытными данными Н. Я. Кочановского.
...
Операция непрерывного оплавления ведется с конечной целью: получить на торцевых поверхностях сплошной слой кипящего металла и прогреть детали на некоторую глубину, при которой металл способен пластически деформироваться под действием осадочного давления. Как уже было показано выше, современные стыковые машины не только для тяжелых свариваемых изделий, но и для легких не позволяют обеспечивать скорости осадки более 20—30 см/с. Следовательно, ни о каком ударном давлении, завершающем процесс оплавления, не может быть и речи. В связи с этим все современные технологические рекомендации по операции осадки сводятся к эмпирически установленным нормам давления (по сути дела, статического).
...
где сгги —■ предел текучести металла в холодном состоянии, d — диаметр свариваемых стержней; h — заданное, конечное после осадки расстояние между губками машины; б — толщина листов.
...
Расчет по приведенным формулам показывает, что осадочное давление может быть весьма различным. Так, в частности, для конструкционных низколегированных сталей — в пределах 30— 80 МПа, для аустенитных — 150—200 МПа.
...
Как видно из описания стыковой сварки методом сопротивления и оплавления, электротепловые процессы в плоскости свариваемого контакта для них физически совершенно различны. Метод сопротивления — это спокойный нагрев плотного контакта; оплавление — это бурный, взрывоискровой или взрыводуговой процесс нестабильного, неустойчивого контактирования. Для оплавления необходим некоторый минимальный порог напряжения холостого хода стыковой машины. Практически устойчивый процесс оплавления не возбуждается при напряжениях ниже 2,5—3 В. Что же касается стыковой сварки методом сопротивления, то напряжения такого порядка вполне достаточны даже для осуществления весьма быстрых нагревов стержней малого диаметра.
...
Достаточно привести такие примеры. Круглые стержни из стали СтЗ могут быть сварены (см. рис. 1.22) силой тока И 500 А при времени включения тока 0,75 с. Начальное сопротивление Rkco
...
Если эти же стержни сваривать на мягком режиме, то при большем давлении полное начальное сопротивление контакта оказывается равным 80 мкОм. При силе тока 6400 А необходимо напряжение холостого хода 6400-80/106 = 0,512 В. Время сварки в этом случае было 4 с.
...
Что касается сварки методом оплавления, то электрическое сопротивление взрывоискрового промежутка будет значительно большим, чем сопротивление плотного контакта. Впрочем, и природа самого сопротивления промежутка [см. равенство (2.57) ]', совершенно другая.
...
В этом вопросе стоит разобраться несколько подробнее. Обратим внимание на то, что в реальной действительности приходится сваривать встык не только изделия круглого или квадратного сечения (такие сечения, кстати, называются компактными). Имеется множество и развитых сечений: это трубы, полосы, листы; для них стыковая сварка методом сопротивления в большинстве случаев затруднительна из-за невозможности создать равномерное контактирование по всему периметру. Для развитых сечений во всех случаях оказывается предпочтительным методом непрерывного оплавления.
...
Процесс образования и разрушения контактных перемычек жидкого металла для компактных и развитых сечений не одинаков. Различие объясняется несимметрией магнитного давления на перемычки жидкого металла при сварке разных по форме сечений. На рис. 2.20, а показано симметричное магнитное поле
...
при сварке круглых стержней. Если же речь идет о сварке полос, то магнитное давление в этом случае ввиду кратковременности этого эффекта [см. формулу (2.42)] будет определяться так:
...
Это значит, что перемычка будет несколько вытянутой по ширине оплавляемой пластины (рис. 2.20, б). И еще есть одна особенность. Две соседние перемычки в силу общей несимметрии у их размеров по сечению и несимметрии магнитного поля (рис. 2.20, в) вокруг них будут стремиться к сближению. Разумеется, такое движение при оплавлении весьма быстро прервется, поскольку и перемычки будут взорваны. Этот эффект сближения перемычек жидкого металла можно, однако, визуально наблюдать, если осуществить плотное контактирование двух стальных тонких полос и нагреть контакт токами относительно небольшой силы, при которой перемычки еще не взрываются.
...
Пример. Представим себе процесс непрерывного оплавления круглых стальных стержней диаметром D = 30 мм. Исследуем момент существования только одной перемычки диаметром
...
= 3 мм. Тогда мгновенное значение электрического сопротивления этой перемычки определится по формуле (1.69), если принять удельное сопротивление металла, соответствующее точке плавления, т. е. рт = 140-10"8 Ом-м,
...
Формулы (1.69) и (2.61) объясняют причину трудности возбуждения процесса оплавления круглых прутков малого диаметра. Для них размеры d
...
Динамика электротепловых процессов при точечной сварке очень сложна. Достоверных теоретических расчетов по этой теме не создано до сих пор не только по причине их сложности. Всего вероятнее, главная причина заключается в том, что производство вполне обходится без этих расчетов, поскольку значительно легче и, самое главное, точнее установить оптимальный режим сварки непосредственно на практике и тем самым обойтись без тепловых расчетов. Однако, как уже отмечалось выше, расчетные системы, если они хорошо отображают реальную действительность, весьма необходимы для понимания физической сущности исследуемого процесса. Исходя из этого принципа, здесь и рассматриваются закономерности выделения теплоты при формировании расплавленного ядра сварной точки.
...
Независимо от того, с какой точностью предполагается определять взаимосвязи всех переменных, которые управляют выделением теплоты в металле в результате прохождения тока, нельзя обойтись без понятий электрических сопротивлений самого металла и металлических контактов. В п. 1.4 уже обращалось внимание на тот факт, что электрические сопротивления самих свариваемых деталей как проводников электрического тока только в редких случаях определяются их геометрическими размерами. Такой редкий случай имеет место для стыковой сварки цветных металлов, когда можно пренебречь поверхностным эффектом и сопротивление стыкуемых концов рассчитать по элементарной формуле
...
К сожалению, в некоторых даже современных литературных источниках эту элементарную формулу рекомендуют как достоверную для точечной сварки, вводя в формулу разные коэффициенты:
...
Как было показано в формуле (1.65), х — это не размер проводника, а протяженность линий тока, пронизывающих проводник. Точно также S — это не геометрический размер какого-то сечения проводника, а площадь переменного сечения потока силовых линий электрического тока. Кривизна линий электриче-
...
екого тока, их плотность в различных участках проводящего элемента определяются, в первую очередь, не геометрией проводника, а его физическими характеристиками в зоне прохождения тока: магнитной проницаемостью |Л,
...
При контактной точечной сварке очень сложна не только конфигурация проводников, но также сложны и очень нестабильны во времени температурные поля в зоне свариваемых контактов.
...
С точки зрения вложения энергии в зону свариваемого контакта нас интересуют два главнейших фактора: программа изменения сварочного тока во времени и активные сопротивления, которые определяют ту энергию Джоуля, которая обеспечивает необходимую активацию свариваемого контакта. Для точечной сварки эта' активация должна заканчиваться плавлением ядра будущей сварной точки. В тексте, относящемся к рис. 1.25, уже предварительно было показано, что измерять мы можем только полное сопротивление контакта /?кт, равное для идеально чистых поверхностей
...
Раздельно измерить составляющие гмг и ггт нельзя. Этот факт иллюстрируется еще одной наглядной схемой измерения, приведенной на рис. 2.21. Контакт двух микропирамид моделирован резистором гмг, а пучки линий электрического тока по металлу (участки Ai
...
Рис. 2.21. Моделирование контакта в виде группы резисторов, на которых измеряется падение напряжения
...
Как видно, значение гмг и ггт раздельно можно определить только расчетным путем. Таким образом, все предшествующие рассуждения об электрических сопротивлениях контактов и деталей полностью оправдывают смысл первой фразы этого параграфа. Процессы выделения джоулевой теплоты в металле при формировании точечно-сварного соединения идут при изменяющихся сопротивлениях и при изменяющемся сварочном токе. Рассмотрим динамику этого процесса не только в общем виде, но и с учетом некоторых конкретных количественных характеристик (рис. 2.22, а—д). Наиболее сложная картина выделения теплоты имеет место при сварке магнитных металлов и притом не самой малой толщины.
...
Прежде чем будет включен сварочный ток, ударом электрб-дов создается механический контакт двух шероховатых поверхностей деталей (рис. 2.22, а). Этот первый эпизод контактирования уже показывает приближенность расчета начального сопротивления контакта по формуле (1.79).
...
Действительно, эта формула определяет электрическое сопротивление или двух, или одной контактирующей пирамиды как сопротивление проходящему по ним сварочному току. Однако 98
...
тока в позиции рис. 2.22, а еще нет. Тем не менее в этом, пока еще только механическом контакте уже идут чисто электрические процессы. Удар, создав неравномерную деформацию в микроконтактах / и 2, тем самым вызвал сильную экзоэлектронную эмиссию, которая в малой мере существовала и до того в этих выступах, так же как в точках 3, 4 и других, за счет операции подготовки поверхности как механическими средствами, так и химической обработкой. Неравенство температурных вспышек в точках 1
...
Остановимся еще некоторое время на первом мгновении включения тока и посмотрим, что должно происходить с сопротивлением контакта без учета замкнутых круговых токов.
...
На рис. 2.23 воспроизведена типовая кривая изменения полного сопротивления контакта RKT во времени, подобная той, что представлена на рис. 1.27, с той лишь разницей, что за первое мгновение после включения тока длительностью tA
...
Показатели степеней р, q, п могут быть различными, в зависимости от программы изменения давления электродов во времени. Удельное сопротивление микропирамид определяем по формуле
...
Учитывая соотношения Д2.63), (2.64), на рис. 2.24, а построены вероятные кривые изменения размеров микропирамид в пределах времени длительностью t&. На основании формулы (1.76) построена кривая изменения сопротивления микропирамид, которую мы приближенно определяем как электрическое сопротивление микрошероховатого контакта гмг (рис. 2.24, а). Как 4*
...
Рнс. 2.24. Изменение электрического сопротивления контактирующей пирамиды в процессе ее нагрева и деформации в первые мгновения после включения тока
...
Это сопротивление холодного контакта группы микропирамид. Но вот произошло их плавление и образовался расплавленный диск. Удельное сопротивление металла здесь стало рт = — 140 мкОм-м, а сопротивление самого диска
...
оказывается весьма малым. Вместе с тем, кривая показывает в момент t& сопротивление в десятки раз большее. Вот это и есть результат неотделимого от плоскости диска искривления линий электрического тока, пронизывающих расплавленный диск.
...
Если бы речь могла идти о статическом электрическом поле вокруг расплавленного диска, т. е. если не учитывать магнитного сжатия линий электрического тока, то сопротивление его прохождению оказывала бы составляющая
...
Формула эта, как и многие другие, известна из теории заземлений, где допускают возможным рассчитывать сопротивления по уравнению Лапласа, а ие Максвелла, т. е. не учитывать эффект сжатия линий тока магнитным потоком. В формуле (2.66) р — удельное сопротивление расплава; d — диаметр диска.
...
Формула (2.66) имеет в виду что две полубесконечные массы металла контактируют друг с другом только через расплавленный диск. Таким образом, линии тока, проходя из одной половины в другую и пронизывая диск, искривляются, что и фиксируется как добавочное к объемному электрическое сопротивление не только расчетом, но и измерением. Полагая, что в первое мгновение расплавленный диск окружен холодным металлом и его удельное сопротивление соответствует именно такому значению температуры, по формуле (2.66) находим
...
Этот результат следует считать для случая магнитного металла, вероятно, заниженным. Магнитный поток сожмет силовые линии тока и они примут вид скорее такой, как схематически показано по сечению нижнего листа на рис. 1.25, чем такой, как в верхнем листе того же рисунка.
...
Примем силу сварочного тока / = 10 ООО А. При d0 = 0,85 см Н = 3746 А/см. По кривой намагничивания (см. рис. 2.2) находим р= 5. Тогда по формуле (2.16)
...
Расчет показал, что-в данном случае размер Ь меньше d0, и, следовательно, линии тока в металле сжаты, как это показано в нижнем листе рис. 1.25.
...
Все эти численные результаты не следует считать полностью достоверными. Расчеты проделаны для того, чтобы показать, какого уровня могут быть отдельные составляющие электрических сопротивлений в зоне свариваемого контакта и в нем самом. Расчеты показывают, в том числе, совершенную нестабильность начального сопротивления микро- и макрогеометрии линий протекания электрического тока, т. е. нестабильность полного сопротивления свариваемого контакта. Как видно, эту нестабильность нельзя устранить какими-либо регулирующими устройствами, нельзя и ориентироваться на нее при расчетах.
...
Расчетные примеры, показанные выше, можно подытожить посредством наглядного графика, приведенного на рис. 2.25. Здесь показана временная зависимость полного сопротивления контакта и на ней отмечены отдельные характерные эпизоды изменяющихся сопротивлений, поясняемые табл. 2.1. Наиболь-102
...
Рис. 2.25. Изменение полного сопротивления контакта в процессе формирования сварной точки
...
Формула (2.68) имеет вспомогательный характер и только показывает взаимосвязь переменных процесса выделения теплоты в приближении не изменяющегося за время сварки действующего значения сварочного тока.
...
Картину выделения теплоты в контакте для импульсных режимов сварки металлических поверхностей, покрытых оксидной пленкой, следует рассмотреть отдельно. Задача эта очень сложная, и ее решение под силу только ЭВМ. Что же касается производственников-технологов, то им необходимы такие расчетные соотношения, которые правильно ориентируют понимание взаимосвязей всех переменных, участвующих в процессе. Исходя из этих условий, построим расчетную схему на целом ряде допущений и упрощений.
...
Примем допущение, что при импульсных режимах точечной сварки все энерговыделение в зоне свариваемого контакта идет на плавление ядра цилиндрической формы диаметром dT и высотой п. Форму кривых сварочных токов будем учитывать по формулам (2.44) и (2.45). Полное сопротивление свариваемого контакта с учетом оксидной пленки на нем определим суммой
...
Первый сомножитель развернем по формулам (2.44) и (2.45). Вторым сомножителем займемся отдельно — в нем все слагаемые в процессе сварки переменны. Учтем только те характеристики, которые меняются в наибольшей степени. Для слагаемого ггт это будет удельное сопротивление металла вокруг контакта. Вместо общепринятого его значения рт = р0 (1 + «7) примем более краткую зависимость удельного сопротивления от абсолютной температуры 6. Тогда для многих металлов можно записать зависимость
...
Учитывая (2.71), примем размеры ядра неизменяющимися, и для этого условия геометрическая составляющая сопротивления контакта обозначится так:
...
Электрические сопротивления микропирамид шероховатости по формулам (1.79), (1.80) в расчет вводить невозможно, иначе решение уравнения (2.70) окажется доступным только ЭВМ. Мы же ставим задачу получить возможно большую наглядность взаимозависимостей переменных параметров. Приведенный выше численный пример показал, что от начального значения, весьма 104
...
значительного, уже при малых значениях критерия X переходит в новое качество — в расплавленный диск. Примем изменение гш по упрощенной зависимости
...
Значительно сложнее дело обстоит с составляющей гпл электрического сопротивления оксидной пленки. Для условий контактной точечной сварки эта величина практически является неопределенной переменной. Существующие литературные источники дают некоторые характеристики оксидов, но, к сожалению, измеренные в статическом состоянии и при определенной технологии изготовления оксида. Ничего подобного при точечной сварке нет. Электрические характеристики пленок на свариваемом ме талле неопределенны и зависят от структуры размеров и времени существования пленок с момента зачистки. Этот последний фактор определяет интенсивность экзоэлектронной эмиссии и, следовательно, косвенно влияет на удельное сопротивление пленки. Для оксидных пленок в условиях точечной сварки большинства металлов (кроме алюминия и его сплавов) можно уверенно считать только одну зависимость достоверной — это уменьшение удельного сопротивления с увеличением температуры. Мало того, можно считать, что при плавлении металла оксидные пленки растворяются в расплаве, и тогда их сопротивление вообще можно не учитывать. Исходя из такого рода соображений, примем
...
Подставляя теперь в равенство (2.70) все его отдельные слагаемые и сомножители в развернутом виде, получим довольно громоздкое уравнение:
...
В этой формуле роль каждой переменной процесса просматривается с трудом, поэтому из нее будем устанавливать некоторые конкретные взаимосвязи, способные подсказать методы технологического регулирования процесса сварки. Прежде всего раскроем значение временной функции F
...
именно путем изменения числа п, а не плотности сварочного тока. Как уже было показано, начальное сопротивление холодного контакта, определяемое в том числе величиной гмг, зависит от критерия X [см. формулы (1,13) и (1.14)]. Стоит заметить, что коэффициент Ь, характеризующий обработку контактирующих поверхностей (см. табл. 5 приложения), может меняться от 1 до 8 при самых обычных способах подготовки металла под сварку. Что же касается изменения отношения действующего давления к пределу текучести р/от, то это число в реальных условиях может быть изменено только в пределах 0,2—0,5. Следовательно, для идеально чистых металлических поверхностей (оптически прозрачная оксидная пленка) характер обработки этой поверхности сказывается на скорости тепловыделения более заметно, чем изменение действующего начального давления.
...
Рассмотрим теперь общую тепловую картину не только в зоне свариваемого контакта, но и целиком в свариваемых деталях. Согласно обозначениям на рис. 2.26, можно составить баланс энергии в таком виде.
...
Рис. 2.26. Схема тепловых -] потоков при точечной сварке
...
тепловые потери в массу свариваемых деталей Полагая S — псЦ26, перепишем
...
Из этого отношения можно получить критерий технологического подобия, если учесть несомненную пропорциональность Р = оу$, в которой Р — сила сжатия электродов. Тогда:
...
Из рис. 2.26 видно, что при точечной сварке имеются еще два очага тепловыделения, это контакты электродов с деталями QgM. Очаги эти весьма своеобразны. Прежде всего энергия <2ЭМ регулируема. Интенсивность тепловыделения в этих несваривающихся контактах зависит от формы и размера электродов, металла электродов, состояния поверхности. Эти же факторы определяют и отвод теплоты в массу охлаждаемого электрода
...
зумеетея, в случаях такого рода тепловой баланс (2.85) может, быть весьма своеобразным и формулы тепловыделения, если только такие формулы нужны, будут отличаться от (2.80). Конструктивные сочетания типов, приведенных на рис. 2.27, принято относить к разряду рельефной сварки, поскольку в каждом варианте вариваемый контакт отличается рельефным выступом той или иной формы. Выступы такого рода играют заметную роль концентраторов энерговыделения, за счет чего и удается осуществлять расплавление ядра разной формы. Это обусловливается не только конструкцией свариваемых деталей. Более существенное значение имеет распределение сварочного тока в процессе нагрева свариваемого (да и не только свариваемого) контакта.
...
Форма свариваемых деталей, магнитность или немагнитность металла, резкие изменения токопроводящих сечений проводника — все эти вещи, вместе взятые, создают иногда весьма сложную картину распределения тока в свариваемых деталях. Во многих случаях оно оказывается подобным тому, которое характерно для распределения механических напряжений по растягиваемым или сжимаемым деталям разной формы, с разными концентраторами напряжений.
...
Этот факт в некоторой мере поясняют модели, приведенные на рис. 2.28. На первой из них (рис. 2.28, а) показаны эпюры распределения сварочного тока по плоскостям 2—2 свариваемого и /—/ несвариваемого контактов. При сильном эффекте шунтирования тока в соседнее ядро (рис. 2.28, б) эпюры токов резко меняют свою форму. На рис. 2.28, г показана разная степень концентрации тока относительно разной формы надрезов и изгибов проводящей шины. При окончательном формировании контакта (рис. 2.28, д) характерно уменьшение концентрационных пиков тока в тех плоскостях 2—3, где плотности тока вообще весьма велики по еравнению с плоскостями 1—
...
Рнс. 2.27. Некоторые типы рельефно-сварных соединений
...
Шовно-сварные соединения представляют практический интерес, если необходима не только определенная прочность, но и достаточная плотность или даже полная герметичность. Такого рода соединения могут быть получены заменой электродов точечных машин вращающимися роликами (рис. 2.29, здесь диаметр ролика показан значительно преуменьшенным по сравнению с толщиной свариваемых листов, кроме того, изображен только один верхний ролик). Рис. 2.29 иллюстрирует процесс сварки так называемым шаговым швом, когда при неподвижном ролике включается импульс сварочного тока, за счет которого происходит формирование единичной сварной точки. Сваривающий ролик поворачивается на некоторый угол (от штрихового изображения) и останавливается для постановки следующей точки. Линейное перемещение ролика осуществляется на такой шаг, чтобы получалось перекрытие предыдущей точки каждой последующей на размер k. Минимальный размер перекрытия к, согласно ГОСТ 15878—79, должен быть не менее v4
...
Рис. 2.28. Схемы возможных концентраций сварочного тока при одноточечном
...
листов более 0,6 мм. Для меньших толщин допускаются меньшие перекрытия. Собственно сваривающий ток /св (рис. 2.29) частично шунтируется в предыдущую точку.
...
В современной производственной практике наибольшее распространение получил цикл шовной сварки так называемым прерывистым процессом, когда ролики вращаются безостановочно, а сварочный ток включается на время tm
...
бенно характерно проявляются два особых электрических эффекта, рассмотренные выше для точечной сварки: явление шунтирования сварочного тока и сжатие линий тока его собственным магнитным полем. Для анализа всей этой картины воспользуемся рис. 2.30. На рис. 2.30, а
...
Рис. 2.30. Сварной шов при прерывистом включении сварочного тока и непрерывном вращении роликов (й), распределение тока в металле (б)
...
схема перемещения роликов (опять без соблюдения масштаба диаметра ролика и толщины свариваемых деталей). Непропорционально глубоко вдавлены ролики в свариваемые детали. Рассмотрим момент, когда ролики после сварки точки длиной п передвинулись из положения ролика, изображенного штриховой линией, в позицию, показанную сплошной линией. Он достаточно плотно контактирует с металлом по длине от линии 3 до линии 4. В этот момент и включается импульс тока длительностью Как видно из рисунка, за время /„ (время вращения ролика без тока от линии / до линии 2) успел образоваться непроверенный участок, от линии 2 до линии 3. Вот этот участок и сваривается, но только за счет тока шунтирования /ш, который по своей плотности распределяется в момент включения сваривающего тока по эпюре, показанной на рис. 2.30, б.
...
Как видно, ток шунтирования бесполезный и даже вредный при точечной сварке, для шовной сварки превращается в свою противоположность и оказывается решающим в деле создания плотного шва посредством перекрытия каждой последующей точкой точки предыдущей.
...
Не последнюю роль в деле шунтирования играет и эффект магнитного давления. Ролик — это не электрод точечной машины. Его контактирование с металлом происходит по удлиненной площади, когда размер п больше ширины ролика Ь (иногда значительно). Это и является причиной неравномерности давления, оказываемого на линии тока собственным магнитным полем этого тока. А это приводит к вытягиванию тока и в сторону шунтирования его в предшествующую точку, и в сторону движения ролика в еще несваренный участок.
...
Вот по этим двум причинам (шунтированию и магнитному сжатию тока) и удается время паузы /„ (движения ролика без тока) устанавливать не только равным времени включения tm,
...
Рассмотрим количественную сторону процесса сварки швом посредством прерывистого включения тока. Согласно ранее исследованным соотношениям, был определен физический смысл критерия К- Так, согласно (1.47) и (2.83) числитель этого критерия — это та энергия, которую мы вводим в зону свариваемого контакта, а знаменатель — энергия, теряемая за счет теплопроводности в окружающую массу металла. Для шовной сварки можно считать
...
где / — ток вторичного контура, т. е. сваривающий и шунтирующий; рт — удельное сопротивление металла в момент его плавления; к
...
где б — толщина свариваемого металла, а длину точки я, как видно, приближенно можно выразить через линейную скорость движения роликов v и время включения тока <ш, т. е. п = vtm. Тогда S = vtafi-
...
Всякий раз, когда рассматривается вопрос об изготовлении каких-то изделий посредством сварки, технолог вынужден решать одну из следующих двух задач или даже обе одновременно.
...
1. Способно ли имеющееся оборудование обеспечить такую технологию сварки, которая обеспечит изготовление готового изделия, полностью удовлетворяющего техническим условиям. В этом случае выбор технологии полностью определяется характеристиками и параметрами имеющегося оборудования; творческие поиски новых технологических способов оказываются чаще всего весьма стесненными.
...
2. Для заданного нового изделия необходимо проектировать наиболее рациональную технологию сварки и по оптимальным технологическим режимам закупить готовое или спроектировать новое сварочное оборудование. Проектирование нового оборудования иногда выливается в создание особых специализированных машин или в проектирование каких-то дополнительных устройств, совершенствующих готовые сварочные машины — задача технологически значительно более творческая.
...
При решении любой из этих двух задач технолог перед «заказчиком» обязательно ставит целый ряд вопросов. Вот основные из них:
...
5) какова должна быть конкурентоспособность изделия, изготовленного по новой технологии, по сравнению с ранее используемой;
...
О каком бы стыковом соединении ни шла речь, идеальным требованием для него всегда остается желание получить прочность, равную целому металлу. Следовательно, во всех случаях необходимо стремиться к созданию структуры плоскости сваренного контакта, в самой большей степени похожей на межкристаллит-ные границы целого металла. Но это далеко не все. Физическая структура, размеры зерен и химический состав металла вокруг плоскости контакта и в самой плоскости также не должны сильно отличаться от глубинных слоев свариваемых деталей.
...
Если именно такие требования являются идеальными, то не всякая технология способна этим требованиям удовлетворять. Выше уже неоднократно подчеркивалось, что полный цикл сварки состоит из операций подготовительных и завершающих, сварочных. Этот тезис весьма очевиден: можно как угодно идеально 114
...
подготовить холодные детали, как угодно совершенно их нагреть (или подогреть), и все это идеальное ничего не будет стоить, если завершающая операция механического давления будет проведена неправильно и нерационально. Возникает вопрос: спасают ли от этой опасности существующие во всех пособиях и инструкциях нормативные рекомендации осадочных давлений? Спасают. В небольших границах.
...
Дело здесь вот в чем. Специалисты-электромашиностроители за период своей многолетней практики с высокой степенью совершенства отработали электрическую часть контактных машин, ■*
...
Приведенные выше теоретические решения показывают, что табличные рекомендации сил сжатия, или норм давлений без учета скорости действия этих сжимающих сил, совершенно не гарантируют каких-либо надежных показателей прочности сварных соединений. Медленно прикладываемые осадочные давления, особенно при сварке деталей больших сечений, недостаточно справляются' даже с подготовительной задачей — удаления из плоскости контакта оксидных загрязнений. При стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений весьма часто оказывается, что электрическая часть машины способна создать достаточный нагрев. Однако механическая система мала по своей мощности и осуществляет сжатие совершенно недостаточное
...
Во всех существующих книгах предписываются рациональные нормы осадочных давлений. Однако ни одна из существующих стыковых машин не снабжается измерителем давления. Таким образом, технолог достаточность сжимающих сил определяет по стру^ турам готовых сваренных образцов, а не по измерительным приборам. В этой книге хочется избежать нормативных рекомендаций по силам осадки. Энергетическое равенство (2.47) дополним некоторыми слагаемыми:
...
Равенство (3.1) достаточно отчетливо показывает, что стыковая сварка пока что замерла на статических программах осевого осадочного давления. Все стыковые машины в настоящее время только и строятся в расчете на эти программы. Однако нетрудно видеть, что для многих деталей, подвергаемых сварке, стыковые машины могут быть переделаны под комбинированные осадочные давления. Исследуя равенство (3.1), следует обратить особое внимание на то, что любой способ осадочной операции согласно третьему, четвертому, пятому и особенно шестому слагаемым максимально эффективен при тем меньших давлениях ро0 и ртр, чем с большей скоростью (малые toc, t-rp, tya и tCKB) эти давления прикладываются к свариваемым деталям. Высокая скорость приложения осадочных давлений позволяет, таким образом, весьма снизить силы осадки и облегчить механическую часть машин. В то же время при относительно небольших давлениях осадки нужна ориентация на такие электротепловые режимы, при которых плоскость, контакта вследствие пропускания тока получает температуру точки плавления или даже выше ее. >
...
Все это говорит о том, что в электрической контактной сварке надо главное внимание уделять не только электротепловым процессам и электрическим системам стыковых машин, но и операциям механической * осадки и механическим системам машин. Основанием является равенство (3.1), которое показывает, что технолог может исключительно точно, тонко и независимо регулировать вложение в контакт электрической и механической энергии, как и других видов энергии.
...
Так, в частности, ранее было показано, что ударно-стыковая сварка обеспечивает сварное соединение, наиболее близкое к идеальному. Ж
...
Взрывоискровой процесс оплавления отличается от искрового тем, что по торцам свариваемых деталей любой площади последовательно и одновременно во множестве возникают искровые ра -ряды, и каждый из них дает на металле кипящий слой. Однако весь процесс растянут во времени, идет на воздухе и, следовательно, ему присущи неизбежные окислительные реакции по плоскости
...
торцов и даже изменение химического состава металла на некоторую глубину от торцов. Сварное соединение, изготовленное методом оплавления, оказывается далеким от идеального, особенно, если осадка была замедленной и недостаточной по силе. Последствия такого плохого использования механической энергии особенно часты при сварке больших сечений, как компактных, так и развитых.
...
Стыковая сварка методом сопротивления стальных деталей вообще ни при каких режимахДрекомендуемых современной литературой, не может сохранить структуру металла, мало отличающуюся от исходной. Однако равенство (3.1) подсказывает и другие режимы для стержней малых диаметров (вероятно, не более 10 мм), которые могут оказаться весьма желательными, особенно для цветных металлов. В чем суть этих режимов? Электронагрев должен быть осуществлен возможно более кратковременным включением, но при значительной силе тока. Подбор режима нагрева следует производить опытным путем, помня о следующих теоретических ограничениях: в плоскости контакта температура должна превысить точку плавления на 100—200 °С. Тогда на торце каждого стержня окажется тонкий слой расплава. В этот момент должно быть осуществлено быстрое сжатие, но силой, значительно меньше той, какая рекомендуется в современных руководствах. Задача: выдавить жидкий металл из плоскости контакта, но так, чтобы тончайший слой расплава в стыке был сохранен. Если этот тончайший слой расплава затронет только несколько кристаллических слоев на торце каждого стержня, такое соединение будет весьма близким к идеальному, поскольку кратковременный импульс тока не успеет испортить исходную структуру основного металла.
...
Рассмотрим, как конструкция и размеры деталей определяют выбор технологии стыковой сварки. На рис. 3.1 показаны некоторые типовые стыковые соединения. Здесь одновременно полезно обратить внимание и на форму, и на размеры свариваемых деталей. Первый тип соединения (рис. 3.1, а) в зависимости от абсолютных и относительных размеров В и 8 может свариваться по-разному. При В = б, если при этом площадь сечения не превышает S = = 1 см2, вполне возможна ударно-стыковая сварка разрядом кон-
...
Еще один тип изделий создал свою отраслевую технологию стыковой сварки — это цепи. Их размеры весьма многообразны, особенно корабельных цепей. Для звеньев крупных размеров (диаметр й
...
Следующей типовой серией сварных конструкций можно считать соединение стержней с плитами или какими-либо деталями массивной формы (рис. 3.2). Первый вариант соединения показан на рис. 3.2, с, когда массивная деталь имеет хвостовик большой длины, по крайней мере более (4ч-5) d.
...
Рис. 3.2. Образцы подготовки разноразмерных деталей к различным способам стыковой сварки
...
жно сваривать любым способом: и методом сопротивления, и методом оплавления. При относительно меньшем хвостовике, длиной порядка I
...
Процессы стыковой сварки широко применяются для трубчатых соединений; диаметры труб могут быть от 20 мм до 1420 мм, с толщиной стенок от 0,5 до 18 мм, что и определяет большое разнообразие технологических процессов сварки труб, даже без учета марки свариваемого металла. Если свариваются встык трубы одного и того же диаметра и толщины стенок (рис. 3.3, а),
...
Трубы малого диаметра особенно характерны для силовых трубопроводов, большого — для магистральных газо- и нефтепроводов.
...
Если рассматривать только современные и широко используемые процессы нагрева стыковых соединений, то придется остановиться на трех:
...
где осадочное давление р — в МПа. В этом случае t — в с, hoe и Н — в м, коэффициент внутреннего трения л
...
Физический смысл формулы (3.4) в следующем: при любых температурных состояниях свариваемых стержней может быть произведена Осадка с любой скоростью и тем самым будет обеспечена заданная желательная деформация. Этим самым провозглашается весьма существенный технологический принцип: нет границ в использовании давлений для стыковой сварки. Они могут быть любыми: от самых малых, используемых пока что в существующей практике контактного нагрева, до самых больших, уровня взрывных процессов.
...
Желательная или необходимая деформация обусловливается прежде всего тем, насколько хорошо она обеспечит вынос из плоскости контакта всех нежелательных загрязнений металла. В конечном же итоге деформация создает в массе глубинных чистых слоев металла прочную металлическую связь. Эти ответственные технологические эффекты определяют не только величиной осадочного давления, но и для каждого температурного состояния стержней — скоростью действия осадочной силы. Практические расчеты по формуле (3.4) вполне возможны. Конструкторам будущих стыковых машин они даже понадобятся. Численные значения коэффициента внутреннего трения т) могут быть приняты, вероятно, те, которые получены в гл. 1. Затруднения будут вызваны тем, что значения г\
...
Формула (3.4) может дать достоверное значение осадочного давления для деформации в ограниченных пределах зажимных губок, если учитывать еще формулы (1.20) и (1.21): полученные по формуле (3.4) значения давления надо умножить на скобки
...
за 1 с. Относительная деформация при холодной сварке, как известно, высокая — около 0,9 (губки сходятся почти вплотную). Приэтих условиях,согласно формуле (3.4), получаем
...
При h = 0,1 давление увеличивается до 1320 МПа Эти подсчеты хорошо показывают не только физический смысл формулы (3.4), но и достоверность расчетов по ней.
...
Чаще всего стыковая сварка методом сопротивления применяется для сварки стальной, медной и алюминиевой проволоки диаметром от 2 до 10 мм. Стержни больших сечений и вообще детали больших развитых сечений — это уже область стыковой сварки методом оплавления, и притом преимущественно стальных деталей. В настоящее время существует более 2000 марок различных сталей. Описание особенностей технологических процессов сварки даже однотипных сортов стали вряд ли возможно и целесообразно, поскольку речь должна идти не только о традиционных режимах, но и тех перспективных, о которых в этой книге говорилось не однажды.
...
Рассмотрим некоторые принципы поведения стальных деталей при их стыковой сварке. Типовая структура деталей, сваренных методом оплавления, схематически показана на рис. 3.5. На нем условно изображена полого растянутая в направлении оси стержней кривая температур, зафиксированных в стержнях в момент выключения тока. В соответствии с этим распределением температуры по сечению правого стержня показана схема типовой структуры металла вокруг сварного соединения и в нем самом. В результате сжатия стержней жидкий окисленный металл из плоскости контакта выдавливался и распределялся по всей окружности стыка в виде кольца А.
...
можно понять разнотолщинность полоски. Об этой нетравящейся полоске речь будет в дальнейшем. Следующая зона В характеризуется большим размером зерна. Здесь температура была выше 1100°С, структура такого металла называется перегретой. Металл с таким зерном обладает пониженной пластичностью. Этот слой желательно иметь возможно более тонким. В зоне Г температуры таковы, что при медленном охлаждении создается постепенный переход к мелкозернистой структуре. Металл в зоне Д нагревался до температур несколько выше Acs и потому претерпел полную перекристаллизацию. Структура металла в этой зоне мелкозернистая. Между зоной Д и зоной Е нагрев был выше точки Aclt но ниже Лс3. Здесь наблюдается только частичная перекристаллизация. В зоне Е не наблюдается никаких структурных изменений. Полная структурная картина стержней, приведенная на рис. 3.5, показывает, что пластические свойства и следовательно, динамическая вязкость от слоя к слою меняются.
...
Рассмотрим структурные особенности углеродистых и легированных закаливающихся сталей с помощью графиков твердости (рис. 3.6). Практически при стыковой сварке скорости охлаждения всегда получаются выше тех, которые создают те или иные закалочные структуры, поэтому свариваемые стержни из высокоуглеродистых и легированных сталей всегда приобретают в зоне шва ту или иную закаленную структуру.
...
Распределение твердости по кривой /—0—/ соответствует случаю сварки стержней, закаленных на высокую твердость. Как видно, в районе точки 0 закалка будет снята, т. е. в этой зоне температура будет соответствовать температуре отжига. Падение твердости в самом контакте для всех кривых объясняется неизбежным обезуглероживанием оплавляемых поверхностей стержней. Обезуглероженный слой располагается обыкновенно в пределах нетравящейся полоски Б,
...
Кривая твердости типа 2— О—/ может соответствовать случаю сварки холоднокатаной (нагартованной) и умеренно закаливающейся стали. Сильный наклеп при нагреве в зоне точки 0 оказался полностью снятым, но высокий нагрев вблизи контакта (точка 2) при соответствующей скорости охлаждения создал структуру умеренной закалки натроостит или сорбит.
...
стали, или нагартованного алюминиевого сплава АМг В этом случае нагрев до любых температур выше точки перекристаллизации полностью снимает наклеп.
...
Возможны и другие структурные комбинации. Например, если кривая твердости получилась 1—0—2
...
Типовую структурную схему соединения, сваренного методом оплавления, можно представить по рис. 3.7. При глубоком травлении полированного шлифа четко фиксируется волокнистое строение прокатного металла 4,
...
Рис. 3.7. Структурное строение стыкового соединения, сваренного методом оплавления
...
Белая нетравящаяся полоска всегда получается на поверхностях, обработанных электрической искрой. Однако она фиксируется и при полном отсутствии электрических разрядов, например при скоростной механической обработке металла. Мало того, аналогичные слои обнаруживаются на поршневых кольцах двигателей внутреннего сгорания, на трущихся поверхностях автомо бильных рессор. Зафиксированы белые нетравящиеся полоски и на поверхностях высокоуглеродистых пластин, сваренных дру с другом посредством мощного ударного давления, осуществленного взрывом. Обнаруживаются белые нетравящиеся полоски и при газопрессовой сварке.
...
Наконец, нетравящаяся полоска является почти обязательной прослойкой при стыковой сварке оплавлением не только различных марок конструкционных и легированных сталей, но и алюминиевых сплавов. При сварке сталей наиболее приемлемым считается мнение о нетравящейся полоске как о чисто ферритной прослойке, получающейся в результате обезуглероживания металла. Но эффект обезуглероживания может быть характерным лишь для газопрессовой сварки, поскольку в ней не действуют никакие дополнительные электромагнитные, электроискровые и ударные механические силы. При стыковой сварке оплавлением все эти силы действуют и притом в значительных масштабах. Эти-то силы и являются в данном случае главными, а не второстепенными. К сожалению, роль этих главных сил по сути дела никем в достаточной мере не изучалась.
...
Наличие белой нетравящейся полоски — это не- просто структурный контраст. В ней обнаруживаются микротрещины 5
...
Определим, какие именно параметры режимов сварки необходимо рассчитывать и какие только желательно. При этом важно знать, с какой точностью их предполагают рассчитать и с какой сейчас это возможно. Известно, что если подбор режима доступно отработать на натурных изделиях экспериментально, то технологам не следует заниматься расчетами. Этот факт вполне оправдан тем, что никакие современные расчеты по достоверности конечных результатов не могут соперничать с реальным опытом. Даже
...

Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали
Контактная сварка
Термическая обработка в машиностроении: Справочник
Металлургия черных металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Контактная сварка