Если рассматривать только современные и широко используе­мые процессы нагрева стыковых соединений, то придется остано­виться на трех:

1) электроискровой конденсаторный (внешний вид готового сварного стыка показан на рис. 3.4, а);

. 2) нагрев методом оплавления (рис. 3.4, б);

3) нагрев методом сопротивления (рис. 3.4, в).

На рис. 3.4 отмечены расстояния ход, ход, хоя от контактной плоскости до зоны, в которой металл от действовавшей осадочной силы не претерпел никаких пластических деформаций. В этом месте сваренная деталь сохранила по диаметру первоначальный, досварочный размер. Назовем эту зону зоной нулевой деформации. На рис. 3.4 только размер хоя приблизительно выдержан в на­туральном масштабе по отношению к 6: диаметру круглой прово­локи и стержня или толщине свариваемой полосы, листа, или даже стенки трубы.

Рис. 3.4. Формы стыковых соединений в результате ударно-стыковой сварки (а),
методом оплавления (б) и методом сопротивления (в)

Как видно, наибольшее расстояние хоп фиксируется для на­грева методом сопротивления, при котором глубина слоя, где температура повышается от торца в стержень, наибольшая. Для нагрева методом сопротивления глубокий прогрев определяется не столько теплопроводностью от торца, сколько подогревом стер­жня выделением теплоты за счет его собственного объемного сопротивления. Уже при плотности тока около 1,2-10® А/ма стальной стержень без участия контактного сопротивления будет доведен до плавления за 1 с. Плотности тока такого именно значе­ния для сварки методом сопротивления могут считаться предельно допустимыми, и то только при условии хорошо подготовленного контакта, например по схеме, приведенной на рис. 3.2, г.

Следует иметь в виду, что всякий нагрев стержней и вообще любых деталей в губках стыковой машины происходит под дейст­вием почти постоянного по величине напряжения холостого хода. Сила же тока нагрева по мере увеличения удельного сопротивления металла падает. Если идет не просто нагрев, а сварка стержней, то температура нагрева контакта Тк и самих стержней Т0 в сумме получает своеобразное изменение: действующая и измеряемая в плоскости контакта температура (Т = Тк 4- Т0) растет при­близительно пропорционально половинной степени времени вклю­чения тока.

Форма готового сварного соединения, изготовленного методом сопротивления, определяется, в первую очередь, режимом элект­ронагрева, а затем и операцией сжатия стержней. На этом вопросе следует остановиться несколько подробнее. Здесь снова можно обратить внимание на необходимость ввести в понятие режима операции осадки не только величину давления, но и самое теперь главное •— скорость осадки. Действительно, энергия деформации при осадке нагретых стержней

Пдеф = Р осДэо»

сила осадки, Л00 — размер осадки, м. На основе равен-

Поскольку V — Shoe и Р00 — pS, то осадочное давление опреде­лится так:

р - т]б2/(20. (3.2)

В этом равенстве относительная деформация

а - ftoc/tf, (3.3)

где Н — начальное расстояние между губками.

Из формул (3.2) и (3.3) получаем

р = Ф1с/(2НН), (3.4)

где осадочное давление р — в МПа. В этом случае t — в с, hoe и Н — в м, коэффициент внутреннего трения Л — в Дж-с/м3.

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 л могут быть приняты, вероятно, те, которые получены в гл. 1. Затруднения будут вызваны тем, что значения т] надо принимать для каких-то средних температур нагрева не только плоскости контакта, но и некоторого, не очень по толщине определенного, слоя металла вокруг плоскости кон­такта.

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

(і +-^-) или (l + -§- -§г) ■ Достоверность формулы (3.4) можно

проверить по данным И. Б. Баранова для холодной сварки. Кон­кретный пример сварки медных прутков площадью сечения 1 см2 показал, что осадочное давление должно быть равным 1000 МПа. Для холодной меди в гл. 1 было определено значение Т] = = 1200 Дж. с/см8. Осадка стержней происходит приблизительно
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 р = 1,2.109-0,92/(2.1) =

= 496 МПа.

Это значение давления надо умножить на скобку [ 1 + d/(6h) ]. Размер h, т. е. конечное расстояние между губками, не более чем 0,2d. Отсюда осадоч­ное давление р = 496/(1 + 1/1,2) =

= 910 МПа.

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. Плоскость контакта почти всегда характеризу­ется белой нетравящейся прослойкой Б, самой узкой посередине, с утолщением к наружным волокнам. Имея в виду закономерность распределения давления по сечению стержня [см. формулу (1.19)], 122
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 Ас3. 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 1—0—1 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, показанной на рис. 3.5.

Кривая твердости типа 2—

0—1 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 на троостит или сорбит.

Кривая твердости 3—0—1 может получиться при сварке сильно наклепанного металла, например малоуглеродистой

Рис. 3.7. Структурное строение
стыкового соединения, сварен-
ного методом оплавления

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 или даже 1—0—3, то это говорит о том, что стержень из металла, склонного к закалке, поступил на сварку в отожженном состоянии и получил неизбеж­ную сильную (1—0—3) или умеренную (1—0—2) закалку в зави­симости от состава стали и скоростей охлаждения.

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, наибольшие усилия сжатия по оси стержней. Давления в краевых волокнах оказываются на­столько малыми, что в зоне 2 металл имеет рыхлое строение. Здесь чистый металл в значительной степени перемешивается с окислен­ным 1, который выплескивается во время оплавления в результате сжатия. В зоне 2 появляются даже усилия обратного знака, разры­вающие металл. Искривления волокон в зоне 2 настолько сильны, что при срезании верхних слоев металла по плоскости 0г—02 в районе стыка появляются точки а—а, являющиеся границами волокон металла. Эти точки представляют собой дополнительные концентраторы напряжений при ударных испытаниях и испыта­ниях на изгиб. Они в значительной степени определяют известную для стыковой сварки нестабильность показателей прочности на удар и изгиб механически обработанных образцов.

Особо следует отметить в структурной схеме прослойку 3, которая остается белой и нетравящейся. Ее ширина Д увеличи­вается к периферии образцов и уменьшается к осевой линии О,—0Х. Эта белая нетравящаяся полоска для современного металловеде­ния представляет собой пока неразрешенную загадку. Специалисты самых различных областей, обнаруживая эти полоски на металле, долгое время были убеждены, что такие структурные картины ни­где больше не повторяются. Дальнейшие исследования позволили отметить эту нетравящуюся структуру в различных условиях и при различном воздействии на металл.

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 автомо­бильных рессор Зафиксированы белые нетравящиеся полоски и на поверхностях высокоуглеродистых пластин, сваренных друг 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 (рис. 3.7). В изломе они фиксируются в виде округлых пятен — островков несплавления. Микродефекты такого рода содержатся только в слое белой полоски и, видимо, с ней органически свя­заны. Ширина полоски А уменьшается по мере увеличения осадоч­ного давления. Так, в частности, при давлениях для низкоуглеро­дистой стали выше 60 МПа, белая полоска исчезает. Она выдавли­вается и тем успешнее, чем с большей, возможной для современных машин скоростью прикладывается осадочная сила. Полоска будет выдавливаться и при осадке с вращением. Такого рода машины несомненно будут созданы.