Процесс оплавления. Этот процесс может выполняться без подогрева (непрерывным оплавлением) или с подогревом, обычно импульсами тока при возвратно-поступательном движении одной из свариваемых деталей. Роль оплавления и подогрева сводится к получению требуемого температурного поля с образованием на оплавляемых торцах более или менее равномерного слоя жид­кого металла. Последующая осадка выравнивает соединяемые по - 130

верхности, вытесняет из зазора между ними расплавленный металл и окислы (если они образовались) и формирует прочное соеди­нение.

Получение при сварке оплавлением бездефектных соединений с высокой прочностью и пластичностью основано на предупрежде­нии окисления, а если это не удается, то на удалении окислов из стыка при осадке вместе с расплавленным металлом (см. рис. 50). Только в этом случае стык может быть свободен от окисных вклю­чений при относительно малой степени деформации, которая, как правило, характеризуется коэффициентом площади 1гпл С 2. Сварка же сопротивлением для разрушения окисных пленок тре­бует деформации с knA з* 5 (для стали).

Для образования на оплавляемых торцах слоя жидкого металла перед осадкой необходим равномерный их нагрев по всей по­верхности, а для предупреждения преждевременного затвердева­ния этого слоя (до полного вытеснения окислов) — прогрев сва­риваемых деталей на достаточную глубину. Все это накладывает жесткие требования на температурное поле в свариваемых дета­лях. Чтобы проанализировать особенности тепловых процессов при сварке оплавлением, необходимо рассмотреть природу и свойства действующих источников тепла.

При импульсном подогреве распределение температуры по торцам зависит от случайного расположения их контактирующих участков (как в случае сварки сопротивлением, см. рис. 73). Од­нако паузы между импульсами тока способствуют некоторому вы­равниванию температуры.

В процессе оплавления детали сближаются с постоянной или, чаще, переменной скоростью при включенном сварочным токе. В момент касания торцов возникают электрические контакты. В начале оплавления в контакт вступают поверхности твердого металла, в дальнейшем возможны кон­такты между пленками жидкого метал­ла или окисла.

При оплавлении осевое усилие сжа­тия торцов относительно невелико. Так, для труб сечением около 350 мм2 даже его максимальное значение в момент взрывообразного разрушения контакта не превышает 15—20 кГ [38]. Поэтому электрическое сопротивление возникаю­щих при оплавлении контактов велико и в них выделяется много тепла: металл в контакте и прилегающей к нему обла­сти очень быстро расплавляется с об­разованием между торцами перемычек жидкого металла (рис. 85), служащих кратковременными проводниками тока.

Размеры перемычки определяются действием двух основных сил: поверхностного натяжения о, стремящегося увеличить диаметр перемычки dn в особенности при сближении деталей (так как с увеличением dn уменьшается поверхность металла и, как след­ствие, ее свободная энергия), и электромагнитных сил Рс, стремя­щихся сжать проводник, обтекаемый током, и разорвать его Г8].

Силы Рс пропорциональны квадрату тока и отношению In

йп

Кроме того, силы взаимодействия тока в перемычке с магнитным полем вызывают ее перемещение между торцами и выталкивание из сварочного контура.

В момент перехода переменного тока через нуль Рс — 0 и форма перемычки определяется только поверхностным натяжением. При этом непрерывное сближение деталей увеличивает dn. Однако в следующий момент ток в перемычке быстро нарастает и dn начи­нает уменьшаться под действием сил Рс. Растущая плотность тока в результате его синусоидального изменения и стягивания пере­мычки ведет к интенсивному ее нагреву. При достаточной плотно­сти тока металл в центре перемычки испаряется. Одновременно возможно и выделение из металла газов, в частности, кислорода (в результате диссоциации окислов при высокой температуре). Стремительный рост давления паров металла и газов внутри пере­мычки приводит к ее взрывообразному разрушению. Расплавлен­ные частицы металла выбрасываются в виде искр, а оплавляемые детали несколько укорачиваются. Плавное их сближение ведет к последовательному возникновению и разрушению перемычек с образованием непрерывного потока искр, характерного для сварки оплавлением.

Ускоренная киносъемка (3000 кадров в секунду) показала, что начальная скорость частиц металла, выбрасываемых при взрыве перемычки, достигает 60 м/сек [35]. Исходя из предположения, что в момент взрыва вся энергия, накопленная в перемычке под давлением, переходит в кинетическую энергию вылетающих час­тиц, рассчитали это давление. При v = 60 м/сек оно составляет для стали рвз = ШкГ/см2 [38]. Другой метод расчета, основываю­щийся на осевом усилии, развиваемом в момент взрыва перемычки (15—20 кГ), дает рвэ = 320 4-1600 кГ/см2. При таком давлении железо может находиться в виде пара только при Т = 7000 4- 4-8000° К П5]. В опытах по взрыву током очень тонких проволок экспериментально установлено повышение температуры до 20000° С [139]. Температуры такого порядка возможны только в центре перемычки. В ее основании, находящемся на оплавляемом торце, температура вряд ли намного превышает температуру плавления металла. Это подтверждается тем, что в зоне стыка при сварке стали оплавлением не обнаруживается следов ее взаимодействия с азотом [45].

После взрыва перемычки на торцах остаются лунки-кратеры диаметром Dn. Следующий контакт-перемычка, как правило, обра­зуется на другом участке там, где расстояние между торцами мини­мальное. Так как глубина отдельного кратера всегда намного меньше суммарного укорочения деталей при оплавлении, перемыч­ки многократно образуются по всему оплавленному сечению. Тепло, выделяемое током на сопротивлении перемычек, — основной источ­ник нагрева оплавляемых деталей. При оплавлении всего их сече­ния на одинаковую величину среднее количество тепла, выделяе­мое на торцах, одинаково и, как следствие, средняя температура любого их участка должна быть также одинаковой. Однако мгно­венное распределение температуры на торцах может быть очень неравномерным. Там, где в данное время существует перемычка, металл расплавлен, а на дне соседнего кратера в результате от­вода тепла возможно его охлаждение ниже температуры солидуса с образованием окислов.

Оплавленные торцы имеют неровную поверхность. При осадке для закрытия зазора Аз (см. рис. 106) и дальнейшего сближения торцов до полного удаления из стыка жидкого металла и окислов требуется некоторое время А/, тем меньшее, чем ровнее торцы и чем выше скорость осадки. Между разрушением и возникновением двух последовательных перемычек в одной точке проходит время Ai2. Поэтому на отдельных участках торцов от момента разруше­ния последней перемычки до фактического закрытия зазора при осадке проходит время At — Att + Atit в течение которого ме­талл на дне кратера может остывать в контакте с атмосферой. Для сохранения возможности удаления из стыка окислов (при относительно небольшой деформации осадки, характерной для сварки оплавлением) температура на торцах не должна опускаться ниже Т2 — температуры плавления окислов (легкоплавких) или температуры, при которой оплавленный металл теряет свойства жидкотекучести (при тугоплавких окислах).

Интервал времени At0i достаточный для охлаждения металла на торцах от 7 (средней температуры оплавленных торцов перед осадкой) до Т2, в первом приближении, равен

д; __ ^рУ ПСП. — Т2) 4- т0] (21)

Г° . dT ’

* dx

где 6р — толщина слоя жидкого металла на торцах;

у, с, %, т0 — удельный вес, удельная теплоемкость, коэф­фициент теплопроводности и скрытая теплота плавления свариваемого металла; dT

— градиент температуры у торца (вдоль оси свариваемых деталей).

Числитель в уравнении (21) — количество тепла, на которое уменьшается теплосодержание слоя расплавленного металла еди­ничной площади при охлаждении от TL до Т2, а знаменатель —

тепло, отводимое от торца в единицу времени за счет теплопередачи. Из этого уравнения следует, что At0 тем меньше, а следовательно, опасность застревания в стыке окислов тем выше, чем меньше

dT

бр, и Ті—Т2 и чем больше При сварке деталей небольшого

сечения из сталей, когда бр = 0,1 =0,3 мм, At0 составляет 0,02— 0,10 сек. При сварке металлов, образующих тугоплавкие окислы, в частности сталей, легированных хромом, Тх—Т2 снижается и уда­ление окислов из-за уменьшения At0 затрудняется.

Если At = Atx + At2 > At0, то условия для удаления окис­лов неблагоприятны, так как металл на торцах во время осадки еще до полного закрытия зазора успевает резко охладиться. При высокой температуре очень быстро образуются толстые пленки окислов, например, на железе при Т = 1350° С уже за 0,01 сек толщина пленки достигает 4 мкм. Поэтому необходимо стремиться как к уменьшению At, так и к увеличению At0. Первое достигается применением устойчивого, т. е. протекающего без существенных перерывов и интенсивного оплавления (процесс с малыми интер­валами At2 между последовательными перемычками), и сокраще­нием Atx за счет увеличения скорости осадки и уменьшения сте­пени неровности оплавленных торцов (уменьшения глубины кра­теров). Второе достигается уменьшением градиента —Jx путем

более равномерного прогрева оплавляемых деталей в глубину и увеличением толщины слоя жидкого металла на торцах.

Распределение температуры вдоль деталей к концу оплавления должно также обеспечивать практическую возможность их осадки без приложения чрезмерных удельных давлений. В результате термического цикла сварки не должно происходить неблагоприят­ных и тем более неисправимых последующей термической обработ­кой изменений структуры и свойств свариваемого металла.

Рассмотрим влияние отдельных параметров оплавления и харак­теристик сварочного оборудования на условия получения соедине­ний без дефектов.

При оплавлении идут характерные электрические процессы. Вблизи нулевого значения тока (точка А на осциллограмме, рис. 86, а) и ток і, и напряжение п2 изменяются синусоидально. Разрушение перемычек сопровождается пульсацией тока и пиками напряжения. Изучение электрических процессов, наряду с дру­гими методами исследования, позволяет оценить длительность жизни отдельной перемычки, возможность одновременного суще­ствования нескольких перемычек, а также выявить влияние раз­личных факторов на условия их образования и разрушения и, как следствие, на нагрев оплавляемых торцов.

С. И. Кучук-Яценко и В. К. Лебедев снимали осциллограммы напряжения, тока и мощности при взрыве элементарных контак­тов сечением 50 мм% между стальными стержнями, а также прц 134

взрыве цельного стержня в месте конической выточки (рис. 87) [92]. Такое сечение контакта в этих опытах соответствовало площади крупных кратеров, остающихся на торцах при оплав­лении рельсов. При оплавлении листов и труб диаметр кратера не превышал толщины листа или стенки трубы (при б — 4 - Нэ мм площадь кратера может достигать 15—20 мм2).

Нагрев контакта из холодного Состояния и его разрушение можно разделить на три периода: первый, в течение которого контактируют твердые поверхности и с повышением удельного сопротивления при нагреве постепенно уменьшается ток, но рас­тет напряжение и мощность (ток и напряжение сохраняют сину­соидальный характер); второй, в котором ток уменьшается более резко и на осциллограммах появляются пульсации большой час­тоты, связываемые в работе [92] с кипением металла в контакте, в результате периодически измененяется его сопротивление; третий, в котором жидкий контакт (перемычка) разрушается со взрывом.

Продолжительность каждого из этих периодов и суммарная их длительность tK зависят, в первую очередь, от сечения контакта и плотности тока. Так, при Fn — 50 мм2 время tK ^ 0,1 сек, а при Fn = 20 мм2 оно снижается до 0,02 сек. Повышение напряжения с 3 до 8 в уменьшило tK с 0,12 до 0,02 сек. При сварке оплавлением нагрев холодных контактов характерен только для начала про­цесса; в дальнейшем в соприкосновение приходят горячие торцы, в связи с чем первый период нагрева исключается.

На основе этих опытов сделан вывод о том, что перемьгчки при оплавлении могут существовать сравнительно долго (несколько полупериодов тока промышленной частоты) и что пульсация тока не определяет частоту их возникновения и разрушения [92]. Рассмотрим некоторые. другие данные по частоте образования и длительности жизни перемычек.

Ускоренная киносъемка показала, что при оплавлении сталь­ных полос толщиной 4—5 мм перемычки от начала их интенсивного нагрева до момента взрыва существуют всего 0,001—0,003 сек [35 ]. Интересны результаты осциллографирования процесса оплавле­ния молибдена (рис. 86, б) [38]. На осциллограммах видны четыре типичных случая: а) ток снижается до нулевого значения (точка 1) и сразу начинает нарастать, соответствующий этому пик на кривой напряжения сопровождается быстрым спадом и2, характерным для возбуждения дугового разряда; б) ток резко уменьшается, но не достигает нулевого значения (точка 2); на кривой напря­жения имеется пик также с перегибом, свидетельствующим о дуго­вом разряде; в) ток снижается до нуля без перегиба на кривой напряжения (точка 3) и г) ток падает до нуля и вновь появляется через сравнительно большой интервал времени 0,0005 сек (точка 4) при этом дугового разряда на осциллограмме напряжения неза­метно.

Так как дуговой разряд при наличии параллельных с ним контактов с малым сопротивлением невозможен, эти данные сви­детельствуют о том, что в течение одного полупериода тока 50 гц может последовательно возникать и разрушаться несколько пере­мычек, длительность существования которых определяется мил­лисекундами; резкое уменьшение тока не до нулевого значения 136
возможно в результате разрушения части одновременно сущест­вующих перемычек (возможность существования таких перемычек показана ниже), дуговой разряд (даже при полном разрыве цепи, см. точку 4) возникает только при некотором минимальном на­пряжении зажигания. При коротком разрядном промежутке по­рядка 10“ 2 мм возможно возбуждение неустойчивого дугового разряда, облегчаемое высокой температурой паров металла [38]. Для его возбуждения поР, Хольму достаточно напряжения, незна­чительно превышающего работу выхода электрона, равную у алю­миния, молибдена и железа соответственно 5,35; 7,35 и 7,83 эв[151]. С ее уменьшением облегчается возбуждение дугового разряда. Доля тепла, выделяемого при дуговом разряде в общем балансе тепловыделения, для алюминия очень велика (до 50% [149]); для молибдена не превышает 10%; она еще меньше в обычных условиях оплавления стали.

Зависимость условий возбуждения дугового разряда от по­тенциала ионизации видна после сопоставления осциллограмм, записанных при обычном оплавлении стали (см. рис. 86, а) и с вве­дением в зазор меловой обмазки (рис. 86, в) [38]. При введении обмазки на осциллограмме напряжения отчетливо видны кратко­временные периоды горения дуги. По данным работы [92], зна­чительный дуговой разряд в процессе оплавления стали наблю­дается при и%0^ 13-15 в.

Одновременное существование нескольких перемычек было показано при оплавлении труб (диаметром 32 мм) с прорезями (рис. 88) [37], разделившими их периметр на сегменты, к которым присоединяли провода для осциллографирования тока. Каждый такой сегмент являлся самостоятельным проводником. Осцилло - графировали также суммарный ток, протекающий в трубе на участке без прорезей. Типичные осциллограммы (рис. 89, а) тока оплавления в отдельных сегментах 1—6 и суммарного тока 7 показали, что при устойчивом процессе (если судить по отсутствию перерывов в протекании суммарного"’тока оплавления) на отдель­ных участках торцов возможны перерывы в оплавлении (т. е. нарушение локальной устойчивости процесса). Ток оплавления одновременно протекает через несколько сегментов, что указы­вает на существование парал­лельных контактных перемычек.

Нарушение локальной устой­чивости процесса в том или ином сегменте трубы непосредственно перед осадкой уже при'Л? 2 более 0,02 сек приводит к заметному снижению качества соединения на соответствующем его участке.

Сводные результаты опытоц

Рис. 89. Осциллограммы тока оплавления в сегментах трубы диаметром 32 мм:

а — при нарушении локальной устойчивости оплавления; б — в случае резкого повы­шения скорости оплавления перед осадкой

а—иа угол загиба н количество (в %) образцов с дефектами в из­ломе; б — на ударную вязкость (трубы диаметром 32 мм с толщи­ной стенки 4,5 мм из ннзкоугле - роднстой стали); в—на ударную вязкость образцов, вырезанных из стыков труб диаметром 32 мм из стали 20, сваренных с различ­ной величиной осадки (# — оп­лавление с резким увеличением скорости перед осадкой; А и ■ —оплавление без резкого уве­личения скорости)

(рис. 90, а и б) наглядно подтверждают значение локальной устой­чивости и связанного с ней равномерного нагрева оплавленных торцов непосредственно перед осадкой. Так, все образцы, вырезан­ные из сегментов трубы, в которых но осциллограммам наблюдается перерыв в протекании тока перед осадкой в течение более трех полупериодов тока (более 0,03 сек), имели дефекты в изломах.

Локальная устойчивость оплавления и равномерность нагрева могут быть повышены увеличением скорости юопл- Это ведет к росту количества образующихся и разрушающихся перемычек в единицу времени, и как следствие, к уменьшению интервала А^2, что подтверждается осциллограммами тока (рис. 89, б) в сег­ментах трубы, оплавленной с резким увеличением скорости (с 3,5 до 10 ммісек). При сварке труб небольшого сечения повышение vonл перед осадкой уже в течение 0,1—0,2 сек заметно улучшает качество соединений (рис. 90, в).

Очевидно, что локальная устойчивость оплавления невозможна при неустойчивости процесса в целом. Оплавление устойчиво, если оно протекает без перерывов, особенно вредных перед осадкой, и коротких замыканий. При коротких замыканиях, вызываемых зна­чительным превышением скорости сближения свариваемых деталей над скоростью фактического их оплавления, между торцами обра­зуется настолько хороший контакт, что его взрывообразное раз­рушение становится невозможным — оплавление прекращается, и процесс переходит в сварку сопротивлением, при которой трудно обеспечить качество соединения без большой осадки.

Устойчивое оплавление возможно только при саморегулирова­нии процесса [96], т. е. в том случае, если уменьшение сопротив­ления перемычки, предшествующее короткому замыканию, сопро­вождается ростом полезной мощности, развиваемой сварочной машиной, и наоборот. Увеличение мощности интенсифицирует нагрев перемычки и приводит к ее разрушению вается нормальный процесс оплавления.

Типичная зависимость по­лезной мощности от тока для различных значений сопро­тивления короткого замыка­ния машины приведена на рис. 91. Если мгновенной ско­рости оплавления соответ­ствует МОЩНОСТЬ Ро, то при ZK. a = Z3 возможны два ре­жима в точках 1 и 2 на кривой P—f (/). Первый можно счи­тать устойчивым, так как со­блюдается условие саморегу­лирования С увеличением рис. 91. Зависимость полезной мощности тока повышается мощность. от тока при различных значениях 1к.3

Ё точке £ это условие не соблюдается, здесь увеличение тока, всегда сопровождающее уменьшение сопротивления контакта, снижает мощность — оплавление «захлебывается» [96]. Устойчи-

dP

вость оплавления повышается с ростом (вблизи рабочей точ­ки) и с увеличением диапазона режимов между точками ] и 2.

При оплавлении ток резко изменяется особенно вначале, когда торцы холодные. Возбуждение устойчивого оплавления тон­костенных изделий возможно при 2,5-т-3. Для компакт-

'mm

ных сечений (при одинаковой площади) возбуждение устойчивого оплавления значительно труднее:

* min

С уменьшением Z, с а устойчивость оплавления растет, так как dP

при этом увеличивается что ускоряет переходные процессы и

расширяет область допустимых колебаний тока (отрезок 3—4 больше, чем 1—2, рис. 91). Устойчивость повышается и с увеличе­нием напряжения холостого хода, но до некоторого предела, до появления длительных перерывов в протекании тока. При очень низком напряжении оплавление не возбуждается или быстро на­ступает короткое замыкание.

Существенно влияет на устойчивость оплавления не только величина ZK. s, но и отношение ее активной и реактивной состав­ляющих. Изменение активного сопротивления сильнее влияет на устойчивость процесса [39]. На машине с малым внутренним сопротивлением (Z*. а <40 мком) включали дополнительно актив-

о) 5) Рис. 92. Зависимость напряжения холостого хода or сопро­тивления короткого замыкания (а) и сечения оплавляемых деталей (сталь) при различном значении ZK.3 (б) [96]

вление стальной пластины сечением 10 х 100лш2 при плотности тока 3—4 аімм2. Увеличение Z*. 9 всегда вызывало необходимость в повы­шении напряжения (рис. 92, а), однако рост активной составляю­щей сопротивления (кривая 1) сказывался больше, чем индуктив­ной (кривая 2). Повышенная устойчивость оплавления при низком ZK. s особенно заметна при сварке деталей большого сечения. На­пример, при увеличении сечения деталей с 2000 до 6000 мм2 (рис. 92)(92] необходимое £/2.0 на машине с низким сопротивлением (ZK. a = 53 мком) повышалось на 0,6 в (с 5,3 до 5,9 е), в то время как на машине с ZK. з = 240 мком — на 5,5 в (с 8 до 13,5 в).

Таким образом, для обеспечения устойчивого оплавления желательно применять машины с низким сопротивлением корот­кого замыкания и в особенности его активной составляющей. Это, в частности, позволяет вести процесс при низком U2.o-

Рассмотрим влияние параметров машины и напряжения Uz. 0 на особенности образования контактных перемычек и на геометрию оплавленной поверхности с учетом того, что глубокие кратеры увеличивают время закрытия зазора между торцами при осадке и, как следствие, затрудняют получение стыков высокого качества.

Трубы сечением около 350 мм2 оплавляли на машине с ZK. a — = 150 мком (RK. a — 50 мком), со средней скоростью 0,92 ммісек и максимальной скоростью перед осадкой 1,7 ммісек при исходном и увеличенном сопротивлении [39]. Во всех случаях подбирали минимальное £/2. „, при котором оплавление шло устойчиво, без коротких замыканий. Осциллографирование показало (рис. 93), что увеличение активного сопротивления заметно не изменяет характера пульсаций тока и напряжения, их количество в каждом полупериоде составляло 5—6. С ростом реактивного сопротивления резко уменьшается количество пульсаций тока, а в момент разруше­ния перемычек ток, как правило, снижается до нуля. При этом в несколько раз увеличивается время существования перемычек (время нарастания тока от нуля до максимума) и время их разруше­ния (время спада тока до нуля). Частота пульсаций в результате большого реактивного сопротивления снижается почти в 5 раз. Замедленное нарастание тока, по-видимому связано с увеличением

постоянной времени сварочной цепи ^ (L — индуктивность этой

На торцах труб, оплавленных при различном ZK-a и мини­мальном U2.0, измеряли глубину четырех-шести крупных кратеров. С увеличением Zic. s растет напряжение, необходимое для устой­чивого оплавления, и закономерно увеличивается средняя глубина кратеров (рис. 94, а). Увеличение активной составляющей сопрс-

тивления сказывается сильнее, чем его реактивной составляющей. Следует отметить, что с увеличением R количество крупных кра­теров на оплавленном торце практически не изменяется, увеличи­вается лишь их глубина. Рост X приводит к сглаживанию оплав­ленных торцов, по-видимому, в результате увеличения количества жидкого металла на них. Однако при больших X появляются отдельные очень глубокие кратеры (например, при ZK. a = = 1350 мком кратеры глубиной до 1,1 мм при толщине стенки трубы всего 3,5 мм).

Сопоставление графиков на рис. 94, а и б иллюстрирует влия­ние геометрии оплавленной поверхности на качество соединений. С увеличением глубины кратеров протяженность дефектных уча­стков растет. Характерно, что при одинаковой глубине кратеров (например, 0,4 мм) протяженность дефектных участков при сварке с высокой индуктивностью вдвое больше, чем при сварке на машине с большим активным сопротивлением. Это может быть связано с двумя причинами: меньшим количеством одновременно существующих перемычек при большом X (меньшей локальной устойчивостью оплавления) или с более высоким напряжением U2. о в случае сварки на машине с большим реактивным сопротив­лением в условиях одинаковой глубины кратеров. По-видимому, главным фактором в этих опытах является снижение локальной устойчивости процесса.

С понижением U2. о изменяется характер процесса оплавления. При малом ZK. s и соответственно низком U2.0 оплавление идет спокойно с выбрасыванием мелких искр. При увеличении U2.0 оплавление сопровождается выбрасыванием крупных частиц ме­талла. С повышением U2.о время образования и разрушения пере­мычек уменьшается. На осциллограммах тока и напряжения, записанных при нагреве и разрушении единичных контактов (см. рис. 87), при низком U2 0 наблюдается больше пульсаций, чем при высоком, когда эти пульсации даже трудно выявляются [92]. Иногда пульсации связывают с кипением металла в пере­мычке и предполагается, что при большем U2.0 нагрев и кипение металла в перемычке происходят настолько интенсивно, что она разрушается практически мгновенно [92]. Глубина и площадь кратеров уменьшались с понижением'напряжения (например, при U2.„=8в глубина кратера достигала 5 мм, а при U2. о — 4 в она была почти вдвое меньше) и, что особенно существенно, его дно было покрыто слоем закристаллизовавшегося металла толщиной около 1 мм. По-видимому, разрушение перемычки при высоком

Рис. 94. Зависимость средней глубины крупных кратеров (а) и суммарной протя­женности дефектных участков стыков, выявляемых при загибе образцов (б), от сопротивления машины при введении добавочного активного или реактивного сопротивлений (R или X) при сварке оплавлением труб из стали 20 [39].

U2. о сопровождается выбрасыванием из зазора почти всего жидкого металла.

В соответствии с уравнением (21) малая толщина (бр) слоя жидкого металла на торцах перед осадкой сокращает время, в те­чение которого закрытие зазора еще не приводит к недопустимому охлаждению, препятствующему удалению окислов из осаживае­мого стыка.

Исследование [105], выполненное на трубах диаметром 32 мм из стали Х18Н9Т, оплавленных при линейном изменении ско­рости (von/l = 0,1580, показало наличие на торцах слоя закри­сталлизовавшегося металла (рис. 95), толщина которого увели­чивается в ходе оплавления. Толщину слоя определяли металло­графически на цилиндрических шлифах, приготовленных из оплавленных, но не осаженных труб. Кратковременное ускорение оплавления перед осадкой приводило к некоторому увеличению средней толщины слоя. Слой расплавленного металла образовы­вался на торцах уже в начальной стадии процесса. После оплав­ления на 1,65 мм средняя его толщина достигала 0,18 мм, а после оплавления на 18,5 мм она увеличилась до 0,50 мм (рис. 96). Наличие непрерывного слоя литого металла не означает, что весь этот металл находился в жидком состоянии одновременно. С уве­личением степени нагрева профиль внешней поверхности расплав­ленного слоя имел значительно меньшие неровности, чем профиль его внутренней поверхности; расплавленный металл как бы стекал в глубокие кратеры. Выравнивание торцов за счет растекания жидкого металла заметнее к концу нагрева.

Зависимость глубины кратеров от U2.0 носит экстремальный характер, причем напряжение, соответствующее минимальной глубине кратера, различно для деталей компактного и развитого сечения. Например, при оплавлении труб размером 38 х4 мм повышение Ue, 0 от 4,8 до 6,5 в уменьшало глубину кратеров. В опытах с единичными контактами сечением 50 мм2 [92] повы­шение напряжения от 4,5 до 8—10 в, наоборот, увеличивало кратеры, а дальнейший рост U2. „ (до 12 е) вновь их умень­шал. При прочих неизменных условиях повышение скорости оплавления увеличивало неровность оплавленных торцов [1051.

На глубину кратеров может влиять род свариваемого металла. При сварке двух алюминиевых сплавов АМгб и А Кб глубина кра­теров всегда росла с уменьшением скорости оплавления, а для стали наблюдается обратная зависимость. Размеры кратеров обычно растут с увеличением сечения свариваемых деталей. Па тонко­стенных деталях максимальный диаметр кратера не превышает их толщины, на деталях большого, компактного сечения размеры кратеров в основном определяются параметрами процесса. Как правило, в этом случае кратеры значительно больше, чем на тон­костенных деталях.

Рис. 95. Микроструктура конца трубы диа - Рис. 96. Толщина пленки литого металла на торцах труб из аустенит - метром 32 мм из аустенитной стали после ее ной стали после оплавления (без осадки) оплавления (X 500)

Равномерность оплавления и, как следствие, нагрева торцов деталей зависит и от схемы токоподвода. При односторонней схеме резче проявляются силы, выталкивающие контактные пере­мычки из сварочного контура. В результате интенсивнее оплав­ляются детали у внешней кромки (по отношению к контуру). Однако неблагоприятное увеличение зазора (рис. 97) частично компенсируется большим количеством жидкого металла, аккуму­лирующего много тепла. При оплавлении деталей компактного сечения движение перемычек большого сечения в результате взаимодействия тока с магнитным полем проявляется относительно слабо, и поэтому условия токоподвода мало влияют на оплавле­ние таких деталаей [92].

Итак, для того чтобы оплавленные торцы перед осадкой были достаточно равномерно нагреты, необходимо интенсивное и устой­чивое оплавление, особенно в конечной стадии процесса. Для сохранения равномерного нагрева к моменту фактического фор­мирования соединения в ходе осадки необходимо, чтобы кратеры на торцах были неглубокими. Первое условие обеспечивается оплавлением при минимальном t/2.0 и низком ZK_3 с достаточно высокой скоростью. Второе требует, как правило, проведения процесса с умеренной скоростью. Оптимальная скорость оплавле­ния зависит от металла и сечения свариваемых деталей, а также от параметров применяемого оборудования.

На условия сварки оплавлением и на качество соединений сильно влияет распределение температуры вдоль свариваемых

о 0 dT

деталей. Во-первых, градиент температуры у торцов по

уравнению (21) непосредственно влияет на вероятность прежде­временного затвердевания металла в кратерах и застревания в стыке окислов; во-вторых, температурное поле к концу оплавле­ния определяет условия пла­стической деформации при осадке, в-третьих, термиче­ский цикл сварки, опреде­ляемый температурным по­лем, может воздействовать на свойства соединения.

Оптимальное температур­ное поле при оплавлении за­висит от металла, площади и формы сечения свариваемых деталей, а в отдельных слу­чаях и от параметров приме­няемого оборудования. Осо­бен ности температурного поля

Рис. 97. Неравномерно оплавленные при подогреве (в случае свар - трубы (стык не осажен) [36] ни с подогревом) отмечались

выше, главная из них — значительная его неравномерность по сечению; удлинение подогрева уменьшает градиент температуры после оплавления, расширяет высокотемпературную зону у стыка и облегчает деформацию при осадке.

Нагрев при оплавлении в основном идет за счет тепловыделе­ния в контактных перемычках. Роль тепла, выделаемого в теле оплавляемых деталей, как правило, незначительна и редко пре­вышает 10—15%. Иногда существенное значение имеет дополни­тельный нагрев при осадке с включенным током. При оплавлении основные источники тепла сосредоточены на торцах и могут при­ближенно рассматриваться как равномерный плоский источник. По мере оплавления этот источник перемещается вдоль деталей

со скоростью, которая, в общем случае, непостоянна. Мгно­венное количество тепла, выделяемого (в сек) на торцах при оплавлении,

9ям=0,24 RKll, (22)

где RK — эффективное сопротивление перемычек;

/2 — эффективный сварочный ток.

Это тепло расходуется на дополнительный нагрев от Тг (сред­няя температура торца в момент возникновения перемычки) до температуры ТоПл (q'onJ и на теплопередачу в оплавляемые детали (яопл):

Яопл = Яопл + Яопл = von/y 1с(Топл-Tl) + m0] + 2IF, (23)

где F — сечение деталей в см2;

Топл — средняя температура металла, выбрасываемого из зазора при оплавлении (она выше Тпл, но существенно ниже максимальной температуры в центре перемычки в момент ее взрыва; удовлетворительную сходимость расчетных и экспериментальных данных для стали дает Твал ~ 2000° С);

Тх — в начале непрерывного оплавления — комнатная тем­пература; к его концу — близкая к температуре плавления; при сварке с подогревом 7 ^ Тп0э; Тпоо — температура подогрева);

---- градиент температуры у торца деталей.

Подставляя в равенство (23) значение q0lu из выражения (22) и решая уравнение относительно vmJl> получим

0,24 RKI-2KF —

tw - + ■ (24)

Мгновенная скорость оплавления растет с увеличением полез­ной мощности (0,24RJI), с уменьшением и с повышением

температуры торцов 7. В начале непрерывного оплавления, dT

когда d~ очень велико и Тг ^ 0, оно идет очень медленно; по

мере разогрева торцов ьопл растет. Для поддержания непрерыв­ного процесса при неизменной мощности скорость сближения деталей должна изменяться таким же образом. Благодаря саморе­гулированию связь между скоростями оплавления и сближения деталей нежесткая. Увеличение скорости сближения ведет к росту потребляемой мощности и, как следствие, повышению мгновенной скорости оплавления. Повышение температуры 7, в частности при подогреве, увеличивает скорость оплавления, возможную для данной мощности.

Существенно, что только часть тепла q”njt увеличивает тепло­содержание оплавляемых деталей. Эта часть

Чопл — - Рг, оплУСТ1>

где второй член представляет собой количество тепла, уже имею­щееся в нагретых деталях и удаляемое из них с выбрасываемым при оплавлении металлом. Можно внести понятие «эффективный термический к. п. д. оплавления»:

"ПОПЛ --------------

Он растет с уменьшением von/i иДи имеет наибольшее значение в начале процесса. К его концу в случае достижения квазнста - ционарного температурного поля или близкого к нему состоя­ния хопл = 0, так как при этом вдоль деталей перемещается неизменяющееся температурное поле — теплосодержание деталей остается постоянным и дс”л = 0. Квазистационарное температур­ное поле возможно только при перемещении подвижного источника тепла с постоянной скоростью, т. е. при vonjt = const. Именно для этого случая удобно проследить влияние основных пара­метров процесса на температурное поле в оплавляемых деталях.

Распределение температуры на оплавляемых торцах неравно­мерно, причем степень неравномерности по мере нагрева умень­шается (рис. 98). Хотя расплавленные участки появляются на торцах уже в начале оплавления, средняя их температура растет постепенно до тех пор, пока торцы не покрываются более или менее равномерным слоем расплавленного металла, при этом их температура несколько выше Тпл. При оплавлении с постоянной скоростью через некоторое время tx, соответствующее оплавлению

каждой детали на s1 = , достигается квазистационарное

Рис. 98. Схема распределения температуры при сварке оплавлением в началь­ной (а) и конечной (б) стадиях процесса

температурное поле (рис. 99, я). Дальнейшее оплавление не изме­нит распределения температуры.

Параметры квазистационарного температурного поля зависят от скорости оплавления, теплофизических характеристик свари­ваемого металла и от средней температуры оплавленных торцов. Из теории распространения тепла подвижного источника известно,

что чем выше его скорость (-тр) > тем больше градиент впереди этого источника (рис. 99, б) 11211. Поэтому уменьшение

Рис. 99. Распределение температуры (средней по сечению) вдоль свариваемых деталей в процессе оплавления в различ­ные моменты времени при i'o/u3= const и квазистационарное поле при различном значении ivu= const

скорости источника приводит к росту температуры в зоне терми­ческого влияния. Однако при сварке оплавлением эта зависимость имеет экстремальный характер. При некоторой критической ско­рости оплавления (например, для стальных полос толщиной 6,5 мм х)опл < 0,4 мм/сек для железнодорожных рельсов vonjl

0, 25-т-0,3 мм/сек) температура в этой зоне начинает снова по­нижаться, что связано с понижением средней температуры тор­цов [92]. Критическая скорость оплавления уменьшается с уве­личением сечения свариваемых деталей (компактного сечения) и резко растет с повышением теплопроводности металла: для меди она во много раз выше, чем для стали.

Чем меньше vonJi, тем в общем случае выше теплосодержание Q оплавляемых деталей и тем больше время, необходимое для дости­жения квазистационарного теплового состояния (рис. 100). Если Q = const было достигнуто при votlJl = 0,75 мм/сек через 50 сек, то при vm/l = 0,5 мм/сек потребовалось около 80 сек, а при сопл = = 0,25 мм/сек и после 120 сек не было достигнуто квазистационар­ного состояния.

При высоком коэффициенте температуропроводности а — —

су

dT

градиент уменьшается и расширяется зона термического

влияния. Это происходит при оплавлении меди, алюминия и мо­либдена. Однако в силу высокой теплопроводности этих металлов, несмотря на уменьшение градиента, поток тепла в тело деталей очень велик, и для достижения на торцах необходимой температуры оплавление приходится вести очень интенсивно, с большой ско­ростью.

Представляет интерес анализ условий нагрева при сварке оплавлением разнородных металлов (например, перлитной стали с аустенитной, меди со сталью, алюминия с медью). Эти металлы из-за различия теплофизических свойств оплавляются с неодина­ковой скоростью. Как правило, металл с большим удельным сопротивлением оплавляется в паре с более электропровод­ным металлом быстрее. Напри­мер, при сварке перлитной стали с аустенитной деталь из аусте­нитной стали оплавляется в 1,5— 2 раза быстрее. Еще больше разница в скоростях оплавления при сварке меди со сталью, при которой оплавляется главным образом сталь.

Например, в результате того, что vv >• va (где vy и va — соот-

интенсивного нагрева уже, чем со стороны перлитной стали. Такое распределение температуры неблагоприятно для деформации при осадке. Жаропрочная аустенитная сталь оказывается менее на­гретой, чем легко деформируемая перлитная сталь; при сварке труб это может приводить к выпучиванию стенки трубы из перлит­ной стали. При сварке с подогревом наблюдается обратная кар­тина: аустенитная сталь благодаря высокому удельному сопро­тивлению нагревается сильнее перлитной, для выравнивания условий подогрева уменьшают вылет детали из аустенитной стали.

Опытным путем установлено, что при сварке оплавлением с vonjl — const, кроме скорости источника, теплофизических свойств металла и предельной температуры у источника, на ква- зистационарное поле может влиять и вторичное напряжение. Чем ниже U2- о при заданной скорости оплавления, тем, в общем случае, выше температура оплавленных деталей и их торцов (рис. 101). В равноудаленных от стыка точках она изменялась в пределах 180° С. Можно предположить, что это результат боль­шей длительности жизни контактных перемычек при низком U2.0 более коротких пауз между ними, а также большего количества расплавленного металла, остающегося на торцах при взрыве перемычек, так как температура металла в самих

перемычках с повышением напряжения (и плотности тока) вряд ли понижается. Из-

На распределение температуры вдоль деталей влияет сопротивление ZK 3. Осцил - лографировали температуру при оплавле­нии труб диаметром 32 мм на машине с со­противлением, изменявшимся за счет уве­личения активной или реактивной состав­ляющей [39]. Опыты проводили при оди­наковых значениях vmjl и минимальном С/а. о, обеспечивающем для каждого ZK 3 ус­тойчивое оплавление. Увеличение актив­ного сопротивления резко снижало тем­пературу около торцов (рис. 102), в то время как увеличение индуктивной состав­ляющей сначала понижало, а затем при большом Хг вновь повышало эту темпе­ратуру. По-видимому, здесь имеет значе­ние развитие дугового разряда, способ­ствующего повышению средней темпера­туры оплавляемых торцов при большой индуктивности.

Обычно оплавление ведут с постепенно увеличивающейся скоростью, часто со сближением свариваемых деталей по параболическому закону

(s = —2~ 1. С увеличением ускорения т растет градиент тем-

пературы у торцов и сужается зона нагрева (рис. 103). Вне зави­симости от программы изменения скорости оплавления ее увели­чение повышает-^- и сужает зону термического влияния. Такой

же эффект при заданном характере изме­нения скорости оплавления дает увеличе­ние среднего ее значения. Одновременно повышается интенсивность процесса и об­легчается поддержание на торцах пленки жидкого металла. В связи с этим зависи­мость качества соединений от средней ско­рости оплавления имеет экстремальный характер: как при очень малой, так и при чрезмерно большой скорости оплавления оно понижается. Типичная зависимость ударной вязкости (критерия, очень чув­ствительного к качеству соединения) от средней скорости оплавления приведена

на рис. І04 t71) для сварки непрерывным оплавлением труб диа­метром 32 мм из аустенитной стали Х18Н9Т с изменением ско­рости оплавления по линейному закону. В данном случае опти­мальная скорость vaijL ср =& 4 мм/сек, эта скорость зависит от металла и сечения свариваемых деталей.

Наличие между оплавляемыми торцами паров металла и энер­гичное окисление мельчайших его капель, выбрасываемых при взрыве перемычек, снижают содержание кислорода в зазоре и уменьшают окислительную способность газовой среды. Например, газ, отобранный из оплавляемых труб длиной около 300 мм с закупоренными концами (низкоуглеродистая сталь), содержал 2—4% О а, около 1% СО и 2% С02. Непосредственно в зазоре между торцами содержание 02 и С02 должно быть ниже, а СО выше, чем их среднее содержание в трубе. С увеличением интен­сивности оплавления содержание кислорода в зоне сварки умень­шается. Оно уменьшается и при повышении содержания в стали углерода. Однако при оплавлении высоколегированных сталей, например аустенитной, содержание кислорода в зоне сварки резко увеличивается. Можно предполагать, что при оплавлении легко окисляющихся металлов — алюминия, титана, молибдена само - защитное действие должно проявляться в еще большей степени, чем для стали.

Очевидно, самозащита будет тем эффективнее, чем интенсивнее и стабильнее оплавление и чем больше образуется паров и газов. С различной скоростью оплавления (от 0,5 до 2 мм/сек) свари­вали пластины сечением 3x55 мм с содержанием 0,2—1,02% С (сталь Ст. 3, сталь 50 и У10А). Образцы загибали и измеряли протя­женность дефектных участков. Оказалось, что с увеличением сред­ней скорости оплавления, т. е. его интенсивности, и с увеличением содержания в стали углерода, способствующего образованию за­щитной среды, количество дефектов в стыке уменьшалось (рис. 105). Повышение содержания в стали углерода может способствовать уменьшению количества окислов в стыке еще и потому, что при этом понижается температура со - лидуса и, как следствие, расши­ряется температурный интервал, в котором окислы легко вытесня­ются при осадке. Данные, позволя­ющие раздельно оценить роль га - зовыделения и снижения темпера­туры солидуса, отсутствуют.

Процесс оплавления зависит также от формы и металла свари­ваемых деталей. Как отмечалось выше, нагрев при оплавлении

должен подготовить детали к Осадке, а Также обеспечить ее Осу­ществление без чрезмерных усилий и, во всяком случае, без повреждения металла в стыке и прилегающей к нему зоне. Для детали с развитым периметром условия осадки в основном опре­деляются ее толщиной; для детали компактного сечения — ее площадью. Обычно во избежание резко выраженного объемно­напряженного состояния, затрудняющего деформацию, с увели­чением толщины или сечения деталей зону интенсивного нагрева расширяют с соответствующим снижением градиента температуры у стыка.

При сварке стальных деталей небольшого сечения, когда усилие осадки относительно невелико, применимы давления, обеспечивающие деформацию в зоне, нагретой выше 800—900° С. При сварке деталей большого сечения, когда усилие осадки часто ограничивается параметрами оборудования, деформация осуще­ствляется в более нагретой зоне (Т > 1000° С). В общем случае чем больше сечение деталей (это не относится к тонкостенным деталям), тем шире зона высокотемпературного нагрева. Как правило, широкая зона нагрева достигается не за счет оплавления на большую величину, а медленным оплавлением на малую ве­личину (перед осадкой скорость плавления кратковременно по­вышается для интенсификации процесса, способствующей равно­мерному нагреву торцов).

Из табл. 26 видно, что при изменении припуска на оплавление всего примерно в 5 раз продолжительность процесса в зависимости от формы и сечения свариваемых деталей изменяется почти на два порядка. Однако осадка в объемно-напряженном состоянии может не ухудшать, а наоборот, улучшать качество соединений, поэтому не следует стремиться к особенно большой ширине зоны высоко­температурного нагрева.

Детали из металлов с высокой теплопроводностью приходится оплавлять с высокой скоростью, при которой, несмотря на боль­шой градиент температуры, все же удается достаточно нагреть торцы.

Рациональные параметры оплавления зависят от чувствитель­ности металла к термическому циклу сварки, а в случае его вы­сокой химической активности — от степени этой активности. Например, при сварке перлитных сталей с нагревом узкой зоны («жесткий» режим оплавления) в результате большой скорости охлаждения возможно появление в этой зоне хрупких структур;' хрупкость этого рода обычно легко устранить последующим отпуском. При оплавлении некоторых перлитных сталей по очень «мягкому» режиму из-за длительного перегрева иногда пони­жаются механические свойства соединения, восстановление ко­торых невозможно без нормализации, например, при сварке непрерывным оплавлением в течение 60—300 сек труб из тепло­устойчивой стали 12Х1МФ с толщиной стенки более 20 мм, когда 154

Таблица 26 Типичные параметры оплавления деталей различного сечения [71, 91, 92, 126] Параметры оплавления Металл Профиль При­пуск в мм Время в сек Средняя скорость в мм/сек Макси­мальная скорость перед осадкой в мм/сек Низкоуглероди- Лист 6=3,0 мм 12 6 2,0 4,0 стая сталь Полоса, труба 6= = 10 мм 23 33 0,7 2,0 Полоса 6=20 мм 28 120 0,25 1,5 6=60 » 38 240 0,15 0,9 Квадрат 80X80 мм 32 140 0,20 1.5 200X 200 » 45 300 0,15 0,8 Легированная Лист 6=3 мм 12 4 3,0 6,0 сталь Трубы 32X5 мм 12—15 12-—15 1-1,2 5—10,0 Алюминиевый Полоса 6=6 мм 14 5 2,8 6,0 сплав АК6 10 1,5 7.0 15,0 Медь Полоса 6=2 мм 20 2 12,0 25,0 6=6 » 15 4,2 7,5 15,0

ударная вязкость соединения падала ниже 1 кГм/см2 из-за пре­обладания в структуре зоны термического влияния неравновес­ного перлита и сорбита с ферритной оторочкой [911.

Низкая ударная вязкость в данном случае не была связана с какими-либо дефектами соединения, так как его свойства при рабочей температуре (585° С) были высокими. Существенно, что при сварке этой же стали на «жестком» режиме удовлетворитель­ная ударная вязкость была получена и после отпуска.

При сварке активных металлов (титана, молибдена) оплавле­ние на воздухе с недостаточной скоростью приводит к проника­нию газов в околостыковую зону. Например, при сварке титана ВТ1 и сплава ВТ6 (6% А1 и 4% V) со скоростью оплавления перед осадкой 6 мм/сек еще не устранялась опасность газонасыщения этой зоны на глубину до 80 мк от линии соединения [65]. Твердая прослойка охрупчивала соединение.

Полосы из молибдене-титанового сплава (0,5% Ті) сечением 6,3 х25 мм удовлетворительно сваривали на воздухе при средней скорости оплавления около 3 мм/сек [215]. Можно предполагать, что конечная скорость оплавления приближалась к 10 мм/сек.

Качество соединения оценивали по его пластичности. Темпера­тура перехода в хрупкое состояние у сварного соединения при­ближалась к +100° С, в то время как у основного металла она не превышала +40° С. Аналогичные результаты дала сварка нелегированного молибдена, полученного прессованием или пере­плавом [2151. При этом защитная атмосфера аргона или гелия не была эффективной. При сварке с защитой пластичность соеди­нения не только не повысилась, но даже стала ниже из-за роста зерен с выпадением по их границам карбидов молибдена.

Рассмотренные особенности процесса оплавления позволяют сформулировать некоторые общие принципы его рационального построения. Часть из них справедлива всегда; применимость остальных зависит от металла и сечения свариваемых деталей, а также от параметров используемого оборудования. В частности, всегда целесообразно оплавлять при минимальном напряжении U2.o и на машинах с низким ZK а, что повышает устойчивость процесса, улучшает условия нагрева свариваемых деталей и, как правило, сопровождается образованием на оплавляемых торцах относительно неглубоких кратеров.

Для получения достаточно широкой зоны разогрева при уме­ренном градиенте температуры у торцов оплавлять следует с уме­ренной скоростью, возрастающей перед осадкой, для достижения локальной устойчивости процесса. Чтобы смягчить некоторые неблагоприятные последствия оплавления с большой скоростью, в частности сужение зоны нагрева и увеличение градиента темпе­ратуры, а также увеличение глубины кратеров, ускоренное оплав­ление должно быть кратковременным. Однако всегда оплавлять с высокой скоростью следует на длине, превышающей удвоенную глубину наиболее крупных кратеров с тем, чтобы ни один участок торцов, даже расположенный на дне таких кратеров, не мог ока­заться неохваченным интенсивным оплавлением перед осадкой.

При сварке непрерывным оплавлением возможны два прин­ципиально отличающихся варианта процесса оплавления, целе­сообразных в различных условиях. Первый осуществляется при постоянном напряжении U%0 с обеспечением необходимой устой­чивости процесса изменением скорости оплавления (плавным или ступенями), сопровождаемым плавным нарастанием эффективного тока [1361. Во втором варианте изменяют по заданной программе 1/2.0; оплавление начинают при высоком f/2.0, облегчающем воз­буждение процесса; затем U% 0 понижают до минимального зна­чения, поддерживающего устойчивое оплавление. Иногда перед осадкой UZ o вновь повышают для проведения ускоренного оплав­ления. При сварке с переменным 02 0 оплавление обычно ведут с постоянной скоростью, повышаемой только перед осадкой.

Первый, более простой вариант процесса, удобен для сварки деталей относительно небольшого сечения (для стали до 1000— 2000 мм2). При сварке деталей большого и компактного сечения, 156

когда существенны термическая эффективность процесса, а также отсутствие глубоких кратеров, целесообразнее второй вариант, особенно с автоматическим регулированием (либо скорости оплав­ления, либо напряжения £72. о)> предупреждающим короткие за­мыкания при оплавлении с минимальным {/2.0 [92].

Осадка и формирование соединения. Оплавление и, тем более, предшествующий ему подогрев только подготовляют торцы к фор­мированию соединения. Последнее осуществляется при осадке. Рассмотрим случай, когда в момент фактического соприкоснове­ния торцов они полностью покрыты слоем расплавленного металла. При сближении торцов, например на участке А (рис. 106), если этому не препятствуют пленки окислов, образуется объединенная прослойка металлического расплава. Такая же прослойка воз­можна и после вытеснения (жидких или твердых) окислов.

Твердый металл всегда смачивается своим расплавом, поэтому образование объединенной жидкой металлической прослойки без границы раздела уже гарантирует формирование здесь соединения при охлаждении, тем более что кристаллизация жидкой фазы на готовых центрах, имеющихся на оплавленной поверхности твер­дого металла, идет беспрепятственно.

В процессе дальнейшей осадки зазор по всей площади соеди­нения постепенно закрывается, полностью или частично вытес­няя расплавленный металл из стыка. В местах глубоких кратеров, например в В и С, даже к концу осадки в стыке может остаться невытесненный, обычно окисленный литой металл в виде линзы В' и С. В зависимости от величины осадки металл сохраняет здесь литую структуру с присущими ей дефектами или подвергается заметной деформации.

На отдельных участках торцов к началу осадки или в момент их фактического соприкосновения жидкий металл может отсут­ствовать. Соединение формируется в твердой фазе (топохимиче - ский процесс). В результате деформации при осадке торцы должны быть доведены до физического контакта с вытеснением из стыка окислов, если они там имеются. Осадка обычно идет при темпе­ратуре, близкой к солидусу, при которой обеспечивается значи­тельная термическая активация, способствующая в сочетании с движущимися дислокациями образованию прочного соединения на участках, свободных от окислов. Однако даже на таких уча­стках в случае недостаточного их нагрева при малой деформации, осуществляемой после достижения физического контакта, воз­можно формирование соединения без общих зерен, разрушение которого носит хрупкий межзеренный характер (по типу, пока­занному на рис. 52, в). Обычно при сварке оплавлением темпе­ратура на торцах в момент осадки достаточно высока и основное препятствие к получению соединений высокого качества связано с окислением. Толстые окисные пленки, если они имеются на торцах, препятствуют получению соединений с высокой пластич-

ностыо, поскольку при сварке оплавлением степень растекания металла в плоскости стыка обычно недостаточна для механиче­ского разрушения пленок. Тонкие пленки, по-видимому, могут при осадке частично восстанавливаться (при сварке стали угле­родом, диффундирующим из металла к границе раздела металл— окисел, см. § 2, гл. VIII). Этому может способствовать, в част­ности, увеличение времени осадки при включенном токе, когда поддерживается высокая температура зоны сварки. Последнее благоприятствует также развитию процессов рекристаллизации и образованию общих зерен, что повышает пластичность соеди­нения. Практически при сварке оплавлением сочетаются два процесса формирования соединения: через жидкую фазу (основ­ной процесс) и в твердом состоянии.

Процесс осадки характеризуется двумя основными парамет­рами: ее величиной Дос и скоростью voc. С ними связан третий — зависимый параметр — давление осадки рос. Минимальная вели­чина осадки при наличии на торцах слоя жидкого металла равна (см. рис. 106)

Д ос — Да + 26|р - f - 2&0Д кр, (25)

где Д3 — зазор между оплавленными торцами;

8р толщина слоя жидкого металла;

АКр — глубина кратера; k0 — коэффициент.

Величина Дэ + 28р обычно не превышает 1—1,5 мм. Опре­деляющим является третий член 2k0AKp. Коэффициент k0 учи­тывает, что выравнивание выступов невозможно без общей де­формации сдавливаемых тел (см. § 2, гл. III). Чем уже зона интенсивного нагрева, тем труднее деформировать прилегающий к торцам металл; выравнивание выступов при этом будет сопро­вождаться меньшей общей деформацией и коэффициент k0 сни­зится, а удельное давление, необходимое для ее осуществления, возрастет. Поэтому при сварке с подогревом или при непрерыв­ном оплавлении по «мягкому» режиму с широкой зоной разогрева,
как правило, необходимая величина осадки возрастает. Напри­мер, при сварке рельсов с подогревом необходима осадка на 20 мм; при их сварке непрерывным оплавлением Аос 10 мм [95]. Обычно k0 лежит в пределах 2—4.

Глубина кратеров существенно зависит от металла и сечения свариваемых деталей, а также от скорости оплавления, вторич­ного напряжения и параметров сварочного оборудования ZK.3. В общем случае глубина кратеров и, как следствие, Аос растет с увеличением толщины деталей и их сечения. Зависимость Дос от толщины широких стальных полос, свариваемых непрерывным оплавлением, приведена на рис. 107, где нанесены также соответ­ствующие значения длительности оплавления. Последняя быстро растет с увеличением толщины полос, а средняя скорость оплав­ления снижается с 1 мм/сек (при 6 = 2 мм) до 0,3 мм/сек (при 6 = 25 мм). Это хотя и приводит к увеличению k0 из-за расши­рения зоны интенсивного нагрева, но способствует уменьшению глубины кратеров. Необходимая величина осадки при увеличе­нии 6 с 5 до 25 мм растет не в 5 раз, а только вдвое.

Металлы и сплавы с высокой теплопроводностью оплавляют с очень большой скоростью, в связи с чем образуются глубокие кратеры. Поэтому при сварке меди, алюминия и их сплавов Дог значительно выше, чем в случае сварки деталей того же сечения из стали (табл. 27).

Можно предположить, что это связано не только с глубиной кратеров, но и с трудностью получения на торцах равномерного слоя жидкого металла. Если это так, то для образования безде­фектного соединения необходимо механически разрушить твердые пленки на твердом металле, для чего требуется значительная дефор­мация, по существу такая же, как при сварке сопротивлением.

Таблица 27 Величина осадки при сварке непрерывным оплавлением полос металлов Металл Толщина в мм Величина осадки в мм Давление осадки в кГ/мм* Перлитная 2 3,0 12 сталь 6 6,0 8 Медь 2 6,5 42 6 8,0 35 Алюминиевый сплав АМгб 6 12,0 13

Действительно, при сварке оплавлением полос ИЗ сплавов АМгб и АК6 коэффициент площади достигал кпл= 2,5-=-3, а при сварке сопротивлением алюминиевых сплавов он также превы­шал 2.

Зависимость механических свойств соединения, и в особен­ности его пластичности и ударной вязкости, от величины осадки обычно имеет экстремальный характер. Как недостаточная, так и чрезмерная осадка могут снизить качество соединения. При малой осадке не полностью удаляются из стыка расплавленный металл и окислы, что сказывается на структуре и свойствах самого стыка и прилегающей к нему зоны. При большой величине осадки на катаном металле часто наблюдается резкое искривление во­локон.

Величина осадки, определенная зависимостью (25), достаточна для завершения процесса на участках с наиболее глубокими кра­терами. Очевидно, что в зоне выступов (точка А, см. рис. 106) соединение осуществится при значительно меньшей осадке. Это подверждается опытами по сварке стержней сечением 30 хЗО мм из низкоуглеродистой стали с осадкой на 1—5,5 мм. Из стыков вырезали по четыре образца с надрезом в плоскости соединения. Уже при Дос = 1 мм отдельные образцы имели высокую ударную вязкость (см. рис. 90, в). Наибольшие значения средней и макси­мальной ударной вязкости были получены при Аос — 2,5 мм; однако при такой осадке минимальное значение ударной вязкости еще оставалось низким (около 6 кГм/см2). Только при Аос = = 4,5-Г-5,5 мм достигали достаточно устойчивых показателей

/-gn. mm __ Q^-j-0,7 ). Однако среднее значение ан, и в особен-

“я. щах /

ности его максимальная величина, начинали понижаться в ре­зультате неблагоприятного влияния искривления волокон.

Рассмотрим влияние величины осадки на структуру соедине­ния на примере сварки стали. Сталь под слоем жидкого расплава

dT

на некоторой глубине тем большей, чем меньше градиент

находится в состоянии частичного расплавления. Рядом с жидким слоем оплавленные зерна как бы плавают в маточном растворе (жидко-твердое состояние); на большем расстоянии от торца твердый остов из нерасплавленных зерен имеет отдельные вкрап­ления жидкого металла (твердо-жидкое состояние). При хорошо выполненной осадке расплавленный металл и окислы из соеди­нения удаляются. Жидкая фаза из зоны жидко-твердого состояния также относительно легко выдавливается, а сталь, находящаяся в твердо-жидком состоянии, должна закристаллизоваться в ходе пластической деформации, достаточной для компенсации усадки, связанной с возможным застреванием здесь жидких прослоек.

В результате этих процессов непосредственно в стыке остается более чистая и тугоплавкая твердая фаза, а элементы, наиболее 1С0
склонные к ликвации (углерод, сера, фосфор), в значительной части растворяются в жидкой фазе и удаляются вместе с ней из соединения. Следствием этого является, в частности, обезугле­роживание стыка (рис. 108, а). Связь обезуглероживания с ликва­цией углерода подтверждается и тем, что оно наблюдается при сварке в безокислительной атмосфере (например, в азоте высокой чистоты с менее чем 0,005% 02), когда нет оснований ожидать обезуглероживания в результате выгорания углерода. Повышен­ная чистота металла по сере непосредственно в стыке хорошо видна на отпечатках по Бауману (рис. 108, б). Ширина обезуглерожен - ной зоны, твердость которой, как правило, понижена, зависит от условий оплавления и от величины осадки. Чем шире нагретая зона, тем толще обезуглероженная полоска. С увеличением осадки ширина полоски б„ уменьшается (рис. 309).

По некоторым данным, основанным на применении микро - спектрального анализа (59], в зоне соединения перераспределяются элементы (марганец, кремний), несклон­ные к ликвации [146]. Некоторое по­нижение в этой зоне концентрации мар­ганца при сварке стержней из стали с содержанием около 1,80% Мп уста­новлено также в работе [78] путем ми - крорентгеновского анализа. Этим мето­дом автор книги изучал распределение хрома, марганца и ванадия в соедине­нии при сварке непрерывным оплавле­нием труб диаметром 32 мм из стали 12Х1МФ и 12%-ной хромистой стали[2].

Рис. ПО. Распределение легирующих элементов в зоне соединения при
сварке непрерывным оплавлением труб диаметром 32 мм

Понижения содержания в стыке этих элементов (рис. 110) заме­чено не было. При отличающейся их концентрации в стыкуемых трубах по линии соединения наблюдался скачок концентрации без плавного перехода (рис. ПО). Возможно, что понижение содержания марганца, обнаруженное в работе [78], вызвано его испарением при относительно медленном оплавлении.

При недостаточной осадке хорошо нагретого стыка в нем воз­можны дефекты, оказывающие большее или меньшее влияние на свойства соединения. К таким дефектам относятся: не полностью удаленный из глубоких кратеров расплавленный металл; застряв­шие в стыке окислы и усадочные дефекты в околошовной зоне.

При малой осадке в месте глубоких кратеров (см. рис. 106) могут оставаться линзы расплавленного металла, загрязненные ликвирующими элементами, легко обнаруживаемые в соединениях деталей большого сечения, например, рельсов. Кристаллизация в линзах может сопровождаться усадочными дефектами, иногда трещинами (рис. 111, а) [53]. В стык из основного металла могут попадать силикатные включения. Возможно также, что в резуль­тате перемешивания расплавленного металла на торцах в момент, предшествующий осадке, окислы могут более или менее равно­мерно распределяться в жидком металле. В случае неполного его удаления при осадке в толще металла при кристаллизации за­стревают мелкие включения (рис. 111,6).

При сварке высокоуглеродистых сталей, например рельсовых с содержанием 0,7% С, кратерная линза иногда заполняется расплавом, сильно обогащенным углеродом—чугуном, кристал­лизующимся со структурой ледебурита (см. рис. 121, в). Недо­статочная осадка может приводить и к тому, что непосредственно по линии 'соединения в стыке остаются отдельные окисные вклю­чения, цепочка включений или, наконец, наиболее опасный де­фект — сплошная пленка окислов (рис. 111, е).

Для выяснения условий образования окисных включений и их роли при формировании сварных соединений применили фракто - графический анализ. Просмотр в электронном микроскопе при увеличении до 50 000 угольных реплик, снятых с изломов безде­фектных стыков, показал [44], что при сварке сталей (сталь 20, Х18Н12Т), не дающих хрупких структурных составляющих, излом имеет «чашечное» строение (рис. 112, а), характерное для вязкого, транскристаллитного разрушения. Так же выглядит излом по основному металлу. В стыке 12%-ной хромистой стали при наличии в структуре мартенсита наблюдается хрупкий «ру - чеистый» излом (рис. 112, б).

В изломе стыка труб из низкоуглеродистой стали на участке с низкой пластичностью (в зоне «склеек» или «матовых пятен», характерных для неудовлетворительно оплавленного и недоста­точно осаженного соединения) видны большие окисные включе­ния (рис. 113, а) со скругленными границами и почти без трещин, її* 163

Это, вероятно, следствие того, что осадка стыка завершилась либо до затвердевания легкоплавкого окисла, либо в то время, когда окисел еще обладал достаточной вязкостью для растекания по стыку без растрескивания вместе с деформируемым при осадке металлом. Такие включения резко понижают пластичность и удар­ную вязкость соединений. Однако при отсутствии в стыке окислов очень низкая температура торцов перед осадкой может приводить к образованию соединений, дающих хрупкий излом межкристал - литного характера.

На стали Х18Н12Т дефектные участки излома, обычно имеющие золотистый цвет, также покрыты окислами. Однако эти окислы тугоплавкие и хрупкие, дробятся при осадке на отдельные, более

Рис. 111. Дефекты в стыке при сварке оплавлением стали с недостаточной осадкой: о — трещина в лиизе закристаллизовавшегося металла, ие удаленного при осадке; Х90 153]; б — окислы в кратерной линзе; X 100; в — ледебурит в кратерной линзе; Х90 [63 3; г — окислы по линии соединения, Х100 [36 3

или менее обособленные фрагменты (рис. 113, б и в). Мелкие вклю­чения разобщенного типа (рис. 113, б) заметно не снижают пла­стичности соединений.

В околошовной зоне, там, где сталь находилась в твердо-жидком состоянии, недостаточная осадка иногда ведет к усадочной рых­лости (рис. 114, а). Эти дефекты существенно снижают пластич­ность соединения. На участках загрязненного металла при кри­сталлизации иногда появляются сульфидные (рис. 114, б) и фос - фидньїе эвтектики. Как правило, образованию дефектов в стыке

. .

способствует недостаточный и неравномерный нагрев торцов перед осадкой. Развитию же дефектов в околошовной зоне благоприят­ствует перегрев.

Чрезмерная осадка может ухудшать пластичность и ударную вязкость соединений в результате искривления волокон (рис. 115). Последнее влияет тем сильнее, чем больше различаются механи­ческие свойства свариваемого металла вдоль и поперек прокатки. Резко выраженная строчечность структуры, и в особенности обо­гащение прослоек между волокнами примесями, сильно снижаю­щими температуру плавления, при чрезмерной деформации осадки приводит к расслоению с образованием горячих трещин.

Необходимая степень деформации при осадке, характеризуемая коэффициентом площади (табл. 28), значительно меньше для сварки оплавлением стали, чем для сварки без оплавления (напри­мер, прессовой, обеспечивающей бездефектное соединение только при кпл ^ 5).

Таблица 28 Коэффициент площади при сварке оплавлением труб Толщина стенки труб в мм Процесс сварки кпл 4 Непрерывным оплавлением..................................... 2,0 28 Оплавлением с подогревом....................................... 1,8 35 То же................................................ ............................. 1,7

При оценке этих данных необходимо учитывать, что значи­тельная часть деформации при осадке связана с выравниванием кратеров на торцах, а совместная деформация после сближения оплавленных поверхностей до соприкосновения относительно невелика.

Скорость осадки должна быть достаточной для предупрежде­ния застревания в стыке окислов (если они имеются) и расплавлен­ного металла. Очевидно, что при недостаточном нагреве торцов или малой величине осадки любое повышение ее скорости не даст положительного эффекта. Из анализа уравнения (21) следует, в частности, что скорость осадки должна увеличиваться с ростом АТ

с уменьшением допустимого интервала температуры (Т2—

Тг) и с увеличением теплопроводности свариваемого металла, т. е. с уменьшением времени, достаточного для охлаждения слоя расплавленного металла и окислов до температуры, ниже которой вытеснение их из стыка становится невозможным. Поэтому необ­ходимая скорость осадки растет при легировании стали элемен­тами (хромом), образующими тугоплавкие окислы (уменьшается Т2—Т х); для аустенитной стали минимальная скорость осадки
по крайней мере вдвое выше, чем для перлитной (рис. 116). Допустимая скорость осадки несколько понижается при сварке с подогревом вследствие уменьшения градиента температуры.

Если при сварке сталей скорость осадки выше 20—50 мм/сек, как правило, вполне достаточна, то при сварке алюминиевых сплавов и особенно меди с высокой теплопроводностью необходи­мая скорость осадки резко растет: до 150 мм/сек при сварке сплава АМгб (рис. 117) и до 200—250 ммісек при сварке меди[126]. Однако можно ожидать, что в отдельных случаях чрезмерная скорость осадки затруднит формирование соединения и будет вредной.

Удельное давление осадки зависит от многих факторов, свя­занных со свойствами свариваемого металла, режимом оплавле­ния, заданной величиной осадки и условиями ее осуществления. Чем жаропрочнее металл, тем больше необходимое давление осадки (табл. 29), которое особенно велико при сварке непрерыв­ным оплавлением. С увеличением содержания углерода, и в осо­бенности при легировании стали, повышающем ее жаропрочность, рос растет. Значительно влияют на рос условия деформирования: характер температурного поля и схема напряженного состояния. Чем выше градиент температуры у стыка, тем в большей степени более холодные слои металла затрудняют деформацию и тем отно­сительно выше рос. Как следствие, при сварке непрерывным оплавлением (стали) оно приблизительно вдвое выше, чем при уварке с подогревом.

Из-за большого градиента температуры, связанного с высокой скоростью оплавления, при сварке относительно мягких металлов (меди, алюминия) необходимое давление осадки очень велико.

Стеснение деформации при осадке, приводящее к объемнона - [3]

ан, кГпІсп2 р W 20 30 Ь0 Vqc пп/сек РисЛІб. Влияние скорости осад­ки на ударную вязкость соедине­ний труб из стали различного класса: