Главным и самым ответственным моментом в формировании ядра сварной точки является первая операция — нагрев. Наи­более отчетливую связь основных переменных, обусловлива­ющих начальный процесс нагрева свариваемого контакта, дает формула (2.79).

Как видно, главными переменными являются: плотность тока і, начальное электрическое сопротивление контакта шероховатых поверхностей гмг0, сопротивление оксидных наслоений гпл0 И п — показатель формы кривой сварочного тока. Для первого момента включения тока можно считать, что расплавленный диск из двух слоев пирамидальных шероховатостей образуется в результате расплавления слоя деформированных микропирамид проходящим током:

-pfA dt = ycS26 dQ, (4 ЛО)

отсюда

d&_ _ dt ус

Подставляя это значение в формулу (2.79), находим

'mto + 'mio _q>5==b. (4.11)

В современной производственной практике поверхности свари­ваемых деталей общепринято зачищать до металлического блеска, если детали покрыты слоем окалины. Детали из холодного проката уже в состоянии поставки свободны от видимых оксидных на­слоений. Для таких нормальных условий можно считать гШ10 = О и, как было показано на рис. 1.26 и 1.27, начальное сопротивление холодного контакта оказывается весьма близким к сопротивле­нию горячей сваренной точки гт. Поскольку /?кт0 яй гмг0 + гпя0

гт, то согласно равенству (4.11) показатель формы кривой тока должен быть близок к п = 1/2.

Можно убедиться, что этот показатель довольно точно опре­деляет кривую неискаженной синусоиды в пределах 0—90°. От­сюда видно, что для сварки нормальным переменным током дей­ствительно необходима зачистка деталей до металлического бле­ска. Но, как это бывает и как это показано на рис. 1.26, оксидные пленки способны увеличить, например, вдвое начальное значе­ние гмг0 - f - Гпло ~ 2гт. Для того чтобы диск получился расплавлен­ным, а не кипящим с выплеском этого кипящего слоя, из равен­ства (4.11) следует, что форма кривой сварочного тока должна быть не выпуклой (п = 1/2), а вогнутой приблизительно с пока­зателем кривизны п = 3/2.

В настоящее время созданы отдельные экземпляры точечных машин, которые способны от точки к точке автоматически менять показатель п формы кривой сварочного тока, в зависимости от состояния контактирующих поверхностей. Однако малое рас­пространение такого рода машин пока вполне правомерно, по­скольку автоматика очень сложная, машины дорогие и недоста­точно себя оправдывают тем, что создают весьма стабильные размеры ядра.

Геометрия единичного точечно-сварного соединения из-за кон­центрации напряжений лишает ядро почти всех его структурных и даже, в известных границах, размерных преимуществ. Тем не менее, за последние 20 лет созданы целые серии уже теперь обыч­ных и стандартных машин с регулируемыми формами кривых сварочного тока. На рис. 4.6 представлена серия такого рода кривых, хотя и не в полном современном ассортименте. На 168

Рис. 4.6. Рост температуры в зависимости от формы кривых тока подогрева деталей (Лід) и сварочного тока, формирующий расплавленное ядро (/св) для машин пе­ременного тока, униполярных, конден­саторных и выпрямленного вторичного тока

/св, так и время Лід и могут регулироваться в самых широких пределах. Прерывис­тое включение тока, показанное на рис. 4.6, г, весьма эф­фективно при сварке плохо зачищенных или даже совсем неза - чищенных деталей большой толщины. Такая система нагрева очень хороша и для зачищенных деталей, но больших габарит­ных размеров (например, балок, ферм), когда конструктивная жесткость затрудняет немедленное надежное контактирование в зоне сварного соединения. Последующие кривые сварочных токов (рис. 4.6, д—и) относятся к униполярным, конденсаторным ма­шинам, а два последних — к машинам с выпрямлением вторич­ного тока. Для импульсных машин (рис. 4.6, е, э и к) также используется принцип подачи первого подогревающего импульса и второго сваривающего.

Завершающим этапом термического цикла точечной сварки является кристаллизация ядра и формирование структуры зоны термического влияния. Эти операции уже могут быть не только термическими, но и термомехаиическими. Рассмотрим для примера

некоторые полные циклы сварочного процесса с про­граммированием давления, токов подогрева и отжига.

Цикл по рис. 4.7, а начи­нается с того, что электроды сжимают детали силой Рг, в 1,5—2 раза большей, чем это предусматривается режимом сварки. Такого рода пред­варительное обжатие деталей весьма желательно при свар­ке уже не мелких, а крупно­габаритных или даже тяже­лых конструкций, которые обладают некоторой собствен­ной конструктивной упруго­стью или жесткостью. Через некоторый момент времени повышенное давление умень­шается до режимного, сва­рочного Р2 и в этот же мо­мент включается ток подогре­ва контакта /од, переходящий затем в сварочный ток /св, в 1,5—2 раза больший, чем подогревающий. Если сваривае­мые детали оказались способными принять нежелательную силь­ную закалку, ее снимают отжигающим током /0,ж. При таком цикле переменными являются не только амплитуды или дейст­вующие значения токов, но и все параметры времени іпд, tCB, tox, /отж. В некоторых случаях, при недостаточной зачист­ке деталей, ток подогрева полезно сдвигать в область дей­ствия начального повышенного давления (рис. 4.7, б). Наиболее легко осуществим на машинах, даже с весьма простым регулиро­ванием режима, очень эффективный цикл, предложенный А. П. Рукосуевым (Красноярский политехнический институт). Этот цикл (рис. 4.7, е) хорош для тяжелых конструкций, для пло­хой зачистки деталей, для легированных сталей больших толщин. Принципиальная сущность цикла сводится к следующему: как только детали сжаты начальным повышенным давлением, на электроды подается импульс тока /диск, по амплитуде и времени действия достаточный только для того, чтобы по плоскости свари­ваемого контакта образовался горячий (лучше расплавленный) диск из тех пирамидальных или иной формы шероховатостей, которые характеризуют составляющую контактного сопротивле­ния

Горячий диск уже имеет сопротивление

^ДИСК “ РтАМо-

Равенство этих сопротивлений говорит о том, что высота рас­плавленного диска независимо от способа обработки поверхно­стей получается приблизительно одинаковой. Если, например, для стальных деталей, зачищенных наждачным кругом, рд = = 1000 мкОм-см, а высота пирамиды Д = 60 мкм, то для холод­ного проката (почти полированная поверхность) рд = = 60 000 мкОм-см, Д = 1 мкм. Физический смысл цикла, данного на рис. 4.7, в, сводится к тому, что первый импульс тока, образу­ющий этот диск расплава, ликвидирует, по сути дела, самую нестабильную составляющую гмг [см. формулу (1.77)1 полного сопротивления Rw Последующий сварочный ток действует уже на геометрическую составляющую ггт, значение которой достаточно стабильно.

В современной практике изготовления сварных конструкций балок и ферм стали использовать контактную точечную сварку прокатных профилей большой толщины —от 6 до 30 мм. Опе­рации зачистки такого проката весьма усложняют технологию в целом. Однако оказалось возможным разработать особый цикл точечной сварки деталей большой толщины без их зачистки от окалины. Вместо такой отдельной операции используется эффект электрического пробоя слоя окалины непосредственно в электро­дах точечной машины. Такой цикл, однако, требует от точечной машины особых электрических характеристик. Машина должна обеспечивать для пробоя окалины относительно повышенное напряжение на электродах и нормальную промышленную частоту тока (рис. 4.8). Действующее значение пробойного тока от тока, сваривающего единичную точку, принимают в пределах

/ок = (0,35 4-0,45) /ов.

Вслед за пробоем слоя окалины идет этап подогрева током

/пд = (°.55 4- 0,8) /ов.

Затем следует собственно формирование ядра при значениях сварочного тока на 35—40 % выше тех, какие оказываются опти­мальными при сварке без подогрева. Токи операции отжига со­ставляют (0,454-0,70) /св. Время каждого отдельного этапа по сравнению с временем сварки единичной точки принимается таким:

» подогрева »

» охлаждения »

» отжига »

Если приходится ставить не единичные, а групповые точки, то для второй точки вторичный ток следует увеличивать на 15—

20 %. К сожалению, опыт Института электросварки по изгото­влению точечно-сварных тяжелых конструкций пока что получил весьма ограниченное развитие. Для такого рода технологии необходимы специализированные машины больших мощностей (1000—1500 кВт), способные выдавать как вторичные токи нор­мальной частоты (для пробоя окалины), так и низкочастотные (для подогрева, сварки, отжига). На рис. 4.8 показаны схемы типовых точечно-сварных соединений толстых листов. Наиболее характерной для них является зернистая структура центра ядра с относительно увеличенным размером зерен по сравнению с теми разориентированными в слое дендритами, которые типичны для однократного включения тока. Ток отжига делает свое дело.

Несколько слов о завершающих этапах сварочного цикла, термомеханической обработке сформированного ядра и зоны термического влияния.

Рецептурные рекомендации здесь невозможны, и если к ним прибегают в отдельных книгах, то это всегда только частные случаи, лишенные теоретических обобщений. Если иметь в виду огромное разнообразие сталей и сплавов, из которых приходится изготавливать современные точечно-сварные конструкции, то сле­дует сделать твердый вывод о невозможности расчетно-теорети­ческих обобщений по подбору температурных кривых нагрева и охлаждения, какие могут быть получены в циклах, приведенных на рис. 4.6 и 4.7.

Современная наука о металловедении все же основана на печ ных экспериментах, когда нагрев обеспечивался в печах, а охла­ждение — в жидких средах. Для электрической контактной точечной сварки все нагревы идут за счет токов весьма большой плотности, в магнитных полях высокой концентрации. Такие нагревы по самой их природе ничего общего с печными нагревами не имеют. Охлаждение зоны термического влияния происходит не теплоотдачей в жидкую среду, а теплопроводностью свар ива - 172

емому металлу и электродам. Скорости охлаждения оказываются иногда такими, для классических металловедов неслыханными, какие и создают неслыханные структуры. Вполне понятно, что до сих пор никаких надежных теоретических обобщений по термо­механическим операциям для сварной точки не могло быть соз­дано, да и не следует пытаться их создавать без электронно - вычислительной техники. В условиях современной практики точная отработка сварочного цикла по любой из схем рис. 4.6 и 4.7 должна обеспечиваться экспериментально, и этот путь ока­зывается самым целесообразным. Даже для самой грандиозной по размерам точечно-сварной конструкции эксперимент для еди­ничных точек никогда не составляет затруднений. Надо только не нарушать для отдельных точек на образцах те плотности токов и магнитных полей, какие будут характерны для конструкции в целом. Для того чтобы окончательно убедить читателя в невоз­можности теоретических расчетов скоростей охлаждения с по­мощью обычного математического аппарата теории теплопровод­ности, следует привести некоторые дополнительные опытные материалы. При сварке стальных листов толщиной 4 + 4 мм измерялась температура поверхности металла непосредственно под электродом по его оси Тпэ и на расстоянии приблизительно 1 мм от края электрода. В опыте моделировались условия сварки: лабораторные, когда ставят точки посредством свежезачищенных электродов (рис. 4.9, а), и производственные, когда электроды несмотря на все инструкции зачищают редко и плохо (рис. 4.9, б). В последнем случае электроды были взяты в цехе; их конец был деформирован и покрыт слоем оксида, крепко связанным с мате­риалом электрода. Температурные кривые рис. 4.9, построенные по трем очень характерным точкам, показывают: 1—1 —момент выключения сварочного тока, 2—2 — приблизительно через 1 с после этого момента. Сравнивая друг с другом кривые рис. 4.9, а, можем сделать вывод о возможных, но мало кому из технологов известных и не совсем обычных распределениях температуры при сварке точки. Если соблюдаются все условия охлаждения

электродов, геометрия и чистота контактной поверхности, то электроды служат сильнейшим охладителем. Температуры Tus и Тп (рис. 4.9, а) показывают, что заметно более высокая-темпера­тура в момент окончания нагрева создается не под электродом, а рядом с ним. Мало того, если электрод не снимается с металла быстрее, гчем через секунду, то, как показывает кривая 2 — 2, металл под электродом охлаждается с большей скоростью, чем рядом в точке Тп. Однако совсем другая картина получается при доста­точно заношенном электроде (рис. 4.9, 6). В этом случае его охла­ждающая способность резко снижается как в процессе нагрева (кривые 1—/), так и при охлаждении (кривая 2—2). Сравнивая эти опытные температурные кривые, можно сделать заключение, что в циклах точечной сварки следует обращать внимание на промежуток времени между выключением тока и съемом давления, т. е. удалением электродов с поверхности горячего металла. Это особенно относится к тем случаям, когда свариваемая кон­струкция обладает собственной жесткостью и упругость ее волнистых поверхностей способна немедленно, вслед за отъемом электродов, разорвать еще горячее сварное соединение.

Таким образом, следует сделать общий вывод об абсолютной полезности цикла давления с окончательной проковочной опера­цией. Однако естественная в таких случаях задержка электродов на горячей поверхности металла, с точки зрения его охлажде­ния, как об этом свидетельствуют кривые, приведенные на рис. 4.9, может быть самой разнообразной, в зависимости от свойств электродов. А эти свойства бывают очень различны. Кривые рис. 4.9 дают частную картину для медных электродов, однако они могут быть и из других медных и немедных сплавов. Следовательно, вряд ли можно говорить вообще о возможности рассчитать скорости охлаждения и, соответственно, структуры точечно-сварных соединений. Подлинные структурные картины следует устанавливать экспериментально, с соблюдением реальных цеховых, а не идеальных лабораторных условий.