Технологические циклы точечной сварки

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

Подпись: риє, 4.6, а показана форма кривой нормального перемен-ного тока и кривая подъема температуры Т по плоскости свариваемого контакта. Это самая простейшая и наиболее распространенная форма кривой сварочного тока, пред-назначенная для сварки деталей из обычной низкоуглеродистой стали толщиной 0,5— 2 мм при условии хорошей зачистки контактных поверхностей. Для такой же стали, но больших толщин (3—6 мм), тщательная зачистка которой не всегда может быть обеспечена, очень полезна модулированная кривая тока, показанная на рис. 4.6, б. Для стальных деталей большой толщины (до 15—20 мм) следует рекомендовать кривую тока, приведенную на рис. 4.6, в. Здесь начальный период нагрева идет при относительно меньшей силе тока, чем процесс окончательного сваривания.

Технологические циклы точечной сварки
Технологические циклы точечной сварки
Технологические циклы точечной сварки
Технологические циклы точечной сварки

Подпись:/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.

Подпись: Рис. 4.7. Некоторые типовые циклы точечной сварки 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

Подпись:^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:

Подпись:

Подпись: Для разрушения окалииы

» подогрева »

» охлаждения »

» отжига »

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

Технологические циклы точечной сварки

Рис. 4.8. Типовая структура точечно-сварных соединений больших толщин н типовой цикл сварки для них

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

Подпись: Б) 600 Рис. 4.9. Распределение температуры на поверхности свариваемых пластин (Т0 — температура массы металла детали)

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.

Комментарии закрыты.