§ 20. ПАРАМЕТРЫ РЕЖИМА СТЫКОВОЙ СВАРКИ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ОПЛАВЛЕНИЕМ

Различают стыковую сварку сопротивлением, непрерыв­ным и прерывистым (импульсным) оплавлением, а также оплавле­нием с подогревом.

Стыковую сварку широко используют в промышленности (рис. 120) для изготовления длинномерных изделий из проката, слож­ных детален из простых заготовок и деталей замкнутой формы в целях экономии легированных сталей (режущий инструмент, клапаны дви­гателей и др.).

а Способ стыковой сварки выбирают в зависимости от материала, размеров и формы поперечного сечения свариваемых деталей, тре­бовании, предъявляемых к качеству, и от масштабов производства.

Форма детали должна обеспечивать возможность надежного за­крепления в губках (электродах) машины. Необходимо создать усло­вия для равномерного нагрева и одинаковой пластической деформа­ции'обеих заготовок, форму и размеры сечения которых следует вы­полнять примерно одинаковыми (рис. 121, а). Различие в диаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине 10 %.

Подготовка торцов деталей производится механической резкой на ножницах, пилах, штампах, металлорежущих станках, а также плазменной или газовой резкой с последующей очисткой от шлака для создания электрического контакта. При сварке сопротивлением торцы должны быть особенно хорошо зачищены. Целесообразно под­готовку торцов, делать по сфере или на конус с притуплением, что облегчает удаление окислов из стыка. »

Для облегчения процесса возбуждения оплавлення при сварке больших сечений на торцовой поверхности делают скос под неболь­шим углом (6—8е). Это уменьшает площадь первоначального контак­та и увеличивает плотность тока в начале процесса.

Поверхность детален в месте контакта с токоподводящим губками должна быть зачищена для обеспечения надежного электрического контакта.

Сварка сопротивлением. При таком способе сварки детали зажи­маются в губках, вводятся в соприкосновение под существенным усилием и после этого включается сварочный ток. Металл в месте сварки прогревается до пластического состояния. В конце нагрева иногда повышается усилие осадки (см. рис. 122).

Этот способ применяют для сварки сравнительно небольших се­чений (до 300 мм2). При сварке на токах высокой плотности сталь­ных деталей (250—700 А/мм2) и медных (1000—3500 А/мм2) нагрев

Рис. 120. Типовые деіали, свариваемые стыковой сваркой:

а — Длинномерные изделия компактного профиля, трубы, рельсы; б — тяги, валы; в кожуха задних мостов автомобилей; г — блоки двигателей; д — ободья колес, кольца, е —• режущий инструмент, клапаны двигателей; ж — цепь

Е&ЕЭ

дэкя Рис. 123. Схема формирова-

идет очень быстро н в месте стыка металл расплавляется, а при осадке выдавливается (рис. 123). На таких режимах сваривают обычно про­волоку небольших диаметров. При сварке на токах умеренной плот­ности (25—100 А/мм2) стыковое соединение имеет более широкую зону нагрева н его очертания становятся более плавными (рис. 123, б) что является одним из преимуществ этого способа сварки.

При всех разновидностях стыковой сварки сопротивлением сни­жается припуск на сварку и количество грата, отсутствует интенсив­ное новообразование (по сравнению со сваркой оплавлением).

Основной недостаток стыковой сварки сопротивлением — окис­ление торцов во время нагрева. При сварке небольших сечений быстрый нагрев и лучшие условия эвакуации оксидов обеспечивают достаточно хорошее качество сварки.

При сварке больших сечений для предупреждения окисления ме­сто нагрева защищают газовой (нейтральной или восстановительной) средой илн сваривают в вакууме. Эти способы существенно удоро­жают процесс сварки.

Параметры режима сварки сопротивлением: сварочный ток /св, продолжительность нагрева /св, усилие сжатия FCB, усилие осадки Foc, установочная длина lu lt (расстояние, на которое деталь высту­пает из электродов перед сваркой, рнс. 124).

Параметры режима /сь и FCB иногда выражают через плотность тока /св и давление рсв.

Уменьшение tCB увеличивает неравномерность нагрева деталей по сечению, а увеличение его усиливает окислительные процессы на торцах. Усилие осадки определяет пластическую деформацию детален и влияет на выделение теплоты.

При сварке низколегированных сталей для осадки требуется давление 20—40 МПа, а при сварке легированных сталей оно может достигать 100—150 МПа. Установочная длина в основном опреде­ляется устойчивостью деталей при осадке и для круглых деталей примерно равна диаметру.

г, 1г

Стыковая сварка оплавлением — наиболее распространенный спо­соб стыковой сварки деталей разных сечений. Этим способом успешно сваривают различные стали н цветные металлы.

Перед оплавлением иногда применяют предварительный подогрев, что дает возможность уменьшить припуск на сварку, расширить зону нагрева деталей, уменьшить мощность сварочной машины. Для нагрева ток подается отдельными импульсами длительностью 0,5— 4 с, чередующимися с паузами такой же длительности. Импульсы подогрева создаются кратковременным замыканием деталей при воз­вратно-поступательном движении подвижного стола машины. В ряде случаев подогрев ведут ТВЧ, используя плоские или кольцевые ин­дукторы.

Параметры режима стыковой сварки оплавлением: установочная длина /,, /2, припуски на оплавление Допл и осадку Дос, скорости оплавлення уопл и осадки гос, токи оплавления /опл и осадки /ог, а также усилие осадки Fvc, длительность оплавления /опл и осадки /ос, а также осадки под током /0с. т-

Скорость оплавления определяется величиной перемещения по­движной плиты стола S в единицу времени.

Подогрев задается температурой Тпол пли длительностью /по;1, длительностью пауз /пз и числом импульсов тока и пауз п. Иногда задают напряжение холостого хода О*. х или программу его изме­нения. На рис. 125 приведены циклограммы процесса стыковой сварки непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.

Установочная длина I (рис. 125, 6) и припуск на сварку Дсв за­висят от размеров и формы сечения, способа сварки и свойств свари­ваемого металла. С увеличением сечения, теплопроводности и элек­тропроводимости значение / также увеличивается. При сварке разно­родных металлов / разная.

С увеличением I увеличиваются сопротивление сварочного кон­тура н потребляемая мощность, расширяется зона нагрева и умень­шается жесткость свариваемых деталей. При малой / много теплоты отводится в зажимные губки и зона интенсивного нагрева сужается. Это затрудняет пластическую деформацию и требует увеличения усилия осадки.

При сварке круглых стержней и толстостенных труб диаметром d выбирают установочную длину / = (0,7ч-1,0) d. При сварке полос / растет с увеличением их толщины б, но не превышает (4ч-5) б.

Установочная длина на две детали

2/ — Аопл -(- Аос “Ь Дк. р,

где Дк. р— конечное расстояние между зажимами; Дос — припуск на осадку (см. рис. 124, 6).

Обычно Допл = 0,7ч-0,8 общего припуска на сварку (А0Пл + Д0с)- При сварке с подогревом Допл сокращается в 2—3 раза. Скорость оплавления цопл должна обеспечить устойчивое возбуждение и не­прерывность этого процесса. Она постепенно увеличивается и в конце процесса достигает максимума.

Рис. 125. Циклы римма процесса стыковой сварки непрерывным (а) оплавлением и оплавлением с подогревом (6)

При сварке стальных деталей небольшого сечения конечная ц, пл достигает 6—8 мм/с. При сварке металлов с высокой теплопровод­ностью 1»опл значительно увеличивают, так как поток теплоты в де­тали возрастает и затрудняется нагрев приторцовой зоны. Детали больших сечений оплавляют на малой скорости, чтобы увеличить время нагрева и глубину прогрева. Перед осадкой скорость оплав­ления резко увеличивают.

Ток оплавления зависит от сечения детали и выбранной плот­ности тока /опЛ, обеспечивающей устойчивое оплавление. В начале оплавления при холодных торцах /опл наибольшая, затем несколько снижается, а в конце процесса увеличивается вследствие увеличения скорости оплавления. При увеличении сечения деталей плотность тока снижается. Если при сварке стальных деталей небольших ц средних сечений она изменяется в пределах 15—20 А/мм*, то при сварке больших сеченнй эта плотность не превышает 5 А/мм".

Скорость осадки voc выбирают из условий предупреждения окис­ления металла в зоне стыка и возможно более полного удаления рас­плавленного металла из стыка. Ее значение больше, чем скорость оплавления и составляет для чугуна 20—30 мм/с, для высокоугле- роднстой стали 60—50 мм/с, низкоуглеродистой стали 60—80 мм/с, для сложнолегированных сталей 80—100 мм/с и для алюминиевых сплавов и других легкоокисляющнхся металлов 150—200 мм/с и выше.

Сила тока при осадке резко увеличивается вследствие исчезнове­ния контактного сопротивления. Его выключают в середине или в первой половине осадки. Задержка выключения тока может привести к перегреву металла в зоне сварки. Во время осадки силу тока умень­шают путем фазового регулирования. При этом момент включения тока осадки меньше влияет на перегрев металла.

Давление осадки рос выбирают в зависимости от природы свари­ваемого металла и степени их нагрева. При сварке непрерывным опла­влением рьс для низкоуглеродистых сталей составляет 60—80 МПа, для высокоуглеродистых сталей 100—120 МПа, для аустенитных ста­лей 150—220 МПа и для алюминиевых сплавов 120—150 МПа. При сварке сталей с предварительным подогревом это давление снижается на 30—50 %.

Усилие осадки в основном определяет величину осадки. Усилие растет с повышением интенсивности окисления, а также с увеличе­нием пути, по которому может быть удален расплавленный металл с образовавшимися оксидами. Чрезмерная осадка снижает пластич­ность соединения. Усилие зажатия Еааж находится в прямой зави­симости от усилияосадки Foc, если детали зажимаются в зажимах без фиксирующих упорных приспособлений. определяют по коэф­фициентам трения между деталями и губками fl и /2 или по коэффи­циенту зажатия /гэаж

/"важ == /"0c/(/l “Ь /г)> ^зан; == F^aw/Fuc-

Коэффициенты зависят от состояния поверхности детали, материала и конструкции губок. Ориентировочно /гааж равен 1,5—2 для труб и прутков из углеродистой стали и 2,2—3 из хромоникелевой стали, и, соответственно 2,3—3,2 и 2,7—3,5 для нетравлениого и травленого стальных листов. Насечка на губках снижает Аааж до 0,8—1.

При стыковой сварке кольцевых деталей возникает шунтирование тока через кольцо, это требует существенного увеличения мощности (до 50 %) по сравнению с соединением деталей незамкнутой формы. Ток шунтирования /ш по мере нагрева шунтирующей ветви посте­пенно снижается. Подсчитать его можно по формуле

Ли = /св (Яд. д “Ь ЯСі)/2ш,

где Яп. д — сопротивление в месте касания торцов деталей; RCT — сопротивление выступающих концов, свариваемых деталей; Zm — общее сопротивление шунтирующей ветви, zul — yrRiu -f-A’ii, здесь Яш И Хш — соответственно активное и индуктивное сопротивления шунтирующей ветви.

Вследствие нагрева шунтирующего звена ток шунтирования в за­ключительной стадии процесса сварки значительно меньше.

После стыковой сварки в месте стыка образуется утолщение ме­талла (грат), состоящее из высаженного металла и его оксидов.

В большинстве случаев грат следует удалять. По возможности уда­лять его лучше сразу же после сварки, так как нагретый металл уда­ляется легче. Для этого сварочные машины оборудуют специальными устройствами, представляющими собой различные конструкции ре­жущего инструмента. Иногда для удаления грата применяют спе­циальное оборудование, которое устанавливают рядом со сварочной машино#. Сложнее зачищать грат внутри'труб. При сварке таких деталей устанавливают различные вставки из металла или пластмассы (рис. 126, а, в, г) или деревянные оправки (рис. 126, б, д). Они соби­рают или удерживают грат и облегчают его дальнейшее удаление. Применение вставок уменьшает объем реагирующей с металлом га­зовой среды, что одновременно улучшает и качество сварки.

В трубах большого диаметра внутренний грат зачищают режу­щим инструментом, который вращается на специальной оправке (рис. 127, а). Для зачистки грата в трубах небольшого диаметра

через трубу под давлением сжатого воздуха прогоняется небольшой стальной снаряд (рис. 127, б), имеющий острые кромки для среза грата. Применяют также гратоснимающне устройства, в которых Внутренний р - жущий инструмент передвигается электромагнитным приводом.