Учебное пособие: Основы теории и технологии контактной точечной сварки

5. Технологические аспекты получения качественных сварных
соединений

5.1.

Дефекты сварных соединений, причины и механизмы их
образования

5.1.1.

Непровары

5.1.2.

Выплески

Устойчивость процесса контактной точечной сварки

5.3.1.

Методика определения устойчивости процесса точечной сварки

5.3.2.

Регулирование устойчивости процесса точечной сварки

Глава 6. Программированные режимы традиционных способов точечной сварки

7. Программированные режимы способов точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединения

ВВЕДЕНИЕ

Контактная точечная сварка (КТС) — это один из способов контактной сварки, который наиболее широко применяется в машиностроении, в особенности в массовом производстве. Так, например, в автомобилестроении около 70 % объема сварочных работ выполняется именно этим способом. Значительное применение КТС получила и в других отраслях: в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, при производстве пассажирских и товарных вагонов и других отраслях промышленности и строительства. Этому способствовали положительные особенности процесса КТС: незначительные остаточные деформации, высокая производительность, высокий уровень механизации и автоматизации, гибкость и универсальность технологического процесса, отсутствие вспомогательных сварочных материалов, высокая экологичность и культура производства.

Вместе с тем, описанных выше достоинств КТС становилось недостаточно по мере расширения использования КТС для получения неразъемных соединений в изделиях ответственного назначения из современных конструкционных материалов: низко- и среднелегированных, коррозионностойких, теплостойких и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых, титановых и других сплавов, например, в авиационной и космической промышленности, которые работают при повышенных температурах, в агрессивных средах, при динамических нагрузках. В этих случаях к качеству точечных сварных соединений предъявляются повышенные требования по надёжности и стабильности прочностных характеристик, уровню остаточных деформаций, а также, в ряде случаев, по гарантированному уровню надёжности полного отсутствия таких дефектов, как непровары и выплески.

Технологии традиционных способов КТС (к ним относят способы точечной сварки, при осуществлении которых детали сжимают токопроводящими электродами и в периоды сжатия, действия импульса тока и проковки соединений параметры режима сварки, как правило, не изменяют) к началу 70-х годов ХХ века достигли своего совершенства и практически исчерпали возможности своего развития. Они вполне удовлетворяли требованиям массового производства, но во многих случаях не могли обеспечить требуемый уровень качества при сварке изделий ответственного назначения. Поэтому в этот период и стали развиваться способы КТС с программированным изменением параметров режима (сварочного тока, усилия сжатия электродов) в период формирования соединений, которые позволяют управлять термодеформационными процессами, протекающими в зоне сварки. Они открывали новые возможности повышения качества получаемых точечных соединений.

В данной работе сделана попытка обобщить теоретические и технологические разработки способов КТС с программированным воздействием на зону формирования точечных сварных соединений.

1. Сущность И технологии традиционных способов контактной точечной сварки

Технологии электрической контактной точечной сварки за более чем вековой период своего развития (привилегия (патент) из Департамента торговли и мануфактур России на изобретение точечной сварки выдана русскому инженеру Н. Н. Бенардосу в 1887 г.) достигли весьма высокого уровня совершенства и отличаются большим разнообразием способов их практического осуществления. Для создания наиболее оптимальных условий формирования точечных соединений при сварке конкретных деталей из различных материалов, отличающихся теплофизическими свойствами, применяют разные виды тока (переменный, постоянный, низкочастотный и др.) и разные циклы параметров режимов сварки, отличающиеся параметрами усилия сжатия электродов и сварочного тока в разные периоды процесса сварки. Ниже рассмотрены сущность и наиболее распространенные технологии двусторонней точечной сварки, общая схема формирования точечных сварных соединений и основные термодеформационные процессы, которые протекают в зоне сварки и наиболее значимо влияют на конечное качество получаемых сварных соединений.

1.1 . Двусторонняя точечная сварка, ее разновидности и основные параметры точечных сварных соединений

????????????? ?????????? ???????? ?????? (???) ? ??? ?????? ?????????? ?????? (???. 1.1), ??? ??????? ??????????? ?????? 1, ????????????? ????? ??????? ??????????, ??????? ??????????????? ??????????? 2 ? 3 ????????? ??????? F _СВ , ? ????? ?? ????????? ??????? ?? (????????, ??????????????) ?????????? ??????? ?????????? ???? I _СВ ????????????? t _СВ ? ????? ??????? ????????? ?? ?? ????????? ???????? ???????, ?????????? ???????? ??????? 4 [1, 2].

При КТС для образования физического контакта между свариваемыми поверхностями и их активации в месте формирования соединения затрачивается тепловая и механическая энергия, которая подводится извне сжатием деталей электродами и пропусканием через зону сварки импульса сварочного тока [3, 4]. Наиболее надежным способом, который обеспечивает образование физического контакта и способствует возникновению межатомарных связей в зоне формирования соединений, является расплавление металла в приповерхностных слоях деталей с образованием общего его объема. Поэтому в технологии КТС, за редким исключением [5, 6], принято, что необходимым условием образования точечного сварного соединения является образование общей зоны расплавленного металла соединяемых деталей . В специальной литературе по сварке общую зону расплавленного металла свариваемых деталей обычно называют «литое ядро», «ядро расплавленного металла» или просто «ядро» [2...4, 7…17].

Параметрами, которые наиболее значимо влияют на процесс формирования точечного сварного соединения и различают между собой все многообразие известных способов двусторонней точечной сварки, являются род сварочного тока и форма его импульса. Это их различие (рис. 1.2) обусловлено в основном особенностями устройства силовых электрических контуров машин контактной точечной сварки [18, 19]. Поэтому способы КТС по роду сварочного тока и форме его импульса разделяют на следующие группы [2, 3, 15, 16]:

- контактная точечная сварка переменным током (рис. 1.2, а );

- низкочастотная контактная точечная сварка (током пониженной частоты монополярными или униполярными импульсами) (рис. 1.2, б );

- конденсаторная контактная точечная сварка (рис. 1.2, в );

- контактная точечная сварка постоянным током (рис. 1.2, г );

Каждая из этих групп способов КТС имеет свои особенности, преимущества и недостатки в технологическом и техническом аспектах. Кроме того, они различаются и экономической эффективностью [20, 21].

Точечное сварное соединение (рис. 1.3), поскольку сварку в подавляющем числе случаев осуществляют электродами с цилиндрической рабочей частью, обычно считают осесимметричным. Такое соединение (сварную точку (рис. 1.3, а )) приято характеризовать геометрическими параметрами в плоскости оси электродов, которые называют «конструктивными элементами соединения ». Кроме того, геометрическими параметрами характеризуют также и рабочие части электродов (рис. 1.3, б ). Основными из них, наиболее часто используемыми и в большинстве случаев регламентируемыми, являются параметры, которые описывают ядро расплавленного металла (диаметр и высота ядра, проплавление деталей), остаточные деформации деталей (глубина вмятин от электродов), а также рабочие поверхности электродов (диаметр плоской и радиус сферической).

Ядро расплавленного металла (рис. 1.3, а , б ) в большинстве случаев характеризуют его размерами: диаметром d _Я в плоскости контакта

деталь-деталь (свариваемого контакта), а также его высотой h _Я или проплавлением деталей А₁ и А₃ ._. Последние определяют отдельно для каждой детали как отношение к толщине деталей s ₁ и s ₂ расстояний h ₁ и h ₂ от плоскости свариваемого контакта до границы зоны расплавленного металла
(см. рис. 1.1) и выражают обычно в процентах [2, 3, 14…16]:

%, %. (1.1)

При точечной сварке деталей одноточечные соединения применяют относительно редко. В подавляющем числе случаев точечной сварки осуществляют многоточечные соединения деталей (рис. 1.4). Последние выполняют в виде одного (рис. 1.4, а ) или нескольких (рис. 1.4, б ) рядов сварных точек, расположенных вдоль нахлестки деталей.

К основным конструктивным элементам, характеризующим многоточечные соединения, относят: ширину нахлёстки В , расстояние (шаг) между точками t _Ш в ряду (в шве), расстояниями между осями швов b , а также расстоянием u между крайними осями швов и кромками листов.

Перечисленные выше конструктивные элементы сварных соединений существенно влияют как на процесс их формирования при КТС, так и на показатели качества готовых сварных соединений. Поэтому их допускаемые значения в подавляющем большинстве случаев регламентируются как в зарубежной [22], так и отечественной практике КТС, например, в ГОСТах [23], ОСТах, отраслевых технологических рекомендациях, стандартах предприятий [14].

Размеры ядра (его диаметр d_Я и высота h _Я , а также проплавление деталей А₁ и А₂ ) наиболее значимо влияют на свойства точечного соединения, в первую очередь, на прочностные. Поэтому получение оптимальных значений этих параметров, которые должны находиться в пределах между минимальными и максимальными допускаемыми их значениями, и является основной задачей технологии точечной сварки.

Минимально допускаемые значения диаметра ядра определяются влиянием целого ряда факторов точечной сварки, например, таких как прочность сварных соединений и стабильность ее значений, устойчивость процесса КТС против образования выплесков, непроваров и др. Их значения зависят от толщины s свариваемых деталей [3, 10, 23]:

, (1.2)

. (1.3)

Они регламентированы ГОСТ 15878 – 79 (табл. 1.1). Эти табличные значения диаметров ядра выработаны многолетней практикой КТС.

Таблица 1.1

Минимально допускаемые значения диаметра ядра для соединений
группы А по ГОСТ 15878 – 79.

Толщина деталей, s = s1	Минимальный диаметр ядра, dЯ	Минимальная ширина нахлестки, В		Минимальный шаг между точками, tШ
		алюминиевые, магниевые, медные сплавы	стали, титановые сплавы	алюминиевые, магниевые, медные сплавы	стали,
0,5 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0	3 4 5 6 7 8 9 12 14 16	10 14 16 18 20 22 16 32 40 50	8 11 13 14 17 19 21 28 34 42	10 15 17 20 25 30 35 45 55 65

Величина проплавления деталей А₁ и А₂ в большинстве случаев должна находиться в пределах 20…80 % от толщины деталей. На титановых сплавах верхний предел увеличивают до 95 %, а на магниевых — уменьшают до 70 %.

Минимально допускаемое расстояние между осями швов b устанавливают из условия отсутствия влияния шунтирования тока на процесс КТС. Его выбирают таким, чтобы расстояние до соседних точек в любом направлении, например t ₁ , было не меньше минимально допускаемого шага между точками t _Ш .

Минимальную ширину нахлестки В , а также минимальное расстояние от центра точки или оси шва до края нахлестки u устанавливают по условию отсутствия объемных пластических деформаций металла на краю нахлестки. Причем минимальные значения и должны быть не менее 0,5В .

Глубина вмятин от электродов с₁ и с₂ не должна превышать 20 % от толщины деталей, поскольку они ухудшают внешний вид соединений и обычно уменьшают их прочность. Только при сварке деталей неравных толщин или в труднодоступных местах её допускают увеличивать до 30 % [2, 3, 15, 16].

Широкое применение в современном машиностроении точечных сварных соединений вместо клепаных, в том числе при изготовлении узлов летательных аппаратов, обусловлено не только преимуществами их технико-экономических показателей [22, 23], но и конкурентной способностью эксплуатационных свойств [2, 3, 9, 11, 15, 17]. Прежде всего, это относится к их прочности, которую в основном определяют размеры ядра расплавленного металла в совокупности с другими конструктивными элементами сварных соединений, причем в первую очередь — к прочности динамической [24...29]. Именно поэтому соответствие полученных при КТС размеров ядра заданным оптимальным значениям, в первую очередь его диаметра и проплавления деталей, является одним из основных критериев качества и надёжности соединений деталей, выполненных контактной точечной сваркой [10, 11, 14, 15].

1.2 . Основные технологические приемы контактной точечной сварки

При КТС энергетическое воздействие на металл зоны формирования соединения осуществляют импульсом тока, а силовое – сжатием деталей электродными устройствами в месте сварки. Количественно это воздействие характеризуют параметрами режима сварки и представляют обычно в виде циклограмм их изменения во времени. Значения параметров тока и усилия сжатия электродов, характер их изменения в отдельные периоды цикла сварки определяют параметры термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, и таким образом влияют на устойчивость процесса формирования соединения, в частности против образования непроваров и выплесков, на размеры ядра, местные и общие остаточные деформации и, в конечном итоге, на эксплуатационные свойства сварного соединения. Этим в основном и различаются отдельные способы точечной сварки, наиболее распространенные из которых рассмотрены ниже.

1.2.1. Термодеформационные процессы, протекающие в зоне сварки и общая схема формирования точечного сварного соединения