Учебное пособие: Основы теории и технологии контактной точечной сварки

Термодеформационные процессы, протекающие в зоне формирования точечного сварного соединения, в соответствии со значимостью их влияния на конечный результат сварки принято условно разделять на основные процессы и процессы сопутствующие [2, 3, 16].

К основным термодеформационным процессам относят процессы, без протекания которых формирование точечного сварного соединения в принципе невозможно. К ним относят, в частности, следующие:

- нагрев и расплавление металла проходящим током;

- образование общей зоны расплавленного металла (ядра) и его кристаллизацию на последней стадии формирования соединений;

- микроскопические деформации металла в контактах и макроскопические в зоне формирования соединения.

К сопутствующим термодеформационным процессам сварки относят процессы, которые не только не обязательны для формирования сварного соединения, но некоторые из них и нежелательны, так как ухудшают условия формирования соединения и конечные результаты сварки. При КТС они являются неизбежным следствием протекания в зоне сварки процессов основных. В частности, к сопутствующим процессам относят следующие:

- дилатацию металла в зоне формирования соединений;

- перемешивание жидкого металла в ядре и удаление окисных
пленок;

- воздействие термодеформационного цикла сварки на свойства металла в зоне сварки и прилегающей к ней области;

- образование остаточных напряжений и деформаций в деталях;

- массоперенос в контактах электрод – деталь.

Несмотря на изменение значимости влияния каждого из перечисленных выше основных термодеформационных процессов, в процессе сварки общая схема формирования соединения происходит по единой схеме. Поэтому цикл сварки во временной последовательности условно разделяют на отдельные этапы, в соответствии со значимостью влияния какого-либо из основных факторов в их период [3, 16]. По-видимому, цикл сварки во временной последовательности целесообразно разделить на следующие четыре этапа (рис. 1.5), которые отличаются не только значимостью влияния какого-либо из основных факторов на процесс формирования соединения, но и основными технологическими задачами, выполняемыми сочетанием параметров режима в этот период:

1-й этап — от начала сжатия деталей электродами усилием F _Э до начала импульса тока I_СВ ;

2-й этап — от начала импульса тока I_СВ до начала расплавления металла в контакте деталь – деталь (до начала формирования ядра);

3-й этап — от начала формирования ядра диаметром d_Я в контакте деталь – деталь до окончания импульса сварочного тока I_СВ ;

4-? этап ? ?? ????????? ???????? ?????????? ???? I_СВ ?? ?????? ?????? F _Э ?????? ??????? ???????????.

На первом этапе сжатие деталей электродами вызывает микропластические деформации в контактах деталь-деталь и электрод-деталь, следствием которых является формирование механических и электрических контактов. Главная задача на этом этапе — это обеспечение стабильности параметров контактов, что является исходным условием устойчивого течения процесса сварки и получения стабильных размеров ядра.

На втором этапе включение тока приводит к нагреву металла в зоне сварки, который интенсифицирует процессы микропластических деформаций, разрушения окисных пленок, формирования механических и электрических контактов. Нагретый металл зоны сварки расширяется, деформируется преимущественно в зазор между деталями, вследствие чего в контакте деталь – деталь образуется рельеф (уплотняющий поясок). Это приводит к расхождению электродов Δ . Динамика увеличения уплотняющего пояска на этом этапе определяет изменение плотности тока в зоне сварки и скорость тепловыделения в ней. Главная задача на этом этапе — это обеспечение оптимальной скорости нагрева металла в зоне сварки.

На третьем этапе происходит расплавление металла в области контакта деталь-деталь, образование ядра и уплотняющего пояска вокруг него, который предотвращает выброс расплавленного металла. По мере прохождения тока продолжается нагрев металла в зоне сварки, ядро растет по диаметру и высоте, происходит перемешивание металла, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжаются процессы теплового расширения металла в зоне сварки и его пластической деформации. Главная задача на этом этапе — это обеспечение оптимальной степени макродеформаций металла в зоне сварки, которая бы обеспечивала оптимальную скорость нагрева металла в зоне сварки и предотвращала выброс расплавленного металла.

На четвёртом этапе происходит охлаждение металла в зоне сварки и его кристаллизация в ядре, параметры которого определяют эксплуатационные свойства точечного сварного соединения. При охлаждении металла уменьшается его объем, вследствие чего возникают остаточные напряжения и деформации. Главная задача на этом этапе — это обеспечение степени макродеформаций металла в зоне сварки, достаточной для компенсации усадки металла.

1.2.2. Технологические приемы традиционных способов контактной точечной сварки

Среди циклов традиционных способов КТС (рис. 1.6), по-видимому, наиболее распространенным является цикл изменения параметров режима (рис. 1.6, а ), предложенный еще Н. Н. Бенардосом. При сварке по этому циклу детали сжимают токопроводящими электродами (см. рис. 1.1) неизменным усилием F _СВ и через определенное время сжатия t _СЖ пропускают импульс сварочного тока заданной силы I _СВ и длительности t _СВ , а затем через определенное время проковки t _ПР , достаточное для кристаллизации и охлаждения зоны сварки, усилие сжатия электродов снимают. Его технологические возможности до настоящего времени удовлетворяют требованиям практики КТС не только сварки деталей из малоуглеродистых сталей в автомобиле- и сельхозмашиностроении [10, 17], но и сварки некоторых специальных сталей и сплавов [9, 15].

С целью предотвращения образования в ядре дефектов усадочного характера (трещин, пор) при сварке деталей из материалов, склонных к их образованию, например, относительно толстых деталей или деталей, склонных к закалке, а также деталей из высокопрочных материалов, применяют цикл (рис. 1.6, б ), в котором при кристаллизации расплавленного металла в ядре и охлаждения зоны сварки (в период t _ПР проковки) усилие сжатия электродов увеличивают (прикладывают ковочное усилие F _К ). Этим увеличивают в ней степень пластической деформации металла, компенсирующей его усадку при кристаллизации и охлаждении.

Величину ковочного усилия F _К [3]:

, (1.4)

и момент его приложения t _К () задают с учетом термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, и увеличивают обычно монотонно с заданной скоростью, но иногда и ступенчато. И все же достичь поставленной цели только приложением F _К не всегда удается, поскольку его величина ограничивается прочностью электродов и техническими возможностями машин точечной сварки [14...19, 32...37].

В технологии КТС известны и циклы (рис. 1.6, в ), при осуществлении которых в период проковки соединения t _ПР усилие сжатия электродов не только не увеличивают, но даже и уменьшают [38]. Например, при сварке свинцовых деталей со стальными.

При сварке деталей из углеродистых и низколегированных сталей с целью предотвращения образования в соединении закалочных структур и трещин путем уменьшения скорости его охлаждения применяют цикл
(рис. 1.6, г ), в котором сжатие деталей электродами вообще прекращают одновременно с окончанием импульса сварочного тока [39]. Для решения этой же задачи, а также с целью улучшения условий проковки соединений и уменьшения требуемой величины ковочного усилия, а иногда для термообработки соединения в сварочных электродах применяют цикл, в котором после окончания импульса сварочного тока I _СВ в период проковки соединения t _ПР пропускают дополнительный подогревающий импульс тока I _Д (рис. 1.6, д ). Дополнительный подогревающий импульс тока I _Д , уменьшающий сопротивление деформации металла в зоне сварки, может применяться в сочетании с любой циклограммой изменения усилия сжатия электродов. Подогревающий ток пропускают обычно в виде отдельного дополнительного импульса I _Д , но иногда и как модулированное продолжение импульса сварочного [3, 11, 15, 16, 40…46].

Для получения оптимальных знач