Все способы контактной сварки основаны на нагреве металла теплотой, выделяющейся при протекании через детали электрического тока. Количество теплоты зависит от силы тока, длительности его протекания и электросопротивления металла зоны сварки.
При точечной сварке (ТС) к двум (или более) сжатым между собой деталям 2 с помощью электродов 1, 3 (рис. 7,а) подводят ток большой силы (до нескольких десятков килоампер) и небольшого напряжения (обычно 3-8 В). Теплота, используемая при сварке, выделяется непосредственно в самих деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Удельное электросопротивление металла играет существенную роль в процессах сварки.
Рис. 7. Схема процесса точечной сварки
Рассмотрим кратко строение и основные особенности электрического контакта. При большом увеличении на поверхности любого металла после механической обработки видны значительные неровности (выступы и впадины). При сжатии деталей образуется контакт, представляющий собой соприкосновение двух поверхностей по небольшому числу отдельных точек. Площадь контакта в каждой точке и число точек зависят от усилия сжатия деталей, механических свойств металла, состояния поверхности и размеров рабочих поверхностей электродов. Чем мягче металл и меньше высота неровностей на его поверхности, тем ниже так называемое контактное сопротивление при постоянном усилии сжатия.
Контактное сопротивление вызвано резким уменьшением сечения проводника в зоне контакта и наличием на соприкасающихся поверхностях пленок оксидов, имеющих низкую электропроводимость. С увеличением усилия сжатия отдельные выступы на поверхности металла сминаются, площадь фактического контакта деталей растет и контактное сопротивление снижается. Смятие металла от действия усилия способствует разрушению пленок оксидов на поверхности, что также снижает контактное сопротивление. Контактное сопротивление значительно изменяется при нагреве деталей в связи с повышением удельного электросопротивления зон металла, прилегающих к контакту, а также в связи с увеличением числа и площади отдельных контактов в результате более интенсивного смятия нагретого металла, при нагреве главным является увеличение площади контактов. Роль контактного сопротивления в тепловыделении зависит от применяемого способа сварки и режима, в частности от силы тока и длительности его протекания.
При включении тока вначале за счет концентраций линий тока разогреваются выступы контакта (рис. 7,а), а затем и металл, находящийся в непосредственной близости к контакту. Электроды, используемые при сварке, изготовляют из медных сплавов, имеющих высокую теплопроводность. Охлаждение электродов водой способствует тому, что нагрев поверхностей деталей, контактирующих с электродами, протекает медленнее нагрева внутренних слоев металла зоны сварки.
С повышением температуры металла контактные сопротивления быстро снижаются, и основное выделение теплоты происходит за счет сопротивления деталей. Ток пропускают до тех пор, пока в центральной, наиболее нагретой зоне, металл деталей не расплавится. В результате расплавления образуется чечевицеобразная зона жидкого металла, окружаемая плотным кольцом нагретого металла, в пределах которого образовалось достаточно прочное соединение в пластическом состоянии (без расплавления). Это кольцо-поясок 4 (рис. 7,б), сжатое при нагреве усилием электродов, является уплотнением, препятствующим вытеканию жидкого металла в зазор между свариваемыми деталями. После получения зоны расплавления необходимых размеров ток выключают, металл охлаждается, и в результате его затвердевания — кристаллизации образуется литое ядро 5 сварной точки. На наружных поверхностях деталей от усилия электродов образуются вмятины диаметром d0, практически равным наружному диаметру da пластического пояска.
Литое ядро точки у подавляющего большинства металлов имеет дендритную структуру, наблюдаемую у металла, отлитого в металлическую форму (кокиль). Литое ядро окружено вокруг металлом, структура и свойства которого изменились в результате нагрева в процессе сварки. Зона, в пределах которой произошли эти изменения, называется зоной термического влияния или переходной зоной.
При рельефной сварке (PC) контакт между деталями определяется специальной формой их поверхности в месте соединения, а не размером и формой рабочей части электродов, как при точечной сварке (ТС).
Образование соединений при PC и ТС имеет много общего. Две детали 2 из листа, на одной из которых выштампованы рельефы сферической формы, зажимают между электродами (плитами) 1, 3, подводящими ток к деталям (рис. 8). Для обеспечения одинаковых условий нагрева каждого рельефа необходимо, чтобы усилие Fэ и ток I2 равномерно распределялись между всеми точками контакта деталей (Fсв, Iсв).
В начале процесса образования соединения в связи с малой площадью контакта рельефа с плоской деталью контактное сопротивление деталь-деталь при PC больше, чем при ТС того же металла. После включения сварочного тока это приводит к интенсивному нагреву металла рельефа и деформации его вершины. Контактное сопротивление быстро уменьшается, и теплота в основном выделяется за счет собственного сопротивления металла рельефа. Нагреваемые рельефы не должны преждевременно сильно деформироваться; если это произойдет до образования зоны расплавления в контакте деталей, то детали придут в соприкосновение по всей их внутренней поверхности, и ток пойдет минуя рельефы через холодные участки металла, имеющие малое сопротивление. Дальнейший нагрев рельефа резко уменьшится, и соединение не образуется. При правильно выбранных форме рельефа и режиме сварки в зоне соединения за счет теплового расширения металла обеспечивается некоторый зазор между деталями, препятствующий их случайному соприкосновению и появлению дополнительных (помимо рельефа) путей прохождения тока через детали.
Рис. 8. Схема процесса рельефной сварки
Рис. 9. Схема процесса шовной сварки и образования литой зоны
По мере протекания тока зона расплавления увеличивается в объеме, металл рельефа интенсивно деформируется практически заподлицо с поверхностью детали (остается лишь небольшая кольцевая канавка). Когда зона расплавления достигнет необходимых размеров, сварочный ток выключают, металл охлаждается и кристаллизуется, образуя литое ядро, окружаемое плотным пояском металла, где соединение произошло без расплавления. Образование соединения при шовной сварке (ШС) (рис. 9,а) имеет свои особенности. При выполнении первой точки шва в начальной стадии протекания тока (рис. 9,б) контакт К1 ролик-деталь имеет небольшие размеры, которые увеличиваются к моменту выключения тока и охлаждения металла до К1 (рис. 9,б). Образование литой зоны идет, как при ТС. За время паузы и начальной стадии протекания тока детали перемещаются на шаг tш1. Площадь контакта К2 (рис. 9,в) значительно больше площади контакта К1 в связи с тем, что ролики частично находятся во вмятине первой точки. Это снижает плотность тока в контактах, а следовательно, после выключения тока и охлаждения образуется вторая литая зона с контактом К2 (рис. 9,в), которая имеет меньшие размеры, чем первая. Образование третьей и последующих литых зон шва происходит аналогично.
В большинстве случаев, если не принимать специальных мер, размеры первой зоны расплавления настолько увеличиваются, что вызывают внутренний и даже наружный выплески металла. Для предупреждения этого дефекта в современных шовных машинах предусмотрено при сварке первой точки шва автоматическое снижение силы тока на 10—15% по сравнению с силой тока для сварки последующих точек. Например, при увеличении tш за счет увеличения паузы между включениями тока ролики больше «выкатываются» из вмятины на исходную поверхность металла, размеры контакта ролик-деталь уменьшаются, плотность тока возрастает и размеры зоны расплавления увеличиваются; при уменьшении tш - наоборот.
При стыковой сварке (СС) в результате нагрева и пластической деформации металла в зоне стыка происходит разрушение части элементарных частиц — зерен металла с одновременным образованием новых (общих для обеих деталей) зерен. Этот процесс, называемый рекристаллизацией, играет важную роль в образовании соединений при СС. Обязательным условием получения надежного соединения является удаление пленки оксидов на торцах деталей или ее разрушение.
Теплота, используемая для сварки, выделяется в контакте между торцами соединяемых деталей за счет контактного сопротивления и в самих деталях за счет собственного сопротивления. При СС переходные сопротивления губка-деталь весьма малы и не оказывают практического влияния на общее количество теплоты.
Источник: Чулошников П.Л. Контактная сварка. Учеб. пособие для проф. обучения рабочих на производстве
Twitter
Вконтакте
Livejournal
Facebook
Мой Мир
Google Buzz
Gmail