Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Интернет-учебник / Образование соединений при контактной сварке

Интернет-учебник

Образование соединений при контактной сварке

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