Основы теории и технологии контактной точечной сварки

30

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Сибирский государственный аэрокосмический университет

имени академика М. Ф. Решетнева

С. Н. Козловский

Основы теории и технологии контактной точечной сварки

Монография

Красноярск 2005

229

УДК 621.791.763

ББК

К 59

Рецензенты:

Печатается по решению Редакционно - издательского совета университета

Козловский С.Н.

К 59 Основы теории и технологии контактной точечной сварки: Монография / С. Н. Козловский; СибГАУ. -- Красноярск:, 2003. -- ??? с. ISBN

В монографии изложены основы теории и технологии контактной точечной сварки. Рассмотрены основные процессы, протекающие при контактной точечной сварке: деформирования свариваемых деталей при их сближении до соприкосновения; формирования механических и электрических контактов, электрической проводимости зоны сварки; нагрева металла в зоне сварки и методы количественной его оценки; объемные пластические деформация металла в зоне точечной сварки. Приведены математические модели основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки на стадии нагрева: равновесия силовой системы электрод-детали-электрод; теплового состояния зоны сварки; силового взаимодействия деталей в площади свариваемого контакта; пластической деформации металла в зоне точечной сварки. Описаны методики расчетного определения: размеров ядра и средних значений температуры в зоне сварки; среднего значения нормальных напряжений в площади контакта деталь-деталь; давления расплавленного металла в ядре; сопротивления пластической деформации металла в условиях формирования точечного соединения; определения степени и скорости пластической деформации металла в зоне сварки, его температуры; высоты уплотняющего пояска в свариваемом контакте. Описаны методики математического моделирования процессов формирования точечных сварных соединений. Показано изменение параметров основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки на стадии нагрева и влияние на них режимов сварки. Рассмотрены технологические аспекты повышения устойчивости процесса формирования точечных сварных соединений и их качества.

Монография предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся совершенствованием существующих и разработкой новых сварочных технологий контактной точечной сварки. Она может быть полезна аспирантам, студентам вузов и техникумов сварочных специальностей.

УДК 621.791.763

ББК

ISBN

© Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, 2005

© С.Н. Козловский



ВВЕДЕНИЕ
1. Сущность и технологии традиционных способов контактной точечной сварки
1.1.	Двусторонняя точечная сварка, ее разновидности и основные параметры точечных сварных соединений
1.2.	Основные технологические приемы контактной точечной сварки
	1.2.1.	Термодеформационные процессы, протекающие в зоне сварки и общая схема формирования точечного сварного соединения ....
	1.2.2.	Технологические приемы традиционных способов контактной точечной сварки
	1.2.3.	Контактная точеная сварка с обжатием периферийной зоны соединений
1.3.	Параметры режимов -- факторы регулирования процесса точечной сварки
	1.3.1	Время сварки
	1.3.2	Сила сварочного тока
	1.3.3	Усилие сжатия электродов
	1.3.4	Форма и размеры рабочих поверхностей электродов
	1.3.5	Критерии подобия для определения режимов сварки
2. Основные процессы, протекающие при контактной точечной сварке
2.1	Сближение свариваемых деталей
	2.1.1	Деформирование свариваемых деталей при их сближении ..
	2.1.2.	Влияние деформирования деталей на усилие сжатия в свариваемом контакте
	2.1.3.	Экспериментально-расчетный метод определения усилия деформирования деталей при их сближении
2.2	Формирование контактов при сжатии деталей электродами
	2.2.1	Формирование механических контактов
	2.2.2	Формирование электрических контактов
2.3	Электрическая проводимость зоны сварки
	2.3.1	Электрические сопротивления контактов при точечной сварке
	2.3.2.	Электрические сопротивления собственно свариваемых деталей
	2.3.3	Общее электрические сопротивления зоны сварки
2.4.	Нагрев металла в зоне сварки и методы количественной его оценки
	2.4.1	Источники теплоты в зоне формирования сварного соединения..
	2.4..	Температурное поле в зоне формирования соединения
	2.4.3	Тепловой баланс в зоне сварки и расчет сварочного тока
2.5.	Объемная пластическая деформация металла в зоне формировании точечного сварного соединения
	2.5.1.	Методики экспериментальных исследований макродеформаций металла в зоне сварки
	2.5.2.	Характер пластических деформаций металла в зоне сварки на стадии нагрева
3. Математические модели основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне точечной сварки
3.1.	Термодеформационное равновесие силовой системы электрод-детали-электрод при традиционных способах сварки
3.2.	Термодеформационное равновесие силовой системы электрод- -детали-электрод при контактной точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения
	3.2.1	Способ контактной точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединений вне контура уплотняющего пояска
	3.2.2.	Математическая модель термодеформационного равновесия процесса контактной точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединения
3.3	Оценка теплового состояния зоны сварки на стадии нагрева
	3.3.1.	Экспериментально-расчетный метод оценки теплового состояния зоны сварки на стадии нагрева
	3.3.2.	Методики расчетного определения размеров ядра и средних значений температуры в зоне сварки
3.4.	Математические модели силового взаимодействия деталей в площади свариваемого контакта при формировании соединения
	3.4.1.	Методика расчета среднего значения нормальных напряжений в площади контакта деталь-деталь
	3.4.2.	Методика расчета давления расплавленного металла в ядре
3.5.	Методики определения параметров термодеформационных процессов, протекающих в зоне точечной сварки
	3.5.1.	Сопротивление пластической деформации металла в условиях деформирования при повышенных температурах
	3.5.2.	Определение степени и скорости пластической деформации металла в зоне точечной сварки
	3.5.3.	Определение температуры металла в зоне пластических деформаций
	3.5.4.	Определение высоты уплотняющего пояска в свариваемом контакте
4. Математическое моделирование процессов формирования точечных сварных соединений
4.1.	Методики расчета изменения диаметра уплотняющего пояска в процессе контактной точечной сварки
	4.1.1.	Методика расчета изменения диаметра уплотняющего пояска при традиционных способах контактной точечной сварки
	4.1.2.	Методика расчета изменения диаметра уплотняющего пояска при точечной сварке с обжатием периферии соединения
4.2	Изменение термодеформационных процессов на стадии нагрева при традиционных способах точечной сварки
	4.2.1	Изменение параметров термодеформационных процессов при традиционных способах точечной сварки
	4.2.2.	Особенности термодеформационных процессов при точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения
	4.2.3.	Влияние режимов сварки на параметры термодеформационных процессов, протекающих в зоне формирования соединения
4.3.	Критерий оценки режимов 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

Электрическая контактная точечная сварка (КТС) -- это способ контактной сварки (рис. 1.1), при котором свариваемые детали 1, расположенные перед сваркой внахлестку, сжимают токопроводящими электродами 2 и 3 сварочным усилием F_СВ, а затем от источника питания ИП (например, трансформатора) пропускают импульс сварочного тока I_СВ длительностью t_СВ и таким образом сваривают их по отдельным участкам касания, называемым сварными точками 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 s₁ и s₂ расстояний h₁ и h₂ 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 t₁, 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

В общем случае для формирования сварных соединении деталей, в том числе и при контактной точечной сварке, необходимо образование физического контакта между соединяемыми их поверхностями, химических связей в нем и развитие релаксационных процессов в объемах металла зоны сварки. В каждой элементарной точке эти процессы идут последовательно, а по отношению ко всей соединяемой поверхности могут протекать одновременно. При КТС их зарождение и развитие обеспечивается комплексным тепловым и силовым воздействием на металл зоны формирования соединения [2, 3, 16, 30, 31].

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-й этап -- от окончания импульса сварочного тока I_СВ до снятия усилия F_Э сжатия деталей электродами.

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 ?. 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 значений начальных электрических сопротивлений в контактах, в особенности при сварке деталей из высокопрочных материалов или деталей с относительно невысоким качеством подготовки поверхностей, в практике точечной сварки применяют цикл (рис 1.6, е), в котором перед импульсом сварочного тока в период сжатия деталей t_СЖ производят их обжатие повышенным усилием сжатия электродов F₀ (усилием обжатия). Этот технологический прием используют и для предупреждения наружных и внутренних начальных выплесков, а также для вытеснения пластичных прослоек грунта, клея [3, 9, 11, 15, 16]. Величину усилия предварительного обжатия деталей обычно принимают равной величине ковочного усилия [3]:

. (1.5)

Причем, применение при КТС равных усилий обжатия и проковки соединения упрощает конструкцию приводов сварочных машин.

Однако в ряде случаев только предварительным обжатием деталей не удаётся получить оптимальные значения начальных электрических сопротивлений в контактах. В этом случае применяют цикл (рис 1.6, ж), в котором металл в зоне сварки предварительно, перед сварочным импульсом I_СВ, подогревают отдельным либо совмещенным со сварочным дополнительным подогревающим I_П импульсом тока [3, 14, 15, 47…49].

Последние исследования процессов КТС показывают, что во многих случаях точечной сварки стабилизировать процесс формирования соединения можно интенсификацией микро- и макропластических деформаций металла в зоне сварки путем уменьшения его сопротивления пластической деформации на стадиях сжатия и проковки соединения. В таких случаях одном цикле рационально использовать и предварительный, и дополнительный подогревающие импульсы тока, в частности, даже при сварке деталей из легких сплавов [3, 50]. Подогревающие импульсы тока I_П и I_Д можно использовать в сочетании с любой циклограммой изменения усилия сжатия электродов (рис 1.6, з). Для достижения указанных выше целей иногда используют цикл (рис. 1.6, и), в котором до импульса сварочного тока и после его окончания, осуществляют колебания электродов с инфразвуковой, звуковой [51], или ультразвуковой [52, 53] частотой.

В ряде случаев, например, при сварке деталей из жаропрочных материалом, рационально применять даже цикл (рис 1.6, к), в котором усилие сжатия электродов F_Э во время t_СВ действия импульса сварочного тока уменьшают по определенной программе [54].

Кроме того, программированное изменение усилия сжатия электродов во время импульса сварочного тока позволяет повысить и энергетическую эффективность процесса КТС, а также его устойчивость против образования непроваров. Для достижения этих целей применяют циклы, в которых усилие сжатия электродов в процессе сварки изменяют. Причем, в процессе КТС усилие сжатия электродов чаще всего увеличивают от начального до конечного его значения. И осуществляют это ступенчато (рис. 1.6, л) или монотонно (рис 1.5, м) [10, 15, 18, 54...58].

Нагрев металла в зоне сварки осуществляют обычно одним импульсом сварочного тока и регулируют изменением его силы и длительности. Форму импульса тока при сварке на серийных машинах, как правило, не регулируют. Характер его нарастания и спада определяется естественным модулированием, зависящим от индуктивности вторичных контуров сварочных машин (рис 1.2). Это обусловлено ограниченными возможностями изменения силы сварочного тока путем фазового его регулирования при небольшой длительности импульсов и промышленной частоте тока 50 Гц. Только при сварке сталей на машинах переменного тока, иногда представляется возможным регулировать нарастание и спад импульса тока, а также регулировать спад тока при сварке деталей из легких сплавов, на низкочастотных машинах и машинах постоянного тока [2…4, 7...19].

1.2.3. Контактная точеная сварка с обжатием периферийной зоны
соединений

Выше было показано, что традиционные способы КТС отличаются весьма большим многообразием используемых технологических приемов. Несмотря на это уровень дефектности сварных точек в серийном производстве даже при изготовлении узлов летательных аппаратов, достигает
5 % [32]. В условиях точечной сварки в обычных отраслях машиностроения он еще выше. Это говорит о том, что традиционные способы практически исчерпали свои технологические возможности. В этой связи весьма перспективным направлением развития технологии КТС является совершенствование и разработка новых способов точечной сварки с целенаправленным программированным воздействием на процесс формирования соединения. Одним из таких перспективных способов КТС является так называемая «контактная точечная сварка с обжатием периферийной зоны соединений» [3, 16].

При контактной точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединений (рис. 1.7) свариваемые детали сжимают токопроводящими электродами усилием F_Э и прикладывают вокруг них обжимными втулками автономное дополнительное сжимающее усилие F₀ (усилие обжатия).

В основе способов КТС с обжатием периферийной зоны соединений лежит изобретенный в 1930 г. П. Н. Львовым специальный электрод

(рис. 1.8) [59]. Этот электрод (рис. 1.8, а) содержит собственно токопроводящий электрод 2 и концентрично расположенный вокруг него силовой пуансон (обжимную втулку) 3, соединенный с приводом обжатия, которым служит упругий элемент 7.

Данное электродное устройство позволяет общее усилие сжатия деталей F_СВ, которое задают приводом сварочной машины, разделить на две его составляющих. Одна его часть F_Э (см. рис. 1.7, а), как и при традиционных способах КТС, сжимает свариваемые детали посредством токопроводящих электродов в центральной части зоны формирования соединения (над ядром). Другая же его часть F₀ -- посредством силовых пунсонов обжимает свариваемые детали в периферийной ее области (в области уплотняющего пояска). Таким образом, в силу конструктивных особенностей данное электродное устройство предопределяет основные признаки способа КТС с обжатием периферийной зоны соединений в области уплотняющего пояска [16, 60], при котором в любой момент соотношение усилий определяется следующей зависимостью (см. рис. 1.7, б):

. (1.6)

Проведенные за истекший период исследования показали высокую эффективность данного способа КТС по предотвращению выплесков и непроваров. Устойчивость процесса формирования соединения против образования выплесков повышается вследствие увеличения усилия сжатия деталей в области уплотняющего пояска [3, 16, 61]. Устойчивость же процесса сварки против образования непроваров можно повысить вследствие уменьшения вероятности образования выплесков при обжатии периферии соединения, проводя сварку на более жестких режимах [3, 16]. Кроме того, обжатие периферийной зоны соединений позволяет предотвращать дефекты усадочного характера (трещины, поры) [62], уменьшить глубину вмятин от электродов, зазоры между деталями в нахлестке и ее ширину [3, 16]. Применение этого способа КТС позволяет также увеличить прочность соединений, в том числе и динамическую, путем прогиба деталей в направлении оси электродов до начала импульса тока [63], обжатием во время его действия [16] или же проковкой периферии соединения на стадии охлаждения зоны сварки [64].

Наряду с выявлением технологических возможностей способа КТС с обжатием периферийной зоны соединений совершенствовались и конструкции электродных устройств для их осуществления. В результате был разработан ряд электродных устройств (рис 1.8), отличающихся в основном конструкциями приводов усилий на электроде или обжимной втулке.

Весьма привлекательной, позволяющей получить практически любую программу изменения усилия обжатия F₀, кажется конструкция устройства (рис. 1.8, б) с электромагнитным приводом 6 усилия на обжимной втулке 3 [65]. Однако в нем усилие F₀ зависит от осевого смещения втулки 3 относительно токопроводящего электрода 2, что уменьшает стабильность усилия обжатия вследствие отклонений глубины вдавливания электрода в поверхности детали 1. Кроме того, при современных токопроводящих материалах электромагнитный привод должен иметь катушку значительных геометрических размеров, чтобы получить требуемые усилия обжатия (). Это затрудняет использование данного электродного устройства в практике КТС.

Следует отметить, что конструкции электродных устройств с упругими элементами в приводах усилия на обжимной втулке F₀ (рис. 1.8, а) или усилия на токопроводящем электроде F_Э (рис. 1.8, в) проработаны более глубоко. В них требуемые усилия обеспечиваются путем деформации упругих элементов 7 или 8 на заранее установленную величину h при сжатии деталей. В первой конструкции таких электродных устройств [59, 66…68] усилие F_Э на электроде 2 задается приводом машины посредством силового элемента 5, а на обжимной втулке 3 -- упругим элементом 7 (рис. 1.8, а). Во второй же конструкции (рис. 1.8, в) наоборот -- привод машины 5 задает усилие обжатия F₀ на обжимной втулке, а на токопроводящем электроде 2 усилие F_Э задается упругим элементом 8 [69].

Несмотря на некоторые конструктивные различия, эти электродные устройства имеют одинаковые преимущества (относительно простую конструкцию и малые габаритные размеры) и общий недостаток -- усилия F₀ (рис. 1.8, а) или F_Э (см. рис. 1.8, в) также зависит от перемещения обжимной втулки 3 относительно токопроводящего электрода 2. Это приводит к их отклонениям при сварке вследствие вдавливания токопроводящих электродов 2 в поверхности деталей 1. Кроме того, конструкции этих электродов не вполне удовлетворяют требованиям по технологичности, так как очень трудоемка настройка электрода на требуемое при сварке усилие обжатия вследствие высокой жесткости упругого элемента.

По-видимому, их использование возможно при сварке деталей малых толщин, когда величины усилий F_Э и F₀ , а следовательно и жесткость упругих элементов, а также взаимные осевые смещения электрода и втулки в процессе формирования соединений относительно малы. В этом случае отклонения силового воздействия на детали от заданных значений в меньшей степени влияет на качественные показатели соединений ввиду кратковременности цикла сварки и инерционности механических процессов в силовых приводах сварочных машин.

Наиболее приемлемым для сварки деталей малых, средних и больших толщин является электродное устройство с гидравлическим приводом [70]. В нем (рис. 1.8, г) усилие F₀ на обжимной втулке 3 задается приводом машины посредством силового элемента 5, а усилие F_Э на токопроводящем электроде 2 -- гидроприводом 9. Достоинством данной конструкции является то, что гидропривод можно расположить в верхней части электрододержателя 4 и уменьшить габариты рабочей части устройства. Но это усложняет подвод тока к подвижному электрододержателю 4. Такой привод позволяет получать стабильные усилия, независящие от осевого смещения обжимной втулки относительно электрода. Здесь следует отметить, что для него не разработаны специализированные устройства, которые задавали бы требуемое для КТС давление рабочей жидкости.

Широкому использованию в условиях реального производства способов КТС с обжатием периферийной зоны соединения, несмотря на их высокую технологическую эффективность, препятствуют рабочие характеристики электродных устройств, в первую очередь относительно низкая стойкость токопроводящего электрода 2. Это обусловлено тем, что обжатие деталей в области уплотняющего пояска диаметром d_П вызывает необходимость уменьшения внутреннего диаметра d_ВВ обжимной втулки 3 и, следовательно, наружного диаметра D_Э рабочей части электрода 2 до значений, близких к диаметру ядра d_Я, которые значительно меньше стандартных. Поэтому увеличивается уровень сжимающих напряжений в рабочей части электрода 2, ухудшается температурный режим его работы из-за повышения плотности сварочного тока и затрудненного охлаждения. В результате интенсифицируются пластические деформации в приконтактных объемах металла электродов и процессы взаимодействия металлов в контактах электрод-деталь.

Таким образом, формирование точечных сварных соединений как при традиционных способах сварки, так и при сварке с обжатием периферийной зоны соединений происходит по единой схеме и способы КТС различаются между собой в основном количественными параметрами термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки на разных этапах формирования соединения, которые определяются внешним энергетическим и силовым воздействием на металл зоны сварки (параметрами режима). Процесс КТС с обжатием периферийной зоны соединений предоставляет больше возможностей силового воздействия на зону сварки и потому весьма перспективен в технологическом плане.

1.3. Параметры режимов -- факторы регулирования процесса точечной сварки

Режимы точечной сварки конкретного соединения (марка металла и сочетание толщин деталей) определяются совокупностью параметров, из которых основными являются: сила I_СВ импульса сварочного тока; длительность t_СВ импульса сварочного тока (время сварки); усилие сжатия электродов F_СВ; форма и размеры рабочих поверхностей электродов (d_Э -- при плоской и R_Э -- при сферической).

Режимы КТС принято подразделять на два типа: «жесткие» режимы, характеризующиеся малым t_СВ и большим I_СВ, и «мягкие» режимы с относительно большим t_СВ и малым I_СВ [2…4, 7...11, 13…17].

Известны предложения, по которым можно количественно оценивать жесткость режимов, например, по отношению отдельных параметров режима КТС: , по показателям, представляющим собой различные интерпретации критерия Фурье [71, 72], среди которых наиболее распространен критерий А.С. Гельмана [10]:

, (1.7)

где s -- толщина свариваемых деталей; a -- коэффициент температуропроводности их материала;

а также по критерию технологического подобия [13]:

, (1.8)

где Q_Н -- энергия, выделившаяся в объеме ядра; Q_М -- тепловые потери в массу свариваемых деталей; ?_ПЛ -- удельное электрическое сопротивление металла при температуре плавления Т_ПЛ; d_Я и h_Я -- диаметр и высота ядра расплавленного металла; ?_Т -- предел текучести свариваемого металла в холодном состоянии; F_Э -- усилие сжатия электродов. a -- коэффициент теплопроводности; ? -- плотность; c_m -- удельная массовая теплоемкость.

При увеличении жесткости режимов увеличивается мощность источников теплоты и уменьшается роль теплоотвода в формировании температурного поля, вследствие чего увеличивается проплавление деталей. Вместе с этим возрастает и склонность процесса КТС к образованию выплесков. Поэтому при сварке на жестких режимах применяют большие усилия сжатия электродов, чем при сварке на мягких режимах. [3, 15]

Энергетическое и силовое воздействие на металл зоны формирования соединения при КТС обеспечивается конкретным сочетанием параметров режима. При этом изменение каждого из них приводит к интенсификации или, наоборот, подавлению отдельных термодеформационных процессов, протекающих на отдельных или всех этапах процесса сварки. В конечном итоге, это сказывается на устойчивости процесса формирования соединения и размерах ядра (рис. 1.9).

1.3.1. Время сварки

В теории и практике КТС под термином «время сварки» понимается длительность t_СВ импульса сварочного тока I_СВ. При неизменной силе сварочного тока I_СВ время сварки t_СВ определяет количество теплоты Q_ЭЭ, которое в этом случае выделяется в зоне формирования соединения пропорционально длительности импульса тока. Поэтому с увеличением времени сварки растет проплавление деталей А и, в большей мере, диаметр d_Я ядра расплавленного металла (рис. 1.9, а).

Вместе с этим при увеличении t_СВ возрастает и влияние теплоотвода на характер распределения температуры в зоне сварки, которое сопровождается большим разогревом деталей и увеличением деформаций. Кроме того, при увеличении t_СВ все большая часть Q_ЭЭ отводится в окружающий зону сварки металл Q₂ и в электроды Q₃, что приводит к уменьшению энергетического КПД процесса КТС (см. п. 2.4). При некотором t_СВ может наступить состояние теплового равновесия, при котором вся выделившаяся теплота отводится из зоны сварки, то есть , а количество теплоты в зоне сварки Q₁ не изменяется. Это приводит к тому, что ядро (А и d_Я) расплавленного металла перестаёт расти. Следовательно, увеличение t_СВ дальше момента теплового равновесия и энергетически, и технологически нецелесообразно потому, что ни к чему кроме увеличения разогрева деталей не приводит.

1.3.2. Сила сварочного тока

Сила сварочного тока I_СВ является одним из основных параметров режима КТС, поскольку при неизменной длительности его импульса t_СВ определяет не только количество энергии, выделяющейся в зоне сварки, но и, что наиболее важно для процесса формирования соединения, градиент её увеличения по времени. Вследствие этого именно сила сварочного тока определяет скорость нагрева металла в зоне формирования соединения.

В ряде случаев сварки, в особенности при малом расстоянии (шаге) между сварными точками, сила сварочного тока I_СВ, т. е. тока который протекает через зону формирования соединения и определяет тепловыделение в ней, и сила тока, который протекает во вторичном контуре сварочной машины I₂, могут различаться между собой. Причиной этого может являться ток шунтирования I_Ш, который протекает вне зоны сварки, в частности, через ранее сваренные точки (рис. 1.10) или контакты деталь-деталь, расположенные вне зоны формирования соединения, например, при точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения. Таким образом, значение вторичного тока сварочной машины I₂ зависит от сварочного тока I_СВ и тока шунтирования I_Ш: