Сущность процесса шовной контактной сварки

Упрощенно шовную сварку можно рассматривать как особый случай точечной, когда расстояние между точками(1)минимальное (рис. 19).При шовной сварке листовых деталей (2, 3) используются электроды в форме дисков (4, 5),которые подводят ток,передают усилие сварки F_св и перемещают деталь с необходимой скоростью вследствие вращения вокруг своей оси (V_вр).

Характер образования соединения при точечной и шовной сварке, особенно при шаговой, практически аналогичны друг другу. Как и при точечной сварке, пропускание тока через деталь вызывает в зоне, равноудаленной от контактных поверхностей роликов, расплавление металла, из которого после отвердения формируется сваренный роликовый шов. Соединение формируется в жидкой фазе непрерывными или прерывистыми швами с подводом тока с обоих сторон деталей или одного.

Во время шовной сварки часть вторичного тока машины шунтируется – проходит мимо зоны расплавления сквозь точки, которые возникли раньше (I_ш1), и уплотнительный пояс впереди ролика-электрода (I_ш2) (рис. 19, а).

Шунтирование в значительной мере нару­шает симметрию электри­ческого тока и при малом расстоянии между точками может привести к умень­шению плотности тока I_св и размеров литого ядра. Это явление особенно заметно при сварке металлов с низким удельным сопротивлением. При сварке металлов с повышенным сопротивлением или при больших скоростях часть вторичного тока I₂, который шунтируется, является незначительной. Ток шунтирования уменьшается в процессе сварки за счет нагревания шунта и уменьшения r_ее.

При шовной сварке герметичных соединений из-за повышенной температуры точки, которая сварена раньше, ток шунтирования незначительный, особенно при большой скорости и непрерывном вращении роликов.

Явление шунтирования имеет также и положительное значение. Под действием тока шунтирования происходит дополнительный нагрев сварного шва, которое снимает часть остаточных напряжений, а также помогает некоторой диффузии элементов.

Шунтирование и подогрев содействуют повышению температуры части металла, которая окружает расплавленную зону. На рис. 19, б показано распределение температуры при роликовой сварке крепко-плотного соединения и точечной сварке, сделанных в приблизительно одинаковых условиях, т.е. при одинаковых размерах литого ядра, величины тока, давлению электродов и длительности импульса тока. Сравнение показывает, что в первом случае особенно нагревается металл, который выдавливается из-под роликов.

Вследствие повышения температуры металла, где формируется новое литое ядро, повышения Джоулева тепла на контактных сопротивлениях (электрод-деталь и деталь-деталь) существенно меньше, чем при точечной сварке. Поэтому скорость кристаллизации ядра уменьшается, что значительно уменьшает величину остаточных напряжений в сварной конструкции.

Сварку можно осуществлять при непрерывном и прерывистом включении тока (рис. 20). При непрерывной подаче тока и вращении роликов кристаллизация металла, расплавленного при сварке, будет заканчиваться уже после перемещения роликов, которое, как и прежде­временное снятие давления, будет причиной ухудшения качества свар­ки. При этом резко повышается скорость сварки, но снижается стойкость электродов и увеличиваются деформации. В таком режиме можно сваривать швы небольшой длины и в неответственных конструкциях.

Наибольшее распространение получила сварка с включением тока отдельными импульсами, которая по ряду позиций является более оптимальной. В этом случае точка создается при прохождении каждого отдельного импульса. Во время паузы между импульсами ролики и детали успевают частично остыть, поэтому стойкость роликов возрастает, уменьшается ширина зоны термического влияния, уменьшаются остаточные деформации. Для получения герметичного шва прерывистым способом длительность импульса тока t_св, паузы t_п и скорость вращения роликов V_вр выбирают таким образом, чтобы точки перекрывали друг друга на 30...50 %. При большой скорости перемещения деталей и малой частоте импульсов можно получить прочные, но негерметичные швы, аналогично тем, которые получают при точечной сварке.

Сварку чаще выполняют при непрерывном вращении роликов (рис. 20, б).

При сварке некоторых материалов, которые дают значительную усадку при отвердевании, например алюминиевых сплавов, рекомендуется шаговая (прерывистая) сварка (рис. 20, в). Она заключается в том, что в период подачи сварочного тока дисковые электроды (ролики) неподвижны относительно изделия, а перемещение изделия происходит в результате периодического поворота электродов на небольшой угол в паузах между импульсами тока. Остановка роликов в момент пропускания тока ускоряет кристаллизацию точки, способствует уплотнению швов, интенсивному охлаждению деталей и рабочей поверхности роликов и уменьшает их износ. При этом стабилизируются контакты, устраняется проскальзование роликов, уменьшается температура в контакте электрод – деталь, уменьшается химическое взаимодействие металлов электрода и детали.

Давление на электродах может быть постоянным (рис. 20, а, б) или увеличивается в конце сварки (рис. 20, в). Последнее позволяет осуществлять проковывание точки.

Особенности теплового процесса при шовной сварке приводят к налипанию частичек металла на ролики, особенно при сварке легких сплавов, это требует зачистки роликов после каждого оборота.

Необходимость тщательного удаления даже самого незначительного налипания свариваемого металла, на ролики вызвана тем, что частички прилипшего метала сильно окислены и значительно ухудшают теплопроводность и электропроводность контакта электрод-деталь, что приводит к еще более значительному перегреву и даже прожогу внешних слоев металла сварного соединения.

С целью уменьшения нагрева внешних слоев металла и уменьшения налипания применяется шовная сварка с так называемым шаговым движением.

В металле возле шовной зоны вследствие влияния термомеханического цикла шовной сварки происходят изменения исходной структуры и механических свойств. Тут можно выделить зоны закаливания, отпуска, перегрева, рекристаллизационные и ликвационные зоны. Развитие процессов, которые вызывают подобные явления, можно частично регулировать изменением скорости сварки, а также охлаждением деталей и электродов. Неравномерность химического состава и структурного состояния металла швов и зон термического влияния исправляют термической обработкой сварной конструкции.

Пластическое деформирование металла при шовной сварке имеет некоторые особенности(рис. 21). Появление первой точки происходит по схеме формирования соединения во время точечной сварки, когда часть нагретого металла выдавливается из-под электродов в зазор между деталями благодаря тепловому расширению металла, находящегося между электродами. При сварке следующих точек перед роликом металл деформируется в зазор, как и при точечной сварке, а за роликом металл вытесняется под ролик. Такой характер пластической деформации создает появление "серпоподобного"рельефа на поверхности швов.

Вследствие относительно высокой теплоемкости зоны соединения при пластической деформации и размеры уплотнения уплотнительного пояска

Рисунок21 –Направление пластической деформации: 1-зона интенсивности деформации; 2-металл, который расплавился.

паза больше. Это дает возможность немного уменьшить время сварки и усилие в сравнении с режимами точечной сварки. С другой стороны, деформация поверхностного слоя металла приводит к ускоренному срабатыванию роликов.

Пластическая деформация может повлиять на плотность шва. Так, при сваривании следующих точек, вследствие повторного нагревания и пластической деформации металла, раковины в предыдущих точках могут заполнятся деформированым металлом. А когда это не происходит, например во время затвердевания жидкого металла, который имеет большой интервал кристаллизации, для предотвращения появления раковин, горячих трещин и уменьшения остаточных напряжений и уплотнения литого ядра используют шаговое вращение электродов.

Параметрами режима шовной сварки являются сила сварочного тока I_св, продолжительность прохождения тока t_св и паузы t_п, усилие сжатия электродов F_св, скорость сварки V_св и размеры электродов.

Силу сварочного тока выбирают в зависимости от толщины, физико-химических свойств металла деталей и скорости сварки. В связи с шунтированием сила тока устанавливается на 15…25% больше, чем при точечной сварке.

Другие параметры также выбираются в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей, а также от требований к сварному шву(например, обеспечение герметичности шва).

Оптимальные режимы шовной сварки разных металлов и сплавов обычно подбираются экспериментально. Эти режимы приведены в специальных производственных инструкциях.

На режим сварки значительно влияют теплофизические, химические и механические свойства металлов, тип и параметры кристаллической решетки, интервал кристаллизации и температурный интервал хрупкости, свойства оксидных плёнок и др.

Удельное сопротивление (ρ;₀) во многом определяет сварочный ток и тип машины. Чем меньше ρ;0, тем больше I_св, и наоборот. Например, при сварке алюминиевых сплавов необходимы значительно большие токи, чем при сварке сталей.

Коэффициент теплопроводности (λ) и связанный с ним коэффициент температуропроводности (а) обуславливают температуру в контакте электрод-деталь, длину и рассеивание тепла в зоне шва. С увеличением λ уменьшается I_св, используют более жесткие режимы.

Температура плавления сплава(Т_пл) влияет на расход тепла, значение I_св, а также на температуру в контакте электрод - деталь и интенсивность массопереноса.

С увеличением коэффициента линейного расширения (α) и условного сопротивления пластической деформации (σ_д) металла, увеличивается склонность к внутренним выплескам, увеличивается уровень остаточных напряжений и деформаций. При сварке металлов с большими значениями σ_д приходится резко увеличивать I_св, устанавливать более мягкий режим.

Интервал кристаллизации и температурный интервал хрупкости определяют склонность к образованию горячих трещин. Чем шире интервал, тем больше склонность к горячим трещинам

Тип и параметр кристаллической решетки, температура плавления определяют средство при сварке разнородных сплавов, конечную структуру и свойства металла ядра.

Некоторые металлы меняют свои свойства с повышением температуры(ρ₀, λ, а). Для компенсации этого влияния нередко вводят предварительный подогрев дополнительным импульсом тока (для повышения ρ₀, понижения λ и а). Это позволяет снизить I_св и облегчить формирование соединения.

Электрические и физико-механические свойства поверхностных пленок влияют на тепловыделение в контактах и массоперенос.