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).

иста, 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

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter