Процес контактного зварювання
За формою виконуваних сполук розрізняють три основних види контактного зварювання: стикове, точкове і шовную або ролі-ковую (фіг. 150). При стиковому зварюванні через стик деталей, що з'єднуються приблизно однакового перетину пропускається струм, як це показано на фіг. 150, а; після досягнення зварювального спека в зоні зварювання проводиться осаду. При точковому зварюванні з'єднуються де-талі, найчастіше листи, збираються внахлестку і затискаються між двома мідними електродами, що підводять струм до місця зварювання і мають форму усіченого конуса (фіг. 150,6). Струм проходить від одного електрода до іншого через товщу деталей, що з'єднуються і виробляє місцевий розігрів, а часто і місцеве розплав-лення металу. Тиск, прикладена до електродів, виробляє осадку. Отримане зварене з'єднання має в плані форму круж-
ка діаметром в декілька міліметрів. Цей гурток називається «точкою». Маючи в своєму розпорядженні достатню кількість таких точок в нуж-ном порядку уздовж з'єднуються крайок, можна зварювати вироби різних розмірів.
При шовного зварювання електроди, що підводять струм до виробу і виробляють осадку, мають форму роликів, що котяться по шву,
Фіг. 150. Види контактного зварювання:
a - Стикова; б - точкова; з - шовна або роликовий;
/ - зварюваний метал; 2 - струмопровідні електроди;
<3 = 0,24™, где Q — количество выделяющегося тепла в кал;
R - омічний опір провідника в ом;
I - струм в а; t - час в сек.
Тепломощность в ланцюзі q = 0,2APR кал] сек.
Якщо під час нагрівання струм і опір ланцюга не залишаються постійними, як це і спостерігається при контактному зварюванні, то краще висловлювати закон Джоуля-Ленца в диференціальній формі
Опір зварювального кола складається з RM - сопротив-лення нагріваються ділянок основного металу; RK - опору контакту між сполучаються частинами або зварювального контакту, Rs - опору контакту між електродом і виробом. Таким чином, опір зварювального кола У] R при контактному зварюванні можна виразити формулою
Тепломощность і виділяється кількість тепла
Я = 0,24 (2 /. - f R * 2 /? Е) Л Q - 0,24 J (2 /. + RK + 2 /.) / W.
Корисними для процесу зварювання є: тепло, що виділяється в основному металі і звільняється на контакті між соеди-няемое деталями. Відносна роль кожного з цих кількостей змінюється в різних випадках контактного зварювання, однак в контактній машині може бути нагрітий і суцільний шматок металу без контакту між прилеглими частинами і при відсутності тепло-виділення на контакті. Кількість тепла, що виділяється на контак-тах між електродами і основним металом, в більшості слу-чаїв є скоріше шкідливим для процесу зварювання, так як під-, Жига поверхню виробу і прискорюється знос електродів. У процесі зварювання опір основного металу і опір контакту між частинами не залишаються постійними. Сопро-тивление металу проходженню струму швидко росте з підвищенням температури. Для кольорових металів ця залежність може бути представлена наближеною формулою
де р0 - питомий опір металу при 0 °;
рт Що ж при температурі Г;
а-температурний коефіцієнт електричного сопротпвленн. для технічно чистих металів а = 4 10- ° -
Для сплавів температурний коефіцієнт а може бути дуже малим, що наближається до нуля. Залежність опору від температури для сталей є більш складною. На фіг. 151
Фіг. 151. Залежність питомої со-спротиву сталей від температури: А - чисте залізо; Б - малоуглеродистая сталь; В - нержавіюча аустенитная сталь.
представлена залежність електро-тричних опору від температури для різних сталей. Відомо, що різні сталі, що мають при низьких тим-пература дуже різне з-опір, при підвищенні температури прагнуть до одно-му і тому ж приблизно постійному значенню опору-тивления, що пов'язано з Ауст - нітних перетворенням заліза. У табл. 18 дані питомі опору-тивления при кімнатній темпе-ратурі для деяких металів.
Електричне опираючись-ня зварювального контакту ме-вується в процесі зварювання іншим чином. Поверхня металу.
Питомий опір деяких металів і сплавів при 2 (Р
У ділове I опір в ом - сму (Ю 6 (або мохом. См)
денние в таблиці дані збільшити в 10000 разів, т. е. помножити на 10-3.
навіть добре обробленого, має нерівності, і при стисненні метал-вих деталей дійсне зіткнення відбувається лише в окремих фізичних точках, як це показано схематично на фіг. J52, що зображає мікрогеометрію поверхонь контакту. При пропущенні елек-тричних струму через контакт на ньому наблю-дається більш-менш значне падіння напруги, що свиде-ність про відпо-ціалу омічному опорі кон-такту. Фіг - ^ 52. Поверхні контакту.
Підвищений опору-тивление контакту викликається трьома основними причинами: 1) рез-ким зменшенням дійсного перетину металу, що несе струм в зоні контакту, 2) звуженням ліній струму і виникненням дуже ви-соких щільності струму в зоні контакту, 3) наявністю на поверхні металу плівки оксидів і забруднень з малою електропровідністю. Опір контакту в значній мірі залежить від додатку-женного до нього тиску. Зі збільшенням тиску опір па-дає і, навпаки, зростає при зменшенні тиску. З збільшен-ням тиску мнуть виступи на поверхні металу, площа дійсного фізичного зіткнення зростає, а висота
виступів зменшується. В результаті опір контакту умень-шается з підвищенням тиску. Крім того, збільшення тиску в більшій чи меншій мірі руйнує плівку окислів і загряз-нений на поверхні металу, що також знижує загальний опору-ня контакту.
Теоретично і експериментально встановлена наступна зави-ності між тиском, прикладеним до контакту, і його елек-тричних опором:
де рх - одиничне опір контакту в Омасі при тиску Р = 1 кг
Р - тиск, прикладена до контакту в кг; а - досвідчений коефіцієнт, який має значення в межах від 0,50 до 1,00;
RK - опір контакту в Омасі при тиску Р.
Одиничне опір Рх залежить від сорту металу, перебуваючи-ня його поверхні і, як правило, зменшується зі зменшенням твердості металу і підвищенням його електропровідності.
Як видно з формули, опір контакту RK не залежить від його площі, що підтверджується досвідом. Одиничне опору-ня змінюється в широких межах в залежності від виду металу і стану його поверхні. Для добре очищеної стали единич-ве опір змінюється в межах від 0,005 до 0,006 ом, для алюмінію при добре очищеної поверхні - близько 0,001 і для міді - близько 0,0001. Користуючись зазначеними цифрами, легко ви-числиться опір контакту при різних тисках. Для зви-них тисків, що застосовуються в контактних машинах, опір контакту в 20-100 разів менше зазначених вище величин, причому коливається в широких межах в залежності від багатьох, важко прогнозованих причин.
Перехідний опір між міддю і сталлю (між елек-Трод контактної машини і виробом) може бути прийнято рав-ним половині опору між сталевими деталями. Сопро-тивление контакту зменшується з підвищенням температури. Це пояснюється збільшенням пластичних деформацій металу з по-щення температури і можливим руйнуванням поверхневих плівок при нагріванні. При температурі близько 500 ° контактна опору-тивление стали стає дуже малим і практично вже не за-висить від тиску. При температурах вище 600-800 ° опору-тивление контакту стає настільки малим, що їм зазвичай можна знехтувати. Таким чином, складові загального опору зварювального кола при контактному зварюванні: опір металу і опір контакту при підвищенні температури мене-ються в протилежних напрямках; опір металу расггёт, опір контакту падає, і загальний опір • зварювального кола змінюється не так вже сильно, в залежності від тих-ператури.
Користуючись наведеними залежностями, можна порівняно легко і досить точно визначити загальну кількість тепла, освоєння-няється в зварювального ланцюга. Набагато важче визначити напів-чающие підвищення температури металу в зоні зварювання. Одно-тимчасово з початком підвищення температури починаються і втрати тепла в навколишнє середовище.
Тепло відводиться від зони зварювання різними шляхами. Значно-ва частина тепла відводиться в сусідні холодні шари металу, внаслідок теплопровідності. Втрати через теплопровідність ме-Таллах зазвичай складають основну частину всіх втрат тепла. У міру підвищення температури металу швидко зростаюче кількістю-ство тепла втрачається через радіаційний. Другорядне значення для контактного зварювання зазвичай мають втрати тепла через кон-СЕКЦА внаслідок омивання поверхні металу холодним воз-духом.
У загальному підсумку втрати тепла з підвищенням температури швидко ростуть і виражаються настільки складними залежностями, що практи-етичні підрахунки втрат тепла для контактного зварювання в більшості • випадків важко здійснимі, і доводиться користуватися майже исклю-ве досвідченими даними. Неминучі втрати тепла уповільнюють наростання температури металу при безперервному проходженні струму, і зі збільшенням часу проходження струму температура металу асимптотично наближається до деякого кінцевого зна-ню, що відповідає рівноважному стану, якщо, звичайно, не настане до цього руйнування металу внаслідок плавлення і випаровування.
При недостатньому струмі теплова рівновага між виділенням тепла струмом і втратами в навколишнє середовище настає при уста-новівшейся температурі, недостатньою для здійснення зварювання, в цьому випадку зварювання неможлива. З підвищенням зварювального струму рівновагу настає при сталій температурі, перевищую-щей необхідну температуру зварювання, в цьому випадку зварювання віз-можна.
Постійна часу процесу нагріву в зварювального ланцюга зазвичай невелика, і теплова рівновага практично настає вже через проміжок часу від часток секунди до декількох хвилин. По-цьому процес контактного зварювання проходить завжди швидко, зварюва-ва температура досягається або дуже скоро по включенні зварюва-ного струму або не буде досягнута ніколи, якщо струм недостатній. Чим більше зварювальний струм, тим менше тривалість нагре-ва, менше втрати тепла в навколишнє середовище, загальна витрата енер-гии на зварювання і тим вище к. П. Д. Процесу.
Розглянемо коротко основні процеси, що відбуваються в металі з підвищенням його температури, зупинившись для прикладу на вуглецевих сталях. З підвищенням температури після досягнення критичної точки Лс3 звичайне залізо а переходить в форму 7, хо-рошо розчинювальну вуглець у великих кількостях. При цьому
а - вплив температури і тиску иа межа міцності пластичної зварювання маловуглецевої стилі; б - область можливої пластичної зварювання без оплавлення.
цементит і перліт стали зникають, вуглець розподіляється одно-
мірно за обсягом металу і весь переходить в більш-менш одно-
родний аустенит. При подальшому підвищенні температури наблю-
дається зростання зерен металу, т. е. межі між зернами зникають,
кілька дрібних зерен зростаються в одне велике зерно, стре-
мясь зменшити загальну вільну поверхню. При цій темпера-
турі власне і починається сварка, т. е. освіту в погра-
нічной зоні нових кристалічних зерен, запозичують матеріал
для свого зростання від обох з'єднуються частин, що веде до уничто-
жению фізичної кордону розділу між частинами.
На фіг. 153 показана
залежність міцності
зварного стику від темпе-
ратури зварювання і тиску
опади. міцність зварювання
росте зі збільшенням тем-
ператури і тиску в
відомих межах. при
надмірному підвищенні
температури можуть насту-
пити явища перегріву
металу і розплавлення
окремих структурних
складових, що веде
до зниження міцності
зварювання.
Зі збільшенням содер-
жания вуглецю в стали
максимальна допустима
температура зварювання поні
жается, а мінімальна ра-
стёт. Це веде до звуження
діапазону зварювальних тем-
температур з підвищенням вмісту вуглецю в сталі (фіг. 153). на
цій діаграмі область зварюваності тиском заштрихована і на-
несена на стандартну діаграму стану залізовуглецевих
сплавів. Слід зауважити, що при контактному зварюванні оплавленням,
сутність якої викладається нижче, область хорошою зварюваності
значно розширюється і діаграма (фіг. 153) в значній
ступеня втрачає своє значення.
Наведені міркування про освіту зварного з'єднання
мають вельми наближений характер. Недостатність наших зна
ний в цій області особливо підкреслюється можливістю холод-
ної зварювання металу без всякого підігріву (див. розділ V).
При охолодженні металу після закінчення зварювання насамперед
Відбувається затвердіння розплавленої зони, якщо вона образова-
лась. Кристалізація починається з зовнішніх шарів розплавленої
зони і йде до її середині, утворюючи типову столбчатую або ден-
дрітную структуру литого металу. кристалізація сопровождаег-
ся усадкою металу, що веде при недостатньому тиску до обра-тання усадочних раковин.