Контактне стикове зварювання оплавленням
Інші сторінки на тему
Настановну довжину lу потрібно вибирати оптимальною, т.к. вона впливає на опір зони зварювання через опір деталей Rд, на деформаційну здатність деталей - через можливість їх викривлення від втрати стійкості при стисканні і на відведення теплоти в електродні губки від зони стику - при нагріванні. Опір деталі Rд визначається виразом
де S - поперечний переріз деталі; ρт – питомий опір металу, що залежить від температури.
Після затискання деталей в електродних губках між їх торцями потрібно залишати мінімально можливий зазор для усунення електричного контакту між деталями перед подачею на них напруги від джерела зварювального струму. Тому контактний опір деталь - деталь Rдд створюється не перед пропусканням струму, як при точковому і шовному зварюванні, а в процесі його протікання.
Друга стадія процесу зварювання - оплавлення - починається з подачі напруги від джерела зварювального струму на розімкнуті деталі, після чого рухома плита машини із закріпленою деталлю починає переміщатися до нерухомої деталі зі швидкістю Vп.п.
Електричний контакт торців деталей починається з їх легкого торкання під тиском
0,01 МПа, яке зберігається на такому рівні протягом усього часу оплавлення.
Через малий тиск Ропл між торцями деталей створюється один, рідше два локальних електричних контакту, якими протікає весь струм, званий струмом оплавлення Iопл:
Висока щільність струму викликає швидке розплавлення металу в зоні контакту та утворення рідкого містка або рідкої перемички. Тепло, яке виділяється в рідкій перемичці при протіканні струму, частково відводиться в торці деталей, і нагріває їх, що необхіднодля подальшої деформації металу, а частина, що залишилася, накопичується, викликаючи подальший нагрівання перемички.
При нагріванні металу до температури кипіння перемичка вибухоподібно руйнується. Цьому сприяють електродинамічні сили, що виштовхують струмоведучу перемичку із зазору назовні, прискорюючи її руйнування. Час існування рідкої перемички становить 0,001. 0,005с.
При руйнуванні перемички метал частково викидається із зазору у вигляді дрібних високотемпературних крапель і пари, частково залишається на торцях деталей. Тиск пар металу в зазорі досягає 30м/с, а швидкість розльоту крапель металу - до 60м/с.
Пари металу, що викидаються із зазору під високим тиском, відтісняють повітря від зони стику, а високотемпературні краплі металу реагують з киснем у стику, знижуючи його концентрацію. Дії обох факторів забезпечують ефективний захист нагрітого металу у зоні стику від окислення.
З-за індуктивності зварювального ланцюга в місці зруйнованої перемички утворюється дуговий розряд, що горить переважно в парах металу. Теплота від горіння дуги частково розплавляє метал на торцях, і частково йде на нагрівання торців деталей у глибину, як і теплота від рідкої перемички.
Дуга горить до утворення нового твердого електричного контакту між торцями, оскільки рухома деталь з початку оплавлення продовжує перемішуватися з певною швидкістю до нерухомої.
Новий контакт шунтує дугу, яка гасне, а на його місці повторюється процес утворення рідкої перемички, її вибуху, горіння дуги і т. д. багаторазово по поверхнях торців протягом часу оплавлення.
Таким чином, опір деталь-деталь Rдд має складну фізичну природу. За величиною воно залишається приблизно постійним протягомвсього часу оплавлення і створює своєю дією джерело нагріву переважно плоского характеру.
Опір деталі Rд, що зростає в міру нагрівання металу через збільшення питомого опору, створює джерело нагріву об'ємного характеру, причому в межах настановної довжини більше теплоти виділяється в об'ємі, що примикає до стику, так як в ньому вищий питомий опір металу.
Багаторазове повторення процесів утворення рідких перемичок та дуг між торцями деталей призводить до створення на них шарів рідкого металу, які утримуються на торцях від стікання силами поверхневого натягу.
За час оплавлення шари рідкого металу на торцях оновлюються, чим усувається накопичення на поверхні рідкого металу товстих оксидних плівок і в сукупності із захистом зони стику на стадії оплавлення підвищується якість з'єднання. Шар рідкого металу на торці необхідний і для ефективного видавлювання зі стику оксидів на стадії осадки. Він повинен бути рівномірним по поверхні торця і без вогнищ кристалізації. Це досягається безперервним та інтенсивним процесом оплавлення.
Безперервність оплавлення забезпечується підтримкою рівності
де vп.п. - Швидкість переміщення рухомої плити машини з деталлю, voпл. - Швидкість оплавлення деталей.
Швидкість оплавлення обумовлена фізичними процесами нагрівання металу та його плавлення, а швидкість рухомої плити машини задається механічним приводом. Тому є певні проблеми у відповідності цих швидкостей. Надалі вважатимемо, що рівність (2) виконується протягом усього часу оплавлення, і при подальшому викладі будемо використовувати тільки параметр voпл.
Інтенсивність оплавлення залежить від зміни взаємопов'язаних параметрів lоплта vопл. З їх зростанням, з одного боку, підвищується інтенсивність оплавлення та покращується якість захисту, а з іншого, збільшуються втрати металу та енергії, яка виноситься із зони стику з високотемпературними парами та краплями металу.
Таким чином, в кінці стадії оплавлення на торцях деталей повинен утворитися шар розплавленого металу з мінімальним окисленням, торці повинні бути прогріті в глибину, а їх поверхні вирівняні.
Закінчується контактне стикове зварювання оплавленням третьою стадією-осадкою. Опад починається з прискореного переміщення рухомої деталі. Разом з підвищеною швидкістю опади, що приблизно на порядок перевищує швидкість оплавлення, різко зростає сила опади.
Висока швидкість опади дозволяє швидко зачинити зазор між торцями, попередивши цим окислення та кристалізацію розплавленого металу через припинення процесу оплавлення внаслідок порушення умови (2).
У перший момент опади торці стикаються через рідкий метал, чим створюється початковий фізичний контакт. Подальше переміщення під дією збільшеної сили осаду супроводжується пластичною деформацією нагрітого металу торців. При осаді для додаткового прогріву металу в глибину деякий час продовжує протікати струм, що називається струмом осаду Ioс, який за величиною в кілька разів більший за струм оплавлення Ioпл через припинення дії опору Rдд.
При деформації металу зі стику разом із рідким металом легко видавлюються оксиди та забруднення.
Оксидні плівки, якщо через них утворилися міжатомні зв'язки, не дозволяють отримати хороше з'єднання через їх високу твердість і крихкість, через що різко знижується міцність і пластичність з'єднання.
У ряду металів , які найчастішемістяться в сталях (хром, марганець, кремній, алюміній), температура плавлення їх оксидів багато вище температури плавлення сталі (на 100...500°С). Тугоплавкі оксиди знаходяться в твердому стані на поверхні розплавленого металу, і тільки наявність останнього дозволяє їх або видавити зі стику, або роздробити і цим послабити шкідливий вплив на якість з'єднання.
Разом з рідким на периферію стику видавлюється твердий перегрітий метал, який може дати в стику зону великого зерна, що погіршує якість зварного з'єднання. Після осідання видавлений метал утворює по периметру стику грат (див. рисунок 1).
Для ефективного видавлювання зі стику перегрітого і розплавленого металу з оксидами пластична деформація при осаді повинна локалізуватися в навколостиковій зоні, а не розподілятися рівномірно по установчій довжині. Для цього необхідно оптимізувати ширину зони нагріву і градієнт температури всередині неї.
При пластичній деформації після видавлювання оксидів і забруднень відбувається зближення активованих теплотою атомів на поверхнях, що з'єднуються до параметра кристалічної решітки з подальшою їх хімічною взаємодією і утворенням металевих зв'язків.
Остаточне формування з'єднання закінчується рекристалізацією металу, при якій через площину стику з одного торця в інший проростають зерна, що забезпечує об'ємне зміцнення з'єднання. Для цього після опади в зоні стику повинен залишатися метал, нагрітий до температури рекристалізації.