Разновидности способов и особенности протекания процессов стыковой сварки

Нагрев металла при стыковой сварке происходит за счет рабо­ты тока на переходном сопротивлении электрического контакта в месте стыка. Стыковую сварку разделяют на сварку сопротивлени­ем и сварку оплавлением.

При сварке сопротивлением свариваемые изделия предварительно сводят до соприкосновения с определенным усилием, после чего включается ток.

Режим сварки сопротивлением определяется установочной дли­ной деталей, напряжением на вторичной обмотке сварочного транс­форматора и усилием сжатия деталей в осевом направлении. Ко­манды на изменение усилия сжатия и выключение тока после осадки чаще всего подают от конечных выключателей, устанавливаемых по ходу движения подвижного зажима машины, или реле времени.

Термический цикл при сварке сопротивлением определяется выделяющейся мощностью и временем протекания процесса. По­скольку мощность — функция напряжения на свариваемых деталях и их сопротивления, колебания напряжения и сопротивления сва­рочной цепи (за счет нестабильной подготовки торцов и зачистки деталей) существенно влияют на качество получаемых соединений.

Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оп­лавлением и оплавлением с предварительным подогревом мето­дом сопротивления. При сварке непрерывным оплавлением детали сближают с постоянной на начальном этапе или постепенно на­растающей скоростью при включенном сварочном трансформа­торе. Оплавление деталей происходит в результате непрерывного образования и разрушения жидких контактных перемычек между горцами заготовок и сопровождается интенсивным выбросом ча­стиц расплавленного металла и укорочением деталей.

Режим непрерывного оплавления определяется скоростью пе­ремещения подвижной плиты машины ν_π, вторичным напряже­нием холостого хода трансформатора U _2xx, сопротивлением ко­роткого замыкания машины Z_K3, вылетом деталей и припуском на оплавление Δ_опл. На формирование температурного поля в сва­риваемых деталях наиболее влияют скорость ν_π и напряжение U _2xx. При сварке деталей с поперечным сечением до 1 500 мм² величи­ну напряжения U _2xx устанавливают минимально необходимой для возбуждения оплавления (ее можно принять постоянной в тече­ние всего цикла сварки). Получить качественное соединение мож­но при небольшой зоне нагрева, достигаемой за малое время при большой скорости оплавления. Поэтому требуемую зону разогрева при сварке развитых сечений можно получить только подбором соответствующей программы скорости оплавления при U _2xx = const.

Чтобы возбудить процесс оплавления деталей с большим контакт­ным сечением (рельсы, прокат и т. п.), требуется высокое начальное напряжение U _2xx, при котором в дальнейшем (по мере нагрева тор­цов) оплавление становится прерывистым из-за больших токов. По­вышение скорости оплавления в данном случае мало влияет на устойчивость процесса и приводит к увеличению выброса нагретого металла, сокращению зоны разогрева. Более целесообразно в этом случае снижать напряжение U _2xx по заранее установленной програм­ме. Исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона, показали возможность получить достаточно большую зону разогрева при низ­ких скоростях подачи ν _п = 0,2...0,3 мм/с, если в любой момент времени напряжение будет равно его минимально возможному значе­нию, при котором не нарушается устойчивость оплавления. Термический КПД процесса при этом наиболее высок. Малые колебания напряжения (в пределах допустимых для электрических сетей (±5 %)) незначительно влияют на тепловой баланс, но существенны для ус­тойчивости. Поэтому реализовать режимы оплавления на минималь­но возможных напряжениях U₂ можно только с помощью специаль­ных автоматических регуляторов.

При сварке оплавлением можно интенсифицировать нагрев, если уменьшить искровой зазор между деталями до определенной критической величины. Такой процесс неустойчив, он может иметь место при кратковременных повышениях υ _п.В случае чередования периодов (импульсов) повышения ν _пи ее снижения происходит механическое разрушение контактов, существовавших в твердом состоянии, и оплавление может протекать непрерывно. Процесс импульсного оплавления получают при наложении дополнитель­ных колебательных движений на основное поступательное движе­ние подвижной плиты машины.

Режим импульсного оплавления характеризуется дополнитель­но формой колебательных движений (обычно близкой к синусои­де), их амплитудой и частотой. На практике в течение всего процес­са сварки значения амплитуды (0,1...0,5 мм) и частоты (5...20 Гц) колебаний задают постоянными, а регулируют длительность им­пульсов тока, воздействуя на ν _п.Применяя специальные регулято­ры скорости, можно значительно уменьшить длительность пауз между импульсами. Интенсивность нагрева при неизменной дли­тельности импульсов тока соответственно возрастает. По сравне­нию со сваркой непрерывным оплавлением КПД импульсного оп­лавления в 2 раза выше, соответственно припуск на оплавление и общая длительность процесса значительно сокращаются.

При сварке оплавлением с предварительным подогревом требуемое температурное поле получают при нагреве деталей методом сопро­тивления. Предварительный подогрев реализуют чаще всего сообщая одной из деталей возвратно-поступательное движение (для перио­дического замыкания и размыкания сварочной цепи (рисунок. 6.10)). Вслед­ствие периодического прерывания сварочного тока достигают вы­равнивания температурных полей по поперечному сечению деталей. Степень выравнивания температуры зависит от точности подготов­ки торцов деталей к сварке и точности установки деталей в зажим­ных приспособлениях машины. Параметры режима предварительно­го подогрева предопределяют температурное поле в зоне сварки к моменту перехода от подогрева к непрерывному оплавлению.

t _имп — длительность импульса подогрева; t _п — длительность паузы между импуль­сами; t _под — длительность подогрева; t _опл — длительность оплавления; t _оc — длительность осадки; I _под — ток подогрева; I _опл — ток оплавления; I _ос — ток осадки; L — перемещение плиты машины; Δ_опл — припуск на оплавление; Δ_ос — припуск на осадку

Рисунок. 6.10 – Циклограмма процесса сварки оплавлением с подогревом

Важная задача при этом — определить момент окончания подогрева и перехода к оплавлению, так как от этого зависят шири­на зоны разогретого металла и производительность процесса. Роль оплавления сводится в рассматриваемом случае к созданию слоя на осадку жидкого металла на торцах заготовок и соответствующей защит­ной атмосферы в искровом промежутке. Большого запаса устой­чивости процесса оплавления легко достигают даже на машинах с повышенным сопротивлением Z_K3 короткого замыкания благода­ря предварительному подогреву металла и возможности повыше­ния напряжения U _2xx без существенного ущерба для качества со­единений. Поэтому в машинах для сварки с предварительным по­догревом управление оплавлением ограничивается изменением v _ппо предварительно выбранной программе без применения обрат­ной связи по параметрам процесса.

При всех способах стыковой сварки оплавлением необходимо поддерживать устойчивость процесса. При неустойчивом оплавле­нии процесс может прекращаться или переходить на отдельных участках в длительные короткие замыкания торцов. В этом случае через большую часть поверхности оплавления ток не проходит, и жидкий металл, покрытый пленками оксидов, успевает закристаллизоваться до осадки, что приводит к опасным дефектам в соединении. В большинстве случаев пленки представляют собой оксиды металлов и других химических элементов, содержащихся в исходном материале. Поэтому образование пленок непосредствен­но связано с окислительными реакциями, протекающими на оп­лавляемых поверхностях.

Расплавленные оксиды легко удаляются из стыка при осадке. Тугоплавкие оксиды удаляются из стыка вместе с жидким метал­лом лишь частично. Ослабить окислительные реакции на поверхно­сти оплавления можно подбором режима сварки. Чем интенсивнее протекает оплавление, тем выше давление газов в искровом про­межутке. Содержание кислорода уменьшается, оплавляемая поверхность чаще обновляется и образование оксидов ослабляется. Поэто­му конечная стадия процесса оплавления характеризуется резким увеличением скорости перемещения заготовок.

Процесс оплавления устойчив, если при воздействии на него различного рода возмущений он обладает свойством самовырав­нивания (саморегулирования.) Процесс оплавления прерывист по своей природе. Если пере­рывы в протекании тока в сварочной цепи отсутствуют, то на отдельных участках контактирующих поверхностей паузы неиз­бежны. Кратковременные перерывы оплавления не влияют на ста­бильность и равномерность нагрева металла даже при самых ма­лых скоростях сближения деталей (0,1...0,2 мм/с). Только в конеч­ный период оплавления (перед осадкой) длительность прерыва­ний процесса должна быть ограничена.

Значит, одно из основных требований к СУ сварочной маши­ной — обеспечить наряду с устойчивостью непрерывность про­цесса оплавления металла перед осадкой.

Для углеродистой стали значения Δt не выходят за пределы сотых долей секунды и лишь в редких случаях (при широкой зоне нагрева) составляют десятые доли секунды. Поэтому минимально допустимая скорость осадки зависит от геплофизических свойств металла и градиента температурного поля, т.е. от ширины зоны разогрева деталей. Величина послед­ней определяет степень пластической деформации деталей, не­обходимой для получения соединений требуемого качества. Зна­чительное сужение зоны разогрева приводит к появлению вклю­чений по линии сварки, резко снижающих пластичность и проч­ность соединений. С другой стороны, увеличение зоны термичес­кого влияния в 1,5 — 2 раза по сравнению с оптимальной не ока­зывает существенного влияния на механические свойства соеди­нений, но резко снижает КПД процесса. Поэтому СУ стыковой сваркой должны обеспечивать наряду с устойчивостью и непре­рывностью процесса оплавления оптимальное температурное поле в свариваемых деталях к моменту осадки.

Выполнение этих требований (не зависящих от того, прово­дится ли нагрев деталей непрерывным оплавлением или ему пред­шествует предварительный подогрев деталей тем или иным спо­собом) возможно лишь при тщательной подготовке торцов заго­товок и высокой точности поддержания параметров режима.

Однако в условиях производства неизбежно воздействие на про­цесс различного рода возмущений, приводящих к отклонению параметров режима сварки от заранее подобранных значений. К таким возмущениям относятся колебания напряжения сети U _c,изменения сопротивления Z_K3 короткого замыкания машины и др. Так, в производственных условиях U _cне остается неизменным, а меняется в течение дня плавно или скачкообразно. При стыковой сварке в полевых условиях колебания U _cвозможны из-за ограни­ченной мощности передвижной электростанции. С повышением U _c увеличивается глубина кратеров на оплавляемых поверхностях и сужается зона термического влияния. При этом возможно обра­зование оксидов металла, трудно удаляемых из стыка в процессе осадки. При чрезмерно низком U _c оплавление протекает неустой­чиво и часто переходит в короткое замыкание цепи. Значит, коле­бания U _c влияют как на тепловую эффективность процесса оплав­ления, так и на его устойчивость, а также на формирование свар­ного соединения.

При длительной работе сварочной машины увеличивается ак­тивное сопротивление токоведущих частей контура вследствие на­грева, особенно при нарушениях в системе охлаждения. Кроме Возмущения, наиболее опасные при контактной стыковой свар­ке, подразделяют на внешние и внутренние. Внешние возмуще­ния — это колебания напряжения сети; нестабильность контакт­ных сопротивлений между электродом и деталью; нестабильность начального контактного сопротивления между деталями.

Внутренние возмущения — медленные изменения сопротивле­ния сварочного контура; возмущения, обусловленные нестабиль­ностью пускорегулирующей аппаратуры машины, и др. Возмуще­ния внутреннего характера при правильном уходе за машиной значительно меньше влияют на процесс сварки. Поэтому главная задача автоматизации процесса — компенсировать влияние внеш­них возмущений.