Программирование процессов контактной сварки

Точечная и шовная сварка имеют ряд особенностей: надежную герметизацию и защиту от атмосферных газов; высокое давление в зоне сварки на всех стадиях процесса; интенсивное перемешивание металла; кратковременность нагрева и минимальную протяженность зоны термического влияния; высокую концентрацию напряжений на периферийных участках точек.

Современное оборудование для контактной сварки позволяет в широких пределах регулировать процессы нагрева и деформирования металла и таким образом эффективно управлять термодеформационным циклом. У большинства современных технологических систем имеется возможность регулирования скорости нагрева и охлаждения; предварительного и повторного нагрева внутри цикла сварки; ступенчатого и в ряде случаев плавного изменения давления электродов за цикл, а следовательно, эффективного управления значением и знаком остаточных напряжений.

Программирование режима заключается в рациональном выборе формы импульса сварочного тока и изменении сварочного усилия за цикл сварки, а также их временных параметров, что дает возможность эффективно управлять качеством соединений и обеспечивать условия для предупреждения дефектов.

Наиболее рациональная циклограмма изменения усилия и тока, характерная для точечной и, частично, шовной сварки, приведена на рис. 4.6. Циклограмма усилия имеет три части: I, II, III — примерные границы этапов формирования соединения.

На I этапе предварительное сжатие F_cx служит для устранения зазоров между деталями, получения требуемых значений г_ю в холодном состоянии, предупреждения начальных наружных и внутренних выплесков, вытеснения технологических прослоек.

Монотонное нарастание F_CB на 11 этапе позволяет поддерживать постоянство давления между деталями, компенсируя рост площади контактов и диаметра жидкого ядра.

На 111 этапе условно выделяют два участка — av. На участке а, небольшом по длительности (обычно 0,02—0,1 с), усилие Р_сл постоянно, эта выдержка необходима для начала кристаллизации, частичного охлаждения слоев металла и, следовательно, предупреждения глубоких вмятин при проковке.

На участке Ь усилие сжатия значительно увеличивают до F_mB (усилие проковки) и поддерживают длительно почти до полного охлаждения в целях снижения растягивающих напряжений, предупреждения горячих трещин и раковин, а также уменьшения короблений узлов.

Рис. 4.6. Рациональная циклограмма точечной сварки

Циклограмма тока тоже имеет три части в соответствии с этапами процесса: ток подогрева /_под, возрастающий ток сварки /_св и спадающий ток /_спал для замедления охлаждения. Скорость нарастания и спада токов, а также их длительность должны соответствовать материалам и толщинам свариваемой конструкции, так как они определяют скорость нагрева и охлаждения металла.

На практике в зависимости от толщины, свойств, конфигурации и ответственности узлов, качества сборки, а также реальных возможностей сварочного оборудования циклограмма усилия может быть упрощена. В частности, оборудование для плавного изменения усилия сжатия пока не получило широкого распространения, поэтому его изменяют ступенчато.

При точечной сварке наиболее часто используют циклограмму с постоянным усилием (рис. 4.7, а) и сварочным импульсом переменного тока (рис. 4.8, а). Сварка металлов относительно небольшой толщины (до 3 мм) не требует повышенного усилия проковки. Для деталей большой толщины и имеющих склонность к горячим трещинам металлов применяют циклограмму (рис. 4.7, б) с усилием проковки F_KOB.

Время приложения усилия должно быть с небольшим запаздыванием /_ков ⁼ 0,025-0,18 с. При запаздывании проковки на большее время металл успевает закристаллизоваться с образованием трещин. При ранней проковке увеличиваются пластические деформации и появляются глубокие вмятины. Проковка, кроме предотвращения образования трещин, устраняет усадочные дефекты в литом ядре, снижает общую деформацию изделия и существенно повышает усталостную прочность соединения.

Для устранения зазоров и предупреждения выплесков, а также при сварке деталей с предварительно нанесенным покрытием (клеем, лаком, грунтом) используют циклограмму, представленную на рис. 4.7, в. Например, при сварке деталей большой толщины (5 мм и более) для снижения и стабилизации контактного сопротивления применяют предварительное сжатие с повышенным усилием. Циклограмму на рис. 4.7, г, наиболее соответствующую теоретической циклограмме (см. рис. 4.6), используют при сварке деталей толщиной свыше 4 мм.

Программу нагрева зоны сварки в большинстве случаев задают в виде одного импульса сварочного тока, как это показано на рис. 4.7, а—г. Жесткий или мягкий режим получают, изменяя длительность сварочного импульса и его величину.

В некоторых случаях, для устранения сборочных зазоров и предупреждения внутренних выплесков, используют предварительный подогрев зоны сварки дополнительным, до сварочного, подогревающим импульсом тока (циклограмма тока на рис. 4.7, д). Циклограмма усилия при этом может быть различной (рис. 4.7, а—г). Частично для этих же целей снижают скорость нагрева за счет модулирования переднего фронта сварочного тока длительностью (рис. 4.9, г).

Рис. 4.7. Циклограмма тока и усилия при точечной сварке: а — с постоянным усилием сварки; б — с приложением ковочного усилия; в — с предварительным сжатием и проковкой; г — со ступенчатым изменением сварочного усилия, проковкой и обжатием; д — с предварительным подогревом; е — с последующим подогревом; ж — с тремя импульсами: сварочным, подогревающими предварительным

и последующим

В целях проведения термообработки, снижения величины усилия проковки Р_кою в частности снижения вероятности возникновения горячих трещин, применяют подогрев дополнительным после сварочного импульсом тока (циклограмма тока на рис. 4.7, е) в сочетании с любой циклограммой усилия. Скорость охлаждения уменьшают также путем замедленного спада заднего фронта импульса сварочного тока за время t_cn (рис. 4.8, б—г).

В случае сварки нетехнологичных конструкций и материалов с ограниченной свариваемостью можно использовать оба дополнительных импульса тока (циклограмма тока на рис. 4.7, ж), модуляцию как переднего, так и заднего фронта импульса сварочного тока (рис. 4.8, г, д).

Рис. 4.8. Формы импульсов сварочного тока в машинах разного типа: а — переменного тока; б — низкочастотных; в — с выпрямлением тока во вторичном контуре; г — переменного тока с модуляцией; д — конденсаторных

При шовной сварке герметичным швом формирование литой зоны обеспечивается одним импульсом тока при постоянном сварочном усилии. Шовную сварку осуществляют при непрерывном (см. рис.4.7, а) или прерывистом (импульсном) включении тока, а также с остановкой вращения роликов на время пропускания сварочного импульса (шаговая сварка). Наибольшее распространение получила сварка с включением тока отдельными импульсами при непрерывном вращении. Пауза между импульсами /„ позволяет снизить температуру роликов и частично охладить детали, в результате уменьшается зона термического влияния, снижаются остаточные деформации, а стойкость роликов несколько возрастает.

При непрерывном включении тока (рис. 4.9, а) значительно повышается скорость сварки, но снижаются качество шва и стойкость электродов. Крупногабаритные детали большой толщины соединяют при шаговом вращении роликов (рис. 4.9, в) с остановкой роликов в момент пропускания импульса тока, что способствует интенсивному охлаждению деталей и рабочей поверхности роликов. Стойкость электродов возрастает в результате стабилизации контактов, отсутствия проскальзывания роликов, снижения температуры контакта электрод- деталь, уменьшения массопереноса. Остановка роликов позволяет приложить ковочное усилие F_K0B, что расширяет технологические возможности сварочного процесса. Наиболее часто на практике применяется сварка с непрерывным вращением роликов и прерывистым включением тока (рис. 4.9, б).

Рис. 4.9. Циклограмма шовной сварки: а — с непрерывным вращением роликов и непрерывным сварочным импульсом; б — с непрерывным вращением роликов и отдельными импульсами сварочного тока (прерывистая); в — с остановкой роликов во время пропускания отдельного сварочного импульса с постоянным усилием или проковкой (шаговая)