Сварка листовых заготовок

Листовые заготовки соединяют точечной, шовной (роликовой) и рельефной сваркой.

Точечная контактная сварка позволяет получать прерывистый шов. Шовная контактная сварка применяется для создания герметичных соединений заготовок. Рельефная контактная сварка обеспечивает равномерное и плотное соединение заготовок по всей площади их контакта.

Точечная контактная сварка.

Этим способом изготавливают сварно-штампованные конструкции, в которых детали, полученные штамповкой из листа, сварены в жесткий узел (пол легкового автомобиля, кабина грузовика и т. п.). Точками часто сваривают каркасные конструкции (боковина и крыша пассажирского вагона, бункер комбайна, узлы самолета и т.п.). Широко распространена ТКС пересекающихся стержней диаметром 25 мм и более при изготовлении арматуры железобетона в виде сеток и каркасов.

Сварка обеспечивает наилучшие результаты при изготовлении узлов из относительно тонкого металла (в стальных конструкциях большого размера суммарная толщина свариваемых листов составляет 2,5...4,0 мм, в небольших узлах, легко подаваемых к мощным стационарным сварочным машинам, — 5...6 мм). Специальные машины позволяют сваривать заготовки толщиной до 6... 7 мм. Важная область ТКС — соединение очень тонких деталей в электровакуумной технике и приборостроении.

Точечная контактная сварка подразделяется по числу сварных точек — на одноточечную (рис. 6.9, а) и многоточечную (рис. 6.9, б), а по способу подвода тока — на двустороннюю (см. рис. 6.9, а, б), одностороннюю (рис. 6.9, в) и с косвенным подводом тока (рис. 6.9, г).

Рис. 6.9. Виды точечной контактной сварки:

а — двусторонняя одноточечная; б — двусторонняя многоточечная; в — односторонняя; г — с косвенным подводом гока; Р — усилие сжатия; Т — трансформатор

Перед началом сварки контактные поверхности заготовок очищают и обезжиривают.

При двусторонней сварке (рис. 6.10, а) заготовки / устанавливают между нижним и верхним электродами 2сварочной машины. Заготовки сжимают усилием Р.

После выдержки, необходимой для формирования надежного электрического контакта, на электроды подают напряжение 5...6 В. Кратковременный (длительностью 10... 100 мс) мощный импульс сварочного тока обеспечивает быстрый нагрев зоны сварки и образование зоны расплавления — жидкой точки 3 между контактными поверхностями. Нагрев сопровождается пластической деформацией металла заготовок, и вокруг жидкой точки образуется уплотняющий поясок 4, который предотвращает окисление и выплеск жидкого металла.

После выключения тока металл ядра быстро охлаждается и кристаллизуется. Между заготовками образуется прочная металлическая связь.

При односторонней сварке (рис. 6.10, б) заготовки устанавливают на подкладку 5 (медную плиту) и прижимают электродами, расположенными по одну сторону заготовок. Необходимо учитывать шунтирование тока, вследствие чего

где /_св — сила сварочного тока, необходимого для получения одной сварной точки; /_и — сила тока источника питания; /_ш|, /_ш2,

Рис. 6.10. Схемы точечной контактной сварки:

а — двусторонней; б — односторонней; / — заготовки; 2— электроды; 3 — жидкая точка; 4 — уплотняющий поясок; 5 — подкладка; /_и — сила тока источника питания; /_св — сила сварочного тока; /_ш,, /_ш2, /_шэ — сила тока шунтирования в верхней заготовке, между сварными точками и в подложке; d — диаметр жидкой точки; И — глубина проплавления; Р — усиление сжатия; Т — трансформатор

Рис. 6.11. Циклограммы точечной контактной сварки с преждевременным включением тока (а), нормальным включением тока при постоянном усилии (б) и применением ковочного давления (в):

/ — сила тока; Р — усилие; Р₀ ^— усилие предварительного сжатия; Р_к — ковочное усилие; / — время; /_пр — время предварительного сжатия; /_св — продолжительность сварки; /,_Л — время запаздывания снятия давления с электродов; t_rK — время запаздывания включения ковочного усилия

/_ш3 — сила тока шунтирования в верхней заготовке, между сварными точками и в подложке.

Точечная сварка всегда начинается с предварительного сжатия заготовок для обеспечения их хорошего контакта. При преждевременном включении тока (рис. 6.11 , д) электроды развивают недостаточное усилие, контактные сопротивления велики, на контактах почти мгновенно выделяется очень большое количество теплоты, металл плавится и быстро выбрасывается в виде искр (начальный выплеск). При малом усилии возможен прожог заготовок и обгорайие электродов.

Под действием усилия сжатия на поверхности заготовки образуется вмятина. Если ток выключают при нагреве до достижения температуры плавления, то в структуре материала сварной точки присутствуют крупные зерна и цепочки неметаллических включений, но отсутствуют раковины и поры (структура непровара).

При сварке между заготовками появляется полость, заполненная расплавленным металлом заготовок (жидкая сварная точка, или ядро). Кристаллизация ядра сопровождается его усадкой с возможным образованием раковин и пор. Обжатие кристаллизующегося металла способствует его уплотнению. Поэтому снятие давления с электродов должно запаздывать относительно момента выключения тока на время /_зд, достаточное для завершения кристаллизации ядра. Кристаллизация под давлением обеспечивает проковку, а также отсутствие несплошностей (трещины, усадочные раковины) и повышенных остаточных напряжений в литом металле сварной точки. С увеличением толщины деталей охлаждение и кристаллизация ядра замедляются и, следовательно, t_3J1 возрастает (например, с 0,1...0,2 до 1,5...2,5 с при увеличении толщины стали с 1 до 8 мм).

При простейшем, наиболее распространенном режиме сжатия электродов и выключения тока (рис. 6.11, б), усилие Р₀ прилагается до включения тока (/_пр — время предварительного сжатия), остается постоянным в течение всего процесса сварки и снимается с запаздыванием по отношению к выключению сварочного тока на /_м. Для предотвращения образования усадочных дефектов в ядре относительно толстый материал (дуралюмин толщиной 1,5...2,0 мм, сталь толщиной 5,0...6,0 мм) сваривают с проковкой, увеличивая усилие на электродах во время кристаллизации ядра (рис. 6.11, Р_к должно следовать за выключением тока через небольшой промежуток времени /_зк. При значительном запаздывании (t_XK ? 0,2 с) его применение бесполезно. Формирование сварного соединения при ТКС достигается в результате нагрева (расплавления) металла и его пластической деформации.

Нагрев металла зависит от количества теплоты (?, выделяющейся в зоне контакта. Согласно интегральному закону Джоуля — Ленца

где / — мгновенное значение сварочного тока; г — общее сопротивление участка металла, заключенного между электродами.

Общее сопротивление

где г_1заг, г_2заг — собственное сопротивление заготовок; г_к — сопротивление контакта между ними; г_2э.₃ — сопротивление контактов между электродами и соответствующими заготовками. Контактные сопротивления (г_Хэ.₃ и г_к) определяются площадью фактического контакта реальных поверхностей (контакт по микронеровностям) и наличием поверхностных пленок.

При малых усилиях сжатия реальных поверхностей или при контакте химически активных металлов (например, алюминиевых или магниевых сплавов) контактные сопротивления нестабильны. Для обеспечения стабильности поверхности заготовок необходимо подготовить под сварку (очистить от оксидных пленок, уменьшить шероховатость). При тщательной подготовке свариваемых поверхностей доля контактных сопротивлений в начале нагрева достигает 50 % общего сопротивления. В конце стадии нагрева доля контактных сопротивлений уменьшается до 3... 5 % (разрушение оксидных и иных пленок, а также пластическое деформирование вершин микронеровностей приводят к увеличению фактической площади контакта поверхностей). Таким образом, при

ТКС основным источником тепловыделения является сопротивление материала заготовок г_1заг.

При сварке заготовок из одного и того же материала суммарное собственное сопротивление заготовок можно определить по формуле

где $| + $2 — суммарная толщина заготовок; R_K — радиус контакта электрода с заготовкой; р_1аг(Г) — удельное электрическое сопротивление материала заготовок как функция температуры нагрева; к_г — коэффициент, учитывающий растекание тока вне объема цилиндра с радиусом основания R_K. В процессе нагрева г_1заг увеличивается за счет возрастания как р_заг(7’), так и R_K.

Нагрев при ТКС характеризуется малой продолжительностью (от тысячных долей секунды до нескольких секунд) и значительной неравномерностью. Наиболее интенсивно нагревается центральная часть ядра, в пределах которой сила тока наибольшая. Окружающий металл нагревается протекающим в нем током малой плотности и за счет теплопередачи.

На начальной стадии нагрева (5... 10% /_св) участки контакта нагреваются неравномерно (рис. 6.12, а), так как плотность тока максимальна в области, прилегающей к контакту между свариваемыми деталями. В дальнейшем ток перераспределяется между горячими и холодными участками, и температура выравнивается (рис. 6.12, б).

При нагреве до некоторой температуры в области контакта между деталями под действием силы сжатия происходит образование общих зерен, и начинается сварка без расплавления. На определенном этапе (30...50% /_св) появляется жидкое ядро (рис. 6.12, в). Оно увеличивается в объеме, перемешивается и выравнивается по составу под влиянием электромагнитного поля. После кристаллизации образуется прочное соединение заготовок.

Расплавленный металл удерживается в ядре окружающим его кольцом плотно сжатого пластичного металла. При нарушении сплошности этого кольца жидкий металл, сдавленный в ядре, частично выбрасывается. Выплеск металла происходит в начале процесса при слишком быстром нагреве и недостаточном давлении (металл плавится до образования уплотняющего кольца) или при окончании чрезмерного нагрева, когда из-за значительного увеличения диаметра ядра его тонкая оболочка прогибается, гидростатическое давление в ядре растет и кольцо прорывается.

Микропластическая деформация свариваемых металлов начинает развиваться с момента приложения к заготовкам усилия сжатия. Деформация выступов микронеровностей достигает 60...70% их высоты. При приложении повышенных усилий сжатия деформация микровыступов достигает 100%.

Рис. 6.12. Температурное поле зоны точечной контактной сварки: а— в — стадии нагрева; г — стадия проковки; значения температуры приведены в градусах Цельсия

По мере нагрева металла начинает развиваться и объемная пластическая деформация, которая вызывается как внешним (ковочным), так и внутренним усилиями. Последнее связано с неравномерным температурным полем в сварочной зоне (см. рис. 6.12) и несвободным тепловым расширением металла. В формирующемся жидком ядре эти усилия вызывают значительные сжимающие напряжения.

На стадии охлаждения и кристаллизации ядра уменьшение его объема неравномерно по сечению. Наибольшее уменьшение объема (усадка ядра) должно наблюдаться в его центральной области. Однако дальнейшему уменьшению его объема препятствуют расположенные рядом слои металла околошовной зоны. Усадка ядра сопровождается деформацией металла от края сварной точки к ее центру. Эта деформация способствует образованию несплошно- стей, особенно при повышенных усилиях проковки.

Ядро охлаждается с большой скоростью (до 10 000°С/с). При малом усилии сжатия в процессе охлаждения возможно образование усадочной раковины и трещин. Это явление характерно для сплавов с широким температурным интервалом кристаллизации и для хромоникелевых сталей с повышенным содержанием углерода. Усадочные раковины и трещины можно устранить дополнительной проковкой электродами в заключительной фазе кристаллизации.

Различают сварку на мягких и жестких режимах. Для мягкого режима характерны большая продолжительность протекания сварочного тока (0,5...3,0 с), плавный нагрев металла с появлением большой зоны термического влияния и минимальный диаметр ядра. Формирование ядра при медленном нагреве существенно зависит от давления. С увеличением давления уменьшается тепловыделение и растет теплоотвод, что приводит к уменьшению ядра. Мягкий режим целесообразен для сварки углеродистых и низколегированных сталей, склонных к закалке. Для жесткого режима характерны предельно возможная сила сварочного тока, малая продолжительность протекания сварочного тока (1... 10 мс) и большое усилие сжатия электродов. Такой режим рекомендуется для сварки высоколегированных сталей, алюминиевых и медных сплавов.

Прочность сварного соединения определяется как конструктивными элементами соединения, так и режимом сварки.

При сварке заготовок одинаковой толщины ядро расположено симметрично относительно плоскости стыка. При соединении заготовок разной толщины ядро смещается в толстую заготовку. Смещение ядра тем сильнее, чем мягче режим сварки. При сварке на мягких режимах заготовок, отличающихся по толщине в 4 — 5 раз, ядро может вообще не коснуться тонкой заготовки. При сварке трех заготовок разной толщины два ядра образуются на участках контакта, а затем сливаются в теле наиболее толстой заготовки.

Диаметр ядра (жидкой точки) d и глубина проплавления И (см. рис. 6.10), определяющие прочность соединения, зависят от технологических параметров процесса. Диаметр электрода d₃ является только одним из этих параметров. При рациональной технологии диаметр ядра, мм, возрастает с увеличением толщины s, мм, более тонкой из двух свариваемых заготовок (при s > 0,5 мм) в соответствии с приближенной зависимостью

Основными параметрами режима точечной сварки являются сила сварочного тока и продолжительность его включения, влияющие на тепловые процессы, а также усилие сжатия электродов и размеры их контактной поверхности (диаметры электродов). Два последних параметра одновременно влияют как на условия пластической деформации зоны сварки, так и на нагрев этой зоны, поскольку они существенно сказываются на ее электрическом сопротивлении. Важным элементом, определяющим прочность сварного соединения, является расчетный (минимальный) диаметр ядра.

Таблица 6.1

Усилие сжатия Р при сварке различных материалов и удельное электрическое сопротивление р расплавленного металла

Усилие сжатия электродов ориентировочно выбирают в зависимости от суммарной толщины 5, мм, свариваемых заготовок (табл. 6.1). Для выбора силы сварочного тока используют эмпирическую формулу

где р_рм — удельное электрическое сопротивление расплавленного металла, Ом • см.

Низкоуглеродистые стали сваривают при плотностях тока

• 80.. . 150 А/мм² (мягкий режим) или 200...500 А/мм² (жесткий режим). Для хромоникелевых сталей плотность тока повышают на
• 30.. .40%. Для алюминиевых сплавов плотность тока достигает 2 кА/мм². Рекомендуемое сварочное давление, МПа, составляет: для низколегированных сталей — 70... 100; для хромоникелевых сталей — 180...250; для алюминиевых сплавов — 120...200.

Шаг между сварными точками определяется условиями шунтирования и беспрепятственной пластической деформации. Минимальное расстояние между сварными точками должно составлять более 4,5 суммарной толщины свариваемых листов. С увеличением толщины заготовок возрастает минимальный допустимый шаг между точками и наименьшее расстояние от них до элементов, затрудняющих деформацию заготовок. При сварке аустенитных сталей и сплавов с высоким удельным сопротивлением минимальный шаг точек на 15... 20 % меньше, а при сварке алюминиевых сплавов — на 25...30% больше, чем при сварке конструкционных сталей.

Общие особенности технологии ТКС состоят в следующем. При ТКС необходимо обеспечить высокую и стабильную прочность соединений при минимальных сварочных деформациях и высокой производительности самой сварки и связанных с ней операций (подготовка заготовок, их сборка, иногда — правка, термическая и механическая обработка).

Подготовка заготовок заключается в очистке зоны сварки от оксидных пленок и иных загрязнений, а также подгонке (при необходимости — в рихтовке) свариваемых поверхностей. Очистка заготовок деталей перед сваркой может быть общей или местной (в зоне сварки). Как правило, очищают обе поверхности заготовки — свариваемую и противолежащую. Способы очистки зависят от вида обработки свариваемого материала (опиловка, обработка стальными или иными щетками, абразивная очистка и т.п.).

Точность сваренного узла обеспечивается точностью предварительной сборки заготовок, отсутствием их взаимного смещения и значительных деформаций при сварке. Большие зазоры между деталями ухудшают качество сварного соединения и увеличивают деформации. Обычно зазоры не должны превышать 0,8 мм, а при сборке небольших, но жестких штампованных деталей — 0,2 мм. Точность сборки повышается при использовании универсальных или специальных сборочных приспособлений. Смещение деталей при сварке иногда вызывается взаимным смещением электродов под действием усилия осадки при малой жесткости машины. Поэтому часть точек, фиксирующих взаимное положение деталей, желательно сваривать в приспособлении, препятствующем их смещению.

Различают местные и общие деформации при сварке. Местные деформации образуются рядом со свариваемой точкой и обычно связаны с перегревом зоны сварки (между заготовками появляется зазор, а поверхность заготовок из-за вмятин приобретает вид стеганого одеяла). Если на лицевой поверхности изделия не допускаются вмятины («бесследная» сварка), то с этой стороны устанавливается электрод большого диаметра в сочетании с жестким режимом сварки, при котором ограничивается зона нагрева.

Последовательность свариваемых точек выбирают так, чтобы сварить все точки при минимальном шунтировании гока. Сначала выполняют прихватки (точками) в наиболее трудно свариваемых местах (вблизи ребер, на закруглениях и т.п.). Остальные точки желательно сваривать подряд. Длинное соединение сваривается от середины к концам.

При соединении двух заготовок неодинаковой толщины режим сварки подбирают (по справочным таблицам) для самой тонкой заготовки с последующим увеличением силы сварочного тока на

15...20%.

При сварке трех заготовок неодинаковой толщины возможны два типовых варианта подбора режима сварки:

• • при зажатии самой толстой заготовки между более тонкими режим устанавливают для самой тонкой из них с некоторым (до 20 %) увеличением силы сварочного тока;
• • при зажатии самой тонкой заготовки между более толстыми режим выбирают для самой толстой из них с последующим уменьшением силы сварочного тока и продолжительности сварки на
• 15...30%.

В ряде случаев для уменьшения коррозии внутренняя поверхность заготовок в зоне соединения обрабатывается перед сваркой специальным электродным грунтом. Сварка по грунту производится при несколько увеличенном усилии сжатия электродов (приблизительно на 20 %).

Заготовки из алюминиевых сплавов иногда сваривают по слою специального клея, который после полимеризации затвердевает и предупреждает попадание в зазор реактивов, применяемых при антикоррозионной обработке (анодировании) сварного узла. В некоторых случаях клей можно наносить и после сварки. При этом он проникает в зазоры вследствие капиллярных явлений. Некоторые клеи существенно повышают прочность получаемого клеесварного соединения, особенно при воздействии вибрационной нагрузки.

Одной из разновидностей ТКС является многоточечная сварка, при выполнении которой за один цикл свариваются несколько точек. Машины для многоточечной сварки могут иметь до 100 пар электродов.

Различают параллельную (одновременную) и последовательную многоточечную сварку. При параллельной сварке электроды одновременно прижимаются к заготовкам, что обеспечивает минимальное коробление изделия и высокую точность его сборки. При последовательной сварке электроды опускают поочередно или одновременно, а ток подключают поочередно к каждой паре электродов. В крупносерийном и массовом производстве (автотракторная промышленность) применяют программируемые многоточечные машины параллельной сварки, обеспечивающие производительность до 1 500 точек в минуту.

Оборудование для ТКС можно разделить на следующие типы: стационарные машины для точечной сварки; подвесные и ручные машины для точечной сварки (в том числе клещи); стационарные автоматы; ручные устройства для сварки различных деталей (шпильки, кронштейны и пр.) контактным способом (в том числе методом односторонней точечной сварки).