При стыковой контактной сварке детали нагреваются теплотой, которая выделяется сварочным током на кон­тактном сопротивлении RM между деталями и на собствен­ном сопротивлении деталей 2Rn (рис. 3.2). Контактное

сопротивление R3д между электродами и свариваемыми деталями относительно мало и практически не влияет на нагрев зоны сварки. Общее количество теплоты, выделяе­мое на участке между электродами, можно выразить формулой

Q = 0,24 J [RM (t) + 2Ra (/)] /2 (() dt. (3.2)

о

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

В начале процесса сварки сопротивлением детали кон­тактируют между собой только на отдельных выступа­ющих участках, распределение которых по торцовой по-

верхности носит случайный характер. Сопротивление таких единичных контактов и их количество определяют величину контактного сопротивления А? дд. Сопротивление единичных контактов слагается из сопротивления стяги­вания линий тока и сопротивления окисных и других пле­нок на их поверхности. При увеличении усилия FCJK, сжимающего детали, контактное сопротивление умень­шается и становится более стабильным, так как рост давле­ния в контакте способствует механическому разрушению окисных пленок и увеличению площади контактирующих участков. В начале процесса плотность тока на участках контактирования значительно превышает плотность тока в деталях. В результате интенсивного тепловыделения контактная зона быстро нагревается. Благодаря развитию пластической деформации растет площадь контактирую­щих участков, образуются новые контакты и несмотря на увеличение удельного электросопротивления металла в ре­зультате нагрева общее сопротивление контакта быстро уменьшается, практически исчезая при высоких тем­пературах.

Собственное сопротивление деталей на участке между зажимами равно

2/?д = £пр2 VS,

где р — удельное электросопротивление металла детали, Ом см; 2/„ — установочная длина деталей, см; S — пло­щадь поперечного сечения детали, см2; kn — коэффициент поверхностного эффекта.

Подпись:Удельное электросопротивление растет с повышением температуры, поэтому при нагреве собственное сопротив­ление деталей непрерывно увели­чивается.

В результате оттеснения тока к поверхности (поверхностного эффекта) активное сопротивление деталей на переменном токе боль­ше, чем на постоянном. Этот эф­фект проявляется в наибольшей степени у ферромагнитных метал­лов. При нагреве выше темпера­туры ферромагнитного превраще­ния влияние поверхностного эф­фекта незначительно. Поверхно­стный эффект возрастает при уве­личении диаметра свариваемых деталей. При увеличении свароч­ного тока поверхностный эффект уменьшается, так как возрастает напряженность магнитного поля и в резуль­тате уменьшается ’относительная магнитная проницае­мость. Практически влияние поверхностного эффекта на­чинает проявляться при сварке деталей из низкоугле­родистой стали диаметром более 20 мм (рис. 3.3). Резкое уменьшение Рдц в начале процесса и рост 2Рд типичны для сварки сопротивлением. Общее сопротивление сва­рочной цепи на участке между зажимами R33 в начале процесса уменьшается, а затем возрастает (рис. 3.4, а).

При стыковой сварке оплавлением электрический кон­такт между торцами свариваемых деталей осуществляется отдельными контактами-перемычками. Величина контакт­ного сопротивления Ra„n определяется числом одновре­менно существующих контактов, их поперечным сечением, а также сопротивлением стягивания линий тока у единич­ных контактов. Средние размеры контактов-перемычек растут с увеличением сечения свариваемых деталей и ско-

рости их сближения при оплавлении. Величину контакт­ного сопротивления ROIUI (мкОм) определяют эксперимен­тально или рассчитывают приближенно по эмпирической формуле

flOni = 9500*i/S2/3fe

где оопл — скорость сближения деталей при оплавлении; см/с; / — плотность тока, А/мм2; — коэффициент, учи­тывающий свойства стали (для углеродистых и низколе­гированных сталей = I; для аустенитной стали =

Подпись: м с
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

а) 1 6)

Рис. 3.4. Изменение сопротивлений контактного Ядд и Ропл, деталей 2РД и общего R33 при сварке сопротивлением (а) и оплавлением (б)

Эффективное значение RonjI относительно велико и при оплавлении стали составляет обычно 100—1500 мкОм. Сравнительно большое значение Roun связано с очень малым давлением на торцы (менее 0,7 г/мм2), при котором единичные контакты-перемычки быстро плавятся и взры­вообразно разрушаются.

Сопротивление деталей 2Rn в начальной стадии оплав­ления значительно меньше контактного сопротивления /?опл и сравнительно мало влияет на нагрев деталей. К концу оплавления скорость сближения деталей возрастает и благодаря увеличению количества контактов-перемычек и их размеров величина ROUJl уменьшается. Сопротивление 2Ra в результате нагрева при оплавлении возрастает и в конечной стадии процесса может заметно влиять на на­грев деталей. Суммарное сопротивление Rs3 при оплавле­нии снижается (рис. 3.4, б), а при осадке, когда исчезает Rorn, становится близким к 2/?д.

ЗД

^В начале процесса оплавления между деталями имеетсяЧ зазор, их медленно сближают при включенном источнике » ‘тока. При сближении детали соприкасаются на отдельных выступающих участках торцовых поверхностей. Электри — * ческие контакты возникают не по всей площади соприкос­новения, а в отдельных местах, где происходит разруше — ! ние поверхностных окисных пленок и образование токо­проводящих участков. Окисные пленки разрушаются либо в результате перегрева в случае их небольшой толщины и достаточно высокой электропроводности, либо. В_рез^уЛ|>Ж стате электрического пробоя_(фриттинга).< Механическое разрушение пленок в связи с небольшим давлением в кон­такте менее вероятно. При образовании токопроводящего участка напряжение на контакте резко уменьшается и зарождение новых таких участков в других местах соприкасающихся выступов становится маловероятным.

Подпись:годгГрн бильшби "плотности тока на токопроводящем " участке происходит интенсивное тепловыделение и мест­ное плавление контакта. —"

В результате сближения деталей и деформации высту­пов площадь контакта непрерывно растет. Ее увеличению способствует также тепловое расширение металла. Оче­видно, что контакт сможет разрушиться при условии, если скорость расплавления контакта больше скорости увели­чения его площади. Если скорость расплавления недо­статочна, то площадь контакта достигает больших разме­нов» и наступает короткое замыкание сварочной цепи.

Длительность существования контакта, его размер и характер разрушения зависяКрт природы свариваемого металла, формы и величины поперечного сечения деталей, рельефа торцовой поверхности, свошжз окисных пленок, теплового состояния торцов, а также от шмряжения источ­ника тока и параметров Электр ическ0пцЫ|и сварочной машины.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

Подпись:/■ В начале оплавления в конгакт/вступают поверхности твердого металла. При дальнейшем оплавлении возможно образование контактов ‘между а/сплавленными участками торцовых поверхностей. Образование таких жидких кон­тактов наиболееларактерноудля конечной стадии оплав­ления, когда г.^ктг7чСи«г—в"я поверхность торцов может іть покрыта пленкой расплавленного металла.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕНа жидкую перемычку дей уют силы поверхностного натяжения и объемные электромагнитные силы, которые возникают в связи с протеканием через перемычку тока. Поверхностное натяжение а (рис. 3.5, а) стремится уве­личить диаметр перемычки, а электромагнитные силы Fc — сжать и разорвать перемычку.

Под воздействием электромагнитных сил внутри пере­мычки создается давление, подобное гидростатическому, которое имеет максимальное значение на оси перемычки:

рм= 1,02-10-Б/2/л г2,

где рм — давление, г/см2; / — сила тока, А; г — радиус перемычки, см.

Так как сечение перемычки в середине меньше, чем у основания, возникает осевая составляющая электро­магнитных сил, которая стремится разорвать перемычку:

где D„ и da — диаметры основания и середины пере-

Стягивание перемычки под действием электромагнит­ных сил увеличивает плотность тока и интенсивность ее нагрева.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ Подпись: В)
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

В результате взаимодействия тока в перемычке с ма­гнитным полем сварочного контура возникают электро­магнитные силььЕд -(рис. 3.5, б), которые стремятся вытол­кнуть перемычку за пределы контура и вызывают ее перемещение в зазоре между торцами. Эти силы про-

Рис. 3.5. Схема сил. действующих на контакт-перемычку
при сварке оплавлением:

а — объемные снлы; 6 — сила, стремящаяся увеличить размер сва-
рочного контура; в — силы взаимодействия между перемычками

порциональны квадрату тока и зависят от коэффициента самоиндукции сварочной цепи.

Если между торцами одновременно существуют не­сколько перемычек, то возникают также электромагнит­ные силы FB, стремящиеся сблизить и объединить эти перемычки (рис. 3.5, в).

В результате совместного действия электромагнитных сил и интенсивного нагрева возникает большой перепад Давления и температуры внутри перемычки и на ее поверх­ности. При достаточно большой плотности тока металл в центре перемычки испаряется, и происходит ее взрыво­образное разрушение. Плотность тока при взрыве пере­мычек из низкоуглеродистой стали может достигать 3000 А/мма. При разрушении перемычек частицы жидкого металла выбрасываются из зазора между торцами со ско­ростями, превышающими 60 м/с. В результате проявления электромагнитных сил Ек зона взрыва смещена с оси пере-

мычки, и большая часть расплавленного металла выбра­сывается в сторону, противоположную сварочному контуру. Давление паров металла в момент взрыва перемычки может достигать сотен атмосфер, а их температура 6000—8000° С.

Вследствие индуктивности сварочной цепи скачкооб­разные изменения тока происходить не могут. Поэтому если между торцами одновременно существуют несколько контактов, то при взрыве одного из них ток перераспреде­ляется между остающимися контактами и это может уско­рить их разрушение. Если же при взрыве контакта сва­рочная цепь размыкается полностью, то энергия, запа­сенная в магнитном поле контура, способствует образо­ванию перенапряжения на деталях и возникновению крат­ковременного дугового разряда между их торцами. При ко­ротком разрядном промежутке и высокой температуре паров, которые имеют место при взрыве перемычек, возбуждение дуги возможно при напряжениях, незначи­тельно превышающих работу выхода электронов, равную у алюминия, молибдена и железа соответственно 5,35; 7,35 и 7,83 эВ. С ее уменьшением возбуждение дугового разряда облегчается.

Обычно напряжение холостого хода источника тока ниже напряжения дуги и ее мощность и длительность го­рения определяются энергией, запасенной в магнитном поле сварочной цепи. При повышенных напряжениях (для стали при напряжениях 13—15 В и выше) длитель­ность горения дуги значительно увеличивается, так как в отдельные периоды времени напряжение холостого хода источника может превышать напряжение дуги. Образова­ние очередного контакта между торцами вызывает шун­тирование дугового промежутка, и горение дуги прекра­щается. Поэтому образование дуги между торцами дета­лей может оказать существенное влияние на процесс оплавления лишь при условии, если наблюдается частое размыкание сварочной цепи. Вероятность полного размы­кания цепи возрастает при уменьшении длительности существования контактов. Малое время существования контактов характерно для оплавления алюминия и его сплавов. При оплавлении алюминиевых сплавов до 50% тепловыделения в приконтактной зоне может приходиться на долю дуговых разрядов. В обычных условиях оплавле­ния стали (при невысоком напряжении источника тока) роль дуговых разрядов незначительна. При увеличении

напряжения источника количество и интенсивность дуго­вых разрядов повышаются.

При увеличении индуктивности сварочного контура возрастает энергия, запасаемая в магнитном поле, а также вероятность одновременного разрушения контактов, по­этому возрастает роль дуговых разрядов. Образование дуговых разрядов при увеличении сечения свариваемых деталей сокращается, так как увеличивается количество

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

Рис. 3.6. Осциллограммы тока и вторичного напряжения при оплавле­нии стали (а) и молибдена (б) и осциллограммы тока при оплавлении тонкой стальной полосы на переменном (в) и постоянном (а) токе

одновременно существующих контактов и время их раз­рушения и уменьшается вероятность полного размыкания цепи. При сварке деталей больших сечений из алюминие­вых сплавов роль дуговых разрядов может быть также незн ач ительной.

Процесс образования и разрушения контактов-пере­мычек сопровождается характерными пульсациями тока и напряжения (рис. 3.6).

При разрушении контакта резко уменьшается сила тока и возникает характерный пик на осциллограмме напряже­ния. В секунду может возникать 500 и более пульсаций тока. В случае образования дуги на пиках напряжения имеются характерные перегибы (участок /, рис. 3.6, б),
и сила тока уменьшается менее резко. При оплавлении на переменном токе промышленной частоты ток и напря­жение вблизи нулевого значения (точка А, рис. 3.6, а) изменяются синусоидально. Пульсации тока и, следова­тельно, разрушения контактов происходят в средней

Подпись:е. наблюдается цикличность про­цесса, вызванная коле­баниями подводимой мощности.

Контакты, которые образуются при неболь­шом уменьшающемся мгновенном значении напряжения, сущест­вуют дольше и имеют больший размер, чем контакты, возникающие в средней части полу­волны. При оплавлении тонкостенных деталей образование больших контактов (рис. 3.6, в) может значительно ухудшить рельеф торцо­вой поверхности. При­менение источника по­стоянного тока исклю­чает цикличность про­цесса. Амплитуда и дли­тельность импульсов тока меньше (рис. 3.6, г), что сви­детельствует о меньшем размере перемычек.

При оплавлении деталей большой толщины образуются контакты большой площади (50—100 мм2 и более). Дли­тельность существования таких контактов может дости­гать нескольких полупериодов тока промышленной ча­стоты. Их разрушение происходит следующим образом. После разрушения поверхностной окисной пленки и фор­мирования токопроводящего участка развивается местное плавление контакта, в процессе которого только незначи­тельная часть металла соприкасающихся выступов выбра­сывается из зазора в результате взрыва отдельных объемов. Большая часть расплавленного металла под воздействием электромагнитных сил FK выдавливается в зазор и кри­сталлизуется на торцовой поверхности вблизи площадки
соприкосновения выступов. По мере выплавления контакта на торце появляется кратер.

Токопроводящий участок, расположенный на границе кратера, состоит из трех зон (рис. 3.7). В зоне 1 контакт осуществляется через слой жидкого металла, а в зоне 2, где произошло разрушение окисной пленки в результате ее перегрева,— через твердый металл. В зоне 3 контакт происходит через окисную пленку, температура и соот­ветственно проводимость которой больше, чем на соседних участках выступов.

Ширина токопроводящего участка сильно зависит от свойств поверхностных окисных пленок. При разрушении контактов из аустенитной стали, сплавов на основе алю­миния, титана, никеля токопроводящий участок имеет меньшую ширину, чем при разрушении контактов из углеродистых сталей, так как электропроводность окисных пленок на поверхности перечисленных сплавов при высо­ких температурах на несколько порядков ниже, чем окис­лов железа. По мере разрушения окисной пленки в зоне 3 токопроводящий участок и фронт плавления переме­щаются по площадке соприкосновения выступов, вызы­вая их постепенное выплавление. При небольшой скорости разрушения окисной пленки возможно прерывание мест­ного плавления и взрывообразное разрушение отдельных объемов расплавленного металла.

При уменьшении зазора между торцами менее 0,6— 0,7 мм развивается вторичное плавление металла, закри­сталлизовавшегося в зазоре в процессе местного плавле­ния контакта. Вторичное плавление происходит по схеме, аналогичной местному плавлению. Так как объем металла, который вытесняется в зазор, непрерывно пополняется, создаются условия для длительного вторичного плав­ления.

Движение металла, выплавляемого в процессе местного и вторичного плавления, имеет направленный характер. При одностороннем токоподводе к деталям фронт плавле­ния перемещается преимущественно по направлению из сварочного контура. Вторичное плавление обычно закан­чивается после того, как фронт плавления достигает края торцовой поверхности.

В целом процесс оплавления торцов деталей достаточно большого сечения представляет собой чередование перио­дов вторичного плавления и нагрева отдельных контактов. При сближении торцов происходит нагрев и разрушение

отдельных контактов до тех пор, пока зазор не уменьшится до некоторого критического значения, при котором раз­вивается процесс вторичного плавления. Роль вторичного плавления возрастает с увеличением толщины сваривае­мых деталей и скорости их сближения.

‘ Сопротивление сварочной цепи контактной машины соизмеримо с сопротивлением контакта между деталями. Поэтому при увеличении площади токопроводящего участка напряжение на контакте падает и уменьшается скорость местного плавления. При чрезмерном увеличе­нии проводимости контакта его разрушение становится невозможным, и происходит короткое замыкание свароч­ной цепи. Оплавление, которое переходит в короткое замыкание, считается неустойчивым.

Для того чтобы оплавление не прерывалось, мгновен­ная скорость сближения деталей должна соответствовать скорости их фактического укорочения в результате раз­рушения контактирующих выступов, т. е. мгновенной скорости оплавления Уолл-

Тепловая мощность, выделяемая на торцах при оплав­лении, равна

<7ОШ1 = 0,24ЯОПЛ/2. (3-3)

где 7?опл — эффективное сопротивление контактов-пере­мычек; I — эффективный сварочный ток.

Мощность расходуется на нагрев от 7 (средней тем­пературы торца в момент возникновения контакта) до температуры 7опл выбрасываемого j при оплавлении ме­талла (<7 опл) и ня теплопередачу в оплавляемые детали

(<7опл)г

^опл ^опл + я опл

= <пл^Х ИТо„л-7)-Ь™о| + 2ISdTldx, (3.4)

где S — сечение деталей, смг; 7 — температура торцов, в начале непрерывного оплавления — комнатная тем­пература; к концу его — близкая к температуре плавле­ния; при сварке с подогревом 7 Гпод; (Тпол — тем­пература подогрева); Топл — средняя температура выбра­сываемого при оплавлении металла (для стали ГоПЛ «=* «=» 2000° С); dT/dx — градиент температуры у торца (для стали dTIdx «=* 2000 ^-5000° С/см); с, у, І, т0 — удельная теплоемкость, плотность, коэффициент теплопроводности и скрытая теплота плавления свариваемого металла.

После преобразований:

0,24 /?опл/2 — 2XS dT/dx "опл = yS [с (Гопл — 7) + т0 •

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕСледовательно, мгновенная скорость оплавления растет с увеличением полезной МОЩНОСТИ (0,24/?опл/2), с умень­шением градиента температуры на торцах dT/dx и с повы­шением температуры торцов 7. В начале процесса, когда dT/dx очень велико и Ті <=а 0, оплавление идет очень медленно. По мере подогрева торцов vonn растет. Для поддержания непрерывного процесса при неизменной мощности скорость сближения деталей должна соответ­ствовать По,,л — Подогрев деталей до 7 = Тпод увеличивает возможную скорость их сближения при данной мощности.

Устойчивое оплавление возможно только при саморегу­лировании процесса, когда связь между скоростями оплавления и сближения деталей нежесткая. При само­регулировании увеличению проводимости контакта со­ответствует возрастание полезной мощности, развиваемой сварочной машиной, и наоборот. Увеличение мощности ускоряет нагрев и разрушение контакта, предотвращая тем самым короткое замыкание цепи. В условиях саморе­гулирования процесса увеличение скорости сближения деталей сопровождается увеличением мгновенной скорости оплавления.

Учитывая, что увеличению проводимости контакта соответствует увеличение сварочного тока, условие само­регулирования формулируют так: устойчивое оплавление возможно, если приращения сварочного тока и полезной мощности имеют одинаковый знак.

Зависимость полезной мощности от тока при сину­соидальной форме тока имеет вид

Подпись: /Подпись: 2 хх р=іУ~и-

где Uxx — напряжение холостого хода сварочного транс­форматора; I — сварочный ток; X, R — реактивное и активное сопротивления-короткого замыкания сварочного контура, включая сопротивления деталей без сварочного контакта.

Эта зависимость носит экстремальный характер J 2 (рис. 3.8, а). Максимальная мощность в контакте выде — h ~ ляется, когда сопротивление контакта равно сопротивле­нию короткого замыкания сварочного контура. Нели мгно-

венной скорости оплавления соответствует мощность P0t то возможны два режима оплавления. Режим, соответ­ствующий точке 1, можно считать устойчивым, так как при увеличении тока повышается мощность в контакте. Режим оплавления в точке 2 — неустойчивый. Небольшое отклонение тока приведет либо к короткому замыканию, либо к переходу на режим оплавления, соответствующий точке 1. При увеличении производной dPIdl вблизи рабо-

Подпись: Рис. 3.8. Зависимость полезной мощности машины от тока нагрузки

следовательно, повышается устойчивость оплавления. Расстояние между точками 1 и 2 характеризует допусти­мый диапазон колебаний тока при оплавлении. С его увеличением устойчивость оплавления также повышается.

Наибольшие колебания тока имеют место в начальной стадии процесса, когда торцы холодные и время существо­вания контактов максимальное. В начале процесса ток может изменяться в 3—5 раз. Для возбуждения оплавле­ния необходимо иметь определенный запас устойчивости, который характеризуют отношением тока короткого за­мыкания к среднему сварочному току: /кз//опл. Возбужде­ние устойчивого оплавления тонкостенных изделий воз­можно при условии /кз//опл 2,5н-3. Для компактных изделий необходимо, чтобы /кз//опл 5= 5. При повышении температуры торцов ускоряется разрушение контактов, и процесс оплавления протекает более устойчиво. Поэтому возбуждение оплавления облегчается при использовании

предварительного подогрева деталей. Возбуждение про­цесса облегчается также, если применить скос торцов деталей. Тогда в начале процесса оплавляется лишь часть поперечного сечения, и запас устойчивости увеличивается.

Устойчивость оплавления возрастает при снижении сопротивления короткого замыкания машины ZK3 (рис. 3.8, б), так как при этом увеличивается dP’dl и расши­ряется область допустимых колебаний тока. При уве­личении напряжения холостого хода Uxx устойчивость оплавления также повышается (рис. 3.8, в). Однако при увеличении напряжения уменьшается нагрев деталей. Кроме того, при чрезмерном повышении Uxx возможны перерывы в протекании тока, появление которых в ко­нечной стадии оплавления резко ухудцает свойства свар­ных соединений. Поэтому оплавление обычно осуще­ствляют при возможно более низких значениях Uxx и иногда повышают напряжение лишь на стадии воз­буждения процесса.

На устойчивость оплавления существенно влияет ха­рактер сопротивления короткого замыкания свароч­ной машины. При одинаковых значениях Uxx и ZK3, но при разных cos фкз зависимости Р = f (/) различны (рис. 3.8, г). Изменение активного сопротивления сильнее влияет на устойчивость оплавления, чем изменение ин­дуктивного сопротивления. Это подтверждает следующий эксперимент. На машине с малым внутренним сопротив­лением (ZK3 < 40 мкОм) включали дополнительные ак­тивные и реактивные сопротивления и определяли ми­нимальные напряжения Uxx, при которых оплавление стальных пластин сечением 100×10 мм2 протекало устой­чиво при плотности тока 3—4 А/мм2. Увеличение актив­ной составляющей сопротивления потребовало значительно большего повышения напряжения (рис. 3.9, а кривая 1), чем увеличение индуктивной составляющей (кривая 2).

Уменьшение сопротивления короткого замыкания ма­шины позволяет значительно повысить устойчивость про­цесса и оплавлять детали большого сечения при достаточно низких напряжениях Uxx. Так, при сварке на машине с ZK3 = 53 мкОм при увеличении сечения деталей с 2000 до 6000 мм2 необходимо повысить напряжение на 1,5 В (рис. 3.9, б). При сварке же на машине с ZK3 = 240 мкОм потребуется увеличить Uxx на 5 В.

Таким образом, для обеспечения устойчивого оплав­ления необходимо применять машины с низким сопротив-

лением короткого замыкания и в особенности его активной составляющей.

При разрушении контактов-перемычек на торцовой по­верхности деталей образуются кратеры, покрытые рас­плавленным металлом. Размер кратеров определяется в основном размером перемычек. Глубина кратеров может составлять от 0,1—0,2 мм при сварке тонкостенных де­талей до нескольких миллиметров при сварке деталей

Подпись: , Рис. 3.9. Зависимость минимального напряже ния холостого хода от сопротивления короткого замыкания (а) и сечения оплавляемых деталей (низкоуглеродистая сталь) при различных значении ZK. з (б)

а) — б)

большого сечения. Все факторы, увеличивающие размер перемычек, ухудшают макрорельеф оплавленной поверх­ности. Глубина кратеров, образующихся в процессе мест­ного плавления контактов, определяется шириной токо­проводящих участков. С увеличением сопротивления короткого замыкания машины средняя глубина кратеров растет. Причем, влияние активного сопротивления про­является заметнее, чем индуктивного.

Зависимость глубины кратеров от напряжения источ­ника тока носит экстремальный характер. Сначала при увеличении напряжения макрорельеф улучшается из-за уменьшения размера перемычек, а при дальнейшем повы­шении напряжения наблюдается ухудшение рельефа, связанное с увеличением интенсивности взрыва пере­мычек. С увеличением сечения свариваемых деталей раз­меры кратеров — обычно возрастают. На тонкостенных де-

талях максимальный диаметр кратеров не превышает их толщины, а на деталях большого компактного сечения размеры кратеров в основном определяются параметрами процесса. Развитие процесса вторичного плавления при сварке компактных сечений способствует выравниванию торцовой поверхности. Образование слоя расплавленного металла на торцах к концу процесса также способствует выравниванию поверхности.

Большое влияние на качество сварных соединений оказывают пары металла, образующиеся при взрыве перемычек. Энергичное окисление паров и капель металла снижает окислительную способность газовой среды в за­зоре между торцами деталей. Причем, чем интенсивнее оплавление и чем больше образуется паров и газов при взрыве перемычек, тем лучше самозащита торцов от окисления. Снижению окисления может способствовать также испарение металла, интенсивность которого воз­растает с повышением температуры торцовых поверхно­стей. Однако образование большого количества паров металла при взрыве перемычек не исключает возможности окисления оплавленной поверхности на участках, где самозащита неэффективна. В результате окисления такие участки торцов покрыты окисными пленками.

В зависимости от химического состава металла и от температуры поверхности окислы могут находиться либо в жидком, либо в твердом состоянии. Толщина окисных пленок и характер их распределения по оплавленной поверхности определяются природой свариваемого ме­талла, составом окружающей газовой среды и характером процесса оплавления (интенсивностью, равномерностью и др.). В зависимости от природы свариваемого металла при оплавлении возможно также растворение кислорода и других элементов, содержащихся в окружающей газо­вой среде, в жидком и твердом металле торцов, что может ухудшить свойства сварного соединения.

В результате разрушения контактов-перемычек тор­цовая поверхность деталей многократно обновляется. Решающее влияние на качество сварных соединений ока­зывает локальная интенсивность процесса, которая харак­теризуется частотой образования и разрушения контактов в отдельных точках торцовой поверхности. С увеличением локальной интенсивности металл на торцах деталей чаще обновляется, повышается эффективность самозащиты па­рами металла от окисления и уменьшается доля поверх-

ности, которая при оплавлении находится в закристалли­зованном состоянии. Высокая локальная интенсивность особенно необходима в конечной стадии оплавления не­посредственно перед осадкой.

Подпись: Количестве полу пери одов перерывов тока за 0,05с • до осадки Рис. 3.10. Влияние локальной интенсивности процесса оплав-ления перед осадкой на мини-мальный угол изгиба и ко-личество К (в%) образцов дефектами в изломе (труба 32X4 мм, низкоуглеродистая сталь) Подпись: 0^,2 в Є 8 vo/w, "м/с Рис. 3.11. Зависимость среднего значения локального периода оплавления от скорости сближения и толщины деталей из стали ВНС2 и сплава От4

На рис. 3.10 приведены результаты опытов, которые наглядно подтверждают влияние локальной интенсив­ности оплавления на свойства соединений. При оплавлении труб диаметром 32X4 мм на различных участках торцов

определили время, прошедшее между последним разруше­нием контактов и моментом соприкосновения торцов при осадке. Все образцы, вырезанные из участков трубы, на которых это время превышало три полупериода тока (0,03 с), имели дефекты.

Процесс образования контактов-перемычек — случай­ный процесс, и оплавление деталей подчиняется опреде­ленным статистическим закономерностям.

Последовательность обновлений металла в любой точке торцовой поверхности в результате взрыва перемычек можно рассматривать как поток событий, происходящих друг за другом в случайные моменты времени, разделен­ные интервалом ta — локальным периодом оплавления. Например, при оплавлении тонкостенных деталей локаль-

ный период оплавления имеет нормальный закон рас­пределения вероятностей и его среднее значение tQ опре­деляется в основном толщиной деталей и скоростью их сближения (рис. 3.11).

Состояние торцовых поверхностей в произвольный момент оплавления определяется временем, прошедшим с момента последнего обновления металла в различных ее точках, т. е. возрастом поверхности h. Его распреде­ление f (h) определяется распределением локального пе­риода оплавления. При оплавлении тонкостенных дета­лей максимальный возраст поверхности в произволь­ный момент оплавления с вероятностью, близкой к еди­нице, не превосходит 2tQ. Если известно время кристалли­зации расплавленного слоя и время образования окисной пленки, то по распределению f (h) можно оценить среднюю долю поверхности, которая при оплавлении находится в закристаллизованном состоянии и успевает окисляться.

Распределение интервала времени до очередного обнов­ления поверхности аналогично распределению возраста поверхности. В связи с этим распределение f (h) можно определить также из анализа зазора между торцами при оплавлении. Максимальный возраст поверхности

М ^3. м/^ОПЛ >

где А3 м — максимальный зазор между торцами; оопл — скорость их сближения.

Зазор между торцами определяется макрорельефом торцовых поверхностей. Таким образом, при улучшении рельефа поверхности и увеличении скорости сближения деталей возраст поверхности уменьшается, что улучшает подготовку торцов к сварке.

Температура торцовой поверхности деталей в начале оплавления очень неравномерна (рис. 3.12). По мере оплавления происходит выравнивание температуры. Сред­няя температура торцов растет и на них постепенно обра­зуется слой расплавленного металла. Торцовая поверх­ность будет покрыта сплошным слоем расплавленного металла при соблюдении условия: /кр > hM, где t — время кристаллизации расплавленного слоя:

Подпись:і ___ ®pY [(Тр ^пл) С -f-

КР kdfjdx

где 6р — минимальная толщина расплавленного слоя; dT/dx — градиент температуры у торца (вдоль оси сва-

риваемой детали); Тр — средняя температура расплав­ленного слоя; Тпл — температура плавления металла.

Числитель в уравнении (3.5) — количество теплоты, на которое уменьшается теплосодержание расплавлен­ного слоя единичной площади при охлаждении и кристал­лизации, а знаменатель — теплота, отводимая от торца в единицу времени за счет теплопередачи.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ • ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

Формирование расплавленного слоя облегчается с уве­личением скорости сближения деталей и при уменьшении градиента температуры на торце, а также сильно зависит от теплофизических свойств свариваемого металла. Тол­щина расплавленного слоя при оплавлении деталей не­большого сечения из сталей составляет 0,1—0,3 мм, а время его кристаллизации 0,02—0,10 с.