§ 1. ТЕХНОЛОГИЯ СТЫКОВОЙ СВАРКИ

1. Общая схема технологического процесса

{Контактная стыковая сварка широко применяется: а) для получения из проката длинномерных изделий (труб­чатых змеевиков поверхностей нагрева котлов, железно­дорожных рельсов, арматуры железобетона, заготовок в условиях непрерывной прокатки и т. д.); б) для изгото­вления сложных деталей из простых заготовок (элемен­тов шасси летательных аппаратов, тяг, валов, кожухов карданных валов автомобилей и др.); в) для изготовления деталей замкнутой формы (ободьев автомобильных колес, колец жесткости реактивных двигателей, шпангоутов, звеньев цепей и др.); г) с целью экономии легированных сталей (например, рабочую часть инструмента изготовляют из быстрорежущей стали, а хвостовую — из углеродистой или низкоуглеродистой стали).

Способ стыковой сварки выбирают в зависимости от материала, величины и формы поперечного сечения сва­риваемых деталей, а также с учетом имеющегося оборудо- вания и требований к качеству соединений.

Наиболее широко применяют сварку непрерывным оп­лавлением и оплавлением с подогревом. Сваркой сопро­тивлением соединяют в основном детали небольшого сечения (не более 250 мм2).

Непрерывное оплавление обеспечивает наиболее рав — номерный нагрев деталей по сечению. При использовании стыковых машин с жестким программированием скорости подачи подвижного зажима непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм (из низкоуглеродистой стали) и детали несколько боль­шего сечения с развитым периметром (трубы, ЛИСТЫ и ДР Сварка непрерывном оплавлением деталей большого се_ чения невозможна из-за плохой саморегулируемости ПР° цесса оплавления, поэтому детали большего сечения св ривают на таких машинах оплавлением с подогревом.

Необходимость использования подогрева может опре­деляться и другими факторами — целесообразностью смягчения режима, уменьшения потерь металла на опла­вление, повышением производительности и др.

/ Область рационального применения сварки оплавле­нием с подогревом сопротивлением ограничивается се­чениями 5000—10 000 мм2.

При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению приводит к сни­жению стабильности каче­ства соединений. Кроме того резко возрастает не­обходимая мощность обо­рудования.

Детали с площадью се­чения более 10 000 мм2 сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управле­нием напряжением сва­рочного трансформатора и скоростью подачи подвиж­ного зажима.

Высокой эффективно­стью обладает способ сты­ковой сварки импульсным оплавлением, который по­зволяет сваривать сталь­ные заготовки сечением до

100 000 мм2 и получать качественные соединения из раз­личных трудносвариваемых металлов.

Детали, подлежащие стыковой сварке, должны быть Рационально сконструированы. Во-первых, форма дета­лей должна обеспечивать воможность надежного закрепле — Ия Их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи р ны сварки.! Во-вторых, необходимо создать условия для Р номерного нагрева и одинаковой пластической дефор — «ии обеих заготовок, форму и размеры сечения которых (ри-и стыка следует выполнять примерно одинаковыми 1чо/ b *)■ Различие в диаметрах не должно превышать 15 ^ а по толщине 10%.

ханц°ДГОТ°ВКа ТоРцов Деталей к сварке производится ме — ческой резкой на ножницах, пилах, металлорежущих

станках, а также при помощи плазменной и газовой резки с последующей очисткой торцов от шлака.

При сварке сопротивлением целесообразно использо­вать подготовку торцов труб и прутков на конус, ПО Сфере или на конус с притуплением. Такая подготовка улуч­шает равномерность нагрева деталей и способствует уда­лению окислов из стыка. Для облегчения возбуждения оплавления при сварке деталей большого сечения на тор­цах делают скос, уменьшающий торцовую площадь деталей.

С целью обеспечения надежного электрического кон­такта поверхность деталей, зажимаемую губками, под­вергают зачистке. При плохой зачистке деталей и губок возрастают потери мощности и снижается качество сое­динений. Кроме того, увеличивается износ губок и воз­можно образование пригаров в местах токоподводов. Для зачистки применяют наждачные круги, металлические щетки, галтовочные барабаны, а также травление.

Сварку выполняют на универсальных или специали­зированных стыковых машинах по определенному режиму. Режим сварки — комплекс основных контролируемых параметров процесса.

При сварке сопротивлением режим включает следую­щие параметры: ток /, продолжительность нагрева tCB, усилие осадки Foc, установочную длину деталей 2/0 (рис. 6.2). Вместо усилия осадки можно задавать ее да­вление Род.

При сварке сопротивлением выбор параметров начи­нают с определения оптимального соотношения между плотностью тока / и длительностью нагрева tCB. При этом можно использовать эмпирическую формулу:

где j — плотность тока, А/см2; tCB — время, с; k — ко­эффициент, равный 10 для стали диаметром до 10 мм, и 8 — диаметром более 10 мм; 20 для алюминия, 27 для меди.

На практике рекомендуются определенные соотноше­ния между максимальным током и минимальной продол­жительностью нагрева (табл. 6.1). С уменьшением се­чения применяют более жесткие режимы, характеризуе­мые большей плотностью тока и меньшей продолжитель — носйью нагрева. „

Например, при сварке проволок из низкоуглеродисі3 стали диаметром 0,3—3 мм плотность тока может ДОСт

Conn 6’2′ Схема изменения параметров процесса при сварке фотивлением (а), непрерывным оплавлением (б) и оплав­лением с подогревом (в):

перемещение подвижного зажима; Г — усилие сжатия дета — лей; / — сварочный ток

гать 700—250 А/мм2, а из меди диаметром 0,4—2 мм______

3500—1000 А/мм2. При чрезмерной плотности тока возмо­жен выплеск. Уменьшение длительности tCB увеличивает неравномерность нагрева деталей по сечению, а увеличе­ние — усиливает окислительные процессы на торцах.

Усилие осадки влияет на тепловыделение в контакте и пластическую деформацию деталей. Для низкоуглероди­стой стали рекомендуется давление осадки 1—3 кгс/мм2, а для цветных металлов 0,3—1,5 кгс/мм2. Уменьшение давления облегчает нагрев металла, поэтому нагрев ве­дут при небольшом давлении, а при осадке его резко уве­личивают. Давление осадки при сварке легированных сталей может достигать 10—15 кгс/мм2. Чрезмерное уменьшение давления при нагреве может привести к об­разованию выплеска, пори­стости в околостыковой зоне и усилению окисления торцов.

При выборе установоч­ной длины деталей 2/„ учи­тывают два фактора: устой­чивость деталей при осадке и теплоотвод в губки. При чрезмерной установочной длине возможно искривление нагретых деталей при осадке, кроме того, возрастает потребляемая мощность. При ма­лой установочной длине наблюдается интенсивное охла­ждение деталей за счет теплоотвода в губки. Вылет /о деталей диаметром d составляет (0,6—1,0 )d. Минималь­ную установочную длину 2/„ при сварке сопротивлением компактных деталей выбирают в зависимости от сечения деталей S:

5, мм2 25 50 100 250

2/0, мм 3-f3 4+4 5 + 5 6+6

Иногда между губками встраивают изолированны^ вставки, уменьшающие установочную длину деталей. Они обеспечивают устойчивость деталей при осадке и локали­зуют деформацию в зоне стыка.

С целью уменьшения окисления при нагреве и получе’ ния качественных соединений при небольшой деформанИ1
деталей стыковую сварку сопротивлением иногда выпол­няют в защитной газовой атмосфере или в вакууме.

Режим сварки оплавлением опррпрляетгя глрпурцп^ параметрами: припуском на оплавление (суммарное укорочение деталей при оплавлении), скоростью оплавле — ТОКОМ оплавления ГП|| величиной Ущяттк-и

убТОГЯемТ^. или давлением рос осадки, установочной лли — }ЮЙ^ДЄталеіГ2^. При сварке с подогревом задают темпе — раТур у-ибяогрега^юд, ток подогрева /Под, длительность

подогрева /под, количество импульсов подогрева и их длительность /ИМ[[, припуск на подогрев Дпод, усилие за­жатия деталей в губках машины Ёзаж. Иногда задают напряжение холостого хода Uxx или его программу.

На рис. 6.2, б, в приведены диаграммы изменения тока, Усилия и перемещения подвижного зажима при сварке непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.

Основные параметры режима сварки выбирают на осно­вании^ анализа формирования соединений, изложенного

Припуск Допл выбирают из условий получения равно­мерного нагрева по сечению, оптимального распределения емпературы в деталях и слоя расплавленного металла а их торцах при оплавлении с определенным законом О о’ен™ия скорости п0ПЛ. Обычно Допл составляет 0,7— ■ общего припуска на сварку (рис. 6.3). При сварке 3 раз°ГРевом припуск на оплавление сокращается в 2—

ченнК°Р0СТЬ оплавления оопл выбирают из условий полу — ЛЯХ я определенного распределения температуры в дета — 11 высокой интенсивности оплавления перёд осадкой.

Кроме того, скорость сближения деталей должна обеспе­чивать устойчивое возбуждение и протекание процесса при заданной мощности машины.

J При сварке стальных деталей небольшого сечения скорость оплавления плавно возрастает от начального значения vH =0,1 -=-0,5 мм/с до значения перед осадкой vK = 6 ч-8 мм/с. При сварке высокотеплопроводных ме­таллов скорость оплавления значительно увеличивают, так как поток теплоты в детали очень велик и затрудняется разогрев приторцовой зоны. Для увеличения глубины прогрева при сварке деталей большого сечения их опла­вляют при небольшой скорости, но в конце процесса ее резко увеличивают. Кратковременное повышение ско­рости перед осадкой создает высокую локальную интен­сивность процесса и в то же время практически не умень­шает глубины прогрева деталей.

Ток оплавления /опл зависит от поперечного сечения свариваемых деталей и плотности тока /опл, необходимой для их оплавления. Величина /опл определяется следую­щими основными факторами: теплофизическими свой­ствами металла, скоростью сближения деталей при опла­влении, величиной и формой их поперечного сечения, теп­ловым состоянием торцов. В связи с этим /опл может изменяться при оплавлении в достаточно широких пре­делах. В начале оплавления при холодных торцах плот­ность тока наибольшая. По мере прогрева торцов плот­ность тока уменьшается; однако увеличение скорости оплавления к концу процесса вызывает повышение плот­ности тока.

Таблица 6.2

Ориентировочные плотности тока оплавления /опл и осадки /ос

/опл»

А/мм*

/оо

А/мм1

Металл

макси-

среднее

мальное

Сталь:

4Q-—60

низкоуглеродистая……………………..

5—15

20—30

высоколегированная…………………..

10—20

25—*85

Сплавы:

алюминиевые …………………………….

15-25

40—60

70—150

100—200

20—40

медные………………………………………

20—30

50—80

титановые…………………………………..

4—10

15—25

При увеличении сечения свариваемых деталей плот­ность тока уменьшается, что связано со снижением ско­рости сближения деталей и увеличением глубины их прогрева. При сварке деталей большого сечения из сталей средняя плотность тока обычно не превышает 5 А/мм2.

В табл. 6.2 приведены ориентировочные значения плот­ности тока при оплавлении и осадке деталей сечением роо—1000 мм2.

т величину напряжения холостого хода t/xx выбирают минимальной при заданном сопротивлении сварочного контура, обеспечивающей устойчивое оплавление деталей. Оплавление устойчиво, если мощность, выделяемая в кон­такте деталей Рк в 3—5 раз меньше максимальной возмож­ной мощности, которая определяется значениями t/xx, ZK з и cos (рк_ з машины (с учетом вылетов деталей):

„/2 D _ ______________________ их. х__________

ШоилКопп 2ZK. з (1 + COS <рк. з) *

где п = (3 -=-5) — коэффициент, характеризующий запас устойчивости.

Величину припуска на осадку Дос выбирают из усло­вий удаления перегретого металла и окислов из стыка. Припуск на осадку иод током Лос, т составляет (0,5 — ь — v-1,0) Лос. При сварке тонкостенных деталей время осадки под током во избежание перегрева не должно превышать’ 0,01—0,06 с. Давление осадки рос выбирают в зависимо­сти от природы свариваемого металла и степени нагрева деталей (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Ориентировочные давления осадки при сварке оплавлением ■

Скорость осадки выбирают с учетом ее влияния на уда — ление окислов ч перегретого металла из стыка при форми­ровании соединений. Минимальное среднее ее значение при закрытии зазора в процессе осадки должно составлять 20—30 мм/с для чугуна, 50—60 мм/с для высокоуглеро­дистой стали, 60—80 мм/с для низкоуглеродистой стали, 80—100 мм/с для сложнолегированных сталей и 200 мм/с для алюминиевых сплавов.

При сварке оплавлением с подогревом температуру подогрева Тпод выбирают в зависимости от величины се­чения свариваемых деталей и их материала. При сварке конструкционных сталей температура подогрева обычно составляет 800—1000° С и возрастает до 1000—1200° С при сварке деталей сечением 10 000—20 000 мм2. Темпе­ратура подогрева деталей из труднодеформируемых аусте­нитных сталей на 100—150° С выше. Время подогрева воз­растает с увеличением площади сечения деталей от нескольких секунд при сварке деталей сечением 500— 1000 мм2 до нескольких минут при сварке деталей сече­нием 15 000—20 000 мм2. Длительность импульсов подо­грева /имп обычно составляет 2,0—8,0 с, а припуск на подогрев Дпод изменяется в пределах 1,0—12,0 мм в за­висимости от величины сечения деталей и свойств свари­ваемого металла.

Установочная длина деталей

2/„ = Д0пл +А>с + Лк,

где Дк — конечное расстояние между зажимами.

С увеличением установочной длины возрастает сопро­тивление сварочного контура и потребляемая мощность, что уменьшает запас устойчивости оплавления. Кроме того, уменьшается жесткость деталей, что может вызвать их искривление при осадке. При малой установочной длине много теплоты отводится в губки, и зона интенсив­ного нагрева сужается. Это затрудняет пластическую де­формацию и требует значительного увеличения давления осадки. При сварке круглых стержней и толстостенных труб /„ = (0,7 — г-1,0) d, где d — диаметр стержня или трубы. При сварке полос установочная длина растет с уве­личением их толщины 6 и не превышает (4 -=-5) 6.

Усилие зажатия деталей F3ZX выбирают из условия предупреждения проскальзывания деталей в губках при осадке : Кзаж 5* к0Рж. Коэффициент k0 обычно колеблется от 1,5 (сварка круглых деталей из мягких сталей) до 4

(сварка широких холоднокатаных листов из аустенитных сталей). Выбор режимов стыковой сварки различных по­добных деталей облегчается при использовании теории подобия, согласно которой подобие температурных полей и деформаций при геометрическом подобии соединений определяется четырьмя критериями:

где I — линейный размер (диаметр стержня при стыковой сварке); U — напряжение на свариваемых деталях; F и р — соответственно усилие сжатия свариваемых дета­лей и давление сжатия; ст — предел текучести металла. Теплофизические характеристики металла р, с, у, к и а принимают постоянными, не зависящими от температуры.

Из приведенных критериев подобия вытекают следую­щие зависимости параметров режима сварки от линейного размера детали I:

1) длительность сварки пропорциональна второй сте­пени линейного размера, т. е. tCB = 12 (из критерия /7Х);

2) скорость оплавления оопл = 1/1 (из критерия /72);

3) напряжение U не зависит от размера I (из крите­рия /7 3);

4) сварочный ток 1 = 1, так как U = IR, a R = Ш

5) из соотношения / = ///2 следует, что плотность тока / = 1/1;

6) усилие сжатия F = I2 (из критерия /74).

После сварки удаляют грат и усиление шва, при необ­ходимости соединение правят. Грат и усиление шва уда­ляют механическим путем на металлорежущих станках, в специальных гратоснимателях, резцовыми головками, Дорнами и другими способами. При сварке профилей и полос грат можно срезать губками при осадке.

В зависимости от природы свариваемого металла и пред­шествующей термомеханической обработки после сварки назначают тот или иной вид термообработки. Термообра­ботку можно проводить непосредственно в губках СТЫКО­ВОЙ машины путем дополнительного нагрева током после садки. Дополнительный подогрев током после осадки сталей из сталей, склонных к закалке, уменьшает ско — трещ °ХЛаждения металла и вероятность образования

^ Качество соединений обычно контролируют внешним

отРом и обмером, механическими испытаниями, метал-

лографическими исследованиями и неразрушающими ме­тодами контроля. При стыковой сварке контролируют также основные параметры процесса сварки Вопросы контроля рассмотрены в гл. 10.