Стикове зварювання оплавленням

Основна технологічна роль оплавлення заклечається в нагріванні деталей до появи на торцях шару розплавленого металу, а також відповідного розподілу температур в околошовній зоні для проведення послідуючої осадки з ціллю видалення розплаву і оксидів.Це досягається оплавленням (при зварюванні безперервним оплавленням) або разом з попереднім підігрівом (при зварюванні оплавленням з попереднім підігріванням).

Механізм нагрівання при оплавленні зазвичай представляють слідуюючим чином. При зближенні деталей при ввімкненій напрузі і малому тиску між твердими або рідкими локальними частинами поверхні торців утворюються електричні контакти. нагрівання контактів (по ним протікає струм) викликає їх швидке плавлення і утворення перемичок із рідкого металу(рис 7.7). перемички швидко руйнуються. Час иснування перемички зазвичай не перевищує 0,001 – 0,005 с.

Рис9.7 схеми розподілення перемичок розплавленого металу при оплавленні:

а – діючі на перемичку сили σ і Fс; б – зміщення перемичок під дією сил Fв і Fк; в – послідовність утворення перемичок на торці.

При достатньо великій густині струму (наприклад 3000 А/мм², при оплавленні низьковуглецевої сталі) метал в центрі перемички переходить в парообразний стан і викликає її вибухоподібне руйнування від сил Fп. Тиск парів в момент вибуху досягає 10-20 МПа, а температура 6000-8000ºС. розплавлений метал викидається із зазору в вигляді іскор (зі швидкостями більш ніж 60 м/с), що веде до укорочення деталей.

Перемички, стадії їх формування до моменту руйнування служать джерелами нагрівання (за рахунок теплопровідності) металу околошовної зони.

Рівняння теплового балансу

q=q1+q2+q3

де q1 – теплота яка витрачається на нагрівання і вибризкування етала в зоні припуску.

q1=К·Vопл·c·γ·(Топл – Т1)

Топл > Т1, К=0,7 – це коефіцієнт, який враховує вибризкування метала.

Т1 =

q2 – це теплота, яка витрачається на нагрівання стержнів

q2=

де λ – коефіцієнт температуропровідності

- градієнт температур в зоні близької до зварювання

Vопл – швидкість оплавлення

F – площа поперечного перерізу

С – теплоємність

γ – щільність

Т1 – температура початку плавлення

q3 – скрита теплота плавлення:

q3 = Vопл·F·γ·m0

m0 – коефіцієнт скритої теплоти плавлення

Знаючи складові теплового балансу можна визначити швидкість оплавлення

Де - контактний опір оплавлення, Ізв – зварювальний струм, к – враховує неповнофазність змінного струму, к = 0,75 – 0,8

Стійкість оплавлення

На стійкість процесу оплавлення впливають: ефект саморегулювання, запас електричної потужності машин, попередній підігрів деталей перед оплавленням, геометрія з’єднань, локальна інтенсивність процесу, рід струму (змінний або постійний) і інші фактори.

Саморегулювання – Основна умова стійкого оплавлення. Зазвичай при стиковому зварюванні rдд ≥ Z2к область Б). При цьому за цикл зварювання rдд безперервно знижується. Для підтримання стійкого оплавлення, попередження короткого замикання, а також довільного закінчення оплавлення падіння rдд повинно бути компенсоване швидким наростанням І2 і підвищенням Рее, що обмежує ріст перемичок і полегшує їх руйнування.таки чином, стійке оплавлення можливе, якщо приріст зварювального струму і корисної потужності при зниженні опору rдд мають однаковий знак.

Залежність корисної потужності машини від зварювального струму (при синусоїдальному струмі) мають вигляд

.

Ця залежність носить екстремальний характер(рис 7.8).Максимальне значення Рее відповідає rдд = Z2к. якщо задана миттєва швидкість оплавлення відповідає Рее0, то можливі два варіанти режиму : стійкий 1 і нестійкий 2. при режимі 2 (область А) найменше зниження опору rдд приводить до короткого замикання і зупинці оплавлення. Поблизу точки 1 при зниженні rдд за рахунок збільшення Ізв і Рее проходить активне руйнування перемичок, і збільшення Vопл, і буде зберігатися стійкість оплавлення. Відстань між точками 1 та 2 характеризує допустимий діапазон коливань струму,

Рис 9.8 Залежність корисної потужності машини від зварювального струму

що забезпечує стійке оплавлення. Можна сказати що область саморегулювання 1-2 буде розширюватися при зниженні Z2к, збільшенні U20 (однак в останньому випадку знижується ηопл ) і звужуватися при збільшенні активної компоненти r2К.

Для збудження процесу і стійкого оплавлення необхідний 3-5 кратний запас стійкості, котрий представляє собою відношення струму короткого замикання до середнього значення струму при оплавленні: Ік.з/ Ізв. Більше відношення застосовують при зварюванні великих компактних перерізів. Стійкість оплавлення суттєво збільшується, якщо перед зварювання деталі підігрівають. В цьому випадку знижується необхідна для початкового збудження оплавлення електрична потужність.

Інтенсифікація нагрівання металу при оплавленні. При зварюванні середніх перерізів в більшості випадків ведуть зварювання безперервним оплавленням (до 5 000 мм²) або оплавленням з попереднім підігріванням (до 10 000 мм² ).

Попередній підігрів полегшує збудження оплавлення, однак при великих перерізах (як і при зварюванні опором) не забезпечується рівномірне нагрівання торців, а також потребує високої електричної потужності.

Тому для зварювання великих перерізів (більше 10 000 мм²) використовують спеціальні способи інтенсифікації нагрівання: програмне регулювання напруження і імпульсне оплавлення.

При програмному регулюванні для збудження оплавлення напругу U20 спочатку збільшують ( протягом 0,1t). Керувати напругою зручно шляхом фазового регулювання джерела струму.

При програмному регулюванні напруження і швидкості в 3 – 5 раз знижується споживана потужність і в 1,5 -2 рази час зварювання.

При імпульсному оплавленні на основне поступове переміщення, котре здійснює рухома плита зварювальної машини, накладається допоміжна вібрація ( з частотою fк = 3…45 Гц і амплітудою Ак=0,1…0,8 мм) Це викликає періодичну зміну зазору між деталями (рис 7.9).

Рис 9.9 імпульсне оплавлення:

а – стадія зменшення зазору (1 – рідка перемичка, 2 – контакт що деформується) б – стадія збільшення зазору ( 3 – механічне руйнування контакту) в – осцилограма зварювального струму Ізв і переміщення Sп рухомої плити. Стрілками показано рух - - - - - поступальне і  коливальне.