12 Околошовная зона при стыковой сварке

При стыковой сварке околошовная зона имеет большие размеры вследствие большой длительности нагрева. Свойства металла этой зоны изменяются также в результате термомеханического цикла и зависят от состава металла и предшествующей термической обработки.

В околошовной зоне наблюдаются различные структурные изменения. В зоне, непосредственно прилегающей к стыку, расположены укрупненные зерна, затем следует зона нормализации и частичной перекристаллизации. Около стыка при сварке легированных сталей возможно образование рыхлот, которые располагаются в зоне частичного расплавления более легкоплавких составляющих.

На рис. 20 показано распределение твердости в околошовной зоне, отражающее структурные изменения в этом месте. При сварке закаливающихся сталей в отожженном состоянии (например, стали 45) в околошовной зоне, нагреваемой при сварке выше температуры начала перекристаллизации А с₁, повышается твердость и снижается пластичность в результате закалки (рис. 20, а).

Рис. 20. Распределение температуры и твердости в околошовной зоне

при стыковой сварке:

а - отожженной закаливающейся стали; б - той же стали в закаленном и отпущенном состояниях; в - незакаливающейся холоднокатаной стали

При сварке стали в закаленном и отпущенном состоянии на участках околошовной зоны, нагреваемых выше температуры отпуска Т_отп, но ниже температуры перекристаллизации, наблюдается местное разупрочнение (рис. 20, б). В плоскости стыка при сварке углеродистых сталей происходит местное снижение твердости вследствие выгорания углерода.

При сварке стали, упрочненной наклепом, в зоне нагрева выше температуры разупрочнения снижается твердость (рис. 20, в). Аналогичное снижение твердости наблюдается и при сварке термически упрочненных алюминиевых сплавов. Местное выравнивание твердости может быть достигнуто последующей термической обработкой.

13 Термопластические деформации

ПРИ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ

При стыковой сварке сопротивлением термопластические деформации необходимы для создания электрического контакта между торцами свариваемых деталей _к и осадки в завершающей стадии _ос.

Деформация _к относительно невелика и создается при действии умеренного напряжения, обеспечивающего нагрев без расплавления металла. Это напряжение при осадке низкоуглеродистых сталей достигает 20-40 Мпа. Деформация во время осадки _ос более значительна, так как действующее усилие воспринимается уже нагретым металлом.

Пластическая деформация обеспечивает образование физического контакта, выравнивание рельефа и удаление оксидов из стыка. В зависимости от положения в стыке металл деформируется по разным схемам (рис. 21).

Рис. 21. Схема деформации стыка:

_х , _r и _ - эпюры осевых, радиальных и тангенциальных напряжений

В точке А он сжат со всех сторон, в точке Б находится в состоянии двустороннего сжатия и растяжения, в точке В - под действием двустороннего сжатия. Осевое и радиальное ( _х , _r ) напряжения снижаются по мере приближения к периферии, оставаясь отрицательными (сжимающими), а тангенциальное напряжение _ на определенном расстоянии от оси образца становится положительным (растягивающим). Это приводит к раскрытию стыка при осадке.

При стыковой сварке сопротивлением и оплавлением деформированный металл имеет различные очертания.

Несмотря на значительную степень деформации ( к_п > 4 ), при стыковой сварке сопротивлением не удается разрушить и удалить все оксиды, и площадь физического контакта в стыке не превышает 50 - 70 %. Дальнейшее увеличение коэффициента площади может привести к потере устойчивости деталей н снижению пластичности соединений, главным образом из-за искривления волокон металлопроката.

При стыковой сварке оплавлением деформация для создания электрического контакта _к мала. Она необходима только для создания первоначального контакта. В первой стадии осадки вначале выдавливается расплавленный металл, в затем осуществляется термопластическая деформация, размер которой определяется глубиной кратеров, возникающих при оплавлении. Значение _ос возрастает с увеличением глубины кратеров и обычно превышает ее. Величина осадки зависит от давления р_ос и скорости деформации v_ос. Для снижения давления осадки повышают v_ос или выполняют осадку под током (на 20 - 30 % _ос), что облегчает термопластическую деформацию.

Скорость осадки оказывает значительное влияние на формирование сварных соединений. При малой скорости увеличивается время закрытия зазора между деталями, место сварки быстрее охлаждается и это затрудняет разрушение и удаление оксидных пленок. Скорость осадки высокотеплопроводных металлов, склонных к окислению, должна быть особенно высокой.

Сварочный ток при осадке необходимо своевременно выключать. Его выключение до закрытия зазора недопустимо, так как приводит к образованию оксидов. Поэтому его выключают в течение первой половины осадки (на 20 - 30 % _ос). Задержка выключения приводит к перегреву металла вследствие значительного увеличения силы тока.

Выдавленные при осадке оксиды и металл (грат) удаляются при обработке стыка.