8 Нагрев деталей при стыковой сварке

При стыковой сварке общий нагрев деталей происходит теплотой, которая выделяется в них и в контактах при прохождении сварочного тока.

При сварке сопротивлением теплота, выделяющаяся в контакте между торцами свариваемых деталей, относительно невелика и по мере нагрева соединения быстро уменьшается. При сварке оплавлением, наоборот, в этом месте выделяется значительное количество теплоты и оно мало изменяется в процессе оплавления. При таких способах сварки теплоту, которая генерируется в контактах между электродами (губками) и деталью не учитывают, так как это место удалено от места сварки и количество теплоты небольшое вследствие высокого усилия, прилагаемого в зажимах.

Температуру нагрева каждого участка свариваемой детали можно рассчитать. Для расчета выбирают схему стержня неограниченной длины, нагреваемого, до температуры Т₁, равномерно распределенным по длине неизменяющимся током с линейно возрастающим сопротивлением. Второй источник теплоты - это приконтактная зона, мгновенно выделяющая теплоту, которая нагревает эту зону до температуры Т₂. В дальнейшем теплота распространяется вдоль свариваемых деталей. Общая температура нагрева Т в зоне, определяемой координатой х, в момент времени t_св

Т_{(х, t)} = Т_{1 (t)} +T_{2 (x, t)} .

При определении этих температур учитывают изменение теплофизических свойств свариваемых материалов. В расчетных формулах учтен неравномерный характер нагрева, выражаемый экспоненциальным законом. В формулы входят основные теплофизические характеристики металлов, для упрощения расчетов применяют номограммы и некоторые расчетные коэффициенты.

При сварке оплавлением нагрев в основном идет за счет теплоты q_опл, выделяемой на сопротивлении контакта, которое имеет значительную величину и существует в течение длительного времени

.

Теплота расходуется одновременно на нагрев выбрасываемого металла из зазора между торцами деталей и на теплопередачу в детали . Этот процесс можно связать с параметрами режима сварки формулой

,

где S - сечение деталей, см²; , с,  и m₀ - плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность и скрытая теплота плавления свариваемого металла; Т₁ - температура торцов при оплавлении (в начале оплавления комнатная, в конце близкая к температуре плавления; при сварке с подогревом в начале процесса оплавления Т₁ = Т_под); Т_пл - средняя температура выбрасываемого при оплавлении металла, для стали Т_опл = 2000 °С; dТ/dх - градиент температуры у торца, при сварке стали dТ/dх = 2000 - 5000 ⁰С/см.

9 Плавление и кристллизация металла

ПРИ ТОЧЕЧНОЙ, РЕЛЬЕФНОЙ И ШОВНОЙ СВАРКЕ

При точечной, рельефной и шовной сварке сварное соединение образуется из общей ванны жидкого металла в результате кристаллизации. Расплавление металла начинается с центральной зоны соединения и постоянно расширяется на периферию. Расплавленный металл удерживается от вытекания в зазор уплотняющим пояском, где сварка произошла в твердой фазе. На поверхности металла обычно присутствуют пленка оксидов и остатки загрязнений даже после тщательной зачистки. Все эти неметаллические вещества частично выдавливаются к периферии в начальной стадии нагрева, а часть их распределяется по всему объему литого ядра.

Расплавленный металл литого ядра под действием электромагнитных сил, возникающих от взаимодействия сварочного тока с его собственным электромагнитным полем, находится в движении и хорошо перемешивается. При этих способах сварки средний химический состав литого ядра не изменяется, так как весь объем его хорошо герметизирован и надежно изолирован от окружающей атмосферы.

После выключения сварочного тока начинается быстрое охлаждение и возникают первые центры кристаллизации на поверхности оплавленных зерен. Преимущественное развитие получают те зерна, ориентация которых наиболее благоприятна для отвода теплоты. Рост зерен идет в форме дендритов до взаимной встречи в центре ядра.

При сварке цветных металлов и сплавов на их основе кристаллизация вследствие большой теплопроводности идет с большей скоростью. Если эти материалы имеют небольшой температурный интервал кристаллизации, то образуются дендриты. При большом интервале кристаллизации в центре литого ядра появляется область неориентированных кристаллов. Этому также способствует ликвация во время охлаждения. По мере кристаллизации расплавленный металл обогащается легирующими примесями и его состав приближается к составу эвтектики, а оставшаяся масса металла начинает кристаллизоваться сразу из многих центров. Во время кристаллизации металл затвердевает как бы в «изложнице», которая образуется массой свариваемого металла. Несвободная усадка приводит к образованию рыхлот. Этот дефект устраняется проковкой, которая вызывает термопластическую деформацию еще нагретого металла.