11 Процесс оплавления при стыковой сварке

При сварке оплавлением детали, закрепленные в зажимах, при включенном напряжении сближаются до соприкосновения. Торцовые поверхности начинают соприкасаться в отдельных точках, образуя перемычки, через которые проходит ток большой плотности. Перемычки нагреваются, расплавляются и взрывообазно разрушаются с выбросом паров и окисленных частиц металла. Во время оплавления торцы деталей постепенно оплавляются, выравниваются и прогреваются на необходимую глубину. Процесс заканчивается осадкой, при которой выдавливается расплавленный металл, покрывающий торцы, и развивается пластическая деформация в зоне соединения.

Оплавление должно быть непрерывным, для чего скорость подачи детали v_опл должна быть согласована со скоростью расплавления перемычек. Если скорость расплавления недостаточная, то площадь контакта быстро увеличивается и наступает короткое замыкание сварочной цепи.

Длительность существования контактных перемычек между торцами, их число, площадь, характер разрушения зависят от многих причин (материала, размеров сечения, параметров электрической цепи сварочной машины и др.). Вначале в контакт вступают поверхности твердого металла. По мере возникновения пленки расплавленного металла контакты образуются между расплавленными участками торцовых поверхностей. На контактные перемычки действуют несколько сил. Поверхностное натяжение F_пн (рис. 19, а) стремится увеличить диаметр перемычек, а электромагнитные силы F_э.м, пропорциональные квадрату тока, стремятся сжать и разорвать перемычку. Стягивание ее под действием электромагнитных сил увеличивает плотность тока и ускоряет разрушение перемычки. В результате взаимодействия тока в перемычке с магнитным полем сварочного контура возникает электромагнитная сила F_к, под действием которой перемычка перемещается и выталкивается из контура (рис. 19, б). Между перемычками, расположенными рядом, возникают электромагнитные силы взаимодействия F_эм.с, сближающие и объединяющие перемычки.

Рис. 19. Схема сил, действующих на контактную перемычку

при сварке оплавлением

Плотность тока в перемычке достигает 3000 А/мм², а давление паров при ее взрыве - сотен мегапаскалей при температуре (6 - 8)^.10^{3 0}С. Время существования перемычки при сварке тонкого металла 0,001 - 0,005 с.

Во время оплавления между торцами обычно возникает несколько контактов и проходящий ток распределяется между ними. В моменты полного разрыва перемычек создаются благоприятные условия для, образования кратковременного дугового разряда. Этому способствуют ионизированные пары металла и накопление электромагнитной энергии в сварочном трансформаторе и вторичном контуре.

При образовании и разрушении контактных перемычек изменяется сопротивление во вторичном контуре, что приводит к характерным пульсациям тока и напряжения (до 500 в 1 с).

При оплавлении деталей большой толщины контактные перемычки имеют площадь более 50 мм² и существуют в течение нескольких полупериодов тока промышленной частоты. Основанием каждой перемычки является кратер, который представляет собой массу расплавленного металла в твердой поверхности торца. Глубина и площадь кратера определяются размером перемычек. При сварке деталей с большими сечениями глубина достигает нескольких миллиметров.

Чтобы оплавление не прерывалось, мгновенная скорость сближения деталей должна соответствовать скорости их фактического укорочения.

По мере оплавления деталей температура их торцов повышается и скорость оплавления растет. В последнее время для сварки деталей больших сечений применяют импульсное оплавление. На основную скорость движения при оплавлении накладываются колебательные движения с амплитудой 0,3 - 1 мм и частотой 3 - 35 Гц. Периодическое повышение v_опл увеличивает длительность существования контактов в твердом состоянии, вызывая их частичное поверхностное плавление, а снижение этой скорости ускоряет выброс расплавленного металла без образования глубоких кратеров и больших потерь теплоты с выброшенным металлом. Импульсное оплавление локализует нагрев, расширяет высокотемпературную зону и предупреждает быструю кристаллизацию расплава. В результате существенно снижаются ток оплавления, мощность машины, припуск на оплавление и повышается производительность.

Устойчивость процесса оплавления зависит от температуры нагрева торцов детали. В начале процесса, когда концы детали холодные, оплавление неустойчиво. При повышении температуры процесс оплавления стабилизируется. Поэтому при циклах сварки с предварительным подогревом процесс оплавления возбуждается и поддерживается легче.

Для возбуждения процесса устойчивого оплавления необходим ток короткого замыкания I_кз достаточной силы. Его значение определяют отношением I_кз / I_опл , которое для тонкостенных развитых сечений составляет 2,5 - 3, для компактных . На устойчивость оплавления влияет также характер сопротивления короткого замыкания. Стыковые машины с низким сопротивлением короткого замыкания обеспечивают более устойчивый процесс оплавления.

Большое влияние на качество сварки оказывает защитное действие паров металла. Избыточное их давление затрудняет проникание воздуха в зазор между торцами деталей во время оплавления. Интенсивное окисление паров и капель металла одновременно связывает кислород, что способствует улучшению защиты торцов от окисления.

Температура торцовой поверхности деталей в начале процесса неравномерна, а по мере оплавления выравнивается. На поверхности постепенно образуется слой расплавленного металла. На стальных деталях небольшого сечения толщина этого слоя 0,1 - 0,3 мм. С увеличением сечения толщина расплавленного слоя увеличивается.