Классификация контактной стыковой сварки. Основные способы возбуждения процесса оплавления деталей с большим контактным сечением. Выравнивание температурных полей по поперечному сечению заготовки вследствие периодического прерывания сварочного тока.
Аннотация к работе
Стыковая сварка включает в себя две основные разновидности: стыковую сварку сопротивлением и стыковую сварку оплавлением. Стыковую сварку оплавлением в свою очередь подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и сварку с предварительным подогревом. При стыковой сварке оплавлением с предварительным подогревом детали перед оплавлением подогревают в большинстве случаев током при периодическом сжатии торцов с небольшим усилием и их размыкании. Стыковую сварку разделяют на сварку сопротивлением и сварку оплавлением. Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с предварительным подогревом методом сопротивления.
Введение
Контактная сварка - это основной способ сварки давлением, при котором соединение образуется вследствие нагрева электрическим током и сжатия свариваемых деталей в зоне контактирования. Ее роль в практическом применении весьма значительна и будет возрастать в дальнейшем. В настоящее время на долю контактной сварки приходится более 30 % общего объема производства сварных конструкций.
По характеру и условиям образования сварного соединения контактную сварку подразделяют на следующие основные виды: точечную, рельефную, шовную и стыковую.
1. Виды контактной стыковой сварки
Данный вид сварки осуществляется по всей площади касания свариваемых деталей при подводе тока к ним через зажимы от сварочного трансформатора и их сжатии усилием Fсв. В отличие от других видов контактной сварки при стыковой сварке свариваемые детали закрепляют в зажимах с усилием Fсж, в 1,5 -2 раза превышающим Fсв.. Стыковая сварка включает в себя две основные разновидности: стыковую сварку сопротивлением и стыковую сварку оплавлением.
При стыковой сварке сопротивлением к свариваемым деталям постоянно приложено относительно небольшое давление, которое может быть повышено к концу нагрева.
Стыковую сварку оплавлением в свою очередь подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и сварку с предварительным подогревом.
При стыковой сварке непрерывным оплавлением к зажимам и соответственно к свариваемым деталям подводят напряжение от сварочного трансформатора и детали начинают сближать с начальной (относительно небольшой) скоростью. Детали сближают за счет движения подвижного зажима от привода оплавления. При соприкосновении деталей между их торцами образуются отдельные контакты-перемычки, которые током расплавляются, взрываются и в виде искр вылетают из стыка. Дальнейшее сближение деталей приводит к образованию новых контактов, их расплавлению, и так происходит непрерывно в процессе оплавления. Это приводит к разогреву торцов, образованию на них слоя жидкого металла. В конце процесса оплавления торцы быстро сближают с большим усилием осадки Foc, при котором жидкий слой вместе с оксидными пленками выдавливается из стыка, а разогретые торцы пластически деформируются.
При стыковой сварке оплавлением с предварительным подогревом детали перед оплавлением подогревают в большинстве случаев током при периодическом сжатии торцов с небольшим усилием и их размыкании. Нагрев в этом случае при сжатии деталей аналогичен нагреву при стыковой сварке сопротивлением. Далее процесс сварки проходит так же, как при стыковой сварке непрерывным оплавлением.
2. Машины для контактной сварки
Целесообразно выделить два больших класса машин: общего назначения и специальные.
Машины общего назначения предназначены для сварки деталей широкой номенклатуры. На однотипных машинах можно проводить сварку деталей, различных по конструкции, марке и толщине металла.
Специальные машины предназначены, как правило, для сварки определенных узлов, конкретных изделий, например машины для сварки арматуры железобетонных конструкций, цепесварочные машины, многоэлектродные машины для сварки правой боковой стенки бункера комбайна, полуавтоматы для рельефной сварки корпусов полупроводниковых приборов и т.д. В общем объеме производства контактных машин доля специальных машин постоянно повышается и в стоимостном выражении в настоящее время составляет 70 %. Эта тенденция, очевидно, сохранится и в будущем, поскольку специальные машины значительно производительны.
Тем не менее, роль машин общего назначения весьма высока. Их выпуск в количественном отношении более чем на порядок превышает выпуск специальных машин.
Классификация машин общего назначения приведена в ГОСТ 297-80 «Машины контактные. Общие технические условия»: - по виду получаемых при сварке соединений - точечные, шовные, рельефные, стыковые;
- конструктивному исполнению - стационарные радиального типа, стационарные прессового типа, подвесные со встроенным трансформатором, подвесные с отдельным трансформатором;
- типу источника сварочного тока - переменного тока, низкочастотные, постоянного тока, конденсаторные;
- типу усилия сжатия - с постоянным усилием, с переменным усилием;
- нормируемым техническим требованиям - группа А (с повышенной стабильностью параметров), группа Б (с нормальной стабильностью параметров).
Приведенная классификация требует пояснения в отношении подразделения машин общего назначения на группы А и Б, которое в стандарт введено впервые. По условиям производства к целому ряду сварных конструкций предъявляют повышенные требования по стабильности качества сварных соединений. Эти требования можно реализовать на контактных машинах, основные параметры которых имеют меньший диапазон колебаний, зависящих от допустимых колебаний напряжения питающей электрической сети, давления воздуха в пневматической сети, допустимого колебания температуры окружающего воздуха, от загрузки машины и других условий. В ГОСТ 297-80 конкретно указаны все технические требования, которым должны отвечать машины групп А и Б.
Специальные машины можно классифицировать следующим образом: - по виду свариваемых изделий - многоэлектродные для сварки арматуры железобетонных конструкций, для сварки сеток, цепесварочные, многоэлектродные для сварки листовых конструкций, шовные для сварки топливных баков, рельефные для герметизации корпусов полупроводниковых приборов и т.д.;
- степени механизации и автоматизации - машины, полуавтоматы, автоматы, комплексы, сборочно-сварочные линии, в том числе линии, оснащенные роботами.. Разновидности способов стыковой сварки и их характеристика как объекта управления
Нагрев металла при стыковой сварке происходит за счет работы тока на переходном сопротивлении электрического контакта в месте стыка. Стыковую сварку разделяют на сварку сопротивлением и сварку оплавлением.
При сварке сопротивлением свариваемые изделия предварительно сводят до соприкосновения с определенным усилием, после чего включается ток.
Режим сварки сопротивлением определяется установочной длиной деталей, напряжением на вторичной обмотке сварочного трансформатора и усилием сжатия деталей в осевом направлении. Команды на изменение усилия сжатия и выключение тока после осадки чаще всего подают от конечных выключателей, устанавливаемых по ходу движения подвижного зажима машины, или реле времени.
Термический цикл при сварке сопротивлением определяется выделяющейся мощностью и временем протекания процесса. Поскольку мощность - функция напряжения на свариваемых деталях и их сопротивления, колебания напряжения и сопротивления сварочной цепи (за счет нестабильной подготовки торцов и зачистки деталей) существенно влияют на качество получаемых соединений.
Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с предварительным подогревом методом сопротивления. При сварке непрерывным оплавлением детали сближают с постоянной на начальном этапе или постепенно нарастающей скоростью при включенном сварочном трансформаторе. Оплавление деталей происходит в результате непрерывного образования и разрушения жидких контактных перемычек между торцами заготовок и сопровождается интенсивным выбросом частиц расплавленного металла и укорочением деталей.
Режим непрерывного оплавления определяется скоростью перемещения подвижной плиты машины vn, вторичным напряжением холостого хода трансформатора U2x..x, сопротивлением короткого замыкания машины Zk.з, вылетом деталей и припуском на оплавление ?опл. На формирование температурного поля в свариваемых деталях наиболее влияют скорость vn и напряжение U2x..x. При сварке деталей с поперечным сечением до 1 500 мм2 величину напряжения U2x. x устанавливают минимально необходимой для возбуждения оплавления (ее можно принять постоянной в течение всего цикла сварки). Получить качественное соединение можно при небольшой зоне нагрева, достигаемой за малое время при большой скорости оплавления. Поэтому требуемую зону разогрева при сварке развитых сечений можно получить только подбором соответствующей программы скорости оплавления при U2x.x = const.
Чтобы возбудить процесс оплавления деталей с большим контактным сечением (рельсы, прокат и т.п.), требуется высокое начальное напряжение U2x.x, при котором в дальнейшем (по мере нагрева торцов) оплавление становится прерывистым изза больших токов. Повышение скорости оплавления в данном случае мало влияет на устойчивость процесса и приводит к увеличению выброса нагретого металла, сокращению зоны разогрева. Более целесообразно в этом случае снижать напряжение U2x ..x по заранее установленной программе. Исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона, показали возможность получить достаточно большую зону разогрева при низких скоростях подачи vn = 0,2...0,3 мм/с, если в любой момент времени напряжение будет равно его минимально возможному значению, при котором не нарушается устойчивость оплавления. Термический КПД процесса при этом наиболее высок. Малые колебания напряжения (в пределах допустимых для электрических сетей (±5 %)) незначительно влияют на тепловой баланс, но существенны для устойчивости. Поэтому реализовать режимы оплавления на минимально возможных напряжениях U2 можно только с помощью специальных автоматических регуляторов.
При сварке оплавлением можно интенсифицировать нагрев, если уменьшить искровой зазор между деталями до определенной критической величины. Такой процесс неустойчив, он может иметь место при кратковременных повышениях vп. В случае чередования периодов (импульсов) повышения vn и ее снижения происходит механическое разрушение контактов, существовавших в твердом состоянии, и оплавление может протекать непрерывно. Процесс импульсного оплавления получают при наложении дополнительных колебательных движений на основное поступательное движение подвижной плиты машины.
Режим импульсного оплавления характеризуется дополнительно формой колебательных движений (обычно близкой к синусоиде), их амплитудой и частотой. На практике в течение всего процесса сварки значения амплитуды (0,1...0,5 мм) и частоты (5...20 Гц) колебаний задают постоянными, а регулируют длительность импульсов тока, воздействуя на vn. Применяя специальные регуляторы скорости, можно значительно уменьшить длительность пауз между импульсами. Интенсивность нагрева при неизменной длительности импульсов тока соответственно возрастает. По сравнению со сваркой непрерывным оплавлением КПД импульсного оплавления в 2 раза выше, соответственно припуск на оплавление и общая длительность процесса значительно сокращаются.
При сварке оплавлением с предварительным подогревом требуемое температурное поле получают при нагреве деталей методом сопротивления. Предварительный подогрев реализуют чаще всего, сообщая одной из деталей возвратно-поступательное движение (для периодического замыкания и размыкания сварочной цепи). Вследствие периодического прерывания сварочного тока достигают выравнивания температурных полей по поперечному сечению деталей. Степень выравнивания температуры зависит от точности подготовки торцов деталей к сварке и точности установки деталей в зажимных приспособлениях машины. Параметры режима предварительного подогрева предопределяют температурное поле в зоне сварки к моменту перехода от подогрева к непрерывному оплавлению.
Важная задача при этом - определить момент окончания подогрева и перехода к оплавлению, так как от этого зависят ширина зоны разогретого металла и производительность процесса. Роль оплавления сводится в рассматриваемом случае к созданию слоя жидкого металла на торцах заготовок и соответствующей защитной атмосферы в искровом промежутке. Большого запаса устойчивости процесса оплавления легко достигают даже на машинах с повышенным сопротивлением Zk з короткого замыкания благодаря предварительному подогреву металла и возможности повышения напряжения U2x.x без существенного ущерба для качества соединений. Поэтому в машинах для сварки с предварительным подогревом управление оплавлением ограничивается изменением vn по предварительно выбранной программе без применения обратной связи по параметрам процесса.
При всех способах стыковой сварки оплавлением необходимо поддерживать устойчивость процесса. При неустойчивом оплавлении процесс может прекращаться или переходить на отдельных участках в длительные короткие замыкания торцов. В этом случае через большую часть поверхности оплавления ток не проходит, и жидкий металл, покрытый пленками оксидов, успевает закристаллизоваться до осадки, что приводит к опасным дефектам в соединении. В большинстве случаев пленки представляют собой оксиды металлов и других химических элементов, содержащихся в исходном материале. Поэтому образование пленок непосредственно связано с окислительными реакциями, протекающими на оплавляемых поверхностях.
Расплавленные оксиды легко удаляются из стыка при осадке. Тугоплавкие оксиды удаляются из стыка вместе с жидким металлом лишь частично. Ослабить окислительные реакции на поверхности оплавления можно подбором режима сварки. Чем интенсивнее протекает оплавление, тем выше давление газов в искровом промежутке. Содержание кислорода уменьшается, оплавляемая поверхность чаще обновляется и образование оксидов ослабляется. Поэтому конечная стадия процесса оплавления характеризуется резким увеличением скорости перемещения заготовок.
Процесс оплавления устойчив, если при воздействии на него различного рода возмущений он обладает свойством самовыравнивания (саморегулирования.) Условия, при которых оплавление протекает устойчиво, можно оценить, используя зависимость полезной мощности Qk в сварочном контакте от тока. Пусть определенному тепловому состоянию контакта и значению скорости оплавления соответствует мощность Q0. При случайном увеличении количества элементарных контактов ток I должен возрасти. Если возрастание тока сопровождается увеличением мощности свыше Q0, то это означает увеличение скорости оплавления voпл по сравнению со скоростью подачи vп, что должно привести к уменьшению проводимости элементарных контактов и снижению тока. При тех же условиях, если мощность Q0 уменьшилась, то скорость уопл падает. При неизменной скорости vп падение скорости voпл приведет к прогрессивному возрастанию площади контактирования оплавляемых деталей - к короткому замыканию сварочной цепи. Поэтому режим сварки, соответствующий точке 1, можно считать устойчивым, а точке 2- нет.
Процесс оплавления прерывист по своей природе. Если перерывы в протекании тока в сварочной цепи отсутствуют, то на отдельных участках контактирующих поверхностей паузы неизбежны. Кратковременные перерывы оплавления не влияют на стабильность и равномерность нагрева металла даже при самых малых скоростях сближения деталей (0,1... 0,2 мм/с). Только в конечный период оплавления (перед осадкой) длительность прерываний процесса должна быть ограничена.
Значит, одно из основных требований к СУ сварочной машиной - обеспечить наряду с устойчивостью непрерывность процесса оплавления металла перед осадкой.
Неразъемное соединение образуется при проведении заключительной стадии процесса - осадки деталей. Для получения качественного соединения осадку деталей необходимо проводить за время, меньшее, чем время ?t кристаллизации тонкого слоя расплавленного металла.
Для углеродистой стали значения ?t не выходят за пределы сотых долей секунды и лишь в редких случаях (при широкой зоне нагрева) составляют десятые доли секунды. Минимально допустимая скорость осадки зависит от теплофизических свойств металла и градиента температурного поля, т.е. от ширины зоны разогрева деталей. Величина последней определяет степень пластической деформации деталей, необходимой для получения соединений требуемого качества. Значительное сужение зоны разогрева приводит к появлению включений по линии сварки, резко снижающих пластичность и прочность соединений. С другой стороны, увеличение зоны термического влияния в 1,5-2 раза по сравнению с оптимальной не оказывает существенного влияния на механические свойства соединений, но резко снижает КПД процесса. Поэтому СУ стыковой сваркой должны обеспечивать наряду с устойчивостью и непрерывностью процесса оплавления оптимальное температурное поле в свариваемых деталях к моменту осадки.
Выполнение этих требований (не зависящих от того, проводится ли нагрев деталей непрерывным оплавлением или ему предшествует предварительный подогрев деталей тем или иным способом) возможно лишь при тщательной подготовке торцов заготовок и высокой точности поддержания параметров режима.
При длительной работе сварочной машины увеличивается активное сопротивление токоведущих частей контура вследствие нагрева, особенно при нарушениях в системе охлаждения. Кроме того, Rk.з машины изменяется с увеличением переходных сопротивлений контактов токоподводящих цепей, особенно на участке губка-деталь при плохой зачистке поверхностей деталей. С увеличением сопротивления машины возрастает напряжение U2x.x ,минимально необходимое для возбуждения процесса оплавления, увеличивается глубина кратеров на торцах и суммарная площадь дефектов Sдеф в соединении, соответственно снижается качество сварных соединений. Наиболее опасны одновременно действующие даже небольшие отклонения нескольких параметров, если каждое из них способствует, например, снижению устойчивости процесса оплавления или изменению требуемой величины зоны нагрева. Общее отрицательное воздействие нескольких отклонений часто приводит к дефектам в сварных соединениях.
Возмущения, наиболее опасные при контактной стыковой сварке, подразделяют на внешние и внутренние. Внешние возмущения - это колебания напряжения сети; нестабильность контактных сопротивлений между электродом и деталью; нестабильность начального контактного сопротивления между деталями.
Внутренние возмущения - медленные изменения сопротивления сварочного контура; возмущения, обусловленные нестабильностью пускорегулирующей аппаратуры машины, и др. Возмущения внутреннего характера при правильном уходе за машиной значительно меньше влияют на процесс сварки. Поэтому главная задача автоматизации процесса - компенсировать влияние внешних возмущений. стыковой оплавление поперечный сварочный
Список литературы
1. Кочергин К.А., Контактная сварка, 1987 г.
2. Смирнова В.В., Оборудование для контактной сварки, 2000 г.
3. Гладков Э.А., Управление процессами и оборудованием при сварке, 2006 г.