Технология сварки стыков

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. Общие сведения.

2. Определение, терминология и основные схемы

2.1 Физические основы образования соединений

2.2 Нагрев свариваемого металла

2.3 Пластическая деформация металла

2.4 Технологические возможности стыковой сварки

3.Технология стыковой сварки

3.1 Свариваемые материалы и требования к конструкциям

3.2 Подготовка к сварке

3.3 Выбор параметров режима

3.4 Обработка соединений после сварки

4. Промышленное применение стыковой сварки

Список литературы

1. Общие сведения

Контактная стыковая сварка -- высокопроизводительный и в значительной мере автоматизированный способ получения соединений. Доля стыковой сварки, преимущественно оплавлением, составляет ~10% контактной сварки.

Этот способ также относится к электротермодеформационным процессам (ГОСТ 2601--84), но в отличие от точечной и шовной сварки возможно и соединение без расплавления металла за счет его глубокой пластической деформации.

2. Определение, терминология и основные схемы

Стыковая сварка -- способ контактной сварки, когда детали соединяются по всей площади касания (площади сечения). Детали 1 (рис. 21.1) закрепляют в токоподводящих зажимах 2, 3, один из которых (3) подвижной и связан с приводом усилия и перемещения машины. По характеру нагрева различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.

В первом случае детали сжимают довольно значительным усилием (3--5 кН), включают сварочный трансформатор 4, и либо нагревают сварочным током до температуры несколько ниже температуры ликвидуса (0,8--0,9 T_L), либо расплавляют металл в стыке. В соответствии с этим существуют два вида стыковой сварки сопротивлением -- без локального расплавления металла и с его расплавлением.

После нагрева сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие до усилия осадки, что вызывает либо интенсивную деформацию твердого металла (выдавливание металла из стыка), вместе с которым удаляются поверхностные пленки, либо удаление жидкого металла и части нагретого твердого металла. При этом обеспечивается формирование физического контакта и образование прочного соединения. После сварки на деталях образуется утолщение -- грат 5.

При стыковой сварке оплавлением сначала на детали подают напряжение (6--8 В) от сварочного трансформатора и сближают их до соприкосновения под небольшим усилием, например несколько деканьютонов. В отдельных контактах в результате достигается очень высокая плотность тока (до 3--5 кА/мм2), металл в этих точках быстро нагревается, расплавляется с образованием перемычек жидкого металла между торцами свариваемых деталей.

Эти перемычки быстро перегреваются и взрывообразно разрушаются. Торцы нагреваются за счет непрерывного образования и разрушения перемычек, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко повышается скорость сближения и усилие, торцы входят в контакт и большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливаются из стыка с образованием грата. Во время осадки ток обычно отключается.

Известны случаи сварки одновременно двух стыков, нагрев токами высокой частоты, постоянным током и другие разновидности стыковой сварки.

2.1 Физические основы образования соединений

Основными процессами при стыковой сварке являются нагрев и пластическая деформация свариваемого металла, обеспечивающие удаление поверхностных пленок, образование физического контакта и получение соединений с заданными свойствами.

2.2 Нагрев свариваемого металла

При нагреве необходимо достичь заданную температуру в стыке и прогреть околошовную зону на определенную глубину для обеспечения необходимой степени деформации на стадии осадки. При сварке сопротивлением основная доля теплоты (85--90%) выделяется на сопротивлении деталей, так как r_д.д быстро снижается, а r_э.д остается в течение всего процесса на довольно низком уровне (рис. 21.2). Температурное поле определяется решением дифференциального уравнения теплопроводности классическими методами или на ЭВМ. Поле одномерно (рис. 21.3,а), градиенты температур по сечению близки к нулю.

Прогрев околошовной зоны увеличивается при использовании импульсов тока большой длительности.

При сварке оплавлением температурное поле определяется главным образом уровнем сопротивлений перемычек (r_д.д), который зависит от их числа и размеров (рис. 21.2,6). Поэтому поле отличается значительной неравномерностью по длине детали (рис. 21.3,6) ив ряде случаев и по сечению (детали с большим или развитым сечением, начальные этапы процесса). Одним из наиболее значимых параметров режима является скорость оплавления. Уменьшение этой скорости вызывает снижение градиентов температур и по сечению деталей. Обычно скорость оплавления повышают по мере развития процесса для обеспечения общей устойчивости процесса, например, по линейному закону (жесткая программа) или связывают с параметрами управления: I_св, температурой торцов и т. д.

При сварке сечений до 100 см² рекомендуют предварительный нагрев деталей током (по схеме сварки сопротивлением), что облегчает возбуждение оплавления, снижает неравномерность нагрева. Большие сечения рекомендуется сваривать при программном регулировании тока (вторичного напряжения) и скорости оплавления или использовать импульсное оплавление.

В последнем случае на основное поступательное движение плиты машины накладывается колебание, например, с частотой 3--45 Гц и амплитудой 0,1--0,8 мм, что вызывает периодическое изменение зазора между деталями, повышение на 10--15% температуры в околошовной зоне; в три--четыре раза уменьшается время оплавления и расход электроэнергии.

2.3 Пластическая деформация металла

Назначение этого процесса - создание электрического контакта на начальной стадии, обеспечиваемого при давлении 5--10 МПа (сварка сопротивлением) и ~ 1 кПа (сварка оплавлением), а также удаление поверхностных пленок и образование физического контакта по достаточно большой площади на стадии осадки за счет течения довольно узких слоев нагретого металла вдоль стыка.

При этом в центре соединения напряженное состояние близко к всестороннему сжатию, а вблизи поверхности деталей отмечается действие растягивающих окружных напряжений ??.

Степень объемной пластической деформации характеризуют коэффициентом площади

K_пл=S_кон/S_нач,

(где S_кон, S_нач -- соответственно конечная и начальная площади сечения торцов). При сварке сопротивлением К_пл?4, а при сварке оплавлением К_пл?2. Иногда деформацию оценивают по укорочению деталей при осадке (?_ос), которое обеспечит полное закрытие зазора (?_з), вытеснение жидкого металла (2?_ж) и деформацию (смятие) кратеров (2?_кр). Величина ?_ос зависит от рельефа оплавленных поверхностей, например она возрастает при увеличении сечения деталей.

Параметры цикла осадки -- усилие и скорость осадки (F_ос и v_ос) При увеличении сечения деталей, жаропрочности свариваемого металла и скорости осадки F_ос также возрастает.

Подогрев перед оплавлением позволяет в полтора -- два раза снизить F_ос. Интенсивная деформация вызывает удаление из зоны соединения поверхностных (оксидных) пленок или их раздробление.

Тем не менее при сварке сопротивлением металл в значительной мере окисляется и частицы оксидов частично остаются в стыке. При сварке оплавлением происходит непрерывное обновление поверхностей за счет выброса перемычек, образование паров, препятствующих попаданию газов и связывающих их в нейтральные соединения.

Это обеспечивает надежную защиту металла от атмосферы и лишь при сварке таких активных металлов, как титан и молибден рекомендуется вести процесс в среде защитных газов.

2.4 Технологические возможности стыковой сварки

Стыковой сваркой соединяются все известные конструкционные металлы как однородные, так и разнородные в широком диапазоне сечений от 1--2 мм² до 20 дм² в виде проволоки, полос, профилей и т. п. При сварке сопротивлением сечение свариваемых деталей (обычно круглое) ограничено 500 мм² для сталей, 200 мм² для алюминия и меди из-за относительно низкой прочности и пластичности соединений и высокой энергоемкости.

Наибольшее распространение получила сварка оплавлением. Непрерывным оплавлением сваривают детали компактного (до 10 см²) сечения (прутки) из малоуглеродистой стали и несколько большего (развитого) сечения детали (трубы, листы).

Сварка оплавлением с подогревом используется для сечений 5--100 см². Для больших деталей (S = 50?400 см²) рекомендуется сварка оплавлением с программным управлением током и скоростью перемещения зажимов, а импульсное оплавление позволяет сваривать детали из стали сечением до 20 дм², из алюминия -- до 2,2 дм².

Механические свойства соединений, выполненных стыковой сваркой оплавлением, и основного металла весьма близки (табл. 21.1).

3. Технология стыковой сварки

3.1 Свариваемые материалы и требования к конструкциям

Стыковая сварка сопротивлением применяется в основном для соединений малоуглеродистых сталей, проволоки из алюминия и меди. Имеются также сведения о непосредственном соединении разнородных металлов, например меди с фехралем, стали, чугуна с медью и алюминием или через промежуточные прокладки, дополнительно легирующие шов. Стыковой сваркой оплавлением успешно соединяют все конструкционные металлы -- от алюминиевых сплавов и сталей до жаропрочных и титановых сплавов.

Особое внимание обращается на рациональную конструкцию (форму) торцов деталей, которая должна обеспечить равномерный нагрев деталей и одинаковую деформацию (рис. 21.4), защиту торцов от окисления и деформацию металла (рис. 21.4,б -- кольцевой выступ при сварке сопротивлением, сфера, конус и т. д.), установку в токоподводящие зажимы машины. Формы и размеры обеих деталей должны быть приблизительно одинаковыми: отличие по диаметрам ?15%, по толщине ?10%.

3.2 Подготовка к сварке

Для получения соединений высокого качества поверхности должны быть ровными и чистыми. Торцуют детали механической резкой ножницами, пилами на металлорежущих станках, плазменной или газовой резкой. Дополнительно торцы и поверхности детали под зажимы обрабатывают металлической дробью, травлением, фрезерованием или шлифованием. Перекосы иногда устраняют предварительным оплавлением. При сварке сопротивлением зазор между торцами не должен превышать 0,5 мм, оплавлением -- 15% припуска на оплавление. Установочная длина (l₁+l₂) при сварке сопротивлением полостолщиной s из малоуглеродистых сталей составляет 1,2vs, из легированных сталей --1,1 vs.

Металл, имеющий большую теплопроводность, должен иметь и большую установочную длину. При сварке оплавлением l₁+l₂= ?_опл + ?_ос + ?_к, где ?_к-- конечное расстояние между зажимами, выбираемое из условия сохранения устойчивости деталей и низкого уровня теплоотвода в зажимы (обычно ?_к??_опл+?_лс). Для круглых стержней l₁+l₂= (0,7?1,0) d, для полос (4?5) s.

3.3 Выбор параметров режима

Значения параметров режима (программа их изменения) определяются видом сварки и свойствами свариваемых металлов.

Сварка сопротивлением характеризуется следующими основными параметрами:

-- плотностью тока, определяемой удельным сопротивлением металла, А/мм²: при сварке сталей 100--150, алюминия 200--300, меди 400--500;

-- временем сварки, увеличивающимся с ростом площади сечения детали (равномерный прогрев) и уменьшающимся с ростом теплопроводности (сплавы алюминия и меди), составляющим в среднем 0,2--1 с (диаметр проволоки ?5 мм);

-- давлением при осадке (р_ос), связанным с сопротивлением пластической деформации нагретого металла, МПа, ?20 для малоуглеродистых сталей, 125 для легированных, ?10 для цветных металлов.

Сварка оплавлением определяется следующими основными параметрами:

-- плотностью тока в расчете на полное сечение детали, увеличивающейся с ростом сечения, тепло- и электропроводностью металла, заметно меньшими, чем при сварке сопротивлением (для стали j?20 А/мм², для сплавов алюминия ~35 А/мм²). На мягких режимах (при малых t_св и v_опл) плотность тока может быть снижена;

-- скоростью оплавления и ?_опл -- припуском, выбираемыми из условия равномерного нагрева торцов и достаточного прогрева околошовной зоны. К концу процесса скорость оплавления увеличивают. Величина ?_опл, составляющая до 0,8 общего припуска, определяет градиент температур вдоль деталей. С ростом теплопроводности металла v_опл возрастает: при сварке сталей средняя v_опл=1?3 мм/с, хромоникелевых сталей 2,5--3 мм/с, сплавов алюминия 4--10, меди ~20 мм/с.

Давление осадки зависит от сопротивления деформации и степени нагрева металла (подогрева), например, при сварке малоуглеродистых сталей р_ос = 70 МПа (50 МПа при сварке с подогревом), коррозионностойких сталей--170 (110), сплавов алюминия -- 220, титана -- 60 (35) МПа. Припуск на осадку под током ?_ос.т=0,4?0,7 ?_ос и возрастает при увеличении сечения деталей (?_ос=5 мм, ?_ос.т=2 мм при S=10 см²; ?_ос=11 мм, ?_ос.т=4 мм, при S=100 см²).

Скорость осадки обычно в 10--15 раз больше v_опл, она возрастает при увеличении теплопроводности металла, например, при сварке сталей до 60 мм/с, алюминия -- до 150, меди -- до ?200 мм/с.

Из других параметров следует отметить напряжение холостого хода (U_2.0), которое обычно выбирают минимальным для обеспечения устойчивого оплавления. В качестве примеров в таблицах 21.2, 21.3 приведены режимы сварки труб, рельсов и детален из сплава АМг6.

При сварке оплавлением с подогревом инструментальных заготовок, хвостовик которых выполняют из дешевой углеродистой стали, а рабочую часть из быстрорежущей, l_б>l_y и ?_{опл. б}>?_опл.

3.4 Обработка соединений после сварки

Для получения высоких механических свойств соединения после сварки термообрабатывают, например сварные рельсы подвергают нормализации и отпуску.

С поверхностей деталей грат снимают разными способами, например, непосредственно на машине специальными ножами, используя металлорежущие станки, резцовые и плунжерные гратосниматели.

Внутри прямых труб град удаляют протяжкой с резцами или дорнами, гнутых -- стальными снарядами, перемещаемыми сжатым воздухом, продувкой не остывшего стыка кислородом и т. д. Грат в трубах большого диаметра снимают вращающимися резцовыми головками

контактный сварка металл

4. Промышленное применение стыковой сварки

Применение контактной стыковой сварки (в основном сварки оплавлением) составляет ~10% общего применения контактной сварки.

Стыковая сварка сопротивлением используется для соединения проволоки из стали, алюминия, меди диаметром ?8 мм, прутков диаметром ?25 мм, труб диаметром ?50 мм, в производстве цепей, ободов колес и т. п.

Стыковая сварка оплавлением применяется при изготовлении колец (шпангоутов) диаметром 4--5 м, заготовок (полос) при непрерывной прокатке, валов, оконных переплетов, дверей, перегородок, цепей, трубопроводов, железнодорожных рельсов в стационарных и полевых условиях, комбинированного режущего инструмента, например сверл и т. д.

Список литературы

1.Фалькевич А.С. «Сварка магистральных и заводских трубопроводов» Москва 1962г 422с

2.Волченко В.Н. «Сварка и свариваемость материалов» Москва 1996

Размещено на Allbest.ru