Некоторые аспекты повышения устойчивости процесса точечной сварки против образования выплесков Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.791.763.1

С. Н. Козловский, Е. Г. Яшметов

НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРОЦЕССА ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫПЛЕСКОВ

Рассмотрены причины образования выплесков и приведены технологические приемы их предотвращения.

Выплески - это выброс части расплавленного металла из зоны сварки. Они снижают эксплуатационные свойства сварных изделий и в ряде случаев, например в авиационном и космическом машиностроении, недопустимы. Однако большинство традиционных технологий контактной точечной сварки (КТС) не могут обеспечить их отсутствие.

Выплески, с учетом проведенных исследований и современных представлений о причинах и механизмах их образования, можно разделить на несколько видов (рис. 1).

Во внутренних выплесках (рис. 1, в, г и д) расплавленный металл выбрасывается в зазор между свариваемыми деталями из контакта «деталь - деталь», в наружных выплесках (рис. 1, а и б) расплавленный металл выбрасывается вне деталей из контакта «электрод - деталь» или ядра расплавленного металла. А внутренние и наружные выплески в свою очередь разделяют на начальные (рис. 1, а и в), которые образуются в начале процесса нагрева, до расплавления металла в контакте «деталь - деталь», и конечные (рис. 1, б, г и д), которые образуются после начала плавления металла в свариваемом контакте.

Механизм образования начальных выплесков, как наружных (рис. 1, а), так и внутренних (рис. 1, в), исследован наиболее полно. Общепринятым можно считать то, что основной причиной, вызывающей их образование, является местный (локальный) перегрев металла в контактах «электрод - деталь» (при наружных выплесках) или «деталь - деталь» (при внутренних выплесках).

Ранее вполне обоснованно считалось, что одной из наиболее существенных причин образования начальных

выплесков является недостаточная скорость микроплас-тических деформаций шероховатостей в контактах «электрод - деталь» или «деталь - деталь» из-за уменьшения усилия сжатия деталей вследствие большой инерционности подвижных частей привода сварочной машины [1]. Однако после того как на машинах для точечной сварки между приводом усилия и ползуном стали устанавливать пружину, а между ползуном и направляющими -ролики, уменьшающие силы трения и исключающие заклинивание ползуна, эта причина стала иметь очень малое значение. В современных сварочных машинах усилие сжатия электродов в начале процесса сварки изменяется несущественно (рис. 2), а во время импульса тока даже несколько увеличивается (примерно на 2...5 %).

Рис. 2. Изменение сварочного тока I, напряжения на участке «электрод - электрод» из Э, усилия сжатия электродов F и осевого перемещения верхнего электрода Д5 в процессе точечной сварки без выплесков для сплава АМг6, 1,5 + 1,5 мм, F = 6,2 кН, t = 0,08 с

’ ’ ’ ’ Э ’ ’ СВ ’

Выплески при контактной точечной сварке

Начальные

Конечные

а

С

&

*ГТ~2

а)

С________I_______Ь

б)

з

ж

ж

оз

Активные

Пассивные

Рис. 1. Схемы выплесков при контактной точечной сварке

В современных технологиях КТС начальные выплески образуются в основном из-за плохой подготовки поверхностей деталей или загрязнения рабочих поверхностей электродов, перекосов электродов или деталей, чрезмерно быстрого нарастания сварочного тока либо одновременного воздействия нескольких из перечисленных выше факторов. Таким образом, очевидно, что образование начальных выплесков связано не столько с техническими проблемами осуществления технологии КТС, а сколько с уровнем культуры производства и состоянием технологической дисциплины. Устранение перечисленных выше причин, как правило, предотвращает образование выплесков этого вида.

Проведенные исследования показали, что если диаметр начального контакта (или диаметр уплотняющего пояска d в любой момент до начала плавления металла) не меньше (2.3) s, где s - толщина деталей, а его электрические параметры находятся в пределах нормы, то начальные выплески не образуются. Тогда, приняв минимальный диаметр dпlmІI^ свариваемого контакта, при котором начальные выплески отсутствуют, зависимым от толщины деталей 5: dm_шin > (2...3) 5, условие отсутствия начального выплеска на основании известного уравнения термодеформационного равновесия процесса КТС [2] можно записать следующим образом:

п 4шш „ < р или 4(2 -3>] 2 _ < р (1)

4 °ср( < р С( или 4 , (1)

где - среднее значение напряжений в площади уплотняющего пояска; Fct - усилие сжатия в площади свариваемого контакта.

В практике точечной сварки наиболее часто встречающимися и до сих пор наиболее трудно устранимыми являются конечные выплески.

Конечные наружные выплески (см. рис. 1, б) образуются в результате прорыва твердого металла над ядром при чрезмерно большом проплавлении деталей и диаметре ядра. В большей мере они характерны для односторонней контактной точечной сварки. При двусторонней точечной сварке конечные наружные выплески возникают, как правило, только при сварке деталей из титановых сплавов или, что происходит значительно реже, из высоколегированных сталей. Они легко устранимы за счет уменьшения проплавления деталей, например за счет уменьшения жесткости режима сварки.

Наибольшей проблемой при разработке технологии КТС и в практической сварке до сих пор является наличие конечных внутренних выплесков, особенно при сварке изделий ответственного назначения.

В практике точечной сварки очень часто встречается такой конечный внутренний выплеск, который образуется в процессе формирования ядра в период от начала плавления металла до окончания импульса тока. Как правило, при режимах сварки, близких к оптимальным режимам, момент его образования находится в пределах 2/ 3 длительности импульса тока.

Во многих работах образование такого выплеска объясняется чрезмерно высокими скоростями плавления металла, в результате чего уменьшается ширина уплотняющего пояска и происходит его прорыв расплавленным металлом [3]. Однако некоторыми исследователями уже

давно отмечалось, что внутренние конечные выплески образуются и при большой ширине уплотняющего пояска [1; 4] и что они отсутствуют при ее уменьшенных значениях [5; 6]. Очевидно, что объяснение образования конечного выплеска только отклонением тепловых процессов не полностью отражает реальное взаимовлияние факторов, приводящих к выбросу расплавленного металла.

При экспериментальных исследованиях процессов формирования соединений при КТС получила подтверждение та точка зрения, что возникновение выплеска определяется не сопротивлением уплотняющего пояска против прорыва, т. е. (его прочностью, как это считалось многими исследователями ранее). При этом не удалось установить какой-либо однозначной зависимости между шириной уплотняющего пояска и склонностью процесса к выплескам. Так, при определенных условиях (рис. 3) выплески могут возникать и при большой ширине уплотняющего пояска Ьп (рис. 3, а) (при Ьа ~ 2,25 5, где 5 -толщина деталей), или отсутствовать при относительно небольшой его ширине (рис. 3, б) (при Ьа ~(0,2 + 0,3) 5).

Рис. 3. Вид сварных соединений: а - для сплава АМг6, 2 + 2 мм, I = 37 кА, F = 7,0 кН, t = 0,3 с; d = 7,2 мм; б - для сплава

СВ ’ Э ’ ’ СВ’ ’ Я ’ ’

МА2-1, 2 + 2 мм, I = 35 кА, F = 5,5 кН, t = 0,2 с

СВ Э СВ

(шаг координатной сетки 0,5 мм)

При математическом моделировании процесса КТС получили подтверждение данные о том, что образование внутреннего конечного выплеска связано не с шириной уплотняющего пояска, а с раскрытием зазора в уплотняющем пояске, вызванным увеличением давления расплавленного металла в ядре из-за увеличения его объема при нагреве и расплавлении (рис. 4).

То, что образование таких выплесков в основном происходит путем раскрытия зазора давлением расплавленного металла в ядре, подтверждается и экспериментально, например характером его выброса одновременно по всему контуру уплотняющего пояска (рис. 4, а). Конечно, такой выброс металла можно получать только на машинах с жёстким силовым контуром. В большинстве же случаев сварки трудно обеспечить равномерное распределение напряжений по контуру уплотняющего пояска из-за деформаций элементов силовых контуров машин, приводящих к перекосу электродов. В результате чаще всего раскрытие зазора происходит в месте с наименьшими сжимающими напряжениями, что сопровождается локальным выбросом расплавленного металла (рис. 4, б).

Отклонения усилия сжатия электродов Fэt во время импульса тока относительно его установившихся значений до начала импульса тока, которые происходят из-за инерционности подвижных частей приводов сварочных

машин и сил трения в них, не могут существенно влиять на устойчивость процесса КТС против образования конечных выплесков. Так, при КТС на режимах, близких к оптимальным, в первой половине процесса нагрева Fэt увеличивается всего на 2.7 %, а во второй - уменьшается на 1.5 % по сравнению с его величиной до начала I (см. рис. 2). Таким образом, даже предельные динамические отклонения Fэ на +7. -5 % не могут являться основной причиной образования выплесков, поскольку Fэt в технологии КТС задают на 15.25 % больше некоторой его величины, называемой критической, при которой выплески образуются регулярно [7].

•"Ч

Рис. 4. Вид сварных соединений деталей из сплава АМГ-6 с внутренним конечным выплеском: а - 1 + 1 мм, I = 29 кА, F = 4,25 кН, t = 0,06 с;

СВ Э СВ

б - 2 + 2 мм, I = 45 кА, F = 8,0 кН, t = 0,08 с

СВ Э СВ

Сразу же после выплеска подвижный электрод резко приближается к неподвижному (рис. 5). Из-за этого в силовом контуре машины возникают колебания, в том числе и величины F , по амплитуде достигающие до -20.-30 %. При этом происходит уменьшение падения напряжения на участке «электрод - электрод» иээ из-за увеличения площадей контактов. Сварочный ток I после выплеска заметно не изменяется.

Рис. 5. Mомeнты образования вынлесков нри сварке деталей из снлава AMrf, 2 + 2 мм,

F = 7,0 rH, t = 0,08 с: а - I = 37 rA; б - I = 45 rA

При сварке на режимах, близких к оптимальным, образование внутренних конечных выплесков носит случайный характер, поскольку, как правило, является следствием неблагоприятного сочетания нескольких возмущающих факторов процесса КТС. Вместе с тем зависимость процесса сварки, склонно к образованию выплесков, а также момента их образования, от изменений сварочного тока I и усилия сжатия электродов Fэt имеет вполне определенные закономерности. Так, увеличение сварочного тока I однозначно смещает момент образования выплеска к началу процесса КТС (рис. 5, а и б). Аналогично на момент образования выплеска влияет и уменьшение усилия сжатия электродов F . При некоторых сочетаниях I и Fэt выплески могут образовываться практически сразу же после начала плавления металла.

Такое влияние отклонений I и F на устойчивость

СВ э1 '

процесса против образования выплесков является типичным для процессов КТС деталей любых толщин из всех конструкционных сталей и сплавов. Это теоретически подтверждается и тем, что давление расплавленного металла в ядре Рй в любой момент времени t процесса КТС пропорционально текущим значениям сопротивления пластической деформации а металла в области пояска и его диаметру dы и обратно пропорционально диаметру ядра d [8]:

dut eXp(l/6)

(2)

Увеличение I и уменьшение Ft однозначно приводят к повышению жесткости режимов сварки. А это в свою очередь приводит к увеличению сопротивления пластической деформации металла в области уплотняющего пояска <гд( и давления Рй в ядре.

Практика точечной сварки показывает, что конечные выплески за счет прорыва пояска не образуются, если при увеличении диаметра ядра d до конечного его значения d , которое не превышает допускаемых значений, ширина уплотняющего пояска Ьп, = ( - ія, )/2 в любой момент роста ядра не меньше (0,2...0,5) 51. Тогда при минимальной ширине уплотняющего пояска Ьп , при которой внутренние конечные выплески не образуются и которая зависит от толщины деталей 5(Ьп1 тш > (0,2...0,5/), условие отсутствия внутренних конечных выплесков на основании известного уравнения термодеформационного равновесия процесса КТС можно выразить следующим образом:

'Pvt +

K(dnt + dzt) (0,2...0,5)^

2

cpt

< Fc t

(З)

где t F, - минимальное усилие сжатия для момента в контуре уплотняющего пояска, необходимое для предотвращения конечных выплесков; a^t - среднее значение нормальных напряжении в площади уплотняющего пояска.

Это также подтверждается тем, что применение циклов сварки с программированным изменением усилия F3,, в которых на начальной стадии процесса его величину задают равной 20.40 % от конечной и затем плавно увеличивают во время импульса тока, приводит даже к увеличению критического диаметра ядра на 8.10 % по сравнению со сваркой при F, = const.

Повышение устойчивости процесса КТС против образования выплесков в этом случае обусловлено тем, что

при выполнении условий отсутствия начального (1) и конечного (3) выплесков в любой момент процесса сварки обеспечивается формирование уплотняющего пояска шириной не меньше (0,2.. .0,5) 5, прочность стенки которого при нормальном размере ядра уже достаточна, чтобы исключить выплеск ее прорывом. При этом уплотняющий поясок получается меньшей ширины, но большей высоты, имеет более высокую температуру и меньшее сопротивление деформации. Поэтому при таком уплотняющем пояске воздействия динамических возмущающих факторов (например, из-за пульсаций Fэtили луч-

ше отрабатываются вследствие большей деформационной подвижности в нем металла. Значительное же завышение усилия сжатия электродов Fэ,, как это часто бывает при сварке с его неизменной величиной, наоборот, может увеличить вероятность образования выплеска вследствие уменьшения деформационной подвижности металла в пояске из-за влияния геометрического (увеличения диаметра и ширины пояска с одновременным уменьшением его высоты) и теплового (снижения температуры и, следовательно, повышения сопротивления деформации металла) факторов. Это в конечном итоге, согласно зависимости (2), приводит к увеличению давления расплавленного металла в ядре и вероятности образования конечного выплеска.

Следовательно, можно считать достаточно обоснованным то, что конечные выплески происходят вследствие раскрытия пояска давлением расплавленного металла в ядре при отклонениях параметров термодеформационных процессов от их оптимальных значений.

Вместе с тем известно, что внутренний конечный выплеск может образовываться в самом конце импульса тока или даже после его окончания во время приложения ковочного усилия (рис. 6). Как правило, в эти моменты процесса КТС выплески образуются при сварке на очень мягких режимах в основном электродами с плоской рабочей поверхностью.

Рис. 6. Образование выплеска в момент приложения ковочного усилия при сварке деталей из стали 12Х18Н10Т, 1,5 + 1,5 мм, I = 6,8 кА, F = 6,2 кН, t = 0,34 с

СВ СВ СВ

Этот вид выплеска также происходит вследствие раскрытия уплотняющего пояска давлением расплавленного металла в ядре. Однако причина и механизм раскрытия уплотняющего пояска здесь иные, чем в предыдущих случаях.

Основной причиной образования такого вида выплесков являются чрезмерно большие размеры ядра (его высоты h и диаметра d). Вследствие этого при сжатии деталей электродами, например ковочным усилием

(см. рис. 6), твердый металл под ними в контуре Lэ чрезмерно вдавливается (проседает) в объем ядра и работает как мембрана (см. рис. 1, д), увеличивая в нем давление Р расплавленного металла. Это же давление Р вне контура рабочей поверхности электрода L стремится раздвинуть детали и раскрыть уплотняющий поясок. При определенных сочетаниях значений высоты и диаметра ядра, усилия сжатия электродов давление в ядре становится достаточным для раскрытия пояска и образования выплеска этого вида.

Предотвращаются данные выплески относительно просто. Для этого достаточно скорректировать параметры режима сварки до значений, обеспечивающих оптимальные размеры ядра. Если же технологические факторы (подготовка деталей, параметры оборудования и т. д.) не гарантируют требуемую стабильность размеров ядра, то в этих случаях рационально применять средства стабилизации и регулирования режима сварки.

Очевидно, что причины, которые приводят к образованию описанных выше видов внутреннего конечного выплеска, различны, и для их предотвращения требуются разные технологические мероприятия. Поэтому первый из них (см. рис. 1, г), при образовании которого увеличение давления расплавленного металла в ядре в основном определяется термодеформационными процессами, протекающими в зоне формирования соединения, целесообразно называть активным конечным выплеском, а второй (см. рис. 1, д), при образовании которого увеличение давления в ядре в основном определяется вдавливанием электродов в объем ядра, - пассивным конечным выплеском.

Основные технологические приемы предотвращения образования активных конечных выплесков при традиционных способах КТС, такие как увеличение усилия сжатия электродов и уменьшение жесткости режимов сварки, практически исчерпали свои технологические возможности. Поэтому эти технологии традиционных способов точечной сварки не гарантируют отсутствие этого дефекта, что особенно неприемлемо при изготовлении узлов изделий ответственного назначения.

Перспективным решением этой проблемы, позволяющим существенно повысить устойчивость процесса КТС против образования конечных выплесков, является применение способов точечной сварки с целенаправленным программированием параметров режимов [9], а кардинальным решением, позволяющим практически гарантировать их отсутствие, - применение способов КТС, дающих возможность искусственно перераспределять напряжения в площадях контактов между центральной частью зоны сварки и ее периферией, т. е. применение способов КТС с обжатием периферийной зоны соединений [10].

Таким образом, уточненный механизм образования выплесков и сформулированные условия их отсутствия при КТС делает более обоснованным выбор технологических мероприятий по их предотвращению при разработке технологических процессов изготовления сварных конструкций.

Библиографический список

1. Мирлин, Г. А. Образование выплесков при точечной сварке и методы их устранения / Г. А. Мирлин,

В. С. Савченко, В. С. Щедров // Сварочное производство. 1964. № 5. С. 4-7.

2. Методика программирования сварочного усилия при точечной сварке на стадии нагрева / С. Н. Козловский, Б. Д. Орлов, А. А. Чакалев, В. И. Малимонов // Известия вузов. Машиностроение. 1988. N° 10. С. 123-129.

3. Рукосуев, А. П. К вопросу о выплеске при точечной электрической сварке / А. П. Рукосуев // Качество, надежность и долговечность в машиностроении. Красноярск, 1970. С. 20-28.

4. Тарасов, Н. М. Особенности формирования соединения при точечной сварке стали Х18Н9Т / Н. М. Тарасов,

В. К. Карташов // Сварочное производство. 1968. № 11. С. 8-10.

5. Программирование сварочного усилия при точечной электросварке легких сплавов / В. Г. Подлесных, Б. Д. Орлов, А. А. Чакалев, Г. П. Царьков // Электросварка / Информэлектро. М., 1971. Вып. 9. С. 10-12.

6. Чулошников, П. Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов / П. Л. Чулошников. М.: Машиностроение, 1974. 232 с.

7. Козловский, С. Н. Определение устойчивости процесса контактной точечной сварки / С. Н. Козловский, А. Н. Липин // Сварочное производство. 1995. № 9.

С. 29-31.

8. Козловский, С. Н. Моделирование взаимодействия деталей в площади контакта при точечной сварке /

С. Н. Козловский // Известия вузов. Сер. «Машиностроение». 1990. № 9. С. 89-94.

9. Программирование усилия сжатия электродов при контактной точечной сварке // Сварочное производство. 1990. № 1. С. 33-35.

10. Козловский, С. Н. Контактная точечная сварка с обжатием периферийной зоны соединения / С. Н. Козловский // Сварочное производство. 1991. № 10. С. 4-7.

S. N. Kozlovsky, E. G. Jashemrtov

SOME ASPECTS OF THE INCREASE OF THE STABILITY OF THE PROCESS OF POINT WELDING AGAINST EDUCATION OF THE SPLANING

Splashes formation reasons are considered and their prevention techniques are given in the article.