CC BY
9
О СПОСОБАХ СНИЖЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ
СВАРКЕ
Ненарокомов Г.К. ®
Магистрант, кафедра технологии сварки, Московский государственный университет имени
Н.Э. Баумана, калужский филиал
Аннотация
В статье исследуются основные способы снижения поверхностных деформаций при точечной сварке. Установлено, что наиболее эффективным способом является комплексное применение интенсивного охлаждения электродов и использование одного электрода с увеличенной рабочей поверхностью.
Ключевые слова: точечная сварка, охлаждение электродов, электрод. Keywords: spot welding, electrodes cooling, electrode.
Контактная точечная сварка широко применяется в современном машиностроении. Это обосновано тем, что данный способ обладает высокой производительностью, экономической эффективностью и легко поддаётся автоматизации, что очень важно для автомобилестроения. Однако данный способ сварки осложняется тем, что, из-за избыточного тепловыделения в контакте электрод-деталь образуются вмятины в местах постановки сварных точек. Глубина вмятин обычно составляет 15 - 20% от толщины материала, но при определенных обстоятельствах может составлять до 40 % от толщины. При этом максимальная глубина, допускаемая в автомобилестроении, составляет 25%. Этот дефект ухудшает товарный вид изделия, приводит к необходимости доработки деталей, что увеличивает материальные затраты и неблагоприятно сказывается на производительности труда. Кроме того избыточное тепловыделение в контакте электрод-деталь значительно увеличивает скорость износа электродов. Так как оно способствует массопереносу между металлом детали и металлом электрода.
При увеличении температуры растет пластичность металлов и резко снижается предел текучести. Что способствует увеличению пластической деформации металла и росту глубины вмятины. Исследователями было установлено, что для уменьшения вмятины с лицевой стороны поверхности температура в этом месте не должна превышать 250 градусов.
Для того чтобы снизить тепловыделения в контакте электрод-деталь необходимо максимально снизить электрическое сопротивление этого контакта, а также увеличить теплоотвод в электроды.
Состояние поверхностей свариваемых деталей оказывает значительное влияние на величину контактных сопротивлений и на характер тепловыделения в них. Влияние естественных окисных пленок особенно велико. Например, пленка окисла алюминия вообще не позволяет проводить сварку. Внешние поверхности деталей подплавляются настолько, что электроды практически сразу выходят из строя. Поэтому детали из алюминия приходится подвергать механической и химической обработке перед сваркой. Влияние окисных пленок других металлов и сплавов не так критично, поэтому часто можно обойтись только обезжириванием внешних поверхностей. Свойства окислов металлов и толщины свариваемых деталей определяют степень влияния окисной пленки при нормальной температуре, после пребывания на воздухе. При этом влияние пленок при сварке тонких деталей гораздо более значительно, чем при сварке толстых. В связи с этим к обработке поверхностей деталей из тонких материалов предъявляются более высокие требования. Самое большое влияние на сопротивление контактной поверхности оказывает толстая
® Ненарокомов Г.К., 2017 г.
пленка - окалина. При этом она сохраняется в процессе всего процесса сварки именно в приэлектродной области.
Уменьшить глубину вмятины и, соответственно снизить тепловыделение в контакте электрод-деталь, на лицевой поверхности изделия можно также сместив литое ядро от этой поверхности. Эффективным способом смещения ядра может быть размещения между электродом и деталью, являющейся внутренней поверхностью изделия, теплового экрана из ленты толщиной 0,05-0,3 мм. Лента должна быть обладать меньшей теплопроводностью, чем электроды. Экран аккумулирует теплоту, а также зачастую и сам выступает ее источником, что позволяет сместить литое ядро от лицевой стороны поверхности. Регулируя состав и толщину экрана можно добиться смещения изотермы в необходимом направлении и на необходимое расстояние.
Также весьма эффективным может быть способ с дополнительным кольцевым обжатием вокруг электрода. Суть данного способа в том что помимо сварочного усилия прикладывают дополнительное, но не равное по значению сварочному, усилие на периферийный участок вокруг точки. Отвод тепла от внутренней стороны поверхности детали уменьшается за счет значительного сокращения величины сварочного усилия. Однако, данный способ нуждается в дальнейшем совершенствовании, ввиду отсутствия компактных электрододержателей и громоздкости пневмооборудования.
Применение, с внешней стороны поверхности детали, электрода с большей рабочей поверхностью и\или большей теплопроводностью также позволяет снизить глубину вмятины и тепловыделение на видимой поверхности изделия. Исследования показали, что в начальный момент нагрева теплоотвод в электрод с большей рабочей поверхностью увеличивается. И ядро начинает смещаться в сторону электрода с меньшей рабочей поверхностью. При этом важно помнить, при использовании электрода с большой контактной поверхностью растет и разница температур между центром контактной поверхностью и его периферией. Эта разница может достигать 400 градусов Цельсия. Это обстоятельство приводит к неравномерному тепловому расширению материала электрода. В центре контакта оно составляет около 0.050 мм, а на периферии около 0.030 мм. В связи с этим происходит перераспределение давления на электрод, и основная часть усилия приходится на центральную его часть, где со временем появляется углубление, которое растет при дальнейшей постановке точек. Рост углубления сопровождается изменением теплоотвода и смещением литого ядра от плоскости контакта и, соответственно, снижением прочности соединения.
Особенно, данный феномен сказывается при сварке деталей разной толщины. Углубление на рабочей поверхности электрода также является причиной уменьшения площади начального контакта электро-деталь, что может приводить к выплескам. Поэтому при использовании электрода с большей поверхностью контакта необходимо увеличить усилие при сварке на 10 - 20%.Распределение температур по поверхности электрода с большей рабочей поверхностью, а также его тепловое расширение показаны на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Распределение температур по поверхности электрода с увеличенной контактной поверхностью: 1- в центре контакта электрод-деталь, 2 - на расстоянии 2,5 мм от центра, 3 -
на границе электрода
Рис. 2. Тепловое расширение электрода с увеличенной площадью контакта: 1- в центре контакта электрод-деталь, 3 - на границе электрода
Однако использование данного способа сварки приводит к образованию вмятины со стороны электрода с меньшей контактной поверхностью глубиной до 40%. Глубокие односторонние вмятины приводят не только к потере прочности в конкретной точке, но и к общему короблению деталей.
Снизить деформации поверхностей свариваемых деталей, а также уменьшить износ электродов можно за счет улучшения условий из охлаждения. Исследования показали, что при охлаждении торцов электродов до 8 и 22 градусов глубина вмятины составляет 340 и 320 мкм соответственно при толщине исследуемых деталей 1.5 мм, что составляет примерно 20%. А при полном интенсивном охлаждении до такой же температуры возможно достигнуть глубины вмятины до 90 мкм (7 % от толщины деталей). Можно сделать вывод, что охлаждение электродов имеет значительное влияние на характер теплораспределения в контакте электрод-деталь и глубину образующейся в процессе сварки вмятины.
Авторами была проведена экспериментальная сварка двух образцов толщиной 1.5 + 1,5 мм. Образцы сваривались при следующих параметрах: /св = 12кА, tсв = 12 мс, ^ = 6мм, ^ = 8мм, = 3кН. Зависимость величины вмятины от условий охлаждения показаны на рисунках 3 и 4.
Рис. 3 Зависимость величины вмятины на поверхности детали со стороны электрода с меньшей поверхностью контакта от температуры охлаждения. 1 - 8 градусов по
Цельсию, 2 - 22 градуса по Цельсию.
Рис. 4. Зависимость величины вмятины на поверхности детали со стороны электрода с увеличенной поверхностью контакта от температуры охлаждения. 1 - 8 градусов по
Цельсию, 2 - 22 градуса по Цельсию.
Таким образом, можно сделать вывод, что комплексное применение интенсивного охлаждения электродов до 8 градусов и увеличение контактной поверхности одного из них
позволяет наиболее значительно снизить деформирование, как внешней, так и внутренней поверхностей изделия и исключить операции механической обработки после сварки из технологического процесса.
Литература
1. Roger B. Hirsh - Influence of water temperature and flow on electrode life // Journal of Chemical Engineering & Process Technology - 2014. - № 7- С. 3-27.
2. Б.Д. Орлов - Технология и оборудование контактной сварки - 1986. - С. 54-70.
3. В.П. Березиенко - О влиянии условий охлаждения электродов на характер деформирования поверхностей деталей при точечной сварке // Вестник полоцкого государственного университета - 2012. - № 3 - С. 28-33.
