Разновидности способов и особенности протекания процессов стыковой сварки
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 горцами заготовок и сопровождается интенсивным выбросом частиц расплавленного металла и укорочением деталей.
Режим непрерывного оплавления определяется скоростью перемещения подвижной плиты машины νπ, вторичным напряжением холостого хода трансформатора U2xx, сопротивлением короткого замыкания машины ZK3, вылетом деталей и припуском на оплавление Δопл. На формирование температурного поля в свариваемых деталях наиболее влияют скорость νπ и напряжение U2xx. При сварке деталей с поперечным сечением до 1 500 мм2 величину напряжения U2xx 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 U2xx=const.
Чтобы возбудить процесс оплавления деталей с большим контактным сечением (рельсы, прокат и т. п.), требуется высокое начальное напряжение U2xx, при котором в дальнейшем (по мере нагрева торцов) оплавление становится прерывистым из-за 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 U2xx по заранее установленной программе. Исследования, проведенные в ИЭС им. Е.О. Патона, показали возможность получить достаточно большую зону разогрева при низких скоростях подачи νп=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 υп.В случае чередования периодов (импульсов) повышения νпи 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 νп.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 (рисунок. 6.10)). 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.
tимп — длительность импульса подогрева; tп — длительность паузы между импульсами; tпод — длительность подогрева; tопл — длительность оплавления; tоc — длительность осадки; Iпод — ток подогрева; Iопл — ток оплавления; Iос — ток осадки; L — перемещение плиты машины; Δопл — припуск на оплавление; Δос — припуск на осадку
Рисунок. 6.10 – Циклограмма процесса сварки оплавлением с подогревом
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 на осадку 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 ZK3 короткого замыкания благодаря предварительному подогреву металла и возможности повышения напряжения U2xx без существенного ущерба для качества соединений. Поэтому в машинах для сварки с предварительным подогревом управление оплавлением ограничивается изменением vппо 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.) 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.
Для углеродистой стали значения Δt не выходят за пределы сотых долей секунды и лишь в редких случаях (при широкой зоне нагрева) составляют десятые доли секунды. Поэтому минимально допустимая скорость осадки зависит от геплофизических 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.
Однако в условиях производства неизбежно воздействие на процесс различного рода возмущений, приводящих к отклонению параметров режима сварки от заранее подобранных значений. К таким возмущениям относятся колебания напряжения сети Uc,изменения сопротивления ZK3 короткого замыкания машины и др. Так, в производственных условиях Ucне остается неизменным, а меняется в течение дня плавно или скачкообразно. При стыковой сварке в полевых условиях колебания Ucвозможны из-за ограниченной мощности передвижной электростанции. С повышением Uc увеличивается глубина кратеров на оплавляемых поверхностях и сужается зона термического влияния. При этом возможно образование оксидов металла, трудно удаляемых из стыка в процессе осадки. При чрезмерно низком Uc оплавление протекает неустойчиво и часто переходит в короткое замыкание цепи. Значит, колебания Uc влияют как на тепловую эффективность процесса оплавления, так и на его устойчивость, а также на формирование сварного соединения.
При длительной работе сварочной машины увеличивается активное сопротивление токоведущих частей контура вследствие нагрева, особенно при нарушениях в системе охлаждения. Кроме 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.
Дата добавления: 2022-05-27; просмотров: 141;