Режимы сварки выбирают на основании анализа особенностей данного вида сварки, свойств свариваемых металлов и формы соединяемых деталей.

Выбор режима сварки . При сварке сопротивлением (см. рис. 1.11) для образования качественного соединения основное внимание уделяют получению равномерного нагрева торцов и деталей и деформации металла, в наибольшей степени обеспечивающей разрушение и удаление оксидов. Основными параметрами режима являются сварочный ток I _СВ или плотность тока j, время протекания тока t _СВ, начальное усилие сжатия F _Н и усилие осадки F _ОС (соответственно начальное давление р_н и давление осадки р_ос), укорочение деталей при сварке Δ_св, установочная длина l₀.

Для определения j и t _СВ используют эмпирическую формулу

,                                      (3.14)

где k — коэффициент, равный 8…10 для сталей, 20 для алюминия, 27 для меди.

Как t _СВ, так и j колеблются в широких пределах. При чрезмерной j возможен выплеск. Уменьшение t _СВ приводит к неравномерности нагрева деталей по сечению, а увеличение усиливает окислительные процессы. Малое р_н облегчает нагрев деталей, однако может привести к образованию выплесков и усилению окисления торцов. Повышение р_ос увеличивает пластическую деформацию деталей, активизирует процессы разрушения оксидов и обновления поверхности. Минимальная установочная длина l₀ при сварке компактных сечений обычно равна диаметру или трем-четырем толщинам свариваемых деталей. Увеличение l₀ может привести к искривлению деталей, потере их устойчивости. При малом значении l₀ на зону сварки сильное влияние оказывает отвод теплоты в электроды.

При сварке оплавлением электрические параметры режима зависят от теплопроводности и температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая задается также с учетом активности металла к взаимодействию с газами и к процессам испарения легирующих элементов, а также от сечения свариваемых деталей. Усилие осадки и скорость осадки соответственно определяются теплопроводностью металла и его активностью к окислению.

При сварке оплавлением стремятся обеспечить:

1) нагрев деталей для оплавления торцов и проведения деформации с целью удаления оксидов, а также для предупреждения образования неблагоприятных структур в околошовной зоне;

2) локальную интенсивность оплавления перед осадкой для формирования равномерно оплавленного слоя металла, предупреждения окисления и получения благоприятного рельефа поверхности торцов;

3) деформацию деталей с достаточно большой скоростью, предупреждающей преждевременное остывание металла торцов и застревание оксидов в стыке.

Величина деформации должна обеспечивать определенное растекание металла в плоскости стыка и выравнивание рельефа поверхности, необходимое для выдавливания расплавленного металла и оксидов.

Основные параметры режима: скорость оплавления v_опл, плотность тока при оплавлении j_опл, припуск на оплавление Δ_опл время оплавления t_опл, величина осадки Δ_ос и ее скорость v_oc, длительность осадки под током t_oc.т, величина осадки под током Δ_ос.т, усилие осадки F _ОС или давление осадки р_ос, установочная длина детали l_0. Задают также напряжение холостого хода машины U₂₀ и программу его изменения. При сварке импульсным оплавлением указывают также частоту f_к и амплитуду А_к колебаний подвижной плиты машины.

При сварке оплавлением с подогревом задают температуру подогрева Т_под, длительность подогрева t_под, число импульсов подогрева и их длительность t_имп, припуск на подогрев Δ_под.

Скорость оплавления v_опл выбирают из условий получения определенного распределения температуры в деталях. Для равномерного нагрева торцов перед осадкой конечную скорость оплавления v_опл.к значительно увеличивают. От припуска на оплавление Δ_опл зависит получение равномерного нагрева по сечению, оптимального распределения температуры вдоль деталей и образование слоя расплавленного металла на торцах. Обычно Δ_опл составляет 0,7…0,8 общего припуска на сварку. При сварке с подогревом и импульсным оплавлением Δ_опл сокращается в 2…3 раза.

Плотность тока j_опл должна обеспечить процесс устойчивого оплавления. Она увеличивается с увеличением λ металла и v_опл снижается при сварке с подогревом, а также при сварке деталей большого сечения. Вначале оплавления j_опл наибольшая, по мере нагрева деталей она снижается, однако увеличение скорости оплавления к концу процесса вызывает увеличение j_опл.

Припуск на осадку Δ_ос выбирают из условия удаления нагретого металла и оксидов из стыка. Припуск на осадку под током Δ_ос.т составляет обычно 0,5…0,8 Δ_ос.

Давление осадки р_ос выбирают в зависимости от природы свариваемого металла и степени нагрева деталей.

Скорость осадки v_oc выбирают с учетом ее влияния на окисление металла во время осадки и удаление оксидов и перегретого металла из стыка; она увеличивается при сварке активных металлов.

Напряжение холостого хода U₂₀ выбирают минимальным, обеспечивающим устойчивое оплавление.

Установочная длина деталей

2l₀ = Δ_опл + Δ_ос + Δ_к,

где Δ_к — конечное расстояние между зажимами.

Обычно при сварке круглых стержней и толстостенных труб
l₀ = (0,7 … l) d, где d — диаметр свариваемых деталей. При малой l₀ наблюдается большой отвод теплоты в электроды, а зона интенсивного нагрева сужается, что требует увеличения р_ос. С увеличением l₀ увеличивается требуемая электрическая мощность и уменьшается жесткость деталей.

При сварке оплавлением с подогревом температуру подогрева Т_под выбирают в зависимости от сечения свариваемых деталей и их металла. При сварке конструкционных сталей температура подогрева обычно составляет 800…1000 °С и возрастает до 1000…1200 °С при сварке деталей сечением 10 000…20 000 мм². Температура подогрева деталей из труднодеформируемых аустенитных сталей на 100…150 °С выше. Время подогрева t_под возрастает с увеличением площади сечения деталей от нескольких секунд при сварке деталей сечением 500…1000 мм² до нескольких минут при сварке деталей сечением 15 000…20 000 мм². Длительность импульсов подогрева t_имп обычно составляет 1…8 с, а припуск на подогрев Δ_под изменяется в пределах 1…12 мм в зависимости от сечения деталей и свойств свариваемого металла.

Усилие зажатия деталей F_заж выбирают из условия предупреждения проскальзывания деталей в губках при осадке: F_заж = k₀×F_oc, коэффициент k₀ обычно колеблется от 1,5 до 4 и зависит от свойств свариваемого металла, конструкции зажимов, наличия упоров, конфигурации деталей.

После анализа образования соединений, особенностей стыковой сварки свариваемого материала и формы деталей, а также возможностей сварочного оборудования выбирают ориентировочные значения параметров режима, которые затем корректируются при сварке образцов-свидетелей с учетом конкретных технологических условий сварки до получения требуемого качества соединения. Уточненный (оптимальный) режим, обеспечивающий положительные результаты сварки, фиксируется в соответствующей технологической документации; при этом выдается разрешение на сварку изделий.

Технологические особенности процесса стыковой сварки. В процессе сварки нагретый металл контактирует с атмосферными газами, имеет место испарение легирующих элементов, детали длительное время находятся под воздействием высоких температур, происходит пластическая деформация и концентрация растягивающих напряжений на периферии соединения. В результате могут произойти:

- образование на поверхности торцов трудно удаляемых твердых оксидов (например, при сварке алюминиевых сплавов — А1₂О₃ и др.);

- ухудшение механических свойств приконтактных слоев металла в связи с растворением О₂, N₂ (например, при сварке титановых сплавов и др.), а также с испарением, например, цинка из латуни и др.;

- неблагоприятные изменения свойств металла в зоне термического влияния, характер которых зависит от состава и предшествующей термомеханической обработки металла. Так, например, часто наблюдается рост зерна, в зоне частичного плавления образование усадочных рыхлот и расслоение волокон (вероятность образования которых возрастает с увеличением температурного интервала кристаллизации сплава и наличия строчечной структуры), разупрочнение при растворении упрочняющих фаз (например, при сварке алюминиевых сплавов, упрочняемых термообработкой), а также при нагартовке (например, незакаливающихся сплавов), повышение твердости при перекристаллизации и закалке;

- образование растягивающих напряжений, способствующих развитию продольных горячих трещин.

Однако существующие технологические приемы при сварке данного конкретного изделия позволяют в той или иной мере исключить неблагоприятное влияние рассмотренных особенностей процесса сварки и при правильно выбранном режиме получить качественное соединение. Так, например, за счет осадки частично (при сварке сопротивлением) и полностью (при сварке оплавлением) устраняют дефекты, связанные с взаимодействием нагретого металла с атмосферой. Выбором надлежащей программы нагрева и осадки, а также проведением послесварочной термообработки добиваются минимальных неблагоприятных изменений структуры и свойств сварного соединения.

Режимы сварки различных металлов. На режимы стыковой сварки существенно влияют тепло-физические, механические и металлургические свойства металлов и оксидные пленки. Так, при сварке металлов с низким значением ρ и соответственно с высокими значениями λ и а увеличивают плотность тока j. Аналогично влияет повышение температуры нагрева деталей и скорость оплавления. При увеличении σ_д металла и плотности оксидных пленок повышают р_ос. Увеличение температурного интервала кристаллизации сплава, температурного интервала хрупкости и коэффициента линейного расширения α способствует расслоению волокон, образованию горячих трещин и усадочных рыхлот. Для предупреждения этих дефектов ограничивают протяженность зоны пластической деформации (например, за счет увеличения градиента температур нагрева деталей).

Низкоуглеродистые стали отличаются отсутствием элементов, образующих тугоплавкие оксиды, малочувствительны к термомеханическому циклу сварки, имеют некоторые средние значения λ, а, ρ и σ_д.

Для них характерны следующие параметры режима сварки оплавлением: j_опл = 8…30 А/мм²; v_oпл.сп = 0,8…1,5 мм/с, конечная скорость оплавления перед осадкой v_oпл.к — 4…5 мм/с; v_oc = 30 мм/с; р_ос = 60…80 МПа. Удельная мощность при сварке непрерывным оплавлением составляет 0,2…0,3 кВ×А/мм², а при сварке с подогревом 0,1…0,2 кВ×А/мм².

Режим сварки сопротивлением может быть мягким: j = 60…20 А/мм²; t_CB = 0,5…10 с; р_н = 15…30 МПа; р_ос = 1,5…2 р_н. Иногда применяют более жесткие режимы: t_CB = 0,6…1,5 с; j = 200…90 А/мм².

Среднеуглеродистые и низколегированные стали отличаются от низкоуглеродистых сталей повышенным содержанием углерода (который тормозит окислительные процессы), наличием легирующих элементов, склонностью к закалке и несколько увеличенным значением σ_д. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Для предупреждения окисления легирующих элементов несколько увеличивают v_oпл (до 5…6 мм/с) и р_ос (до 75…100 МПа). Пластичность соединения повышают подогревом деталей и замедленным охлаждением или быстрым охлаждением и последующим отпуском.

Высокоуглеродистые стали отличаются повышенным содержанием углерода, большим интервалом кристаллизации, склонностью к закалке и образованию рыхлот. Эти стали обычно также сваривают оплавлением. В связи с этим применяют умеренные значения v_oпл = 0,6…1,2 мм/с и v_oc = 25 мм/с. Уменьшают глубину прогрева деталей (для предупреждения образования расслоений и рыхлот) и повышают р_ос до 100…120 МПа. Пластичность соединений увеличивают замедленным охлаждением, отпуском после охлаждения или изотермическим отпуском сразу после сварки.

Высоколегированные перлитные стали отличаются высоким значением σ_д, наличием активных легирующих элементов, склонностью к закалке. Эти стали обычно сваривают оплавлением. Режим сварки: р_ос = 90…100 МПа; v_oпл.к = 7…10 мм/с; v_oc = 80…100 мм/с. После сварки  проводят местную или общую термообработку.

Аустенитные стали отличаются образованием тугоплавких оксидов хрома и высоким значением σ_д. Стали сваривают оплавлением. Режим сварки: интенсивное оплавление v_oпл.к == 5…6 мм/с; скорость осадки v_oc = 50 мм/с; р_ос — 150…240 МПа; j_опл = 5-4-10 А/мм².

Титановые сплавы отличаются активным взаимодействием с атмосферными газами, сопровождаемым образованием хрупких структур, резко снижающих пластичность соединений. При стыковой сварке интенсивным непрерывным оплавлением без специальной защиты зоны сварки применяют следующий режим: v_oпл.к = 4…10 мм/с; v_oc = 200 мм/с; р_ос = 30…100 МПа; j_опл = 8…12 А/мм². При этом удельная мощность составляет около 0,1 кВ×А/мм². Некоторое уменьшение р_ос объясняется локализацией деформации на участке деталей, нагретых свыше 1200…1300 °С.

После сварки многие титановые сплавы подвергают термообработке. При сварке в аргоне формирование качественного соединения существенно облегчается.

Алюминиевые сплавы отличаются образованием тугоплавких оксидов алюминия, высокими значениями λ и а, малым ρ, часто имеют широкий интервал кристаллизации.

При сварке оплавлением применяют большие v_oпл.к (до 20 мм/с) и v_oc (более 150 мм/с). Это вызывает необходимость увеличения р_ос (150…300 МПа), Δ_ос и плотности тока перед осадкой (до 25…45 А/мм²). Для устранения расслоения волокон и образования рыхлот (часто наблюдается при свободной деформации при осадке) применяют формирующие устройства для принудительного деформирования. Принудительное деформирование требует повышения р_ос иногда до 500 МПа и выше.

Особенности технологии стыковой сварки различных деталей. Способ и режимы стыковой сварки в значительной мере зависят от формы и сечения свариваемых деталей.

Сварка стержней. Стержни из низкоуглеродистой стали диаметром до 15 мм иногда сваривают сопротивлением (t_св = 0,5…0,6 с; j = 90…200 А/мм²).

Стержни диаметром до 60 мм сваривают непрерывным оплавлением; большие сечения сваривают оплавлением с подогревом, с программным регулированием напряжения и импульсным оплавлением. Большое внимание уделяют центрированию торцов; обычно используют полукруглые, призматические и плоские электроды. Для равномерного нагрева по сечению при сварке стержней среднего и большого сечения применяют двусторонний или крестообразный токоподвод.

Сварка рельсов. Нормальные железнодорожные рельсы имеют сечение 5000…8000 мм² и прокатываются из стали, содержащей до 0,9 % С. Рельсы сваривают на стационарных или в полевых условиях на передвижных машинах. При сварке рельсы зажимаются плоскими электродами на длине 150…200 мм с двусторонним подводом тока.

Сложность сварки рельсов обусловлена их конфигурацией, что затрудняет равномерный нагрев торцов и деформацию металла. Качество сварки повышают за счет интенсификации оплавления перед осадкой. Для этого обычно увеличивают v_oпл.к до 0,9…1,2 мм/с. Для сварки рельсов (сечением 6000 мм²) рекомендуют следующие параметры режима:

1) при сварке оплавлением с подогревом: U₂₀ — 9 В; t_под = 240 с; t_имп = 5,5 с; Δ_опл = 20 мм; v_{oпл ср} = 1 мм/с; р_ос = 40…50 МПа; v_oc = 15 мм/с; Δ_ос = 10 мм; t_св = 120 с;

2) при сварке оплавлением с программным изменением напряжения: U_2maх — 7 В; U_2mln = 4 В; U_20кон = 5 В; v_{oпл ср} = 0,9 мм/с; Δ_опл = 30 мм; j_опл = 2,8 А/мм (перед осадкой); Δ_ос = 10 мм; t_св = 120 с;

3) при сварке импульсным оплавлением (жесткий режим): U₂₀ = = 6,3 В; Δ_опл = 7 мм; v_oпл.к = 0,9 мм/с; f_к = 25 Гц; А_к = 0,4 мм; Δ_ос = 6 мм; t_св = 35 с (удельная мощность 0,03 кВ×А/мм²).

Для улучшения свойств сварных соединений после сварки проводят нормализацию или отпуск.

Сварка труб. Стыковую сварку труб применяют в котлостроении, при изготовлении нефтяного оборудования, при строительстве магистральных и промысловых трубопроводов и т. д. При сварке труб требуется точное совпадение свариваемых кромок, как правило, обеспечение проходного отверстия не менее 80…90 % внутреннего диаметра трубы и равномерный подвод тока по периметру.

Трубы диаметром до 60…100 мм сваривают непрерывным оплавлением или оплавлением с подогревом. В зависимости от жесткости трубы применяют электроды с цилиндрической и призматической поверхностью. При сварке непрерывным оплавлением труб из низкоуглеродистой и легированной стали процесс начинают при малой скорости оплавления и заканчивают при v_oпл.к = 6…10 мм/с (обычно подвижная плита перемещается по закону s_п = k × t² или s_п = k × t^3/2). Для сварки стальной трубы (60×3 мм) сечением 550 мм² рекомендуется следующий режим: U₂₀ = 6,5…7 В; 2l ₀ = 70 мм; Δ_опл = 15 мм; v_{oпл ср} = 1…1,15 мм/с; Δ_ос = 4,5 мм; Δ_ост — 3 мм.

Толстостенные трубы большого диаметра со стенками 12…50 мм сечением 4000…32 000 мм² сваривают оплавлением с подогревом. Для сварки трубы из низкоуглеродистой стали диаметром 200 мм, сечением 20 000 мм² применяют следующий режим сварки: 2l ₀ = = 420 мм; U₂₀ = 9,3 В; t_под = 540 с; t_имп = 6 c; Δ_опл = 23 мм; v_{oпл ср}  = 0,6 мм/с; Δ_ос = 15 мм; Δ_ост = 12 мм. Иногда для защиты от окисления внутрь трубы помещают вещества, выделяющие при нагреве водород и углекислый газ (например, шлаковые тампоны, смоченные бензином, и др.).

Магистральные трубопроводы больших диаметров 700…1450 мм сваривают непрерывным оплавлением с программным изменением напряжения и скорости сближения торцов. Для сварки применяют установки, оснащенные кольцевыми или блочными трансформаторами, обеспечивающими равномерный подвод тока по периметру трубы. При этом резко снижается сопротивление сварочного контура (до 12…15 мкОм), и устойчивое оплавление идет при малой удельной мощности (0,015…0,025 кВ×А/мм²). Давление осадки обычно составляет 50 МПа, v_{oпл ср} — 1 мм/с. Для облегчения возбуждения оплавления кромки труб скашиваются под небольшим углом.

Сварка заготовок инструмента. Для экономии качественных инструментальных сталей из нее делают рабочую часть инструмента, а хвостовую часть — из дешевой углеродистой стали. Сварку выполняют оплавлением или оплавлением с подогревом. Технология сварки определяется в основном свойствами этих сталей. Низкие теплопроводность и электропроводимость инструментальной стали компенсируются при сварке большей (на 30…50 %) установочной длиной заготовки из углеродистой стали; склонность к образованию трещин из-за способности стали интенсивно закаливаться снижают применением замедленного охлаждения после сварки и последующего отжига; чувствительность стали к перегреву с образованием участков хрупкой структуры предупреждается удалением перегретого металла путем повышения давления осадки.

Параметры режима сварки и последующей термообработки уточняют в зависимости от свойств используемой инструментальной стали.