Различия физико-механических и химических свойств материалов обусловливают разницу в ρ₀, λ, σ_д и Т_ПЛ. Из-за неодинакового выделения и отвода теплоты ядро приобретает специфическую грибообразную форму (рис. 3.16). Диаметр ядра и глубина проплавления увеличиваются в деталях с высоким ρ₀, меньшим λ и Т_ПЛ. Причины снижения размеров ядра в детали с большей теплопроводностью такие же, как при сварке одноименных деталей различной толщины. Аналогичны и технологические способы получения номинального (расчетного) ядра в зоне контакта путем смещения плоскости теплового равновесия к стыку, предупреждения выплесков при повышении плотности тока. Проблема сварки разноименных сплавов часто усложняется различной толщиной деталей. Однако если теплопроводность и температура плавления материала тонкой детали ниже, чем толстой, сварка облегчается.

Обычно химически совместимы сплавы, построенные на одной основе или имеющие разную основу, но образующие между собой непрерывный ряд твердых растворов (например, АМг6 + Д16Т, 1420 + Д16, ОТ4 + ВТ5, Ст3 + ЗОХГСА, а также Nb + Zr, Fe + V, Ti + V, Ti + Zr, Ni + сталь и другие). В большинстве случаев сплавы на разной основе оказываются химически несовместимыми, так как образуют в ядре сплавы с неблагоприятными свойствами (хрупкие соединения). Например, при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, имеющих близкие физико-механические свойства, в ядре образуются хрупкие интерметаллиды (хрупкие химические соединения). Соединения разрушаются. Такое же явление возникает при соединении сплавов титана со сталью, алюминиевыми сплавами и многих других пар металлов.

Технология стыковой сварки

3.7.1. Выбор способа сварки, конструкции соединения и подготовка деталей к сварке

Технологический процесс стыковой сварки определяется чертежом, техническими условиями на изготовление и приемку, программой выпуска изделий.

Способ стыковой сварки выбирается в зависимости от формы и сечения деталей, марки металла, требований к качеству соединений.

Сваркой сопротивлением обычно соединяют детали небольшого, как правило круглого, сечения (не более 200 мм²) из низкоуглеродистых сталей, а также алюминия и меди (до 100 мм²). Детали большего сечения сваривают по схеме принудительного формирования или в среде защитных газов.

В связи с невысокой прочностью соединений (трудности удаления оксидов), необходимостью применения повышенной электрической мощности (высокая средняя плотность тока) и большими затратами труда на подготовку торцов сварка сопротивлением имеет относительно ограниченное применение.

Наиболее широко применяют сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением обеспечивает высокое качество соединений при меньших затратах электрической мощности и трудоемкости на досварочные операции.

Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм² (из низкоуглеродистой стали) и детали несколько большего сечения с развитым периметром (трубы, листы и др.).

Область рационального применения сварки оплавлением с подогревом сопротивлением ограничивается сечениями 500…10 000 мм². При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению приводит к снижению стабильности качества соединений. Кроме того, резко возрастает необходимая мощность оборудования.

Детали с площадью сечения 5000…40 000 мм² сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи подвижного зажима.

Высокой эффективностью обладает способ стыковой сварки импульсным оплавлением, который позволяет сваривать стальные заготовки сечением до 200 000 мм² и получать качественные соединения из различных трудносвариваемых металлов.

Торцы деталей, подлежащие стыковой сварке, должны быть рационально сконструированы:

1) необходимо создать условия для равномерного нагрева и по возможности одинаковой пластической деформации при осадке (рис. 4.1, 4.2);

2) (особенно при сварке сопротивлением) обеспечить защиту торцов от окисления и облегчить вытеснение окисленного металла из рабочей зоны шва (рис. 4.1);

3) форма деталей должна обеспечить надежное закрепление их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи зоны сварки, форму и размеры сечения торцов заготовок следует выполнять примерно одинаковыми, различие в диаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине 10 %.

Подготовка деталей к сварке заключается в получении определенной формы торцов, очистке их поверхности и поверхности деталей, правильной установке торцов перед началом сварки. Торцы деталей получают механической резкой на ножницах, пилах, металлорежущих станках, горячей или холодной высадкой на прессах, а также с помощью плазменной и газовой резки с последующим удалением шлака.

Токоподводящие участки деталей и торцов очищают различными механическими способами и травлением.

При сварке сопротивлением (вследствие трудности обновления поверхности) требуется более тщательная установка деталей при сборке, чем при сварке оплавлением. Так, зазор между торцами при сварке сопротивлением не допускается более 0,5 мм. При сварке оплавлением он может быть большим (до 15 % Δ_опл). При сварке развитых сечений требования к качеству сборки, в частности, к взаимной параллельности торцовых поверхностей деталей, ужесточаются.

3.7.2. Технология сварки различных металлов и узлов

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.