5 (Курс лекций в электронном виде), страница 2

Непосредственная роль пластической деформации в образовании металлических связей при точечной и шовной сварке невелика из-за малой относительной сдвиговой деформации в пояске. Лишь при сварке титановых сплавов за счет растворения оксидов в основ­ном металле отмечается область развитой связи, повышающей проч­ность соединений, Возможно образование также связей в твердой фазе при микросварке некоторых металлов и наплавке.

При рельефной сварке за счет деформации выступов относитель­ная сдвиговая деформация возрастает, что позволяет в ряде случаев получать достаточно прочные соединения без расплавления металла преимущественно при сварке углеродистой стали.

2-й учебный вопрос: Микропластическая деформация.

Микропластическая деформация идет на протяжении I и П этапов формирования соединения (см. рис. 1.3). Однако, как это было показано ранее, при обычных циклах сварки образование электрического контакта — снижение контактного со­противления — в основном завершается спустя время, равное 0,1 — 0.2',!/,,.„. Например, при сварке алюминиевых сплавов рельеф поверхности в контакте электрод—деталь деформируется на 70—80 % первоначального значения, становится равным рельефу поверхности электрода и при дальнейшем увеличении усилия сжатия практически т- изменяется.

Объемная пластическая деформация при точечной сварке

При точечной сварке вследствие неравномерного нагрева образуется зона металла с различным сопротивлением пластической деформации. Тепловое расширение происходит в стесненных усло­виях и сопровождается возникновением неравномерного распреде­ления внутренних напряжений, которые в сочетании с постоянно действующим внешним усилием сжатия Fсв вызывают необратимые объемные пластические деформации.

Упрощенная качественная модель напряжений, сил и деформа­ции в стадии нагрева представлена на рис. 1.26.

Объемно-напря­женное состояние зоны сварки характеризуется сжимающими ра­диальными (r), окружными (0) и осевыми (z) напряжениями (последние суммируются с r и 0), а также деформациями z, r и 0.

Наибольшие значения z отмечаются вблизи оси z, где напря­женное состояние близко к всестороннему сжатию. Наименьшее значение z и соответственно д — на периферии контактов и осо­бенно на границе контакта деталь—деталь. Это объясняется нали­чием зазора между деталями, в который относительно свободно течет деформируемый металл.

Наибольшая степень пластической деформации (z, 0 и r) отме­чается в области пояска (z = 0). Так, на рис. 1.26 приведено распре­деление ; и , (сечение II—II), которое показывает, что по оси z происходит деформация укорочения, а по оси r — деформация удлинения. Например при точечной сварке двух деталей из алюминиевых сплавов толщиной 2 + 2 мм z mах ~ 20 %, а r mах ~ 15 %. Вблизи поверхностей деталей z, r и 0 практически равны нулю.

Тепловое расширение металла в области контакта деталь—деталь — основная причина образования зазора, в который происходит плас­тическое вытеснение части нагретого металла.

До расплавления снижение д и избыток металла за счет дилатомет­рического эффекта компенсируются небольшим раздвиганием электродов, а также вытеснением части металла в зазор, что обеспечивает во внутрен­нем контакте рельеф, ограничиваю­щий растекание сварочного тока. Рис. 1.26. Характер пластической л ПРИ расплавлении В замкнутом деформации при точечной сварке объеме резко увеличивается объем металла ядра, возбуждаются электромагнитные силы (последние со­ставляют ~ 5 % Fсв); в результате возникает гидростатическое дав­ление (ря), определяемое общим балансом напряжений в зоне свар­ки. Дилатометрический эффект и общее снижение д компенсируют­ся раздвиганием электродов и дальнейшим вытеснением в зазор деформируемого металла. Это способствует образованию не только рельефа, ограничивающего растекание сварочного тока, но и герме­тизацию литого ядра, предохраняя металл от выплеска и контакта с атмосферой.

Сварочное усилие Fсв на стадии плавления должно быть наиболь­шим, так как оно контролирует устойчивость процесса против обра­зования выплеска. Это усилие возрастает при увеличении д металла, например, при жестких режимах сварки или при сварке жаропроч­ных металлов. Оно может быть уменьшено путем предварительного подогрева деталей.

Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение д; соответственно температура внешней границы намного ниже, а д больше. Металл пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом сжи­мающие напряжения (zп) и сила Fп стремятся увеличить зазор между деталями.

Рассмотренный характер объемной деформации приконтактной области I—I (см. рис. 1.26) деталей вызывает «оседание» верхних слоги металла и образование вмятины от электрода на поверхности. Скорость этого оседания и размеры вмятины резко возрастают при образовании внутреннего выплеска.

При обычной схеме сварки можно предполагать наличие неко­торого динамического равновесия между величиной Fcв, средним сопротивлением пластической деформации зоны сварки и количе­ством вытесненного металла в зазор между деталями.

Нарушение такого равновесия приводит или к быстрому росту пластического пояска, снижению плотности тока и замедлению роста литого ядра — устойчивый процесс сварки, или, наоборот, к быстрому росту литого ядра, увеличению давления ря, замедлению роста пояска, разгерметизации расплавленной зоны и выплеску.

Приближенно объективным критерием оценки устойчивости про­цесса к выплеску может служить общая степень пластической де­формации 0, которая определяется отношением смещенного объема Vсм к деформируемому объему металла Vд: 0 = Vсм 100/Vд, %.

Деформируемый объем представляется условно в виде цилиндра с основанием dп, и тогда Vд = 2sпd2п/4. В свою очередь Vсм = Vз + Vт,- где Уг — изменение объема цилиндра вследствие нагрева; уз — объем вытесненного металла при вдавливании электрода. Так, например, для алюминиевых сплавов 0 = 12-15 % Vз ~ V-г. Отмечается определенное постоянство с, что объясняется необходи­мостью перемещения заданных объемов металла в зазор для обра­зования уплотняющего пояска и компенсации теплового расши­рения.

3-й учебный вопрос: Особенности объемной пластической деформации при шовной и рельефной сварке.

При выполнении первой точки шва характер пластической деформации такой же, как при точечной сварке. Однако при сварке следующих точек перед роликом металл деформируется в зазор, как и при точечной сварке, а позади ролика металл вытесняется под ролик (см. рис. 1.27, а), как и в случае нагрева целой пластины (см. рис. 1.27,6). На поверхности шва образуется серповидный рельеф. Вследствие относительно высокого теплосодержания зоны соединения при шовной сварке общая степень пластической дефор­мации и размеры уплотняющего пояска больше. Это дает возмож­ность несколько уменьшить время сварки и усилия по сравнению с режимами точечной сварки.

С другой стороны, деформация поверхностных слоев металла приводит к ускоренному износу роликов. Пластическая деформация может оказать благоприятное влияние на плотность шва. Так, при сварке последующих точек и повторном нагреве несплошности (раковины) в предыдущих точках могут заполняться деформируе­мым в эти несплошности металлом (см. рис. 1.43).

При рельефной сварке в твердом состоянии стре­мятся обеспечить большую степень пластической деформации в ра­диальном направлении в контакте деталь—деталь, что способствует очистке поверхности и обра­зованию металлических связей (рис. 1.28, а). Одновременно про­исходит деформация вдоль оси z и заполнение впадины под электро­дом. Обычно соединение в твердом состоянии образуется по кольцу по периферии контакта. Дальнейший нагрев металла приводит к об­разованию ядра по обычной схеме точечной сварки (рис. 1.28, б).

Расчет сварочного усилия при точечной сварке.

Для качественной оценки Fcв при точечной сварке в соответствии с рассмотренным процессом деформации разработана деформационная модель (см. рис. 1.26).

Условие равновесия сил относительно оси г можно записать в интегральной форме в следующем виде:

(1.12)

где гп — нормальные напряжения на контакте электрод — деталь; ря — давление жидкого металла в ядре; 2П — нормальные напряжения на пояске.

Левая часть уравнения (1.12) представляет собой сварочное усилие Fcв первое слагаемое в правой части -- усилие, обусловленное давлением жидкого металла ядра /''я, а второе — усилие Рп со стороны уплотняющего пояска. Для приближенных (темпов это уравнение можно упростить, считая, что давление в ядре не зависит от / и :

Если вместо zп подставить его среднее значение zп.ср.

То уравнение (1.12) будет иметь вид

FсвFяFп или (1.13)

Решение этого уравнения при условии t = tСВ может быть произведено в сле­дующей последовательности: по ГОСТ 15878 — 79 задается d. Значение dп. к Для устойчивого процесса сварки рекомендуется 1,2dном.

Величина z п. ср = д. п. к (2-d/dп.к), д. п. к = 0kTkuke, где 0 - исходное значение сопротивления пластической деформации, для АМг6 — 100 МПа (при Т = 350 °С, скорости деформации и = 10с-1 и степени деформации ( = 10%). Коэффициенты kT, ku, ke определяются по таблицам при заданных значениях u, e, T конкретно для данных металлов, толщин и режимов сварки. Так, для АМг6 при жестком режиме сварки д. п. к = 180-200 МПа, при мягком — 80 — 100 МПа

Это выражение является реше­нием известной задачи нагружения толстостенной сферы внутренним давлением ря. Характер изменения д и я при точечной сварке на различных режимах приведен на рис. 1.29.

При точечной сварке АМг6 Ря. к = 1,3 - 1,4д. п. к. Полученные данные подставляют в уравнение (1.13) и находят значение Fcв.

Уравнение (1.13) может быть использовано и' для расчета про­граммы изменения усилия в про­цессе сварки в соответствии с тем­пературным полем, средними напря­жениями в контакте, давлением в ядре и текущими значениями размеров контактов и сопротивления пластической деформации.

Пример. Рассчитать усилие при точечной сварке сплава Амг6 толщиной 1 + 1 мм (/, = 5 мм, д. п. к = 200 МПа (жесткий режим), dп. к = 6 мм. Находим z п. ср = 200 (2 - 5/6) = 234 МПа. ря. к = 200-1,3 = 260 МПа Fсв = [п(5*10-3)2/4] 260*106 + [п (52 — 42)/4] 10-6*234*106 = 6 700 Н.

Заключение:

При рельефной сварке отмечается интенсивная деформация (осадка) рельефа на первом и особенно на втором этапе формирова­ния соединений. Рельеф при этом полностью деформируется, но под электродами остаются небольшие вмятины.

Методические рекомендации:

- обобщить наиболее важные, существенные вопросы лекции;

- сформулировать общие выводы;

- поставить задачи для самостоятельной работы;

- ответить на опросы студентов.

Лекция разработана «___»________200__г.

_______________________И.Н.Гейнрихс