Классификация и характеристика способов сварки давлением.

⇐ ПредыдущаяСтр 49 из 85Следующая ⇒

Сварка давлением – процесс образования неразъемного соединения за счет образования межатомных связей между свариваемыми элементами при пластической деформации и с нагревом, либо без него.

К сварке давлением относят способы, при которых применяют только механическую или тепловую и механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

К сварке давлением без нагрева относится холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое реформирование соединяемых поверхностей.

Сварка давлением с нагревом без оплавления происходит при высоких температурах, переводящих металл в пластическое состояние. Это снижает предел текучести металла и позволяет получить нужную для сварки деформацию при небольшом удельном осадочном давлении, в несколько раз меньшем предела текучести металла при комнатной температуре.

Примерами способов сварки давлением с нагревом без оплавления могут служить кузнечная, диффузионная и ультразвуковая сварка, газопрессовая сварка, при которой нагрев производят пламенем от сжигания горючих газов в кислороде, сварка токами высокой частоты, нагревающими свариваемые кромки индуцируемыми в них вихревыми токами.

Сварка давлением с нагревом и оплавлением характеризуется высокой температурой нагрева зоны соединения, превышающей температуру плавления свариваемого металла. На поверхности соединяемых деталей тонкий слой металла оплавляется. Под действием прилагаемого давления жидкий металл при некоторых способах сварки может выдавливаться из зоны соединения, например при сварке трением, контактной стыковой, сварке оплавлением. С жидким металлом выносятся за пределы зоны соединения загрязнения поверхности. Вокруг соединения образуется наплыв выдавленного металла - грат, который после сварки удаляется. Соединение образуется за счет деформации нагретых, но не расплавленных слоев металла, находившихся под оплавленным слоем. При контактной точечной и роликовой (шовной) сварке расплавленный металл остается в зоне соединения и после прекращения нагрева кристаллизуется между соединяемыми поверхностями под давлением, образуя сварное соединение.

Сварка давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением перед сваркой плавлением. Но большинство способов сварки давлением (за исключением контактной сварки) требует создания особых условий (например, вакуума при диффузионной сварке, обеспечения безопасности работ при сварке взрывом), либо они применимы только для небольшой группы конструкций деталей. Поэтому сварка плавлением применяется чаще.

Какое отличие источников тока для аргоно-дуговой сварки от обычного выпрямителя.

При сварке неплавящимся электродом, или аргонодуговой сварке, (т. е. сварке методом TIG) дуга горит между вольфрамовым электродом и свариваемым изделием. При этом отсутствует перенос расплавленного металла через дуговой промежуток, что облегчает условия горения дуги и обусловливает ее высокую стабильность, а также исключает разбрызгивание металла, сокращает потери на испарение и улучшает качество сварного шва за счет ограничения взаимодействия расплавленного металла с газами столба дуги.

Аргонодуговую сварку обычно ведут на переменном токе или постоянном токе прямой полярности («плюс» - на детали, «минус» - на вольфрамовом электроде), т. к. при анодном подключении происходит сильный перегрев вольфрамового электрода и снижается стойкость; в этом случае возможно также оплавление или выкрашивание торца электрода, что может привести к возникновению дефектов сварного шва.

Основными элементами установок для данного вида сварки являются: источник питания, осциллятор, стабилизатор дуги, генератор импульсов тока, регулятор нарастания/спада тока, устройство подавления постоянной составляющей тока и электромагнитный газовый клапан.

Источники питания.Как правило, в качестве источника питания (ИП) в установках для аргонодуговой сварки применяют выпрямители с падающими или крутопадающими вольтамперными характеристиками (для формирования тока сварки в выпрямителях используются трансформаторы с нормальным или повышенным регулируемым магнитным рассеянием и трансформаторы, управляемые посредством неподвижного магнитного шунта; выпрямительные блоки - мостовые двухфазные или шестифазные с транзисторным или тиристорным регулированием тока). Такие схемы построения ИП дают возможность более точной настройки режима сварки, что очень важно из-за затрудненного теплоотвода с боковых поверхностей вольфрамового электрода и ограничения плотности тока, определяющей стойкость вольфрамового электрода.

Обычно в одном корпусе с источником питания размещаются система охлаждения сварочной горелки (встроенный водоохладитель при жидкостной системе охлаждения) и электронные схемы системы управления сварочным процессом, включающие осцилляторы (возбудители дуги), устройства подавления постоянной составляющей тока (используются в установках переменного тока), генераторы импульсов, устройства заварки кратера (блоки формирования спада тока), фильтры и т. д. (рис. 1).

Рис.1. Блоксхемы источников питания для арганодуговой сварки на постоянном (а) и переменном (б) токе

Некоторые производители изготавливают отдельные блоки для управления сваркой TIG, которые могут быть состыкованы с различными типами ИП, имеющими необходимую вольтамперную характеристику.

Осцилляторы. В месте контакта вольфрамового электрода и свариваемого изделия протекает ток короткого замыкания, который при падающих вольтамперных характеристиках достигает максимально возможных значений. Из-за малой площади зоны контакта плотность тока короткого замыкания может превысить критические значения и начнется разрушение вольфрамового электрода, что приведет к попаданию в сварной шов твердых частиц вольфрама, которые могут стать причиной образования трещин. Поэтому одним из важнейших условий процесса аргонодуговой сварки является бесконтактное зажигание дуги. Как правило, осуществляется оно при помощи высокочастотных генераторов, называемых осцилляторами.Обычный осциллятор состоит из повышающего трансформатора, колебательного контура, генерирующего высокочастотные колебания при помощи искрового разрядника или кварцевого резонатора, и высокочастотного дросселя, первичной обмоткой которого является индуктивная катушка колебательного контура. Частота колебаний в осцилляторах составляет 250–300 Гц, а выходное напряжение – 2-10 кВ. В первичную обмотку повышающего трансформатора включается помехозащитный фильтр, который подавляет радиопомехи, возникающие при работе осциллятора. Блокировочный конденсатор, включаемый между осциллятором и контуром дуги, исключает возможность поражения оператора током высокого напряжения. Осцилляторы обычно автоматически отключаются после возбуждения дуги.

Устройства подавления постоянной составляющей тока. Из-за различия теплофизических свойств вольфрама и материала свариваемых деталей и разных условий нагрева анодного и катодного участков дуги при сварке на переменном токе значения напряжения дуги при положительном и отрицательном полупериоде тока отличаются, то есть нарушается симметрия полупериодов относительно нулевого значения и появляется так называемая постоянная составляющая тока I_ПС. Наличие I_ПС приводит к затрудненному зажиганию дуги при отрицательных полупериодах, а на малых токах дуга начинает работать как выпрямительный вентиль и стабильность ее горения резко падает. Кроме того, постоянная составляющая тока увеличивает магнитное сопротивление вторичных обмоток силового трансформатора и снижает мощность, отдаваемую дуге. Самым простым способом компенсации постоянной составляющей тока I_ПС является включение в сварочный контур параллельно вторичной обмотке силового трансформатора RCцепочки, которая состоит из мощного резистора и электролитического конденсатора. При разрядке конденсатор дает импульсы тока в обратной полярности, что смещает отрицательные полупериоды тока и убирает постоянную составляющую тока I_ПС. Другой способ компенсации I_ПС - включение в сварочный контур полупроводникового однополупериодного выпрямителя или тиристорного коммутатора.

Стабилизаторы дуги и генераторы импульсов. Стабилизаторы дуги применяют в установках, предназначенных для сварки на переменном токе. Их основная функция заключается в подаче на дугу стабилизирующих импульсов при прохождении кривой тока через нулевое значение. Простейший стабилизатор представляет собой открытый однополупериодный выпрямитель с включенным параллельно дуге конденсатором, который разряжается на дуговой промежуток во время отрицательного полупериода. Такой стабилизатор может быть совмещен с устройством компенсации постоянной составляющей тока. Генераторы импульсов тока, включающие в себя и регуляторы нарастания/спада тока, представляют собой достаточно сложную электронную схему и обычно применяются в мощных промышленных установках. Они осуществляют цикл сварки, существенно повышающий качество сварного соединения. При такой схеме цикла сварки регулируются все составляющие цикла — I_И, I_П, tн, tи, tп, tк (и - импульс, п - пауза, н - нарастание тока). Наиболее важной составляющей является tк – время спада тока - при плавном спаде тока в конце сварки происходит равномерная и качественная заварка кратера шва, что дает возможность завершать сварку на самом изделии, не прибегая к трудоемкой технологии установки выводных пластин. Генератор также управляет открытием электромагнитного газового клапана и позволяет осуществлять предварительный (до зажигания дуги) и последующий (после гашения дуги) обдув защитным газом. При предварительном обдуве защитный газ вытесняет атмосферный воздух из зоны сварки, а последующий обдув газом обеспечивает завершение кристаллизации и остывание металла шва в течение 35 сек. после окончания сварки, что очень важно при сварке легкоокисляемых сплавов на основе алюминия, титана, меди и никеля. Такой цикл сварки обычно управляется кнопкой включения на сварочной горелке, работающей по схеме «4 нажатия»: первое нажатие - подача газа, второе нажатие - бесконтактное зажигание дуги, третье нажатие - гашение дуги, четвертое нажатие - закрытие газа.

Как правило, на мощных промышленных установках сварки TIG для упрощения настройки режима работы схема цикла сварки наносится на панель управления

Экзаменационный билет 17

Нагрев и плавление металла при сварке давлением (на примере точечной контактной сварки). Схема нагрева, полное количество выделяемой при сварке теплоты. Влияние контактного сварочного сопротивления на процессы нагрева и плавления металла.

В условиях точечной, шовной и рельефной сварки выделение теплоты вызвано действием рядом источников. Основной источник- объемно распределенный с удельной мощностью j²ρ_t (j - плотность тока) теплота выделяется за счет собственного сопротивления деталей. Второстепенные - плоские источники с удельной мощностью j²r_дд/(πd_k²/4) j²r_эд/(πd_э²/4), связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопротивлениях – теплота, выделяется на контактном сопротивлении. Доля плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10%.

Общая характеристика нагрева при контактной сварке выражается формулой теплового баланса

Q_зс = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄

где Q_зс - общее количество теплоты, генерируемое в зоне сварки; Q₁ - количество теплоты, расходуемое на нагрев до температуры плавления (Т_пл) столбика металла высотой 2d и диаметром dэ; Q₂ - количество теплоты, расходуемое на нагрев металла в виде кольца шириной x₂, окружающего центральный столбик металла; Q₃- количество теплоты, переданноев электроды за счет теплопроводности; Q₄- потери тепла в атмосферу за счет радиационного и конвективного теплообмена с поверхности деталей и электродов.

Полное количество теплоты, выделяемое между электродами за время сваркиt_свопределяетсязаконом Джоуля-Ленца: Q_зс = ∫I_св²r_зэd_.t

гдеI_св - мгновенное значение сварочного тока, меняющееся в процессе сварки; r_зэ– общее сопротивление деталей между электродами. Величина r_зэ и его распределение в зоне сварки зависят от способа сварки и существенно влияют на характер нагрева. В общем случае r_зэ = 2r_д +2r_эд +r_дд; где, r_д - собственное активное сопротивление свариваемых деталей; r_эд - переходное сопротивление в приконтактной зоне между деталью и электродом; r_дд - сопротивление на участке контакта двух деталей.

Потери тепла Q₃ в атмосферу за счет лучеиспускания, ввиду кратковременности процесса, незначительны, и в расчетах ими пренебрегают.

Обычно количество тепла Q₁ необходимого непосредственно на образование сварной точки, называют полезным тепломQ_пол, а тепло, расходуемое на нагрев окружающего ядро металли электроды, называют потерями тепла - Q_пот = Q₂+Q₃.

Потери теплоты увеличиваются с увеличением продолжительности нагрева, поэтому растет и общее количество теплоты Q. При этом неизбежно расширяется зона нагрева при высоком коэффициенте температуропроводности свариваемого материала.

Современная тенденция в развитии контактной сварки основана на применении мощных машин, обеспечивающих снижение времени сварки, что уменьшает потери электрической энергии, в ряде случаев снижает остаточные деформации и повышает производительность.

При контактной сварке во время нагрева возникают два взаимосвязанных поля: электрическое и температурное.

Температурное поле- совокупность температур в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. В общем случае это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи, которые были рассмотрены выше.

Характер тепловыделения определяется электрическим полем в свариваемых деталях и электродах.Электрическое поле- совокупность плотностей тока в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени.

Для контактной сварки характерно неравномерное электрическое поле, его неравномерность зависит от способа подвода тока, температурного и магнитоэлектрического факторов. При подводе тока при точечной, рельефной и шовной сварке на электрическое и как следствие на температурное поля особенно влияет геометрический фактор. При этих способах площадь контактных поверхностей электродов мала по сравнениюс размерами деталей, через которые проходит сварочный ток. Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потенциалов и электрических сопротивлений деталей и электродов.

Температурный фактор проявляется в различном сопротивлении металла, нагретого до разных температур. Проходящий ток обтекает более нагретые участки, имеющие меньшую проводимость. Так, удельное электросопротивление жидкого ядра в 1,5-2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока вблизи границ ядра заметно повышается (более чем на 25%) и снижается над ядром. Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует его росту по мере роста диаметра ядра.

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости, мало влияет на характер электрического поля.

Температурное поле при сварке не является стационарным, оно быстро видоизменяется и характеризуется значительной неоднородностью. Во время сварки скорость нагрева очень высокая - до 200 000°С/с. Градиенты температур на отдельных участках могут достигать 100 000°С (с особенно при сварке малых толщин). Вначале поле возникает в твердом металле. Через период времени (0,3-0,5)t_cв начинается образование литого ядра в области контакта деталей, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров. Максимальная температура в ядрена 15-20% выше температуры плавления металла.

Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева. Так, при точечной сварке деталей толщиной 1 - 4 мм ядро полностью кристаллизуется через 0,02 - 0,08 секунд [1]. В течение этого времени часть теплоты распространяется вглубь деталей, нагревая околошовную зону.

Взависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жесткие и мягкие режимы сварки.

Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока. Температурное поле определяется преимущественно тепловыделением, потери тепла Q₂+Q₃- 20% Q_зэ. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, что увеличивает склонность к образованию выплеска расплавленного металла, и для предотвращения этого повышают сварочное усилие.

Мягкий режим характерен значительной длительностью протекания тока относительно малой силы. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами (Q₂+Q₃i80% О_зэ). Скорость нагрева и охлаждения ниже, чем при жестком режиме.

На характер температурного, поля оказывает влияние большое количество факторов: сила сварочного тока и время его протекания, а также форма импульса тока, сварочное усилие, диаметр и форма электродов, свойства электродных свариваемых материалов, размеры свариваемых деталей и др.

⇐ Предыдущая 44 45 46 47 484950 51 52 53 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2018-04-12; просмотров: 443.

stydopedya.ru не претендует на авторское право материалов, которые вылажены, но предоставляет бесплатный доступ к ним. В случае нарушения авторского права или персональных данных напишите сюда...