Сварка по методу Игнатьева

Вид контактной сварки, при котором, ток в свариваемых деталях протекает не перпендикулярно, а параллельно плоскости соединения.

Разновидности метода: прессовая сварка и непрерывная сварка.

Рисунки с прессом и роликами

Применяется в производстве инструмента.

Точечная сварка

Вид КС, при котором детали свариваются не по всей поверхности их касания, а в отдельных точках. В отличие от стыковой сварки используется соединение в нахлест. Детали сжимаются электродами и нагреваются электрическим током до появления внутри деталей расплавленной зоны – ядра. Металл ядра удерживается от выплеска уплотняющим пояском (зона пластической деформации). После образования расплавленного ядра сначала выключается ток, а затем снимается нагрузка с электродов.

По способу подвода тока сварка бывает односторонней и двусторонней.

Разновидность односторонней сварки – сварка сдвоенным электродом.

Различают одноточечную и двухточечную сварку.

Рисунки

Рельефная сварка

Вид КС, при котором соединение деталей осуществляется одновременно в нескольких точках, определяемых выступами одной из деталей. Детали сжимаются, включается ток, выступы расплавляются и сплющиваются. После сварки детали плотно прилегают друг к другу.

Рисунок

Т-образная сварка

Вид КС, при котором к листу приваривается деталь относительно малого сечения. Меньшая деталь может привариваться как по всему сечению, так и в отдельных участках.

Рисунок

Шовная сварка (роликовая, ролико-стыковая)

Способ КС, при котором между деталями образуется непрерывное соединение путем постановки последовательного ряда перекрывающих друг друга точек. Получается герметичное соединение. Осуществляется на роликовых машинах с вращающимися электродами.

Рисунок

Сварка может происходить при непрерывном перемещении деталей и постоянно включенном токе (непрерывная роликовая сварка). Недостатки: перегрев наружной поверхности, быстрый износ электродов.

Прерывистая сварка – детали перемещаются непрерывно, ток включается отдельными импульсами.

Шаговая сварка – детали перемещаются прерывисто, ток включается во время остановки.

Ролико-стыковая сварка – непрерывный шов получается между кромками соединенных встык листов. Применяется при изготовлении электросварных труб.

Рисунок

Электротермические процессы при контактной сварке

1. закон Джоуля-Ленца и удельное сопротивление.

Общее кол-во тепла Q=0,24*R*I²*t

R – активное сопротивление цепи, Ом

I – сила тока, А

t – длительность процесса, с

Для стыковой сварки формула имеет вид Q=0,24*(R_к+2*R_д)*I²*t

R_к ­­­– контактное сопротивление между деталями, Ом

R_д – собственное сопротивление свариваемых деталей, Ом

Для точечной сварки Q=0,24*(2*R_д+R_к+2*R_э)*I²*t

R_э – сопротивление электродов, Ом

В процессе сварки сопротивление и ток не остаются постоянными, т.к. меняются условия контакта.

Омическое сопротивление проводника постоянного сечения (*)

ρ – удельное сопротивление, Ом*см

l – длина проводника, см

F – площадь поперечного сечения, см²

Удельное сопротивление – важнейшая характеристика. С его увеличением уменьшается необходимая для сварки сила тока. Металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением (Нихром, Аустенитная сталь, быстрорежущая сталь) могут свариваться на машинах невысокой мощности.

Удельное сопротивление зависит от химсостава материала и его температуры

ρ= ρ₀*(1+α*Т)

ρ₀ – удельное сопротивление при 0ºС

α – температурный коэффициент

Т - температура ºС

При комнатной температуре удельное сопротивление стали изменяется в широких пределах при изменении её химсостава. После 850-900 ºС разница практически исчезает, т.к. стали имеют общую структуру – аустенит.

2. Электрическое сопротивление контакта

Поверхности свариваемых деталей имеют неровности. Т.о., прижатые детали касаются друг друга в некотором числе отдельных точек. Площадь контакта и кол-во точек зависят от приложенного усилия, сопротивления материалов смятию, состояния поверхности. Если через сжатые детали пропустить ток, то будем наблюдать падение напряжения, указывающий на наличие довольно значительного контактного сопротивления. Чем мягче и ровнее материал – тем плотнее контакт и тем меньше контактное сопротивление.

Контактное сопротивление вызывается двумя причинами: уменьшение сечения проводника вблизи контакта и наличием на поверхности деталей пленок (окислов, грязи т.д.) с пониженной электропроводностью. С увеличением действующего в контакте усилия растет площадь истинного контакта и уменьшается контактное сопротивление.

Зависимость контактного сопротивления от усилия в контакте (эксперимент)

(**)

R – контактное сопротивление, Ом

P – усилие в контакте, кг

r_к – единичное контактное сопротивление при P=1 кг

α – показатель степени, для алюминия (0,75 – 0,85), для сталей (0,65..0,75)

Единичное сопротивление зависит от марки металла и от состояния поверхности. Как правило, уменьшается для мягких металлов и материалов с высокой электропроводностью. Контактное сопротивление не зависит от общей площади контактирующих деталей (эксперимент). Единичное сопротивление зависит от вида металла, и состояния поверхности: хорошо очищенная сталь – 0,005-0,006 Ом; алюминиевые сплавы – 0,001-0,002 Ом.

Пример расчета контактного сопротивления:

Две холодные опескоструенные пластины из малоуглеродистой стали сжаты силой 400кг.

Принимаем α=0,75; r_к=0,006

мкОм

Графики зависимости сопротивления холодного контакта от величины сжимающего усилия

.

Контактное сопротивление между электродом (медь) и стальной деталью приблизительно в 2 раза меньше контактного сопротивления контактного сопротивления между двумя стальными деталями. Сопротивление контакта сильно изменяется при его нагреве. Это связано с увеличением удельного сопротивления и с увеличением площади контакта. Последнее оказывает решающее влияние на величину контактного сопротивления. При повышении температуры контактное сопротивление как правило быстро понижается. Для стальных деталей при температуре 600, для алюминиевых сплавов при 350 контактное сопротивление практически равно нулю.

3. Электрическое сопротивление при стыковой сварке

Контактное сопротивление зависит от метода сварки. При сварке по методу сопротивления детали сжимаются со значительным усилием, и сопротивление контакта может быть найдено по формуле (**). При нагреве деталей свыше 800 этим сопротивлением можно пренебречь.

При стыковой сварке оплавлением электрический контакт осуществляется перемычками расплавленного металла, контактное сопротивление лежит в пределах 100-400 мкОм. Оно уменьшается с увеличением кол-ва перемычек и их размеров. Размеры увеличиваются с увеличением скорости оплавления(скорости сближения деталей) и увеличением сечения деталей.

Эмпирическая формула

F – площадь поперечного сечения свариваемых деталей, кв. см;

v – скорость оплавления, см/сек;

j – плотность тока, А/мм²;

k₁- к-т, учитывающий свойства стали (легированные и конструкционные 1, аустенитные 1,1)

Сопротивление выступающих из зажимов концов деталей определяется по формуле (*)

Поверхностный эффект – электрический ток оттесняется к наружной поверхности проводника магнитным полем, которое он сам и создает.

Следствие пов.эффекта – увеличение активного и индуктивного сопротивления. Заметное влияние на сопротивление холодных деталей из магнитного материала возможно при их диаметре более 20-25 мм. Например, при 40мм – сопротивление растет на 50%, при 60 мм – на 150 % по сравнению с омическим сопротивлением тех же деталей.

При нагреве железа выше точки Кюри (768) магнитные свойства пропадают и поверхностный эффект – тоже.

Пример расчета сопротивления при стыковой сварке

Выводы: при стыковой сварке оплавлением общее сопротивление выше, чем при сварке сопротивлением; при сварке сопротивлением собственное сопротивление относительно велико, при сварке оплавлением – относительно мало.

4. Теплофизические свойства металлов и сплавов

Теплопроводность (λ) и теплоемкость (с) оказывают существенное влияние на нагрев и распространение тепла при сварке.

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость распространения температуры в неравномерно нагретом теле.

, где γ – удельный вес (г/см³)

Теплофизические свойства металлов и сплавов сильно изменяются с изменением температуры. Пик на кривой теплоемкости малоуглеродистой стали с вязан с поглощением тепла при потере сталью магнитных свойств. Немагнитная стать не имеет этого пика. Теплопроводность меди, алюминия и других чистых металлов растет с повышением температуры.

5. Особенности нагрева при контактной сварке.

Тепло расходуется на полезный нагрев деталей и частично уходит в потери.

Уравнение баланса тепла Q=Q_пол + Q_пот

Полезное тепло определяется объемом и температурой металла в зоне сварки, а также – теплоемкостью, но не зависит от длительности нагрева.

, где

V – объем тела, см³

Т – температура, ºС

γ – удельный вес, г/см³

с – теплоемкость

С увеличением времени нагрева растут потери тепла. Соответственно, растет и общее кол-во тепла, необходимое для сварки (рис а).

Повышение температуропроводности также ведет к резкому увеличению потерь тепла.

Мощность, расходуемая в зоне сварки (количество тепла, выделяемое в единицу времени)

С увеличением длительности нагрева необходимая для сварки мощность сначала быстро, а затем медленно уменьшается (рис б).

Закон нарастания температуры в зоне сварки зависит от потребляемой мощности (рис. в). При большой мощности температура растет почти по линейному закону, быстро достигая значения Т_св. С уменьшением мощности скорость нарастания температуры снижается. При некоторой предельной мощности q_пр требуемая температура может быть достигнута лишь за очень большой промежуток времени. При меньших значениях мощности сварка вообще не возможна.

Мощность, необходимая для контактной сварки, не является постоянной величиной: она уменьшается с увеличением времени нагрева, но не может быть меньше предельного значения.

С помощью тепловых расчетов в теории контактной сварки решаются три основные задачи:

1) при заданной длительности процесса (число сварок в час или в смену) определить общее кол-во тепла и мощность, необходимые для осуществления процесса (т.е. определить мощность необходимого оборудования)

2) при заданной мощности определить минимальную длительность сварки (т.е. производительность процесса)

3) найти закон изменения температуры в процессе сварки

Точное решение задач при контактной сварке представляет значительные трудности:

а) в процессе сварки изменяются величины и распределение источников тепла (интенсивность выделения тепла пропорциональна сопротивлению, сопротивление меняется в широких преелах)

б) непостоянство теплофизических свойств металлов и сплавов (см. график теплопроводности и теплоемкости малоуглеродистой стали от температуры)

в) сложные условия теплоотвода

Поэтому допускаются упрощающие допущения, с помощью которых получают приближенное решение задач. В дальнейшем решение может корректироваться после проведения оытов и экспериментов.

6. Нагрев при стыковой сварке

Тепло выделяется в контакте между деталями и в самих деталях.

При сварке сопротивлением кол-во тепла, выделяемого в контакте, относительно невелико и по мере разогрева быстро уменьшается (т.к. уменьшается контактное сопротивление). При сварке оплавлением кол-во тепла в контакте относительно велико и практически не меняется в процессе нагрева, т.к. не сопротивление расплавленных перемычек практически одинаково на протяжении всего процесса.

Температура в стыке может быть найдена как результат тепла выделяемого деталями и в контакте между ними. Для 1 см детали выделится следующее кол-во тепла:

- тепло, затраченное на нагрев 1 см детали.

ρ_t – среднее удельное сопротивление

F – площадь сечения

Это тепло будет затрачено на нагрев деталей и на потери в губки и на лучеиспускание. Для учета этих потерь вводится коэффициент k₂.

Т.о., для нагрева 1 см детали до температуры T₁ понадобится

При сварке малоуглеродистых и конструкционных сталей k₂=0,75

При сварке аустенитных сталей k₂=0,90

Формула для определения T₁

Тепло, выделяемое в стыке, нагревает металл торцов до температуры

q_ср – среднее кол-во тепла, выделяемое в секунду в контакте между деталями

R_к – контактное сопротивление в начале сварки

m₁ – коэффициент, учитывающий изменение контактного сопротивления в процессе нагрева стыка (примерно 0,4)

Общая температура в стыке при сварке сопротивлением T=T₁ + T₂

Приведенные уравнения можно использовать для вычисления тока, необходимого для сварки (нагрева до температуры сварки)

Это же уравнение можно решит относительно t для определения длительности сварочного нагрева.

При сварке сопротивлением средние значения удельного сопротивления ρ_t : 48мкОм см (малоуглеродистая и низколегированная сталь), 96 мкОм см (аустенитная сталь)

На практике при заданной плотности тока нагрев идет тем интенсивнее, чем ниже теплопроводность (λ), чем больше диаметр (уменьшаются потери при лучеиспускании), чем больше установочная длина (уменьшаются потери тепла в электроды).

Для приближенных расчетов при сварке сопротивлением круглых стержней могут быть использованы формулы, связывающие плотность тока j (а/см²) с длительностью нагрева t/

Коэффициент K зависит от свойств материала, сечения и установочной длины.

Анализ данных таблицы

Примеры теплового расчета при стыковой сварке сопротивлением

Нагрев при сварке оплавлением

1. без предварительного подогрева (сварка непрерывным оплавлением)

2. с подогревом

При сварке непрерывным оплавлением происходит очень быстрое снижение температуры при удалении от плоскости стыка. (см. график распределения температуры). Это объясняется тем, что наиболее нагретая часть металла выбрасывается из зазора между торцами деталей и уносит большое кол-во тепла. Чем выше скорость оплавления (суммарное укорочение деталей в единицу времени), тем на относительно меньшее расстояние от плоскости стыка успевает распространиться тепло, тем больше градиент температуры.

Нагрев при сварке непрерывным оплавлением, также как и при сварке сопротивлением, – результат совместного действия тепла, выделяемого внутри деталей и тепла, генерируемого в контакте. Для осуществления качественной сварки необходимо нагреть торцы деталей до температуры плавления стали, и нагреть детали на длину Δ до температуры, обеспечивающей пластическую деформацию. При осадке участок укорачивается на величину осадки Δ_ос. Величина осадки зависит, в основном, от сечения деталей (см. табл).

Длина участка Δ может быть определена, если известно отношение . Как следует из графика, с увеличением удельного давления осадки уменьшается температура нагрева и величина Δ.

При сварке оплавлением трудно получить широкую зону интенсивного нагрева деталей, поэтому при малой длине Δ стремятся увеличить давление осадки. Т.о., сварка непрерывным оплавлением осуществима при значительном усилии осадки.

При сварке с подогревом обычно используются относительно небольшие плотности тока, по этой причине теплом, выделяемым непосредственно в деталях можно пренебречь. Поэтому подогрев должен быть достаточным для получения температуры близкой к T_д. Т.о. тепловой расчет при сварке с подогревом осуществляется так:

1. Определяется температура осадки и соответствующая ей температура подогрева

2. При заданной длительности подогрева вычисляется ток, необходимый для достижения температуры подогрева

3. По найденному току определяется сопротивление контакта при оплавлении и количество выделяемого в контакте тепла

4. Определяется кол-во тепла, отводимого из контакта в глубь деталей. Определяется кол-во тепла, необходимое на оплавление

5. Определяется скорость оплавления.

Необходимый ток может быть вычислен

Из этой формулы может быть вычислена длительность подогрева при заданной силе тока. Количество тепла, выделяемое в контакте

k₃ – учитывает несинусоидальную форму кривой тока при оплавлении (0,7)

Количество тепла, отводимое вглубь деталей

- градиент температуры у стыка, при сварке без подогрева он примерно равен 4000º на 1 см

При подогреве градиент температуры можно определять по формуле

Тепло, расходуемое на расплавление стали q_опл = q_к - q_отв

Для обеспечения устойчивого процесса оплавления необходимо соблюдение условия.

Скорость оплавления, см/сек

Удельный вес, г/см³

Площадь сечения, см²

Теплоемкость, кал/г*градус

Температура вылетающих при оплавлении частиц (для стали 2000)

Температура подогрева

Скрытая теплота плавления (для стали 65 кал/г)

Пример теплового расчета сварки оплавлением

Выводы по формулам: Необходимая для оплавления мощность растет с увеличением скорости оплавления и с понижением температуры подогрева.

Особенности нагрева: чем выше скорость нагрева, тем выше скорость охлаждения. Это необходимо учитывать при сварке сталей, склонных к закалке.

Т.о. предварительный нагрев способствует уменьшению необходимой мощности, способствует равномерному нагреву деталей и уменьшает скорость охлаждения после сварки.

7. Нагрев при сварке по методу Игнатьева.

Электрический ток протекает параллельно плоскости сваривания. В начале процесса конечные участки нагреваются больше, чем середина. По мере улучшения контакта металл-электрод температура концов уменьшается, температура середины – растет. Изменяя усилие нажатия электродов, можно управлять теплоотводом и нагревом деталей.

Общее кол-во тепла, необходимое для нагрева деталей по методу Игнатьева, определяется формулой.

К-т, учитывающий потери тепла (3-4)

Средняя теплоемкость свариваемых деталей

Требуемая температура нагрева

Вес свариваемых деталей

При сварке по методу Игнатьева сталь прогревается до 1250-1300 градусов. Равномерный нагрев при прессовой сварке обеспечивается медленным повышением температуры (около 7 град/сек).

При непрерывной сварке по методу Игнатьева вес металла (гр), нагреваемого в секунду, равен

Скорость перемещения заготовок

Суммарная площадь поперечного сечения

Удельный вес материала

Секундный расход тепла q=k₄G₁cT_св

К-т, учитывающий потери тепла

Вес

Средняя теплоемкость

Требуемая температура нагрева

Технология стыковой сварки

Основные условия:

1. одинаковый и равномерный по всему сечению нагрев деталей

2. защита торцов деталей от окисления

3. наличие равных возможностей для пластической деформации обеих деталей.

Соблюдение этих условий обеспечивается соответствующей геометрической формой, подготовкой торцов деталей, рациональным выбором технологического процесса.

В случае сварки сопротивлением решающее значение имеет плотность прилегания торцов деталей до начала сваривания. При нагреве происходит окисление торцов, что снижает качество шва.

Сварка деталей с развитым сечением не дает положительных результатов. Практическое применение этого способа ограничивается сваркой прутков сечения не более 20 мм и толстостенных труб малого диаметра.

Основной способ стыковой сварки – сварка оплавлением. (примеры целесообразных типов соединения)

Длина участка l должна быть не менее a/2+6 мм (для деталей сплошного сечения)

Для листов и тонкостенных труб l>=5δ+a/2 , где δ – толщина листа или стенки трубы, а – общий припуск (см. табл.)

Разность сечений не должна составлять более 15%

При сварке важно избегать смещения кромок. При сварке труб в момент осадки возможно выпучивание стенки,

Стыковая сварка применяется для прямолинейных деталей и для деталей замкнутого контура (звенья цепи, ободья колес). Возможна кольцевая сварка в один или два стыка.

Подготовка торцов деталей перед сваркой: отрезка (на прессе, ножницах), устранение неперпендикулярности, зачистка (щетка, наждак, травление).