16. Сварочная ванна, ее образование при дуговой сварке. Форма ванны, головная и хвостовая части ванны. Коэффициент формы проплавления. Температура ванны.

Под действием тепловой мощности движущейся с определенной скоростью сварочной дуги происходит быстрый местный разогрев основного металла до многих сотен градусов (рис. 13). Непосредственно под дугой металл нагревается до температуры, превышающей температуру его плавления. При сварке плавящимся электродом, к которой относят ручную дуговую сварку, в образовавшу­юся расплавленную зону поступает электродный (присадочный) металл в виде капель. Расплавленный основной и присадочный металлы самопроизвольно слипаются в общую жидкую сварочную ванну.

Сварочная ванна не стоит на месте, а перемещается вслед за движущейся дугой. Это придает ей в плане эллипсовидное, вытяну­тое вдоль направления сварки очертание. По характеру происходя­щих в ванне физико-металлургических процессов ее можно условно разделить на две части: головную, где происходит плавление метал­ла, и хвостовую, где начинается ее охлаждение и кристаллизация (рис. 14). Геометрия сварочной ванны определяется ее длиной l, шириной b и глубиной проплавления основного металла h. В ряде случаев принимают во внимание форму проплавления металла, которая представляет собой отношение b/h. Это отношение называют коэффициентом формы проплавления (обычно он составляет 2-4).

Кроме формы, сварочную ванну характеризуют масса, кото­рая для ручного процесса в среднем составляет 0,5-5 г, время пребывания металла в жидком состоянии и температура.

Продолжительность существования металла сварочной ванны в жидком состоянии, можно определить из зависимости: , где l—длина ванны, мм; V_св - скорость сварки (скорость пере­мещения дуги), мм/с.

В свою очередь длина ванны: , где I_св — сила сварочного тока, А; U_д — напряжение дут, В; к - коэффициент (k=1,7..2.3.мм/(В*А) при ручной дуговой сварке углеродистых и низколе­гированных сталей).

Температура свароч­ной ванны распределяет­ся по объему крайне не­равномерно. В головной части ванны, находящей­ся в непосредственном контакте со сварочной дугой, температура ме­талла значительно пре­вышает температуру его плавления; для стали вблизи поверхности ванны она достигает 2000±100⁰С. В хвостовой части ванны, не имеющей контакта со сварочной дугой и находящейся в условиях повышенного отвода теплоты в окружающую среду, температура приближается к тем­пературе плавления (кристаллизации) металла. Средняя темпера­тура ванны при ручной дуговой сварке углеродистых и низколе­гированных сталей составляет 1800±100⁰С.

Следует отметить, что дуга оказывает на сварочную ванну не только тепловое, но и существенное механическое воздействие. Это — давление на ее поверхность движущихся в дуге с большой скоростью газовых (плазменных) потоков. В результате такого воздействия (напора) часть жидкого металла ванны вытес­няется (выдувается) из-под основания дуги, и в ее головной части образуется углубление в виде впадины (см. рис. 13 и 14), при этом вытесняемый на головной части ванны металл перетекает в ее хво­стовую часть. Очевидно, что чем больше давление дуги, которое увеличивается пропорционально квадрату силы сварочного тока, тем глубже, при прочих равных условиях, впадина и больше глу­бина проплавления свариваемого металла.

Перемещение сварочной ванны сопровождается последую­щим затвердеванием расплавленного металла, которое проходит по внешнему периметру ее хвостовой части. Переход металла ванны из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллов (зерен) называют кристаллизацией.

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.

Контактная сварка – термомеханический процесс образования неразъемного соединения металлов вследствие образования межатомных связей, при котором локальный нагрев свариваемых деталей протекающим электрическим током в зоне соединения сопровождается пластической деформацией, развивающейся под действием сжимающего усилия.

Межатомные связи при контактной сварке различными способами возникают в твердой фазе или через жидкую прослойку расплавленного металла и сохраняются после охлаждения и кристаллизации. Особенность контактной сварки – значительная скорость нагрева, для чего необходимы сварочные машины большой электрической мощности.

Все способы контактной сварки основаны на нагреве металла теплотой, выделяющейся при протекании по деталям электрического тока. Количество теплоты в основном зависит от силы тока, длительности его протекания и сопротивления металла зоны сварки.

Если наблюдать при большом увеличении поверхность любого металла после обработки резанием или давлением, то на ней видны значительные неровности (выступы и впадины). При сжатии деталей образуется контакт, который представляет собой соприкосновение двух поверхностей по небольшому числу отдельных точек. Чем мягче металл и меньше высота неровностей на его поверхности, тем ниже так называемое контактное сопротивление при постоянном усилии сжатия.

Контактное сопротивление вызвано резким уменьшением сечения проводника в зоне контакта и наличием на соприкасающихся поверхностях пленок окислов, имеющих низкую электропроводность. С повышением усилия сжатия отдельные выступы на поверхности металла сминаются, площадь фактического контакта деталей увеличивается и контактное сопротивление снижается. Контактное сопротивление значительно изменяется при нагреве деталей из-за повышения удельного сопротивления зон металла, прилегающих к контакту, а также увеличения числа и площади отдельных контактов в результате более интенсивного смятия нагретого металла. При нагреве увеличивается площадь контактов, поэтому с повышением температуры контактное сопротивление существенно уменьшается. Роль контактных сопротивлений в тепловыделении зависит от применяемого способа сварки и режима, в частности от силы сварочного тока и длительности его протекания.

Точечная сварка – способ, при котором детали 2 свариваются не по всей поверхности соединения, а в отдельных точках, соответствующих контактам с деталями стержней-электродов 1, передающих усилие и подводящих ток.

При включении сварочного тока в первую очередь за счет концентрации линий тока разогреваются выступы контакта (рис. а), а затем и металл, находящийся в непосредственной близости к контакту. Электроды, используемые при точечной сварке, изготовляют из медных сплавов, имеющих высокую теплопроводность. Чтобы поверхности деталей, контактирующих с электродами, нагревались медленнее, чем внутренние слои металла зоны сварки, электроды охлаждают водой.

С повышением температуры металла контактные сопротивления снижаются и теплота выделяется в основном за счет сопротивления деталей. В процессе сварки собственное сопротивление деталей из низкоуглеродистых сталей увеличивается, а деталей из коррозионностойких (нержавеющих) сталей изменяется незначительно. Ток пропускают до тех пор, пока в центральной, наиболее нагретой зоне металл свариваемых деталей не расплавится. В результате расплавления образуется чечевицеобразная зона жидкого металла, окруженная плотным кольцом нагретого металла, в пределах которого имеет место достаточно прочное соединение в пластическом состоянии (без расплавления). Это кольцо-поясок, сжатое при нагреве усилием электродов, является уплотнением, препятствующим вытеканию жидкого металла в зазор между свариваемыми деталями. После получения зоны расплавления необходимых размеров сварочный ток выключают, металл охлаждается и в результате его затвердевания-кристаллизации формируется литое ядро сварной точки.

Полное количество тепла выделяемого между электродами за время сварки определяется по закону Джоуля-Ленца :

i – мгновенное значение сварочного тока

r_ээ – общее сопротивление Ме между электродами

r_ээ =2r_эд+2r_д+r_дд