Пластическая деформация металла при стыковой сварке

Роль пластической деформации заключается:

• • в формировании электрических контактов (первый этап);
• • в удалении оксидов из зоны соединения (преимущественно второй этап);
• • в создании условий для образования металлических связей в стыке (второй этап цикла).

Деформация обеспечивается приводом сварочной машины, создающим необходимое усилие сжатия.

Начальный электрический контакт образуется при давлении:

• • сварка сопротивлением — 5−10 МПа;
• • сварка оплавлением — порядка 0,001 МПа.

Такого давления достаточно для микропластической деформации рельефа торцевой поверхности деталей. Сравнительно небольшое давление обусловливает высокие контактные сопротивления. Таким образом, низкое начальное давление обеспечивает локализацию тепловыделения и быстрый нагрев металла в необходимой области соединения — по торцам свариваемых заготовок.

Для образования металлических связей, удаления оксидов требуется объемная пластическая (сдвиговая) деформация торцов деталей, которая обеспечивает интенсивное вытеснение нагретых слоев металла приконтактной зоны вместе с оксидами области контакта.

При сварке оплавлением удаление оксидов значительно затрудняется при образовании глубоких кратеров, поэтому степень объемной пластической деформации, а следовательно, и усилие осадки необходимо увеличивать.

Стыковая сварка в большинстве случаев реализуется по свободной схеме объемной деформации, при которой нет какого-либо внешнего ограничения на перемещение слоев металла вдоль оси z (рис. 3.11, а).

В центре торца в точке, А имеет место всестороннее неравномерное сжатие (действуют сжимающие напряжения, осевые о_х, радиальные с_г и окружные а₀). Напряжения а_х и а, формируют преимущественно деформации, действующие в плоскости стыка соединяемых деталей. В точке В, в плоскости стыка ближе к периферии контакта, действуют напряжения двустороннего сжатия а_х и a_r, а напряжения а₀ меняют знак и становятся растягивающими. В точке Б на периферии стыка действует двустороннее сжатие (а_х и а_г) с растяжением (о₀).

Неблагоприятный термодеформационный цикл может вызвать чрезмерное увеличение радиальных а_г и окружных а₀ напряжений, вследствие чего последует раскрытие зазора, расслоение и искривление волокон металла, а также образование продольных трещин в процессе охлаждения и усадки металла.

Рис. 3.11. Деформация металла при осадке: а — схема свободной деформации; б — схема принудительной деформации (/ — свариваемые детали;

2 — формирующие зажимы); в — начальный момент осадки Характеристикой объемной пластической деформации может служить отношение конечной площади сечения торцов к начальной площади (до сварки)

При мягких режимах сварки снижается градиент температур dT/dx, увеличивается протяженность околошовной зоны и к_пл соответственно растет. При жестких режимах градиент температур dT/dx существенно больше, околошовная зона локализована вблизи стыка, поэтому к_т меньше, так как деформируется относительно короткий участок свариваемых деталей.

При сварке сопротивлением максимальное значение к_пл не должно превышать 4, дальнейшее увеличение к_пл приводит к нарушению монолитности металла зоны сварки. Такая степень деформации в некоторых случаях полного удаления оксидов может не обеспечивать. Для полного вытеснения оксидов, активизации поверхности и образования металлических связей необходимо увеличение степени всестороннего сжатия, что может быть достигнуто посредством схемы принудительного формирования стыка в специальных зажимах 2 (рис. 3.11, б), между которыми локализуется деформация, в результате чего возможно существенное увеличение напряжений а_г и а₀ в точке Б (рис. 3.11, а).

При сварке оплавлением качественное соединение с полным удалением оксидов получают при к_пл < 2, что связано с наличием жидкого металла в стыке и возможностью сварки на относительно жестких режимах. Величину деформации при стыковой сварке оценивают по укорочению деталей Д_ос в процессе осадки. При стыковой сварке оплавлением деформация обычно определяется не только величиной Д_ос, но и в значительной степени давлением Р_ос, а также скоростью осадки о^. Величина Д^ должна быть достаточной для полного закрытия зазора Д₃, вытеснения окисленного и расплавленного металла (25_ж), а также для обеспечения достаточной пластической деформации металла, в частности в целях устранения рельефа поверхности (кратеров 2Д_кр) (рис. 3.11, в). Значение Д_ос определяется главным образом рельефом поверхности торцов.