Низкоуглеродистая сталь средних и больших толщин
К этой группе свариваемых материалов условно относят горячекатаные стали толщиной свыше 4 мм. Это в основном стали, в которых содержание углерода достигает 0,22%. Применение мягких режимов с относительно низкой плотностью тока позволяет получить хорошее качество сварки. С увеличением толщины усложняется точечная сварка. Для этих толщин требуются большие усилия сжатия и большая продолжительность протекания тока; резко возрастает усилие проковки для уплотнения ядра точки; из-за большого давления, длительного нагрева и худшей подготовки поверхности металла снижается стойкость электродов.
При сварке крупногабаритных узлов введение их в контур снижает стабильность сварочного тока. Применение точечной сварки для металла таких толщин вместо дуговой сварки и клепки имеет ряд преимуществ, основные из которых: снижение массы, уменьшение остаточных деформаций и улучшение условий труда. Применение этого способа позволяет снизить себестоимость на 15—20%. Эффективность применения точечной сварки вместо дуговой сварки с увеличением толщины металла иногда может снижаться в результате увеличения расхода металла на нахлесточные соединения.
Основное препятствие при сварке такого металла — состояние поверхности металла. Горячекатаные стали, поставляемые для сварных конструкций, имеют на поверхности неудаленную окалину. Это повышает контактное сопротивление в соединении деталь—деталь до 60—1000 мкОм. Большие пределы этого сопротивления объясняются неравномерным удалением окислов с поверхности при травлении или других способах очистки.
Пленки окислов отрицательно влияют, особенно в начальный период нагрева, выполняя роль своеобразной диафрагмы. В результате ее местной несплошности или разрушения под действием механического усилия в отдельных точках образуется начальный электрический контакт, расширяющийся с течением времени. В контакте электрод—деталь проводимость тока возникает в результате местного электрического пробоя. На этом этапе появляются местные выплески из-за большой плотности тока. Это и приводит к мгновенному расплавлению металла, которое сопровождается выделением газов. Окалина, обладая высокой твердостью, низкой теплопроводностью, препятствует образованию защитной зоны пластичного металла вокруг развивающегося литого ядра.
По мере нагрева литое ядро, имеющее неправильную форму в начале процесса, приобретает обычное очертание. Окалина, находящаяся между листами, при нагреве до пластичного состояния выдавливается и лишь частично остается в ядре, выделяясь в усадочную рыхлоту. Особенно мешают поверхностные окислы в контакте электрод—деталь. Ухудшение контакта в этом месте способствует также отслаиванию окислов от поверхности металла и вдавливанию их частиц в рабочую поверхность электрода. Это ведет к перегреву электрода и существенно снижает его стойкость.
Разрабатывалось несколько способов улучшения свариваемости стали с недостаточно хорошей очисткой поверхности. Один из способов (разработан НИИТРАКТОРОСЕЛЬхозмашем) основан на применении машин с повышенным напряжением холостого хода сварочного трансформатора, достаточным для электрического пробоя окалины. После начала протекания сварочного тока это напряжение понижается и происходит нагрев на относительно мягких режимах. Известны также исследования по разработке способов сварки такой стали с использованием токопроводящих составов с наполнителями в виде порошков металла, облегчающих прохождение тока в первый момент нагрева.
При исследовании точечной сварки горячекатаных сталей в ультразвуковом поле с частотой 20 кГц последнее создавалось через электрод—волновод с помощью магнитострикционного преобразователя на точечной машине с пневмоприводом. Электрическое сопротивление в зоне контакта существенно снижалось. При таком процессе отсутствовали выплески, и литое ядро росло равномерно и имело правильные геометрические формы.
Однако все эти способы существенно не улучшают условия работы электродов, низкая стойкость которых снижает стабильность процесса, следовательно, и технико-экономические показатели. Все они имеют весьма ограниченное применение.
Горячекатаные стали следует сваривать с хорошо подготовленной поверхностью. Наиболее распространенный метод очистки металла от окалины — травление в горячем растворе серной кислоты или других растворителей. Если эти окислы не удалять с поверхности, то значительное контактное сопротивление, особенно в месте соприкосновения электрода с деталью, будет способствовать перегреву электрода и быстрому его износу.
Металлургические заводы обычно поставляют металл в травленом состоянии. Качество травления можно контролировать по контактному сопротивлению. Однако допустимые их пределы до сих пор не установлены. Ясно, что в результате травления можно получить хорошую подготовку поверхности, однако экономическая целесообразность этого не изучена.
Кроме химических способов подготовки поверхности металла, в производстве используют ряд механических: пескоструйный, гидропескоструйный, а также газопламенный и др. После пескоструйной подготовки необходимо тщательно удалять остатки песчаной пыли с поверхности изделия. Этот способ профессионально вреден и не рекомендуется к применению.
Возможна газопламенная очистка поверхности, сущность которой заключается в разрушении окалины одновременным химическим и механическим воздействием. Механическое разрушение происходит вследствие различного термического расширения окислов и металла. Химическое воздействие состоит в восстанавливающем действии ацетилено-кислородного пламени. Очистка происходит в установках, в которых лист передвигается под многопламенной горелкой, сразу же охлаждаясь в струях воды. Преимущество этого способа: очищать можно только участки непосредственного расположения сварных точек.
В настоящее время широко применяют дробеструйную очистку поверхности. Лучшие результаты получаются с применением для очистки мелконарезанной стальной проволоки. Стоимость такой очистки на 15—20% ниже кислотной.
Окалина на поверхности горячекатаной стали, а следовательно, и увеличенное электрическое сопротивление в местах контакта, повышенная толщина металла определяют выбор рациональных циклограмм работы сварочных машин.
Для предотвращения выплесков в начале процесса необходима модуляция тока при его включении, т. е. снижение плотности тока в начале нагрева. Для уменьшения нагрева электродов целесообразно применять пульсирующее включение сварочного тока. Для снижения контактного сопротивления в первый момент сварки полезно повышенное усилие предварительного сжатия. Устранению дефектов ядра способствует повышенное ковочное усилие, необходимость в котором увеличивается с ростом толщины свариваемых листов.
Более широко применяют точечную сварку низкоуглеродистой стали средних толщин (до 8 мм) с хорошо подготовленной поверхностью. Стойкость электродов при этом снижается из-за перегрева, вызванного длительным временем прохождения сварочного тока. Приведенный в табл. 5 режим А наиболее жесткий. Плотность тока 80—135 А/мм 2 , давление 3,5—10,5 кгс/мм 2 достигаются на относительно простых машинах, работающих по простейшему циклу с одноимпульсным включением сварочного тока при постоянном усилии на электродах в течение всего цикла. Остальные режимы следует применять при отсутствии машин достаточной мощности или сварке стали с большим содержанием углерода и более высоким контактным сопротивлением. Эти же режимы можно использовать для сварки ряда низколегированных сталей.
Таблица 5. Режимы точечной сварки низкоуглеродистой стали средних толщин с чистой поверхностью Толщина каждой детали, мм Максимальный диаметр контактной поверхности электродов, мм Минимальное расстояние между точками, мм Режим А Режим Б Режим С Продолжительность импульса сварочного тока , с Усилие на электродах, кгс Сила сварочного тока, кА Диаметр литого ядра, мм Среднее разрушающее усилие при срезе на точку, кгс Продолжительность импульса сварочного тока, А Усилие на электродах, кгс Сила сварочного тока, кА Диаметр литого ядра, мм Среднее разрушающее усилие при срезе на точку, кгс Продолжительность импульса сварочного тока, с Усилие на электродах, кгс Сила сварочного тока, кА Диаметр литого ядра, мм Среднее разрушающее усилие при срезе на точку, кгс 4,2 12,0 80 1,2 1260 20,2 13,7 6 000 2,1 790 15,3 12,9 5 450 3,0 400 11,75 12,0 5000 4,5 12,7 87 1,4 1315 20,9 14,7 6 700 2,5 875 15,9 13,7 6 080 3,5 440 12,2 12,7 5400 4,9 13,5 97 1,6 1450 21,6 15,5 7 300 2,8 965 16,45 14,5 6 600 4,0 485 12,5 13,2 6100 5,3 13,5 106 1,8 1560 22,3 16,5 8 000 3,1 1040 17,0 15,2 7 350 4,5 520 12,9 14,0 6700 5,6 14,3 113 1,9 1715 23,0 17,3 8 550 3,4 1140 17,6 16,0 7 950 4,8 570 13,2 14,5 7250 6,2 15,0 118 2,1 1850 23,6 18,1 9 150 3,7 1230 18,1 16,7 8 500 5,3 615 13,6 15,0 7800 6,7 15,0 131 2,4 1960 24,4 19,0 9 850 4,1 1310 18,7 17,5 9 150 5,8 650 14,0 15,8 8350 7,3 15,9 146 2,7 2220 25,7 20,8 10 900 4,7 1480 19,8 18,8 10 300 6,8 740 14,8 17,0 9450
Для точечной сварки металла средней и большой толщины в практике часто применяют режимы с пульсирующим включением тока. При таком цикле суммарная длительность цикла сварки больше. Сварочный же ток снижается. Это расширяет возможности сварочного оборудования. Как показали исследования, проведенные на электрической модели при пульсирующем включении сварочного тока, уменьшение числа импульсов и сокращение пауз между ними не приводит к снижению температуры рабочей поверхности электродов. Однако при пульсирующей сварке наблюдается увеличение стойкости электродов, что можно объяснить снижением плотности тока и перегрева в отдельных макроконтактах.
Периоды включения и разрыва тока при таком цикле могут быть различными. Для низкоуглеродистых сталей период включения обычно в 2—3 раза больше продолжительности паузы.
При пульсирующей сварке сталей без специальной зачистки их поверхности (табл. 6) для уменьшения выплесков в начале каждой пульсации обеспечивают плавное нарастание тока. Точечная сварка сталей средних толщин возможна электродами с плоской или сферической рабочей поверхностью, последней отдается предпочтение. Такие толщины металлов в основном применяют для сварки строительных конструкций.
Таблица 6. Режимы пульсирующей точечной сварки низкоуглеродистой стали с чистой поверхностью Толщина пакета деталей, мм Минимальный диаметр контактной поверхности электрода, мм Усилие на электродах, кгс Число пульсаций Сила сварочного тока, кА Минимальные размеры нахлестки и фланцев, мм Минимальный диаметр литого ядра, мм Минимальное разрушающее усилие при сварке на точку, кгс при сварке одной точки при шаге между точками 25 —50 мм 50—100 мм 3,2+3,2 11,1 820 3 5 4 18,0 22,2 9,5 2280 3,2+4,8 11,1 820 3 5 4 18,0 22,2 9,5 2280 3,2+6,4 11,1 820 3 5 4 18,0 22,2 9,5 2280 4,8+4,8 12,7 885 6 20 14 19,5 28,6 14,3 4560 4,8+6,4 12,7 885 6 20 14 19,5 28,6 14,3 4560 4,8+7,9 12,7 885 6 20 14 19,5 28,6 14,5 4560 6,4+6,4 14,3 980 12 24 18 21,5 35,0 19,0 6800 6,4+,9 14,3 980 12 24 18 21,5 35,0 19,0 6800 7,9+7,9 15,9 1100 15 30 23 24,0 38,1 22,2 9120 Примечание. Диаметр электрода 25—38 мм. При сферической заточке рабочей поверхности электрода радиус сферы 75 мм. Продолжительность каждого сварочного импульса 0,34 с, продолжительность паузы 0,08 с.
Для сварки строительных конструкций больших толщин применяют сложные трехфазные низкочастотные машины, а в последнее время и машины постоянного тока. Эти машины уменьшают нагрузку силовой питающей электросети и снижают влияние ферромагнитных масс, вводимых в контур. На таком оборудовании можно осуществить сложные циклограммы с повышенным усилием, предварительным сжатием и проковкой. Для предварительного подогрева при повышенном усилии сжатия иногда пропускают небольшой импульс тока. Это позволяет создать более устойчивый контакт, после чего включается основной импульс сварочного тока, снижается усилие на электродах и происходит нагрев, во время которого расплавляется ядро точки. Цикл завершается этапом проковки.
При сварке сталей с зачищенной поверхностью предварительный подогрев не применяют. Если содержание углерода не превышает 0,25%, то отпадает необходимость и в последнем импульсе тока, который подается с целью снижения скорости охлаждения и предотвращения закалочных трещин. Режимы сварки больших толщин выбирают по таблицам или рассчитывают по номограммам.