Особенности термодеформационных процессов при точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения

Формирование сварного соединения при точечной сварке с обжатием его периферийной зоны происходит по той же схеме, что и при традиционных способах КТС. В месте с тем, особенности силового воздействия на детали при КТС с обжатием периферийной зоны соединения, которые заключаются в сжатии деталей токопроводящими электродами усилием F _Э и автономном обжатии периферийной зоны соединения кольцевыми силовыми пуансонами усилием F _О (см. п. 1.2.3), при сохранении общего характера протекания основных термодеформационных процессов в зоне сварки приводят к существенному изменению количественных их параметров.

Математическое моделирование процесса КТС с обжатием периферийной зоны соединения, путем решения уравнения (3.17) термодеформационного равновесия этого процесса сварки (алгоритм показан на рис. 4.1), впервые позволило определить не только характер изменения основных термодеформационных процессов в зоне формирования соединения при этом способе сварки, но и рассчитать их количественные параметры. При этом установлено следующее (рис. 4.7) [204, 210…212, 243].

В процессе формирования точечного сварного соединения на стадии нагрева во время t _СВ действия импульса сварочного тока при КТС с обжатием периферийной зоны соединения, как и при традиционных способах сварки, в зоне сварки происходит пластическое течение металла и монотонное увеличение площади (диаметра d _{П t}) свариваемого контакта
(рис. 4.7, а). Это является следствием того, что среднее значение напряжений в контуре уплотняющего пояска σ _{СР t}, а после начала плавления металла в свариваемом контакте и давление Р_{Я t} в ядре, также уменьшаются по величине в течение действия импульса сварочного тока.

Факторы, следствием воздействия которых является такое изменение напряжений в контуре уплотняющего пояска σ _{СР t} и давления Р_{Я t} расплавленного металла в ядре, те же: разупрочнение металла в зоне сварки и снижение его сопротивления пластической деформации σ _{Д t}, а также уменьшение ширины уплотняющего пояска b _{П t}, равной b _{П t} = (d _{П t} – d _{Я t})/2, из-за более быстрого роста диаметра ядра d _{Я t} по сравнению с увеличением диаметра d _{П t} уплотняющего пояска.

Основным фактором, определяющим уменьшение сопротивления пластической деформации σ _{Д t} металла в зоне сварки во время действия импульса сварочного тока также, как и при традиционных способах КТС, является его разупрочнение вследствие увеличения температуры Т_{Д t}
(рис. 4.5, б), которое по своему влиянию превосходит упрочняющее действие монотонно увеличивающейся в процессе формирования соединения степени пластической деформации. Так, в период времени после начала формирования ядра, несмотря на существенное увеличение температуры Т_{0 t} в центре контакта деталь–деталь температуры Т_{Э t} в контакте электрод–деталь, температура деформируемого металла Т_{Д t} увеличивается незначительно, что хорошо коррелируется с изменением в этот период его сопротивления пластической деформации.

Кроме того, как и при традиционных способах КТС, уменьшению в процессе КТС сопротивления пластической деформации металла в зоне сварки σ _{Д t} также способствует и уменьшение при сварке скорости пластической деформации u_t.

Основное отличие характера протекания термодеформационных процессов при КТС с обжатием периферийной зоны соединения от их протекания при традиционных способах сварки заключается в особенностях характера силового взаимодействия деталей в контакте деталь–деталь, в частности, в возможности их силового взаимодействия вне контура уплотняющего пояска в площади кольцевого контакта деталь–деталь (см. рис. 3.2). Это оказывает существенное влияние на количественные параметры всех основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, в частности, на величину напряжений в контуре уплотняющего пояска σ _{СР t} и давления Р_{Я t} в расплавленного металла ядре.

Так, в приведенном на рис. 4.7 примере, детали в месте сварки сжимаются токопроводящими электродами неизменным усилием F _{Э t} = 6 кН и обжимными втулками также неизменным усилием обжатия F _{О t} = 3,4 кН (рис. 4.5, в). При этом в одном варианте сварки детали обжимаются втулками с внутренним диаметром d _ВВ, равным 16 мм (изменение параметров термодеформационных процессов в этом варианте сварки показано сплошными линиями), а в другом — 24 мм (в этом варианте сварки —штриховыми линиями).

Поскольку в приведенном примере детали в месте сварки собраны без зазора (δ = 0 → F _{Д t} = 0), то в соответствии с уравнением (3.17) к моменту начала импульса тока усилие сжатия в площади свариваемого контакта F_Ct равно усилию сжатия деталей токопроводящими электродами F _{Э t}, а усилие в кольцевом контакте F _{К t} вне контура уплотняющего пояска равно усилию обжатия деталей F _{О t} кольцевыми силовыми пуансонами.

С момента начала импульса тока вследствие нагрева и расширения металла в зоне сварки в контакте деталь–деталь начинает формироваться рельеф (уплотняющий поясок), увеличивающаяся высота которого h _{П t} определяется по зависимости (3.84). Вследствие этого детали между контурами уплотняющего пояска и внутреннего диаметра обжимной втулки прогибаются и своей упругостью передают в зону сварки часть усилия обжатия деталей F _{О t}, равную усилию F _{У t}, величину которого можно определить по зависимости (3.19), сопротивления деталей их суммарному прогибу на высоту уплотняющего пояска. Таким образом, в процессе сварки на стадии нагрева усилие сжатия в свариваемом контакте F_Ct увеличивается пропорционально увеличению высоты h _{П t} уплотняющего пояска на величину F _{У t}, а усилие сжатия деталей в кольцевом контакте F _{К t} на эту же величину уменьшается.

Это сказывается на количественных параметрах всех термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки. Так, увеличение внутреннего диаметра обжимной втулки с 16 до 24 мм приводит к уменьшению усилия упруго прогиба деталей F _{У t}, усилия сжатия в площади свариваемого контакта F_Ct, уменьшению диаметра уплотняющего пояска d _{П t}, повышению температуры Т_{Д t} деформируемого металла и уменьшению его сопротивления пластической деформации σ _{Д t}, а следовательно к уменьшению среднего значения напряжений в площади уплотняющего пояска σ _{СР t} и давления расплавленного металла в ядре Р_{Я t}.

При КТС с обжатием периферийной зоны соединения также, как и при традиционных способах сварки, до начала плавления металла все усилие сжатия в свариваемом контакте F_Ct уравновешивается металлом, находящимся в твёрдой фазе, и следовательно в этот период согласно зависимостям (3.10) и (3.21) F_Ct = F _{П t}.

В период после момента t _НП начала плавления металла в свариваемом контакте до окончания импульса тока (при t _НП < t ≤ t _СВ) часть усилия сжатия в свариваемом контакте F_Ct уравновешивается давлением Р_{Я t} расплавленного металла в ядре, которое по его площади развивает усилие F _{Я t} (3.9), а часть — напряжениями в уплотняющем пояске, которые по его площади составляют усилие F _{П t} (3.10). При этом, несмотря на уменьшение давления в ядре Р_{Я t} в процессе его формирования, усилие F _{Я t} в его площади увеличивается, что обусловлено более быстрым увеличение площади ядра по сравнению с уменьшением в нем давления, что приводит к увеличению доли усилия F_Ct, уравновешиваемой усилием F _{Я t} в площади ядра, и уменьшению на эту же величину доли усилия F_Ct, уравновешиваемой усилием F _{П t} в площади уплотняющего пояска.

Таким образом, при КТС с обжатием периферийной зоны соединения в процессе сварки происходит не только перераспределение усилий сжатия в свариваемом контакте между уплотняющим пояском и ядром расплавленного металла, но и увеличение усилия сжатия в площади уплотняющего пояска. Это благоприятно сказывается на устойчивости процесса формирования соединения в части увеличения тепловыделения в начале процесса сварки и повышения устойчивости против образования выплесков в его конечной стадии.