Основы теории и технологии контактной точечной сварки (стр. 34 )

Моделированием процессов формирования точечных сварных соединений как при традиционных способах сварки, так и при способах сварки с обжатием периферии соединения по описанным выше методикам расчетов подтверждается существующее мнение [3, 16] о том, что формирование точечных соединений происходит по единой схеме, несмотря на изменение значимости влияния отдельных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, на формирование соединения на отдельных этапах цикла сварки, а также различия количественных их параметров. Так, во всех случаях контактной точечной сварки сохраняется временная последовательность протекания отдельных термодеформационных процессов в зоне сварки, значимость их влияния на процесс формирования соединения и характер изменения при сварке: температура металла в зоне сварки во время импульса сварочного тока, хотя и неравномерно, всегда увеличивается; среднее значение давления в свариваемом контакте, напряжения в площади уплотняющего пояска, а после начала плавления металла в свариваемом контакте и давление в ядре всегда уменьшаются по величине; разупрочнение металла в зоне сварки всегда возрастает, что сопровождается его пластическим течением и непрерывным увеличением площади свариваемого контакта [203…206, 210…212, 218, 243].

4.2.1. Изменение параметров термодеформационных процессов при традиционных способах точечной сварки

Из всех параметров процесса точечной сварки к настоящему времени экспериментально измерено с достаточной степенью надежности только изменение в процессе формирования соединения диаметра уплотняющего пояска, размеров ядра расплавленного металла и температуры в контактах электрод–деталь. Сведения об остальных в большинстве носят предположительный характер.

Решение уравнения (3.11) термодеформационного равновесия процесса формирования соединения для традиционных способов сварки впервые (алгоритм показан на рис. 4.1) позволило рассчитать изменение в процессе КТС параметров основных термодеформационных процессов, определить их взаимовлияние и влияние на устойчивость процесса сварки. При этом установлено следующее (рис. 4.5) [203…206, 214…216, 218].

В процессе формирования точечного сварного соединения на стадии нагрева во время tСВ действия импульса сварочного тока происходит уменьшение среднего давления РСРt в контуре контакта деталь–деталь, сопровождаемое его пластическим течением и непрерывным увеличением площади (диаметра dПt ) свариваемого контакта (рис. 4.5, а). Это является следствием того, что среднее значение напряжений в контуре уплотняющего пояска σСРt, а после начала плавления металла в свариваемом контакте и давление РЯt в ядре, уменьшаются по величине. Причем, до начала плавления металла средние значения давления РСРt и напряжений σСРt в контакте деталь–деталь совпадают по величине.

Основными факторами, определяющими такое изменение напряжений в контуре уплотняющего пояска σСРt и давление РЯt в ядре, являются разупрочнение металла в зоне сварки, которое проявляется в уменьшении его сопротивления пластической деформации σДt, а также уменьшение ширины уплотняющего пояска bПt, равной bПt = (dПt – dЯt)/2 (см. зависимости (3.51) и (3.59)), из-за более быстрого увеличения диаметра ядра dЯt по сравнению с увеличением диаметра dПt уплотняющего пояска.

Основным фактором, определяющим уменьшение сопротивления пластической деформации металла в зоне сварки σДt является его разупрочнение вследствие увеличения температуры ТДt (рис. 4.5, а), которое по своему влиянию не только полностью компенсирует, но и превосходит упрочняющее действие монотонно увеличивающейся в процессе формирования соединения степени пластической деформации. Кроме того, уменьшению в процессе КТС сопротивления пластической деформации металла в зоне сварки σДt способствует и уменьшение при сварке скорости пластической деформации ut.

Монотонное изменение в процессе КТС напряжений в контуре уплотняющего пояска σСРt и давления РЯt в расплавленного металла ядре не приводит к нарушению термодеформационного равновесия в площади свариваемого контакта. Оно сопровождается лишь изменением в его площади характера силового взаимодействия деталей (рис. 4.5, в).

Так, в приведенном на рис. 4.5 примере, детали в месте сварки собраны с зазором δ = 0,5 мм. Поэтому в соответствии с уравнением (3.11) усилие сжатия в площади свариваемого контакта FCt (3.21) меньше усилия сжатия деталей электродами FЭt, на величину FДt (см. зависимость (2.5)), затраченную на деформацию деталей при их сближении до соприкосновения поверхностей. В течение все процесса КТС усилие сжатия в свариваемом контакте FCt меньше усилия сжатия деталей электродами FЭt на величину FДt и в данном случае остается неизменным.

До начала плавления металла все усилие FCt сжатия в свариваемом контакте уравновешивается металлом, находящимся в твёрдой фазе. В этом случае все усилие в площади свариваемого контакта FCt уравновешивается напряжениями, интегральная сумма которых в площади уплотняющего пояска равна усилию FПt, т. е. в этот период согласно зависимостям (3.10) и (3.21) FCt = FПt.

В период после момента tНП начала плавления металла в свариваемом контакте до окончания импульса тока (при tНП < t ≤ tСВ) часть усилия сжатия в свариваемом контакте FCt уравновешивается давлением РЯt расплавленного металла в ядре, которое по его площади развивает усилие FЯt (3.9), а часть — напряжениями в уплотняющем пояске, которые по его площади составляют усилие FПt (3.10). При этом, несмотря на уменьшение давления в ядре РЯt в процессе его формирования, усилие FЯt в его площади увеличивается, что обусловлено более быстрым увеличение площади ядра по сравнению с уменьшением в нем давления. Поэтому по мере роста ядра происходит перераспределение усилий сжатия в свариваемом контакте при неизменной величине FCt: доля усилия FCt, уравновешиваемая в его площади усилием FЯt, увеличивается, а доля, уравновешиваемая в площади уплотняющего пояска усилием FПt, уменьшается на величину FЯt.

Такое взаимосвязанное изменение параметров термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, и параметров силового взаимодействия деталей в площади свариваемого контакта обеспечивает устойчивое формирование соединения в условиях их непрерывного изменения при КТС.

4.2.2. 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 FЭ и автономном обжатии периферийной зоны соединения кольцевыми силовыми пуансонами усилием FО (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 tСВ 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 dПt) свариваемого контакта
(рис. 4.7, а). Это является следствием того, что среднее значение напряжений в контуре уплотняющего пояска σСРt, а после начала плавления металла в свариваемом контакте и давление РЯt в ядре, также уменьшаются по величине в течение действия импульса сварочного тока.

Факторы, следствием воздействия которых является такое изменение напряжений в контуре уплотняющего пояска σСРt и давления РЯt расплавленного металла в ядре, те же: разупрочнение металла в зоне сварки и снижение его сопротивления пластической деформации σДt, а также уменьшение ширины уплотняющего пояска bПt, равной bПt = (dПt – dЯt)/2, из-за более быстрого роста диаметра ядра dЯt по сравнению с увеличением диаметра dПt уплотняющего пояска.

Основным фактором, определяющим уменьшение сопротивления пластической деформации σДt металла в зоне сварки во время действия импульса сварочного тока также, как и при традиционных способах КТС, является его разупрочнение вследствие увеличения температуры ТДt
(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 Т0t в центре контакта деталь–деталь температуры ТЭt в контакте электрод–деталь, температура деформируемого металла ТДt увеличивается незначительно, что хорошо коррелируется с изменением в этот период его сопротивления пластической деформации.