Общая схема образования соединения

Весь процесс образования соединения условно состоит из отдельных физических процессов, которые в зависимости от роли в формировании соединения разделяют на основные и сопутствующие (рис. 3).

Рисунок 3 – Основные и сопутствующие процессы
при образовании контактного соединения

При точечной сварке (рис. 4) детали 1 собирают внахлест или с отбортовкой, плотно зажимают между электродами 2 сварочной машины, нагревают кратковременным (0,01...0,5 с) импульсом электрического тока большой силы (до десятка кило-ампер) при незначительном напряжении (3...12 В), вследствие чего создается соединение на отдельных участках контакта, которые называются точками. Создание соединения происходит по схеме, что состоит из этапов I-III (рис. 4).

Первый этап начинается с момента сжатия деталей силой F_св, что вызывает пластическую деформацию микрорельефа в контактах электрод – деталь и деталь – деталь.

Рисунок 4 - Этапы образования соединения при точечной сварке

Следующее включение тока I и нагрев металла облегчают процессы выравнивания микрорельефа, разрушение поверхностей пленок и формирование электрического контакта.

Тепловое расширение при точечной сварке происходит в условиях сжатия и сопровождается возникновением неравномерного распределения внутренних напряжений, которые вместе с постоянно действующими внешними силами F_св вызывают необратимые объемные пластические деформации (направление максимальной деформации 3).

Тепловое расширение металла в области контакта деталь – деталь является причиной образования зазора между деталями.

До расплавления металла уменьшение σ _д и излишек металла за счет дилатометрического эффекта компенсируются незначительным разведением электродов, а также вытеснением частей металла в зазор, что обеспечивает на внутреннем контакте рельеф – уплотнительный поясок 4, который ограничивает растекания сварочного тока.

На первом этапе сопутствующие процессы из-за относительно малой деформации и низкой температуры зоны сварки не получают большого развития.

Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра 5. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров - по высоте h_я и диаметру d_я (размеры ядра или шва регламентируются ГОСТ 15878-79, ГОСТ 14098-85 и определяются из условий обеспечения требуемого уровня прочности свариваемых конструкций). При этом происходит перемешивание металла 6, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Ядро возникает в зоне, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей мере влияет теплообмен с электродами.

При расплавлении в замкнутом объеме резко увеличивается объем металла ядра (рис. 5), возникают электромагнитные силы и, как след­ствие, возникает гидростатическое давление, которое определяется общим балансом напряжений в зоне сварки. Дилатометрический эффект и общее уменьшение σ_д компенси­руется дальнейшим раздвижением электро­дов и вытеснением в зазор дефор­мированного металла. Это способству­ет созданию не только рельефа, который ограничивает растекание тока, но и герметизацию литого ядра, предот­вращая разбрызгивание металла и его контакт с атмосферой.

Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение σ_д; соответственно, темпера­тура внешней границы ниже, а σ_д больше. Метал пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом напряжения стремятся увеличить зазор между деталями. Такой характер деформации приконтактной области деталей вызывает «оседание» металла и возникновение вмятин 8 (размер с) на поверхности от электродов.

С появлением расплавленного ядра появляется опасность разбрызгивания, вследствие теплопроводности нагревается шовная зона, изменяется выходная структура металла, наблюдается массоперенос в контакте электрод – деталь (сопутствующие процессы).

Третий этап начинается после выключения сварочного тока -происходит интенсивная кристаллизация ядра (h_я, d_я), которая оканчивает создание неразъемного соединения деталей в месте соприкосновения. Металл точек имеет дендритную структуру.

Во время кристаллизации продолжается теплопередача в околошовную зону и изменение структуры металла в ней, происходит усадка металла, вследствие чего в нем создаются усадочные полости и раковины; в ядре возникают растягивающие напряжения, которые являются причиной возникновения трещин и под влиянием которых возможно разрушение непрочной точки.

Для снижения уровня остаточных напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин нужны значительные усилия F_ков. Высокое качество сварки и максимальная продуктивность процесса для данной толщины, формы и материала изделий определяются правильностью избранного режима сварки (типовой электротермодеформационный цикл сварки, смотри. рис. 4).

Качество соединений также зависит от техники сварки, формы электродов, качества сборки и подготовки поверхности, сварочного оборудования, системы контроля и других конструктивно-технологических факторов.