Сколково

Основы контактной сварки

1340934800071851900

Контактная сварка – это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

ИСТОРИЯ

Создатель контактной сварки – английский физик Уильям Томсон, лорд Кельвин. В 1856 г. он впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон независимо от англичанина разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н. Н. Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки. На промышленный поток в России контактную сварку поставили в 1936 г.

ПРЕИМУЩЕСТВА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ПЕРЕД ДРУГИМИ СПОСОБАМИ

  • Высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02… 1,0 с)
  • Малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха)
  • Высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика
  • Это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации

Основные способы контактной сварки — это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка. Машины для контактной сварки бывают стационарными, передвижными и подвесными (сварочные клещи). По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки различают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки.

КАК УСТРОЕН АППАРАТ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Любая машина состоит из электрической и механической частей, пневмо- или гидросистемы и системы водяного охлаждения (рис. 1). scheme

Рис. 1. Типовые схемы машин для контактной точечной (а), шовной (б) и стыковой (в) сварки: 1 — трансформатор; 2 — переключатель ступеней; 3 — вторичный сварочный контур; 4 — прерыватель первичной цепи; 5 — регулятор; 6 — привод сжатия; 7- привод зажатия деталей; 8 — привод осадки деталей; 9 — привод вращения роликов; 10- аппаратура подготовки; 11 — орган включения

Электрическая часть включает в себя силовой сварочный трансформатор 1 с переключателем ступеней 2 его первичной обмотки, с помощью которого регулируют вторичное напряжение, вторичный сварочный контур 3 для подвода сварочного тока к деталям, прерыватель 4 первичной цепи сварочного трансформатора 1 и регулятор 5 цикла сварки, обеспечивающий заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки.

Механическая часть состоит из привода сжатия 6 точечных и шовных машин, привода 7 зажатия деталей и привода 8 осадки деталей стыковых машин. Шовные машины снабжены приводом 9 вращения роликов.

Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры 10 подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу 6 (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера).

Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе 1 и вторичном контуре 3, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или ее мало.

Все машины снабжены органом включения 11. У точечных и шовных машин это ножная педаль с контактами, у стыковых — это комплект кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие «С» электродов или зажатие «3» деталей, на включение «Т» и отключение «О» сварочного тока, на вращение «В» роликов, на включение «а» регулятора цикла сварки. Эти команды отрабатываются соответствующими блоками машины, обеспечивая выполнение операций цикла сварки.

ЭЛЕКТРОДЫ

Электроды в контактной сварке служат для замыкания вторичного контура через свариваемые детали. Кроме этого при шовной сварке электроды-ролики перемещают свариваемые детали и удерживают их в процессе нагрева и осадки.

Важнейшая характеристика электродов — стойкость, способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при нагреве рабочей поверхности до температуры 600 0С и ударных усилиях сжатия до 5 кг/мм2. Электроды для точечной сварки — это быстроизнашивающийся сменный инструмент сварочной машины. Для изготовления электродов используют медь и жаропрочные медные сплавы — бронзы. Это может быть хромоциркониевая бронза БрХЦрА; кадмиевая БрКд1; хромистая БрХ; бронза, легированная никелем, титаном и бериллием БрНТБ или кремний-никелевая бронза БрКН-1-4. Последние две бронзы обладают повышенной износостойкостью, из них можно изготавливать электроды-губки стыковых машин.

Материалы для электродов должны обладать также высокой электро- и теплопроводностью, чтобы их нагрев в процессе сварки был меньше. Температура разупрочнения бронз не превышает 0,5 их температуры плавления, а рабочая поверхность электрода нагревается до 0,6 Тпл. При таких условиях электродные бронзы относительно быстро разупрочняются. Повысить износостойкость электродов можно, используя технологические факторы. Сварку алюминиевых и магниевых сплавов лучше производить на конденсаторных машинах, а не на машинах переменного тока. Вместо механической зачистки нужна химическая очистка поверхности, травление и пассивация. Расстояние l от рабочей поверхности до дна охлаждающего канала (рис. 2) не должно превышать 10…12 мм, увеличение его до 15 мм повышает износ электрода в 2 раза. При сварке черных металлов стойкость электродов можно повысить в 3…4 раза только за счет сферической заточки электрода и снижения темпа сварки до 40…60 точек в минуту. scheme2

Рис. 2. Схемы электродов для точечной сварки: а — с наружным посадочным конусом; б — колпачковых

Электрод должен иметь минимальную массу, удобно и надежно устанавливаться на сварочной машине. Диаметр D должен обеспечивать устойчивость электрода против изгиба при сжатии его усилием сварки, а также возможность захвата инструментом для снятия. Внутренний диаметр должен обеспечивать ввод трубки с охлаждающей водой и выход воды, обычно d0 = 8 мм. Длина конусной части для крепления электрода в свече машины l1 <= 1,2 D. Угол конусности 1:10 при D < 25 мм и 1 : 5 при D > 32 мм. Диаметр рабочей части электрода выбирают в зависимости от толщины кромок свариваемых деталей dэ = 3S.

Стойкость электродов с наружным посадочным конусом (рис. 2, а) обычно не превышает 20 000 сварок. Стойкость колпачковых электродов (рис. 2, б) с внутренним посадочным конусом достигает 100 000 сварок вследствие лучших условий охлаждения. Для сварки деталей сложной конфигурации в труднодоступных местах применяют фигурные электроды.

Электроды для рельефной сварки конструктивно приближаются к форме изделия. В простейшем случае это плиты с плоской рабочей поверхностью.

Электроды-ролики шовных машин имеют форму дисков. Ширина рабочей поверхности ролика В и его толщина Н зависят от толщины S свариваемой детали.

Токоведущие губки стыковых машин по форме и размерам должны соответствовать поперечному сечению свариваемых деталей. Длину губок выбирают такой, чтобы обеспечить соосность деталей и предотвратить их проскальзывание при осадке. При сварке стержней она составляет 3…4 их диаметра, а при сварке полос — не менее 10 толщин полосы.

КАК ПОДГОТОВИТЬ ПОВЕРХНОСТЬ К СВАРКЕ

Есть три основных требования:

  • в контактах электрод-деталь должно быть обеспечено как можно меньшее электрическое сопротивление Кэ-д —> min),
  • в контакте деталь-деталь сопротивление должно быть одинаковым по всей площади контакта.
  • сопрягаемые поверхности деталей должны быть ровными, плоскости их стыка при сварке должны совпадать.

Выбор конкретного способа подготовки поверхностей определяется материалом деталей, исходным состоянием их поверхностей, характером производства. Для штучного и мелкосерийного производства необходимо предусмотреть операции правки, рихтовки, обезжиривания, травления или зачистки, механической обработки. В условиях крупносерийного и массового производства, где обеспечивается высокое качество исходных материалов в заготовительном и штампопрессовом производствах, подготовку поверхностей перед сваркой можно не делать. Исключение составляют детали из алюминиевых сплавов, требующих обработки поверхности не ранее чем за 10 ч до сварки.

Критерий качества подготовки поверхности — это величина контактных сопротивлений Rэ-д и Rд-д. Для их измерения детали зажимают между электродами сварочной машины, но сварочный ток не включают. Сопротивление измеряют микроомметром при помощи щупов. Для сталей сопротивление более 200 мкОм свидетельствует о плохом качестве поверхности. Высокое Rэ-д приводит к перегреву электродов и подплавлению поверхности деталей, вследствие чего происходит наружный и внутренний выплеск металла и образуется чрезмерная вмятина под электродами.

ТЕОРИЯ

Основные параметры режима всех способов контактной сварки — это сила сварочного тока, длительность его импульса и усилие сжатия деталей. Теплота в свариваемом металле выделяется при прохождении через него импульса тока Iсв длительностью t в соответствие с законом Джоуля-Ленца:

Q= Iсв2Rсвt,

где за Rсв принимают сопротивление столбика металла между электродами. При расчете сварочного тока, времени импульса, сварочного трансформатора Rсв — исходный параметр, так как его легко рассчитать, зная материал детали, ее толщину и требуемую температуру сварки. При этом сопротивлениями в контактах между деталями и между электродами и деталями пренебрегают. Согласно закону Джоуля-Ленца увеличение Rсв должно увеличивать количество выделяющейся теплоты. Но по закону Ома

Iсв=U2/Z,

где U2 — напряжение на вторичном контуре сварочной машины, a Z — полное сопротивление вторичного контура, в которое входит Rсв. Поэтому при увеличении Rсв уменьшится Iсв, а он входит в закон Джоуля-Ленца в квадрате. Следовательно, увеличение Rсв не всегда увеличивает количество выделяющейся при сварке теплоты, многое зависит от соотношения Rсв и полного сопротивления вторичного контура сварочной машины. Отсюда следуют несколько практических выводов. С ростом общего сопротивления вторичного контура от 50 до 500 мкОм тепловыделение в зоне сварки уменьшается по мере падения Rсв примерно в 10 раз. Недостаток тепла компенсируется увеличением мощности (U2) или времени сварки. Сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (~ 50 мкОм) сопровождается интенсивным ростом нагрева по мере падения Rсв в процессе увеличения сварного ядра. При достижении равенства

Rсв = Z

нагрев достигает максимума, а затем, по мере еще большего снижения Rсв (по достижении требуемого размера ядра), уменьшается. Таким образом, сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (а их большинство) сопровождается нестационарным нагревом и нестабильным качеством соединений. Уменьшить этот недостаток можно надежным сжатием зачищенных деталей, обеспечивающим поддержание Rсв на минимальном уровне, либо поддерживая высокий уровень Rсв за счет слабого сжатия деталей и разделения импульса сварочного тока на несколько коротких импульсов. Последнее еще и экономит энергию и обеспечивает прецизионное соединение с остаточной деформацией 2…5 %.

При сварке на машинах с большим сопротивлением вторичного контура (> 500 мкОм) снижение Rсв в процессе сварки практически не влияет на выделение теплоты, нагрев остается стационарным, что характерно для сварки на подвесных машинах с длинным кабелем во вторичном контуре. Сваренные на них соединения обладают более стабильным качеством.

СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Качество сварных соединений, выполненных контактной сваркой, определяется подготовкой поверхностей к сварке, а также правильным выбором параметров режима и их стабильностью. Основной показатель качества точечной и шовной сварки — это размеры ядра сварной точки. Для всех материалов диаметр ядра должен быть равен трем толщинам S более тонкого свариваемого листа. Допускается разброс значений глубины проплавления в пределах 20…80 % S. За меньшим из этих пределов следует непровар, за большим — выплеск. Глубина вмятины от электрода не должна превышать 0,2 S. Размер нахлестки в точечных и шовных соединениях должен выбираться в пределах 2,5…5,0 диаметров ядра.

Основные дефекты сварных соединений при точечной и шовной сварке — это непровар, заниженный размер литого ядра, трещины, рыхлоты и усадочные раковины в литом ядре и выплеск, который может быть наружным, из-под контакта электрод — деталь, и внутренним, из-под контакта между деталями. Причины этих дефектов — недостаточный или избыточный нагрев зоны сварки из-за плохой подготовки поверхностей и плохой сборки деталей или из-за неправильно выбранных параметров режима сварки. При стыковой сварке по тем же причинам могут возникать непровары. Перегрев зоны сварки может вызвать структурные изменения (укрупнение зерна) и обезуглераживание сталей. Это ухудшает механические свойства соединений.

Контролируют качество контактной сварки чаще всего внешним осмотром, а также любыми методами неразрушающего контроля. Сложность контроля состоит в том, что этими методами непровар не выявляется, так как поверхности деталей плотно прижаты друг к другу, в их контакте образуется «склейка», проникающие излучения, магнитное поле и ультразвук не отражаются и не ослабляются. Наиболее оперативный метод контроля — разрушение контрольных образцов в тисках молотком и зубилом. Если непровара нет, разрушение происходит по целому металлу одной из деталей, можно измерить диаметр литого ядра при точечной и шовной сварке.

Читайте так же: М.Д. Банов, Ю.В. Казаков, М.Г. Козулин.»Сварка и резка материалов». -М