Контактная сварка
Контактная сварка — это процесс, при котором неразъемное соединение образуется в результате нагрева металла вследствие прохода через него тока, а также пластической деформации под действием усилия на сжатие зоны соединения.
Оборудование
Впервые стыковую сварку в 1856 году применил английский физик У.Томсон. Элих Томсон в 1877 году самостоятельно разработал метод стыковой сварки и успешно внедрил ее в промышленность. В России Н. Бенардос изобрел метод контактной точеной и роликовой (шовной) сварки в 1977 году. В промышленности России контактная сварка начала использоваться в 1935 году, после начала серийного выпуска контактных сварочных агрегатов.
Преимущества контактной сварки:
- Высокая производительность процесса (время сварки точки или стыка составляет 0,02… 1,0с)
- Малый расход вспомогательных материалов, таких как вода и воздух
- Высокое качество и надежность сварных соединений при малых управляемых параметрах режима, что снижает требования к квалификации персонала
- Процесс легко поддается механизации и автоматизации.
Основные способы контактной сварки — это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка.
Оборудование для контактной сварки бывает стационарным, передвижным и подвесным (сварочные клещи). По виду тока в сварочном контуре различают машины переменного или постоянного тока от импульса, выпрямляемого в первичной цепи трансформатора или от разряда конденсатора сварочного аппарата. Также различают машины по способу сварки – для точечной, рельефной, стыковой и шовной сварки.
Любой аппарат для контактной сварки состоит из механической и электрической частей, гидро- или пневмосистемы, системы водяного охлаждения (рис. 1).
Электрическая часть состоит из силового сварочного трансформатора (1) с переключателем ступеней (2) его первичной обмотки, при помощи чего регулируется вторичное напряжение, вторичного сварочного контура (3) для подвода сварочного тока к свариваемым деталям, прерывателя (4) первичной цепи сварочного трансформатора (1) и регулятора (5) цикла сварки, обеспечивающего установленную последовательность операций в цикле, а также параметров сварочных режимов.
Механическая часть включает в себя привод сжатия (6) точечных и шовных машин, привод (7) сжатия деталей и привод (8) осадки деталей стыковых машин. Шовные машины оснащены приводом (9) вращения роликов.
Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры подготовки (10) – фильтры и лубрикаторы, аппаратуры регулирования – редукторы, манометры, дроссельные клапана, аппаратуры подвода воздуха к приводу (6) – электропневматические клапана, запорная арматура, штуцера.
Система водяного охлаждения включает в себя штуцера для разводящей и приемной гребенок, охлаждаемых водой в полости трансформатора (1) и вторичном контуре (3), подводные шланги, запорную арматуру, гидравлическое реле, на случай аварийного отключения при отсутствии воды или ее недостаточном количестве.
Все аппараты оснащены органом включения (11). У точечных и шовных машин орган включения – ножная педаль с контактами, у стыковых – комплект кнопок. От органов управления выходят команды на сжатие электродов или зажатие деталей, включение и отключение сварочного тока, вращение роликов, включения регулятора цикла сварки. Эти команды обрабатываются соответствующими машинными блоками, обеспечивая операцию сварки.
Кроме универсальных аппаратов, применяются специальные машины разработанные для сварки определенных конструкций и типов размеров деталей. Таким примером служат машины для контактной сварки кузовных частей автомобилей, встроенные в автоматические линии.
Электроды в контактной сварке используют для замыкания вторичного контура через свариваемые детали и удерживают детали в процессе нагревания и осадки.
Важнейшие характеристики электродов – это стойкость и способность сохранять изначальные форму и размеры, а также свойства при нагреве рабочей поверхности электрода до температуры около 6000С и ударными усилиями на сжатие до 5кг/мм2 . Электроды для точечной сварки – сменный и быстроизнашивающийся инструмент. Для их изготовления используется медь и жаропрочные медные сплавы, так называемые бронзы. Это могут быть кадмиевая БрКд1бронза, хромоциркониевая бронза БрХЦрА; ; хромистая БрХ; легированная никелем, титаном и бериллием БрНТБ или кремний-никелевая бронза БрКН-1-4. БрНТБ и БрКН-1-4 обладают повышенной износостойкостью. Из них производят электроды-губки для стыковых аппаратов. Материалы, из которых изготавливают электроды, должны обладать высокой электропроводностью и теплопроводностью, чтобы нагрев их в процессе сварки был меньше. Температура разупрочнения бронз не превышает 0,5 от температуры плавления, а рабочая поверхность электродов нагревается до 0,6 температуры плавления. При таких условиях бронзы достаточно быстро разупрочняются. Используя технологические факторы, можно значительно повысить износостойкость электродов. Сварку магниевых и алюминиевых сплавов лучше осуществлять на конденсаторных машинах. Расстояние от рабочей поверхности до канала охлаждения (рис.2) не должно быть более 10-12мм. К примеру, увеличение расстояние до 15мм увеличивает износ электродов в 2 раза. За счет сферической заточки электродов и уменьшения скорости сварки до 40-60 точек в минуту, можно снизить расход электродов почти в 5 раз при сварке черных металлов.
Электрод должен обладать минимальной массой, надежно и удобно закрепляться в сварочной машине. Диаметр D должен обеспечить устойчивость электрода от изгиба при сжатии электрода во время сварки, а также обеспечить возможность захвата электрода для снятия. Внутренний диаметр обычно d0 = 8 мм должен обеспечивать ввод трубки с водой для охлаждения и беспрепятственный вывод воды. Конусная часть для закрепления электрода в свече l1 <= 1,2 D. При D < 25 мм угол конусности должен составлять 1:10, а при D > 32 мм угол конусности должен быть 1:5. В зависимости от толщины кромок свариваемых деталей выбирается диаметр рабочей части электрода согласно формуле dэ = 3S. Стойкость электрода с наружным посадочным конусом (рис.2,а) составляет около 20 тыс. сварок. Колпачковые электроды (рис. 2,б) рассчитаны на 100 тыс. сварок, поскольку у них лучше показатели охлаждения. Для сварки деталей со сложной конфигурацией используются фигурные электроды.
Для рельефной сварки, электроды конструктивно приближают к форме детали. В простом случае, это плиты с плоской рабочей поверхностью.
Токоведущие губки на стыковых машинах по размеру и форме должны соответствовать поперечному сечению свариваемых деталей. Глубину губок на стыковых аппаратах выбирают таким образом, чтобы обеспечивалась соосность деталей и отсутствовала возможность проскальзывания при осадке. При сварке стержней глина губок должна быть 3-4 диметра стрежней, а при сварке полос – не меньше чем 10 толщин полосы.
Электроды-ролики шовных аппаратов изготавливают в форме дисков. Ширина и толщина рабочей поверхности зависят от толщины свариваемого изделия.
Подготовка поверхности для контактной сварки должна соответствовать трем основным требованиям: к контакте деталь-электрод должно обеспечиваться наименьшее электрическое сопротивление Кэ-д -> min, в контакте деталь-деталь электрическое сопротивление должно быть равным по всей площади контакта. Свариваемые поверхности деталей должны быть ровными, а стыки должны совпадать.
Способ подготовки поверхности поверхностей определяется исходя из материала детали, первоначальным состоянием и характером производства. Для штучного или мелкосерийного производства нужно предусмотреть операции по правке, рихтовке, обезжиривания, травления, зачистки и механической обработке. При крупносерийном и массовом производстве, где качество исходных материалов обеспечивается в заготовительных и штампопрессовых цехах, подготовка перед сваркой может и не проводиться. Исключение составляют изделия из сплавов алюминия, требующие обработки поверхностей не ранее чем за 10 часов до сварки.
Оценкой качества подготовки рабочей поверхности служит величины контактных сопротивлений Rэ-д и Rд-д. Для измерения этих величин между электродами сварочного аппарата зажимают детали, но сварочный ток при этом не включают. Сопротивление измеряется при помощи щупов микроомметром. Сопротивление более мкОм для сталей говорит о плохом качестве подготовки поверхности. Высокое сопротивление Rэ-д приводит к излишнему нагреву электродов и подплавлению поверхности изделия, что приводит к наружному и внутреннему выплеску металла и образованию чрезмерной вмятины под электродами.
Основными параметрами режима для всех методов контактной сварки являются сила сварочного тока, длительность импульса тока и усилие при сжатии деталей. Теплота металла при сварки выделяется вследствие прохождения через металл импульса тока Iсв длительностью t, согласно закону Джоуля - Ленца:
Q= Iсв2Rсвt,
где Rсв – сопротивление столбика металла между электродами.
При расчетах сварочного тока и времени импульса для сварочного трансформатора, Rсв является исходным параметров, ввиду того, что его можно рассчитать, зная материал изделия, толщину металла и необходимую температуру сварки. При расчете сопротивлением в контакте между деталями и сопротивлением между электродом и деталями можно пренебречь.
В соответствии с законом Джоуля – Ленца, увеличение Rсв должно увеличивать кол-во выделяющейся теплоты, однако исходя из закона Ома
Iсв=U2/Z,
где, U2 - это напряжение на вторичном контуре сварочного аппарата, Z – это полное сопротивление на вторичном контуре, в которое также входит Rсв.
Вследствие этого, при увеличении значения Rсв значение Iсв уменьшится, а Iсв входит в формулу закона Джоуля – Ленца в квадрате. Следовательно, увеличение значения Rсв не всегда приводит к увеличению выделяющейся теплоты. Выделяющаяся при сварке теплота во многом зависит от соотношения величины Rсв и полного сопротивления на вторичном контуре.
Из этой теоретической части можно сделать несколько практических выводов. С увеличением общего сопротивления на вторичном контуре с 50 до 500мкОм, тепловыделение в зоне сваривания, при уменьшении Rсв, снижается ~ в 10 раз. Недостаток тепла при этом, компенсируется увеличением мощности U2 или временем сварки деталей. Контактная сварка на аппаратах с небольшим сопротивлением вторичного контура (около 50мкОм) сопровождается интенсивным увеличением нагрева при уменьшении Rсв, в процессе увеличения сварного ядра.
Нагрев достигает максимума при Rсв = Z и по мере снижения Rсв уменьшается. Отсюда следует, что контактная сварка на аппаратах с малым сопротивлением на вторичном контуре, коих большинство, сопровождается нестационарным нагревом, что ведет к нестабильному качеству соединений. Снизить это можно качественным сжатием хорошо подготовленных деталей, что приведет к поддержке величины Rсв на минимальном уровне, потому как высокий уровень Rсв поддерживается за счет слабого сжатия изделий и разделении импульса сварочного тока на короткие импульсы. Поддержание Rсв на минимальном уровне позволяет экономить энергию, а также обеспечивает точное соединение с остаточной деформацией не более 2-5%.
При сварке на аппаратах большого сопротивления на вторичном контуре (более 500 мкОм), снижение величины Rсв практически не влияет на выделенную теплоту, нагрев при этом остается стационарным. Это характерно для сварки на подвесных сварочных аппаратах с длинным кабелем вторичного контура. Сварные соединения обладают стабильным качеством.
Качество соединений, полученных при контактной сварке, определяется изначальным качеством поверхности, корректным выбором параметров режима и стабильностью этих параметров. Размер ядра сварной точки является основным показателем качества для точечной и шовной сварки. Для всех металлов диаметр ядра должна быть равен 3 толщинам S менее толстого свариваемого листа. Разброс глубины проплавления допускается в пределах от 20 до 80%. Если глубина проплавления менее 20%, то следует непровар, если более 80% - выплеск. Глубина вмятины электрода должна быть не более 0,2 S. В точечных и шовных соединениях размер нахлестки должна находиться в пределах 2,5…5,0 диаметров ядра.
Основные дефекты при точечной и шовной сварке:
- Непровар
- Заниженный размер ядра
- Усадочные раковины в литом ядре
- Выплеск
- Трещины
- Рыхлости
Причинами таких дефектов являются неправильный нагрев зон сварки, плохая подготовка поверхности, плохая сборка деталей, неправильные режимы сварки.
По вышеперечисленным причинам при стыковой сварке могут также возникать непровары. Перегрев в зоне сварки может вызвать структурное изменение сталей и их обезуглероживание. Это снижает механические свойства полученных соединений.
Контроль качества при контактной сварке происходит при помощи внешнего осмотра, а также любым способом неразрушающего контроля. Трудность такого контроля – непровар не проявляется, поскольку поверхности свариваемых деталей прижаты друг к другу, а в зоне контакта появляется «склейка», в которой ультразвук, проникающие излучения и магнитное поле не отражаются и не слабеют. Самый оперативный метод контроля – разрушение контрольного образца механическим способом. При отсутствии непровара, разрушение проходит по металлу одной из свариваемых деталей. При этом способе проверке можно также измерить диаметр сварного ядра для точечной и шовной сварки.
Специальные предложения
