Контактная сварка

Контактная  сварка

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

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.

Стыковая контактная сварка 

Стыковая контактная сварка  заключается в том, что соединение свариваемых деталей происходит по всей поверхности стыкуемых торцов. При этом сварка может быть выполнена сопротивлением и оплавлением непрерывным или прерывистым (рис. 3).

Сварка сопротивлением. При этом виде сварки обработанные поверхности двух деталей для сварки плотно прижимают и включают сварочный ток. При нагреве стыкуемых поверхностей до пластического состояния производят осадку (сжатие) и одновременно выключают ток. Таким способом можно сваривать детали из низкоуглеродистой стали круглого или прямоугольного сечения площадью до 1000 мм² и легированной стали площадью до 20 мм². Также этим способом можно сваривать цветные металлы и их сплавы, разнородные металлы — сталь с медью, латунь с медью и различные сорта сталей.

Сварка сопротивлением не получила широкого применения, так как требуется высокая чистота свариваемых поверхностей и строгий контроль температуры нагрева.

Сварка непрерывным оплавлением. При этом способе сварки детали, закрепленные в зажимах на машине, приводят в соприкосновение плавным перемещением подвижного зажима при включенном сварочном токе, и происходит оплавление свариваемых торцов деталей. После этого производят осадку на определенную величину и отключают ток.

Достоинством этого способа сварки является высокая производительность, недостатком — потери металла на угар и разбрызгивание.

Сварка таким способом применяется при соединении тонкостенных труб, листов, рельсов, разнородных  металлов.

Сварка прерывистым оплавлением. При этом способе сварки производится чередование плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей при включенном сварочном токе. Происходят небольшие возвратно-поступательные движения подвижного зажима, которые периодически замыкают сварочную цепь в месте контакта деталей до тех пор, пока торцы их не нагреются до температуры 800...900 °С. После этого — оплавление и осадка. Прерывистым оплавлением сваривают низкоуглеродистые стали при недостаточной мощности машины для сварки непрерывным оплавлением.

Подготовка к сварке. Она зависит от принятого способа сварки.

Сварка сопротивлением требует высокой точности обработки свариваемых поверхностей и их плотности прилегания. При перекосах и зазорах в соединениях происходит неравномерный прогрев деталей, образование окислов и снижение качества сварного соединения. Допустимые отклонения размеров стыкуемых поверхностей вдоль оси: круглого сечения — не более 2%, прямоугольного сечения — не более 1,5%. При этом свариваемые торцы деталей подвергают механической или химической очистке.

Поверхности соприкосновения  деталей с зажимным устройством  машины должны быть также хорошо очищены.

Установочная длина — длина конца свариваемой детали, выступающая из зажима машины. Она влияет на сварочный процесс, так как при большей установочной длине выше сопротивление контура с деталями и больше потребляемая мощность. При этом детали разогреваются на большей длине, осадка и сварка получаются некачественными.

При малой установочной длине  значительная часть теплоты теряется через зажимы машины, и детали разогреваются  неравномерно и недостаточно.

Установочная длина должна составлять 0,4...0,7 диаметра заготовки  или стороны квадрата.

Примерная величина установочной длины при сварке листов толщиной 2...8 мм:

Припуск на сварку расходуется только на осадку и берется небольшим. Для деталей диаметром или со стороной квадрата до 50 мм он составляет 0,3...0,5 диаметра, для деталей диаметром до 100 мм — 0,15...0,2 диаметра.

Давление осадки. Это давление определяется по значению удельного давления и площади контакта сварки.

Удельное давление осадки составляет на автоматических машинах 40...60 МПа/мм², на неавтоматических машинах — 30...40 МПа/мм².

Электрические параметры  процесса сварки зависят от материала  свариваемых деталей и площади  стыкуемых поверхностей.

Напряжение холостого  хода составляет 1,5...3 В, большее значение принимают для больших сечений.

Плотность тока принимается  в пределах: для низкоуглеродистых  сталей — 20...60 А/мм², для цветных металлов и сплавов — 60...150 А/мм².

Удельная мощность составляет: при сварке сталей сплошного сечения  — 0,12...0,15 кВ•А/мм², для меди — 0,5...1,6 кВ•А/мм², для алюминия — 0,2...0,6 кВ•А/мм².

Обработка свариваемых поверхностей. Для сварки оплавлением допускается менее тщательная обработка свариваемых торцов по сравнению со сваркой сопротивлением, так как часть прилагаемого металла оплавляется. Детали под сварку оплавлением могут нарезаться прес-ножницами или кислородной резкой с очисткой от окалины и шлака. Допускаются отклонения размеров сечений: круглых — до 15%, прямоугольных — до 12%.

Припуск при сварке оплавлением расходуется на оплавление и осадку. Для углеродистых и низколегированных сталей величина припуска зависит от площади сечения свариваемого металла.

Величина припуска составляет при сечениях до 200 мм² примерно 60% диаметра или стороны квадрата, при сечениях более 200 мм² — до 50% диаметра свариваемых поверхностей. При этом нужно учитывать величину зазора между свариваемыми поверхностями.

Зазор составляет при площади сечения 100... 1000 мм² — 1,5...4 мм, свыше 1000 мм² — до 8 мм.

При сварке оплавлением плотность  сварочного тока составляет для поверхностей площадью сечения 100...200 мм² — 10...25 А/мм².

Удельная мощность при  сварке углеродистой стали составляет 0,04...0,07 кВ•А/мм².

Точечная контактная сварка.

 При сварке этого  вида соединение элементов происходит  на участках, ограниченных площадью  торцов электродов, которые подводят  ток и передают усилие сжатия.

На рис. 4 приведена схема  точечной контактной сварки. Свариваемые детали накладывают друг на друга и зажимают между электродами, присоединенными к сварочному трансформатору. При замыкании сварочной цепи происходит нагрев металла, при этом наибольшее количество теплоты выделяется на участке зажима свариваемых деталей, и металл расплавляется. После выключения тока и осадки на участке жидкого металла образуется сварная точка.

Подготовка поверхностей к сварке заключается в их очистке с обеих сторон от грязи, масла и окислов механически — абразивными материалами, металлической щеткой, пескоструйными аппаратами или химически травлением.

Цикл сварки включает сжатие свариваемых деталей, включение  сварочного тока и его выключение, снятие усилия сжатия.

Может быть различное совмещение действия сварочного тока и давления. Усилие сжатия может увеличиваться  после выключения сварочного тока. При этом происходит хорошее формирование металла и получается сварная  точка повышенной прочности. Этот способ применяют для сварки изделий  из низкоуглеродистой стали большой  толщины.

Процесс сварки может быть выполнен при жестком и мягком режиме.

Мягкий режим характеризуется относительно малой плотностью тока (70...160 А/мм²) и большей длительностью цикла (2...3 с) при сравнительно малом удельном давлении.

Жесткий режим характеризуется большими плотностями тока (160...360 А/мм²) и удельными давлениями и малой длительностью процесса (0,2... 1,5 с).

Диаметр электрода принимается  больше суммарной толщины свариваемых  листов на 3...4 мм, диаметр сварной  точки составляет 1...1,5 диаметра электрода.

Режимы точечной сварки. Для низкоуглеродистых сталей толщиной до 4 мм, используемых в металлических конструкциях, применяют жесткий режим при плотности сварочного тока до 300...360 А/мм², продолжительности цикла сварки 0,8...1,1 с и удельном давлении 100...120 МПа.

При сварке алюминия и его  сплавов применяют жесткие режимы при плотностях тока до 1600 А/мм², удельных давлениях до 150 МПа и продолжительности цикла 0,1...0,25 с. Свариваемые поверхности должны быть очищены от пленки окислов.

Точечная сварка применяется  при изготовлении арматуры железобетонных изделий, сеток и пространственных каркасов. При этом сваривают пересекающиеся стержни или стержни, соприкасающиеся  с плоскими элементами. В начальный  момент соприкасаются небольшие  поверхности и быстро разогреваются. Пластическая деформация металла в  месте сварки приводит к увеличению площадей соприкосновения и их сварки.

Шовная контактная сварка

заключается в том, что  соединение элементов осуществляется внахлестку в виде непрерывного или  прерывистого шва при действии электродов в виде вращающихся роликов с  подводом к ним тока и усилия сжатия (рис. 5).

Возможны три способа  шовной сварки: непрерывная, прерывистая  с непрерывным вращением роликов  и прерывистая с периодическим  вращением роликов.

Непрерывная шовная сварка выполняется сплошным швом при постоянном давлении роликов на свариваемые  листы и включенном сварочном  токе. При этом имеют большое значение однородность химического состава  металла, равномерная толщина листов и тщательная очистка свариваемых  поверхностей.

При небольших нарушениях подготовки свариваемых кромок сварной  шов получается низкого качества с непроварами и прожогами. Поэтому  данный метод сварки не получил распространения.

Прерывистую сварку с непрерывным  вращением роликов выполняют  при периодическом замыкании  и размыкании сварочной цепи и  постоянном давлении роликов. Шов формируется  в виде сварных точек, перекрывающих  друг друга, и получается более высокого качества.

Прерывистую сварку с периодическим  вращением роликов выполняют  при замыкании сварочной цепи в момент остановки роликов (шаговая  сварка), при постоянном давлении сжатия. При таком способе получается хорошее формирование сварной точки, и шов получается более качественный.

Прерывистая шовная сварка с непрерывным вращением роликов  при постоянном давлении сжатия применяется  для сварки резервуаров и емкостей, конструкций из листового металла.

Применяют швы с отбортовкой  и внахлестку. Для листов толщиной до 1 мм ширина отбортовки до 12 мм, для  листов толщиной до 2 мм — 20 мм. При соединении внахлестку ширина нахлеста составляет 10...20 мм.

Шовная сварка может применяться  для низкоуглеродистой стали  и тонкой нержавеющей стали.

При суммарной толщине  листов низкоуглеродистой стали  до 2 мм сварку производят роликами с  шириной контактной поверхности 6 мм. При этом давление сжатия до 4 кН, продолжительность  импульсов тока в сварочной цепи составляет 0,04...0,06 с, перерыв между  импульсами тока — 0,02...0,04 с, сварочный ток — 8...16 кА, скорость сварки — 2 м/мин.

При суммарной толщине  листов до 4 мм ширина контактной поверхности  роликов составляет 8,5... 10 мм, давление сжатия — 6,5...8,4 кН, продолжительность  импульсов тока — 0,08...0,12 с, перерывов  — 0,06...0,10 с; сварочный ток до 20 кА, скорость сварки — 1,4... 1,6 м/мин.

При сварке нержавеющей стали  сварочный ток берется меньше указанного выше тока на 35...40%.

Сварку листов из алюминия и его сплавов выполняют при  сварочных токах 20...40 кА, при скорости сварки не более 1 м/мин, давлении сжатия — 2,5...5 кН, продолжительности импульсов  сварочного тока, составляющей 15...30% времени  одного цикла сварки.

Машины  для контактной сварки 

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.

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

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.

Кроме универсальных применяются  специальные машины, приспособленные  для сварки конкретных конструкций  и типов размеров изделий. Примером могут служить машины для контактной точечной сварки кузовов автомобилей, встроенные в автоматические линии, машины для стыковой сварки оплавлением  продольных швов труб в прокатном  производстве.

Электроды в контактной сварке 

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 Т_пл. 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.

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 d_э = 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.