Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .......................................................…….........................
Основные способы контактной сварки …………………………...
Образование соединений при точечной, рельефной и шовной сварке ………………………………………………………………….
Технологический процесс изготовления сварных конструкций
Контроль при контактной сварке …………………………………..
Машины контактной сварки ……………………………………….
ВВЕДЕНИЕ
Контактная сварка как один из способов получения неразъемных соединений известна с конца прошлого века. В 1887 г. выдающийся русский инженер-изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал точечную сварку. Несколько позже Томсон (США) изобрел стыковую сварку сопротивлением. Стыковая сварка оплавлением была предложена в 1903 г. Широкое использование контактной сварки в нашей стране началось в 30-х годах после создания индустриальной базы.
Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, изделий машиностроения и космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. По имеющимся данным, в настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди механизированных и автоматизированных способов сварки контактная сварка занимает первое место.
Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и титана и др.
Точечная сварка — наиболее распространенный способ, на долю которого приходится около 80 % всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, строительстве, радиоэлектронике и т. д. Например, в конструкциях современных лайнеров насчитывается несколько миллионов сварных точек, легковых автомобилей — до 5000 точек. Диапазон свариваемых толщин — от нескольких микрометров до 10…30 мм. Точечной сваркой соединяются элементы жесткостей и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками и панелями.
Стыковую сварку сопротивлением используют весьма ограниченно, так как не удается обеспечить равномерный нагрев стыка и получить соединение по всей поверхности контакта из-за трудностей удаления оксидных пленок. Этот способ применяют в основном при соединении проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.
Стыковую сварку оплавлением успешно используют при соединении трубопроводов, железнодорожных рельсов (бесстыковые пути) в стационарных и полевых условиях, длинномерных заготовок, ободьев автомобильных колес из различных конструкционных сталей и сплавов, латуни и цветных металлов и др. Стыковая сварка оплавлением обеспечивает экономию легированной стали при производстве режущего инструмента. Например, рабочая часть сверла из инструментальной стали сваривается с хвостовой частью из обычной стали.
Доля стыковой сварки, преимущественно сварки оплавлением, составляет около 10 % общего объема применения контактной сварки.
Шовная сварка по объему применения занимает третье место (около 7 %) и используется при изготовлении различных герметичных емкостей, например, топливных баков автомобилей и летательных аппаратов, баков стиральных машин и шкафов холодильников, плоских отопительных радиаторов и т. п. Кроме того, шовная сварка обеспечивает получение прочноплотных швов при производстве чувствительных элементов в приборостроении. Скорость сварки швов может достигать на отдельных установках 10 м/мин, а плотность соединений обеспечивает высокую надежность работы сварных конструкций в условиях очень низкого вакуума или весьма больших давлений рабочей среды.
Рельефная сварка — наименее распространенный способ контактной сварки (объем применения около 3 %), используется для крепления кронштейнов к листовым деталям, например, скобы к капоту автомобиля, петли для навески дверей к кабине и т. д., для соединения крепежных деталей — болтов, гаек и шпилек, крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и др. Рельефная сварка по непрерывным рельефам также дает возможность получать герметичные соединения, в частности, крышки с основанием полупроводниковых элементов или интегральных схем.
В настоящее время контактная сварка — один из ведущих способов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью. Благодаря совершенствованию технологического процесса и модернизации оборудования области ее использования непрерывно расширяются.
Контактная точечная сварка
Рельефная сварка
Рельефная сварка — одна из разновидностей точечной сварки. При этом на поверхности одной из деталей 1, которые при сварке сжимают электродами 2, предварительно формируют выступ — рельеф 5 (рис. 1.7), ограничивающий начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При протекании от источника 3 сварочного тока рельеф нагревается и постепенно деформируется. На определенной стадии процесса сварки формируется ядро 4, как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности детали выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ замкнутой формы, например, в виде кольца. После прохождения сварочного тока получают одновременно несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка).
При рельефной сварке расположение точек определяется выступами (рельефами), сделанными в одной из деталей одновременно с ее изготовлением (вырубкой, высадкой, штамповкой). Если детали разнотолщинные, из разноименных сплавов, рельефы формируют на более толстой детали или из более прочного сплава. При сварке листовых конструкций из сталей и титановых сплавов обычно применяют рельефы, приведенные на рис. 1.8, а. Для сплавов с малой жаропрочностью (например, алюминиевых) применяют рельефы, показанные на рис. 1.8, б. Размеры рельефов, а также диаметр ядра расплавленного металла dя и величина нахлестки В приведены в таблице 1.2. Вместо электродов применяют токопроводящие (из медных сплавов) основания, выполненные по форме поверхности свариваемых деталей. Часто в местах расположения рельефов в основания устанавливают сменные электродные вставки с плоской рабочей поверхностью и внутренним водяным охлаждением. За один цикл сварки происходит одновременное образование всех точек. Основания укрепляют на токоподводящих (контактных) плитах неподвижной нижней консоли (столе) и верхней подвижной головки машины.
В результате радиально направленной интенсивной пластической деформации в области сварочного контакта (которая в 10…15 раз больше, чем при точечной) идут процессы обновления поверхности и схватывания с образованием связей в твердом состоянии. Во второй половине цикла сварки образуется зона взаимного расплавления деталей. Соединение при рельефной сварке может возникать и без расплавления (что особенно характерно для сталей, титановых сплавов). Однако литая зона стабилизирует прочность соединений, особенно при сварке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, а также облегчает последующий контроль.
Таблица 1.2
Некоторые рекомендуемые конструктивные элементы
рельефных соединений, мм (см. рис. 1.8, а)
| s | dp | hр | R | F | H | B* | d* |
| 0,6…0,7 | 3 | 0,7 | 1,25 | 1 | 2,6 | 6 | 3,3 |
| 1…1,3 | 3,75 | 0,9 | 1,6 | 1,25 | 3,45 | 10 | 5 |
| 1,8…2,2 | 4,75 | 1,12 | 2 | 1,6 | 4,6 | 14 | 7 |
| * По ГОСТ 15878 - 79, группа А. | |||||||
При сварке алюминиевых и других сплавов, обладающих сравнительно малой прочностью, штампованные рельефы быстро сминаются на большей части своей высоты еще до включения тока. Так происходит, например, на термически неупрочняемых алюминиевых сплавах. Лучшие результаты получают на рельефах, создаваемых высадкой с формированием литой зоны.
Формирование соединений при рельефной сварке происходит следующим образом (рис. 1.9).
В начале процесса сварки, на этапе I плотность тока j в контакте деталь - деталь оказывается достаточно высокой вследствие небольшой площади контактов рельеф - деталь (рис. 1.9, а). На этапе II интенсифицируются пластические радиальные деформации металла рельефов. Преимущественное направление течения металла — вдоль плоскости внутреннего контакта и в направлении впадины рельефа.
На этапе III возникает и развивается зона взаимного расплавления деталей диаметром d. Плотность тока в сварочном контакте уменьшается из-за увеличения диаметра уплотняющего пояска dп и к концу цикла становится близкой к процессу точечной сварки.
Также поэтапно изменяется (по форме и уровню) плотность тока в контакте электрод - деталь (рис. 1.9, а). В связи с развитой плоской поверхностью электродов и деталей она всегда ниже, чем при точечной сварке. Соответственно возрастает стойкость электродов.
В течение времени примерно 0,5tсв зазор между деталями захлопывается и электроды сближаются. Затем по мере возникновения и развития расплавленной зоны электроды начинают раздвигаться. В соответствии с увеличивающимся диаметром литого ядра возрастает прочность точек на срез Fср. Прочность точек уже относительно высока при t < 0,5 tсв, когда расплавленная зона еще не возникает; это свидетельствует о достаточно большой эффективности сварки в твердом состоянии. Однако по мере роста диаметра литого ядра увеличивается как прочность, так и устойчивость механических характеристик.
При выборе режимов сварки исходят из необходимости усиленной пластической деформации металла зоны сварки, предупреждения вероятности внутреннего выплеска (в момент включения сварочного тока), увеличения Iсв и Fсв пропорционально числу одновременно свариваемых точек, равномерного нагрева и деформации рельефов, а также из целесообразности формирования зоны взаимного расплавления. Для выполнения этих требований рекомендуют прикладывать постоянное повышенное усилие сжатия ( см. циклограмму на рис. 1.4, б) Режим сварки должен быть средней жесткости, так как слишком жесткий режим сопровождается выплесками и большими зазорами между деталями, а при мягком режиме может преждевременно деформироваться рельеф и не образоваться литое ядро. Установленный режим должен обеспечивать оптимальное время существования выступа (табл. 1.3).
Рельефная сварка увеличивает производительность (одновременная постановка группы точек, соединение по всему контуру), уменьшает величину нахлестки и массу узлов (из-за ограничения области разогрева и пластической деформации), повышает стойкость электродов (вследствие увеличенных размеров их рабочей поверхности), устраняет необходимость в такой трудоемкой технологической операции, как разметка.
Шовная сварка
Шовная сварка — способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек (рис. 1.10). Подвод тока от источника 3 и перемещение деталей 1 осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов — роликов 3. Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов. В зависимости от 
того, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сварочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку. Шаговая сварка отличается относительно небольшой производительностью, однако при этой сварке уменьшаются скорость износа рабочей поверхности роликов и вероятность образования дефектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой, когда прохождение сварочного тока и кристаллизация литого ядра осуществляются при вращающихся роликах.
Размеры конструктивных элементов соединений при шовной сварке такие же, как и при точечной (см. рис. 1.3 и табл. 1.1).
Стыковая сварка
Стыковая сварка — это способ контактной сварки, при котором детали 1 (рис. 1.11) соединяются по всей площади касания (по всему торцевому сечению). Свариваемые детали 1 закрепляют в токоподводящих зажимах (губках) 2 и 3, соединенных с источником тока 4. Один из зажимов, например зажим 2, неподвижно закреплен на корпусе 5 машины для стыковой сварки. Другой же зажим 3 подвижный. Он закреплен на корпусе 5 сварочной машины с возможностью осевого перемещения и соединен с приводом усилия сжатия машины F.
По степени и механизму нагрева металла торцов деталей 1 различают стыковую сварку сопротивлением и
оплавлением.
При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предварительно сжимают усилием Fсв и включают в сеть сварочный трансформатор 4. По деталям протекает сварочный ток Iсв, в результате чего происходит постепенный нагрев стыка деталей до температуры, близкой к температуре плавления (0,8…0,9 Тпл). Затем, при достижении заданной температуры торцов деталей, сварочный ток Iсв выключают и резко увеличивают усилие сжатия деталей до величины, которую называют усилием осадки Fос. Под действием усилия осадки Fос детали в стыке пластически деформируются. При этом из зоны сварки вследствие радиального течения металла частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт чистых металлических поверхностей и образуется сварное соединение.
При стыковой сварке оплавлением свариваемые детали 1 закрепляют в токоподводящих зажимах 2 и 3 с зазором между их свариваемыми торцевыми поверхностями. В процессе сварки вначале на детали 2 и 3 подают напряжение от сварочного трансформатора 4, а затем их сближают с относительно небольшой скоростью, которую называют скоростью оплавления vопл. При соприкосновении поверхностей деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается, расплавляется, образуя жидкие перемычки, которые взрывообразно разрушаются вследствие перегрева и с большой скоростью выбрасываются из свариваемого стыка в виде брызг. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов — перемычек расплавленного металла, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла.
В процессе оплавления усилие сжатия деталей Fопл относительно небольшое и определяется давлением паров металла в свариваемом стыке.
В момент, когда температура металла деталей вблизи стыка достигает значений близких к температуре плавления (0,8…0,9 Тпл) резко увеличивают скорость сближения деталей и усилие сжатия деталей увеличивают до величины, которую называют усилием осадки Fос. Сварочный ток Iсв выключают сразу после начала осадки деталей.
Под действием усилия осадки Fос торцы деталей в стыке смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение — грат 6 (на рис. 1.11 показан штриховой линией). При этом вследствие радиального течения металла формируется физический контакт чистых металлических поверхностей и образуется сварное соединение.
Стыковую сварку как сопротивлением, так и оплавлением относят по состоянию металла в зоне сварки к сварке в твердом состоянии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений, стыковое соединение при сварке оплавлением формируется в твердожидкой фазе.
Образование соединений при точечной, рельефной и шовной сварке
Контактные сопротивления
Контактные сопротивления — сопротивления, сосредоточенные в узкой области контактов деталь – деталь и электрод – деталь.
Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади электрического контакта из-за неровной поверхности деталей и электродов, а также из-за различных неэлектропроводимых поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и т. п.
Реальные поверхности деталей всегда имеют микроскопические неровности, поскольку первые образуются не только при механической обработке поверхностей, но даже и при кристаллизационных или рекристаллизационных процессах в металлах. Эти неровности в технологии машиностроения характеризуют шероховатостью и волнистостью.
Если бы поверхности деталей были идеально гладкими и плоскими, то контакты между ними существовали бы по всей площади сопрягаемых поверхностей. Эту площадь принято называть "номинальной площадью контакта" и обозначать Аа. Следовательно, при точечной сварке "номинальной площадью контакта" Аа является вся площадь нахлестки (рис. 2.4).
Наличие на поверхностях реальных деталей шероховатости и волнистости приводит к тому, контакт между ними не будет сплошным. Лишь отдельные участки поверхностей воспринимают усилия сжатия. Сумма таких дискретных площадок контакта образует "фактическую площадь контакта", которую принято обозначать А r. Единичные пятна фактического контакта располагаются не равномерно, отдельными областями. Эти области сосредоточения пятен фактических контактов, обведенные контурами в сумме составляют «контурную площадь контакта», которую обозначают Ас. Такая классификация площадей контактов общепринята в технологии машиностроения и сварки.
При контактировании жестких тел контурная площадь контакта определяется в основном геометрическими характеристиками их поверхностей, то есть волнистостью и шероховатостью. При точечной сварке кроме волнистости и шероховатости на контурную площадь контактов оказывает влияние распределение нагрузки и толщина свариваемых деталей вследствие относительно небольшой жесткости последних.
При точечной сварке контурная площадь практически не зависит от площади номинальной, а фактическая площадь составляет всего 1...25 % от контурной площади контакта. Причем, в случае сжатия деталей электродами с плоской рабочей поверхностью пятна единичных микроконтактов распределяются почти равномерно по всей контурной площади. В случае же сжатия деталей электродами со сферической рабочей поверхностью плотность единичных контактов растет к ее периферии.
Реальные поверхности свариваемых деталей (рис. 2.5) всегда покрыты окисной пленкой, состав и толщина которой зависит от рода металла или сплава, от состава, давления и температуры газовой фазы, а так же от продолжительности их воздействия. На поверхности окисных пленок возможно наличие адсорбированных газов, влаги и органических веществ, и прочих наслоений. Последние значительно затрудняет сближение металлических поверхностей, так как вещество граничного слоя при сжатии приобретает упругость твердого тела. Поэтому фактическую площадь даже единичного контакта условно можно разделить на три (см. рис. 2.3). К первой, А r м — относятся участки с металлическим контактом, в которых электрический ток протекает без заметного переходного сопротивления, как это имеет место между кристаллами в компактном металле. Ко второй, А r пл — участки с квазиметаллическим контактом, поверхность которых покрыта тонкой пленкой, легко пропускающей ток благодаря туннельному эффекту или фриттинг эффекту. К третьей же, А r мо— участки, не проводящие ток и покрытые мономолекулярными пленками (окислы, сульфаты и тому подобные), которые практически играют роль изоляторов.
С целью создания наиболее благоприятных условий для формирования электрических контактов перед их сваркой, проводят специальную подготовку поверхностей деталей, например, травление с последующей пассивацией или механическую зачистку. При этом время хранения подготовленных деталей до сварки регламентируют. А непосредственно перед ней контролируют сопротивление участка электрод – электрод.
С увеличением электрических сопротивлений контактов, как правило, уменьшается и стабильность их значений. Большие и не стабильные значения электрических сопротивлений контактов являются основными возмущающими факторами процесса КТС, которые могут приводить не только к отклонениям параметров качества сварных соединений, но и к образованию дефектов типа выплеск или непровар.
На электрическое сопротивление контактов деталь – деталь и электрод – деталь при точечной сварке наиболее значимо влияют исходное состояние поверхностей деталей и усилие их сжатия (рис. 2.6).
Влияние состояния поверхности на контактное сопротивление очень велико. При этом на его величину оказывает влияние и шероховатость поверхностей, и параметры поверхностных пленок. Увеличение параметров шероховатости, а также толщины и прочности поверхностных пленок, при одинаковых остальных условиях формирования контактов, приводят к увеличению контактного сопротивления в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз (таблица 2.1).
С увеличением усилия сжатия электродов при КТС деталей любых толщин и из любых материалов однозначно уменьшаются как величина сопротивления контактов, так и разброс их значений. Такое изменение контактных сопротивлений при увеличении усилия сжатия происходит вследствие интенсификации процессов микропластических деформаций в контактах, которые приводят к смятию микровыступов, разрушению поверхностных пленок и увеличению площадей фактических контактов.
Механические и электрические процессы, протекающие в сварочных контактах и определяющие его электрические параметры, очень сложны. Это затрудняет их математическое описание, т. е. разработку математических моделей контактов при КТС. Задача осложняется еще и неопределенностью, а также случайностью параметров, которые характеризуют шероховатость поверхностей и поверхностные пленки.
Зависимость контактных сопротивлений холодных деталей от усилия сжатия F в некоторых случаях оценивают по эмпирической формуле
, (2.3)
где: F Э — усилие сжатия электродов; r ДД0 и а — коэффициенты, определяемые экспериментально: r ДД0 для стали равен (5…6) 10-3 и алюминиевых сплавов (1…2) 10-3; а для стали равен 0,7 и алюминиевых сплавов 0,8;
Однако приведенная формула не учитывает состояния поверхности деталей и может служить лишь для ориентировочных расчетов.
Электрические же сопротивления контактов электрод – деталь r ЭД. до сих пор, как правило, отдельно не рассчитывают. Их, по предложению А.С. Гельмана, принимают равными половине величины сопротивлений в контактах деталь – деталь r ДД, т. е.
. (2.4)
Более точные значения электрических сопротивлений контактов деталь-деталь rдд и электрод-деталь rэд получают путем их непосредственного измерения.
Экспериментально показано (например, при калориметрировании), что доля теплоты, выделяемой на сопротивлении rдд, обычно (при сварке деталей толщиной 1 мм) не превышает 5 % общей энергии, генерируемой в зоне сварки. Несмотря на то, что rдд существует относительно короткое время, оно может оказать влияние на последующий нагрев, особенно при сварке деталей малых толщин, где высота микрорельефа поверхности соизмерима с толщиной деталей. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопротивлением, способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении rдд стабильность тепловыделения мала, а с ростом rэд снижается стойкость электродов.
Для стабилизации тепловыделения, размеров соединений и стойкости электродов перед сваркой выполняют подготовку поверхностей деталей с целью удаления толстых поверхностных пленок и загрязнений, обеспечивая тем самым достаточно низкие и стабильные значения контактных сопротивлений. Для этих же целей часто рекомендуется применение повышенных сварочных усилий.
2.3.3. Собственное сопротивления деталей
Электрическое сопротивление собственно деталей — это сопротивление, которое определенным образом распределено в объеме деталей, расположенном между сжимающими их электродами.
Величину электрического сопротивления собственно детали rД в большинстве случаев определяют по методике А. С. Гельмана. Еще в 40-х годах 20-го в. им была теоретически определено распределение потенциалов в свариваемых деталях путем решения методом конечных разностей дифференциального уравнения, описывающего электрическое поле.
Решением этого уравнения с граничными условиями, отражающими особенности протекания электрического тока при точечной сварке на участке электрод – детали –э лектрод, им определена топография растекания линий тока в деталях до диаметра dj (см. рис 2.3) при различных условиях сварки и разработана инженерная методика расчета электрического сопротивления rД собственно свариваемых деталей:
, (2.16)
где: АГ — коэффициент (рис.2.7), учитывающий уменьшение сопротивления детали rД относительно сопротивления цилиндра rЦ, высотой s и диаметром dК, которое происходит из-за растекания линий тока до диаметра dj; ρТ — удельное электрическое сопротивление металла деталей; kР — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей.
Следует отметить поразительную, для того времени и тех вычислительных средств (расчетов на арифмометрах), точность решения
А. С. Гельмана. В 70-х годах многие исследователи подобные задачи начали решать на ЭВМ. Естественно, что некоторые из них пытались уточнить решение А. С. Гельмана. Как это ни удивительно, но значения коэффициента АГ (сейчас его так и называют — «коэффициент Гельмана»), с помощью арифмометра и значения, полученные на ЭВМ, например, Б.Д. Орловым и А.А. Чакалевым, практически совпадают.
Расчет сварочного тока
Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца. Зависимость (2.1), при условии осреднения за цикл сварки значений электрического сопротивления в зоне сварки, преобразуют к следующему виду:
, (2.10)
где Q ЭЭ — общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения; mr — коэффициент, учитывающий изменение r ЭЭ в процессе сварки.
Для низкоуглеродистых сталей mr ≈ 1, для алюминиевых и магниевых сплавов mr ≈ 1,15, коррозионно-стойких сталей mr ≈ 1,2, сплавов титана mr ≈ 1,4.
Общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения Q ЭЭ определяется из уравнения теплового баланса по зависимости (2.9), а конечное значение электрического сопротивления деталей — по зависимости (2.5).
Пример. Определить силу тока при точечной сварке листов из низкоуглеродистой стали толщиной 4 мм электродами с диаметром рабочей поверхности 12 мм и временем сварки 1 с. Температура ликвидуса стали 1500 °С, теплоемкость с для стали 0,67 КДж/(кг×К), меди – 0,38 КДж/(кг×К), плотность γ для стали равна 7800 кг/м3, меди – 8900 кг/м3, коэффициент температуропроводности ам для стали равен 9×10-6 м2/с, меди – 8×10-5 м2/с. Электрическое сопротивление деталей к концу процесса сварки r ДК ≈ 58 мкОм.
Значения экспериментальных коэффициентов примем: k1 = 0,8;
k2 = 1,5. Вычислим значения x 2 и x 3 :
, 
.
Вычислим значение Q ЭЭ по зависимости (2.9):
кДж.
Тогда искомая сила сварочного тока по зависимости (2.10) будет равна:
кА.
2.6. Пластическая деформация металла при сварке
Дефекты сварных соединений
Известно, что стабильные свойства соединений, выполняемых точечной и шовной сваркой, могут быть получены только при наличии зоны взаимного расплавления соединяемых деталей. Основными дефектами являются непровар, выплески, вмятины, несплошности зоны сварки (трещины, раковины, поры), снижение коррозионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения структуры металла, хрупкость и нарушение герметичности.
Непровары
Непровары (рис. 2.19) — это наиболее опасные и трудно выявляемые дефекты точечных сварных соединений, при которых зона взаимного расплавления деталей (при КТС она определяется диаметром этой зоны dЗВР) меньше заданной в чертежах изделия. Зону взаимного расплавления деталей (рис.2.20), которую обычно называют ядром расплавленного металла или просто ядром, в чертежах изделия задают номинальным диаметром ядра dЯ. При нормальном точечном сварном соединении диаметр dЗВР ≈ dЯ (рис. 2.19, а; 2.20, а). Кроме того, регламентируется высота ядра hЯ или проплавление деталей А1 и А2.
Непровар, при котором зона взаимного расплавления деталей вообще отсутствует (рис. 2.19, б, 2.20, б), называют полным непроваром. К полным непроварам относятся и наиболее опасные из них, которые называют непроварами типа склейка. В непроварах типа склейка (рис. 2.19, в) соединение образуется в твердой фазе либо по микрорельефам поверхности, либо при полном сохранении оксидной пленки или плакирующего слоя (рис. 2.19, е), которые препятствуют образованию общей зоны расплавленного металла. Непровары, показанные на рис. 2.19, д и е, характерны для сварки деталей из алюминиевых сплавов, которые имеют на поверхности прочные окисные пленки или плакирующий слой из чистого алюминия. Они при КТС не расплавляются либо вследствие высокой температуры плавления, либо высокой тепло- и электропроводности. Образование непроваров этого вида легко предупреждается качественной подготовкой поверхностей деталей перед сваркой, например, стравливанием плакировки или зачисткой деталей непосредственно перед сваркой.
Непровары типа склейка наиболее опасны потому, что их трудно выявить, они могут выдержать на срез иногда относительно большие статические нагрузки, но хрупко разрушаются при небольших нагрузках отрыва и знакопеременных нагрузках.
В большинстве же случаев практики точечной сварки непровары проявляются в виде уменьшения диаметра ядра расплавленного металла меньше минимально допустимого его значения dЯ < dЯ MIN (рис. 2.19, г). Такой непровар называют частичным непроваром. Частичный непровар может образовываться также и при частичном сохранении окисной пленки или плакирующего слоя в объеме ядра в плоскости контакта деталь - деталь (рис. 2.19, д).
Общей для любых условий КТС причиной образования непроваров является уменьшение нагрева металла в зоне формирования соединения, его теплосодержания. Это, как подтверждено практикой точечной сварки, является следствием либо уменьшения тепловыделения в зоне сварки, либо увеличения теплоотвода в электроды, либо комплексного воздействия того и другого факторов, при условии, что время сварки не изменяется, а следовательно стабилен и отвод теплоты из зоны сварки в окружающий ее металл деталей.
Причинами снижения тепловыделения в зоне сварки, которое может приводить к уменьшению размеров ядра вплоть до образования непроваров, может быть уменьшение силы импульса IСВ сварочного тока или его длительности tСВ, увеличение усилия сжатия электродов FЭ, либо одновременного комплексного воздействия сочетаний этих факторов. Это может являться следствием отклонения параметров режимов сварки.
Поэтому, одним из старейших и основных мероприятий, направленных на предупреждение образования непроваров является повышение стабильности параметров сварочного оборудования.
В прошлом, до 70…80-х годов прошлого века, эти причины зачастую и являлись основными причинами образования непроваров из-за ненадежной работы контакторов, несовершенства регуляторов цикла сварки и приводов усилия сжатия машин для точечной сварки. В современных же технологиях точечной сварки эти причины, в силу высокой надежности работы современных регуляторов цикла сварки, прерывателей тока и силовых приводов машин для точечной сварки, отклонения параметров тока и усилия причинами образования непроваров становятся относительно редко.
В большинстве случаев современной практики КТС уменьшение размеров и образование непроваров связано с отклонениями силы сварочного тока, а также параметров тепловыделения и теплоотвода из зоны формирования точечного сварного соединения, которые обусловлены влиянием факторов технологических. Из них наиболее часто встречающимися являются увеличение рабочих поверхностей электродов из-за их износа и завышение уровня объемных пластических деформаций металла в зоне сварки, приводящее к чрезмерно быстрому росту контактов. Их влияние проявляется, как правило, из-за несовершенства или нарушений выбранных технологий подготовки деталей и их сборки под сварку, а также технологических процессов сварки.
Завышение уровня объемных пластических деформаций металла в зоне сварки, приводящее к частичному или полному непровару, может быть следствием увеличения усилия сжатия деталей в месте сварки, что при использовании современного сварочного оборудования может вызываться только нарушениями правил его эксплуатации, встречается относительно редко. Чаще всего является следствием влияния факторов технологических, например, таких как перекос деталей в электродах, который, как правило, является следствием нарушений технологии сварки и легко устраняется, или искривлением их поверхностей в месте сварки.
Искривление поверхностей деталей в месте сварки является следствием либо нарушениями технологии их изготовления и сборки перед сваркой, а потому легко устраняется, либо искривлением деталей при их сжатии электродами вследствие наличия зазоров между свариваемыми поверхностями, которые в практике сварки всегда имеют место.
В практике точечной сварки величина зазоров жестко регламентирована (табл. 2.3).
Ограничение величины зазоров между свариваемыми деталями было введено с целью повышения устойчивости процесса формирования соединений против образования выплесков.
Однако, отрицательное влияние зазоров на процесс формирования точечного сварного соединения не столь однозначно. В частности, при определенных условиях сварки, в первую очередь, при отсутствии регулирования параметров режима сварки, они являются причиной уменьшения размеров ядра вплоть до полного непровара (рис. 2.20, б).
 |
При сварке с увеличением зазора значения размеров ядра всегда уменьшаются вплоть до полного непровара (рис. 2.21). При относительно небольшом увеличении зазора уменьшение диаметра идет монотонно, а после некоторого значения величины зазора и определенном сочетании толщины деталей и расстояния между точками размеры ядра резко уменьшаются. Высота ядра при увеличении зазора вначале уменьшается значительно быстрее его диаметра, при этом уменьшение ее от начальных значений до непровара идет монотонно.
При этом, на отклонение диаметра dЯ и высоты hЯ ядра значимо влияет не только величина зазора d, а и другие параметры соединений: толщина деталей s, шаг между точками t и расстояние от кромки нахлестки до места сварки и, а также сварочное усилие FЭ. Так, с увеличением d, FЭ и s, а также с уменьшением t и и отклонения dЯ и hЯ увеличиваются. Кроме того, с уменьшением сопротивления пластической деформации металла или жесткости режима сварки отклонения dЯ и hЯ, при той же величине d, также увеличиваются.
Основными причинами, вызывающими уменьшение размеров ядра при наличии зазора, являются изменение условий пластической деформации металла зоны сварки в процессе формирования соединения из-за искривления деталей при их сближении, уменьшения радиуса кривизны соприкасающихся деталей в месте сварки и, вследствие этого, облегчения условий вытеснения металла в зазор. Так, направленное течение металла в зазор, преимущественно вдоль нахлестки, при наличии зазоров хорошо видно после разрушения соединений (рис. 2.20, б), а также на их рентгенограммах (рис. 2.22, б).
При сварке часто трудно выдержать зазор в пределах установленного допуска. В этом случае необходимо применять специальные технологические приемы, например, обжатие периферийной зоны соединения, а также корректирование режима по силе сварочного тока и величине усилия сжатия электродов пропорционально величине зазора. Уменьшить деформацию деталей в месте сварки при наличии зазоров можно равномерным распределением зазора между свариваемыми точками, последовательной сваркой от одного края с возможностью перемещения другого в направлении сварки.
Таким образом, основными причинами образования непроваров при точечной сварке являются либо уменьшение тепловыделения в зоне сварки, либо увеличение теплоотвода из нее в электроды, либо одновременное воздействие обоих этих факторов процесса КТС, которое может являться следствием уменьшения электрического сопротивления зоны сварки, вызванного невысоким качеством подготовки поверхностей свариваемых деталей или увеличением микро- и макродеформаций металла в площади контактов электрод – деталь, уменьшением силы импульса сварочного тока или его длительности, а также увеличением теплоотвода в электроды из-за износа их рабочих поверхностей или искривления свариваемых деталей в месте сварки.
Выплески
Выплески — это выброс части расплавленного металла из зоны сварки. Они снижают эксплуатационные свойства сварных изделий и в ряде случаев, например, в авиационном и космическом машиностроении недопустимы. Однако большинство современных традиционных технологий контактной точечной сварки не могут гарантировать их отсутствие. Ниже рассмотрены основные виды выплесков с учетом современных представлений о причинах и механизмах их образования.
Выплески, по причинам, которые их вызывают, и механизмам их образования можно разделить на виды, показанные на рис 2.23.
Выплески традиционно разделяют на выплески внутренние и выплески наружные, а внутренние и наружные выплески в свою очередь разделяют на начальные и конечные.
Начальные выплески. К начальным выплескам относят выплески, которые образуются в начале процесса нагрева, до расплавления металла в контакте деталь – деталь. Их разделяют на наружные начальные выплески (рис. 2.23, а), в которых расплавленный металл выбрасывается вне деталей из контакта электрод – деталь, и внутренние начальные выплески (рис. 2.23, в), в которых расплавленный металл выбрасывается в зазор между свариваемыми деталями из контакта деталь – деталь.
Механизм образования начальных выплесков, как наружных
(рис. рис. 2.23, а), так и внутренних (рис. рис. 2.23, в) исследован наиболее полно. Общепринятым можно считать то, что основной причиной, вызывающей их образование, является местный (локальный) перегрев металла в контактах электрод – деталь (при наружных выплесках) или деталь – деталь (при внутренних выплесках). Причин этого в реальных условиях КТС может быть несколько.
Когда-то вполне обоснованно считалось, что одной из наиболее существенных причин образования начальных выплесков является недостаточная скорость микропластических деформаций шероховатостей в контактах электрод – деталь или деталь – деталь из-за уменьшения усилия сжатия деталей вследствие большой инерционности подвижных частей привода сварочной машины. Однако после того, как на машинах для точечной сварки между приводом усилия и ползуном стали устанавливать пружину, а между ползуном и направляющими стали устанавливать ролики, уменьшающие силы трения и исключающие заклинивание ползуна, эта причина стала несущественной. В современных сварочных машинах усилие сжатия электродов в начале процесса сварки изменяется незначительно (рис. 2.24), а во время импульса сварочного тока, в первой его половине, даже несколько увеличивается (примерно на 2…5 %).
В современных технологиях КТС начальные выплески образуются в основном из-за причин технологических. В частности, причиной локального перегрева металла в контактах как электрод – деталь, так и деталь – деталь может быть плохая подготовка поверхностей деталей или загрязнение рабочих поверхностей электродов, что приводит к резкому увеличению электрического сопротивления контактов из-за уменьшения их фактической площади. К увеличению электрического сопротивления контактов и плотности тока в них приводит также уменьшение их площади из-за перекосов электродов или деталей, либо коробления последних. Кроме того, причинами образования такого выплеска также может быть либо чрезмерно быстрое нарастание сварочного тока, либо недостаточная скорость микропластических деформаций шероховатостей в контактах электрод – деталь или деталь – деталь из-за уменьшения усилия сжатия деталей вследствие большой инерционности подвижных частей привода сварочной машины, если мощность машины чрезмерно завышена по отношению к толщине свариваемых деталей, либо одновременное воздействие этих факторов. Очевидно, что образование начальных выплесков больше связано не с техническими проблемами осуществления технологии точечной сварки, а с уровнем культуры производства и состоянием технологической дисциплины. Устранение перечисленных выше причин, как правило, предотвращает образование выплесков этого вида.
Практика точечной сварки как легких сплавов, так и сталей, показывает, что, если начальный диаметр свариваемого контакта (или диаметр уплотняющего пояска dП t в любой момент процесса сварки до начала плавления металла в контакте деталь-деталь) не меньше 2…3 s, где s — толщина деталей, а его электрические параметры находятся в пределах нормы,
т. е. геометрия рабочей части электрода, качество подготовки поверхностей свариваемых деталей и их положение в между электродами соответствуют всем параметрам предусмотренным технологическим процессом сварки, начальные выплески не образуются. В этом случае, основным фактором, отклонение которого может привести к образованию начального выплеска, является усилие сжатия электродов. Поэтому для предотвращения образования начальных выплесков следует обеспечивать как его стабильность в процессе точечной сварки, так и задавать его значение следует не меньше некоторой величины, обеспечивающей получение приемлемых значений площади начального контакта, плотности тока в нем на начальной стадии процесса и, в конечном итоге, отсутствие начальных выплесков в процессе КТС.
Конечные выплески. В практике точечной сварки до сих пор наиболее часто встречающимися и наиболее трудно устранимыми, являются так называемые конечные выплески (рис. 2.25), которые образуются в период времени от начала плавления металла в свариваемом контакте до окончания импульса сварочного тока или же сразу после его окончания. Их, так же, как и начальные выплески, разделяют на конечные наружные выплески (2.25, а), в которых расплавленный металл выбрасывается из ядра вне деталей через прорванную оболочку над ядром, и конечные внутренние выплески (2.25, б), в которых расплавленный металл выбрасывается в зазор между деталями из свариваемого контакта деталь – деталь.
Конечные наружные выплески образуются в результате прорыва твердого металла над ядром при чрезмерно большом проплавлении деталей и диаметре ядра (рис. 2.23, б). Кроме того, что они снижают прочностные показатели точечного сварного соединения, они еще и ухудшают вид поверхностей свариваемых деталей.
В большей мере они характерны для односторонней контактной точечной сварки (рис. 2.25, а), отличающейся ассимметрией температурного поля. В этом случае детали в наибольшей степени нагреваются в направлении между электродами, в этом же направлении смещаются зоны расплавленного металла и здесь же возникают наружные выплески.
При двусторонней точечной сварке конечные наружные выплески возникают, как правило, только при сварке деталей из титановых сплавов или, что значительно реже, из высоколегированных сталей.
Как при односторонней, так и при двусторонней точечной сварке наружные выплески устраняются технологическими мероприятиями, которые уменьшают проплавление деталей, в частности, уменьшением жесткости режима сварки.
Конечные внутренние выплески (рис. 2.25, б) до сих пор являются основной проблемой при разработке технологии КТС и практической сварке в части обеспечения устойчивости процесса формирования соединения, особенно при сварке изделий ответственного назначения.
В практике точечной сварки наиболее часто встречается разновидность конечного внутреннего выплеска, который образуется в процессе формирования ядра, в период от начала плавления металла до окончания импульса тока. Как правило, при режимах сварки близких к режимам оптимальным, момент его образования, вызванного неблагоприятным сочетанием случайных возмущающих факторов, находится в районе 2/3 длительности импульса тока.
Раньше образование такого выплеска объяснялось чрезмерно высокими скоростями плавления металла. В результате чего уменьшается ширина уплотняющего пояска и происходит его прорыв расплавленным металлом. Однако, практика сварки показывала, что внутренние конечные выплески образуются и при большой ширине уплотняющего пояска, а также — что они отсутствуют при уменьшенных ее значениях. Очевидно, что объяснение образования конечного выплеска только отклонением тепловых процессов не полностью отражает реальное взаимовлияние факторов, приводящих к выбросу расплавленного металла.
В конечном итоге получила подтверждение точка зрения, что возникновение выплеска не определяется сопротивлением уплотняющего пояска против его «прорыва» (его прочностью), как это считалось ранее. При этом отсутствует какая-либо однозначная зависимость между шириной уплотняющего пояска и склонностью процесса к выплескам. Так (рис. 2.26), при определенных условиях выплески могут возникать и при большой ширине уплотняющего пояска b П (например (рис. 2.26, а), при b П » 2,25 s, где s — толщина деталей) или отсутствовать при относительно небольшой его ширине (например (рис. 2.26, б), при b П » 0,2… 0,3 s.
 |
Получили подтверждения данные о том, что образование выплеска в период от начала плавления металла в контакте деталь-деталь до момента окончания импульса тока, не связано однозначно с шириной уплотняющего пояска, то есть его прочностью против «прорыва» расплавленным металлом, и о том, что образование внутреннего конечного выплеска в этот период в основном связано с раскрытием зазора в уплотняющем пояске, вызванным давлением расплавленного металла в ядре, обусловленным расширением металла при его нагреве и расплавлении.
То, что образование таких выплесков в основном происходит путем раскрытия зазора давлением расплавленного металла в ядре, подтверждается и характером его выброса (рис. 2.27) — одновременным его выбросом по всему контуру уплотняющего пояска (рис. 2.27, а).
Конечно, такой выброс металла при конечном выплеске можно получать только на машинах с жестким силовым контуром, деформации которого в процессе КТС незначительны, например, на машинах типа МТР. В большинстве же случаев сварки трудно обеспечить равномерное распределение напряжений по контуру уплотняющего пояска из-за деформаций элементов силовых контуров машин, приводящих к перекосу электродов. В результате, при сварке на машинах типа МТ, деформации силового контура в которых существенны, раскрытие зазора чаще всего происходит в месте, расположенном от контура машины, где сжимающие напряжения в уплотняющем пояске наименьшие, и выброс расплавленного металла как правило локализован в относительно узкой области (рис. 2.27, б).
Отклонения усилия сжатия электродов FЭ t во время импульса тока от установившихся его значений до начала импульса тока, которые происходят из-за инерционности подвижных частей приводов сварочных машин и сил трения в них (см. рис. 2.24), не могут существенно влиять на устойчивость процесса КТС против образования конечных выплесков. Так, при КТС на режимах близких к оптимальным, в первой половине процесса нагрева FЭ t увеличивается всего на 2…7 %, а во второй — уменьшаются на 1…5 % по сравнению с его величиной до начала импульса тока. Таким образом, даже предельные динамические отклонения FЭ на +7…-5 % не могут являться основной причиной образования выплесков, поскольку сварочное усилие сжатия электродов в технологии КТС задают на 15…25 % больше некоторой его величины, называемой критической, при которой выплески образуются регулярно.
Сразу же после выплеска, вследствие выброса значительного объема расплавленного металла, электроды «проседают» в детали и подвижный электрод резко приближается к неподвижному. Из-за этого в силовом контуре машины возникают колебания, в том числе и величины FЭ t, по амплитуде достигающие до -20…-30 % (рис. 2.28). При этом происходит резкое уменьшение падения напряжения на участке электрод – электрод UЭЭ из-за увеличении площадей контактов. Сварочный ток IСВ после выплеска заметно не изменяется.
При сварке на режимах, близким к оптимальным, образование выплесков носит случайный характер, поскольку являются следствием неблагоприятного сочетания нескольких возмущающих факторов процесса КТС. Вместе с тем, в зависимости склонности процесса сварки к образованию выплесков, а также момента их образования, от изменений сварочного тока IСВ и усилия сжатия электродов FЭ t просматривается вполне определенные закономерности. Так, увеличение IСВ (рис. 2.28, а и б), смещают момент образования выплеска к началу процесса КТС. Аналогично на момент образования выплесков влияет и уменьшение усилия сжатия электродов. При некоторых сочетаниях IСВ и FЭ t конечные выплески могут образовываться почти сразу после начала плавления металла (рис. 2.28, б).
Такое влияние отклонений IСВ и FЭ t на устойчивость процесса против образования выплесков является типичным для процессов точечной сварки деталей любых толщин из всех конструкционных сталей и сплавов.
Практика точечной сварки легких сплавов и сталей показывает, что конечные выплески «прорывом пояска» не образуются, если при увеличении диаметра ядра до конечного его значения, которое не превышает допускаемых значений, ширина уплотняющего пояска в любой момент роста ядра не меньше 0,2…0,5 толщины деталей.
Такой вид выплесков происходит вследствие раскрытия пояска давлением расплавленного металла в ядре при отклонениях параметров термодеформационных процессов от оптимальных их значений. Для их предотвращения следует снижать жесткость режимов сварки.
Склонность процесса к выплескам сильно зависит от равномерности распределения сжимающих напряжений в площади уплотняющего пояска по его контуру. Кроме деформаций элементов силового контура сварочной машины на равномерность распределения сжимающих напряжений в уплотняющем пояске существенно могут влиять зазоры между свариваемыми деталями. В этом случае, они могут являться причиной образования конечных выплесков.
При сварке с усилием сжатия электродов F Э = 1,2…1,3 F КР, где F КР — критическая величина F Э, при которой регулярно возникают выплески, и величине зазоров d ≤ 2…2,5 мм выплески наблюдаются редко и носят случайный характер. Это объясняется тем, что, как было показано выше, наличие зазоров приводит к уменьшению ядра вплоть до непровара.
Но при сварке деталей с зазорами выплески отсутствуют только в том случае, если режим сварки не регулируется по силе сварочного тока IСВ или времени его протекания tСВ с целью увеличения размеров ядра до заданных значений. Если же при сварке деталей толщиной s > 1 мм и наличии зазора попытаться увеличить dЯ до заданных значений путем повышения IСВ или tСВ, то выплески возникают регулярно. При этом на склонность процесса к выплескам наиболее значимо влияют величина зазора и шаг между точками.
Даже при сварке с зазором для всех толщин деталей существуют сочетания d и t, при которых выплески не наблюдаются (рис. 2.29, зона А), сочетания d и tШ для каждой s, при которых наблюдается повышенная склонность процесса к выплескам (зона В) и непроварам (зона С). При сочетаниях d и t , ограниченных зоной Д, систематически наблюдаются выплески даже при FЭ = 1,2…1,3 FКР. При этом выплеск носит характер оплавления без наличия значительных объемов расплавленного металла. Причиной такого выплеска является "зависание" электродов, т. е. значительное уменьшение усилия сжатия в сварочном контакте.
В этом случае на склонность процесса к выплеску оказывают влияние особенности формирования сварочного контакта при наличии значительных по величине зазоров.
Увеличение зазора до 1,5…2,5 мм приводит к уменьшению контурной площади S К начального контакта деталь – деталь на 20…40 % по сравнению с начальным ее значением при d = 0. Кроме того, с увеличением d и s, a также с уменьшением t контурная площадь вытягивается вдоль оси, перпендикулярной кромке свариваемых деталей, и одновременно сужается вдоль этой кромки. Именно при сочетаниях значений d, s и t Ш , соответствующим зоне В, наблюдается наибольшая эллипсность контакта. Вследствие этого детали зависают на участках контура уплотняющего пояска, близких к оси изгиба, которая перпендикулярна кромке нахлестки, а на участках вдоль нахлестки, куда металл может течь наиболее свободно, сжимающие напряжения значительно уменьшаются и создаются наиболее благоприятные условия для раскрытия пояска и образования конечного выплеска.
Изложенное выше подтверждает, что зазоры являются сложным возмущающим фактором процесса формирования соединения, приводящим при определенных условиях к противоположным по механизму образования дефектам: уменьшению геометрических размеров соединения (вплоть до непровара) и повышению склонности процесса к образованию конечного выплеска.
Вместе с тем, известно, что внутренний конечный выплеск может образовываться при сварке и на очень мягких режимах, как правило, при сварке электродами с плоской рабочей поверхностью в самом конце импульса тока или даже после его окончания, например, при приложении ковочного усилия (рис. 2.30).
Основной причиной, приводящей к образованию такого вида выплесков являются чрезмерно большие размеры ядра (его высоты hЯ и диаметра dЯ) или резко увеличивающееся усилие сжатия электродов. В этом случае (рис. 2.23, д) твердый металл под электродами, в контуре LЭ, чрезмерно вдавливается («проседает») в поверхности свариваемых деталей и работает как мембрана, увеличивая давление РЯ расплавленного металла в ядре из-за сжатия деталей усилием FЭ. Это же давление РЯ, в данном случае определяемое не тепловым расширением металла и процессами его пластических деформаций, а усилием сжатия электродов и размерами ядра, вне контура LЭ стремится раздвинуть детали и раскрыть уплотняющий поясок. При определенных сочетаниях толщины деталей, размеров ядра и усилия сжатия электродов РЯ происходит локальное раскрытие пояска и образуется конечный выплеск этого вида.
Предотвращаются такие внутренние конечные выплески относительно просто. Иногда для этого достаточно скорректировать параметры режима сварки по току или времени его протекания до значений, обеспечивающих оптимальные размеры ядра. Если же технологические факторы (подготовка деталей, параметры оборудования и т. д.) не гарантируют требуемую стабильность размеров ядра, то в этих случаях рационально применять корректирование режима до начала процесса сварки, стабилизацию или регулирование параметров режима в процессе формирования точечного сварного соединения.
Очевидно, что причины, которые приводят к образованию описанных выше двух видов внутреннего конечного выплеска, различны. Поэтому первый из них (рис. 2.23, г), при образовании которого давление в ядре в основном определяется термодеформационными процессами, протекающими в зоне формирования соединения, называют «», а второй (рис. 2.23, д), при образовании которого давление в ядре в основном определяется вдавливанием электродов в объем ядра — называют «пассивный конечный выплеск».
Основные технологические рекомендации по уменьшению склонности процесса к образованию активных конечных выплесков следующие:
1) конечный диаметр ядра d Я не должен чрезмерно превышать минимально допускаемых его значений d Я min;
2) усилие сжатия электродов в любой момент процесса формирования соединения должно обеспечивать формирование уплотняющего пояска шириной, достаточной для удержания расплавленного металла;
3) применять технологические мероприятия, понижающие давление расплавленного металла в ядре, в частности, путем уменьшения сопротивления пластической деформации металла в уплотняющем пояске и его ширины:
- уменьшением жесткости режима сварки;
- использованием предварительного подогрева деталей отдельным или модулированным импульсом тока;
- размещением между деталями пластичных прокладок;
- программированием усилия сжатия электродов во время импульса сварочного тока;
4) при сварке на машинах переменного тока уменьшать тепловые пульсации в зоне формирования соединения, для чего применять режимы, близкие к полнофазному включению тока;
5) искусственно перераспределять напряжения в площадях контактов электрод – деталь и деталь-деталь между центральной частью зоны сварки и ее периферией, например, применением специальных способов сварки с обжатием периферийной зоны соединений и электродных устройств с обжимными втулками.
Таким образом, образование непроваров и выплесков, таких противоположных дефектов по влиянию технологических факторов их вызывающих, в основе своей вызываются одной причиной ― отклонением параметров термодеформационных процессов от оптимальных их значений в ту или иную сторону: завышение уровня макропластических деформаций металла в зоне сварки приводит к уменьшению в ней плотности тока и ее электрического сопротивления, скорости ее нагрева и количества выделяемой в ней теплоты, и в конечном итоге к образованию непровара, а занижение уровня макропластических деформаций металла в зоне сварки, наоборот, приводит к увеличению плотности тока в зоне сварки и ее электрического сопротивления, скорости нагрева и количества выделяемой в ней теплоты, и в конечном итоге к образованию выплеска.
Вмятины
Вмятины глубиной более 20-25% толщины детали снижают прочность соединения. Этот дефект выявляется при внешнем осмотре, и его легко замерить обычным индикатором со специальной стойкой. Причинами дефекта являются чрезмерное увеличение силы сварочного тока, времени сварки или малая рабочая поверхность электрода. Односторонние вмятины обычно возникают в результате износа нижнего электрода с развитой поверхностью, неправильной заправки рабочей поверхности электрода, нарушения соосности и параллельности рабочих поверхностей электродов.
Хрупкое соединение
Хрупкое соединение характерно для закаливающихся сталей. Закалка снижает пластичность соединения. Дефект распознается по характеру излома, который обычно происходит по сечению точки. Причина дефекта — слишком жесткий режим или выбор неправильного цикла термической обработки в электродах машины.
Негерметичность
Негерметичность шовной сварки возникает при отклонениях параметров режима сварки. Слишком большая сила тока может привести к выплескам. Уменьшение силы сварочного тока, времени импульса и паузы приводит к уменьшению литого ядра. Перекрытие точек исчезает, и между точками появляются участки непровара, нарушающие герметичность. Контроль герметичности выполняют испытанием воздухом при избыточном давлении или другими способами.
Дефекты рельефной сварки
Дефекты рельефной сварки и их причины в большинстве случаев те же, что и при точечной сварке. Однако в ряде случаев допускается рельефная сварка в твердой фазе. Большие пластические деформации, возникающие при осадке рельефа, стабилизируют прочностные показатели. Причинами дефектов рельефной сварки кроме нарушения параметров режима сварки, может быть изменение размеров рельефов по высоте. В многорельефном соединении это нарушает равномерное распределение тока по рельефам, что приводит к перегреву отдельных рельефов, внутренним выплескам или к полному отсутствию соединения. При рельефной сварке один из электродов изнашивается быстрее. На его рабочей поверхности появляются лунки. На детали в этом месте образуется декоративный дефект в виде выпуклости. При увеличении выпуклости снижается прочность соединения.
Для Т - образных соединений типичны дефекты стыковой сварки сопротивлением.
Число и характер допустимых дефектов определяются техническими условиями или другими документами и зависят от ответственности конструкции, сварочного оборудования, материала детали и других обстоятельств.
Дефекты при стыковой сварке
Дефекты при стыковой сварке: непровар, рыхлоты, перегрев, трещины, искривление волокон, подгар поверхности в месте подвода тока.
Непровар выражается оксидными пленками, которые остаются в стыке. На изломе они видны в виде матовых пятен. Непровар существенно снижает прочность и пластичность соединений. Причинами этого дефекта могут быть неустойчивое оплавление, выключение тока до начала осадки, недостаточное оплавление, малая скорость осадки. При недостаточной осадке в стыке может оставаться невытесненный литой металл. Его кристаллизация сопровождается образованием усадочных рыхлот. Такие рыхлоты могут появляться и в околостыковой зоне на участке твердо - жидкого состояния.
Причина непровара при отсутствии оксидов — недостаточный нагрев торцов. В изломах таких холодных стыков наблюдается хрупкое межзеренное разрушение.
Рыхлоты обычно образуются в глубоких кратерах, в местах, заполненных расплавленным металлом. Кристаллизация этого металла сопровождается появлением усадочных дефектов — раковин в форме линз. При недостаточной осадке раковины могут возникать в околостыковой зоне на участке твердо - жидкого состояния металла
Перегрев металла обычно вызывает укрупнение зерна в околошовной зоне и снижение пластичности соединения. Сильный перегрев может привести к пережогу. Причинами дефекта являются: слишком затянутый цикл оплавления, излишний подогрев деталей перед оплавлением, малая величина осадки, слишком большая длительность осадки под током.
Трещины при стыковой сварке могут быть двух видов: продольные и поперечные (кольцевые). Продольные трещины образуются при излишней осадке металла. Этот дефект образуется при перегреве места сварки. Кольцевые трещины обычно возникают при сварке закаливающихся материалов на слишком жестком режиме. Их образованию способствует упругая деформация деталей в зажимах вследствие отхода назад подвижной плиты машины. К таким дефектам относят и расслоение — дефект металла, который раскрывается при осадке и имеет вид трещины.
Искривление волокон в области стыка обычно наблюдается при чрезмерной осадке металлов с резко выраженной анизотропией свойств. Это приводит к ухудшению работоспособности соединения.
Подгар поверхности детали образуется в месте подвода тока при плохой подготовке поверхности детали, недостаточном усилии зажатия или неправильной установке губок (электродов). Большое выделение теплоты в этом месте приводит к подплавлению поверхности. Если свариваемый металл подвержен закалке, то в месте подгара возможно существенное повышение твердости, что осложняет последующую механическую обработку детали.
Для стыковой сварки также устанавливаются количество и размеры допустимых дефектов.
Выбор способа сварки
При проектировании сварной конструкции должна проводиться тщательная оценка технологичности изделия. Она включает правильный выбор материала, размеров и формы деталей, рациональные способы изготовления, сборки, сварки узла, а также ряд других операций с установлением качества и точности выполнения и основное оборудование, приспособления и т. п.
Правильный выбор материала оказывает непосредственное влияние на качество и экономичность сварного узла. Наряду с высокими эксплуатационными характеристиками материал должен иметь хорошие технологические свойства: штампуемость, свариваемость и др.
Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют детали толщиной 0,5…6 мм. Однако нижний предел (в микросварке) может доходить до 2 мкм, а верхний — до 30 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или различной (при соотношении толщин до 1:5, а в микросварке,— до 1:100 и более). Материал деталей может быть одноименным и разноименным (особенно в микросварке). Если герметичность не требуется, то применяют точечную сварку. Прочноплотные соединения выполняют шовной сваркой. При изготовлении емкости внутренние ребра выбирают тоньше обшивки для предупреждения разгерметизации при случайном разрушении точки.
Чаще применяют двустороннюю сварку, однако при ограниченном доступе к месту сварки — одностороннюю. Для повышения производительности и уменьшения коробления используют многоточечную сварку. Для создания слоев со специальными свойствами или для ремонта изношенных деталей применяют электроконтактную приварку присадочного металла.
При проектировании сварной конструкции важно обеспечить удобный подход электродов к месту сварки, чтобы детали могли быть сварены на стандартном оборудовании прямыми электродами. Форма и размеры узлов для точечной, шовной и рельефной сварки весьма разнообразны: от простых плоских панелей до сложных пространственных конструкций (рис. 3.1). Наиболее технологичны узлы открытого типа (рис. 3.1, а). Менее технологичны узлы полузакрытого типа (рис. 3.1, б), ухудшающие доступ к деталям одного из электродов. Наименее технологичны узлы закрытого типа (рис. 3.1, в): узлы коробчатой формы с внутренними швами, закрытые панели малой высоты и т. п. Детали для точечной и шовной сварки обычно изготовляют из листов и профилей. Выбор способа сварки обусловлен толщиной и материалом деталей, конструкцией узла, требованиями к качеству соединений, характером конкретного производства.
Применение рельефной сварки позволяет увеличить производительность (одновременная постановка группы точек, соединение по всему контуру), уменьшить величину нахлестки и массу узлов (из-за ограничения области разогрева и пластической деформации), повысить стойкость электродов (вследствие увеличения размеров их рабочей поверхности), устранить разметку.
Значительное распространение получила рельефная сварка с формированием рельефа за счет сопряжения различных по форме деталей: винта, проволоки с листом (рис. 3.2, а, б), острой грани гайки или штуцера с листом (контурная сварка, рис. 3.2, в, г), двух труб (Т - образная сварка, рис. 3.2, д),. Иногда рельефы изготавливают отдельно в виде колец, шайб, шариков и т. п.
Стыковую сварку широко используют в промышленности
(рис. 3.3) для изготовления длинномерных изделий из проката, сложных деталей из простых заготовок и деталей замкнутой формы в целях экономии легированных сталей (режущий инструмент, клапаны двигателей и др.), в строительстве (профили, трубы, рельсы и др.).
Способ стыковой сварки выбирается в зависимости от формы и сечения деталей, марки металла, требований к качеству соединений.
Стыковая сварка сопротивлением в связи с невысокой прочностью соединений (трудности удаления оксидов), необходимостью применения повышенной электрической мощности (высокая средняя плотность тока) и большими затратами труда на подготовку торцов имеет относительно ограниченное применение.
Сваркой сопротивлением обычно соединяют детали небольшого, как правило круглого сечения (не более 200 мм2) из низкоуглеродистых сталей, а также алюминия и меди (до 100 мм2). Детали большего сечения сваривают по схеме принудительного формирования или в среде защитных газов.
Наиболее широко применяют сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением обеспечивает высокое качество соединений при меньших затратах электрической мощности и трудоемкости на досварочные операции.
Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм2 (из низкоутлеродистой стали) и детали несколько большего сечения с развитым периметром (трубы, листы и др.).
Область рационального применения сварки непрерывным оплавлением ограничивается сечениями 500…10 000 мм2. При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению приводит к снижению стабильности качества соединений. Кроме того, резко возрастает необходимая мощность оборудования.
Детали с площадью сечения 5 000…40 000 мм2 сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи подвижного зажима.
Высокой эффективностью обладает способ стыковой сварки импульсным оплавлением, который позволяет сваривать стальные заготовки сечением до 200 000 мм2 и получать качественные соединения из различных трудносвариваемых металлов.
3.2. Выбор рациональной конструкции деталей и элементов
соединений
При точечной, шовной и рельефной сварке в понятие «оптимальные размеры соединения» входит несколько измеряемых величин, называемых конструктивными элементам соединения (рис. 3.4). Они стандартизованы по ГОСТ 15878-79 для соединений двух групп — А и Б. Группу устанавливают при проектировании узла в зависимости от требований, предъявляемых к сварной конструкции и исходя из особенностей технологического процесса. Соединения группы А имеют более высокие прочностные характеристики.
Основными конструктивными элементами являются расчетный (минимальный) диаметр ядра (для точечной и рельефной сварки) и ширина литой зоны (для шовной сварки). Их измеряют в плоскости сопряжения деталей и обозначают d для обоих случаев сварки (рис. 3.4, I). Эти размеры устанавливают из условия получения необходимой и стабильной прочности, герметичности шва при минимальной нахлестке. Фактический диаметр в узлах должен быть не меньше указанного ГОСТе.
Максимальные размеры ядра ограничивают из-за возможности появления различных дефектов, снижения стойкости электродов, устанавливая верхние пределы на 15…25 % больше минимально допустимых (при толщине деталей s > 0,5 мм). Приближенно при толщине деталей s > 0,5 мм минимальный диаметр литого ядра для соединений группы А можно определить по эмпирической формуле:
d = 2 s + (2…3 мм). (3.1)
Более точные его значения, учитывающие уменьшение отношения
d / s с ростом толщины, описываются формулой
d = 4 s2/3. (3.2)
Другими конструктивными элементами сединений являются величина проплавления, глубина вмятины от электрода, расстояние между центрами соседних точек в ряду (шаг), величина перекрытия литых зон (при шовной сварке), расстояние от центра точки до края нахлестки, между осями соседних рядов точек и др.
Величина проплавления h (h1) в большинстве случаев должна находиться в пределах 20…80 % от толщины детали. Ее измеряют отдельно для каждой детали. Минимальные значения соответствуют проплавлению тонкой детали при сварке деталей неравной толщины. На титановых сплавах верхний предел проплавления увеличивают до 95 %, а на магниевых — наоборот, уменьшают до 70 %.
Глубина вмятины g (gl) не должна превышать 20 % толщины детали, однако при сварке деталей неравной толщины и труднодоступных местах она может достигать 30 %. При микросварке глубина обычно не превышает нескольких процентов. Глухие вмятины ухудшают внешний вид и обычно уменьшают прочность точек.
Минимальное расстояние между центрами соседних точек в ряду или шаг t ш устанавливают из условия незначительного шунтирования тока при сохранении высокой прочности шва.
Величина перекрытия литых зон герметичного шва должна составлять не менее 25 % длины литой зоны (рис. 3.4, II).
Минимальная величина нахлестки В —это наименьшая ширина сопрягаемой части соединяемых деталей без радиуса закругления соседних элементов (стенки, полки). При r < 2s в нахлестку включают не только радиус, но и толщину стенки.
Расстояние от центра точки или оси шва до края нахлестки u должно быть не менее 0,5В. Расстояние между осями соседних рядов с выбирают на 20 % больше, чем t ш.
Абсолютные размеры конструктивных элементов возрастают с увеличением толщины деталей. Некоторые из них (В, h) зависят и от материала; размеры t ш, u, с также косвенно связаны с материалом деталей, так как из конструктивных соображений при изменении В меняют и эти величины. Например, при сварке легированных сталей несколько уменьшают t ш, однако это не связано с меньшим шунтированием тока через соседнюю точку. Действительно, при уменьшении электропроводимости возрастают как сопротивление шунтирующей цепи, так и сопротивление зоны сварки. Условия шунтирования остаются практически постоянными. Величины В, t ш, u, с, кроме того, зависят от соотношения толщины свариваемых деталей: при s/s1 > 2 их увеличивают на 20…30%. Вообще при сварке деталей неравной толщины конструктивные элементы соединения выбирают по более тонкой детали.
Высокий современный технический уровень машин и надежность аппаратуры позволяют в ряде случаев (при s < 3 мм) уменьшать d (на 22…33 %) и получать соединения, которые относят к группе Б. Для сохранения высокой прочности узла увеличивают число точек в ряду, уменьшая t ш. При эксплуатации точки работают равномернее, с меньшей концентрацией напряжений; усталостные трещины несколько локализуются, замедляется их развитие. Из-за уменьшения В снижается масса соединений. Однако возрастают требования к точности изготовления деталей, сборки, подготовки поверхности, стабильности работы машин.
Торцы деталей, подлежащие стыковой сварке, должны быть рационально сконструированы. Во-первых, необходимо создать условия для равномерного нагрева и по возможности одинаковой пластической деформации при осадке (рис. 3.5, 3.6). Во-вторых (особенно при сварке сопротивлением), обеспечить защиту торцов от окисления и облегчить вытеснение окисленного металла из рабочей зоны шва (рис. 3.5). В-третьих, форма деталей должна обеспечить надежное закрепление их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи зоны сварки. Форму и размеры сечения торцов заготовок следует выполнять примерно одинаковыми. Различие в диаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине — 10 %.
Подготовка деталей к сварке заключается в получении определенной формы торцов, очистке их поверхности и поверхности деталей, правильной установке торцов перед началом сварки. Торцы деталей получают механической резкой на ножницах, пилах, металлорежущих станках, горячей или холодной высадкой на прессах, а также с помощью плазменной и газовой резки с последующим удалением шлака.
Токоподводящие участки деталей и торцов очищают различными механическими способами и травлением.
При сварке сопротивлением (вследствие трудности обновления поверхности) требуется более тщательная установка деталей при сборке, чем при сварке оплавлением. Так, зазор между торцами при сварке сопротивлением не допускается более 0,5 мм. При сварке оплавлением он может быть большим (до 15 % Δопл). При сварке развитых сечений требования к качеству сборки, в частности, к взаимной параллельности торцовых поверхностей деталей, ужесточаются.
3.3. Общая схема технологического процесса изготовления
сварных узлов
Точечной и шовной сваркой обычно соединяют детали в узлы (секции), затем их собирают между собой различными способами. Такая организация производства позволяет эффективно использовать высокопроизводительные способы сборки и сварки, повышать уровень механизации и автоматизации, качество соединений, расширять фронт работы и снижать себестоимость продукции.
Разработку технологического процесса начинают еще на стадиях проектирования новой конструкции созданием директивной технологии, а затем рабочего технологического процесса (маршрутной технологии и операционных карт).
Типовой технологический процесс производства сварных узлов состоит из ряда основных операций в определенной последовательности: изготовление деталей, подготовка свариваемых поверхностей, сборка, прихватка, сварка, правка и механическая обработка, антикоррозионная защита, контроль. Этот процесс корректируют в зависимости от масштаба производства, степени взаимозаменяемости деталей, материала, размеров, формы и ответственности узлов, а также особенностей производства: исключают, добавляют или меняют последовательность операций.
Изготовление деталей
Качество изготовляемых деталей непосредственно влияет на трудоемкость и качество сборки, прихватки, сварки. В большинстве случаев увеличенные зазоры и плохое сопряжение деталей возникают именно из-за низкой точности их изготовления.
Заготовки из листа вырезают на гильотинных, дисковых, вибрационных ножницах, в штампах, газовым пламенем, плазменной струей. Для автоматического раскроя листов из титановых сплавов, жаропрочных сталей применяют лазеры. Профили разрезают на пресс-ножницах, пилами.
Формообразование деталей выполняют обычно холодной деформацией: гибкой во вращающихся валках, свободной гибкой, обтяжкой, вытяжкой, выдавливанием, штамповкой. Хрупкие металлы деформируют с подогревом. Особо крупные тонкостенные детали (днища, оболочки) изготовляют высокоскоростной обработкой, например, взрывом.
Подготовка поверхности
Цель этой операции — удаление исходных толстых, неравномерных по свойствам поверхностных пленок. В результате повторного окисления возникают новые пленки — тонкие с малым и стабильным контактным сопротивлением.
Способы подготовки поверхности различны. В наиболее полном виде они включают несколько последовательных операций: обезжиривание, удаление исходных, в основном оксидных, пленок, пассивирование, нейтрализацию, промывку, сушку, контроль.
Обезжиривание служит для удаления загрязнений, масла, маркировочной краски протиркой растворителями либо в ваннах различного состава: содовых растворах (для легированных сталей и титановых сплавов), щелочных растворах (для алюминиевых и магниевых сплавов). С целью ускорения процесса, в ванну иногда вводят ультразвуковые колебания. В автомобильной промышленности холоднокатаную сталь сваривают часто вообще без подготовки поверхности (тонкий слой масла мало влияет на формирование точек); латуни — после обезжиривания.
Удаление оксидных пленок — трудоемкая операция, так как оксиды химически связаны с металлом. Обычно их удаляют механической обработкой или химическим травлением.
Механическую подготовку проводят дробеструйной обработкой или металлическими щетками. Дробеструйную обработку применяют главным образом для стальных деталей с толстой оксидной пленкой (после термообработки, горячей деформации и т.д.) или с особыми поверхностными слоями; для титановых сплавов — с окалиной TiО2, реже для других металлов. Дробь изготовляют в виде частиц отбеленного чугуна, мелконарезанной стальной проволоки, а для алюминиевых сплавов — стеклянных шариков.
Зачистку вращающимися щетками используют для деталей из любых металлов, но чаще из сталей (в том числе жаропрочных, высокопрочных) при малых масштабах производства.
Иногда механическую обработку применяют для алюминиевых и магниевых сплавов. Однако во избежание глубокого повреждения металла ограничивают силу прижатия вращающихся щеток, лимитируют диаметр и длину проволочек (не более 0,2 мм и не менее 40 мм соответственно). Такая зачистка поверхности активизирует повторное окисление, поэтому в зависимости от условий хранения детали из алюминиевых и магниевых сплавов должны быть сварены не позднее чем через 5… 20 ч после обработки.
Химическое травление находит широкое применение как в единичном, так и массовом производстве практически для любых металлов. После такой обработки возникает более равномерная и менее активная пленка. Появляется возможность управлять ее свойствами и скоростью последующего роста.
Химическое травление осуществляют в щелочных и кислотных растворах с различными добавками для регулирования скорости травления, улучшения взаимодействия с поверхностью деталей, пассивирования поверхности (табл. 3.1). Наиболее тщательно обрабатывают поверхность алюминиевых и магниевых сплавов при производстве летательных аппаратов в авиационной и космической промышленности.
Таблица 3.1
Сборка
Сборка должна обеспечивать точное взаимное расположение деталей (в соответствии с чертежом) и минимальные зазоры между ними. Качество и трудоемкость сборки зависят от точности изготовления деталей, степени их взаимозаменяемости, а также механизации процесса.
При отсутствии взаимозаменяемости детали подгоняют. Эта сложная и трудоемкая операция выполняется рабочим высокой квалификации. Поверхность деталей неизбежно загрязняется. Поэтому вначале требуется предварительная сборка узла с подгонкой. Затем узел разбирают, подготовляют поверхность, после чего выполняют окончательную сборку. На последнем этапе никакие подгоночные операции не допускают.
Минимальные зазоры δз — важнейшая предпосылка высокого качества соединений. При сварке с большими зазорами (рис. 3.7) и в особенности деталей с повышенной жесткостью часть сварочного усилия тратится на устранение этих зазоров. Площадь контакта электрод — деталь и фактическое сварочное усилие уменьшаются. Плотность тока под электродами снижается, а в контакте между деталями возрастает. Одновременно усиливаются склонность к выплескам и к непровару.
Допускаемые сборочные зазоры зависят от способа сварки, жесткости узла (толщины и формы деталей), а также от длины участка с этими зазорами. Чем жестче деталь и короче участок, тем меньше допускаемые зазоры. Например, при точечной сварке деталей из сталей толщиной 1 мм зазоры должны быть не более 0,4 мм на длине 100 мм и не более 1,2 мм на длине 300 мм. Для толщины 3 мм эти значения уменьшаются соответственно до 0,3 и 0,9 мм.
Сборку выполняют по разметке, по эталонному узлу, с применением шаблонов, по сборочным отверстиям, в специализированных приспособлениях. Механизация, использование приспособлений повышают производительность сборки и ее качество.
По окончании сборки размечают места прихватки и сварки. Способы разметки различны: карандашом с помощью шаблонов или мерительного инструмента, приклеиванием рядом с нахлесткой заранее размеченной (типографским способом) липкой бумажной ленты. Эффективны оптические или механические разметчики на точечной машине, обеспечивающие заданное расстояние между точками. Часто сваривают и без разметки.
Качество сборки оценивают, контролируя основные размеры узла, точное взаимное расположение деталей и зазоры. Зазоры можно измерять автоматически специальным прибором в процессе прихватки или сварки.
Прихватка
Прихватка служит для точного фиксирования деталей в узле, предотвращения их смещения при сварке, повышения жесткости узла, уменьшения зазоров и снижения остаточных деформаций. Чаще всего собранные узлы прихватывают точечной сваркой на стационарных машинах; тонколистовые детали сложной' формы и больших размеров — в приспособлениях (стапелях) с помощью передвижных контактных машин (клещей, пистолетов) или аргонодуговой сваркой; крупные толстостенные узлы — аргонодуговой, ручной дуговой сваркой с последующим вырубанием мест прихватки.
Шаг прихватки зависит от марки сплава, толщины деталей, жесткости узла, зазоров и вида сварки. Чем меньше зазоры и больше жесткость узла, тем больше может быть шаг. Для точечной сварки шаг прихваточных точек обычно составляет 100… 300 мм, для шовной в 3… 5 раз меньше (во избежание сильного коробления и «набегания» металла).
Под точечную сварку детали прихватывают по линии шва, режим прихватки устанавливают аналогичным сварочному. Под шовную — прихваточные точки располагают либо по оси шва, либо рядом, а их диаметр устанавливают меньше ширины шва (до 2,5s).
Рациональная последовательность прихватки позволяет уменьшить сварочные деформации (рис. 3.8).
Протяженные швы рекомендуется прихватывать от центра к краям попеременно, начиная с участков повышенной жесткости. Обечайки для более равномерного распределения сборочных зазоров прихватывают попеременно точками, расположенными диаметрально противоположно. Если зазоры оказываются большими, то обечайки из высокопрочных сплавов, можно прокатать стальными роликами.
Простые узлы, жестко зафиксированные в сборочно-сварочных приспособлениях, обычно сваривают без прихватки в этих же приспособлениях. Часто она оказывается излишней при многоточечной сварке. После прихватки контролируют качество прихваточных точек, зазоры между деталями, общие размеры узла.
Технология стыковой сварки
3.7.1. Выбор способа сварки, конструкции соединения и подготовка деталей к сварке
Технологический процесс стыковой сварки определяется чертежом, техническими условиями на изготовление и приемку, программой выпуска изделий.
Способ стыковой сварки выбирается в зависимости от формы и сечения деталей, марки металла, требований к качеству соединений.
Сваркой сопротивлением обычно соединяют детали небольшого, как правило круглого, сечения (не более 200 мм2) из низкоуглеродистых сталей, а также алюминия и меди (до 100 мм2). Детали большего сечения сваривают по схеме принудительного формирования или в среде защитных газов.
В связи с невысокой прочностью соединений (трудности удаления оксидов), необходимостью применения повышенной электрической мощности (высокая средняя плотность тока) и большими затратами труда на подготовку торцов сварка сопротивлением имеет относительно ограниченное применение.
Наиболее широко применяют сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением обеспечивает высокое качество соединений при меньших затратах электрической мощности и трудоемкости на досварочные операции.
Непрерывным оплавлением сваривают детали с компактным сечением до 1000 мм2 (из низкоуглеродистой стали) и детали несколько большего сечения с развитым периметром (трубы, листы и др.).
Область рационального применения сварки оплавлением с подогревом сопротивлением ограничивается сечениями 500…10 000 мм2. При больших сечениях неравномерность нагрева по сечению приводит к снижению стабильности качества соединений. Кроме того, резко возрастает необходимая мощность оборудования.
Детали с площадью сечения 5000…40 000 мм2 сваривают непрерывным оплавлением на машинах с программным управлением напряжением сварочного трансформатора и скоростью подачи подвижного зажима.
Высокой эффективностью обладает способ стыковой сварки импульсным оплавлением, который позволяет сваривать стальные заготовки сечением до 200 000 мм2 и получать качественные соединения из различных трудносвариваемых металлов.
Торцы деталей, подлежащие стыковой сварке, должны быть рационально сконструированы:
1) необходимо создать условия для равномерного нагрева и по возможности одинаковой пластической деформации при осадке (рис. 4.1, 4.2);
2) (особенно при сварке сопротивлением) обеспечить защиту торцов от окисления и облегчить вытеснение окисленного металла из рабочей зоны шва (рис. 4.1);
3) форма деталей должна обеспечить надежное закрепление их в зажимах сварочной машины и токоподвод вблизи зоны сварки, форму и размеры сечения торцов заготовок следует выполнять примерно одинаковыми, различие в диаметрах не должно превышать 15 %, а по толщине 10 %.
Подготовка деталей к сварке заключается в получении определенной формы торцов, очистке их поверхности и поверхности деталей, правильной установке торцов перед началом сварки. Торцы деталей получают механической резкой на ножницах, пилах, металлорежущих станках, горячей или холодной высадкой на прессах, а также с помощью плазменной и газовой резки с последующим удалением шлака.
Токоподводящие участки деталей и торцов очищают различными механическими способами и травлением.
При сварке сопротивлением (вследствие трудности обновления поверхности) требуется более тщательная установка деталей при сборке, чем при сварке оплавлением. Так, зазор между торцами при сварке сопротивлением не допускается более 0,5 мм. При сварке оплавлением он может быть большим (до 15 % Δопл). При сварке развитых сечений требования к качеству сборки, в частности, к взаимной параллельности торцовых поверхностей деталей, ужесточаются.
3.7.2. Технология сварки различных металлов и узлов
Режимы сварки выбирают на основании анализа особенностей данного вида сварки, свойств свариваемых металлов и формы соединяемых деталей.
Выбор режима сварки
При сварке сопротивлением (см. рис. 1.11) для образования качественного соединения основное внимание уделяют получению равномерного нагрева торцов и деталей и деформации металла, в наибольшей степени обеспечивающей разрушение и удаление оксидов. Основными параметрами режима являются сварочный ток I СВ или плотность тока j, время протекания тока t СВ, начальное усилие сжатия F Н и усилие осадки F ОС (соответственно начальное давление рн и давление осадки рос), укорочение деталей при сварке Δсв, установочная длина l0.
Для определения j и t СВ используют эмпирическую формулу
, (3.14)
где k — коэффициент, равный 8…10 для сталей, 20 для алюминия, 27 для меди.
Как t СВ, так и j колеблются в широких пределах. При чрезмерной j возможен выплеск. Уменьшение t СВ приводит к неравномерности нагрева деталей по сечению, а увеличение усиливает окислительные процессы. Малое рн облегчает нагрев деталей, однако может привести к образованию выплесков и усилению окисления торцов. Повышение рос увеличивает пластическую деформацию деталей, активизирует процессы разрушения оксидов и обновления поверхности. Минимальная установочная длина l0 при сварке компактных сечений обычно равна диаметру или трем-четырем толщинам свариваемых деталей. Увеличение l0 может привести к искривлению деталей, потере их устойчивости. При малом значении l0 на зону сварки сильное влияние оказывает отвод теплоты в электроды.
При сварке оплавлением электрические параметры режима зависят от теплопроводности и температуры плавления металла и определяются в основном скоростью оплавления, которая задается также с учетом активности металла к взаимодействию с газами и к процессам испарения легирующих элементов, а также от сечения свариваемых деталей. Усилие осадки и скорость осадки соответственно определяются теплопроводностью металла и его активностью к окислению.
При сварке оплавлением стремятся обеспечить:
1) нагрев деталей для оплавления торцов и проведения деформации с целью удаления оксидов, а также для предупреждения образования неблагоприятных структур в околошовной зоне;
2) локальную интенсивность оплавления перед осадкой для формирования равномерно оплавленного слоя металла, предупреждения окисления и получения благоприятного рельефа поверхности торцов;
3) деформацию деталей с достаточно большой скоростью, предупреждающей преждевременное остывание металла торцов и застревание оксидов в стыке.
Величина деформации должна обеспечивать определенное растекание металла в плоскости стыка и выравнивание рельефа поверхности, необходимое для выдавливания расплавленного металла и оксидов.
Основные параметры режима: скорость оплавления vопл, плотность тока при оплавлении jопл, припуск на оплавление Δопл время оплавления tопл, величина осадки Δос и ее скорость voc, длительность осадки под током toc.т, величина осадки под током Δос.т, усилие осадки F ОС или давление осадки рос, установочная длина детали l0. Задают также напряжение холостого хода машины U20 и программу его изменения. При сварке импульсным оплавлением указывают также частоту fк и амплитуду Ак колебаний подвижной плиты машины.
При сварке оплавлением с подогревом задают температуру подогрева Тпод, длительность подогрева tпод, число импульсов подогрева и их длительность tимп, припуск на подогрев Δпод.
Скорость оплавления vопл выбирают из условий получения определенного распределения температуры в деталях. Для равномерного нагрева торцов перед осадкой конечную скорость оплавления vопл.к значительно увеличивают. От припуска на оплавление Δопл зависит получение равномерного нагрева по сечению, оптимального распределения температуры вдоль деталей и образование слоя расплавленного металла на торцах. Обычно Δопл составляет 0,7…0,8 общего припуска на сварку. При сварке с подогревом и импульсным оплавлением Δопл сокращается в 2…3 раза.
Плотность тока jопл должна обеспечить процесс устойчивого оплавления. Она увеличивается с увеличением λ металла и vопл снижается при сварке с подогревом, а также при сварке деталей большого сечения. Вначале оплавления jопл наибольшая, по мере нагрева деталей она снижается, однако увеличение скорости оплавления к концу процесса вызывает увеличение jопл.
Припуск на осадку Δос выбирают из условия удаления нагретого металла и оксидов из стыка. Припуск на осадку под током Δос.т составляет обычно 0,5…0,8 Δос.
Давление осадки рос выбирают в зависимости от природы свариваемого металла и степени нагрева деталей.
Скорость осадки voc выбирают с учетом ее влияния на окисление металла во время осадки и удаление оксидов и перегретого металла из стыка; она увеличивается при сварке активных металлов.
Напряжение холостого хода U20 выбирают минимальным, обеспечивающим устойчивое оплавление.
Установочная длина деталей
2l0 = Δопл + Δос + Δк,
где Δк — конечное расстояние между зажимами.
Обычно при сварке круглых стержней и толстостенных труб
l0 = (0,7 … l) d, где d — диаметр свариваемых деталей. При малой l0 наблюдается большой отвод теплоты в электроды, а зона интенсивного нагрева сужается, что требует увеличения рос. С увеличением l0 увеличивается требуемая электрическая мощность и уменьшается жесткость деталей.
При сварке оплавлением с подогревом температуру подогрева Тпод выбирают в зависимости от сечения свариваемых деталей и их металла. При сварке конструкционных сталей температура подогрева обычно составляет 800…1000 °С и возрастает до 1000…1200 °С при сварке деталей сечением 10 000…20 000 мм2. Температура подогрева деталей из труднодеформируемых аустенитных сталей на 100…150 °С выше. Время подогрева tпод возрастает с увеличением площади сечения деталей от нескольких секунд при сварке деталей сечением 500…1000 мм2 до нескольких минут при сварке деталей сечением 15 000…20 000 мм2. Длительность импульсов подогрева tимп обычно составляет 1…8 с, а припуск на подогрев Δпод изменяется в пределах 1…12 мм в зависимости от сечения деталей и свойств свариваемого металла.
Усилие зажатия деталей Fзаж выбирают из условия предупреждения проскальзывания деталей в губках при осадке: Fзаж = k0×Foc, коэффициент k0 обычно колеблется от 1,5 до 4 и зависит от свойств свариваемого металла, конструкции зажимов, наличия упоров, конфигурации деталей.
После анализа образования соединений, особенностей стыковой сварки свариваемого материала и формы деталей, а также возможностей сварочного оборудования выбирают ориентировочные значения параметров режима, которые затем корректируются при сварке образцов-свидетелей с учетом конкретных технологических условий сварки до получения требуемого качества соединения. Уточненный (оптимальный) режим, обеспечивающий положительные результаты сварки, фиксируется в соответствующей технологической документации; при этом выдается разрешение на сварку изделий.
Машины контактной сварки
Машины точечной сварки
Контактные точечные машины общего назначения по практическому использованию являются наиболее массовым видом сварочного оборудования для контактной сварки. Наибольшее распространение получили однофазные машины переменного тока типа МТ (рис. 5.2).
Наибольшее распространение находят стационарные точечные машины прессового типа с двусторонним подводом тока, в которых электроды перемещаются прямолинейно, чаще вертикально (рис.5.2, а).
Машина точечной сварки (рис.5.2, б) имеет пневматический привод сжатия 3 деталей сварочным и ковочным усилием, сварочный трансформатор 13, тиристорный контактор 11, блок управления циклом сварки 2. Все эти устройства смонтированы в корпусе 1 машины. Сварочный ток от трансформатора 13 подводится к месту сварки через вторичный контур машины, состоящий из гибких шин 10, консолей 4, электрододержателей 5 и электродов 7.
В стационарных радиальных машинах электрод закреплен на качающемся токоподводе с приводом, расположенным внутри корпуса машины. При этом пространство над верхним электродом свободно от частей машины и может быть использовано для размещения свариваемых изделий сложной конфигурации.
По своей конструкции радиальные машины просты, экономичны в изготовлении, менее металлоемки. Их масса на 25…30 % меньше массы аналогичных машин прессового типа. Промышленностью серийно выпускают машины МТР-1201 (прототип МТ-604), МТР-1701 (прототип МТ-810), МТР-2401 (прототип МТ-1614).
Точечные машины средней и большой мощности обладают большой массой (1…16 т), поэтому их устанавливают стационарно, а детали в процессе сварки перемещают. При сварке громоздких и тяжелых деталей, крупногабаритных изделий в труднодоступных местах, а также сварке пространственных конструкций перемещают машину, применяют различные клещи, пистолеты. Машины подвешиваются на специальных балансирных коромысловых уравновешивающих устройствах, обеспечивающих необходимую маневренность сварочным клещам (рис. 5.3). Машины МТП-1110, МТП-1111, МТП-1409 имеют отдельно расположенные сварочный трансформатор и сварочные клещи различной конструкции. Машины МТП-2401 (К-243В) и МТП-1210 (К-264) выпускаются с трансформаторами, встроенными в сварочные клещи.
Однофазные машины переменного тока (МТ, МТП, МТР) наиболее приспособлены для сварки сталей и титановых сплавов. Из-за высоких скоростей нарастания тока сварка высокопрочных и жаропрочных сплавов (особенно толщиной менее 0,8 мм) сопровождается выплесками и нестабильным размером ядра. Сварка на таких машинах легких сплавов слишком энергоемка и сопровождается интенсивным загрязнением поверхности деталей, электродов. Пологая нагрузочная характеристика ограничивает саморегулирование процесса.
Машины постоянного тока (МТВ, МТВР) и низкочастотные (МТН-7501) имеют большие возможности саморегулирования, благоприятную форму импульса тока и сравнительно малую энергоемкость. Поэтому их рекомендуют для сварки ответственных изделий из любых свариваемых металлов.
Предприятиями разработано и выпускается пять типоразмеров машин постоянного тока для точечной сварки с наибольшими токами 35…105 кА. Кроме того, выпущено небольшое число мощных машин со сварочным током 160 кА и подвесных клещей с источниками постоянного тока: МТВ-4801, МТВ-4802, МТВР-4801, МТВ-8002, МТВ-16002, МТВП-802, МТПВ-1207.
Конденсаторные машины (ТКМ-15, ТКМ-17, МТК-2001, МТК-5502, МТК-8501) отличаются наименьшей энергоемкостью. Однако жесткий и относительно мало изменяющийся по форме импульс тока ограничивает толщину свариваемых высоколегированных сталей и жаропрочных сплавов (до 0,8 мм). Большинство легких сплавов, напротив, свариваются успешно. Наиболее целесообразны конденсаторные машины для сварки деталей небольшой и неравной толщины из относительно пластичных металлов.
Одним из видов широко распространенного специального оборудования для точечной сварки являются многоэлектродные машины (МТМ).
Машины рельефной сварки
Машины рельефной сварки отличаются от точечных повышенной электрической мощностью, меньшим полезным вылетом электродов (электродных или контактных плит), большей жесткостью силовых элементов, улучшенными динамическими характеристиками механизма сжатия. Они предназначены для рельефной сварки деталей главным образом из сталей и титановых сплавов с различной формой рельефов. При соответствующей жесткости режимов и достаточном сварочном токе возможна сварка деталей из легких сплавов. Верхняя и нижняя контактные плиты имеют Т-образные пазы для крепления приспособлений и электродов. В некоторых машинах (например, МР-3818) наряду с контактными плитами имеются и электрододержатели с электродами для точечной сварки (некоторые мощные машины точечной сварки снабжены небольшими контактными плитами для рельефной сварки). Все универсальные машины рельефной сварки выполнены стационарными прессового типа с вертикальным ходом верхней головки, пневматическим поршневым приводом сжатия и дополнительного хода.
Наибольшее распространение получили однофазные машины переменного тока типа MP (рис. 5.4). Обращают внимание необычно большие для машин переменного тока значения номинального тока (до 100 кА) и потребляемой мощности (до 820 кВА), а также повышенные усилия сжатия (до 8000 даН). Такие характеристики необходимы для многоточечной рельефной сварки с применением протяженных рельефов.
Машины типа МР-3818 и МР-6918 имеют схожую компоновку. Они обладают сравнительно жестким корпусом классической формы с усиленным нижним кронштейном. Машина МР-6303 является базовой для машин большой мощности (МР-8001, MP-10002) и имеет корпус в виде особо жесткой скобы без проема в передней стенке. В машинах этой серии двухтрансформаторная схема коммутации, уменьшающая индуктивные потери и увеличивающая мощность. Два трансформатора расположены сбоку 
корпуса.
Машины с выпрямлением тока во вторичном контуре типа МРВ существенно расширяют возможности рельефной сварки, увеличивают диапазон толщины деталей и производительность процесса, создают определенные энергетические преимущества. Однако их стоимость выше, чем однофазных, в основном из-за высокой цены кремниевых вентилей.
Машина МРВ-6301 предназначена для рельефной сварки различных втулок, штуцеров, бобышек, крепежных деталей и т. п. к крупногабаритным деталям из разнообразных сплавов. Однако большой вылет и наличие гнезда для крепления электродов в контактной плите позволяют эффективно использовать эту машину и для точечной сварки деталей из легких сплавов, сталей, титановых сплавов.
Машины шовной сварки
Машины для шовной сварки различаются по роду сварочного тока, по характеру установки, по расположению роликов, по способу передачи крутящего момента на сварочные ролики, по способу подвода сварочного тока к свариваемому изделию, по назначению, по виду сварки, по виду сварочного цикла, по характеру движения свариваемых деталей в процессе сварки.
По роду сварочного тока шовные машины подразделяют на:
- машины переменного тока;
- машины постоянного тока с выпрямлением во вторичном контуре;
- низкочастотные машины;
- конденсаторные машины.
По характеру установки шовные машины подразделяют на:
- стационарные машины;
- подвесные машины.
По расположению роликов шовные машины подразделяют на:
- машины для поперечной сварки;
- машины для продольной сварки;
- универсальные машины, в которых предусмотрена возможность переналадки с поперечной сварки на продольную и обратно.
По способу передачи крутящего момента на сварочные ролики шовные машины подразделяют на:
- машины с осевым приводом одного или обоих роликов;
- машины с радиальным приводом обоих роликов с помощью шарошек;
- машины, в которых ролики вращаются за счет трения о движущееся изделие;
- машины, в которых ролики вращаются за счет трения о неподвижное изделие при поступательном перемещении каретки.
По способу подвода сварочного тока к свариваемому изделию шовные машины подразделяют на:
- машины с двусторонним токоподводом;
- машины с односторонним токоподводом.
По назначению шовные машины подразделяют на:
- машины общего назначения;
- специальные.
По виду сварки шовные машины подразделяют на:
- машины для непрерывной сварки;
- машины для прерывистой сварки.
По виду сварочного цикла шовные машины подразделяют на:
- полуавтоматические;
- автоматические.
По характеру движения свариваемых деталей в процессе сварки шовные машины подразделяют на:
- машины с непрерывным движением;
- машины с прерывистым движением.
По компоновке и конструкции большинства узлов шовные машины схожи с точечными. Основным отличием является то, что сварочные электроды у них выполнены в виде вращающихся роликов, в связи с чем машины снабжены приводом вращения и кинематическими узлами, осуществляющими повышение крутящего момента привода с одновременным понижением частоты вращения и передачу его к сварочным роликам. Сварочные ролики устанавливаются в специальных электродных устройствах, с помощью которых осуществляется передача на ролики сварочного тока и сварочного усилия. В ряде машин применяются устройства для зачистки и профилирования сварочных роликов.
Среди шовных машин наибольшее распространение получили однофазные машины переменного тока типа МШ и с выпрямлением тока во вторичном контуре типа МШВ (рис. 5.5). В микросварке используют небольшие конденсаторные машины.
Однофазные машины переменного тока с мощностью до 323 кВА предназначены главным образом для шовной сварки деталей из сталей, титановых сплавов.
Машина МШВ-1201 предназначена для шовной сварки деталей малой и неравной толщины из сталей, титановых сплавов типа сильфонов, мембранных коробок. На нижней консоли могут укрепляться сборочно-сварочные приспособления типа цанг, оправок. Машина МШВ-1601 с жестким корпусом рассчитана на шовную сварку крупногабаритных узлов из сталей, титановых сплавов. На машине МШВ-4002 благодаря значительной силе тока и усилию сжатия можно сваривать и детали из алюминиевых сплавов. Несколько упрощенный пневмопривод обеспечивает лишь циклограмму с постоянным усилием.
Машина МШВ-7501 (МШВ-6301-2) имеет наиболее широкие технические возможности и предназначена для сварки самых разнообразных металлов при больших размерах деталей. Машина МШВ-8001 предназначена главным образом для шовной сварки алюминиевых и магниевых сплавов.
Машина МШВ-12001 наиболее мощная в этой серии и позволяет соединять детали из различных сплавов большой толщины и размеров. Она отличается наибольшей жесткостью сварного корпуса, наивысшими токами и усилиями. Внутри корпуса находятся два сварочных трансформатора, а выпрямительные блоки расположены сбоку, охватывая переднюю стенку с обеих сторон.
Машины стыковой сварки
Устройство стыковых машин, принцип их действия в значительной степени определяются видом сварки, для которого предназначается конкретная стыковая машина. Поэтому в основу классификации контактных стыковых машин положены виды (методы) сварки, реализуемые на них:
- машины для стыковой сварки оплавлением;
- машины для стыковой сварки сопротивлением.
По характеру действия механизмов машины и степени автоматизации можно выделить следующие группы машин:
- машины с автоматизированным процессом сварки;
- машины с применением ручного управления в процессе сварки;
- машины-автоматы.
В последних автоматизированы не только процесс сварки и операции механизмов, но и установка свариваемых деталей в сварочную машину и снятие сваренных деталей; машины-установки (машины-комплексы), в которых выполняется не только сварка, но и другие вспомогательные операции — механическая обработка торцевых поверхностей перед сваркой, срезка грата, гибка заготовок перед сваркой и калибровка после сварки; машины — гибкие производственные модули (ГПМ), предназначенные для работы в составе гибких производственных систем; наряду с полной автоматизацией основных и вспомогательных операций особенностью машин-ГПМ является автоматическая или автоматизированная переналадка режимов работы для сварки группы изделий.
Конфигурация свариваемых деталей в большой степени влияет на конструкцию механизмов специальных машин, на кинематическую схему этих машин и их отдельных механизмов; поэтому специальные стыковые машины классифицируются также по конфигурации деталей, для сварки которых они предназначены.
Основные узлы стыковых машин делятся на следующие группы:
узлы, образующие в совокупности основную силовую механическую часть, воспринимающие усилие осадки;
- механизмы подачи подвижного зажима;
- механизмы для выполнения вспомогательных операций;
- узлы силовой электрической части;
- узлы управления процессом сварки и механизмами машины.
В машинах стыковой сварки (рис. 5.6) на станине 1 установлены неподвижная 4 и подвижная 8 плиты с размещенными на них устройствами 6 и 7 для зажатия свариваемых деталей. Подвижная плита перемещается по направляющим 10 с помощью механизма подачи 9. Вторичный виток сварочного трансформатора 2 через токоподводы 3 и губки 5 зажимных устройств подключен к свариваемым деталям. Машины МСС-1601, МСС-2502 имеют повышенную точность задания усилия осадки, автоматическую компенсацию воздействия электромагнитных сил сварочного контура на движение подвижного зажима и предназначены для сварки сопротивлением проволоки из стали, меди и алюминия с расплавлением металла в стыке.
Машины МСР-25, МСР-50, МСР-75, МСР-100 и машины более поздних выпусков: МС-801-2, МС-1202, МС-1602, МСО-0802 — предназначены преимущественно для сварки непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом, но могут быть использованы также для сварки сопротивлением. Машины МСР-25, МС-804-2 и МСО-0802 наряду с рычажным имеют пружинный механизм подачи, облегчающий выполнение сварки сопротивлением.
Для автоматической сварки оплавлением деталей среднего сечения применяют машины СМ-50, МСМУ-150, МС-1604, МСО-0801, МСО-301, МСО-602 и др.
Машины МСО-0801, МСО-301, МСО-602 имеют быстродействующие пневматические механизмы зажатия, осадки и кулачковый механизм подачи с электродвигательным приводом при оплавлении. В нем применен электродвигатель постоянного тока с регулированием тока в цепи якоря, что позволяет изменять скорость оплавления в широком диапазоне. Машина МСО-0801 производит сварку только непрерывным оплавлением, а МСО-301 и МСО-602 — непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Благодаря программированию суммарной длительности и отдельного цикла подогрева и высокой частоте отдельных циклов (до 3 Гц) обеспечивается повышенная стабильность зоны нагрева.
Для сварки оплавлением с подогревом деталей большого сечения применяют машины МСГА-300, МСГА-500, РСКМ-320У и др. Машины МСГА-300 и МСГА-500 имеют гидравлический с дросселем механизм подачи и пневмогидравлические зажимные механизмы.
Машина РСКМ-320У имеет винтовые механизмы подачи и зажатия с электродвигательным приводом. При подогреве и оплавлении зажим перемещается электродвигателем мощностью 1,7 кВА. Для быстрого перемещения подвижного зажима при осадке используется электродвигатель мощностью 17 кВА. На машине сваривают изделия из низкоуглеродистой стали сечением до 8500 мм2.
Для сварки деталей больших сечений методом непрерывного оплавления применяют машины с программным регулированием напряжения при оплавлении. Эти машины имеют значительно более высокие технические показатели по сравнению с машинами, предназначенными для сварки оплавлением с подогревом.
Для сварки импульсным оплавлением с усилием осадки 160…3000 кН разработана универсальная машина К-617, предназначенная для сварки кольцевых и прямолинейных деталей из низкоуглеродистой стали сечением до 4000 мм2, жаропрочных сплавов сечением до 1200 мм2 и алюминиевых сплавов сечением до 1000 мм2.
Для сварки полос и листов применяют специальные машины МОП-50, МСЛ-200-2, МСЛ-500-2, Л-120, Л-500, 1700А, 2500 и др.
Машина 1700А предназначена для сварки полос и листов из низкоуглеродистой стали толщиной 2…4,5 мм и шириной 500…1550 мм. Машина имеет гидравлический механизм подачи со следящим золотниковым устройством. Для равномерного зажатия полос служат зажимы, имеющие по три гидравлических цилиндра. В машине установлены три сварочных трансформатора мощностью по 500 кВА. Машина снабжена отдельно стоящим гратоснимателем.
Ряд машин предназначен для сварки труб котельных агрегатов. Это машины ЦСТ-200, МС-2001, МСТ-200 и др. Машина ЦСТ-200 предназначена для сварки непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом труб из перлитных и аустенитных сталей сечением до 900 мм2. В машине использован кулачковый механизм подачи при оплавлении и пневматический при осадке. Скорость оплавления регулируется изменением профиля кулачка и частоты вращения двигателя постоянного тока. Машина снабжена пневматическими зажимными механизмами с вертикальным разъемом, обеспечивающим сварку змеевиков с малым радиусом гиба Машину МС-2001 с номинальной мощностью 150 кВА используют для сварки труб из перлитных и аустенитных сталей диаметром 25…42 мм с толщиной стенок 2,5…5 мм. Машина имеет рычажные пневматические зажимные механизмы с разъемом в горизонтальной плоскости и кулачковый механизм подачи.
Для сварки рельсов в стационарных условиях применяют машины МСГР-500 и К190П. Машина МСГР-500 служит для сварки оплавлением с подогревом. Машина имеет гидравлический механизм подачи, пневмогидравлические зажимные механизмы и трехфазный преобразователь частоты (частота тока 7…12 Гц). При номинальной мощности 500 кВА на машине можно сваривать рельсы сечением до 10000 мм2. На универсальной машине К190П рельсы сваривают непрерывным оплавлением с программным регулированием напряжения. Машина К190Пимеет значительно меньшую массу и потребляет в 3…4 раза меньшую мощность.
Передвижные машины К155, К255Л, К355 и К555 применяют для соединения рельсов непосредственно в пути. В машинах К155 и К255Л происходит сварка непрерывным оплавлением со ступенчатым регулированием напряжения по программе. Машины К355 и К555 предназначены для сварки рельсов импульсным оплавлением (частота колебаний 5 Гц). На машине К555 сваривают рельсы сечением до 10000 мм2. Машины оборудованы гидравлическим механизмом подачи со следящим золотником, позволяющим независимо от массы свариваемых рельсовых плетей (10-20 м) с высокой точностью воспроизводить заданный закон изменения скорости оплавления.
Машины К354, К393 и К375, предназначенные для сварки изделий из легких сплавов, имеют гидравлический механизм подачи со следящим золотником, позволяющий изменять скорость оплавления от 0,3 до 30 мм/с и обеспечивающий скорость осадки до 30 мм/с. Машины оборудованы зажимными губками специальной конструкции с термоизолированными вкладышами, а также устройствами для автоматического контроля нагрева сопротивлением вылетов деталей. Машина К354 номинальной мощностью 4000 кВА позволяет сваривать профили из алюминиевых сплавов сечением до 20000 мм2. Усилия осадки и зажатия соответственно равны 3000 и 6000 кН.
Машины МСГК-150, МСГК-500 и другие используют для сварки оплавлением с подогревом кольцевых заготовок из сталей и жаропрочных сплавов. Для сварки кольцевых заготовок импульсным оплавлением предназначены машины Кб 16, К607, К566 и др.
Для сварки труб в полевых условиях при изготовлении магистральных и промысловых трубопроводов применяют трубосварочные контактные установки полустационарные (ТКУС) и передвижные (ТКУП). Главные элементы установок—сварочные головки—имеют гидравлический механизм подачи со следящим золотниковым устройством и гидравлические механизмы центрирования и зажатия труб. Трубы диаметром 114-529 мм сваривают с использованием наружных сварочных головок СГ-1, СГ-2 и СГ-3, в которых механизм центрирования и зажатия, механизм подачи и сварочный трансформатор расположены снаружи труб. В двухагрегатных сварочных головках СГ-4 и СГ-5, предназначенных для сварки труб диаметром 720-1020 мм, сварочный трансформатор с токоподводящим устройством расположен снаружи трубы, а все остальные элементы—внутри трубы.
Для сварки труб диаметром 1420 мм с толщиной стенки 16,5-20 мм используют комплекс «Север-1», содержащий сварочную машину К700. Машина К700 располагается полностью внутри свариваемых труб. Концы свариваемых труб изнутри разжимаются цанговыми зажимами с усилием до 12000 кН. При разжатии одновременно происходит центрирование труб. Контурный сварочный трансформатор встроен в зажим. Кратковременная мощность машины —1000 кВА, усилие осадки—4000 кН, производительность 6-8 стыков в час. Сопротивление короткого замыкания кольцевого трансформатора находится в пределах 5-12 мкОм.
Имеется также ряд машин, предназначенных для сварки других изделий: звеньев цепей, ободьев автомобильных колес, фланцев, заготовок клапанов и т. д.
Корпуса и станины
Корпус машин прессового типа точечной, рельефной, шовной сварки состоит из силовых элементов: стенок корпуса 2, верхнего 1 и нижнего 6 кронштейнов (рис. 5.7, а). Они воспринимают значительный изгибающий момент от усилия сжатия деталей и обеспечивают необходимую жесткость всей машины. Для удобства изготовления, монтажа элементов корпуса, а также возможности регулирования раствора консолей нижний кронштейн обычно соединяют с передней стенкой болтами. В отдельных случаях оба кронштейна и стенки изготовляют в виде единой сварной или литой конструкции (жесткой скобы). Сварочный трансформатор, элементы механизма вращения и другие системы часто располагают в каркасе 3 за корпусом, реже сбоку стенок корпуса. При боковом расположении трансформатора или выпрямительных блоков переднюю стенку корпуса делают без проема, что дополнительно повышает жесткость. Силовую часть и каркас крепят на подставке 4. В некоторых случаях для разгрузки нижней токоведущей консоли и кронштейна устанавливают домкрат 5.
Корпуса (станины) машин стыковой сварки чрезвычайно разнообразны и во многом зависят от конструкции и сечения деталей. Корпус состоит из следующих силовых элементов: стола 1, неподвижного 2 и подвижного 3 зажимов (рис. 5.7, б). Сварочный трансформатор и другая распределительная аппаратура обычно монтируются внутри стола 7. Усилие осадки Fос действует, как правило, в горизонтальном направлении. Для правильного положения деталей до конца сварки силовая часть должна обладать достаточной жесткостью. В противном случае возможны перекосы деталей и дефекты. Жесткость стола существенно увеличивают за счет размещения штанг 4. Для разгрузки неподвижного зажима, если это возможно, применяют жесткие упоры.
Элементы корпусов изготовляют из ферромагнитных сплавов (чугуна, стали), поэтому стремятся расположить элементы как можно дальше от проводников тока. Одну из консолей или зажимов машин электрически изолируют от корпуса гетинаксовыми или текстолитовыми прокладками и втулками.
Сварочный контур
Сварочный контур — это система токоведущих элементов и электрических контактов, обеспечивающих подвод электрического тока от вторичного витка трансформатора к свариваемым деталям.
В машинах точечной сварки контур состоит из консолей, электрододержателей, гибких и жестких шин, электродов, а также ряда других элементов. Размеры и конструкция элементов сварочного контура зависят от типа машины, сварочного тока и усилия сжатия, рабочего пространства, определяемого величиной вылета l и раствора h (см. рис. 5.2).
Чем дальше расположен трансформатор от электродов, тем больше вылет l и тем больше размеры деталей, которые могут быть сварены на данной машине без кантования. Однако увеличение вылета l и раствора h вызывает рост сопротивления вторичного контура и мощности, потребляемой из сети. Поэтому величина l вполне определенна для каждой машины и должна соответствовать стандарту или техническому условию на машины, например, 300, 500, 800, 1200, 1500, 1700 мм.
Верхнюю консоль изготовляют либо в виде короткого цилиндрического стержня, либо в виде жесткой шины с гнездом крепления электрододержателя. В первом случае она воспринимает изгибающий момент от усилия сжатия, во втором — выполняет лишь функцию токоподвода, а изгибающий момент воспринимается ползуном и корпусом машины. Через гибкие и жесткие шины верхняя консоль соединена со сварочным трансформатором.
Нижняя консоль, соединенная гибкими шинами с трансформатором, подводит ток к электрододержателю. В машинах малой мощности она является одновременно и элементом, воспринимающим нагрузку от усилия сжатия. В современных машинах средней и большой мощности ее полностью или частично разгружают нижним кронштейном.
Нижняя цилиндрическая консоль, закрепленная в токоведущем контакте, имеет возможность поворота вокруг оси и перемещения в продольном направлении (примерно на 10% ее длины). Это облегчает регулировку соосности электродов и переналадку машины в зависимости от формы свариваемых узлов. Кроме того, нижнюю консоль вместе с нижним кронштейном можно перемещать вверх – вниз ступенчато (на шаг болтов) или плавно.
Консоли изготовляют из меди, высокоэлектропроводящих бронз цилиндрической или плоской формы обычно с внутренним водяным охлаждением. Консоли небольших машин, особенно для микросварки, имеют естественное (воздушное) охлаждение.
Жесткость силовых элементов (консолей, кронштейнов, стенок корпуса) в машинах точечной, рельефной и шовной сварки оценивают упругим вертикальным смещением электродов при номинальном усилии сжатия. При l = 500 мм смещение не должно превышать 1 мм, при l = 500…1200 — 1,5 мм, при l = 1200 — 2 мм. Домкрат уменьшает смещение, но ограничивает минимальные размеры свариваемых узлов (например, длину и диаметр обечаек).
Электрододержатели служат для крепления электродов, одновременно являясь силовыми и токоведущими элементами. Их изготовляют из медных сплавов с высокой электропроводимостью.
В машинах рельефной сварки электрододержатели и электроды заменяют токоподводящими плитами (столами) с Т - образными пазами. При групповой многоточечной сварке на них укрепляются электродные плиты с электродными вставками или целые сборочно-сварочные устройства для совмещения, фиксирования, закрепления деталей. В связи с резким увеличением усилия-сжатия применяют мощные и короткие кронштейны. Высокая жесткость всех конструктивных элементов машины позволяет сохранить в определенных допусках параллельность рабочих поверхностей контактных плит и электродов, обеспечить высокое качество соединений. Сохранить параллельность вне зависимости от деформации консолей можно перемещением верхней электродной плиты в общих с нижней плитой направляющих, колоннах. Однако в этих случаях необходима электрическая изоляция одной из плит относительно общих направляющих.
При неравенстве высоты рельефов, напротив, строгая параллельность контактных поверхностей вызывает неравномерное распределение тока и усилия. В этом случае более эффективна самоустановка одной из электродных плит путем ее шарнирного соединения с токоподводящей плитой.
В машинах шовной сварки вместо электрододержателей и электродов применяют роликовые головки (электродные устройства). Наиболее ответственным элементом роликовых головок является подвижный (скользящий) электрический контакт. Часто электрический контакт нагружают также и сжимающим усилием. В этом случае может значительно меняться его электропроводимость и уменьшаться стабильность соединений при эксплуатации. Такое положение имеет место в машинах малой и средней мощности. Однако это упрощает конструкцию головок. В машинах большой мощности и со значительными сварочными усилиями контакт разгружают, но головка усложняется.
В выпускаемых в настоящее время машинах применяется в основном два вида электродных устройств:
- устройства со скользящим контактом по типу «вал—втулка» (МШ-2201, МШ2202, МШ-3401, МШВ-4002, МШВ-7501, МШВ-8001, МШЛ-150);
- устройства со скользящим контактом, разгруженным от передачи сварочного усилия (МШ-3207, МШ3208, МШ3404, МШМ1, МШВ-1601, МШК-2002, МШВ-1202, МШВ-6303, МШН-7501, МШН-8501).
В машинах стыковой сварки (рис. 5.8) система токоподвода отличается от рассмотренных. Она состоит из контактных плит или подвижной и неподвижной колодок 3, укрепленных в стальных плитах 5. Гибкими шинами 2 к колодкам подводится ток от сварочного трансформатора 1. На колодках монтируются электроды — губки 4.
Применение сварочных трансформаторов специальной конструкции, у которых форма магнитопровода максимально приближена к контуру деталей, сокращает размеры сварочного контура и сопротивление короткого замыкания. Например, в машинах для сварки труб использован кольцевой трансформатор, в котором магнитопровод представляет собой кольцо, набранное из электротехнической стали. На магнитопроводе равномерно распределена первичная обмотка, а вторичный виток, выполненный в виде пустотелого кольца коробчатой формы, присоединен с помощью гибких шин непосредственно к губкам. Вторичный виток выполняет также функции защитного кожуха. Сопротивление короткого замыкания машины с кольцевым трансформатором для сварки труб диаметром 720 мм (площадь поперечного сечения свыше 20000 мм2) находится в пределах 8…12 мкОм.
Гибкие шины применяют для возможности перемещения подвижных сварочных головок и нижней консоли машин точечной, рельефной и шовной сварки, а также подвижной плиты при стыко вой сварке. Такие шины изготовляют из прямоугольных свободно изогнутых листов медной фольги наборными или витыми и скрепляют болтами с другими жесткими токоподводящими элементами. В машинах микросварки иногда применяют гибкие провода го множества тонких проволок, впаянных в медные наконечники.
Гибкий кабель подвесных машин с отдельным трансформатором должен быть достаточно легким, гибким, длинным. Его изготовляют либо в виде двух отдельных проводов, либо в виде так называемого бифилярного кабеля, в котором параллельные изолированные проводники составляют прямую и обратную связь между клещами и трансформатором. В промежутках между проводниками циркулирует охлаждающая вода, что позволяет резко повысить плотность тока (до 100 А/мм2). Бифилярный кабель обладает малой индуктивностью, уравновешенностью электродинамических сил и значительно меньшими толчками при включении тока, чем в случае двух отдельных проводов.
Жесткие шины изготовляют из медного проката в виде плит, полос, уголков с внутренним водяным охлаждением. Они обычно не несут силовых нагрузок и используются как промежуточный элемент между клеммами сварочного трансформатора и гибкими шинами (в машинах точечной, рельефной, шовной сварки) или неподвижной плитой (в машинах стыковой сварки).
Контакты — участки крепления токоведущих элементов сварочного контура. Контакты разделяются на:
- постоянные — неподвижные (в основном болтовые соединения);
- переменные — неподвижные (часто сменяемые соединения электрода с электрододержателем, последнего с консолью и др.);
- подвижные (вращающиеся контакты в подшипнике роликовых головок шовных машин).
Величина электрического сопротивления контактов в значительной мере меняется (особенно в переменных подвижных). Поэтому стремятся сохранить исходное качество контактов и снизить величину сопротивления за счет периодического подтягивания болтов, серебрения контактирующих поверхностей, применения электропроводящего смазочного материала и др.
Электроды
Электроды и ролики осуществляют непосредственный контакт машины со свариваемыми деталями. Электроды в процессе точечной и шовной сварки выполняют следующие основные функции:
- сжимают детали;
- подводят ток;
- отводят теплоту, выделяющуюся в деталях при сварке;
- перемещают детали (при шовной сварке).
Форма и размеры рабочей поверхности, контактирующей с деталями, и вся конструкция электродов в целом значительно влияют на качество сварных соединений и производительность процесса.
При точечной и шовной сварке электроды нагреваются до высоких температур за счет теплоты, выделяющейся непосредственно в них при протекании тока, и за счет передачи теплоты от свариваемых деталей. В контакте электрод - деталь на рабочей поверхности электродов могут развиваться температуры при точечной сварке сталей до 750 °С, а при сварке легких сплавов до 400 °С. При шовной сварке эти температуры еще выше, а удельные давления могут достигать 400 МПа (при сварке жаропрочных сплавов и проковке легких сплавов).
Характерной особенностью условий работы электродов является циклический характер действия температур и давлений. При точечной сварке на относительно жестких режимах с малой производительностью (25…30 точек в минуту) за время паузы электрод обычно охлаждается до исходной температуры. При сварке с большой производительностью (100… 150 точек в минуту), а также при использовании мягких режимов температура на рабочей поверхности электродов за время пауз лишь снижается до некоторого значения. Максимальные рабочие температуры в электродах значительно превосходят температуру рекристаллизации сплавов, применяемых для изготовления электродов, а иногда при сварке некоторых металлов (молибден, тантал) достигают температуры плавления. Циклические нагревы и охлаждения электродов при протекании тока усугубляются их водяным охлаждением (внутренним или наружным), что вызывает образование дополнительных термических напряжений.
Напряжения, возникающие под действием усилия сжатия, могут значительно превышать предел текучести металла электродов. Металл рабочей части роликов кроме напряжений сжатия испытывает напряжения сдвига, возникающие при передвижении свариваемых деталей. К металлу губок стыковых машин предъявляются требования высокой твердости, прочности, износостойкости.
Под действием усилия и высокой температуры в металле рабочей части электродов возникает неравномерная пластическая деформация, которая приводит к его неравномерному разупрочнению. Металл рабочей части подвержен сложному воздействию ползучести, термической «усталости» и динамических нагрузок.
Чем меньше теплопроводность металла электрода, тем больше перепад температуры и неравномернее распределение напряжений по сечению электродов и тем вероятнее образование трещин на рабочей поверхности. Установлено, что сопротивление образованию трещин выше у более пластичных металлов, несмотря на их пониженные прочностные характеристики.
Следует отметить, что трещины в электродах, как правило, образуются после увеличения диаметра, контактной поверхности электрода при сварке более чем на 20 %, т.е. после сварки 1,5…2 тыс. точек, и поэтому при правильной эксплуатации электродов (своевременной переточке) не отражаются на их стойкости.
Измерение твердости металла рабочей поверхности электродов после сварки большого числа точек показывает, что в центральной ее части разупрочнение проявляется в большей степени, чем в периферийной зоне, а также возможно повышение твердости металла за счет наклепа при пластической деформации. Разупрочнение металла рабочей части электрода распространяется на глубину 1,5… 2,5 мм и имеет место даже после переточки электрода.
Специфической особенностью работы электродов и роликов при сварке легких сплавов является налипание свариваемого металла на рабочую поверхность электродов и потемнение поверхности деталей в результате интенсивного перехода металла электрода на деталь. Как правило, при точечной и шовной сварке алюминиевых и магниевых сплавов взаимное загрязнение поверхностей электродов и свариваемых деталей происходит раньше, чем увеличение исходных (начальных) размеров рабочей поверхности электродов и роликов. Указанные эксплуатационные условия работы электродов служат основой требований к электродным сплавам.
Одним из основных требований, предъявляемых к электродным сплавам, является их высокая прочность при повышенных температурах. Через электроды контактных машин протекают большие токи. Например, при точечной сварке алюминиевых сплавов плотность тока в средней части электродов может достигать 250… 300 А/мм2. Поэтому от металла, используемого для электродов и роликов, требуется также высокая электропроводность (особенно при сварке легких сплавов). При сварке некоторых легких сплавов с низкой коррозионной стойкостью (магниевые сплавы) следы меди на поверхности точек и роликовых швов не допускаются. В таких случаях металл электродов должен обладать низкой способностью к диффузии и схватыванию с металлом свариваемых деталей.
Стойкость электродов и роликов, под которой понимается способность сохранять размеры и форму рабочей поверхности, а при сварке легких сплавов, кроме того, противостоять взаимному переносу металла электродов и свариваемых деталей (загрязнению рабочей поверхности), зависит от режима и темпа сварки, свойств металла и толщины деталей, от конструкции и условий охлаждения электродов. Для изготовления электродов, роликов и губок используются специальные медные сплавы. При выборе сплавов для электродов необходимо учитывать, что их электропроводность должна повышаться с увеличением электропроводности свариваемых металлов. Применение чистой меди Ml для электродов, роликов и губок не рекомендуется из-за низкой стойкости. Поэтому используют сплавы на основе меди, содержащие легирующие элементы Cd, Cr, Co, Ni, Ti, Be, Zr. С увеличением содержания легирующих элементов уменьшается электро- и теплопроводность меди. При сварке конкретных материалов применяют ту или иную марку электродов. В отдельных случаях рабочая часть электродов изготовляется из вольфрама и молибдена (в виде вставок и наконечников).
Конструкция электродов определяется способом сварки, типом соединения, толщиной и маркой свариваемых деталей, параметрами режима, условием охлаждения.
Электроды и ролики состоят из следующих частей: рабочей части, части, обеспечивающей соединение с машиной, и средней (основной) части. Каждая часть электродов в процессе работы выполняет определенные функции.
Рабочая часть обеспечивает непосредственный контакт (электрический и механический) электрода со свариваемыми деталями и имеет рабочую поверхность 1 (рис.5.9), форма и размеры которой являются важной технологической характеристикой электрода (ролика) и параметром режима сварки. В настоящее время наиболее распространены две формы рабочей поверхности: плоская (цилиндрическая у роликов) и сферическая. Плоская рабочая поверхность у электродов определяется диаметром d эл, цилиндрическая у роликов — шириной f, сферическая — радиусом R.
Средняя часть электродов соединяет рабочую и посадочную части и определяется диаметром D (у роликов толщиной S). ОСТ 16.0.801.407-87 на прямые электроды устанавливает следующие значения D: 12, 16, 20, 25, 32 и 40 мм. В зависимости от максимального усилия электродов машины F эл диаметр средней части в миллиметрах может быть определен из соотношения
, (5.2)
где F эл — в деканьютонах.
Средняя часть обычно используется для закрепления соответствующих инструментов, применяемых при съеме электродов. Площадь контакта ролик – деталь зависит кроме f и R, от диаметра ролика, поэтому значение D р (или радиус ролика Rp) также является характеристикой рабочей поверхности.
Части электродов и роликов, обеспечивающие их соединение с элементами вторичного контура машины, должны удовлетворять требованиям надежной передачи сварочного тока и усилия сжатия. У электродов для точечной сварки эти функции выполняет в подавляющем большинстве случаев конусная посадочная часть 3 (рис.5.9, а), хотя не исключаются и другие виды соединений (на резьбе, по цилиндрической поверхности и т. п.). У роликов указанные функции выполняют их различные части: основной электрический контакт с машиной обеспечивается поверхностью 3 (рис.5.9, б), а передачу усилия сжатия выполняет внутренняя поверхность 4. Для получения хорошего электрического контакта (низкое сопротивление), а в электродах также герметичного соединения соединительные поверхности должны быть хорошо обработаны (не ниже Rz 1,25) и не иметь механических повреждений, следов оксидов и других загрязнений.
Так как конечная посадочная часть электродов является продолжением средней (основной) части, то для обозначения размера конусов удобно применять диаметры D прямых электродов. По ОСТ 16.0.801.407-87 для диаметров конусов 12, 16, 20, 25 мм принята конусность 1:10, а для диаметров 32 и 40 мм с целью удобства съема электродов— 1:5. Указанные размеры конусов следует применять и при изготовлении непрямых (фигурных) электродов, так как посадочные отверстия электрододержателей сварочных машин имеют аналогичные размеры.
Внутренняя часть большинства электродов для точечной сварки имеет канал 4 (рис.5.9, а) для подачи охлаждающей воды. Внутри охлаждающего канала находится трубка, по которой поступает вода. Диаметр охлаждающего канала d э определяется необходимым для охлаждения расходом воды (при заданном давлении в сети) и достаточной прочностью электрода. В зависимости от диаметра электрода d э = (0,5...0,6) D. Расстояние h от рабочей поверхности до дна охлаждающего канала значительно влияет на эксплуатационные характеристики электродов (стойкость, число точек до полного износа). По опытным данным следует принимать
h = (0,75...0,8) D).
 |
В зависимости от конфигурации средней части электроды для точечной сварки подразделяются на прямые (рис. 5.10, а) и фигурные (рис.
5.10, б). Прямые электроды выполняются с симметричным расположением рабочей поверхности и со смещенной или скошенной рабочей поверхностью в соответствии с ОСТ 16.0.801.407-87.
К фигурным относятся электроды, у которых ось, проходящая через центр рабочей поверхности, значительно смещена относительно оси посадочной части. Наибольшее распространение имеют прямые электроды, которые используются при сварке деталей, имеющих свободные подходы для электродов. Фигурные электроды используются для сварки сложных деталей с затрудненным подходом для электродов.
Конструкция роликов для шовной сварки зависит от размеров и формы свариваемых узлов, способа крепления роликов на машине, а также от способа охлаждения. Наибольшее распространение имеют ролики с плоской и сферической рабочей поверхностью (рис.5.10, в).
При рельефной сварке применяются электроды с плоской рабочей поверхностью (рис.5.10, г). Часто в одном или в обоих электродах предусматриваются отверстия для размещения выступающих частей свариваемых деталей. Если свариваемая деталь, контактирующая с одним электродом, располагается в отверстии другого электрода, то для предотвращения шунтирования тока это отверстие изолируется от детали (например, текстолитовой втулкой). Электроды при рельефной сварке имеют большую рабочую поверхность, чем при точечной сварке, поэтому сплавы, используемые для электродов, могут иметь пониженную электротеплопроводность.
Губки стыковых машин не оказывают непосредственного влияния на формирование сварных соединений, подводят ток к деталям и удерживают их от проскальзывания при осадке. Губки, не подводящие ток, часто изготовляются из стали, иногда на них делается насечка для увеличения трения. Рабочая поверхность губок должна соответствовать форме деталей (рис.5.10, д). Для сварки прутков и толстостенных труб применяются призматические губки, а для сварки труб с толщиной стенки не более 0,15 наружного диаметра — только губки с цилиндрической рабочей поверхностью. Длина губок должна быть не менее 2,S диаметра (толщины) свариваемых деталей.
При сварке большинства металлов можно использовать электроды и ролики с плоской (цилиндрической) или сферической рабочей поверхностью. Электроды (ролики) со сферической поверхностью имеют большую стойкость и менее чувствительны к перекосам при установке, чем электроды с плоской поверхностью. Поэтому со сферической поверхностью рекомендуется изготовлять электроды, используемые в машинах радиального типа и клещах, а также фигурные электроды, работающие с большими прогибами. При сварке легких сплавов применяются электроды и ролики только со сферической рабочей поверхностью, так как использование электродов и роликов с плоской поверхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверхности точек и швов и повышенным зазорам между деталями после сварки.
Размеры рабочей поверхности электродов и роликов для сварных соединений группы А (ГОСТ 15878-79) выбираются в зависимости от толщины и марки свариваемых металлов.
Важнейшим вопросом эксплуатации является поддержание необходимых формы и размеров рабочей поверхности. Следует различать зачистку и переточку—восстановление изношенной рабочей поверхности. Зачистка электродов обычно производится непосредственно в сварочной машине. Для переточки электроды снимаются со сварочной машины, и выполняется обработка поверхности на токарном или специальном станке.
Зачистка заключается в снятии с рабочей поверхности весьма малого слоя окисленного и загрязненного металла (толщиной 0,03…0,05 мм). Зачистка электродов с плоской рабочей поверхностью выполняется личным напильником и абразивным полотном. При этом необходимо сохранить параллельность поверхностей обоих электродов. Электроды со сферической поверхностью зачищаются при помощи резиновой пластины толщиной 15…20 мм, обернутой абразивным полотном.
Необходимость зачистки устанавливается сварщиком визуально по степени загрязнения поверхностей электродов и свариваемых деталей. При сварке коррозионностойких металлов (нержавеющие, жаропрочные стали и сплавы, титан) без зачистки может быть выполнено очень большое число точек (до 5 тыс.). Сварка же алюминиевых и магниевых сплавов характеризуется быстрым загрязнением электродов (от 10…15 до нескольких сотен точек). При роликовой сварке алюминиевых и магниевых сплавов зачистка производится через 1…3 оборота роликов. Очень интенсивно загрязняются электроды и ролики при сварке металлов с покрытиями (лужение, цинкование), а также при наличии на поверхности деталей ржавчины, окалины, масла и других загрязнений.
При эксплуатации электродов и роликов особое внимание должно быть обращено на обеспечение хорошего электрического контакта посадочной поверхности с электрододержателями и осями роликов. Износ или неправильные размеры мест посадки вызывают нагрев из-за повышения сопротивления контактов, течи воды из-за отсутствия герметичности конечного соединения и затрудняют съем электродов. Посадочные (контактные) поверхности тщательно зачищаются и плотно подгоняются. Не допускается применение каких-либо прокладок в местах посадки. Конусные посадочные поверхности электродов и электрододержателей необходимо периодически (не реже одного раза в месяц) контролировать специальными калибрами.
Сварочные трансформаторы
Сварочный трансформатор встраивают в машину как элемент ее конструкции. Первичную обмотку трансформатора включают к источнику энергии, а к колодкам вторичного витка крепятся элементы вторичного контура, электрическое сопротивление которого обычно значительно больше полного сопротивления короткого замыкания трансформатора. Поэтому многие энергетические параметры всей машины определяются не столько параметрами трансформатора, сколько размерами вторичного контура и конструкцией включающих трансформатор в сеть устройств (контакторов, выпрямителей). Несмотря на это, непрерывно совершенствуют методы расчета и технологию изготовления сварочных трансформаторов, чтобы они имели высокие энергетические и экономические показатели.
Отличительная особенность сварочного трансформатора для машин контактной сварки — наличие одного (реже двух) вторичного витка, что достаточно для получения вторичной ЭДС Е2 = 1…12 В (до 25 В при двух витках), обеспечивающей необходимые сварочные токи (обычно 2…80 кА, иногда до 300 кА) при относительно небольшом сопротивлении машины Х2 k (от десятков до сотен микроом).
Сварочный трансформатор состоит из трех основных узлов: магнитопровода, первичной и вторичной обмоток. Применяют магнитопроводы трех типов: стержневые, броневые и кольцевые. Магнитопровод стержневого типа прост в изготовлении, однако из-за больших потоков рассеяния и трудностей механического крепления обмоток они выходят из употребления. Наибольшее распространение получили броневые магнитопроводы, обеспечивающие некоторую экономию стали, уменьшение потоков рассеяния и, главное, обеспечивающие более надежное закрепление обмоток относительно магнитопровода.
Первичные обмотки выполняют двух типов: цилиндрические и дисковые. Цилиндрическую обмотку, состоящую из одной или двух катушек, расположенных на стержнях магнитопровода, применяют обычно в трансформаторах стержневого типа малых мощностей (до 25 кВА включительно) с небольшим числом ступеней, а следовательно, выводов. Катушку наматывают из изолированного обмоточного провода, имеющего круглое или прямоугольное сечение, в несколько рядов по высоте и несколько слоев по ширине.
Дисковая обмотка разделана на несколько (4… 16) последовательно или последовательно-параллельно соединенных дисковых катушек, чередующихся с элементами вторичного витка, чем достигается их малое расстояние между собой и магнитопроводом. Это уменьшает потоки рассеяния трансформатора. Улучшается охлаждение первичной обмотки за счет теплоотвода в диски вторичного витка, обычно охлаждаемых водой. Наконец, при дисковой обмотке облегчается ремонт, так как при повреждении отдельной катушки ее заменяют без общей перемотки трансформатора.
Выбор конструкции вторичного витка определяется типом магнитопровода и первичной обмотки, а также условиями охлаждения (воздушное или водяное). При цилиндрической первичной обмотке вторичный виток делают гибким, набранным из фольги толщиной 0,2… 0,4 мм; концы его часто соединяют непосредственно с подвижными элементами вторичного контура машины. По ряду причин, изложенных выше, применение цилиндрических обмоток в трансформаторах машин контактной сварки ограничено.
В современных трансформаторах с дисковой первичной обмоткой вторичный виток изготовляют из двух и более плоских дисковых элементов, соединенных параллельно. Эти элементы штампуют из листовой меди. По периметру к ним припаивают трубки водяного охлаждения, а по концам — колодки для крепления шин вторичного контура.
В магнитопроводе и обмотках включенного трансформатора возникают большие электромеханические силы. Поэтом магнитопровод стягивают болтами при помощи жестких рамок, а обмотки надежно расклинивают текстолитовыми пластинами и сжимают стяжными шпильками, изолированными бакелитовой бумагой. В собранном трансформаторе первичные катушки изолируют от вторичных дисков прокладками гетинакса или слюдинита, а от магнитопровода — электрокартоном, слюдой или ее заменителями. В последних конструкциях трансформаторов готовый блок обмоток заливают эпоксидным компаундом.
Контакторы
Устанавливаемый в первичной обмотке сварочного трансформатора контактор служит для включения и выключения первичного тока трансформатора. В зависимости от назначения машины и требуемой надежности получаемых сварных соединений применяют электромагнитные или вентильные (преимущественно тиристорные) контакторы.
Электромагнитный контактор (рис.3.18, а) представляет собой электромагнит, к которому притягивается якорь с укрепленными на нем подвижными контактами 1 в момент подачи тока в катушку 2 от блока управления током БУТ. При этом замыкается электрическая цепь машины и подается напряжение к первичной обмотке трансформатора СТр. При отключении катушки 2 якорь с подвижными контактами 1 быстро возвращается в исходное положение пружинами.
Электромагнитные контакторы на большую разрывную мощность имеют значительные размеры, малый срок службы из-за образования дуги при выключении и низкое число включений в минуту (5…8). Кроме того, обладая большим и недостаточно стабильным временем отпускания, они не способны пропускать строго дозированные порции энергии, что приводит к нестабильности качества соединений, особенно при сварке на жестких режимах. Поэтому в настоящее время электромагнитные контакторы обычно используют в машинах стыковой сварки, трубных станах и шовных машинах малой мощности.
При использовании электромагнитного контактора включение сварочного трансформатора в сеть происходит в любой момент времени по отношению к фазе питающего напряжения, т. е. асинхронно.
В подавляющем большинстве современных машин контактной сварки подключение сварочного трансформатора к электрической сети производится синхронно, т. е. в определенный момент по отношению к фазе питающего напряжения, с помощью тиристорных контакторов. Только в машинах большой мощности (коммутируемые токи более 1500 А) применяют игнитронные контакторы; при этом в цепях поджигания игнитронов устанавливают тиристоры без принудительного охлаждения.
Игнитронный контактор основан на игнитронах, представляющих собой трехэлектродный управляемый ионный прибор с ртутным катодом. Игнитроны малочувствительны к перегрузкам, однако длительность их работы обычно ограничивается стойкостью поджигателя (третий электрод, включающий вентиль) и составляет 1000 часов и более. Игнитронные контакторы имеют большие габариты и устанавливаются только в вертикальном положении, для них характерно ненадежное поджигание и низкий КПД.
Основа тиристорного контактора — тиристор — характеризуется долговечностью (до 12000 ч), малыми размерами, высоким КПД (падение напряжения на тиристоре 3…4 В) и высокой надежностью в эксплуатации, его можно устанавливать в различных пространственных положениях. Тиристор чувствителен к перенапряжению и требует применения соответствующей защиты.
Тиристорный контактор (рис. 5.17) состоит из двух тиристоров Т1 и Т2, включенных встречно-параллельно. Анод каждого вентиля соединен с катодом другого вентиля, и вся эта группа включена последовательно с первичной обмоткой трансформатора СТр. Если полярность полуволны переменного напряжения такова, что напряжение линии А положительно относительно линии В, то проводить ток будет (при наличии управляющего сигнала) вентиль Т1. При обратной полярности проводящим окажется вентиль Т2.
Промышленность выпускает тиристорные контакторы (работающие при напряжении сети 220 и 380 В) типа КТ-1, КТ-03, КТ-04, КТ-07, КТ-1! и КТ-12, отличающиеся по величине номинального тока (при ПВ 20 % и времени непрерывной работы не более 0,5 с) соответственно 250, 850, 1400, 480, 1000 и 1750 А. Контакторы имеют водяное охлаждение, за исключением КТ-07, и контрольное устройство (биметаллическое термореле), ограничивающее повышение температуры выше 60 °С, а также варисторы для защиты от возможных перенапряжений. Примерный расход охлаждающей воды составляет около 2 л/мин. Напряжение импульса управления колеблется в пределах 15…30 В, а ток управления 0,4…2 А. Характер включения контакторов (асинхронное или синхронное) зависит от устройства системы управления БУТ.
Регуляторы цикла сварки
Регулятор цикла сварки предназначен для управления процессом сварки через функциональную аппаратуру машины: контактором, электропневмоклапанами, реле привода вращения роликов (непрерывное или шаговое вращение) или перемещения плиты и др. В зависимости от технологических требований (выбранных циклограмм работы машины) применяют однопрограммные и многопрограммные регуляторы времени. Число позиции регуляторов обычно 3… 8. Регуляторы работают с использованием аналогового или дискретно-цифрового принципа.
В однопрограммных регуляторах число позиций и порядок их выполнения (последовательность действия механизмов) всегда остаются без изменения. Регуляторы обеспечивают независимость регулировки длительности выдержек отдельных позиций.
В многопрограммных регуляторах можно (при соответствующей настройке) проводить сварочные циклы с различными вариантами изменения усилия на электродах или формы сварочного тока. Порядок следования интервалов и их число могут изменяться в зависимости от выбора программы. Отдельные позиции могут исключаться. Обычно в таком регуляторе имеется несколько параллельных ветвей управления, запускаемых от одной команды.
Принцип построения регуляторов зависит от циклограммы сварки. Любой регулятор состоит из п ячеек, соответствующих числу позиций, каждая из которых регулирует длительность одной операции и в конце ее вырабатывает сигнал на включение следующей операции. Высокая производительность машин контактной сварки требует передачи команд от ячейки к ячейке посредством бесконтактных элементов. Исполнительную — функциональную аппаратуру в большинстве машин контактной сварки также выполняют на бесконтактных элементах.
Список рекомендуемой литературы
1. Гельман А.С. Основы сварки давлением. — М.: Машиностроение, 1970. — 312 с.
2. Глебов Л.В., Пескарев Н.А., Файгенбаум Д. С. Расчет и конструирование машин контактной сварки. —Л.: Энергоиз-дат, 1981. — 424 с.
3.Глебов Л.В., Филлипов Ю.И, Чулошников П.Л. Устройство и эксплуатация контактных машин. — Л.: Энергоатомиз-дат, 1987. — 312 с.
4. ГОСТ 15878 «Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры».
5. ГОСТ 297 «Машины контактные. Общие технические условия».
6. Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки сталей. — М.: Машиностроение, 1978. — 248 с.
7. Кабанов Н.С. Слепак С.Ш. Технологая стыковой контактной сварки. — М.: Машиностроение, 1970. — 264с.
8. Кисельников В.Б. Пневматические приводы и аппаратура электросварочного оборудования. — Л.: Машиностроение, 1978. — 200 с.
9. Козловский С.Н. Основы теории и технологии контактной точечной сварки: моногр/С.Н Козловский; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. —Красноярск, 2006. — 260 с.
10. Кочергин К.А. Сварка давлением. — Л.: Машиностроение, 1972. — 216 с.
11. Недорезов В.Е. Электросварочные машины.—Л.:Машиностроение, 1977. — 312 с.
12. Орлов Б.Д. Технология и оборудование контактной сварки / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев и др.; Под ред. Б.Д. Орлова. — М.: Машиностроение, 1986. — 352 с.
13. Рыськова, З.А. Трансформаторы для электрической контактной сварки / З.А. Рыськова, П.Д. Федоров, В.И. Жимерева. — 3-е изд., пере-раб. и доп. — Л.: Энергоатомиздат, 1990. — 424 с: ил.
14. Чуларис А.А. Технология сварки давлением / А.А. Чуларис, Д.В. Рогозин. — Ростов н/Д: Деникс, 2006. — 221 с.
15. Чуларис А.А. Расчет и проектирование оборудования для контактной сварки / А.А. Чуларис, А.И. Попов, Н.Г.Чередниченко, Д.В.Рогозин: Учеб. пособие. — Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2003. — 162 с.
16. Чулошников П.Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов. — М.: Машиностроение, 1974. — 232 с.
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ .......................................................…….........................
Основные способы контактной сварки …………………………...
Образование соединений при точечной, рельефной и шовной сварке ………………………………………………………………….
Технологический процесс изготовления сварных конструкций
Контроль при контактной сварке …………………………………..
Машины контактной сварки ……………………………………….
ВВЕДЕНИЕ
Контактная сварка как один из способов получения неразъемных соединений известна с конца прошлого века. В 1887 г. выдающийся русский инженер-изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал точечную сварку. Несколько позже Томсон (США) изобрел стыковую сварку сопротивлением. Стыковая сварка оплавлением была предложена в 1903 г. Широкое использование контактной сварки в нашей стране началось в 30-х годах после создания индустриальной базы.
Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, изделий машиностроения и космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. По имеющимся данным, в настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди механизированных и автоматизированных способов сварки контактная сварка занимает первое место.
Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и титана и др.
Точечная сварка — наиболее распространенный способ, на долю которого приходится около 80 % всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, строительстве, радиоэлектронике и т. д. Например, в конструкциях современных лайнеров насчитывается несколько миллионов сварных точек, легковых автомобилей — до 5000 точек. Диапазон свариваемых толщин — от нескольких микрометров до 10…30 мм. Точечной сваркой соединяются элементы жесткостей и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками и панелями.
Стыковую сварку сопротивлением используют весьма ограниченно, так как не удается обеспечить равномерный нагрев стыка и получить соединение по всей поверхности контакта из-за трудностей удаления оксидных пленок. Этот способ применяют в основном при соединении проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.
Стыковую сварку оплавлением успешно используют при соединении трубопроводов, железнодорожных рельсов (бесстыковые пути) в стационарных и полевых условиях, длинномерных заготовок, ободьев автомобильных колес из различных конструкционных сталей и сплавов, латуни и цветных металлов и др. Стыковая сварка оплавлением обеспечивает экономию легированной стали при производстве режущего инструмента. Например, рабочая часть сверла из инструментальной стали сваривается с хвостовой частью из обычной стали.
Доля стыковой сварки, преимущественно сварки оплавлением, составляет около 10 % общего объема применения контактной сварки.
Шовная сварка по объему применения занимает третье место (около 7 %) и используется при изготовлении различных герметичных емкостей, например, топливных баков автомобилей и летательных аппаратов, баков стиральных машин и шкафов холодильников, плоских отопительных радиаторов и т. п. Кроме того, шовная сварка обеспечивает получение прочноплотных швов при производстве чувствительных элементов в приборостроении. Скорость сварки швов может достигать на отдельных установках 10 м/мин, а плотность соединений обеспечивает высокую надежность работы сварных конструкций в условиях очень низкого вакуума или весьма больших давлений рабочей среды.
Рельефная сварка — наименее распространенный способ контактной сварки (объем применения около 3 %), используется для крепления кронштейнов к листовым деталям, например, скобы к капоту автомобиля, петли для навески дверей к кабине и т. д., для соединения крепежных деталей — болтов, гаек и шпилек, крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и др. Рельефная сварка по непрерывным рельефам также дает возможность получать герметичные соединения, в частности, крышки с основанием полупроводниковых элементов или интегральных схем.
В настоящее время контактная сварка — один из ведущих способов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью. Благодаря совершенствованию технологического процесса и модернизации оборудования области ее использования непрерывно расширяются.
Основные способы контактной сварки
Контактная сварка — это процесс образования неразъемных соединений деталей из конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.
Соединение свариваемых деталей при контактной сварке (как и при других способах сварки) происходит путем образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активации соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энергия, подводимая извне.
Известные способы контактной сварки классифицируют по ряду признаков:
1) по состоянию металла в зоне сварки при формировании соединения — с расплавлением металла и без расплавления;
2) по конструкции соединения: (нахлесточное или стыковое);
3) по технологическому способу получения соединений:
- точечная;
- рельефная;
- шовная;
- стыковая;
4) точечная сварка в свою очередь подразделяется:
- по способу подвода тока — одно- и двусторонняя;
- по роду сварочного тока и форме импульса тока (переменный - промышленной, повышенной и пониженной частоты, постоянный, униполярный — ток одной полярности с переменной силой в течение импульса);
- по числу одновременно выполняемых соединений — одноточечная, многоточечная и т. д.;
- по наличию дополнительных связующих компонентов (клея, грунта, припоя и др.);
5) шовная сварка в свою очередь подразделяется по характеру перемещения роликов при шовной сварке:
непрерывная (с постоянным вращением роликов);
шаговая (с остановкой роликов на время сварки);
6) стыковая сварка в свою очередь подразделяется по характеру нагрева:
- стыковая сварка сопротивлением;
- стыковая сварка оплавлением;
7) стыковая сварка оплавлением в свою очередь подразделяется по технологии процесса оплавления:
- стыковая сварка непрерывным оплавлением;
- стыковая сварка прерывистым оплавлением.
Контактная точечная сварка
Дата: 2019-02-02, просмотров: 707.
