 |
Физические основы электрической контактной сварки и
|
|
|
|
Ее разновидности
Электрическая контактная сварка представляет собой технологический процесс образования неразъемных соединений в результате нагрева металлических деталей протекающим по ним электрическим током, расплавления и сжатия их с последующим охлаждением зоны сварки за счет теплопроводности в тело свариваемых деталей и электродов.
Контактная сварка объединяет большую группу методов сварки, отличительной особенностью которых является надежность получаемых соединений, высокий уровень автоматизации и механизации процесса сварки, высокая производительность и культура производства (рис.1.14).
Рис.1.14. Схемы основных методов контактной сварки: стыковая сварке сопротивлением (а) и оплавлением (б); контактная сварка одноточечная (в); двухточечная (г); односторонняя (д); роликовая сварка через подкладные элементы (е); одной парой (ж); двумя парами (з)
По способу получения сварных соединений можно выделить стыковую, точечную и шовную контактную сварку.
Стыковая сварка сопротивлением. От сварочного понижающего трансформатора СТ ток к свариваемым деталям 2 подводится через водоохлаждаемые токоподводы 1 (рис.1.14, а). В месте сварки 3 происходит соединение деталей за счет выделяющейся джоулевой теплоты с последующим сжатием и охлаждением. Количество энергии Q (Дж), выделяющейся между электродами,
, (1.13)
где Rk – контактное сопротивление между деталями, Ом; Rд – сопротивление детали от электрода до места сварки Ом; I – сварочный ток, A; t – время прохождения тока, с.
Из (1.13) следует, что необходимая для сварки энергия при весьма малых значениях сопротивления в точке контакта свариваемых деталей и во избежание потерь теплоты на ненужный нагрев всей массы детали может быть получена только при больших величинах тока (сотни и тысячи ампер), протекающего через электрическое сопротивление контактов Rk в течение короткого промежутка времени (доли или единицы секунд). Для повышения КПД контактной сварки необходимо, чтобы сопротивление цепей сварочного тока и электродов Rд было как можно меньше. Поэтому при конструировании сварочных установок источник питания стремятся как можно ближе расположить к месту сварки и использовать материалы, дающие минимальные потери энергии. Напряжение на электродах сварочных машин составляет 1-16 В.
|
|
|
Нагревание металла происходит в местах контакта свариваемых деталей по плоскости их соприкосновения. Это объясняется тем, что в данном месте сопротивление Rk будет наибольшим. Так как поверхность металла не является идеально гладкой, то свариваемые детали при их сжатии соприкасаются лишь в отдельных точках, через которые проходит электрический ток. Так как площадь точек очень мала, то в них возникает большое сопротивление прохождению электрического тока, что вызывает сильный локальный нагрев металлов. С повышением температуры в месте сварки его электрическое сопротивление возрастает, что ускоряет выделение теплоты и нагрев металла до температуры сваривания. Когда металл нагреется до пластического или оплавленного состояния, при сжатии детали произойдет их сваривание. Застывание металла в точке сварки после отключения тока происходит за счет передачи теплоты от точки сварки в соединяемые детали. Скорость охлаждения зависит от теплопроводности материала свариваемых деталей.
Как следует из (1.13), при контактной сварке нагрев зависит от времени прохождения тока. Можно нагревать детали очень быстро, применяя токи большой величины, или нагревать детали медленно и постепенно, используя меньшие токи. Режимы сварки с применением токов большой величины при минимальном времени нагрева принято называть "жесткими". Они применяются при сварке чувствительных к нагреву легированных сталей и легкоплавких цветных металлов (металлов с малым удельным электрическим сопротивлением) и имеют следующие показатели режима сварки: 
Р = 0,40-1,2 ГПа; tcв = 0,1–1,0 с. Режимы с длительным прохождением тока и низкой его плотностью называют "мягкими". Они применяются при сварке обычных углеродистых. сталей, менее чувствительных к нагреву при сварке (закалке), и имеют следующие параметры: 
Р = 0,15-0,4 ГПа; tcв = 0,5-3,0 с.
|
|
|
Сварочные машины для контактной сварки имеют две основные части: электрическую и механическую. Электрическая часть состоит из сварочного трансформатора специальной конструкции, токопроводящих частей и устройств для включения и выключения сварочного тока и его регулирования. Механическая часть установки представляет собой несущую конструкцию и устройства для импульсного сжатия свариваемых деталей.
Стыковая сварка – это способ контактной сварки, при котором детали соединяются по всей площади их касания (площади поперечного сечения) и применяются для получения неразъемных соединений прутков, труб, валов, рельс и др. Различают два способа стыковой сварки – сопротивлением и оплавлением.
При сварке сопротивлением (рис.1.14, а) свариваемые детали 2 закрепляют в токоподводящих башмаках 1 и сжимают с усилием сжатия. Затем пропускают по ним электрический ток, происходит нагрев деталей в стыке 3 за счет переходного контактного сопротивления до температуры, близкой к температуре плавления металла (0,8-0,9)×Тпл. После этого резко увеличивают усилие сжатия (осадка деталей), в результате чего в твердой фазе образуется сварное соединение.
Сварку оплавлением подразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом (прерывистым оплавлением), рис 1.14, б. При сварке непрерывным оплавлением детали 2 сближают при включенном сварочном трансформаторе СТ и путем сжатия осуществляется их контакт. Оплавление концов свариваемых деталей продолжается до тех пор, пока между их торцами не образуется прослойка жидкого металла 3. Затем прикладывается относительно небольшое усилие осадки F и создается сплошное металлическое соединение свариваемого стыка. Избыточный расплавленный металл выдавливается из зазора между свариваемыми деталями и образует "грат", который затем механически удаляется.
|
|
|
При сварке с прерывистым оплавлением, рис.1.14, б, стыки деталей 2 предварительно подогревают методом кратковременного замыкания их торцов с последующим их размыканием. При образовании жидкой прослойки 3 по всему сечению свариваемых кромок прикладывают усилие осадки F. Сварка с оплавлением стыка деталей по сравнению со сваркой сопротивлением (без оплавления) имеет следующие преимущества: более прочный шов, не требующей большой механической обработки; меньшая мощность сварочной установки; пониженный удельный расход электроэнергии; возможность сваривания различных металлов. К недостаткам – следует отнести неизбежную, хотя и небольшую потерю металла, и наличие "грата" на стыке свариваемых деталей.
Машины для стыковой сварки подразделяются по способу сварки (без оплавления стыка и с его оплавлением), назначению (универсальные и специальные) и способам установки (стационарные и переносные). Машины также различают по мощности, типу зажимных устройств и механизмам подачи. Универсальные машины используются для сварки различных деталей в мелкосерийном производстве, а специализированные - для сварки однотипных деталей в условиях серийного и массового производства.
Точечная сварка – способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания. При этом используются нахлесточные соединения (рис.1.14, в, г). Детали 2 предварительно сжимаются электродами 4, изготовленные из медных сплавов, и нагреваются проходящим электрическим током до появления между деталями расплавленного металла 5. Расплавленный металл удерживается в ядре от выплеска и надежно защищается от окружающей атмосферы уплотняющим поясом, представляющим собой зону пластической деформации, непосредственно примыкающую к ядру. Нагрев при точечной сварке обычно осуществляется импульсами переменного тока или униполярными импульсами относительно малой продолжительности 0,06-2,5 с.
|
|
|
По способу подвода тока точечная сварка может быть двухсторонней и односторонней. При двухсторонней сварке ток поводят к каждой из деталей, а при односторонней к одной из деталей.
Шовная сварка – способ контактной сварки (рис.1.14 е, ж, з) при котором между свариваемыми деталями 2 образуется непрерывное соединение (шов) путем образования последовательного ряда частично перекрывающих друг друга сварных точек 5. Подобное соединение обеспечивает получение герметичных швов. В случае шовной сварки подвод тока к деталям и их передвижение осуществляют преимущественно при помощи двух вращающихся дисковых электродов (роликов) 7, связанных с приводом усилия сжатия сварочной машины. Как и в случае точечной сварки, металл нагревается импульсами тока различной формы без применения специальных средств защиты жидкого металла от влияния атмосферы
Выделяют несколько видов шовной сварки: по способу подвода тока, по числу роликов и одновременно свариваемых швов. Импульсы тока могут подаваться при непрерывном перемещении деталей или электродов, или в момент их кратковременной остановки (шаговая сварка).
Рельефная сварка – разновидность точечной сварки (рис.1.15), при которой первоначальный контакт деталей 2 происходит по ограниченной рельефом 1 площади, предварительно формируемые на свариваемых деталях, например, в форме треугольника или трапеции в сечении. В начальный момент это позволяет достигать более концентрированного нагрева металла проходящим током от источника питания 5 через электроды 4. Нагреваясь, рельефы деформируются, и на определенной стадии процесса происходит плавление металла и образование ядра 3. Формирование соединений при контактной сварке указанными способами определяется протеканием рядом физико-химических процессов, составляющих теоретическую основу технологии.
Рис.1.15. Схема рельефной сварки: а – до сварки; б – после сварки
Технология определяет требования к сварочному оборудованию, которое представляет в целом комплекс различных механизмов и устройств. Основными элементами оборудования контактных сварочных машин являются:
источник электрической энергия с элементами подвода тока к свариваемым деталям;
система управления, состоящая из электрической части;
механизмов приводов различного назначения (привод сжатия деталей при точечной и шовной сварке, зажатия и перемещения деталей при стыковой сварке и т.д.) и ряда конструктивных элементов, создающих жесткость и прочность машины.
Сварочная машина может быть оборудована средствами сопутствующего контроля качества соединений, а также средствами механизации и автоматизации вспомогательных операций.
|
|
|
