Технология контактной сварки

Контактная сварка является основным видом сварки давлением термомеханического класса. Она осуществляется с применением давления и нагрева места сварки проходящим через заготовки электрическим током. Основными видами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная.

Рассмотрим сущность процесса на примере стыковой контактной сварки (рис.1). Свариваемые заготовки 3, закрепленные в зажимах (электродах) 2 стыковой ма­шины, сжимаются осевой силой Р. Электроды подключены к сварочному трансформатору 5, при включении которого через заготовки протекает сварочный ток. Он нагревает заготовки,   причем  наибольшее  количество теплоты  выделяется в месте кон­такта 6 (отсюда назва­ние способа) между заготовками, так как сопротивление контак­та является наиболь­шим во вторичной цепи и вот почему: действи­тельное сечение кон­такта значительно мень­ше сечения заготовок за счет касания заго­товок только по высту­пам поверхностей; на поверхности металла имеются пленки окси­дов и загрязнений с малой электропроводи­мостью.

Рис.1. Схема контактной стыковой сварки: 1 — неподвижная плита; 2 — зажимы (электроды); 3 — заготовки; 4 — подвиж­ная плита; 5 — сварочный трансформатор; 6 — контакт

Количество выделяе­мой теплоты Q(Дж) определяется законом Джоуля-Ленца: Q = I2Rt, где I — сварочный ток, A; R — сопротивление контакта, Ом; t — время протекания тока, с.

Простой анализ этой формулы показывает, что эффек­тивный нагрев места сварки может быть получен при больших значениях сварочного тока, так как оно входит в выражение во второй степени. Действительно, сварочный ток при контактной сварке может достигать тысяч и даже десятков тысяч ампер.

Нагрев металла приводит к повышению его пластич­ности . В результате под действием осевой силы происходит пластическая деформация. Микронеровности поверх­ности сминаются, пленки разрушаются, поверхностные атомы сближаются до расстояний, соизмеримых с пара­метром кристаллической решетки, что обеспечивает воз­можность образования межатомных связей.

Контактная сварка осуществляется без расплавления и с расплавлением металла. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния называют сваркой сопротивлением, стыковую сварку с разогревом стыка до оплавления — сваркой оплавлением. Различие этих способов может быть объяснено с использованием циклограмм процессов, которые представляют собой графическое изображение изменения во времени параметров процесса сварки.

При сварке сопротивлением (рис. 2, а) заготовки сначала сжимают усилием, обеспечивающим образование физического контакта свариваемых поверхностей, а затем пропускают сварочный ток. После разогрева места сварки происходит осадка и образуется соединение в твердой фазе. Для обеспечения равномерного нагрева по всему сечению поверхности заготовок тщательно подготовляют. Необходимость обеспечения равномерного нагрева ограничивает возможность применения сварки сопротив­лением только для деталей небольшого (площадью до 200 мм2) и простого сечения (круг, квадрат).

Рис. 2. Циклограммы контактной стыковой сварки:

а — сопротивлением; б — оплавлением; I — сварочный ток; Р — усилие сжа­тия;   S — перемещение   подвижной   плиты;   t – время

Сущность сварки оплавлением (рис. 2, б) заклю­чается в том, что свариваемые заготовки сближают при включенном сварочном трансформаторе. Касание поверх­ностей происходит по отдельным выступам. Ввиду того, что площадь образовавшихся контактов очень небольшая, плотность тока, протекающего через эти контакты, на­столько велика, что происходит мгновенное оплавление металла с образованием жидких перемычек, которые под действием паров металла разрушаются. Часть металла в виде искр выбрасывается из стыка. Вместе с жидким металлом выбрасываются загрязнения, которые присутствуют на поверхности заготовок.

Продолжающееся сближение заготовок приводит к об­разованию новых перемычек и их оплавлению. Непрерыв­ное образование и разрушение контактов-перемычек ме­жду торцами приводит к образованию на торцах слоя жидкого металла. После оплавления торцов по всей поверхности осуществля­ют осадку. При осадке жидкий металл из стыка выдавливается наружу и, затвердевая, образует грат.

Рис. 3. Схема точечной сварки:
1 — электроды; 2 — заготовки; 3 — сварная точка

Обычно грат удаля­ют в горячем состоянии. Сварка оплавлением может быть прерывистая и непрерывная. При пре­рывистом оплавлении за­готовки под током при­водят в соприкосновение и вновь разводят. Обра­зующийся при разведе­нии электрический разряд между торцами заготовок оплавляет торцы. После не­скольких повторных замыканий на торцах образуется слой жидкого металла. При включении механизма осадки жидкий металл выдавливается из стыка, торцы приходят в соприкосновение и образуется сварное соединение.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед свар­кой сопротивлением: торцы заготовок перед сваркой не требуют тщательной подготовки, можно сваривать за­готовки с сечением сложной формы и большой площадью, а также разнородные металлы.

Стыковую сварку оплавлением применяют для соеди­нения заготовок сечением до 100 000 мм2. Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, кольца, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы.

Точечную сварку применяют преимущественно при соединении листовых заготовок. Свариваемые заготовки 2 собирают внахлестку (рис. 3), сжимают между двумя медными электродами 1 и пропускают электрический ток (от сварочного трансформатора). При протекании тока выделяется теплота в заготовках и электродах. В связи с тем, что наибольшим электрическим сопротивлением обладает контакт между заготовками и электроды, как правило, охлаждаются водой и отводят теплоту с поверх­ности заготовок, происходит интенсивный нагрев металла только в месте контакта. Здесь металл расплавляется и появляется жидкое ядро, которое затвердевает после выключения сварочного тока, образуя сварную точку 3.

Рис. 4. Стадии цикла и циклограммы точечной сварки:

а — без увеличения давления; б — с увеличением давления при проковке: 1 — сжатие деталей; 2 — включение тока; 3 — проковка; 4 — снятие давле­ния с электродов

Кристаллизация металла происходит при сохраняющемся давлении электродов, что предотвращает образование в ядре точки дефектов усадочного характера — пор, трещин, рыхлот. В некоторых случаях давление в конце цикла сварки увеличивают, осуществляя «проковку» ме­талла. Стадии цикла и циклограммы точечной сварки без проковки и с проковкой показаны на рис. 4.

Перед сваркой контактные поверхности деталей за­чищают металлической щеткой, пескоструйной обработкой или  травлением   и   обезжиривают   растворителями. Это необходимо для обеспечения стабильного процесса, который зависит от постоянства контактного сопротивления.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней (рис. 3) и односторонней (рис. 5). При односторонней сварке ток течет через верхний 3 и нижний 4 листы, но нагрев места контакта происходит   только   за   счет   тока,   протекающего через нижний лист. Для увеличения этого тока снизу располагают токопроводящую медную подкладку 5. Одновременно происходит образование двух точек.

Рис. 5. Односторонняя то­чечная сварка: 1 — сварочный трансформатор; 2 — электроды; 3 — верхняя заготовка; 4 — нижняя заго­товка;  5 — медная подкладка

Рис. 6. Рельефная сварка: 1 — плоский электрод; 2 — заготовка; 3 — выступ

В многоточечных сварочных машинах, предназначен­ных для изготовления специальных сварных конструкций (элементы кузовов автомобилей, вагонов, различных па­нелей) одновременно сваривается несколько точек (или несколько десятков точек).

Режим точечной сварки может быть мягким и жестким. Мягкий режим характеризуется плавным нагревом заготовок сравнительно небольшим током. Время про­текания тока обычно 0,5 — 3 с. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.

Жесткие режимы осуществляют при малой продолжи­тельности (0,1 — 1,5 с) тока относительно большой силы. Давление электродов также большое. Эти режимы при­меняют при сварке алюминиевых и медных сплавов, обладающих высокой теплопроводностью, а также высоко­легированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости: на мягких режимах возможно обеднение ме­талла хромом за счет образования карбидов хрома.

Точечную сварку широко используют для изготовления штампосварных конструкций. Толщина свариваемых металлов в среднем составляет 0,5—8 мм. Для осуще­ствления точечной сварки все более широкое использо­вание получают сварочные роботы.

Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка (рис.6), при которой между плоскими электро­дами 1 зажимают заготовки 2, на одной из которых заранее подготовлены  (отштампованы)  выступы 3.  Эти  выступы обеспечивают высокую плотность тока и концен­трированный нагрев в месте контакта, который при­водит к плавлению ме­талла и образованию свар­ных точек.

Рис. 7. Схема шовной сварки:

1 — заготовки; 2 — сварочные электроды (ролики); 3 — сварной шов

Шовную сварку выпол­няют непрерывным швом вращающимися дисковыми электродами. На рис. 7 показана схема шовной сварки. Заготовки 1, как и при точечной сварке, собирают внахлестку и зажимают между электродами 2, которые выполнены в виде роликов. Они передают усилие заготовкам, осуществляют подвод тока и перемеще­ние заготовок. При движении заготовок между роликами образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной герметичный шов 3.

Шовную сварку можно осуществлять при односторон­нем и двустороннем положении электродов.

Шовную сварку выполняют с непрерывным включе­нием тока (рис. 8, а), с прерывистым включением тока (рис. 8, б), а также, впрочем, весьма редко, с преры­вистым вращением роликов и остановкой их в момент включения сварочного тока.

Шовную сварку применяют при изготовлении различ­ных емкостей с толщиной стенки 0,3 — 3 мм, где требуются герметичные швы — бензобаки, трубы, бочки, сильфоны и др.

Конденсаторная сварка представляет собой один из видов сварки запасенной энергией. Энергия накапливается в конденсаторах при их зарядке от источника постоянного напряжения (выпрямителя), а затем в процессе разряда преобразуется в теплоту, используемую для сварки. Эта теплота выделяется в контакте между соединяемыми за­готовками при протекании тока, поэтому конденсаторную сварку можно отнести к способам контактной сварки.

Существуют два вида конденсаторной сварки: бес­трансформаторная и трансформаторная (рис. 9). При бестрансформаторной ударной сварке конденсатор под­ключен непосредственно к свариваемым заготовкам. Разряд конденсатора происходит в момент удара заготовки 3 по заготовке 4. Разряд оплавляет торцы заготовок, кото­рые свариваются под действием усилия осадки.

Рис. 8. Циклограммы шовной сварки:

а — непрерывное выключение тока; б — импульсное включение тока; 7 — сва­рочный ток;   Р — давление;   S — перемещение  роликов; t – время

При трансформаторной конденсаторной сварке конденсаторы разряжаются на первичную обмотку сварочного транс­форматора, во вторичной цепи которого находятся предварительно сжатые между электродами заготовки. Бестрансформаторная сварка используется в основном для стыковой сварки, трансформаторная — для точечной и шовной.

Преимуществами конденсаторной сварки являются: точная дозировка энергии (за счет изменения емкости конденсаторов и напряжения зарядки), малое время протекания тока (0,001 — 0,0001 с) при высокой плотности тока, возможность сварки материалов очень малых толщин (от нескольких микрометров до 1 мм), невысокая потребля­емая мощность (0,2 — 2 кВА). Конденсаторную сварку применяют в основном в приборостроении, радиоэлек­тронике.

Рис. 9. Схемы конденсаторной сварки: а — бестрансформаторная с разрядом на изделие; б — с разрядом на первичную обмотку трансформатора; 1 — пружина; 2 — защелка; 3 и 4 — заготовки;   С — конденсатор;   В — выпрямитель;   Т — трансформатор