ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Контактной сваркой называют группу способов получения сварного соединения в результате нагрева свариваемых деталей проходящим через них током и последующей пластической деформацией зоны соединения. Для этого к двум (или более) сжатым вместе деталям с помощью специальных электродов подводят ток небольшого напряжения и большой силы (обычно 3 … 8 В и до нескольких десятков кА). При прохождении тока тепло выделяется непосредственно в деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Значение электрического сопротивления максимально в зоне контакта между деталями, так как детали соприкасаются только отдельными микровыступами на поверхностях и к тому же на них есть пленки оксидов, поэтому большая часть тепла выделяется в зоне контакта деталей. Основными способами контактной сварки являются точечная, шовная и стыковая.

Точечная сварка - это способ получения соединений в нахлестку, при котором детали зажимают между подводящими электродами и сваривают отдельными точками (рис. 4.24, а). Электроды для точечной сварки делают из медных сплавов, имеющих высокую теплопроводность и электропроводимость, и охлаждают водой изнутри. Экспериментально установлено, что сопротивление контакта электрод-деталь вдвое меньше сопротивления контакта между деталями. Кроме того, электроды изнутри охлаждаются водой, поэтому нагрев локализуется на участке соприкосновения деталей между электродами. Металл на этом участке плавится, и образуется линза жидкости. Благодаря сжатию электродами твердый нагретый металл вокруг линзы расплава деформируется и образуется кольцо-поясок, предотвращающее выплеск - вытекание расплава в зазор между деталями. Одновременно поясок защищает жидкий металл от воздействия воздуха. Получив линзу расплава требуемого размера, ток выключают, расплав затвердевает, и образуется сварная точка. Все это время электроды продолжают сжимать детали, пластически деформируя их. Это обжатие зоны расплавления способствует ликвидации усадочных раковин и трещин, но на поверхности изделия остаются вмятины от электродов.

Существует много приемов контактной сварки, различающихся способом подвода тока. Наиболее распространена рассмотренная выше сварка двумя электродами с двусторонним подводом тока (рис. 4.24, а). При сварке-прихватке в процессе сборки узла в качестве одного из электродов используют плоскую медную шину (рис. 4.24, б). Если одна из свариваемых деталей в три и более раза толще другой и более толстая деталь достаточно жесткая, то чтобы она не прогибалась в месте сварки можно подвести ток к ней (рис. 4.24, в). Когда одна из деталей тонкостенная полая, используют токопроводящие вставки (рис. 4.24, г). Во многих случаях используют односторонний подвод тока (рис. 4.24, д - ж). Это позволяет увеличить производительность благодаря постановке сразу двух точек и упрощает механизацию процесса. Одностороннюю точечную сварку выполняют с использованием токопроводящей подкладки (рис. 4.24, д, е) или без нее, если обращенная к электродам деталь значительно тоньше (рис. 4.24, ж). Однако шунтирование тока верхней деталью при односторонней сварке приводит к повышенному нагреву и износу электродов.

Шовная сварка - это способ соединения деталей швом, состоящим из совокупности сварных точек, таких же, как при точечной сварке. Если точки перекрываются, то шов получается сплошным (герметичным). Если же точки не перекрываются, то такой шов ничем не отличается от ряда точек, выполненных обычной точечной сваркой. В отличие от точечной сварки, электродами при шовной сварке являются вращающиеся дисковые ролики, которые зажимают и передвигают деталь (4.25). Ток, подводимый к роликам, формирует сварное соединение, как при точечной сварке. Принципиально возможно выполнять шовную сварку при непрерывном вращении роликов и непрерывной подаче тока.

Такая сварка выполняется на больших скоростях, но качество соединения и стойкость роликов получаются низкими; поэтому так работают очень редко. Наиболее распространенный вариант шовной сварки - прерывистая, когда ролики вращаются непрерывно, а ток включают периодически на определенные промежутки времени. При каждом включении тока образуется одна сварная точка, причем включение тока и вращение роликов синхронизируют так, чтобы точки перекрывались и шов был герметичным. Применяют также шаговую сварку, когда ролики вращаются прерывисто, перемещая деталь на шаг, а ток включают только во время остановки роликов. Такой режим способствует лучшему охлаждению рабочей поверхности роликов и продлению срока их службы. Шунтирование сварочного тока уже выполненными точками приводит к перегреву свариваемого металла при шовной сварке. Чтобы уменьшить его, часто практикуют наружное водяное охлаждение.

Виды шовной сварки различаются способом подвода сварочного тока (с двух сторон или с одной) и расположением роликов относительно изделия. Двухсторонняя шовная сварка аналогична двухсторонней точечной (рис. 4.25, а - в). Вместо второго ролика для получения кольцевых швов можно использовать оправку, плотно входящую внутрь изделия (рис. 4.25, г), вращающуюся медную подставку (рис. 4.25, д). Для сварки тонкостенного изделия, как показано на рис. 4.25, е, используют массивную медную проставку. Иногда свариваемые детали устанавливают на массивную медную шину. При этом подвод тока может быть двухсторонним (рис. 4.25, ж) или односторонним (рис. 4.25, з).

Стыковая сварка - способ соединения деталей по всей плоскости их касания. Существуют две основные разновидности этого процесса - сварка сопротивлением и сварка оплавлением. Для сварки сопротивлением (рис. 4.26) детали 1 зажимают в губках 2 сварочной машины, сжимают усилием Р и включают ток. Усилие передается губками машины. Переходные сопротивления губка - деталь малы, и тепло при прохождении тока выделяется в самих деталях и в месте стыка 3. Сначала разогревается место стыка, так как мала площадь контакта микровыступов на свариваемых поверхностях, а потом микровыступы сминаются, площадь контакта растет, сопротивление падает, и выделение тепла идет уже преимущественно в самих деталях за счет электросопротивления, которое растет с повышением температуры. Когда температура достигает 0,8 … 0,9 Т_ПЛ свариваемого металла, происходит сварка с образованием плавного утолщения в месте соединения. В результате пластической деформации и быстрой рекристаллизации в зоне контакта образуются новые рекристаллизованные зерна из материала обеих деталей. Этим и обеспечивается прочность соединения. Губки стыковой машины интенсивно отводят тепло от свариваемых деталей. Поэтому температуры в зоне стыка и качество сварки существенно зависят от вылета деталей из губок машины - установочной длины.

Оборудование для стыковой сварки оплавлением такое же, как для сварки сопротивлением, но тонкий слой материала на стыкуемых поверхностях доводят до расплавления. При последующем сжатии свариваемых деталей расплавленный металл вместе с оксидами выдавливается из стыка и образует грат - оторочку из окисленного, перегоревшего металла, а горячий твердый металл деформируется, создавая соединение. Различают сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Для сварки непрерывным оплавлением, включив трансформатор, медленно сближают детали. В начальный момент площадь соприкосновения поверхностей мала, металл в точках контакта мгновенно нагревается до кипения и испаряется со взрывом. Взрыв выбрасывает часть металла вместе с пленками оксидов в виде искр и брызг. При дальнейшем сближении деталей контакты-перемычки непрерывно возникают и разбрызгиваются, пока на торцах образуется слой расплавленного металла. При этом установочная длина деталей уменьшается. Контактное сопротивление во время плавления значительно больше сопротивления деталей, поэтому нагревается в основном зона стыка.

Для сварки оплавлением с подогревом детали вначале нагревают как при сварке сопротивлением. При подогреве детали периодически сжимают небольшим усилием, нагревая проходящим током, и размыкают. После подогрева до определенной температуры детали смыкают, оплавляют и сжимают. Сварка с подогревом позволяет уменьшить мощность оборудования, необходимую для сварки больших сечений.

В серийном производстве широко применяют разновидность точечной сварки - рельефную сварку. Этот способ получения одновременно нескольких точек, но их место определяется не положением электродов, а выступами (рельефами) на свариваемых деталях (рис. 4.27). На листовых деталях рельефы выштамповывают, а в качестве электродов для подвода тока к деталям и сжатия их используют медные пластины. За один ход машины при небольшой толщине листов можно сваривать до 15 … 20 рельефов. Рельефную сварку используют также для получения Т -образных соединений и сварки вкрест прутков, труб, а также проволоки с листом. Стабильное качество можно получать при рельефной сварке с расплавлением и без расплавления основного металла. Как правило, Т -образные соединения сваривают без расплавления.

Контактная сварка имеет следующие достоинства:

· высокая производительность;

· высокая степень механизации и автоматизации;

· надежность соединений;

· практически отсутствует коробление изделия;

· хорошее качество и внешний вид сварного соединения;

· облегчение труда сварщика;

· позволяет соединять многие материалы, которые не удается сваривать дуговой сваркой.

Недостатки

· экономически эффективна только в серийном и массовом производстве;

· требует высокой культуры производства.

Объем применения контактной сварки непрерывно возрастает. Контактная сварка занимает второе место после дуговой по объему производства сварных конструкций. Около 30% всех сварных соединений выполняют контактной сваркой. Область применения контактной сварки чрезвычайно широка. Для всевозможных листовых конструкций точечная и роликовая сварка - основные способы соединения. Кузова автомобилей, бытовые холодильники, самолеты, арматуру железобетона и многое другое сваривают этими способами. Стыковую сварку используют для соединения разнообразных изделий - от проволок диаметром доли миллиметра до тяжелых рельсов и труб магистральных газопроводов.

МАШИНЫ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Машины для точечной и шовной сварки должны обеспечивать сжатие деталей определенным усилием и подвод к ним сварочного тока. Поэтому в них есть привод сжатия и источник тока. В машинах для шовной сварки имеется еще электропривод вращения роликов.

Внешний вид машины для точечной сварки показан на рис. 4.28. Она состоит из станины 1 с двумя кронштейнами - нижним 2 и верхним 7, на которых закреплены электроды 4. Нижний кронштейн во время работы неподвижен, но его можно переставлять по высоте сообразно размерам свариваемых деталей. На верхнем кронштейне закреплены пневмопривод 6 сжатия электродов и пневмоаппаратура 8. Внутри станины расположены сварочный трансформатор 10 с переключателем ступеней 11, контактор 12 для подключения трансформатора к сети и блок управления режимом сварки. Сварочный ток от трансформатора подводится к консолям 3, 5, в которых закреплены электроды. В станине машины для шовной сварки кроме перечисленных узлов имеется электропривод вращения роликов.

Наряду со стационарными точечными машинами изготавливают подвесные - так называемые сварочные клещи. Их используют для сварки крупногабаритных тонкостенных деталей, когда целесообразнее перемещать не деталь, а машину (сварочные клещи) относительно детали. Клещи представляют собой устройство для сжатия электродами места сварки. Они имеют пневматический или электромагнитный привод и соединены кабелем с трансформатором или имеют встроенный малогабаритный трансформатор. Для облегчения работы тяжелыми клещами их подвешивают на тросе.

Технологические возможности машины определяются главным образом номинальным сварочным током и номинальным усилием сжатия электродов, а также расстоянием от электродов до станины и раствором консолей,

Вторичная обмотка трансформаторов контактных машин - одновитковая. Силу тока в ней (сварочного тока) изменяют включением в питающую цепь различного числа витков первичной обмотки. Для этого первичная обмотка сделана секционированной. Управление режимом сварки путем включения и выключения сварочного трансформатора осуществляют с помощью контактора. Простейшими контакторами являются электромагнитные - по сути дела, это реле с мощными контактами, Но при больших токах контакты быстро срабатываются и, что еще более важно, из-за большого времени срабатывания они не позволяют точно регулировать режим. Поэтому электромагнитные контакторы используют только в простейших маломощных машинах низкой производительности. В большинстве машин применяют контакторы на тиристорах или игнитронах.

Игнитрон - это газоразрядная лампа с ртутным катодом, тиристор - полупроводниковое устройство. И игнитрон, и тиристор пропускают ток в одном направлении при подаче напряжения на управляющий электрод. Контактор состоит из двух параллельно соединенных и противоположно направленных игнитронов или тиристоров. Когда от специального блока управления на управляющие электроды поступает напряжение, то контактор подключает трансформатор к сети; если нет управ­ляющего сигнала - отключает. Быстродействие тиристорных и игнитронных контакторов настолько велико, что позволяет пропускать переменный ток в течение части полупериода, включая его через заданное время после перехода напряжения через нуль. Комбинирование изменения числа витков первичной обмотки трансформатора с регулированием времени задержки включения тока в каждом полупериоде позволяет изменять режим сварки в очень широких пределах.

Большинство шовных, точечных и рельефных машин для контактной сварки - однофазные, переменного тока. Область их применения ограничивается возможностями включения мощного однофазного потребителя в заводскую трехфазную сеть. Поэтому потребляемая мощность однофазных машин не превышает 300 … 400 кВА. Это позволяет сваривать на точечных машинах низкоуглеродистую сталь толщиной от 0,2 до 8 мм, алюминиевые сплавы - от 6,3 до 1,5 мм. На однофазных шовных машинах переменного тока можно сваривать низкоуглеродистые стали толщиной 0,5 … 3 мм и алюминиевые сплавы толщиной до 1,5 мм. Для сварки больших толщин, и в тех случаях, когда необходим большой вылет электродов, целесообразнее использовать машины постоянного тока. Они трехфазные, с выпрямлением тока во вторичной цепи трансформатора кремниевыми вентилями. Такие машины равномерно загружают питающую трехфазную сеть, потребляют меньшую мощность (благодаря малому индуктивному сопротивлению контура) и позволяют в очень широких пределах регулировать режим нагрева деталей. Отечественная промышленность выпускает точечные машины для сварки выпрямленным током алюминиевых сплавов толщиной до 4,5 мм, коррозионностойких сталей до 6 мм, и шовные машины для сварки выпрямленным током алюминиевых сплавов и коррозионностойких сталей толщиной до 3 мм.

Машины для стыковой сварки (рис. 4.29) состоят из станины1, подвижной 8 и неподвижной 4 плит, к которым прикреплены устройства 5, 6 для зажатия свариваемых деталей губками 7. Подвижная плита приводом 9 перемещается по направляющим 10. Сварочный ток к губкам подается от трансформатора 2 по гибким шинам 3. Имеется блок управления режимом. Неподвижная плита изолирована от станины. Зажимные устройства и приводы подачи бывают электрические, гидравлические, пневматические, а на маленьких машинах - даже ручные (винтовые, пружинные и рычажные).

Источником сварочного тока в подавляющем большинстве стыковых машин является однофазный трансформатор, рассчитанный на выходные напряжения 0,2 … 25 В и токи 1 … 300 кА. Стыковую сварку изделий большого сечения (тяжелых рельсов, толстостенных труб) иногда выполняют током пониженной частоты (10 Гц), чтобы снизить индуктивное сопротивление сварочного контура.