11. Контактная сварка
Контактная сварка – это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.
С помощью контактной сварки изготавливают до 90 % конструкций, свариваемых давлением, и около 50 % всех сварных конструкций. Это объясняется преимуществами контактной сварки перед другими способами:
- экологической чистотой процесса;
- высокой производительностью, определяемой возможностью вести процесс с потреблением большой электрической мощности (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02. 1,0 с);
- возможностью широкой автоматизации сборочно-сварочных работ, которая позволяет встраивать машины контактной сварки (или сварочную часть машины) в поточные сборочно-сварочные линии;
- высоким и стабильным качеством сварки при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика.
- отсутствием потребности в специальных технологических материалах (присадочной проволоке, флюсах, газах и т.д.);
- малым расходом вспомогательных материалов (воды, воздуха);
- относительно высокая культура производства и условий труда.
Недостатками контактной сварки являются относительная сложность оборудования, трудность неразрушающего контроля сварных соединений.
Количество тепла, выделяемого в зоне сварки, определяют по формуле Джоуля- Ленца:
Q = 0,24·I 2 ·R·t,
где Q – количество тепла, кал; I – сила сварочного тока, А; R – общее сопротивление зоны сварки, Ом; t – время нагревания, с.
Основные способы контактной сварки – это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка (рис. 11.1).
При точечной сварке детали соединяются на отдельных участках их соприкосновения – точках (рис. 11.1,а, рис. 11.2). Детали собирают внахлестку, сжимают между электродами из медных сплавов, и пропускают через место сварки короткий импульс тока Iсв. В контакте между деталями металл расплавляется, образуется ядро сварной точки – зона расплавления металла. Под действием сжимающего усилия происходит пластическая деформация металла, по периметру ядра образуется уплотняющий поясок, предохраняющий ядро от окисления и выплеска. Когда расплавленный металл достигает соответствующего объема, сварочный ток выключается, тепловыделение в деталях прекращается и расплавленный металл кристаллизуется. Через определенное время снимается усилие на электродах и электроды разводятся.
Рис.11.1. Схемы способов контактной сварки:
а) – точечная, б) – шовная, в) – стыковая.
Высота и диаметр ядра определяются по макрошлифу, выполненному по разрезу сварного соединения в плоскости оси электродов. Прочность точечного сварного соединения определяется размерами ядра и его структурой, которые зависят от режима сварки. Режим сварки – это совокупность регулируемых параметров сварочной машины, определяющих формирование сварного соединения.
К основным параметрам режима точечной сварки относятся:
- сварочное усилие сжатия электродов Fсв,
- сварочный ток Iсв,
- время сварки tсв,
- диаметр плоскости рабочей поверхности электродов dэл или радиус сферы электродов Rэл со сферической рабочей поверхностью.
В зависимости от конструктивных особенностей свариваемого изделия и требований, предъявляемых к соединению, толщины и марки свариваемого материала к указанным параметрам режима точечной сварки могут добавляться другие параметры, например усилие предварительного обжатия Fобж и ковочное усилие Fк, которые усложняют цикл сжатия электродов. Сварочный ток также может быть сложной формы и характеризоваться несколькими параметрами или состоять из нескольких импульсов.
Рис. 11.2. Схема точечной контактной сварки.
Разновидность точечной сварки – рельефная сварка (рис. 11.3). Для ее выполнения на одной из деталей штампуют выступ-рельеф. На рельеф укладывают вторую деталь и производят сварку. Это обеспечивает более концентрированный нагрев в зоне контакта деталей. При образовании сварного ядра рельеф сминается. Рельеф можно выполнять в виде длинного бугорка-валика, тогда можно выполнять рельефную роликовую сварку.
Рис. 11.3. Схема рельефной контактной сварки.
Форма и размеры рельефа определяют процесс сварки и сварное соединение и являются поэтому существенными параметрами режима рельефной сварки. В отличие от точечной сварки рабочая поверхность электрода не является определяющей и этот параметр не входит в режим рельефной сварки.
Шовная сварка происходит так же, как и точечная. Разница между ними в том, что при шовной сварке детали зажимаются между электродами-роликами, которые в процессе сварки вращаются, перемещая свариваемые детали (рис. 11.1,б, рис. 11.4). Импульсы сварочного тока следуют один за другим с установленной паузой между ними. Совокупность многих точек, взаимно перекрывающих друг друга, образует сплошной сварной шов. Точечной сваркой выполняют только нахлесточные соединения, роликовой, кроме нахлесточного, можно сваривать и стыковые. Для этого на стык листовых деталей накладывают с обеих сторон полоски тонкой (0,3…0,5 мм) фольги из материала свариваемых деталей и сваривают стык с полным проплавлением его толщины.
Режим сварки определяется наряду с параметрами, характерными для точечной сварки: Fсв, Iсв, tсв, также и параметрами, свойственными шовной сварке: временем паузы между импульсами сварочного тока tп, линейной скоростью роликов V, шириной рабочей поверхности цилиндрического ролика S или радиусом заточки ролика со сферической поверхностью Rэл. Шовная сварка может осуществляться в отдельных случаях непрерывным током.
Рис. 11.4. Схема шовной контактной сварки.
Точечную и шовную сварку можно производить и с односторонним подводом сварочного тока, устанавливая оба электрода с одной стороны детали. С обратной стороны устанавливают медную подкладку. Сваривают одновременно две точки или два шва. Применяют одностороннюю сварку при затрудненном доступе к обратной стороне детали и для повышения производительности труда.
При стыковой сварке (рис. 11.1,в, рис. 11.5) соединяют прутки, профильный прокат, трубы по всей площади их торцов. Детали зажимают в электродах-губках, затем прижимают друг к другу соединяемыми поверхностями и пропускают сварочный ток. Различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.
Рис. 11.5. Схема стыковой контактной сварки.
При сварке сопротивлением детали прижимают с большим усилием (Fсв = 2…5 кгс/мм 2 ). Сварочный ток нагревает детали до температуры 0,8…0,9 от температуры плавления. В стыке происходит пластическая деформация, соединения образуется без расплавления металла. Этим способом не всегда удается обеспечить равномерный нагрев деталей большого сечения по всей площади и достаточно полно удалить из стыка деталей окисные пленки. Поэтому стыковую сварку сопротивлением применяют только для соединения деталей малого сечения (до 200…300 мм 2 ): проволок, труб, стержней из малоуглеродистых сталей.
При сварке оплавлением детали прижимают друг к другу очень малым усилием при включенном источнике сварочного тока. Отдельные контакты поверхностей мгновенно оплавляются, возникают новые контакты, которые оплавляются тоже. Под действием электродинамических сил жидкие прослойки металла оплавленных контактов вместе с окислами и загрязнениями выбрасываются из стыка деталей. Поверхности постепенно оплавляются, после чего усилие сжатия резко увеличивают – происходит осадка. При этом в течение 0,1 с через стык еще пропускают ток. Жидкий металл вместе с оставшимися окислами вытесняется из зоны стыка в грат – соединение образуется между твердыми, но пластичными поверхностями. При сварке оплавлением химически активных металлов зон соединения защищают инертными газами.
Глава 3. Установки контактной сварки
3.1. Физические основы электрической контактной сварки
Электрическая контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения в результате нагрева металлических деталей протекающим по ним электрическим током, расплавления и сдавливания деталей с последующим охлаждением зоны сварки за счет теплопроводности в тело свариваемых деталей.
Контактная сварка объединяет большую группу методов сварки, отличительной особенностью которых являются надежность получаемых соединений, высокий уровень автоматизации и механизации, высокая производительность процесса и культура производства.
По способу получения соединений различают стыковую, точечную и шовную контактную сварки (рис. 3.1). От сварочного трансформатора Тр ток к свариваемым деталям 2 подводится посредством водоохлаждаемых электродов 1. В месте сварки 3 происходит сваривание деталей за счет выделяющейся джоулевой теплоты с последующим сжатием.
Рис. 3.1. Виды контактной сварки:
а – стыковая; б – точечная; в – шовная
Общее количество энергии Q (Дж), выделяющейся между электродами:
где – контактное сопротивление между деталями, Ом; – сопротивление детали от электрода до места сварки, Ом; – сварочный ток, А; – время прохождения тока, с.
Из формулы 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 деталей может быть получена только при больших значениях токов (сотни и тысячи ампер), протекающих через сопротивление контакта в течение короткого промежутка времени (единицы секунд). Для повышения КПД контактной сварки необходимо, чтобы сопротивление цепей сварочного тока и электродов было как можно меньше. Поэтому при компоновке сварочных установок источники питания максимально приближают к месту сварки и выполняют с использованием материалов, дающих минимальные потери энергии. Напряжение на электродах сварочных машин составляет 1-16 В.
Нагревание металла происходит в месте контакта свариваемых деталей по плоскости их соприкосновения. Это объясняется тем, что в данном месте сопротивление 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 тока, что вызывает сильный локальный нагрев металла. С повышением температуры в месте сварки его сопротивление возрастает, что ускоряет выделение теплоты и нагрев металла до температуры сваривания. Когда металл нагреется до пластического или оплавленного состояния, при сжатии деталей произойдет их сваривание. Застывание металла в точке сварки после отключения тока происходит за счет теплопроводности свариваемых деталей.
Как следует из формулы (3.1), при контактной сварке нагрев зависит от времени прохождения тока. Можно нагревать детали очень быстро, применяя токи большой силы, или нагревать детали медленно и постепенно, используя меньшие токи. Режимы сварки с применением токов большой силы при минимальном времени нагрева принято называть «жесткими». Они применяются при сварке чувствительных к нагреву легированных сталей и легкоплавких цветных металлов, например алюминия и его сплавов, и имеют следующие показатели j=160…400 А/мм 2 ; ГПа; .
Режимы с длительным прохождением тока и постепенным нагревом называют «мягкими». Они применяются при сварке обычных углеродистых сталей, менее чувствительных к нагреву при сварке, и имеют следующие показатели j=80…160 А/мм 2 ; ГПа; .
Сварочные установки 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. Механическая часть установок представляет собой устройство для импульсного сжатия свариваемых деталей.
1.4 Контактная электрическая сварка
Контактная сварка — процесс соединения деталей нагревом их в месте контакта до пластического или жидкого состояния с применением одновременного или последующего сильного сжатия (осадки), обеспечивающего взаимодействие атомов металла.
Контактная сварка — один из высокопроизводительных способов сварки; она легко поддается механизации и автоматизации и ее широко применяют в машиностроении и строительстве.
На заводах, изготовляющих стержни для арматуры из углеродистой (Ст3, Ст5) и низколегированной стали (25Г2с, 35Гс, 30Г2с), а также при монтаже каркасов, сеток и других арматурных конструкций применяют контактную сварку, которая обеспечивает высокую производительность.
По форме свариваемого соединения, определяющего тип сварочной машины, контактную сварку разделяют на стыковую, точечную и роликовую. При всех видах контактной сварки металл нагревается за счет выделения тепла при прохождении электрического тока по свариваемым деталям; количество этого тепла определяется известным законом Джоуля—Ленца:
где I — сварочный ток, А; R — сумма сопротивлений отдельных участков цепи, Ом; t — время протекания тока, с.
Особенностью контактной сварки является применение кратковременных (доли секунды) импульсов сварочного тока большой силы (иногда до 100000 А) при напряжении 0,3—10 В. Такой режим сварки повышает производительность труда, экономит электроэнергию, снижает возможность окисления деталей, уменьшает зону термического влияния, позволяет управлять процессом тепловыделения и теплоотвода, т. е. процессом формирования соединения.
Машина для контактной сварки состоит из понижающего трансформатора; механизмов, обеспечивающих закрепление, создание усилий сжатия и перемещение свариваемых деталей; пульта управления.
Стыковую сварку (рисунок 68.а) разделяют на сварку оплавлением и сварку сопротивлением. При сварке сопротивлением торцы деталей тщательно обрабатывают, детали сводят до соприкосновения и включают ток. После нагрева металла в месте контакта до пластического состояния давление сжатия повышают. Этот способ может быть использован для сварки изделий из стали, меди и латуни с площадью контакта до 1500 — 2000 мм 2 .
Наибольшим распространением пользуется сварка оплавлением. При этом не требуется тщательная подготовка кромок. После включения тока детали сводят до соприкосновения и в местах контактов благодаря высокой плотности тока происходит оплавление. При последующих соприкосновениях происходит оплавление всего стыка. Прилегающий к стыку металл нагревается до пластического состояния и в этот момент осуществляется его осадка. В процессе осадки с торцов выдавливается жидкий металл и вместе с ним удаляются окислы и загрязнения с кромок. В результате полного удаления окислов удается получать более стабильные результаты по качеству образующихся соединений.
Различают два вида сварки оплавлением: непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Последнюю применяют для деталей, способных резко закаливаться. Предварительный подогрев металла способствует более равномерному нагреву и некоторому снижению скорости его охлаждения (для стали типа 30ХГСА, инструментальной и др.).
При стыковой сварке цветных металлов в основном применяют сварку сопротивлением, причем плотность тока выбирают в несколько раз больше плотности тока, применяемой при сварке стали. Мощность стыковых машин выбирают из расчета 0,12—0,15 кВА/мм 2 сечения свариваемых деталей; при сварке изделий с замкнутым контуром мощность увеличивают в два раза. Напряжение сварочного тока составляет 5—15 В; давление, создаваемое при осадке равно 15—50 МН/м 2 (МПа).
Рисунок 68. Схемы различных видов контактной сварки:
а – стыковая: 1 – контактная плита, 2 – свариваемые детали, 3 – станина, 4 — трансформатор, 5 – электроды; б – точечная: 1 – хобот, 2 – свариваемые детали, 3 — электрододержатель, 4 – трансформатор, 5 – зона термического влияния шва, 6 – пластичный слой, 7 – расплавленное ядро; в – роликовая, 1 – ролик, 2 – свариваемые детали, 3 — трансформатор; г – импульсная сварка
В зависимости от мощности и назначения стыковые машины могут быть ручными и автоматическими.
Точечную сварку применяют в нескольких вариантах в зависимости от конструкции изделий.
Для получения точечной сварки детали (см. рисунок 68.б) помещают между электродами. При нажатии на педаль верхний хобот 1 машины опускается и зажимает детали 2. Через определенное время, необходимое для создания плотного контакта между деталями, включается сварочный ток, который доводит металл между электродами до плавления, а прилегающую к ядру 7 зону 6 до пластического состояния. После кристаллизации расплавленного ядра давление снимается.
Электроды должны обладать высокой электро— и теплопроводностью, сохранять необходимую прочность до 400° С. Электроды изготовляют полыми из холоднокатаной электролитической меди и сплавов на ее основе. Во время сварки электроды охлаждают водой.
Для повышения производительности труда при массовом производстве применяют многоточечную сварку. Точечная сварка может быть одно— и двусторонней.
Машины для точечной сварки могут быть механизированные и автоматические. В последних включение и выключение тока производится при помощи специальных механических электромагнитных или ионных прерывателей.
Машины разделяют на стационарные и переносные. Стационарные машины бывают одно— и многоточечными. Последние одновременно сваривают до 50 точек при производительности до 200 точек в минуту.
Мощность точечных машин достигает 600 кВА, плотность тока не менее 120 А/мм 2 , вторичное напряжение 1—12 В, давление между электродами 20—120 МН/м 2 (МПа).
Мощность машины определяют по формуле:
гдеs — суммарная толщина листов, мм; k — коэффициент, равный 8—25 (зависит от свариваемого материала).
Рельефная сварка по существу представляет собой многоточечную сварку, при которой расположение точек определяется рельефом деталей. Равномерным распределением усилия сжатия и величиной тока достигается одинаковый провар во всех точках. Свариваемые детали после сварки по всей поверхности плотно прилегают друг к другу.
При роликовой сварке отдельные точки частично перекрывают друг друга, образуя непрерывный шов свариваемых деталей (см. рисунок 68.в). Подготовленные полосы с толщиной до 4 мм пропускают между вращающимися роликами—электродами машины, через которые проходит электрический ток. В результате образуется плотный герметичный шов.
Роликовую сварку выполняют непрерывной, прерывистой и шаговой. При непрерывной сварке детали перемещаются непрерывно, причем все время к электродам поступает ток. Поверхность свариваемых деталей сильно перегревается, электроды быстро изнашиваются, что ухудшает качество сварки.
При прерывистой сварке детали перемещаются непрерывно, а ток к электродам поступает периодически.
При шаговой сварке в момент включения тока детали неподвижны, после кристаллизации сваренного участка металла происходит перемещение деталей на определенный шаг.
Короткие швы сваривают от одного конца к другому, а длинные — от середины к концам. Роликовую сварку осуществляют на переменном токе силой 2000—5000 А. Диаметр роликов равен 40—350 мм; усилие сжатия свариваемых деталей роликами достигает 6 кН; скорость сварки 0,5—3,5 м/мин.
Сущность этого нового прогрессивного способа контактной сварки состоит в том, что к первичной обмотке трансформатора подключают колебательный контур, состоящий из выпрямителя В, конденсатора К и прерывателя Т (рисунок 68.г).
Электрическая энергия предварительно накапливается на пластинках конденсатора К и затем разряжается, нагревая металл. Мощный импульс энергии производит мгновенное плавление металла в месте стыка изделия. Кратковременность импульса создает реальные возможности для сварки стержней с различными сечениями. Преимуществом этого способа сварки является также значительная экономия электрической энергии.
В строительстве наиболее распространенным способом сварки является электрическая дуговая сварка плавящимся электродом, позволяющая производить сварку решетчатых, стержневых, сплошностенчатых и листовых конструкций. При сварке решетчатых конструкций (ферм, башен, мачт, колонн) применяют главным образом ручную сварку, так как сварные швы имеют незначительую длину и находятся в разных пространственных положениях.
Наоборот, стержневые сплошностепчатые конструкции (балки, двутавровые колонны) имеют сварные швы значительной протяженности и обычно выполняются при помощи автоматической сварки под слоем флюсов.
При сварке двутавровых балок необходимо соблюдать определенную последовательность: в первую очередь сваривают стыковые соединения стенок, затем поясов и элементов, соединяющих стенку с поясами. Только после этого можно приваривать ребра жесткости. Большой объем сварки производится при строительстве и монтаже промышленных зданий, в которых имеются колонны, балки, фермы, опоры и т. д. При монтаже на строительной площадке сварку стыков конструкций производят вручную в различных пространственных положениях.
Автоматическую сварку под слоем флюсов применяют также для сварки листовых конструкций, имеющих чаще всего большую протяженность сварочных швов. К листовым конструкциям относятся вертикальные цилиндрические резервуары для хранения нефтепродуктов емкостью до 5000 м 3 и более из малоуглеродистой стали с толщиной стенок от 2,5 до 16 мм. К сварке таких конструкций допускают сварщиков не ниже 5—го разряда.
Различные виды дуговой и электрошлаковой сварки широко применяют при монтаже арматурных стержней и сборных железобетонных конструкций.
Технология
Контактная сварка как приемник электрической энергии
- автор: admin
- 27.07.2023
Глава 3. Установки контактной сварки 3.1. Физические основы электрической контактной сварки Электрическая контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения в результате нагрева металлических деталей… Подробнее » Контактная сварка как приемник электрической энергии
Колокольца на джек для чего
- автор: admin
- 27.07.2023
Разъём «джек» (TRS, TRRS) Разъём TRS (phone connector) по кличке «джек» разработан для передачи аналогового звука и чаще всего применяется в наушниках, гарнитурах и колонках.… Подробнее » Колокольца на джек для чего
Колонки logitech s120 как разобрать
- автор: admin
- 27.07.2023
Как разобрать колонки logitech z110 z120 s190 . Сразу пишу правильный ответ ��НИКАК . Если честно, сделать аккуратно нет никакой возможности )от безысходности того, что… Подробнее » Колонки logitech s120 как разобрать
Конвектор это что такое простыми словами
- автор: admin
- 27.07.2023
Что такое конвектор: принцип действия и виды приборов. Конвектор — отопительное устройство, в котором реализуется передача тепловой энергии от элемента нагрева или теплоносителя в отапливаемое… Подробнее » Конвектор это что такое простыми словами
Конвектор интернет что это
- автор: admin
- 27.07.2023
Что такое медиаконвертер (оптический) – ответ Бородача ВОПРОС! Всем привет! Подскажите, пожалуйста, что такое медиаконвертер, и для чего он нужен? Заранее спасибо. БЫСТРЫЙ ОТВЕТ! Медиаконвертер… Подробнее » Конвектор интернет что это