Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой

Контактная сварка

Контактная сварка – это сварка с применением давления, при которой используется тепло, выделяющееся в контакте свариваемых деталей при прохождении электрического тока. Для осуществления сварки двух деталей к ним прикладывается внешнее усилие сжатия и пропускается электрический ток. Схемы основных видов контактной сварки представлены на рис. 1.

Схемы основных видов контактной сварки

Рис. 1. Схемы основных видов контактной сварки:

а – точечная; б – рельефная; в – шовная; г – стыковая;

1 – свариваемые детали; 2 – электроды; Fсв – сила сжатия деталей при сварке;

Iсв – сварочный ток; Vсв – скорость перемещения листов относительно электродов (скорость сварки).

Контактная сварка - это один из самых производительных и экономичных способов производства сварных изделий и конструкций.

Этот вид сварки имеет ряд преимуществ:

  • значительная экономия основных и вспомогательных материалов, т.к. полностью исключается расход флюса и электродной проволоки;
  • значительное улучшение условий труда так как отсутствуют газы от сгорания обмазки электродов и флюсов;
  • высокое качество и долговечность сварных соединений;
  • производительность труда по сравнению с газовой и дуговой сваркой выше в 3…6 раз;
  • низкая стоимость работ;
  • оборудование для контактной сварки может успешно использоваться в механизированных и автоматизированных поточных линиях.

Она успешно применяется при изготовлении деталей в автотракторной промышленности, энергомашиностроении, транспортном машиностроении, а также соединения рельсов, арматуры железобетона, проводов.

Также этот вид сварки имеет и недостатки:

  • в ряде случаев контактная точечная сварка деталей из разнородных металлов и сплавов сложна;
  • высокая вероятность возникновения выплесков металла в момент включения сварочного тока, для предупреждения которых целесообразно применять импульсы тока с плавным нарастанием, увеличивать начальную силу сжатия, использовать машины с малой массой подвижных частей и направляющими, снабженными подшипниками качения;
  • сложность конструкции сварочной головки и механизма сжатия при одновременной сварке нескольких швов;
  • усложнение конструкции электродов и их эксплуатации особенно при многоточечной сварке.

Оборудование для контактной сварки

Машина для контактной сварки - это комплекс механических и электрических устройств, предназначенный для обеспечения технологического процесса и выполняющий следующие функции:

  • Настройку параметров режима;
  • Крепление и сжатие свариваемых деталей, при необходимости - их перемещение;
  • Подвод к контакту деталей тока;
  • Последовательное выполнение этапов технологического процесса.

Выделяют два класса машин: общего назначения и специальные.

Машины общего назначения (универсальные) предназначены для сварки деталей широкой номенклатуры. На такой машине можно производить сварку деталей, различных по конструкции, марке и толщине металла.

Например, универсальная машина для точечной сварки с наибольшим вторичным током 19 кА годится для получения нахлесточных соединений из углеродистых и легированных сталей и сплавов толщиной от 0,5 до 5 мм независимо от размеров и формы заготовок из листа или фасонного проката.

Специальные машины предназначены, как правило, для сварки определенных узлов или конкретных изделий. Машины для сварки арматуры железобетонных конструкций, цепесварочные машины, многоэлектродная машина для сварки пола кузова легкового автомобиля, полуавтомат для рельефной сварки корпусов полупроводниковых приборов и т. д.

Классификация машин общего назначения в ГОСТ 297-80 «Машины контактные. Общие технические условия» выполнена по следующим признакам:

  • по виду получаемых при сварке соединений - точечные, шовные, рельефные, стыковые;
  • по конструктивному исполнению - стационарные радиального типа, стационарные прессового типа, подвесные со встроенным трансформатором, подвесные с отдельным трансформатором;
  • по типу источника сварочного тока - переменного тока, низкочастотные, постоянного тока, конденсаторные;
  • по типу усилия сжатия - с постоянным усилием, с переменным усилием;
  • по нормируемым требованиям - группа А (с повышенной стабильностью параметров), группа Б (с нормальной стабильностью параметров).

Условия эксплуатации, хранения и транспортировки машин в зависимости от воздействия климатических факторов внешней среды устанавливает ГОСТ 15150-69. Оборудование для контактной сварки выпускается в основном в исполнениях УХЛ и О, т. е. для всех макроклиматических районов, кроме района с очень холодным климатом. Большинство машин для контактной сварки предназначено для размещения по категории 4, т. е. для эксплуатации в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими условиями.

Обозначение марки машины контактной сварки регламентировано стандартом ГОСТ 297-80. Структура условного обозначения машины общего назначения приведена ниже:

Структура условного обозначения машины общего назначения
  • обозначение вида изделия (машина контактная);
  • обозначение машины по виду соединений, получаемых при сварке Т - точечная, Ш - шовная, Р - рельефная, С - стыковая);
  • обозначение машины по конструктивному исполнению и (или) типу источника тока (Р - радиальная, П - подвесная, С - для стыковой сварки сопротивлением, О - для стыковой сварки оплавлением, В - с выпрямлением тока во вторичном контуре, К - конденсаторная, Н - низкочастотная);
  • наибольший вторичный ток в кА или усилие осадки в десятках кН;
  • номер модификации машины;
  • вид климатического исполнения и размещения;
  • обозначение группы машины в зависимости от нормируемых технических требований.

Например, машина МТПВ-1205 Т4, А - подвесная точечная машина с выпрямлением тока во вторичном контуре, на наибольший вторичный ток 12 кА, с номером модификации 05, климатического исполнения Т4, группы А.

Машины для точечной и рельефной сварки

На рис. 2 приведена типовая конструкция машины для точечной сварки, которую условно разделяют на механическую и электрическую части. В состав механической части входят корпус 1 с верхним 5 и нижним 2 кронштейнами и механизм сжатия электродов с пневмоцилиндром 4 и элементами 6 пневматической системы. Такая конструкция машины (с поступательным перемещением верхнего электрода) называется прессовой. В машинах радиального типа в отличие от прессовых электрод перемещается по дуге окружности. Механическая часть обеспечивает сжатие свариваемых деталей сварочным и ковочным усилием, поэтому должна иметь достаточную прочность и жесткость. В ней также размещаются все детали электрической части, в том числе такие тяжелые, как сварочный трансформатор.

Конструктивная схема точечной машины

Рис. 2. Конструктивная схема точечной машины

В состав электрической части входят автоматический выключатель 8, тиристорный контактор 11, переключатель ступеней 10, сварочный трансформатор 9 и сварочный контур 3, а также регулятор цикла сварки 7.

Корпуса точечных машин

В корпус машин прессового типа для точечной и рельефной сварки входят следующие элементы (рис. 3): каркаса 4, верхнего 5 и нижнего 3 кронштейнов, а также деталей, не воспринимающих силовой нагрузки - крышек 6 и дверей 7. На верхнем кронштейне крепится механизм сжатия с верхним электродом, а на нижнем - нижний электрод, поэтому кронштейны работают на изгиб и передают усилие сжатия электродов Fэ - сварочное Fсв или ковочное усилие Fков - на переднюю стенку каркаса.

Корпус точечной машины

Рис. 3. Корпус точечной машины

Входящие механизмы должны обладать не только необходимой прочностью, но еще и жесткостью, чтобы обеспечивать совпадение осей сварочных электродов при максимальном усилии сжатия. На каркас также опираются элементы электрической части машины, из них самые тяжелые - это сварочный трансформатор весом Pтр и сварочный контур весом Pск. Для удобства сборки машины, а также возможности регулировки раствора сварочного контура нижний кронштейн обычно соединяют с передней стенкой болтами. В отдельных случаях оба кронштейна и каркас изготовляют в виде жесткой скобы. Каркас крепят на подставке 1. В мощных машинах для разгрузки нижнего кронштейна устанавливают домкрат 2.

Классификация способов контактной сварки

Контактная сварка классифицируется по следующим признакам: по роду питающего тока и по форме сварного соединения.

По роду питающего тока различают:

  • сварку переменным током, однофазным, частотой 50 Гц;
  • сварку импульсом постоянного тока, когда первичная обмотка сварочного трансформатора подключается к выпрямительному устройству, в следствие индуктивности трансформатора ток в первичной обмотке нарастает постепенно, в результате чего во вторичной обмотке индуцируется постепенно нарастающий импульс сварочного тока;
  • сварку запасённой энергией, накопленной или в конденсаторах, или в магнитном поле специального сварочного трансформатора, или во вращающихся частях генератора, или в аккумуляторные батареи. Эта энергия затем непосредственно или через сварочный трансформатор быстро отдается в сварочную цепь в виде импульса большой мощности.

По форме сварного соединения различают:

  • сварку точечную;
  • сварку шовную;
  • сварку стыковую;
  • сварку рельефную.

Контактная стыковая сварка

Схема машины для стыковой контактной сварки

Рис. 4. Схема машины для стыковой контактной сварки:

1 - станина машины; 2 - направляющие; 3 - неподвижная плита; 4, 7 - свариваемые заготовки;

5, 8 - зажимы-электроды; 6 - подвижная плита; 9 - сварочный трансформатор; Р - сжимающее усилие

При контактной стыковой сварке соединение свариваемых деталей происходит по торцевым поверхностям. Схема процесса представлена на рис. 4. Различают контактную стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.

При сварке оплавлением допускается более грубая шероховатость поверхностей заготовок (до Rz240), по сравнению со сваркой сопротивлением (до Rz20).

Контактная стыковая сварка сопротивлением характеризуется следующей последовательностью операций:

  • Механообработка контактных поверхностей деталей в местах токоподвода и по торцам от оксидных пленок и загрязнений;
  • Установка и зажатие деталей в токоподводах машины;
  • Приложение предварительного усилия сжатия Fпред;
  • Включение тока и нагрев стыка свариваемых деталей до температуры близкой к температуре плавления 0,6-0,7Тпл (для сталей ≈ 1100 – 1200℃);
  • Осадка деталей при увеличении усилия сжатия Fос с целью смятия неровностей и разрушения оксидных плёнок в зоне соединения, при этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт и образуется сварное соединение (рис. 5). Во время осадки происходит выключение сварочного тока.
Схема контактной стыковой сварки сопротивлением

Рис. 5. Схема контактной стыковой сварки сопротивлением: а) циклограмма процесса сварки; б) внешний вид сварного соединения; в) примеры деталей для сварки данным способом.

Стыковую сварку сопротивлением применяют для соединения однородных металлов, а именно, низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей сечением до 200 мм2, а также цветных металлов и сплавов сечением до 100 мм2.

Контактная стыковая сварка оплавлением, в отличие от сварки сопротивлением, не требует предварительной подготовки места соединения свариваемых деталей. Этот способ сварки характеризуется следующей последовательностью операций:

  • Установка и зажатие заготовок в зажимах сварочной машины;
  • Включение тока и сближение при малом усилии сжатия торцов свариваемых деталей;
  • Нагрев и оплавление торцов деталей. В результате соприкосновения соединяемых поверхностей образуются электрические контакты – перемычки, которые быстро расплавляются, т. к. через них проходит ток повышенной плотности. При многократном непрерывном повторении этого процесса место контакта свариваемых деталей полностью оплавляется. Часть расплавленного металла под действием давления образующихся паров выбрасывается из стыка в виде мелких капель и искр. В результате оплавления свариваемые поверхности очищаются от окислов и загрязнений и сближаются между собой;
  • Осадка заготовок при увеличении усилия сжатия (усилия осадки). При осадке из стыка выдавливается жидкий и полу расплавленный частично окисленный металл вплоть до соприкосновения слоев, нагретых до температур близких к температуре плавления. Выдавленный металл образует утолщение – грат.

На рис. 6а представлена циклограмма процесса непрерывной стыковой сварки оплавлением, где I – значение сварочного тока в процессе сварки, А; Fос – усилие осадки на различных стадиях процесса, Н; t – время сварки, с.

Контактная стыковая сварка оплавлением применяется для соединения однородных металлов, а именно, низко- средне- и высокоуглеродистых сталей сечением до 1000 мм2, а также цветных металлов и их сплавов. В некоторых случаях возможна сварка и разнородных металлов (сплавов). На рис. 6б представлен внешний вид сварного соединения, полученного при стыковой сварке оплавлением, а на рис. 6в – примеры деталей, соединяемых данным способом сварки. В отличие от способа сварки сопротивлением при соединении деталей контактной стыковой сваркой оплавлением не требуется соблюдения условий равенства размеров и конфигурации поперечного сечений свариваемых деталей.

Схема контактной стыковой сварки оплавлением

Рис. 6. Схема контактной стыковой сварки оплавлением: а) циклограмма процесса сварки;

б) внешний вид сварного соединения; в) примеры деталей для сварки данным способом.

Важных параметром режима стыковой сварки является установочная длина Io- вылет, т.е. расстояние от торца заготовки до внутреннего края токоподвода стыковой машины, измеренное до начала процесса осадки. При большом значении вылета Io возможно искривление свариваемых деталей в процессе сварки. При малом значении вылета Io наблюдается интенсивное охлаждение деталей за счет теплоотвода в контактные зажимы. Это затрудняет пластическую деформацию и требует значительного увеличения усилия осадки. Установочная длина вылета Io зависит от теплофизических свойств металла, конструкции стыка и размеров детали. Для каждого сплава значение вылета Io выбирается из специальных таблиц. В таблице 1 приведены значения Io и Fос для различных материалов в зависимости от диаметра свариваемых деталей применительно к стыковой сварке сопротивлением.

Таблица 1. Зависимость установочной длины и усилия осадки от свариваемых материалов и диаметра заготовок

Зависимость установочной длины и усилия осадки от свариваемых материалов

Контактная точечная сварка

Точечная сварка – способ контактной сварки, при котором соединение деталей осуществляется на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия.

Работа аппарата точечной сварки показана на рис. 7. Свариваемые листы 2 или стержни накладывают друг на друга и зажимают медными электродами 3, к которым от трансформатора 4 подводится сварочный ток. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи. Наибольшее количество теплоты выделяется на участке наибольшего сопротивления цепи, т. е. в зоне соединения свариваемых листов (стержней).

Работа аппарата точечной сварки

Рис. 7. Работа аппарата точечной сварки

Здесь металл расплавляется. После выключения тока и осадки сварочная ванна кристаллизуется и образуется сварная точка 1.

Для подготовки поверхностей к сварке их тщательно механически или химически очищают с обеих сторон от грязи, масла и оксидной пленки. Хорошая очистка и плотное прилегание поверхностей обеспечивают высокое качество сварной точки.

Нагрев при точечной сварке осуществляется импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц, а также импульсами постоянного или униполярного тока.

По способу подвода тока к свариваемым деталям различают двустороннюю и одностороннюю сварку. По количеству сварных точек за цикл сварки различают одноточечную, двухточечную и многоточечную контактную сварку.

При точечной сварке могут применяться комбинированные соединения. Клей или припой вводят под нахлестку для повышения прочности и коррозионной стойкости соединений.

Точечной сваркой можно сваривать листовые заготовки одинаковой или разной толщины, пересекающиеся стержни, листовые заготовки со стержнями или профильными заготовками, соединения заготовок из сталей различных марок (углеродистой, легированной, нержавеющей, жаростойкой и др.), а также из цветных металлов и их сплавов. Ей можно соединять заготовки из разнородных металлов. Толщина свариваемых деталей составляет от 0,5 до 5,0 мм. Типы деталей, полученных сваркой представлены на рис. 8.

Примеры свариваемых деталей с помощью точечной сварки

Рис. 8. Примеры свариваемых деталей с помощью точечной сварки

Современные машины для точечной сварки, предназначенные для массового производства, иногда являются частью робототехнических комплексов, управляемых компьютером.

Распространенные дефекты

Для того чтобы не возникали дефекты, требуется обращать внимание на область возможного его появления. К самым распространённым дефектам относят:

  • Непровар поверхности частично либо полностью. Чаще всего это происходит по причине низкокачественных электродов, невысокой силы тока либо чрезмерным сжатием. Чаще всего недостаток виден при осмотре. Также при помощи прибора можно определить наличие непроваренных мест даже в визуально нормальном шве.
  • Трещины. Это достаточно распространенный брак, который появляется из-за использования высокого тока либо неочищенных деталей.
  • Разрывы у кромок. При расчёте местоположения сварочной точки, необходимо учитывать расстояние, которого хватит для создания качественного шва. На материалах различной толщины это расстояние будет разным.
  • Внутренний выплеск. Брак образовывается из-за того, что жидкий материал при варке выходит за пределы ядра, из-за чего между деталями появляется зазор. Главной причиной, по которой возникает такой дефект, является подача длительного импульса на большом токе, что приводит к чрезмерному расплавлению ядра.
  • Наружные выплески. Повреждение, которое появляется по причине плохого зажатия металлических частей. Из-за отсутствия момента ковки отсутствует возможность соединить заготовки, и расплавленная масса появляется снаружи металлического элемента.
  • Появление вмятин. Чрезмерное сжатие заготовки либо использование электродов небольшого диаметра приводит к появлению вмятин. Также из-за этих факторов может увеличиваться зона плавки, что приводит к возникновению дефектов на готовом шве.
  • Прожиг. Самый распространённый изъян, появление которого может быть связано чаще всего по причине загрязненных поверхностей свариваемых частей, либо кончика проводника.

Как вам статья? Хотел вам порекомендовать заглянуть на наш YouTube канал. Если вам понадобится помощь с графическим работами: чертежи, схемы электрические, печатные платы или 3D-модели добро пожаловать сюда.