Контактная сварка

Автомат контактной точечной сварки в действии

Контактная сварка — процесс образования неразъёмного сварного соединения путём нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Контактная сварка преимущественно используется в промышленном массовом или серийном производстве однотипных изделий^[1]. Применяется на предприятиях машиностроения, в авиационной промышленности.

История

В 1856 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые применил стыковую сварку. В 1877 году американский исследователь Элиху Томсон независимо разработал стыковую сварку и внедрил её в промышленность. В том же 1877 году русский изобретатель Николай Николаевич Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной сварки^[2].

Для осуществления процессов контактной точечной сварки использовались специальные клещи с угольными электродами, к которым подводился электрический ток. Затем две сложенные одна на другую стальные пластины зажимались клещами, а ток, подведенный к угольным электродам, проходя через металл, давал достаточное количество теплоты для образования сварной точки.

В 1886 году Э. Томсон занимавшийся исследованиями и разработками в области контактной сварки подал заявку на патент, защищающий принципиально новый способ электрической сварки, описываемый следующим образом: «свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы — до 200000 ампер при низком напряжении — 1-2 вольт. Место соприкосновения представит току наименьшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными»^[2]. Способ сварки называли «электрической ковкой» или «безогненным методом сварки».

В конце XIX века стыковая контактная сварка применялась для соединения телеграфных проводов. В своих дальнейших исследованиях Элиху Томсон стал комбинировать нагрев электрическим током с пластическими деформациями, возможными благодаря применению гидравлических систем сжатия. К началу XX века относятся сообщения о применении фирмой Fiat контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

В 1928 году фирма Stout Metal Airplane Company (отделение фирмы Ford Motor) использовала контактную сварку на линиях изготовления конструкций из дюралюминия. В начале 1930-х годов в Америке были проведены испытания контактной сварки легкоплавких металлов и их сплавов. В ходе проведённых исследований были разработаны технологии и оборудование, которые приняли в производство фирмы Douglas, Boeing и Sikorsky Aircraft^[2].

Теория

Основные параметры режима всех способов контактной сварки — это сила сварочного тока, длительность его импульса и усилие сжатия деталей. Теплота $Q\!$ в свариваемом металле выделяется при прохождении через него импульса тока $I_c\!$ длительностью $t\!$ в соответствии с законом Джоуля — Ленца:

$Q = I_c^2 R_c t\!$

За величину $R_c\!$ принимают сопротивление столбика металла между электродами. При расчете сварочного тока и времени импульса сварочного трансформатора, $R_c\!$ — исходный параметр, так как его легко рассчитать, зная материал детали, её толщину и требуемую температуру сварки. При этом сопротивлениями в контактах между деталями и между электродами и деталями пренебрегают.

Согласно закону Джоуля — Ленца увеличение $R_c\!$ должно увеличивать количество выделяющейся теплоты $Q\!$. Но по закону Ома увеличение $R_c\!$ не всегда увеличивает количество выделяющейся при сварке теплоты $Q\!$, многое зависит от соотношения $R_c\!$ и полного сопротивления вторичного контура сварочного трансформатора.

$I_c = \frac{U_2}{Z}\!$

Где $U_2\!$ — напряжение на вторичном контуре сварочного аппарата, a $Z\!$ — полное сопротивление вторичного контура, в которое входит $R_c\!$. При увеличении сопротивления $R_c\!$ уменьшится сила сварочного тока $I_c\!$, которая учитывается в законе Джоуля — Ленца в квадрате. Отсюда следуют несколько практических выводов. С ростом общего сопротивления вторичного контура от 50 до 500 мкОм тепловыделение в зоне сварки уменьшается по мере падения $R_c\!$ примерно в 10 раз. Недостаток тепла компенсируется увеличением мощности ($U_2\!$) или времени сварки. Сварочный процесс на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (~ 50 мкОм) сопровождается интенсивным ростом нагрева по мере падения $R_c\!$ в процессе увеличения сварного ядра. При достижении равенства $R_c = Z\!$ нагрев достигает максимума, а затем, по мере ещё большего снижения $R_c\!$ (по достижении требуемого размера ядра), уменьшается. Таким образом, сварка на контактных машинах с малым сопротивлением вторичного контура (а их большинство^[3]) сопровождается нестационарным нагревом и нестабильным качеством соединений. Уменьшить этот недостаток можно надёжным сжатием зачищенных деталей, обеспечивающим поддержание $R_c\!$ на минимальном уровне, либо поддерживая высокий уровень $R_c\!$ за счёт слабого сжатия деталей и разделения импульса сварочного тока на несколько более коротких импульсов. Последнее ещё и экономит энергию и обеспечивает прецизионное соединение с остаточной деформацией 2…5 %.

При сварке на машинах с большим сопротивлением вторичного контура (> 500 мкОм) снижение $R_c\!$ в процессе сварки практически не влияет на выделение теплоты, нагрев остаётся стационарным, что характерно для сварки на подвесных машинах с длинным кабелем во вторичном контуре. Сваренные на них соединения обладают более стабильным качеством^[3].

Технология

Подготовка поверхностей к контактной сварке

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Способы подготовки поверхностей различны. В наиболее полном виде они включают несколько последовательных операций: обезжиривание, удаления исходных, в основном оксидных, пленок, пассивирование, нейтрализацию, промывку, сушку, контроль

Машины для контактной сварки

Установка для контактной точечной сварки

Контактная сварка осуществляется на контактных сварочных машинах, которые бывают стационарными, передвижными и подвесными, универсальными и специализированными. По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки различают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки^[3]. Сварочный трансформатор машины понижает напряжение сети до 1—15 вольт. Для сжатия деталей и подвода тока силой 1—200 кА служат электроды из сплавов меди. Мощность машин 0,5—500 кВА. Усилие сжатия 0,01—100 кН (1—10000 кгс) создаётся пневмогидроприводом или рычажно-пружинным механизмом. Ток длительностью от 0,01 до 10 секунд включается контакторами с электронным управлением^[4].

Любая машина для контактной сварки состоит из электрической и механической частей, пневмо- или гидросистемы и системы водяного охлаждения. Электрическая часть в свою очередь состоит из сварочного трансформатора, прерывателя первичной цепи сварочного трансформатора и регулятора цикла сварки, обеспечивающего заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки. Механическая часть состоит из привода сжатия (точечные машины), привода сжатия и привода вращения роликов (шовные машины) или из приводов зажатия и осадки деталей (стыковые машины). Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу сжатия (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера). Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе и вторичном контуре, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или её мало. Точечные и шовные машины включаются с помощью ножной педали с контактами, стыковые — с помощью комплекта кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие электродов или зажатие деталей, на включение и отключение сварочного тока, на вращение роликов, на включение регулятора цикла сварки.^[3].

Электроды для контактной сварки

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Дефекты сварки и контроль качества

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Разновидности контактной сварки

Точечная контактная сварка

Основная статья: Точечная контактная сварка

Точечная контактная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей свариваемых деталей. С помощью точечной сварки можно создавать до 600 соединений за 1 минуту^[4]. Применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм) электронных приборов, для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности^[4].

Рельефная сварка

Основная статья: Рельефная сварка

Рельефная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно нескольких точках, имеющих специально подготовленные выступы-рельефы. Этот способ аналогичен точечной контактной сварке. Главное отличие: контакт между деталями определяется формой их поверхности в месте соединения, а не формой рабочей части электродов, как при точечной сварке. Выступы-рельефы заранее подготавливаются штамповкой или иным способом и могут присутствовать на одной или обеих свариваемых деталях.

Рельефная сварка применяется в автомобилестроении для крепления кронштейнов к листовым деталям (например, для крепления скоб к капоту автомобиля, для крепления петель для навески дверей к кабине); для соединения крепежных деталей — болтов, гаек и шпилек. В радиоэлектронике применяется для присоединения проволоки к тонким деталям^[5].

Шовная контактная сварка

Основная статья: Шовная контактная сварка

Шовная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются швом, состоящим из ряда отдельных сварных точек (литых зон), частично перекрывающих или не перекрывающих одна другую. В первом случае шов будет герметичным. Во втором случае шовная сварка выполненная отдельными точками без перекрытия практически не будет отличаться от ряда точек, полученных при точечной сварке. Процесс шовной сварки осуществляется на специальных сварочных станках с двумя (или одним^[6]) вращающимися дисковыми роликами-электродами, которые плотно сжимают, прокатывают и сваривают соединяемые детали. Толщина свариваемых листов колеблется в пределах 0,2—3 мм^[6][7]. Применяется при изготовлении различных емкостей, где требуются герметичные швы — бензобаки, трубы, бочки, сильфоны и др.

Стыковая сварка

Основная статья: Стыковая сварка

Стыковая сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются по всей плоскости их касания, в результате нагрева. В зависимости от марки металла, площади сечения соединяемых деталей и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять несколькими способами: сопротивлением, непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.

Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм²^[8]. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений^[5].

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100000 мм²^[8], таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали. Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинноразмерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали)^[5][8].

Прочие процессы контактной сварки

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Примечания

1. ↑ Контактная сварка, принцип контактной сварки. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
2. ↑ ^{1 2 3} Разработка процесса контактной электросварки. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
3. ↑ ^{1 2 3 4} Контактная сварка. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
4. ↑ ^{1 2 3} Контактная электросварка. Архивировано из первоисточника 25 октября 2012. Проверено 25 октября 2012.
5. ↑ ^{1 2 3} Контактная сварка. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
6. ↑ ^{1 2} Шовная сварка. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
7. ↑ Роликовая (шовная) сварка. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.
8. ↑ ^{1 2 3} Стыковая сварка. Архивировано из первоисточника 12 апреля 2012. Проверено 25 октября 2009.

Литература

• М. Д. Банов, Ю. В. Казаков, М. Г. Козулин и др.; под ред. Ю. В. Казакова Сварка и резка материалов: Учебное пособие. — Издание 2-ое, стереотипное. — Издательский центр «Академия», 2002. — 400 с. — ISBN 5-7695-0695-4

Ссылки

• Разработка процесса контактной электросварки
• Контактная сварка и её разновидности
• ГОСТ 15878-79 Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы
• Контроль технологических образцов при точечной и шовной сварке
• История контактной сварки