Библиотека специалиста по сварке и резке

Контактная сварка

Контактная сварка – один из наиболее распространенных и быстро развивающихся способов получения неразъемных соединений самых разнообразных конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений. В настоящее время около 40 % всех сварных соединений выполняется с помощью контактной сварки. По форме выполнения сварных соединений существует три основных вида контактной сварки: стыковая, точечная и шовная.

Стыковая сварка – способ, при котором детали свариваются по всей плоскости их касания. Основными процессами при стыковой сварке являются нагрев и пластическая деформация свариваемого металла, обеспечивающие удаление поверхностных пленок, образование физического контакта и получение соединения с заданными свойствами. Чаще всего свариваются детали одинакового или близкого по размерам сечения. Детали закрепляют в токопроводящих зажимах, один из которых подвижный и связан с приводом, обеспечивающим перемещение и создание усилия осадки. По характеру нагрева различают сварку сопротивлением и оплавлением. В первом случае детали под небольшим давлением сжимают до соприкосновения друг с другом свариваемыми поверхностями. Это обеспечивает контакт только по отдельным выступам. После включения тока, благодаря его высокой плотности на выступах, металл зоны контакта деталей интенсивно нагревается (до 0,8–0,9 Т_пл). Тогда осуществляется сдавливание деталей осадочным устройством машины, с одновременным выключением тока. За счет пластической деформации металла в стыке происходит образование соединения. После сварки на деталях образуется утолщение – грат. Стыковая сварка сопротивлением применяется для соединения деталей небольшого сечения (проволок, стержней, полос) из низкоуглеродистой, низколегированной стали. Однако следует иметь в виду, что высокое качество соединения достигается не всегда из-за неравномерности прогрева стыка и возможного присутствия в нем неудаленных оксидных пленок. При стыковой сварке оплавлением сначала на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем начинают сближать их до соприкосновения под небольшим усилием.

Вследствие небольшой начальной площади контакта деталей в месте их соприкосновения создается высокая плотность тока. Это приводит к быстрому расплавлению и частичному испарению металла на этих участках с выбросом его из плоскости стыка в виде брызг. При дальнейшем сближении в соприкосновение вступают новые участки свариваемых поверхностей. Процесс нагрева и испарения металла повторяется. Сближение деталей продолжается до тех пор, пока обе поверхности стыкуемых деталей равномерно не оплавятся. Тогда производится быстрая осадка с приложением значительного давления. При этом большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками выдавливается из стыка с образованием грата. Во время осадки ток обычно отключается.

Стыковая сварка оплавлением применяется для соединения труб, фасонных профилей, стержней большого сечения, различных деталей машин. Одним из наиболее распространенных способов контактной сварки является точечная сварка.

Точечная контактная сварка применяется для соединения элементов внахлестку. Предварительно собранные детали помещают между электродами сварочной машины. Один из электродов опускается, воздействуя на детали с определенным усилием. После небольшой выдержки, необходимой для обеспечения надежного электрического контакта, на электроды подается напряжение. Кратковременный (0,01 – 0,1 с) мощный импульс сварочного тока обеспечивает быстрый нагрев металла и образование зоны расплавления – жидкого ядра, общего для обеих деталей. Давление, оказываемое на электроды, позволяет осуществить нужную пластическую деформацию разогретого участка металла так, что вокруг ядра формируется уплотняющий поясок, предохраняющий жидкий металл от выплеска и взаимодействия с окружающей средой. Поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется. После выключения тока металл ядра охлаждается и кристаллизуется, соединяя свариваемые детали. Усилие с электродов снимают с некоторым запаздыванием, обеспечивая кристаллизацию металла под давлением. В ряде случаев усилие на этой стадии процесса увеличивают в 2–3 раза, проковывая металл и сводя к минимуму появление в нем несплошностей.

Для повышения производительности процесса сварки и стойкости электродов на одной из деталей предварительно формируется выступ полукруглой или трапециевидной в сечении формы – рельеф. Рельеф ограничивает первоначальную площадь контакта, что дает возможность увеличить плотность тока в нем. При нагреве током и давлении электродов рельеф постоянно деформируется, и к концу процесса получается ядро, как при обычной точечной сварке.

Можно осуществлять сварку одновременно по нескольким рельефам. Такой способ называется точечной рельефной сваркой. Для сварки металла малых толщин (< 2 мм) большое применение нашла одна из разновидностей точечной сварки – конденсаторная сварка. Она осуществляется за счет запасенной или аккумулированной энергии конденсаторов, которые непрерывно заряжаются от питающей сети и периодически разряжаются в ходе сварки. Для конденсаторной сварки характерна малая потребляемая мощность из сети при зарядке конденсаторов, стабильное качество сварных соединений как из однородных, так и разнородных металлов, с весьма малой зоной термического влияния. Конденсаторная сварка нашла применение в производстве мелких и мельчайших деталей из цветных и черных металлов в приборостроении, радиотехнической и электронной промышленности. К достоинствам точечной сварки следует отнести ее экономичность, возможность полной автоматизации процесса. Одним из серьезных недостатков точечной сварки является отсутствие герметичности сварных швов. Шовная контактная сарка – способ, при котором детали соединяются швом, состоящим из отдельных сварных точек, перекрывающих или не перекрывающих одна другую. При сварке с перекрытием точек шов будет герметичным, а при сварке без перекрытия швы практически не отличаются от полученных при точечной сварке.

Свариваемые детали зажимаются между электродами, выполненными в виде дисков. При вращении электродов детали перемещаются, а периодическое включение и выключение тока приводит к образованию сварных точек. Перекрытие сварных точек, необходимое для получения герметичного шва, достигается при определенном соотношении скорости вращения электродов и частоты импульсов тока. Применяют также шаговую сварку, при которой детали перемещаются прерывисто, а сварочный ток включается только во время их остановки. Такое ведение процесса уменьшает нагрев деталей. Разнообразные виды шовной сварки различаются способом подвода сварочного тока (односторонний или двухсторонний) и расположением электродов относительно свариваемых деталей (рис. 1).

Способы шовной сварки

Рис. 1. Способы шовной сварки

Шовная сварка используется для соединения листов малой толщины (до 3 мм) в производстве автомобилей, цельно-сварных тонкостенных труб, изделий электротехнической и радиотехнической промышленности и т.д. Технологический процесс точечной и шовной контактной сварки состоит из целого ряда отдельных операций, каждая из которых выполняется в определенной последовательности, обеспечивая высокое качество соединений. В частности, можно выделить следующие подготовительные операции: обработка поверхности деталей, их сборка и выполнение прихваток.

При обработке поверхности происходит удаление толстых пленок, в частности оксидных, после чего на поверхности металла остаются тонкие пленки с малым и стабильным электрическим сопротивлением. Вначале производят обезжиривание для удаления органических загрязнений, а затем удаляют пленки механическим или химическим путем. В ходе сборки достигается взаимное расположение деталей с заданными зазорами между ними в соответствии с чертежом, а выполнение прихваток обеспечивает точную фиксацию деталей и снижение остаточных напряжений. Прихватки осуществляют по линии будущего основного шва в отдельных точках с определенным шагом. Для точечной сварки этот шаг обычно составляет 10–30 см, для шовной – 2,5–10 см, что предотвращает коробление и набег металла при движении электродов. При точечной и шовной сварке возможно управление термодеформационным циклом путем варьирования режимов на стадии нагрева и охлаждения. Это может обеспечить минимальные изменения структуры и свойств исходного материала, уровни остаточных напряжений, величины износа рабочей поверхности электродов.

Основными параметрами режима на стадии нагрева являются сварочный ток, время его протекания и сварочное усилие, а на стадии охлаждения – усилие проковки и время его приложения. Значения параметров режима могут оставаться постоянными или изменяться на каждой стадии процесса по определенной программе в зависимости от свойств свариваемого металла и его толщины.