Цель работы
TRANSCRIPT
Цель работы
Изучить технологию контактной сварки и область её применения, научиться рассчитывать параметры режима сварки.
Задание
1. Привести схемы процессов контактной сварки с кратким их описанием.
2. В соответствии с вариантом задания (прил. 3) рассчитать параметры режима стыковой сварки сопротивлением для прутков от 3 до 20 мм из углеродистой стали и непрерывной роликовой сварки заготовок из низколегированной листовой стали толщиной от 0,2 до 3 мм.
1. Основные положения
Контактная сварка относится к способам сварки давлением, при которой заготовки в месте соединения нагреваются теплом, выделяющимся при прохождении электрического тока, и сжимаются определённым усилием. Для получения качественных сварных деталей металл в месте контакта нагревают до расплавления и лишь в отдельных случаях (например, при стыковой сварке сопротивлением) до пластического состояния, обеспечивающего требуемую пластическую деформацию заготовок. В процессе этой деформации происходит удаление окислов из места соединения, устранение раковин и уплотнение металла.
При пропускании электрического тока через свариваемые заготовки максимальное количество теплоты выделяется в месте свариваемого контакта и определяется по закону Джоуля – Ленца:
Q = 0,24 I2 R T ,
где Q – количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж;I – сила сварочного тока, А;R – полное сопротивление, Ом;T – время протекания тока, с.
Полное сопротивление сварочного контура R состоит из сопротивления выступающих концов свариваемых заготовок Rз, сопротивления сварочного контакта Rк и сопротивления между электродами и заготовками Rэ, т.е.
R = Rз + Rк +Rэ .
Сопротивление сварочного контакта Rк является наибольшим, так как поверхности стыка заготовок даже после тщательной обработки имеют неровности и соприкасаются только в отдельных точках. Благодаря этому происходит резкое уменьшение действительного сечения металла, через которое
1
проходит ток, и в зоне контакта возникают большие плотности тока. Кроме того, на поверхности свариваемого металла имеются плёнки окислов и загрязнения с малой электропроводностью, которые также увеличивают электросопротивление.
В результате высокой плотности тока в точках контакта металл нагревается до термопластичного состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, и так до тех пор, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т.е. сварка поверхностей.
Однако, при сварке неочищенных поверхностей контактные сопротивления изменяются в широких пределах, что приводит к изменению температур нагрева заготовок, снижению стабильности прочностных показателей сварных соединений, увеличению износа электродов и возникновению дефектов.
Режим нагрева при контактной сварке определяется силой тока и временем протекания его через свариваемые изделия. Обычно стремятся к получению интенсивного нагрева в возможно малый промежуток времени. Такой режим сварки называется жёстким и обеспечивает повышение производительности, экономию электроэнергии, уменьшение окисления деталей, уменьшение размеров зоны термического влияния и возможность сварки металлов с высокой теплопроводностью и специальных легированных сталей.
Однако, если есть опасность возникновения закалочных структур, которые могут привести к образованию трещин в зоне сварного соединения, применяют мягкие режимы сварки, характерные увеличением длительности протекания тока при соответственном уменьшении его величины.
Процесс контактной сварки характеризуется не только явлением нагрева, но и пластической деформацией при сжатии деталей. Слои нагретого металла, подвергаемые сжатию, претерпевают структурные изменения, выражающиеся в переориентировке кристаллов сварного соединения, что оказывает большое влияние на качество соединения. Величина оптимального давления находится в зависимости от температуры нагрева. С увеличением температуры необходимое усилие сжатия уменьшается.
Контактная сварка находит широкое применение в промышленности, что обусловлено следующими её преимуществами: высокой производительностью; возможностью механизации процесса; возможностью соединения различных металлов и сплавов, а также разнородных металлов; минимальной деформацией свариваемых изделий.
1.1. Основные виды контактной сварки и их применение
2
Наиболее широкое применение получили следующие основные виды контактной сварки: стыковая (рис. 1), точечная (рис. 2) и (шовная) роликовая (рис. 3). Каждый из этих видов сварки может осуществляться различными способами, отличающимися по техническим признакам, роду используемой электроэнергии и способу подвода тока к свариваемым заготовкам.
Стыковая сварка. Заготовки сваривают по всей плоскости их касания. Для осуществления стыковой контактной сварки применяют специальные машины ручного или автоматического действия (рис. 1). На станине машины 1 расположены плиты 2 и 3, несущие на себе зажимы 4 и 5, предназначенные для закрепления свариваемых деталей и подвода к ним тока от вторичного витка трансформатора 6. Левая плита 2, обычно неподвижная, изолирована от станины. Правая плита 3 может перемещаться прямолинейно по направляющим станины вручную с помощью рычага, штурвала или пружин.
Рис. 1. Схема машины для стыковой контактной сварки
В зависимости от марки металла, площади сечения заготовки и требований к качеству соединения стыковую сварку можно выполнять несколькими способами: сопротивлением, непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом (прил. 1).
При стыковой сварке сопротивлением заготовки, установленные и закреплённые в стыковой машине, прижимают одну к другой усилием определенной величины, после чего по ним пропускают электрический ток. При нагревании металла в зоне сварки до пластичного состояния производится осадка. Ток выключают до окончания осадки. Этот способ сварки требует механической обработки и тщательной зачистки поверхностей торцов заготовки. Неравномерность нагрева и окисление металла на торцах понижают качество сварки сопротивлением, что ограничивает область её применения. С увеличением сечения заготовок качество сварки снижается особенно заметно, главным образом из-за образования окислов в стыке.
3
Этим способом соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм2), одинаковыми по форме с малоразвитым периметром (круг, квадрат, прямоугольник с малым отношением сторон). Металл соединяемых заготовок должен быть однородным. Сварка сопротивлением даёт хорошие результаты для металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом состоянии – малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, алюминиевых и медных сплавов.
Стыковая сварка непрерывным оплавлением состоит из двух стадий: оплавления и осадки. Заготовки устанавливают в зажимах машины, затем включают ток и медленно сближают их. При этом торцы заготовок касаются в одной или нескольких точках. В местах касания образуются перемычки, которые мгновенно испаряются и взрываются. Взрывы сопровождаются характерным выбросом из стыка мелких капель расплавленного металла. При дальнейшем сближении заготовок образование и взрыв перемычек происходит на других участках торцов. В результате заготовки прогреваются на небольшую глубину, а на торцах возникает тонкий слой расплавленного металла, облегчающий удаление окислов из стыка. В процессе оплавления заготовки укорачиваются на заданный припуск. Оплавление должно быть устойчивым (непрерывное протекание тока при отсутствии короткого замыкания заготовок), особенно перед осадкой.
При осадке скорость сближения заготовок резко увеличивают, осуществляя при этом пластическую деформацию на заданный припуск. Переход от оплавления к осадке должен быть мгновенным, без малейшего перерыва. Осадку начинают при включенном токе и завершают при выключенном.
Стыковая сварка оплавлением с подогревом отличается от сварки непрерывным оплавлением тем, что перед началом процесса оплавления заготовки подогревают в зажимах машины периодическим смыканием и размыканием при постоянно включенном токе. При этом происходит процесс прерывистого оплавления и заготовки укорачиваются на заданный припуск. Выдержка при замыкании составляет около 0,5 – 3 с, а при размыкании 2 – 6 с. Количество замыканий может быть от одного до нескольких десятков в зависимости от размеров сечения заготовок.
Применение стыковой сварки оплавлением с подогревом позволяет предупредить резкую закалку и, следовательно, получить более пластичные стыки при сварке закаливающихся сталей; снизить требуемую мощность машины или на машине данной мощности сварить заготовки с большими площадями сечения; осуществить осадку при меньшем усилии; сократить общий припуск на сварку.
Стыковую контактную сварку в судостроении используют при изготовлении якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов, штуцерно-торцевых соединений трубопроводов, стыковых соединений профильной стали, режущего инструмента и других изделий.
4
2.1. Стыковая сварка сопротивлением
Основные параметры стыковой сварки сопротивлением: сила сварочного тока I, усилие осадки РОС, установочная длина LH., припуск на осадку СОС , время нагрева tСВ.(табл. 2).
Сила сварочного тока I (в A) подсчитывается по формуле:
I = F · j,
где F – площадь сечения свариваемого прутка, мм2;j – плотность тока, А/мм2 (определяется по табл. 1 в зависимости от площади сечения прутка).
Таблица 1
Ориентировочные величины плотности тока и времени нагрева от площади сечения прутка при стыковой сварке сопротивлением
Площадь сечения прутка, мм2
Плотность тока,А/мм2
Время нагрева, сек.
6
25
50
100
150
200
250
300
350
400
300
200
160
140
120
100
80
60
40
20
0,2 – 0,3
0,6 – 0,8
0,8 – 1,0
1,0 – 1,5
1,2 – 2,0
1,4 – 2,5
1,6 – 3,0
1,8 – 3,5
2,0 – 4,0
2,2 – 4,5
Величину усилия осадки POС (в кгс) подсчитывают как произведение удельного давления осадки р на площадь сечения свариваемого прутка F:
РОС = р · F,
5
При сварке малоуглеродистой стали удельное давление принимается равным 2 – 5 кгс/мм2.
Установочная длина LН (в мм) – расстояние от торца заготовки до внутреннего края электрода стыковой машины, измеренная до начала сварки. Длина LН зависит от теплофизических свойств металла, конфигурации стыка и размеров заготовки. При недостаточной установочной длине детали прогреваются недостаточно, т.к. тепло интенсивно отводится в губки. Завышение ее сопровождается перегревом деталей и увеличением длины деформируемого участка. Кроме того, возможны перекосы или несоосность торцов вследствие потери устойчивости. Для углеродистых сталей установочная длина равняется LН = (0,5 – 0,7) d , где d - диаметр свариваемого прутка, мм.
Припуск на осадку СОС (в мм) распределяется на осадку под током и осадку без тока. Если осадка недостаточна, в стыке остаются окислы и раковины, наблюдаются непроваренные участки. При завышении величины осадки качество стыков также понижается вследствие искривления волокон и перегрева металла.
Для прутков припуск на осадку определяется:
Время нагрева tсв (в сек) – время прохождения тока через заготовки зависит от плотности тока и площади сечения свариваемого прутка (табл. 1). Завышенное время нагрева является одной из причин возникновения окислов в стыке и образования малопластичной перегретой структуры металла.
Таблица 2
Расчет параметров стыковой сварки сопротивлением
№п/п
Наименование параметра Расчетная формула
Численное значение
1
2
3
4
5
Диаметр свариваемого прутка d, мм
Площадь сечения прутка F, мм2
Плотность тока j, A/мм2
Сила сварочного тока I, А
Удельное давление осадки Р, кгс/мм2
Прил. 3
Табл. 1
6
6
7
8
9
Усилие осадки Poc, кгс
Установочная длина LH, мм
Припуск на осадку СОС, мм
Время нагрева tCВ, сек.
Табл. 1
7
ПРОБЛЕМЫ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ ЛЕНТОЧНЫХ ПИЛ, ПРОВОЛОК И СТЕРЖНЕЙ
Авторы: Чайка В.Г., к.т.н., Волохатюк Б.И., Чайка Д.В., инженеры (г. Киев)
Стыковая сварка – способ контактной сварки, когда детали соединяются в
процессе совместной пластической деформации нагретых электрическим
током торцов деталей при осадке по всей площади сечения. Детали 1 (рис.1)
устанавливают в токоподводящих зажимах 2 и 3, один из которых, например,
зажим 3 подвижный. Cварка проходит в два этапа. На первом этапе
осуществляется нагрев торцов деталей, на втором их осадка. По методу
нагрева различают два способа контактной стыковой сварки -
сопротивлением и оплавлением. Эти два способа сварки отличаются как по
сложности конструкции сварочных машин, реализующих эти технологии, так
и по качеству получаемых соединений. В машинах для сварки
сопротивлением подвижный зажим приводится в движение усилием
пружины. В машинах для сварки оплавлением подвижный зажим
приводится в движение специальным приводом, от которого зависит
изменение скорости при оплавлении и осадке.
Нагрев деталей при стыковой сварке происходит благодаря тому, что
через них проходит электрический ток Iсв и на общем электрическом
сопротивлении деталей R выделяется тепло Q (закон Джоуля – Ленца):
Q = Iсв2R/t, (1)
где: t – время сварки.
Общее сопротивление деталей определяется выражением:
R = 2Rд+Rк , (2)
где: Rд – сопротивление деталей (вылетов деталей из электродов машины);
Rk - контактное сопротивление между деталями.
8
Сопротивление деталей 2Rд зависит от удельного электрического
сопротивления металла ρ, длины их вылетов из электродов машины
(установочной длины под сварку) Lсв и площади поперечного сечения
деталей S:
2Rд = Kп ρLсв/S, (3)
где: Кп – коэффициент поверхностного эффекта (заметно растет до
температуры ферромагнитного превращения).
Контактная стыковая сварка сопротивлением. При сварке
сопротивлением (рис. 1) детали предварительно сжимают с заданным
усилием Fсв и включают сварочный трансформатор 4. По ним протекает
сварочный ток и происходит постепенный нагрев стыка до температуры,
близкой к температуре плавления. Торцы деталей размягчаются и под
действием приложенного усилия пружины Fсв происходит их осадка. Детали
деформируются в стыке, формируется физический контакт и образуется
соединение. Сварочный ток выключается в процессе осадки.
Нагрев деталей при сварке сопротивлением на начальном этапе
осуществляется за счет контактного сопротивления Rк в торцах деталей.
Наличие контактного сопротивления связано с ограниченностью площади
электрического контакта из-за неровной поверхности деталей, а также из-за
различных неэлектропроводных поверхностных образований: оксидных
пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и др.
Поэтому фактическая площадь контакта до начала нагрева деталей
значительно меньше поперечного сечения деталей. Вначале процесса Rк
относительно велико, но при нагреве до 600…700 оС практически исчезает, и
дальнейший нагрев деталей осуществляется за счет их удельного
электрического сопротивления. Контактное сопротивление оказывает
9
решающее влияние на нагрев деталей. В общем балансе теплоты доля
теплоты, выделяемой на контактном сопротивлении между деталями, не
превышает 10…15 %. Однако она выделяется в узкой приконтактной зоне за
небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней
температуры, которая сохраняется и после исчезновения контактного
сопротивления до конца цикла сварки. Интенсивность тепловыделения в
контакте определяется начальным давлением в торцах, которое для сталей
обычно не превышает 15…30 МПа. При снижении давления интенсивность
тепловыделения возрастает, но ухудшается равномерность нагрева по
сечению. Кроме того малое давление в торцах деталей и большая плотность
тока, необходимая для нагрева сопротивлением (значительно большая, чем
при нагреве оплавлением), приводят к выплескам металла при нагреве и
вследствие этого к образованию оксидов в зоне соединения.
Нагрев сопротивлением деталей, таких как ленточные пилы, происходит
очень неравномерно. Это связано со случайным расположением участков
контактирования и является основной проблемой при сварке
сопротивлением. Неравномерность нагрева возрастает с увеличением
ширины свариваемых лент, и обеспечить распределенный равномерный
контакт вдоль стыка лент шириной более 20 мм весьма проблематично. В
стыке лент, установленных в зажимы сварочной машины, контакт
традиционно образуется с одной стороны стыка. В процессе сварки этот
участок первоначального контактирования более длительный период
времени подвергается термическому воздействию и нагревается до более
высоких температур. Это приводит к перегреву металла на данном участке со
всеми вытекающими последствиями - ростом зерен, отложением примесей
по границам зерен и др. Пластические и прочностные свойства металла в
данной зоне снижаются, и улучшить их высоким отпуском невозможно.
Поэтому сварные соединения ленточных пил, полученные контактной
10
стыковой сваркой сопротивлением, не имеют высокого, а главное –
стабильного качества сварки.
Обеспечение нагрева и получение требуемого температурного поля - это
только первая половина задачи сварки. Второй половиной задачи является
формирование сварного соединения в процессе пластической деформации
нагретых торцов во время осадки. На процесс образования сварного
соединения при стыковой сварке решающее влияние оказывают оксидные
пленки на торцевой поверхности деталей. Они затрудняют межатомное
взаимодействие и препятствуют формированию прочных металлических
связей. При сварке сопротивлением в процессе осадки происходит лишь
частичное разрушение и удаление оксидов, что определяет относительно
низкую пластичность получаемых соединений.
Не смотря на не высокое качество получаемых сварных соединений, но
благодаря простоте и низкой цене машины для контактной стыковой сварки
сопротивлением имеют достаточно широкое распространение. Это
оправдано в тех случаях, когда к сварным соединениям не предъявляют
жестких требований. На рынке предлагаются машины для сварки пил
сопротивлением итальянских, китайских и немецких производителей, а
также их копии САП-40, Г-45 (Украина), САКС-051, УСЛ-50 (Россия). Это
по сути одни и те же машины, которые изначально были предназначены для
сварки пил шириной до 20 мм. Такие машины не имели спроса, поскольку не
обеспечивали сварку наиболее распространенных пил шириной 35 мм. Для
успешной торговли такой ширины не достаточно и предприимчивые
бизнесмены заказали у производителей те же машины, но с зажимами для
пил шириной до 40 мм. Однако и здесь наши украинские предприниматели
сумели отличиться, предлагая к продаже аппараты САП-50 и САП-60
(снабжены зажимами для пил шириной до 50 и 60 мм). Благодаря указанной
хитрости продажа пошла, хотя в данной ситуации речи о качественной и
11
надежной сварке нет. Продавец убеждает недостаточно технически
информированного покупателя и последний приобретает
разрекламированную машину. При этом покупатель соблазняется ценой и
мыслями о том, что часть расходов на машину он покроет, обслуживая
соседей - коллег по бизнесу. Последняя идея очень быстро угасает,
поскольку ни один сосед не придет в третий раз переваривать порванную по
сварке пилу. Покупатель остается один на один со своей машиной и
вынужденно пользуется ею, переваривая рвущиеся швы – ведь деньги то уже
заплачены. Чтобы такого не произошло необходимо осознать, что не следует
приобретать сварочные машины, руководствуясь соображениями
дешевизны и мыслью использования "в основном для себя". Если
недостаточно средств для приобретения хорошей сварочной техники
следует пользоваться услугами того предприятия, где эта техника есть.
Иначе неотвратимо наступит момент когда "скупой платит дважды"- в
данном случае еще и за пилы. Хочется еще раз подчеркнуть, предупредить
покупателей – когда дело идет о разработке и производстве контактных
машин без участия технологов-сварщиков - дело обречено на провал (в
данном случае мы имеем в виду машины САП-40…САП-60 и упомянутую
ниже МС4). Контактные машины - очень специфическая техника и это
лишний раз подтверждает высокая цена хороших, правильных машин.
Контактная стыковая сварка оплавлением. При сварке оплавлением
вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а
затем их сближают с заданной скоростью. В процессе сближения между
деталями непрерывно возникают и разрушаются электрические контакты,
оплавляя торцы до получения на них сплошного слоя жидкого металла.
Далее резко увеличивают скорость сближения деталей, включается осадка и
под действием приложенного усилия Fсв торцы смыкаются, и образуется
сварное соединение. Ток выключается во время осадки деталей. Нагрев
деталей на начальной стадии процесса, в основном, осуществляется за счет
12
контактного сопротивления между деталями Rк, которое значительно больше
сопротивления самих деталей 2Rд. К концу оплавления скорость сближения
возрастает и благодаря увеличению при этом количества и размера
контактов, их равномерному распределению по сечению контактное
сопротивление уменьшается, а сопротивление деталей 2Rд в результате
нагрева несколько возрастает. Это обеспечивает улучшение равномерности
нагрева деталей и их температурного поля. Механизм нагрева при
оплавлении можно представить следующим образом. В процессе сближения
деталей между твердыми или жидкими локальными участками поверхности
торцов образуются электрические контакты. Нагрев контактов происходит
током большой плотности, который вызывает их быстрое плавление и
образование перемычек из жидкого металла (рис.2). Перемычки мгновенно
разрушатся (длительность существования перемычек не превышает
0,001...0,005 с). Форма и размеры перемычек определяются действием двух
основных противоположно направленных сил (рис.2,а): сил от
поверхностного натяжения σ, стремящихся при сближении деталей
уменьшить зазор Δз, увеличить диаметр перемычки dп, и электромагнитных
сил Fс (пропорциональных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать и
разорвать перемычку. Сжатие перемычки вызывает увеличение в ней
плотности тока и скорости нагрева. При достаточно большой плотности тока
(около 3000 А/мм2 при оплавлении низкоуглеродистой стали) металл в
центре перемычки переходит в парообразное состояние и под действием
возникающих при этом сил Fп происходит ее взрывообразное разрушение.
Давление паров в момент взрыва достигает 10…12 МПа, а температура
6000…8000 оС. Расплавленный металл выбрасывается из стыка в виде искр со
скоростями, превышающими 60 м/с и ведет к укорочению деталей. Между
одновременно существующими перемычками, как между проводниками с
током одного направления, действуют электромагнитные силы Fв (рис.2,б),
13
стремящиеся их сблизить и объединить. Однако из-за быстрого разрушения
перемычек этот процесс обычно не успевает завершиться. Силы Fк,
вызванные взаимодействием тока в перемычках с магнитным полем
сварочной машины, способствуют их перемещению в стыке и выталкиванию
из сварочного контура.
Перемычки в стадии их формирования до момента разрушения служат
источниками нагрева (за счет теплопроводности) металла околошовной
зоны. В начале оплавления распределение температуры на оплавленных
торцах неравномерно, причем степень неравномерности по мере нагрева
уменьшается (рис.3). Хотя расплавленные участки появляются уже в начале
оплавления, средняя температура на торцах растет постепенно до тех пор,
пока их поверхности не покроются более или менее равномерным слоем
расплавленного металла. Это обеспечивается при установившемся процессе
оплавления, когда перемычки последовательно и многократно с большой
частотой возникают и разрушаются по всей площади торцов деталей
(рис.3,б). Таким образом, нагрев оплавлением заключается в накоплении
тепла, выделяющегося в процессе непрерывного образования и разрушения
электрических контактов (перемычек) в процессе сближения свариваемых
торцов. Часть выделившегося при этом тепла остается в металле, другая
часть безвозвратно теряется в атмосфере с брызгами металла.
Одной из главных характеристик процесса оплавления является его
устойчивость, которая обеспечивается в том случае, если снижение
контактного сопротивления в стыке компенсируется быстрым нарастанием
тока сварки и повышением полезной электрической мощности машины. На
практике для обеспечения устойчивого оплавления применяют сварочные
машины с 3…5 - кратным запасом мощности. Если при сварке какой либо
сторонний возмущающий фактор вызывает даже кратковременный срыв
14
оплавления и переход на нагрев сопротивлением, такой большой запас
мощности приводит к полной потере качества соединения. Это
обусловливается тем, что напряжения, необходимые для устойчивого
оплавления, приблизительно в 1,5 раза выше, чем напряжения необходимые
для нагрева сопротивлением. В случае перехода на нагрев сопротивлением
большое вторичное напряжение приводит к резкому увеличению тока и к
перегреву металла в зоне соединения. Поэтому разработка новых сварочных
машин с меньшим запасом электрической мощности, обеспечивающих
высокое и стабильное качество соединений, весьма актуальна.
Следует отметить, что процесс оплавления целесообразно вести при
минимально возможном вторичном напряжении, однако достаточном для
устойчивого оплавления. При этом увеличивается время пребывания
перемычек в стыке, доля теплоты, идущей непосредственно на нагрев
деталей, глубина прогрева деталей, больше расплавленного металла
остается на торцах. В этом случае термический коэффициент полезного
действия процесса оплавления максимален.
В процессе оплавления детали нагреваются до образования на торцах
слоя расплавленного металла и получения требуемого распределения
температур в околошовной зоне. Последующая осадка стыка обеспечивает
удаление из торцов оксидов и формирование металлических связей в зоне
соединения. Удаление оксидов облегчено и происходит вместе с частицами
расплавленного металла, выбрасываемого из стыка в грат при оплавлении, и
при осадке в процессе деформации. Кроме того избыточное давление паров
металла, возникающее при оплавлении, защищает расплавленный металл от
окисления, затрудняя проникновение воздуха в торцы. Поэтому
механические свойства таких соединений выше, хотя и в данном процессе
есть резервы их улучшения. Повышение скорости соединения (смыкания)
15
торцов на конечной стадии оплавления и скорости осадки уменьшит
вероятность окисления расплавленного металла и обеспечит получение более
мелкозернистой структуры металла шва. Скорость растет с увеличением
усилия осадки и уменьшением массы подвижного зажима. Однако
существенно увеличить скорость на существующем оборудовании
затруднительно, так как большие усилия осадки приводят к потере
устойчивости торцов лент, а масса подвижного зажима определена
конструкцией машины и не может быть изменена. Особенно мала скорость
осадки при сварке сечений, которые являются минимальными для сварочной
машины. Это обусловлено необходимостью применения малых усилий
осадки, при которых сохраняется устойчивость торцов деталей в процессе
деформации. Кроме этого повышение скорости крайне желательно при
сварке сложно свариваемых сталей и сплавов. К таким сталям относятся
пружинные и быстрорежущие стали, из которых изготовлены
биметаллические пилы, а, как известно, получить стабильное качество сварки
биметаллической пилы на существующих машинах задача
трудновыполнимая. Поэтому актуальна разработка новых машин с
повышенной скоростью соединения (смыкания) торцов при осадке.
Предлагаемые на рынке машины для контактной стыковой сварки
оплавлением IDEAL BAS-050, IDEAL BAS-060 и др. (Германия), FULGOR
FW400, (Италия), FL50 (Россия) выполнены по традиционной однотипной
схеме и отличаются друг от друга, в основном, мощностью и внешним
видом. Машины украинских производителей Г-22 и облагороженная внешне,
но ухудшенная по жесткости конструкции ее копия МС4 - тяжелые, не
надежные, не отвечающие настоящему времени конструкции.
Рассмотрим наиболее удачные машины BAS-050 и BAS-060 фирмы
IDEAL (Германия). Данные машины достаточно популярны (несмотря на
высокую стоимость), поскольку позволяют получать стабильное качество
сварки. Машины доступны, т.к. выпускаются серийно, могут
16
комплектоваться пирометрами для автоматического поддержания
температуры при термообработке, ножницами для резки пил и зачистными
устройствами. Аргументом в пользу выбора этих машин часто является
наличие пирометра. По нашему мнению данный аргумент является
ошибочным и вот почему. Поскольку пирометр измеряет и поддерживает
температуру по заданной программе в одной точке шириной приблизительно
1 мм необходимо, чтобы при термообработке температура металла по
ширине ленты была одинаковой. Это возможно только в случае обеспечения
равноценного токоподвода в обоих зажимах, т.е. распределение усилий
прижима и контактных сопротивлений в токоподводах по ширине ленты
должно быть одинаковым. Для этого необходимо, чтобы контактные
поверхности были идеально чистыми и ровными при каждой сварке. На
практике чистота контактных поверхностей, при которой обеспечивается
достаточно равномерный нагрев и соответственно удовлетворительная
работа пирометра сохраняется лишь для ограниченного количества сварок
(10…20 сварок). При большем количестве сварок токоподводы недопустимо
загрязняются и при термообработке неравномерность нагрева ленты вдоль
стыка может достигать 120 градусов. В этом случае термообработка,
выполненная в соответствии с показаниями пирометра, сможет обеспечить
получение необходимых механических свойств металла только для участка,
где проводились измерения. Для остальных участков металла такой режим
термообработки не подходит и поэтому качество получаемых соединений
будет неудовлетворительным. Чтобы этого не происходило, производитель
рекомендует снимать токоподводящие губки с машины и производить их
шлифовку на шлифовальном станке через каждые 10…20 сварок (в
зависимости от ширины свариваемых лент). Что же делать? Как вести
термообработку? По нашему мнению наиболее рационально выполнять
термообработку вручную, визуально оценивая усредненную температуру
стыка. При этом оператор–сварщик в зависимости от неравномерности
нагрева может корректировать как температуру, так и длительность нагрева
17
зоны термообработки. Естественно, неравномерность нагрева не должна
быть очень большой, токоподводы необходимо шлифовать, но с большей
периодичностью. По нашим наблюдениям в процессе обучения сварщик
достигает приемлемой квалификации уже в течение первого дня обучения.
К недостаткам рассмотренных сварочных машин можно отнести
следующее:
а). Стремление разработчиков обеспечить устойчивость процесса
оплавления путем повышения запаса электрической мощности и снижения
сопротивления короткого замыкания сварочного контура машины приводит к
использованию сварочных трансформаторов неоправданно высокой
мощности.
б). При случайном нарушении устойчивого оплавления с переходом на
нагрев сопротивлением подвижный зажим продолжает перемещение со
скоростью, предусмотренной для процесса оплавления. Это затягивает время
восстановления устойчивого оплавления при значительно увеличенных токах
сварки и приводит к перегреву металла в зоне соединения.
в). Расположение зажимов лент не симметричное оси сварочного
трансформатора не обеспечивает равномерного их нагрева при
термообработке.
г). Большие массы подвижных зажимов обусловливают малые скорости
их перемещения (особенно при сварке меньших сечений) и соответственно
низкое качество сварки.
д). Процесс оплавления сопровождается выделением большого количества
частиц металла в виде брызг, пыли и аэрозоли. Поэтому во всех сварочных
машинах чрезвычайно уязвимы подшипники каретки подвижного зажима и
поверхности медных токоподводящих губок.
18
е). Для шлифовки токоподводов необходимо их снятие со сварочной
машины.
Из выше изложенного ясно, что существующие сварочные машины
исчерпали свои возможности по улучшению свойств сварных соединений.
Поэтому была разработана и внедрена в производство серия машин для
стыковой сварки оплавлением нового поколения. В данных машинах
отсутствуют выше перечисленные недостатки. Машины имеют малую массу
подвижных частей, обеспечивают высокую скорость осадки при сварке, как
малых, так и больших сечений.
Основные особенности разработанных машин следующие:
1. Привод оплавления: пружинно-гидравлический с регулируемой
скоростью оплавления (без гидростанции);
2. Привод осадки пружинный с динамической регулировкой усилия в
стыке непосредственно в процессе осадки.
3. Конструкция машины выполнена с таким расчетом, чтобы обеспечить
максимальную скорость при соединении (смыкании) торцов в процессе
осадки при сварке всех сечений, на всех режимах сварки.
5. Зажимы лент раскрываются таким образом, что обеспечивают полный
доступ к токоподводящим губкам для их очистки после каждой сварки.
6. Взвод силовой пружины, управление циклом сварки, регулировка
температуры при термообработке, т.е. полное управление машиной
осуществляется одним рычагом (нет кнопок управления). 7.
Трансформатор сконструирован с учетом обеспечения устойчивого
оплавления при минимальном запасе мощности, потери мощности от
магнитных потоков рассеяния вторичного витка сведены к минимуму.
19
Технические данные машин для контактной стыковой сварки оплавлением
"Чайка" приведены в таблице, внешний вид машины МКССО-60 показан на
рис. 4. Разработанное оборудование запатентовано и сертифицировано, имеет
высокую надежность и обеспечивает стабильное качество сварных
соединений как прутков и проволок, так и ленточных пил. В процессе
эксплуатации сварочной машины МКССО-60Б установлено, что процент
брака при варке биметаллических пил фирмы FENES, BAHCO и EBERLE по
сравнению со сваркой на машине BAS-050 снизился в четыре раза и составил
0,5%.
Технические данные машин для контактной стыковой сварки
оплавлением "Чайка"
20
Параметры МКССО-40 МКССО-60 МКССО-60Б
МКССО-80
Первичное напряжение сети, В
380 380 380 380
Макс. первичный ток (при сварке), А
10 15 15 20
Ширина/толщина свариваемых лент, мм
10...400,6…1,3
20...600,7…1,3
10...600,6…1,3
30...800,8…1,2
Диаметры свариваемых проволок и стержней из низкоуглеродистых сталей, мм
1,0…8,0 1,5…9,0 1,5…9,0 3,5...12,0
Количество сварок (лент) в час
30...40 30...40 30...40 10…40
Время сварки, с 0,9…2,0 1,0…2,0 1,0…2,2 1,5…2,5Напряжение сварки, В
2,8...3,2 2,8...3,4. 2.8…3,4 2.9…3,8
Охлаждение водяное, автономное
водяное, автономное
водяное, автономное
водяное, автономное
Усилие осадки, Н 200...400 200...700 200...700 400...1200Регулировка термообработки
плавная плавная плавная плавная
Габаритныеразмеры HxLxB, мм
280x540x430 280x540x430 280x540x430 280x540x430
Масса, кг 105 105 105 125
21
Контактная стыковая сварка
Стыковая сварка – способ контактной сварки, при котором соединение свариваемых деталей происходит по поверхности стыкуемых торцов.
При стыковой сварке (рис.8) зажатые электродами с усилием Fсж свариваемые детали соединяются по всей поверхности их контакта при осадке усилием Fсв после местного нагрева соединяемых концов. Усилие Fсж обычно значительно превышает Fсв. После сварки в месте стыка образуется грат (рис.9), который удаляется механическим путем.
По степени нагрева торцов деталей различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением (непрерывным и прерывистым).
Стыковая сварка сопротивлением – способ, при котором чисто обработанные поверхности двух деталей приводятся в плотное соприкосновение с пропусканием сварочного тока. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производится осадка (сжатие) деталей с одновременным отключением тока. Таким способом сваривают детали из
низкоуглеродистых сталей, круглого или прямоугольного сечения площадью до 1000 м2 и легированных сталей площадью до 20 мм2. Цветные металлы и их сплавы хорошо свариваются сваркой сопротивлением. Этим способом можно соединять и разнородные металлы (сталь с медью, латунь с медью, различные сорта сталей между собой).
Сварка сопротивлением требует высокой точности обработки и плотности прилегания свариваемых поверхностей. Недостатки подгонки (перекос, зазор) приводят к неравномерному прогреву деталей, образованию оксидов и тем самым – снижению качества сварного соединения. Допустимые отклонения размеров стыкуемых поверхностей круглых сечений – не более 2%, прямоугольных – не более 1,5%. Свариваемые торцы деталей подвергают тщательной механической или химической очистке.
Сварка непрерывным оплавлением выполняется в следующей последовательности. Детали, закрепленные в зажимах машины, плавным перемещением подвижного зажима приводят в соприкосновение при включенном сварочном токе. При этом происходит оплавление свариваемых торцов деталей. Затем производится осадка деталей на установленную величину, после чего ток выключается. Способ применяется для соединения тонкостенных труб, листов, рельсов и др. Допускается сварка разнородных металлов. Достоинством способа сварки с непрерывным оплавлением является высокая производительность; недостатком – значительные потери металла на угар и разбрызгивание.
Сварка прерывистым оплавлением производится чередованием плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей при включенном сварочном токе.
Рисунок 8 - Схема контактнойстыковой сварки
Рисунок 9 - Сварной стык
22
Небольшие возвратно-поступательные движения подвижного зажима периодически замыкают сварочную цепь в месте контакта деталей до тех пор, пока торцы их не нагреются до температуры 800…900°С. Затем производится оплавление и осадка. Методом прерывистого оплавления свариваются
низкоуглеродистые стали в тех случаях, когда мощность машины недостаточна для производства сварки с непрерывным оплавлением. Этот способ также связан с дополнительным расходом металла, поэтому иногда подогрев осуществляется методом сопротивления (включается ток при замкнутой сварочной цепи), а затем разводятся детали и переходят к оплавлению и осадке.
Сварка оплавлением допускает менее тщательную обработку свариваемых торцов, чем при сварке сопротивлением, так как часть металла из зоны сварки оплавляется. Детали под сварку могут нарезаться пресс-ножницами и даже кислородной резкой (с последующей очисткой от окалины и шлака). Допускаются большие отклонения размеров сечений торцов стыкуемых деталей (круглых – до 15%; прямоугольных – до 12%).
Оригинальный способ стыковой сварки был предложен советским изобретателем Александром Михайловичем Игнатьевым (1879 - 1936). При нормальном способе стыковой контактной сварки электрический ток и давление осадки направлены нормально к поверхности стыка. При сварке по способу А.М. Игнатьева давление также прилагается нормально к поверхности стыка, но электрический ток пропускается параллельно поверхности стыка (рис.10)
Применение контактной сварки
Рисунок 10 - Принцип стыковой сварки по методу А.М. Игнатьева1 – электрод; 2 – пуансон осадочного пресса; 3 – заготовка;
4 – пластина быстрорежущей стали; 5 – изолирующаяасбестовая прокладка
23
Область применения контактной сварки весьма обширна – от крупногабаритных строительных конструкций и космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и микросхем.
Контактной сваркой можно соединять практически все известные конструкционные материалы – низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и титана и др.
Точечная сварка – наиболее распространенный способ контактной сварки. Этот способ широко используется в автомобиле-, вагоно- и авиастроении, строительстве, радиоэлектронике и т.д. Диапазон свариваемых толщин – от нескольких микрометров до 30 мм.
Шовная сварка применяется при изготовлении различных герметичных емкостей, например, топливных баков автомобилей и летательных аппаратов, емкостей и камер бытовой техники, плоских отопительных радиаторов и т.п. Шовная сварка обеспечивает получение прочноплотных швов при производстве чувствительных элементов в приборостроении. Скорость сварки швов может достигать на отдельных участках 10 м/мин, а плотность соединений обеспечивает высокую надежность работы сварных конструкций в условиях очень низкого вакуума или больших давлений рабочей среды.
Рельефная сварка используется для крепления кронштейнов к листовым деталям, например, скобы к капоту автомобиля, петли для навески дверей к кабине, для соединения крепежных деталей – болтов, гаек и шпилек, крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и др. Рельефная сварка по непрерывным рельефам также дает возможность получать герметичные соединения.
Стыковая сварка сопротивлением находит ограниченное применение, ввиду сложности обеспечения равномерного нагрева стыка и получения соединения по всей поверхности контакта, что обусловлено присутствием оксидных пленок. Этот способ применяется в основном при соединении проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.
Стыковая сварка оплавлением применяется для соединения трубопроводов, арматурных стержней железобетонных изделий, железнодорожных рельсов (бесстыковые пути) в стационарных и полевых условиях, длинномерных заготовок из различных конструкционных сталей и сплавов и цветных металлов. Стыковая сварка оплавлением обеспечивает экономию легированной стали при производстве режущего инструмента. Например, данным способом сваривается рабочая часть сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали.
ЛИТЕРАТУРА
ГОСТ 19521-74 Сварка металлов. Классификация
Оборудование для контактной сварки / Под ред. В.В. Смирнова. – СПб.:
24
Энергатомиздат. 2000. – 848с.
Технология и оборудование контактной сварки / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев и др.; Под общ. ред. Б.Д. Орлова. – М.: Машиностроение. 1986. – 352с.
Сварка на контактных машинах / Н.С. Кабанов. – М.: Высшая школа. 1979. – 215с.
Основы сварочного дела / В.Г. Геворкян. – М.: Высшая школа. 1991. – 239с.
Сварка, резка и пайка металлов / К.К. Хренов. Машиностроение. 1952. 384с.
Справочник сварщика / Под ред. В.В. Степанова. М., Машиностроение, 1974, 520с.
Оборудование для контактной сварки: Справочное пособие / Под ред. В.В. Смирнова. – СПб.: Энергоатомиздат. 2000. – 848с.
25