Плотность тока при контактной сварке

Обновлено: 27.03.2024

Контактной сваркой называют такой вид электросварки, при которой нагрев металла производится теплом, развивающимся в свариваемых деталях при их контакте и пропускании через них электрического тока, а для соединения деталей применяется давление.

Сущность этого способа электросварки заключается в том, что при пропускании тока большой силы через соприкасающиеся на небольшой плоскости металлические детали в месте контакта этих деталей оказывается максимальное по сравнению со всей деталью сопротивление проходящему току и, следовательно, выделяется максимальное количество тепла. При достаточной силе тока выделяющееся тепло быстро нагревает металл до такого состояния, при котором он легко деформируется приложенной к нему силой; по прекращении действия тока металл охлаждается, и детали оказываются сваренными.

Количество тепла, выделяющегося в месте контакта свариваемых деталей, будет

где Q — количество тепла в кал;

I — сила тока в а;

R — сопротивление цепи в месте контакта деталей в ом;

t — время действия тока в сек.

Так как количество выделяющегося тепла пропорционально квадрату силы тока, то целесообразно пользоваться токами большой силы; поэтому при контактной сварке применяются токи от 100 до 100 000 а; для получения тока большой силы ставят трансформаторы, понижающие напряжение сетевого тока до 10—1 в.

Постоянный ток для контактной сварки практического применения не имеет.

Стыковая сварка. На фиг. 385 представлена схема стыковой контактной сварки. Сетевой ток поступает в первичную обмотку. 3 трансформатора. От вторичной обмотки 4 преобразованный ток низкого напряжения и большой силы подводится к медным зажимам 1; в месте соединения свариваемых деталей 2 ток встречает большое сопротивление и разогревает здесь металл.


Различают следующие основные виды контактной сварки: 1) стыковая, 2) точечная, 3) роликовая или шовная и 4) рельефная.

Стыковую контактную сварку подразделяют на сварку без оплавления свариваемых деталей, сварку с непрерывным оплавлением и сварку с прерывистым оплавлением.

Сварка без оплавления. Стыковую сварку без оплавления свариваемых деталей иногда называют сваркой сопротивлением. При сварке без оплавления контакт между свариваемыми деталями должен сохраняться до окончания процесса сварки. Свариваемые детали, захваченные зажимами (губками), приводят в соприкосновение; после этого включают подводимый к зажимам сварочный ток. В месте стыка происходит достаточно быстрый нагрев металла до сварочного жара, т. е. до температуры, при которой нагреваемый металл может легко деформироваться; после этого ток выключают и производят давление на свариваемые детали, в результате чего несколько деформированные концы деталей окажутся сваренными.

Сварка с оплавлением. При этом способе контактной сварки свариваемые детали приводят в соприкосновение при включенном токе. Между сближенными деталями возникает сильное искрение, поверхностный слой металла в месте стыка оплавляется. Последующим давлением оплавленные концы соединяются в одно целое с образованием на поверхности так называемого «грата», который представляет собой выдавленный оплавленный металл.

Процесс сварки с оплавлением идет быстрее процесса без оплавления; кроме того, этим способом можно легко сваривать материалы, не способные хорошо деформироваться пластически.

При сварке с оплавлением всегда имеют место потери некоторого количества металла на оплавление и угар.

Сварка прерывистым оплавлением. Этот способ является промежуточным между способами контактной сварки без оплавления и с оплавлением. Процесс ведут поочередно плотным и неплотным контактом и заканчивают оплавлением свариваемых поверхностей, после чего на свариваемые детали производят давление, и они соединяются в прочное целое. Преимуществом этого способа перед способом сварки с оплавлением является уменьшение потерь в металле на угар и оплавление.

Величина выступающих из зажимов концов (на фиг. 385) т, n свариваемых деталей зависит от размеров детали и свойств материала, из которого они изготовлены: она составляет 0,6—0,7 d на каждый выступ (фиг. 385). В случае сварки различных по электропроводности материалов для материала с большей электропроводностью выступ должен быть больше.

Выступающая из зажимов часть свариваемой детали уменьшается в процессе оплавления и при осадке; это следует предусмотреть, давая необходимые припуски. Средний размер припуска на оплавление составляет 0,65—0,75 длины выступа, а на осадку 0,25—0,35 этой длины.

Стыковым методом можно сваривать детали из мягкой стали диаметром до 190—200 мм (железнодорожные рельсы, трубы и т. п.), а медные вследствие высокой электропроводности меди — до 50 мм.

Свариваемые концы деталей из однородного материала должны иметь одинаковое поперечное сечение; в случае надобности произвести сварку концов неодинаковых сечений большее сечение должно быть уменьшено или осажено на меньшее. В случае невозможности сделать это по конструктивным соображениям иногда прибегают к подогреву более толстой детали.

При выборе машин для стыковой сварки исходят из расчета 6—12 ква на 1 см 2 поперечного сечения свариваемой детали. При сварке ободьев и колец вследствие шунтирования тока потребная мощность берется на 30—50% больше. Напряжение при сварке без оплавления составляет 5—6 в, при сварке с оплавлением вследствие наличия между свариваемыми деталями воздушного зазора 12-15 в.

Плотность тока, необходимая при контактной стыковой сварке, зависит от электропроводности свариваемого материала и времени сварки: чем меньше электропроводность, тем меньше и потребная плотность тока. Минимальная плотность тока при сварке сталей порядка 20 а/мм 2 .

В качестве иллюстрации зависимости плотности тока от длительности процесса сварки на фиг. 386 приведен график, составленный для процесса сварки стальных стержней диаметром 10 мм. Давление на стыке составляет

при сварке без оплавления 1,5—3,5 кг/мм 2 и при сварке с оплавлением 2,5— 5,0 кг/мм 2 .


Процесс стыковой сварки может быть полностью механизирован; при частичной механизации автоматически производится только включение и выключение тока.

Стыковую сварку применяют для приварки режущих частей инструмента к державкам, для сварки валов, осей, арматуры железобетонных сооружений, при производстве деталей автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных машин и пр.

Производительность контактной сварки выше производительности газовой и дуговой.

На фиг. 387, а в виде примера применения стыковой сварки показаны заготовки для стыковой сварки, а на фиг. 387, б — деталь (ось диференциала) в готовом виде.


Точечная сварка. Точечной контактной сваркой называется вид электросварки, при котором металлические изделия, наложенные одно на другое, свариваются в отдельных точках (внахлестку).

Точечная сварка была впервые осуществлена в 1887 г. Бенардосом, применявшим для нее угольные электроды. Впоследствии угольные электроды были заменены медными, применяемыми до настоящего времени.

Сущность процесса точечной сварки заключается в следующем: 1) подлежащие сварке листы накладывают друг на друга (внахлестку); 2) листы сжимают в местах сварки электродами; 3) вследствие механического воздействия со стороны электродов свариваемые листы входят в близкое соприкосновение на небольшой площади (точке), находящейся под самыми электродами; 3) через электроды пропускают ток большой силы, который встречает сопротивление в месте контакта свариваемых листов и разогревает их; 5) нагрев расплавляет поверхностный тонкий слой листов в месте их контакта и доводит до пластического состояния прилегающие слои металла; 6) после этого ток выключают и производят давление на электроды, под действием которого материал листов входит в близкое соприкосновение, и в точке разогрева металла до пластического состояния происходит сваривание листов.

Время прохождения тока при сварке стальных листов составляет приблизительно 0,1 — 1 сек. на 1 мм толщины свариваемого листа. Толщина листов, свариваемых таким способом, при современном оборудовании не превышает суммарно 30 мм.

Мощность аппаратов для точечной сварки достигает 400 ква; считают, что на 1 мм суммарной толщины свариваемых листов нужно 3—5 ква мощности.

Плотность тока на контактирующей поверхности медных электродов должна быть не менее 50 а/мм 2 , так как при меньшей плотности достаточный нагрев листов в месте контакта не достигается.

Контактная сварка

На фиг, 388, а показана схема точечной контактной сварки, а на фиг. 388, б— устройство машины для точечной сварки с трансформатором, помещенным в корпусе машины.

Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка; при таком способе детали сваривают по предварительно подготовленным выступам, выштампованным на одной из свариваемых деталей. Электродами здесь служат плиты с плоскими поверхностями. При прохождении тока выступы нагреваются, а после выключения тока подвергаются давлению. Схема рельефной сварки показана на фиг. 389, а.


В случае невозможности при точечной сварке воздействовать электродами с двух сторон свариваемых деталей можно применять одностороннюю точечную сварку двумя электродами. Схема такой сварки показана на фиг. 389, б; электроды здесь расположены по одну сторону свариваемых деталей.

Давление, необходимое при точечной сварке, должно обеспечивать хороший контакт между электродами и свариваемыми деталями. Оно изменяется в зависимости от толщины листов и химического состава металла; величина его колеблется в пределах 2—12 кг/мм 2 . Диаметр наконечника электрода, определяет диаметр сварочной точки; диаметр последней для обеспечения хорошей сварки должен быть приблизительно в 3 раза больше толщины наиболее тонкого из свариваемых листов.

Точечную сварку можно применять при сварке листов обшивки автомобилей, можно также сваривать детали уголкового и швеллерного профиля (фиг.390)


Контактная сварка соединений внахлестку может быть осуществлена по совершенно оригинальному способу, предложенному в России А. М. Игнатьевым (1928 г.). При сварке по этому методу сварочное давление перпендикулярно направлению сварочного тока. Сварку по методу Игнатьева применяют для сварки листов по всей площади их соприкосновения (а не отдельными точками или выступами) в инструментальном деле при приварке пластинок специальной стали к малоуглеродистой, при сварке лент из разнородных металлов и т. п.

Роликовая сварка. Роликовой или шовной сваркой называют вид контактной сварки, сущность которой заключается в том, что свариваемые детали (листы) сжимают между двумя роликами, являющимися электродами, и сваривают по линии качения. Схема роликовой сварки представлена на фиг. 391,а а на фиг. 391, б показан общий вид машины для роликовой сварки АТ-50.


Роликовая сварка может быть непрерывной, прерывистой и шаговой.

При непрерывной роликовой сварке подача тока и качение роликов совершаются непрерывно во все время получения шва, шов при этом получается непрерывным. В случае прерывистой сварки подачу тока осуществляют с перерывами, а качение роликов не прерывается; шов получается прерывистым, с интервалами, определяемыми перерывами в подаче тока.

При шаговой сварке и вращение роликов, и подвод тока совершают с интервалами, причем включение тока совпадает с остановкой врашения роликов и выключение — с моментом начала их вращения. Преимуществом шаговой сварки является возможность получения хорошего шва при меньшей чистоте свариваемых поверхностей, чем при прерывистой и непрерывной сварке.

Скорость роликовой сварки может достигать 3 м/мин; толщина свариваемых листов при применяемом оборудовании не превышает 2+2 мм.

Для получения хорошего шва необходима тщательная очистка свариваемых поверхностей.

Диаметр роликов зависит от кривизны свариваемых поверхностей; он изменяется от 40 до 350 мм. Чем больше диаметр роликов, тем лучше он охлаждается, меньше снашивается и в целом устойчивее в работе. Ширина ролика в части, соприкасающейся со свариваемой деталью, 4—6 мм. Давление на ролики в некоторых современных машинах достигает 700 кг, хотя при таких давлениях наблюдается сильный износ роликов. В процессе работы ролики охлаждают водой. Охлаждение может быть внутренним и наружным; наружный подвод к ролику охлаждающей воды не оказывает влияния на нормальный ход процесса сварки.

Способы и режимы контактной сварки

На свариваемость оказывают влияние многие свойства металла: электро- и теплопроводность, прочность при высоких температурах, температура плавления, коэффициент линейного расширения, твердость и чувствительность к термическому циклу сварки (изменение свойств под воздействием нагрева). С уменьшением электро- и теплопроводности снижается сила сварочного тока, а следовательно, на образование соединения затрачивается меньшая электрическая мощность. Высокая прочность при повышенных температурах требует больших усилий для необходимой деформации свариваемого металла. При сварке металлов с высокой твердостью приходится также использовать повышенные усилия или применять предварительный подогрев металла. С повышением коэффициента линейного расширения увеличивается усадка металла в процессе кристаллизации и могут возникать большие внутренние напряжения, что ведет к образованию раковин и трещин в литом металле.

Рассмотрим кратко свариваемость основных групп металлов.

Низкоуглеродистые стали имеют относительно высокое электросопротивление (в 7 раз больше, чем у меди) и низкую прочность, поэтому их можно сваривать в широком диапазоне режимов. При точечной сварке используют небольшие плотности тока (до 600 А/мм 2 ) и давление (до 15 кгс/мм 2 ) отнесенные к площади сечения литого ядра в плоскости соединения. Эти стали хорошо свариваются при всех видах контактной сварки. При стыковой сварке оплавлением плотность тока должна быть 10—30 А/мм 2 , скорость осадки не менее 30 мм/с, давление осадки 6—8 кгс/мм 2 . Эта группа металлов характеризуется малым снижением прочности в результате сварочного нагрева, хорошей пластичностью сварных соединений и малой склонностью к образованию трещин.

Низколегированные и углеродистые стали при контактной сварке склонны к закалке из-за относительно высоких скоростей нагрева и охлаждения, используемых при ней, поэтому при точечной и шовной сварке используют более мягкие режимы для уменьшения опасности возникновения раковин и трещин в результате образования структур закалки в литой и околошовной зонах металла сварного соединения. Структуры закалки повышают хрупкость и снижают пластичность соединений. Для повышения прочности и пластичности металла необходима термическая обработка в печи или непосредственно в сварочной машине. При точечной и шовной сварке этих металлов используют токи ниже (на 25— 30%), а давления выше (в 1,5—2 раза), чем при сварке низкоуглеродистой стали. Низколегированные и углеродистые стали имеют хорошую свариваемость при стыковой сварке. Благодаря повышенному содержанию углерода уменьшается окисление металла и облегчается получение соединений свободных от окислов. Пластичность соединений повышают подогревом или последующей термической обработкой. В связи с большой прочностью металла при высоких температурах, а также для предотвращения усадочных дефектов зоне соединения применяют повышенные давления осадки (8— 12 кгс/мм 2 ).

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают высоким электросопротивлением (в 5—6 раз большим, чем у низкоуглеродистой стали), поэтому для их сварки требуются небольшие токи. Точечную и шовную сварку выполняют с использованием жестких режимов из-за высокого коэффициента теплового расширения и опасности возникновения в связи с этим значительных тепловых деформаций сварных узлов, а также из-за склонности некоторых сталей к коррозии при длительном нагреве. Высокая прочность металла обусловливает применение повышенных давлений при сварке (25— 40 кгс/мм 2 ). При стыковой сварке этих сталей в связи с их жаропрочностью и склонностью к окислению скорость осадки должна быть не менее 50 мм/с, а усилие осадки в 2,5—3 раза больше, чем при сварке низкоуглеродистой стали.

Жаропрочные (никелевые) сплавы обладают очень высокой прочностью в нагретом состоянии, в связи с чем точечную и шовную сварку выполняют при больших давлениях (60—90 кгс/мм 2 ) и длительностях протекания сварочного тока. Эти сплавы имеют повышенную склонность к внутренним выплескам металла и образованию дефектов усадочного характера в литом ядре. При стыковой сварке оплавлением никелевых сплавов для удаления тугоплавких окислов ив стыка требуются большие скорости оплавления (8—10 мм/с) и осадки (более 60 мм/с). Давление осадки составляет 40—50 кгс/мм 2 . Для снижения давления осадки используют предварительный подогрев сопротивлением зоны сварки.

Титановые сплавы обладают очень высоким электросопротивлением. Режимы точечной и шовной сварки (сила тока и длительность протекания) этих сплавов близки к режимам сварки коррозионно-стойких сталей,

При нагреве пластичность их значительно повышается, что позволяет использовать при сварке низкие давления (15—20 кгс/мм 2 ). Отсутствие контакта с атмосферой позволяет выполнять точечную и шовную сварку без какой-либо защиты. Стыковую сварку титановых сплавов из-за активного взаимодействия их с газами и склонности к перегреву ведут при высокой интенсивности процесса (больших токах при их малой длительности и высокой скорости осадки). При сварке титановых сплавов в среде аргона или гелия улучшается формирование и повышается пластичность сварных соединений, поэтому их можно сваривать не только оплавлением, но и сопротивлением (малые сечения).

Медные сплавы (латуни, бронзы) характеризуются высокой электро- и теплопроводностью, низкой прочностью при нагреве, поэтому для сварки этих сплавов используют большие токи при малой длительности их протекания. При точечной и шовной сварке латуни сила тока в 2—2,5 раза больше, чем при сварке низкоуглеродистой стали, практически при таких же давлениях. При сварке бронзы сварочные токи несколько меньше, так как у нее более высокое электросопротивление. Латунь и бронза хорошо свариваются стыковой сваркой оплавлением. Сварка чистой меди представляет определенные трудности и зависит от степени ее чистоты. Увеличение примесей в меди приводит к повышению хрупкости сварного соединения. Медь и ее сплавы можно сваривать сопротивлением при большой установочной длине и специальной конструкции устройств, сужающих зону деформации при осадке.

Алюминиевые и магниевые сплавы обладают очень высокой электропроводностью. При точечной и шовной сварке этих сплавов используют кратковременные импульсы тока очень большой величины (в 3—3,5 раза больше, чем для низкоуглеродистой стали). При сварке пластичных (неупрочненных) алюминиевых и магниевых сплавов давления практически такие же, как при сварке низкоуглеродистой стали. Сварку сплавов, упрочненных термической обработкой или деформацией, выполняют с такими же давлениями, как при сварке коррозионно-стойких сталей. Высокопрочные алюминиевые сплавы при точечной сварке склонны к образованию дефектов усадочного характера (пор, раковин, трещин), поэтому их сваривают с использованием ковочного усилия (см. рис. 11), которое прикладывают в процессе кристаллизации расплавленного металла ядра.

Особенностью точечной и шовной сварки алюминиевых и магниевых сплавов является интенсивный перенос свариваемого металла на рабочую поверхность электродов (роликов) и обратно, что вызывает их повышенное загрязнение, особенно при сварке магниевых сплавов. Значительные загрязнения на поверхности точек и швов снижают стойкость металла против коррозии.

Стыковую сварку оплавлением алюминиевых сплавов выполняют с большими скоростями и давлениями осадки (соответственно более 150 мм/с и до 50 кгс/мм 2 ). С целью предупреждения расслоений и рыхлот в стыке, а следовательно, для повышения качества сварных соединений применяют специальные формирующие губки (электроды). Упрочненные алюминиевые сплавы сваривают с кратковременным нагревом при больших конечных скоростях оплавления. Для сварки неупрочненных (пластичных) сплавов можно использовать более мягкие режимы.

Сварку сопротивлением алюминиемых сплавов применяют для соединения проволоки и прутков диаметром 3—10 мм.

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Рельефная сварка находит достаточное применение благодаря высокой производительности за счет получения за один ход машины нескольких точечных соединений (иногда до 20) или герметичного соединения длиной до 100 мм, уменьшения нахлестки и вмятины от электродов, а также высокой стойкости электродов в процессе эксплуатации. Этот способ используют для соединения с листовыми деталями различных крепежных деталей (болтов, шпилек, гаек). Рельефную сварку применяют для соединения проволоки и стержней в крест. Рельеф в таких соединениях образуется естественной формой свариваемых деталей. При изготовлении железобетонной арматуры диаметр свариваемых стержней может достигать 30 мм и более. Т-образную рельефную сварку стержней с деталями из листа используют, например, для соединения шипов с котельными трубами.

Стыковая сварка оплавлением получила наибольшее распространение. Сваркой оплавлением соединяют детали как компактного сечения (круг, квадрат), так и с развитым сечением (различные профили, тонкостенные трубы, тонкие и широкие листы) из сталей и цветных сплавов. Ее применяют при изготовлении режущего инструмента, различных кольцевых заготовок (для фланцев, ободьев колес и т. п.), цепей, железнодорожных путей (сварка рельсов в плети), магистральных трубопроводов, при непрерывной прокатке металла (сварка горячих заготовок).

Сваркой сопротивлением соединяют детали небольшого компактного сечения, обычно до 300 мм 2 (проволоку, прутки и толстостенные трубы малого диаметра).

Наряду со стыковой сваркой заготовок (деталей), расположенных на одной оси, иногда соединяют заготовки, оси которых расположены под углом, например при изготовлении оконных переплетов из алюминиевого профиля и велосипедных рам из труб.

Понятие о режиме сварки и свариваемости

Под режимом сварки следует понимать совокупность параметров процесса того или иного способа сварки, устанавливаемых соответствующими органами управления сварочной машины, а также форму и размеры используемых электродов (роликов, губок), которые обеспечивают получение сварных соединений требуемых размеров и качества. Режим сварки зависит от физических свойств свариваемого металла и типа сварочного оборудования, а иногда и от конструкции свариваемых деталей.

Основными параметрами режимов контактной сварки являются: сила и длительность протекания сварочного тока и усилие сжатия (осадки) деталей. Сила тока измеряется в амперах (А) или килоамперах (кА), длительность в секундах (с) и усилие в килограмм-силах (кгс). При стыковой сварке обычно ток задают по его плотности в А/мм 2 , а усилие — давлением в кгс/мм 2 , отнесенным к сечению свариваемых заготовок.

Режимы можно условно разделить на так называемые «жесткие» и «мягкие». Жесткие режимы сварки характеризуются малой длительностью протекания сварочного тока, а следовательно, и кратковременным нагревом свариваемого металла; мягкие режимы — относительно большой длительностью протекания тока.

Режимы различных способов сварки имеют свои специфические особенности. Параметры режима рассмотрим на примере циклограмм (диаграмм) способов сварки. Циклограмма представляет собой совмещенные во времени графики изменения основных параметров режима сварки.

При точечной, рельефной и шовной сварке режим характеризуется следующими параметрами: силой сварочного тока Iсв, длительностью его протекания tCB и усилием электродов Fсв (рис. 11). Иногда для лучшего уплотнения затвердевающего металла ядра применяют повышенное, так называемое ковочное усилие FK (рис. 11, а, б). С целью плавного нагрева и замедленного охлаждения металла в зоне сварки иногда используют модулированный сварочный ток с длительностью нарастания tH и спада tcп (рис. 11, б). При сварке ряда металлов возникает необходимость после протекания сварочного тока и некоторой паузы tП включать дополнительный ток силой Iд и длительность tД (рис. 11,в). Точечную и рельефную сварку металла большой толщины (более 3 мм) часто выполняют, периодически включая и выключая сварочный ток (пульсирующая сварка) длительностью tCB и паузой tП (рис. 11, г).


Режимы шовной сварки с непрерывным (рис. 11, д) и прерывистым (шаговым) перемещением деталей S (рис. 11, е) дополнительно характеризуются соответственно скоростью сварки и шагом точек шва.

При стыковой сварке сопротивлением режим определяется следующими параметрами: установочной длиной деталей l1 + l2, током i, длительностью нагрева t, усилием и величиной (припуском) осадки Foc, Aoc (рис. 12, а).


Режим стыковой сварки оплавлением определяется следующими параметрами: установочной длиной l1 + l2, усилием зажатия деталей в губках машины F3, припуском на оплавление Aоп (суммарным уменьшением установочной длины при оплавлении), скоростью оплавления Won, током и длительностью оплавления ion, t0n, величиной осадки Aoc и ее скоростью voc, током и длительностью осадки ioc, toc, усилием осадки Foc (рис. 12, б). При сварке оплавлением с подогревом дополнительно задают ток подогрева iпод, длительность подогрева tnод, а также длительность импульсов тока подогрева и пауз между ними (рис. 12, в).

В настоящее время большинство металлов можно соединять контактной сваркой. Качество сварных соединений оценивают, исходя из следующих общих требований:

1) металл литой и переходной зон соединения должен быть структурно однородным и плотным, без заметных нарушений сплошности;

2) в соединении не должно происходить значительного разупрочнения металла и образования хрупких структур, особенно в переходной зоне;

3) не должна снижаться стойкость металла зоны сварки против коррозии;

4) деформации деталей после сварки должны быть в допустимых пределах.

Если большинство указанных требований выполняется при использовании несложного оборудования и широкого диапазона параметров режима, то считают, что металл обладает хорошей свариваемостью. Если сварное соединение может быть получено только в очень узком интервале параметров режима или имеет низкую прочность, то считают, что металл имеет плохую свариваемость. Понятие свариваемость обычно служит для качественной оценки металла. Из этого следует, что свариваемость не является постоянным свойством данного металла. По мере совершенствования оборудования и технологии свариваемость металлов может улучшиться.

Двусторонняя шовная сварка аналогична точечной двусторонней (рис. 6, а—е). Вместо одного из роликов может быть применена оправка, плотно контактирующая с внутренней деталью (рис. 6, г). Длясварки неподвижных деталей кольцевым швом на плоскости используется верхний ролик, который вращается вокруг своей оси, а также вокруг оси шва (рис. 6, д). Нижняя деталь контактирует с электродом, имеющим форму чашки. Иногда свариваемые детали устанавливают на медную шину, при этом подвод тока может быть двусторонний или односторонний. При сварке на шине возможны варианты подвижной (рис. 2, ж) и неподвижной шин, когда два ролика, к которым подведен ток, вращаются вокруг своих осей и катятся по деталям (рис. 2, з). При односторонней шовной сварке, как и при точечной, наблюдается шунтирование тока в деталь, контактирующую с роликами.


Стыковая сварка — способ, при котором детали соединяются (свариваются) по всей плоскости их касания под воздействием нагрева и сжимающего усилия. Детали одинакового или близкого по размерам сечения закрепляют в электродах-губках машины, к которым подводят ток. При нагреве и пластической деформации металла в зоне стыка часть элементарных частиц—зерен металла разрушается с одновременным образованием новых (общих для обоих деталей) зерен. Этот процесс называется рекристаллизацией и имеет важное значение для образования соединений при стыковой сварке. Кроме того, обязательным условием получения надежного соединения является удаление пленки окислов на торцах деталей или ее разрушение.

Для сварки используется теплота, выделяемая в контакте между торцами соединяемых деталей (за счет контактного сопротивления) и в самих деталях, имеющих собственное сопротивление. При стыковой сварке переходные сопротивления губка—деталь весьма малы и практически не оказывают влияния на общее количество тeплoты. В стыковой сварке различают сварку сопротивлением и оплавлением.

Сварка сопротивлением — способ стыковой сварки, при котором ток включается после сжатия деталей 3 усилием, передаваемым губками машины 1, 2 (рис. 7, а). В начале процесса детали контактируют только по отдельным выступам, что и создает контактное сопротивление. После включения тока благодаря его высокой плотности на выступах металл зоны контакта деталей интенсивно нагревается и под действием усилия выступы сминаются. Контактное сопротивление быстро уменьшается и далее нагрев происходит за счет собственного сопротивления деталей, которое увеличивается с повышением температуры. Когда температура в зоне контакта станет близкой к температуре плавления металла, детали под действием усилия свариваются в результате рекристаллизации с образованием плавного утолщения-усиления (рис. 7, б). При стыковой сварке важной характеристикой процесса является вылет деталей из губок — установочная длина l1 и l2 (см. рис. 7, а). В связи с тем, что губки интенсивно отводят теплоту, температура в зоне стыка деталей, а следовательно, и качество сварки существенно зависят от установочной длины. При стыковой сварке сопротивлением для сжатия деталей используют постоянное или резко возрастающее к концу нагрева усилие, которое снимают после выключения тока.

Сварка оплавлением — способ стыковой сварки, при котором торцы соединяемых деталей нагревают током до расплавления металла при их сближении под действием небольшого усилия и затем быстро сжимают детали осадкой. При сварке оплавлением зажатые в губках детали, к которым подведено напряжение, медленно перемещают навстречу одна другой с постоянной или возрастающей скоростью до соприкосновения торцов. Вследствие небольшой начальной площади контакта деталей в месте их соприкосновения создается высокая плотность тока, металл контакта мгновенно нагревается до температуры кипения и испаряется, что сопровождается небольшим взрывом единичных контактов-перемычек. В результате взрыва часть металла перемычек выбрасывается из стыка в виде искр и брызг. Таким образом, при сближении деталей непрерывно возникают и разрушаются контакты-перемычки с выбросом частиц и паров металла и образованием на торцах равномерного расплавленного слоя металла (рис. 8, а). При этом процессе, называемом оплавлением, уменьшается установочная длина деталей.


При сварке оплавлением контактное сопротивление к концу процесса оплавления уменьшается вследствие увеличения числа перемычек, а собственное сопротивление деталей повышается с нагревом металла, поэтому общее сопротивление металла между губками изменяется незначительно. Во время оплавления контактное сопротивление значительно больше сопротивления деталей, поэтому нагрев в основном идет за счет теплоты, выделяющейся в металле торцов деталей. Удаленные от торцов слои металла нагреваются вследствие теплопроводности от оплавляемых поверхностей. После определенного укорочения деталей оплавлением их быстро сжимают нарастающим усилием — осадкой.

При осадке расплавленный и перегретый металл с окислами выдавливается из стыка деталей, образуя сварное соединение, а металл околостыковой зоны деформируется с характерным искривлением волокон, образуя усиление и грат в виде окисленного и перегоревшего металла (рис. 8, б). В процессе оплавления и осадки существенно уменьшается установочная длина на величину припуска на сварку Асв.

Для соединения деталей больших сечений с целью снижения электрической и механической мощности оборудования используют так называемую сварку оплавлением с подогревом, при которой концы деталей вначале нагревают аналогично сварке сопротивлением. Детали при подогреве периодически сжимают небольшим усилием, нагревают током, затем размыкают. После подогрева до определенной температуры торцы оплавляются и детали осаживаются.

Нагрев деталей при контактной сварке

В условиях точечной, шовной и рельефной сварки выделе­ние теплоты вызвано действием рядам источников. Основной источник — объемно распределенный с удельной мощнос­тью j2pT (/’—плотность тока). Второстепенные—плоские ис­точники с удельной мощностью Лл>Л®*2/4)и

связанные с генерированием теплоты на соответствующих кон­тактных сопротивлениях. Доля плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10%.

Общая характеристика нагрева при хонтактной сварке вы­ражается формулой теплового баланса

где Q„—общее количество теплоты, генерируемое в зоне свар­ки; Ql—количество теплоты, расходуемое на нагрев до темпе­ратуры плавления (Т„ ) столбика металла высотой 2d и диамет-

Рнс.1.12. Характер нагрева деталей одинаковой толщины при точечной сварке

ром*/, (рис. 1.12); Q. J— количество теплоты, расходуемое на на­грев металла в виде кольца шириной х2, окружающего цент­ральный столбик металла; Q3—количество теплоты, передан­ное.» электроды за счет теплопроводности; QA—потери тепла в атмосферу за счет радиационного и конвективного теплообме­на с поверхности деталей и электродов.

К концу нагрева общее количество теплоты, затрачив аемой на образование сварной точки, определяется законом Джоуля — Ленца

Коэффициентт учитывает изменение сопротивления зоны сварки в процессе нагрева. При сварке малоуглеродистых ста­лей т принимают 1,0+1,1; для алюминиевых и магниевых спла­вов —1,15; сталей аустенитного класса 1,2; титановых спла­вов — 1,4.

Количество тепла, расходуемое на нагрев условно выделенного центрального столбика до температуры плавления (Т^, с учетом скрытой теплоты плавления, определяется по фор­муле

где d3 —диаметр контактной поверхности электрода, см; dhи d2—толщины свариваемых деталей, см; с — гудельная тепло­емкость свариваемого металла, Дж/(г х К); g — плотность сва­риваемого материала, г/см3.

Теплота Qly расходуемая на нагрев зоны, прилегающей к центральному столбику металла, представляется в виде коль­ца шириной х2, окружающего литое ядро, близкое по диаметру к dr Среднюю температуру кольца принимают равной четвер­та

Qi= +-t2)(5i + S2)cy ^,Дж, (1.15)

где А] —коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева кольца металла по толщине, так как наиболее нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца (kt = 0,8).

Потери тепла в электроды можно приближенно опреде­лить, принимая, температуру на их контактной поверхности как Тзл = 0,5 Тт. При этом средняя температура интенсивно нагреваемого участка электрода длиной х3 принимается рав­ной TJX.

Q2=2 к2^х3С/^,Дж, (1.16)

где к2—коэффициент формы электрода: при плоской контакт­ной поверхности к2=1,0; при конической—к2= 1,5; при электро­де со сферической контактной поверхностью—к2=2.0; с’—сред­няя удельная теплоемкость материала электрода, Дж/(гхК);у’— плотность материала электрода, г/см3.

Ширина зоны нагрева металла х2 и х3 зависит от времени сварки гсв и температуропроводносш металла деталей или элек — тродая. В общем случае ширина зоны нагрева определяется

Потери тепла Q3 в атмосферу за счет лучеиспускания, ввиду кратковременности процесса, незначительны, и в расчетах ими пренебрегают.

Обычно количество тепла Qb необходимого непосредствен­но на образование сварной точки, называют полезным теплом Qn01, а тепло, расходуемое на нагрев окружающего ядро металл

1 и электроды, называют потерями Q/ L тепла Qnom — Q2+Qv

В определенных пределах Qltm не зависит от продолжительности нагрева и определяется обемом нагретого металла V до темпера­туры Т°С при удельной теплоемко­сти с и плотности y (бяв, = Ус у 7).

Потери теплоты увеличивают­ся с увеличением продолжитель­ности нагрева, поэтому растет и общее количество теплоты Q>3 (рис. 1.13). При этом неизбежно рас­ширяется зона нагрева при высо­ком коэффициенте температуроп­роводности свариваемого материала.

Современная тенденция в развитии контактной сварки осно­вана на применении мощных машин, обеспечивающих сниже­ние времени сварки, что уменьшает потери электрической энер­гии, в ряде случаев снижает остаточные деформации и повыша­ет производительность.

При контактной сварке во время нагрева возникают два вза­имосвязанных поля: электрическое и температурное.

Температурное поле—совокупность температур в различ­ных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. В общем случае это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи, которые были рас­смотрены выше. 1

Характер тепловыделения определяется электрическим по­лем в свариваемых деталях и электродах.

Электрическое поле — совокупность плотностей тока в раз­личных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. ,, Для контактной сварки характерно. неравномерное электрическое поле, его неравномерность зависит от способа подвода тока, температурного и магнитоэлектрического факто­ров. При подводе тока при точечной, рельефной и шовной свар­ке на электрическое и как следствие на Температурное поля осо­бенно влияет геометрический фактор. При этих способах пло­щадь контактных поверхностей электродов малапо сравнению

Рис.1.14. Распределение плотности тока в различных сечениях:

а) в начальный момент сварки; б) при наличии жидкого ядра с размерами деталей, через которые проходит сварочный ток. Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потен­циалов й электрических сопротивлений деталей и электродов. Наибольшие плотности тока

Температурный фактор проявляется в различном сопротив­лении металла, нагретого до разных температур. Проходящий ток обтекает более нагретые участки, имеющие меньшую про­водимость. Так, удельное электросопротивление жидкого ядра в 1,5-2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока вблизи границ ядра

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости, мал о влияет на ха­рактер электрического ноля. _

Температурное поле при сварке не является стационарным, оно быстро видоизменяется и характеризуется значителън ой нео — днородностью. Во время сварки скорость нагрева очень высо­кая —до 200 000°С/с. Градиенты температур на отдельных уча­стках могут достигать 100 000°С (с особенно при сварке малых толщин). Вначале поле возникает в твердом металле. Через пе­риод времени (0,3-0,5)^ начинается образование литого ядра в области контакта деталей, где достигается наибольшая плот­ность тока и з меньшей степени сказывается теплообмен с элек­тродами. По мере прохождения тока ядро растет до максималь­ных размеров. Максимальная температура в ядре" на 15-20% выше температуры плавления металла.

Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями на­грева. Так, приточенной сварке деталей толщиной 1^4 мм ядро полностью кристаллизуется через 0,02-0,08 секунд [1]. В тече­те этого времени часть теплоты распространяется вглубь дета­лей, нагревая околощовную зону.

В зависимости от роли процессов тепловыделения и теплоот­вода различают жесткие и мягкие режимы сварки.

Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока. Температурное поле определяется преимуще­ственно тепловыделением; потери тепла Q2+Q120% Q„. Жесткий режим характереауегся высокими скоростями нагрева и охлажде­ния, что увеличивает склонность к образованию выплеска рас­плавленного металла, и для предотвращения этого повыша­ют сварочное усилие.

Мягкий режим характерен значительной длительностью протекания тока относительно малой силы. При этом проис­ходит значительный теплооб­мен внутри деталей и с элект­родами (Q2+Q3i 80%Q3J. Ско­рость нагрева и охлаждения ниже, чем при жестком режиме.

На характер температурного поля оказываем влияние боль­шое количество факторов: сила сварочного тока и время его протекания, а также форма импульса тока, сварочное усилие, диаметр и форма электродов, свойства электродных сваривае­мых материалов, размеры свариваемых деталей и др.

При стыковой сварке сопротивлением общий нагрев дета­лей происходит теплотой, которая выделяется в них и в контак­тах при прохождении сварочного тока. При сварке сопротивле­нием теплота, выделяющаяся в контакте между торцами свари­ваемых деталей, относительно невелика и по мере нагрева соединения быстро уменьшается, В общем балансе теплоты она не превышает 10-15%. Однако она выделяется на узкой прикон — тактной зоне за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней температуры, которая сохраняется и после исчезновения гдд до конца цикла сварки, так как эта зона нагрета сильнее других. Интенсивность тепловыделения в кон­такте определяется начальным усилием сжатия деталей. При малому интенсивность тепловыделения возрастает, но при этом равномерность нагрева по торцу деталей ухудшается из-за ма­лого и случайного расположения участков контактирования.

Нагрев при сварке сопротивлением можно рассматривать как наложение двух процессов: 1) нагрева (до температуры Т,) бес­контактного стержня теплотой, равномерно выделяемой на соб-

ственном сопротивлении по всей его длине на свободном вылете (рис.1.16); 2) дополнительного нагрева (цо температуры Т2) теп­лотой, выделяемой в стыке и распространяющейся в стороны от него. Общая температура нагрева Тв зоне, определяемой коор­динатой х, в момент времени

Т(х, t) = T1(t) + T2(x, t). (1.18)

Распространение тепла в неравномерно нагретом теле без тепловых источников для пространственной задачи описывает­ся уравнением теплопроводности

где Э Tfdt —изменение температуры во времени в точке с коор­динатами х, у, z; а—коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения тепла, см2/с.

дт э[3]_Т д2Т

Распространение тепла в неравномерно нагреваемом теле, т. е. с источником тепла, описывается уравнением

где q—тепловая мощность (количество теплоты выделяемой в секунду), Дж.

Сделав допущения о линейном характере распределения теп­лового потока, (температура в каждой момент времени одина­кова по сечению (рис. 3.13), а удельное электросопротивление металла в вылете /0 постоянно и имеет среднее значение ртср) уравнение (1.20) примет вид

В данном уравнении необходимо учесть теплоотдачу с по­верхности деталей, которая равна

тдеЬ—коэффициент температуроотдачи, 1/с; и—периметр сече­ния деталей, см; F— площадь поперечного сечения детали, см2.

Согласно принципу независимости действия источников теп­ла (1.18), подставляя (1.22) в уравнение (1.21), получим систему уравнений

Решая систему (1.23) относительно температуры в стыке (а: =

0) получим выражение для температуры в зоне сварки

ІсвРтг/се ^ м! свгк л/^сГ F2cy F-JnXcy ’

где гк—контактное сопротивление в начальный момент сварки, определяемое по формуле (3.5), мкОм; m—коэффициент, учиты­вающий изменение гк в процессе сварки (т ~ 0,4).

Из уравнения (1.24) можно найти необходимое значение сва­рочного тока.

В отличие от сварки сопротивлением нагрев деталей при сты­ковой сварке оплавлением в основном происходит за счет теп­лоты, выделяющейся в контактном сопротивлении, которое оп­ределяется перемычками расплавленного металла, находящи­мися в искровом промежутке. Доля теплоты, выделяемой с собственном сопротивлении деталей вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитыва­ется в тепловых расчетах.

Жидкие перемычки являются основным источником нагрева торцов деталей. В начальный момент оплавления распределе­ние температуры на оплавленных торцах неравномерно (рис. 1.17). По мере нагрева степень неравномерности уменьша­ется. Средняя температура па торцах растет до тех пор, пока их

поверхности не покроются слоем расплавленного металла. Это ■ обеспечивается при установившемся процессе оплавления, ког­

да перемычки последовательно и многократно с большой часто­той возникают по всей площади торцов деталей.

В секунду в к оитакте с сопротивлением гШ1я выделяется коли­чество тепла ц0!гл — Iaar0lvl которое, расходуется на нагрев метал — ! ла от Т, до Т01и, выбрасываемого из зазора при оплавлении : и на теплопередачу в детали (9”м): .

Чош — Чопя + я’опя = ~Ti) + щ]+2ЛР — г (1.25)

1 где F—сечение деталей, см2; g, с, 1, т„ — плотность, удельная теплоемкость, коэффициенттеплопроводности и скрытая тепло­та плавления свариваемого материала; Тг— средняя темпера­тура торцов (в начале оплавления равна температуре окружаю­щей среды, к концу—-температуре плавления, при сварке с по — догревом Т,= Тпод) Т01!Я — средняя температура выбрасываемого при оплавлении металла (для стали = 2000

°С); dT/dx — градиент температуры у торца (для стали 2000- 8000 °С/ем).

Из уравнения теплового баланса (1.25) можно опредепитыте — обходимую величину сварочного тока или скорости оплавления.

Анализ формулы показывает, что мгновенная скорость оп­лавления растет с увеличением тепловой мощности, суменьше — нием градиента температуры и с повышением температуры Т;. В начале процесса, когда dT/dx велик и Т,» 0, оплавление идет медленно. По мере разогрева торцов v0M растет. Для поддержа­ния непрерывного процесса оплавления при неизменной мощно­сти скорость сближения деталей должна соответствовать голл. Подогрев деталей до Т,= Ттд увеличивает возможную скорость их сближеїшя при данной мощности.

Читайте также: