Сущность контактной сварки

• Контактной сваркой называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выде­ляющейся при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Количество теплоты (Дж), выде­ляющейся при прохождении электри­ческого тока через находящиеся в контакте детали, может быть определе­но по формуле Q=I²Rt, где I — ток, A; R — сопротивление участка цепи в месте контакта деталей, Ом; t — продолжительность действия то­ка, с.

Из формулы видно, что количество теплоты зависит от тока в сварочной цепи. Поэтому для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют боль­шие токи, достигающие нескольких десятков тысяч ампер. Так как электрическое сопротивление прохожде­нию тока в месте контакта свари­ваемых деталей велико, то на этом очень малом участке выделяется боль­шое количество теплоты, которое вызывает быстрый нагрев металла. С повышением температуры металла в зоне контакта его сопротивление возрастает, следовательно, еще более возрастает количество выделяющейся теплоты и ускоряется процесс наг­рева металла. Таким образом, применение больших сварочных токов позволяет осуществить быстрый наг­рев металла и выполнить сварку за десятые и даже сотые доли секунды.

Режим контактной сварки характе­ризуется совместным действием ос­новных параметров — тока и времени его протекания, силы сжатия и време­ни ее действия.

По току и времени его протека­ния различают два режима сварки: жесткий и мягкий. Жесткий режим характеризуется большим током и ма­лым временем процесса сварки. Такой режим применяется для сварки сталей, чувствительных к нагреву и склонных к образованию закалочных структур, а также легкоплавких цветных металлов и их сплавов. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью процесса и постепенным нагревом свариваемого металла. Та­ким режимом пользуются при сварке углеродистых сталей, обладающих низкой чувствительностью к теплово­му воздействию.

Машины для контактной сварки состоят из двух основных частей: электрической и механической. Электрическая часть машин состоит из трансформатора, переключателя сту­пеней (регулятора тока), регулятора времени, прерывателя тока и токо­подводящих проводов и устройств. Трансформатор применяется одно­фазный с секционированной первич­ной обмоткой, позволяющей с по­мощью переключателя ступеней изме­нять напряжение во вторичной обмот­ке. При первичном напряжении 220 или 380 В, а вторичном—1…20 В сварочный ток достигает нескольких десятков килоампер. Вторичная обмотка трансформатора у машин малой мощности состоит из отдельных гибких медных полос, охлаждаемых воздухом, у машин средней и боль­шой мощности — из пустотелых мед­ных витков, охлаждаемых проточной водой. Механическая часть состоит из станины и механизмов, обеспе­чивающих точную фиксацию и необходимое давление для сжатия свариваемых деталей.

Совмещенные графики изменения сварочного тока и силы сжатия во времени называют циклограммой. Цикл сварки имеет четыре периода: сжатие, сварку, проковку и паузу. Для управления циклом работы машины применяют устройство, называ­емое регулятором времени. В прак­тике применяют четырехпозиционный регулятор времени РВЭ-7 завода «Электрик», имеющий четыре после­довательные выдержки времени для каждого периода цикла сварки.  Ре­гулятор имеет металлический корпус с выведенными наружу регулировочными ручками, с помощью которых длительность периодов цикла плавно регулируется: период сварки от 0,03 до 6,75 с, остальные — от 0,03 до 1,35 с.

Включение и выключение машин контактной сварки производится от первичной обмотки сварочного трансформатора. В процессе сварки необ­ходимо включать и выключать боль­шой ток десятки раз в секунду. Для этой цели машины небольшой мощ­ности и неавтоматического действия имеют механические или электромагнитные контакторы. При больших мощностях такие контакторы имеют большие габариты и низкую произ­водительность и не обеспечивают точного дозирования и стабильности подачи энергии, поэтому на машинах средней и большой мощности уста­навливают игнитронные или тиристор­ные прерыватели.

Контактная сварка — высокопро­изводительный процесс, легко под­дающийся механизации и автомати­зации, что способствует ее широкому применению в строительстве и про­мышленности, например для сварки стыковых и крестообразных соедине­ний арматуры в железобетонных конструкциях, для сварки элементов конструкций из листовой стали или алю­миния, для соединения элементов стальных конструкций (типа балок, ферм, мачт), для сварки труб, а также для стыковых соединений медных и алюминиевых проводов при электро­монтажных работах.

Контактная сварка по форме свар­ного соединения подразделяется на стыковую, точечную, шовную и шовно­стыковую.

Стыковая контактная сварка

• Стыковая контактная сварка — сварка, при которой соединение свариваемых, частей происходит по всей поверх­ности стыкуемых торцов.

Принципиальная схема стыковой сварки представлена на рис. 1:

1 — электроды-зажимы, 2 — свариваемые детали, 3 — трансформатор.

Сварка может быть выполнена двумя способами: сопротивлением и оплавлением (непрерывным и прерывистым).

При сварке сопротивлением чисто обработанные торцы двух деталей приводят в плотное соприкосновение и включают сварочный ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производят осадку (сжатие) и одновременно выключают ток. Таким способом можно сваривать детали круглого или прямоугольного сечения из низко­углеродистых сталей с площадью сечения до 1000 мм², из легированных сталей — до 20 мм . Хорошо свари­ваются сваркой сопротивлением цвет­ные металлы и их сплавы; можно сваривать и разнородные металлы (сталь с медью, латунь с медью, различные сорта сталей). Сварка сопротивлением требует строгого контроля температуры нагрева и высо­кой чистоты свариваемых поверх­ностей — попадание оксидов между плоскостями контакта снижает ка­чество сварки. Поэтому сварка сопротивлением не получила большого распространения.

Сварка непрерывным оплавлением выполняется в такой последователь­ности. Детали, закрепленные в зажи­мах машины, плавным перемещением подвижного зажима приводят в со­прикосновение при включенном сва­рочном токе. При этом происходит оплавление свариваемых торцов. За­тем производят осадку на установленную величину и выключение тока. Такой способ применяют при сварке тонкостенных труб, листов, рельсов и др. Допускается сварка разнород­ных металлов. Достоинством сварки непрерывным оплавлением является высокая производительность, недо­статком — значительные потери ме­талла на угар и разбрызгивание.

Сварка прерывистым оплавлением производится чередованием плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей деталей при включенном токе. Небольшие возвратнопоступа­тельные движения подвижного зажи­ма периодически замыкают и раз­мыкают сварочную цепь в месте кон­такта деталей до тех пор, пока тор­цы их не нагреются до температуры 800…900°С. Затем производят оплав­ление и осадку. Прерывистым оплав­лением сваривают изделия из низко­углеродистой стали в тех случаях, когда мощность машины недостаточна для производства сварки непрерыв­ным оплавлением. Этот способ также связан с дополнительным расходом металла, поэтому для подогрева иногда включают ток при замкну­той сварочной цепи, как при сварке сопротивлением, а затем разводят детали и переходят к оплавлению и осадке.

При сварке сопротивлением важ­ное значение имеет плотность при­легания свариваемых поверхностей. Недостатки подгонки (перекос, зазор) приводят к неравномерному прогреву деталей, образованию оксидов и тем самым к снижению качества сварного соединения. Допускаемые отклонения размеров стыкуемых поверхностей: круглых — не более 2%, прямоуголь­ных— не более 1,5%.

Важное значение имеет длина выступающего из зажима машины конца свариваемой детали (так назы­ваемая установочная длина). При ма­лой длине деталь прогревается не­достаточно, так как основная доля теплоты уходит через зажим машины. При большой установочной длине деталь разогревается на большей дли­не и осадка, а отсюда и сварка полу­чаются некачественными. При сварке сплошных сечений установочная дли­на должна составлять 0,4…0,7 диа­метра заготовки (или стороны квад­рата). При сварке листов устано­вочная длина зависит от толщины листа и протяженности стыка. Напри­мер, для листа толщиной 2…8 мм при длине стыка до 200 мм установочная длина составляет 10… 12 мм, при длине стыка 400…800 мм—13…16 мм, при длине стыка 800…1000 мм — 14…17 мм.

Припуск на сварку сопротивлением берется небольшой, так как он рас­ходуется только на осадку, например, для деталей диаметром (или со стороной квадрата) до 50 мм и до 100 мм припуск на осадку составляет соответственно 0,3…0,5 и 0,15…0,2 диаметра (стороны квадрата).

Давление осадки при сварке низ­коуглеродистых сталей определяют по удельному давлению и площади контакта. Удельное давление осадки ав­томатических машин составляет 40… 60 МПа, неавтоматических — 30… 40 МПа.

Электрические параметры сварки определяют в зависимости от мате­риала, свариваемых деталей и площади стыкуемых поверхностей. На­пряжение холостого хода составляет 1,5…3 В. При этом большие значения принимают для больших площадей се­чений (500… 1000 мм²). Плотность тока для сварки низкоуглеродистых сталей принимается в пределах 20… 60 А/мм , для цветных металлов и сплавов — 60…150 А/мм². Удельная мощность при сварке сталей сплош­ного сечения составляет 0,12…0,15 кВ·А/мм², при сварке меди — 0,5… 1,6 кВ· А/мм², алюминия — 0,2. ..0,6 кВ· А/мм².

При сварке оплавлением свари­ваемые торцы не обрабатывают так тщательно, как при сварке сопро­тивлением, так как часть металла зоны сварки оплавляется. Допуска­ются большие отклонения размеров сечений: круглых — до 15%, квадратных и прямоугольных — до 12%.

Припуск при сварке оплавлением расходуется на оплавление и осадку. Для углеродистых и низколегированных сталей значение припуска прини­мают в зависимости от площади се­чения свариваемого металла. При се­чениях до 200 мм² припуск состав­ляет ~ 60%, а при сечениях более 200 мм² ~50% от диаметра (или стороны квадрата). При определении припуска необходимо учитывать так­же зазор между свариваемыми по­верхностями. Зазор при сечениях 100…1000 мм² составляет 1,5…4 мм, а свыше 1000 мм² — до 8 мм.

При сварке оплавлением плот­ность тока, расход электроэнергии и необходимая мощность меньше, чем при сварке сопротивлением. Для сечений 100…200 мм² плотность сварочного тока составляет 10… 25 А/мм². Удельная мощность при сварке углеродистой стали составляет 0,04…0,07 кВ·А/мм².

Стыковая сварка широко применя­ется для соединения арматурных стержней железобетонных изделий, при этом полностью используются отходы, так как из коротких отрез­ков можно сваривать стержни любой необходимой длины. Для получения качественной сварки выбирают наи­лучший режим и производят контрольную проверку сваренных стыков на разрыв и угол загиба. Свари­ваемые торцы деталей подвергают

тщательной механической или хими­ческой очистке. Должны быть хорошо очищены также поверхности сопри­косновения деталей с зажимами сты­ковой машины для получения хоро­шего электрического контакта. Для этого используют установки с вра­щающимися стальными щетками, шарошами или абразивными кругами. Торец должен иметь прямой срез. Это обеспечивает хорошую центровку, уменьшает затраты времени и металла на оплавление.

Точечная контактная сварка

• Точечная контактная сварка — это сварка, при которой соединение элемен­тов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих силу сжатия.

Свариваемые листы 2 (рис. 2) или стержни накладывают друг на друга и зажимают металлическими электродами 3, к которым от трансформатора 4 подводится сварочный ток. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи. Наи­большее количество теплоты выделя­ется на участке наибольшего сопро­тивления цепи, т. е. в зоне соеди­нения свариваемых листов (стерж­ней). Здесь металл расплавляется. После выключения тока и осадки сварочная ванна кристаллизуется и образуется сварная точка 1. Подготов­ка поверхностей к сварке заключа­ется в тщательной механической (абразивными материалами, пескоструй­ным аппаратом, металлической щет­кой) или химической (травлением) очистке их с обеих сторон от грязи, масла и оксидной пленки. Хорошая очистка и плотное прилегание по­верхностей обеспечивают высокое ка­чество сварной точки.

Цикл сварки состоит из следую­щих периодов: сжатия свариваемых заготовок, действия сварочного тока и снятия силы сжатия. Применяют различные способы совмещения (рис. 3) периодов действия сварочного тока I и силы F сжатия. Способ (а) соответствует сварке при постоянном давлении и применяется при сварке низкоуглеродистых и нержа­веющих сталей толщиной до 3 мм. Сварка по способу (б) отличается тем, что после выключения сварочного тока силу сжатия увеличивают, что обеспечивает хорошее фор­мирование металла и позволяет получить сварную точку повышенной проч­ности; применяется для сварки из­делий из низкоуглеродистой стали повышенной толщины. Сварка по спо­собу (в) состоит из обжатия листов большей силой перед сваркой, свар­ки при меньшем давлении и после­дующего обжатия повышенной силой при выключенном токе. Применяется при сварке листов больших толщин, когда необходимо обеспечить формирование и отвердевание сварной точ­ки.

Процесс сварки может быть вы­полнен при жестком (плотность тока 160…360 А/мм², длительность цикла 0,2…1,5 с) и мягком (плотность тока 70…160 А/мм², длительность цикла 2…3 с) режимах. Диаметр сварной точки зависит от толщины сварива­емых листов и составляет 1… 1,5 диа­метра электрода, а также от сварочного тока и продолжительности цикла сварки. Диаметр электрода принимается на 3…4 мм больше сум­марной толщины свариваемых листов.

Рекомендуются следующие режи­мы точечной сварки для различных материалов. Для низкоуглеродистых сталей толщиной до 4 мм приме­няют жесткий режим при плотно­сти сварочного тока 300…360 А/мм² и продолжительности цикла сварки 0,8…1,1 с. Удельное давление сос­тавляет 15,0…70,0 МПа. При толщине металла более 4 мм рекомендуются мягкие режимы, осуществляемые при плотности тока до 160 А/мм² и про­должительности цикла до 2,5…3 с. Удельное давление достигает 100… 120 МПа. При сварке алюминия и его сплавов применяют жесткие режимы при высоких плотностях тока, дости­гающих 1600 А/мм², удельных давле­ниях до 150 МПа и продолжитель­ности цикла 0,1…0,25 с. При этом свариваемые поверхности должны быть особенно тщательно очищены от оксидной пленки.

Точечная сварка получила боль­шое применение при изготовлении арматуры железобетонных изделий, плоских и угловых сеток, а также различных пространственных карка­сов. Сваривают пересекающиеся стержни или стержни с плоскими элементами: листом, полосой, швел­лером и др. При сварке стержней в начальный момент контактируют не­большие поверхности и для быстрого разогрева достаточно небольшой мощности. Пластическая деформация контактируемых поверхностей приво­дит к увеличению площади соприкосновения. Всесте с этим происхо­дит выдавливание из зоны контакта шлака и других неметаллических включений. Такое течение процесса позволяет при сварке стержней диа­метром до 60 мм использовать машины небольшой мощности.

Шовная контактная сварка

• Шовная контактная сварка — это свар­ка, при которой соединение элементов выполняется внахлестку в виде непре­рывного или прерывистого шва вра­щающимися дисковыми электродами, к которым подведен ток и приложена сила сжатия.

На. рис. 4 представлена прин­ципиальная схема шовной сварки: 1 — ролики (дисковые электроды), 2 — свариваемые листы, 3 — тран­сформатор.

Применяют три способа шовной сварки: непрерывную, прерывистую с непрерывным вращением роликов и прерывистую с периодическим вра­щением роликов.

Непрерывную шовную сварку вы­полняют сплошным швом при постоян­ном давлении роликов на свариваемые листы заготовки и при постоян­но включенном сварочном токе в те­чение всего процесса сварки. При этом способе имеют большое значение тщательная зачистка свариваемых по­верхностей, равномерная толщина листов и однородность химического состава металла. Даже при неболь­ших нарушениях подготовки сва­риваемых кромок сварной шов полу­чается низкого качества с прожогами и непроварами. По указанным причи­нам этот метод сварки не получил широкого применения.

Прерывистую сварку с непрерыв­ным вращением роликов также выпол­няют при постоянной силе сжатия, но сварочная цепь периодически за­мыкается и размыкается. При этом способе шов формируется в виде сварных точек, перекрывающих друг друга. Шов получатся более высо­кого качества.

Прерывистую сварку с периоди­ческим вращением роликов выполняют при постоянной силе сжатия, но сварочная цепь замыкается в мо­мент остановки роликов (шаговая сварка). Такой способ дает более качественный шов, так как обеспе­чивает хорошее формирование сва­рочной точки. Однако машины для такого способа отличаются слож­ностью конструкции и малой произ­водительностью.

Большое применение получила прерывистая шовная сварка с непрерывным вращением роликов при постоянной силе сжатия в течение процесса сварки. Этим способом сваривают швы различных резервуаров и емкостей, а также конструк­ций из листового металла. Наиболее часто применяют сварные соединения с отбортовкой и внахлестку (рис. 5). При соединении с отбортовкой листов толщиной до 1 мм ширина отбортовки берется до 12 мм, а при толщине листов до 2 мм — 20 мм. При нахлесточном соединении вели­чину нахлеста берут 10…20 мм.

Низкоуглеродистая и тонкая нержавеющая стали (типа Х18Н9) хо­рошо свариваются шовной сваркой. Сварку листов из низкоуглеродистой стали при суммарной толщине до 2 мм (1 + 1) производят роликами с шириной контактной поверхности 6 мм. Сила сжатия достигает 4 кН. Продолжительность импульсов тока в сварочной цепи составляет 0,04… 0,06 с, а перерывов между ними — 0,02…0,04 с. Сварочный ток — 8… 16 кА. Скорость сварки достигает ~2 м/мин. При суммарной толщине листов до 4 мм (2 + 2) ширина кон­тактной поверхности роликов состав­ляет 8,5… 10 мм, сила сжатия — 6,5…8,4 кН, продолжительность им­пульсов тока — 0,08…0,12 с, а пере­рывов — 0.06…0,10 с. Сварочный ток достигает 20 кА, скорость сварки — 1,4…1,6 м/мин. При сварке нержаве­ющих сталей сварочный ток берет­ся меньше указанных норм на 35… 40%. Сварка листов из алюминия и его сплавов выполняется при сва­рочных токах 22…40 кА. Скорость сварки не превышает 1 м/мин. Сила сжатия — 2,5…5,4 кН, продолжитель­ность импульсов сварочного тока составляет только 15…30% времени одного цикла.

Разновидностью шовной сварки является шовно-стыковая сварка труб с продольным сварным швом (рис. 6). Из стальной ленты необходимой ширины формующими роликами подготавливают трубную заготовку 3 с верхним расположением стыка 4 кромок заготовки. Заготовка пода­ется стыком под сварочные ролики 2, к которым подводится сварочный ток от трансформатора 1; сила сжатия передается заготовке через нажимные ролики 5. После заварки шва труба поступает на калибрующие валки, где срезается грат сварного шва и правятся размер и форма сечения, затем разрезается на трубы заданной длины.

Этим способом изготовляют трубы диаметром 14…400 мм при толщине стенок 0,5… 12,5 мм. Скорость сварки достигает 10…15 м/мин.