Физическая сущность процесса сварки. Классификация способов сварки. Основные технические задачи, решаемые с помощью сварки.

Физическая сущность процесса сварки. Классификация способов сварки. Основные технические задачи, решаемые с помощью сварки.

Физическая сущность процесса сварки.Сварка– процесс получения монолитного соединения материала за счёт введения и термодинамически необратимого преобразования вещества и энергии в зоне соединения.

Особенности сварочных процессов:

1. Монолитность сварного соединения.

2. Преобразование энергии.

3. Преобразование вещества.

Монолитность соединения обеспечивается появлением атомно-молекулярных связей между элементарными частицами твёрдых тел.

Классификация способов сварки: 1 – холодная сварка; 2 – ультразвуковая сварка; 3 – сварка взрывом; 4 – сварка импульсная магнитным полем; 5 – диффузионная сварка; 6 – газопрессовая сварка; 7 – прессовая сварка с нагревом дугой, вращающейся в магнитном поле; 8 – контактная сварка; 9 – сварка жидким присадочным материалом с одновременным фрезерованием свариваемых кромок; 10 – плазменное нанесение покрытий; 11 – пайка; 12 – все способы сварки плавлением (дуговая, электроннолучевая, кислородно-ацетиленовая и т.д.); 13 – парофазное нанесение покрытий.

Вид энергии активации	Агрегатное состояние вещества
твёрдое	твёрдое+жидкое	жидкое	газообразное
Е	1, 2	3, 4	¾	¾
Е+Q		6, 7	8, 9, 10	¾
Q	¾	¾	11, 12

Из таблицы видно, что большинство способов сварки основано на применении тепловой энергии. Рассмотрим примеры, соответствующие различным видам энергии активации и агрегатного состояния вещества.

Основные технические задачи, решаемые с помощью сварки. Основными факторами, определяющими возможность осуществления большинства способов сварки является введение и преобразование тепловой энергии, а так же физические и химические превращения вещества. Для достижения этой цели нужно решить следующие задачи:

1)Изучение тепловых процессов при сварке.

2)Изучение физических процессов при затвердевании и окислении Ме шва.

3)Изучение химических процессов при сварке.

Источники тепла при сварке. Схематизация источников тепла и нагреваемых тел, применяемая для расчета температур при сварке.

Источники тепла при сварке. В большинстве случаев тепло получают вблизи соединения или в самом соединении из других видов энергии. Классифицируем способы сварки по видам энергии и месту её преобразования в тепловую.

Место преобразования в тепловую	Виды преобразуемой энергии
Химическая	Механическая	Излучение	Электрическая
Вблизи соединения	1, 2, 3	¾	¾	4, 5
В самом соединении	¾		7, 8	9, 10, 11, 12

1 – газопламенная сварка; 2 – кузнечная сварка; 3 – термитная сварка; 4 – электродуговая сварка; 5 – пайка твёрдым нагретым телом; 6 – сварка трением; 7 – сварка световым лучом (лазером); 8 – сварка сфокусированным световым лучом (лампа солнце); 9 – электронно-лучевая сварка; 10 – электрошлаковая сварка; 11 – контактная сварка; 12 – высокочастотная сварка.

Химическая энергия как сварочный источник тепла.

Горение газов. Газопламенная сварка.

Горение – реакция окисления, как правило экзотермическая.

Ацетилен, пропан, бутан, природный газ, пары керосина. Эти вещества смешивают с кислородом и зажигают, идёт химическая реакция типа:

А + О₂ ® С + D + Q

Q – тепло плавит свариваемые кромки и присадочный материал.

Горение Ме в кислороде.

Применяется для резки и сварки металлов и неметаллов.

Газопламенная резка Ме.

Разрезаемый Ме нагревают газовым пламенем до температуры воспламенения, подают струю режущего кислорода, Ме сгорает, выделяя дополнительное тепло Q`.

Ме + О₂ ® А + В + Q`

Резка кислородным копьём.

Тепло выделяется за счёт реакции горения железа в кислороде. Конец стальной трубы нагревают до воспламенения и подают кислород. По мере сгорания трубу подают в сторону разрезаемой заготовки.

Превращение механической энергии в тепловую.

Количество тепла, выделяемое при переходе механической энергии в тепловую зависит от силы, с которой прижимают детали, от скорости перемещения и от времени взаимодействия поверхностей.

Q = F×V×t

Электрическая энергия как сварочный источник тепла.

Электронный луч.

При облучении поверхности потоком электронов их кинетическая энергия переходит в тепло, на этом основан процесс электронно-лучевой сварки, 1950 г. (ФРГ).

1 – источник ускоряющего напряжения;

2 – источник питания катода;

3 – катод;

4 – анод;

5 – фокусирующие катушки;

6 – электронный луч;

7 – изделие;

8 – вакуумная камера;

9 – потенциометр фокусировки луча.

Катод, анод и фокусирующие катушки составляют электронную пушку.

Мощность луча определяется ускоряющим напряжением (U_уск = 10⁵…10⁶ В) и током луча (I_луча = 50…500 мА). Количество электронов в луче 10¹⁷ – 10¹⁸ на см², V » 200000 км/с. Высокая плотность энергии ведёт к интенсивному испарению Ме, реактивные силы паров раздвигают жидкий Ме, луч проникает внутрь.

КПД = 75…90%

Энергия теряется на аноде, затрачивается на испарения, а также на вторичную и термоэлектронную эмиссию. При температуре больше 4000°К сварка невозможна из-за испарения.

Достоинства: Можно варить несколько недоступных швов за один проход. Высокая концентрация энергии позволяет получать узкие швы с соотношением высота/ширина = 15 (для дуговой сварки £ 1).

Недостатки: Дороговизна оборудования. Необходимость вакуума. Необходимость высокой квалификации операторов.

Этапы затвердевания сварочной ванны. Образование первичных кристаллитов. Первичная и вторичная структуры сварных соединений. Сварочная текстура и ее влияние на свойства сварных соединений.

Образование первичных кристаллитов. Скорости затвердевания и кристаллизации.

Образование первичных кристаллитов.Кристаллиты, растущие на оплавленных зёрнах основного металла, образуют первый фронт затвердевания. Эти кристаллы называются эпитаксиальными, т.е. унаследованные, т.к. их ориентировка в начале роста сохраняется такой же как и у зёрен затравки. Рост таких кристаллитов называется эпитаксиальным ростом.

Начиная расти в направлении, заданном зёрнами затравки, эпитаксиальные кристаллы стремятся продолжать свой рост в направлении максимального теплового потока. Это направление наиболее энергетически выгодное, т.к. по закону Фурье максимальный поток всегда направлен по нормали к изотерме, т.е. эпитаксиальные кристаллы будут расти ортогонально первому фронту затвердевания.

Максимальное переохлаждения создаётся на некотором расстоянии от фронта затвердевания. Если максимальное переохлаждение достигнет некоторого критического значения, то в этой зоне начинают образовываться гетерогенные зародыши. Кристаллы, растущие на этих зародышах, ориентированы произвольно в пространстве. Такие кристаллы называют автономными, а их рост – автономным ростом. Линия, ограничивающая область автономного роста, называется вторым фронтом затвердевания.

Общая формула

где

a_i — активности веществ, выраженные через концентрации, парциальные давления либо мольные доли;

ν_i — стехиометрический коэффициент (для исходных веществ принимается отрицательным, для продуктов — положительным);

K_c — константа химического равновесия

На практике в расчётах, не требующих особой точности, значения активности обычно заменяются на соответствующие значения концентраций (для реакций в растворах) либо парциальных давлений (для реакций между газами).

Пример: для стандартной реакции

константа химического равновесия определяется по формуле

При постоянной температуре отношение равновесных концентраций (парциальных давлений) конечных продуктов к равновесным концентрациям (парциальным давлениям) исходных реагентов, возведенных соответственно в степени, равные их стехиометрическим коэффициентам, величина постоянная

Закон действующих масс

С законом действующих масс вы познакомились, изучая равновесие обратимых химических реакций (гл. 9 § 5). Вспомним, что при постоянной температуре для обратимой реакции

aA + bB dD + fF

закон действующих масс выражается уравнением

(1)

Вы знаете, что, применяя закон действующих масс важно знать, в каком агрегатном состоянии находятся участвующие в реакции вещества. Но не только это: важно число и соотношение фаз, в данной химической системе. По числу фаз реакции делятся на гомофазные, и гетерофазные. Среди гетерофазных выделяют твердофазные реакции.

Гомофазная реакция – химическая реакция, все участники которой находятся в одной фазе.

Такой фазой может быть смесь газов (газовая фаза), или жидкий раствор (жидкая фаза). В этом случае все частицы, участвующие в реакции, (A, B, D и F) имеют возможность совершать хаотическое движение независимо друг от друга, и обратимая реакция протекает во всем объеме реакционной системы. Очевидно, что такими частицами могут быть либо молекулы газообразных веществ, либо молекулы или ионы, образующие жидкость. Примерами обратимых гомофазных реакций являются реакции синтеза аммиака, горения хлора в водороде, реакция между аммиаком и сероводородом в водном растворе и т.п.

Если хотя бы одно вещество, участвующее в реакции, находится в иной фазе, чем остальные вещества, то обратимая реакция протекает только на границе раздела и называется гетерофазной реакцией.

Гетерофазная реакция – химическая реакция, участники которой находятся в разных фазах.

К обратимым гетерофазным реакциям относятся реакции с участием газообразных и твердых веществ (например, разложение карбоната кальция), жидких и твердых веществ (например, осаждение из раствора сульфата бария или реакция цинка с соляной кислотой), а также газообразных и жидких веществ .

Особым случаем гетерофазных реакций являются твердофазные реакции, то есть реакции, все участники которых представляют собой твердые вещества.

Вообще-то уравнение (1) справедливо для любой обратимой реакции независимо от того, к какой из перечисленных групп она относится. Но в гетерофазной реакции равновесные концентрации веществ, находящихся в более упорядоченной фазе являются постоянными величинами и могут быть объединены в константе равновесия (см. гл. 9 § 5).

Так, для гетерофазной реакции

aA_г + bB_кр dD_г + fF_кр

закон действующих масс будет выражаться соотношением

(2)

Вид этого соотношения зависит от того, какие вещества, участвующие в реакции находятся в твердом или жидком состоянии (жидком, если остальные вещества – газы).

В выражениях закона действующих масс (1) и (2) формулы молекул или ионов в квадратных скобках означают равновесную концентрацию этих частиц в газе или растворе. При этом концентрации не должны быть велики (не более 0,1 моль/л), так как эти соотношения справедливы только для идеальных газов и идеальных растворов. (При больших концентрациях закон действующих масс остается справедливым, но вместо концентрации приходится использовать другую физическую величину (так называемую активность), учитывающую взаимодействия между частицами газа или раствораю Активность не пропорциональна концентрации).

Закон действующих масс применим не только для обратимых химических реакций, ему подчиняются и многие обратимые физические процессы, например межфазные равновесия индивидуальных веществ при переходе их из одного агрегатного состояния в другое. Так, обратимый процесс испарения – конденсации воды может быть выражен уравнением

H₂O_ж H₂O_г

Для этого процесса можно записать уравнение константы равновесия:

K_C = [H₂O]

Полученное соотношение подтверждает, в частности, известное вам из физики утверждение о том, что влажность воздуха зависит от температуры и давления.

Раскисление углеродом.

Раскисление углеродом происходит в 2 этапа:

1.

2.

Наблюдается одновременное присутствие железа, его закиси, углерода, окиси углерода, двуокиси углерода. Где и при каких условиях будут протекать эти реакции? В условиях равновесия Fe, FeO, C, CO, CO₂. Диапазон температур DТ = 400…1200°С.

Область I – область устойчивого существования восстановленного Fe. Эта область уменьшается с ростом температуры. Ей отвечает наличие преимущественно восстановительной среды в виде CO.

Область II – устойчивое существование FeO. Она появляется при температуре » 600°С и увеличивается с ростом температуры. В отличие от первой области ей отвечает наличие окислительной среды, заметное количество CO₂. В результате начинает развиваться процесс окисления железа по реакции

Или процесс окисления железа с образованием окиси

Если имеется магнетит (Fe₃O₄), восстановление происходит по реакции

Область III – область устойчивого существования магнетита. При температуре свыше 600°С эта область уменьшается. Ей характерна более сильная окислительная среда, из-за наличия значительного количества CO₂. Поэтому в этой области окислительный процесс продолжается

Реальный сварочный процесс протекает при ещё более высоких температурах и можно предположить следующее: При окислении Ме устойчивой формой оксида железа будет FeO. Раскисление Ме углеродом идёт только по реакции образования окиси углерода. Т.к. при высокой температуре этот продукт очень устойчив

Отсюда определяют равновесную концентрацию закиси Fe в Ме считая, что содержание Fe в стали » 1 и выразив концентрацию окисла углерода через парциальное давление получим

Если полагать, что в процессе сварки в области высоких температур парциальное давление углерода » 1, то

Рассмотрим зависимость содержания растворённой в Ме закиси железа от содержания в нём углерода.

С увеличением содержания углерода в Ме в нём интенсивно уменьшается количество закиси железа. С ростом температуры процесс раскисления углерода убыстряется и раскисление идёт значительно полнее, чем при более низких температурах. Однако, несмотря на очень хорошую раскислительную способность углерод, как раскислитель, находит ограниченное применение. Это объясняется двумя обстоятельствами:

1. Возможность образования пор в Ме шва, особенно на участках, кристаллизующихся в последнюю очередь, сильно насыщенных углеродом. При сварке будут идти реакции выгорания углерода.

2. Возможность повышения содержания углерода в Ме шва, а это не всегда допустимо.

Раскисление водородом.

В общем виде идёт реакция:

Недостатки водорода, как раскислителя:

1. Высокая растворимость в Ме.

2. Опасность образования пор и холодных трещин.

Вывод: Говоря об эффективности раскисления на основе обменных реакций следует иметь в виду, что даже когда процесс протекает длительно не достигается равновесия реакции. Поэтому при сварке отклонение от равновесия будет в сторону более высокого содержания закиси железа. В связи с этим на практике часто применяется несколько раскислителей.

Диффузионное раскисление.

Оно основано на частичном переходе закиси железа из жидкого Ме в шлак, т.к. её распределение между шлаком и Ме подчиняется закону распределения Нернста.

константа равновесия.

Для развития этого вида раскисления важно, чтобы концентрация свободной закиси Ме уменьшалась, тогда новые порции закиси Ме будут переходить из Ме в шлак. Уменьшение содержания свободной закиси железа в шлаке достигается следующими путями:

1. Связыванием её в комплексное соединение – кислотный оксид (с образованием силикатов или титанитов).

2. Дополнительное применение раскисления на основе обменных реакций.

3. Разбавление шлаков нейтральными, в химическом смысле, добавками.

Константа распределения, определяющая степень перехода закиси железа из Ме в шлак, с увеличением температуры уменьшается.

При высоких температурах меньшее количество закиси Ме может перейти в шлак, нежели при низких.

При диффузионном раскислении закись железа удаляется из Ме в шлак путём диффузии, следовательно все химические процессы протекают на границе Ме – шлак, или в самом шлаке.

Недостатки: Само раскисление протекает медленно, поэтому, хотя при температурах близких к температуре плавления Ме L высока, скорость диффузии замедляется и общий процесс оказывается не очень высоким.

Процесс диффузионного раскисления наиболее заметен при образовании капли на торце электрода и при переносе её через дугу. Этому способствует очень высокая температура. Ме в капле энергично перемешивается и непрерывно контактирует со свежими порциями шлака. В сварочной ванне процесс диффузионного раскисления протекает лишь в верхнем тонком слое Ме, прилегающем к шлаку. В результате диффузионное раскисление не играет значительной роли при дуговой сварке и наиболее заметно при ЭШС.

Рудно-кислые.

В качестве шлакообразующих материалов используются окислы FeO, MnO, SiO₂, TiO₂. В качестве газообразующих – органические соединения: крахмал или декстрин. В качестве раскислителей используют ферромарганец. Таким типом покрытий обладают следующие электроды: СМ-5, АНО-2.

Рутиловые.

Это покрытие обеспечивает шлак со значительным содержанием рутила. В качестве других шлакообразующих применяется магнезит (MgO) и полевой шпат (CaO). В качестве газообразующих используются карбонаты (CaCO₃) + небольшие добавки органических соединений. В качестве раскислителя используют ферромарганец. Пример электродов: МР-3, МР-4, АНО-3, АНО-4, ОЗС-3, ОЗС-4, ОЗС-6.

Фтористо-кальциевые.

Это покрытие построено на базе карбоната кальция CaCO₃ (мрамор) и плавикого шпата (CaF2). Газовая защита создаётся в следствии диссоциации CaCO₃. Для раскисления применяется FeSi, FeTi. Пример электродов: УОНИ 13/45, СМ-11.

Целлюлозное.

Эти покрытия создают защиту от воздуха значительным количеством органических соединений при меньшем количестве шлакообразующих. Раскислители: FeMn, FeSi. Пример электродов: ВСЦ-1, ВСЦ-2.

Химическое воздействие.

Воздействие шлака на Ме может быть либо окислительным, либо раскислительным, при этом шлак переводятся в растворимые в Ме окислы. Шлаки могут изменять содержание в Ме серы и фосфора. На процессы взаимодействия шлака и Ме оказывают влияние физические свойства шлаков. Очень важной характеристикой является температура плавления. Температура плавления шлаков является менее определённой характеристикой, т.к. шлаки изменяют свою вязкость в широком диапазоне температур. В зависимости от характера изменения вязкости от температуры бывают длинные и короткие шлаки. Короткие шлаки – основные. Они затвердевают в малом температурном интервале и при остывании быстро переходят из состояния значительной текучести к образованию шлаковой корки.

Кислые шлаки постепенно изменяют свою вязкость. После затвердевания имеют аморфное, стеклообразное строение.

В реальных сварочных процессах шлаки должны иметь температуру плавления (затвердевания) незначительно отличающуюся от температуры плавления свариваемого Ме.

Если температура плавления шлака намного ниже температуры плавления Ме, то он будет сильно растекаться по нагретым свариваемым кромкам и слабо защищать сварочную ванну. При очень высокой температуре плавления шлак собирается в наиболее нагретой зоне, а края ванны оказываются оголёнными. Наиболее благоприятным является такое соотношение, когда шлак плавится при температуре, немного ниже температуры плавления Ме (при сварке сталей эта разница должна быть 200-300°С). Известны случаи, когда возможно применение шлаков с температурой плавления более высокой, чем у свариваемого Ме (например, сварка Cu с флюсом ОСЦ-45).

Вязкость шлаков.

Вязкость шлаков при температуре плавления Ме всегда значительно больше, чем вязкость Ме. Однако эта разница не должна быть очень большой. При сварке сталей h_Ме = 0,01-0,02 Пуаз (Температура плавления металла Т_{пл Ме} » 1500°С). Шлаки для сварки таких материалов должны иметь h_шл £ 10 Пуаз. Шлаки с h_шл > 10 Пуаз неприменимы. Т.к. большая вязкость шлаков для сварки является нежелательной, в них добавляют ”плавни”: плавиковый шпат и рутил. Эти добавки придают шлаку и другие свойства.

Межфазное натяжение.

Натяжение на границе раздела шлак – Ме. Это межфазное натяжение определяет формирование наружной поверхности сварного шва при ручной, автоматической и полуавтоматической сварках. Оно же влияет на разделение перемешенного в ванне шлака и металла.

Виды переноса металла.

В зависимости от условий сварки, силы, плотности и формы кривой тока, вида защиты, полярности дуги, можно выделить 5 основных видов переноса металла в дуге.

	Вид переноса	Типовые примеры
	с коротким замыканием, крупнокапельный	ручная сварка при плотности тока i ≤ 10 А/мм2
	с коротким замыканием, мелкокапельный	сварка в CO2
	без короткого замыкания, мелкокапельный	сварка под флюсом с i > 10 А/мм2
	Струйный	сварка в инертных газах тонкой проволокой i > 10 А/мм2
	парами металла	при всех видах сварки плавлением, как дополнение к другим видам переноса

Характер переноса металла оказывает значительное влияние на интенсивность химических процессов в дуге и ванне. От него зависит устойчивость процесса, разбрызгивание металла, формирование шва.

Пример: При автоматической сварке (механизированной) в процессе сварки желателен струйный перенос, гарантирующий лучшее формирование и качество сварного шва.

Поскольку перенос металла зависит от множества факторов, рассмотрим наиболее важные из них.

Силы, действующие на расплавленный металл в дуге.

1. Сила тяжести.

2. Сила поверхностного натяжения.

3. Электродинамические силы (см. курс лекций за 1 семестр, стр.21).

4. Реактивные силы и плазменные потоки.

Силы тяжести способствуют переносу металла в нижнем положении и препятствуют в потолочном. Их влияние особенно заметно при сварке на малых токах, т.к. в этом случае электродинамические силы сравнительно невелики.

Силы поверхностного натяжения являются основными силами, удерживающими каплю на торце электрода. Эти силы придают капле жидкости сферическую форму, кроме того, удерживают каплю в потолочном положении, а также всасывают каплю в жидкую сварочную ванну. Эти силы создают внутри капли радиуса R избыточное давление:

,

где - коэффициент поверхностного натяжения, равный отношению силы, действующей на границе поверхности плёнки жидкости к единице длины этой плёнки. Это работа сил поверхностного натяжения, затрачиваемая на образование единицы поверхности [Дж/м]. Чем меньше a, тем мельче капли жидкости, больше их суммарная поверхность, интенсивнее идут химические реакции, и возрастает вероятность перехода мелкокапельного переноса в струйный.

Взаимодействие жидкого металла с газами и шлаком изменяет его поверхностное натяжение (например, кислород снижает поверхностное натяжение стали, поэтому при сварке в инертном газе в него добавляют до 5% O₂). Поверхностное натяжение снижается при повышении температуры капель.

При сварке на постоянном токе обратной полярности анодное пятно возникает на поверхности жидкой капли электродного металла. С увеличением тока размер анодного пятна растёт, но плотность тока в нём остаётся постоянной. Следовательно, перегрев капли металла, и её кипение наступает при меньших токах, чем при сварке на прямой полярности и химические реакции идут интенсивнее. При увеличении плотности тока до 20 А/мм² и выше наблюдается ”электрокапиллярный эффект”. Его суть в понижении a и переходе от капельного переноса к струйному.

Электродинамические силы радиально сжимают каплю на торце плавящегося электрода. Они сильно влияют на перенос металла через дугу, особенно при больших токах, так как величина электродинамических сил пропорциональна квадрату силы сварочного тока.

Струйный перенос характерен для газоэлектрической сварки. Он сопровождается образованием конуса металла на конце электрода. При этом размер капель монотонно уменьшается.

При некотором значении критического тока капельный перенос переходит в струйный. При сварке на обратной полярности I_кр больше, чем I_кр при сварке на прямой полярности.

Обхват дугой торцов электрода способствует струйному переносу. С увеличением d_эл критический ток растёт почти линейно, а плотность тока i падает по гиперболической кривой.

Технологии сварки чугуна.

Сварочный нагрев и последующее охлаждение настолько изменяют структуру и свойства чугуна в зоне расплавления и околошовной зоне, чтобы получить сварные соединения без дефектов с необходимым уровнем свойств оказывается весьма затруднительно. В связи с этим чугун относится к материалам, обладающим плохой технологической свариваемостью.

При полугорячей и холодной сварке чугуна широко используют металлургические и технологические средства воздействия на металл с целью повышения качества сварных соединений. К их числу относятся:

Легирование наплавленного металла элементми-графитизаторами, с тем чтобы при данной скорости охлаждения получить в шве перлитно-ферритную структуру, характерную для низкоуглеродистой стали, путем связывания избыточного углерода в карбиды, более прочные, чем цементит, и равномерно распределенные в металле;

Введение в состав сварочных материалов кислородосодержащих компонентов с целью максимального окисления углерода и получения в металле шва низкоуглеродистой стали;

Применение сварочных материалов, обеспечивающих в наплавленном металле получение различных сплавов цветных металлов: медно-никелевых, медно-железных, железоникелевых и др., обладающих высокой пластичностью и имеющих температуру плавления, близкую к температуре плавления чугуна.

Способы контактной сварки.

Контактная сварка - это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Оборудование для контактной сварки...

Родоначальник контактной сварки - английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон самостоятельно разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н.Н.Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки. На промышленную основу в России контактная сварка была поставлена в 1936 г. после освоения серийного выпуска контактных сварочных машин.

Преимущества контактной сварки перед другими способами:

· Высокая производительность (время сварки одной точки или стыка составляет 0,02... 1,0 с)

· Малый расход вспомогательных материалов (воды, воздуха)

· Высокое качество и надежность сварных соединений при небольшом числе управляемых параметров режима, что снижает требования к квалификации сварщика

· Это экологически чистый процесс, легко поддающийся механизации и автоматизации

Основные способы контактной сварки - это точечная, шовная (роликовая) и стыковая сварка.

Машины для контактной сварки бывают стационарными, передвижными и подвесными (сварочные клещи). По роду тока в сварочном контуре могут быть машины переменного или постоянного тока от импульса тока, выпрямленного в первичной цепи сварочного трансформатора или от разряда конденсатора. По способу сварки различают машины для точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки.

Любая машина для контактной сварки состоит из электрической и механической частей, пневмо- или гидросистемы и системы водяного охлаждения (рис. 1).

Рис. 1. Типовые схемы машин для контактной точечной (а), шовной (б) и стыковой (в) сварки:
1 - трансформатор; 2 - переключатель ступеней; 3 - вторичный сварочный контур; 4 - прерыватель первичной цепи; 5 - регулятор; 6 - привод сжатия; 7- привод зажатия деталей; 8 - привод осадки деталей; 9 - привод вращения роликов; 10- аппаратура подготовки; 11 - орган включения

Электрическая часть включает в себя силовой сварочный трансформатор 1 с переключателем ступеней 2 его первичной обмотки, с помощью которого регулируют вторичное напряжение, вторичный сварочный контур 3 для подвода сварочного тока к деталям, прерыватель 4 первичной цепи сварочного трансформатора 1 и регулятор 5 цикла сварки, обеспечивающий заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки.

Механическая часть состоит из привода сжатия 6 точечных и шовных машин, привода 7 зажатия деталей и привода 8 осадки деталей стыковых машин. Шовные машины снабжены приводом 9 вращения роликов.

Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры 10 подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу 6 (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера).

Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе 1 и вторичном контуре 3, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или ее мало.

Все машины снабжены органом включения 11. У точечных и шовных машин это ножная педаль с контактами, у стыковых - это комплект кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие "С" электродов или зажатие "3" деталей, на включение "Т" и отключение "О" сварочного тока, на вращение "В" роликов, на включение "а" регулятора цикла сварки. Эти команды отрабатываются соответствующими блоками машины, обеспечивая выполнение операций цикла сварки.

Кроме универсальных применяются специальные машины, приспособленные для сварки конкретных конструкций и типов размеров изделий. Примером могут служить машины для контактной точечной сварки кузовов автомобилей, встроенные в автоматические линии, машины для стыковой сварки оплавлением продольных швов труб в прокатном производстве.

Электроды в контактной сварке служат для замыкания вторичного контура через свариваемые детали. Кроме этого при шовной сварке электроды-ролики перемещают свариваемые детали и удерживают их в процессе нагрева и осадки.

Важнейшая характеристика электродов - стойкость, способность сохранять исходную форму, размеры и свойства при нагреве рабочей поверхности до температуры 600 ⁰С и ударных усилиях сжатия до 5 кг/мм². Электроды для точечной сварки - это быстроизнашивающийся сменный инструмент сварочной машины. Для изготовления электродов используют медь и жаропрочные медные сплавы - бронзы. Это может быть хромоциркониевая бронза БрХЦрА; кадмиевая БрКд1; хромистая БрХ; бронза, легированная никелем, титаном и бериллием БрНТБ или кремний-никелевая бронза БрКН-1-4. Последние две бронзы обладают повышенной износостойкостью, из них можно изготавливать электроды-губки стыковых машин. Материалы для электродов должны обладать также высокой электро- и теплопроводностью, чтобы их нагрев в процессе сварки был меньше. Температура разупрочнения бронз не превышает 0,5 их температуры плавления, а рабочая поверхность электрода нагревается до 0,6 Т_пл. При таких условиях электродные бронзы относительно быстро разупрочняются. Повысить износостойкость электродов можно, используя технологические факторы. Сварку алюминиевых и магниевых сплавов лучше производить на конденсаторных машинах, а не на машинах переменного тока. Вместо механической зачистки нужна химическая очистка поверхности, травление и пассивация. Расстояние l от рабочей поверхности до дна охлаждающего канала (рис. 2) не должно превышать 10...12 мм, увеличение его до 15 мм повышает износ электрода в 2 раза. При сварке черных металлов стойкость электродов можно повысить в 3...4 раза только за счет сферической заточки электрода и снижения темпа сварки до 40...60 точек в минуту.

Рис. 2. Схемы электродов для точечной сварки: а - с наружным посадочным конусом; б - колпачковым

Электрод должен иметь минимальную массу, удобно и надежно устанавливаться на сварочной машине. Диаметр D должен обеспечивать устойчивость электрода против изгиба при сжатии его усилием сварки, а также возможность захвата инструментом для снятия. Внутренний диаметр должен обеспечивать ввод трубки с охлаждающей водой и выход воды, обычно d₀ = 8 мм. Длина конусной части для крепления электрода в свече машины l₁ <= 1,2 D. Угол конусности 1:10 при D < 25 мм и 1 : 5 при D > 32 мм. Диаметр рабочей части электрода выбирают в зависимости от толщины кромок свариваемых деталей d_э = 3S. Стойкость электродов с наружным посадочным конусом (рис. 2, а) обычно не превышает 20 000 сварок. Стойкость колпачковых электродов (рис. 2, б) с внутренним посадочным конусом достигает 100 000 сварок вследствие лучших условий охлаждения. Для сварки деталей сложной конфигурации в труднодоступных местах применяют фигурные электроды.

Электроды для рель