Теория и технология контактной сварки

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Р.Ф. Катаев, В.С. Милютин, М.Г. Близник

Теория и Технология
конТакТной сварки

Учебное пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ  
для студентов, обучающихся по направлениям подготовки  
150700 «Машиностроение» и специалитета по направлению  
150200 «Машиностроительные технологии и оборудование»

Москва
Издательство «ФЛИНТА»
Издательство Уральского университета
2017

2-е издание, стереотипное

УДК 621.791.76/.79(075.8)
ББК 34.641.52я73
К29

Рецензенты:
канд. техн. наук, доц. В. И. Шумяков (ООО «Уральский институт сварки»);
канд. техн. наук М. А. Шолохов (ООО «Шторм»)

Научный редактор — д-р техн. наук, проф. М. П. Шалимов

Катаев, Р.Ф.
     Теория и технология контактной сварки [Электронный 
ресурс]: учебное пособие /  Р. Ф. Катаев, В. С. Милютин, 
М. Г. Близник. — 2-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА : Изд-во Урал. 
ун-та, 2017.  — 144 с. 

ISBN 978-5-9765-3122-2 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1491-1 (Изд-во Урал. ун-та)

В учебном пособии рассмотрены основные и сопутствующие процессы, сопровождающие формирование соединения при точечной, шовной, рельефной и стыковой контактной сварке. Освещены основные вопросы рационального проектирования и реализации технологических процессов получения сварных соединений 
контактной сваркой. Указаны области рационального применения способов контактной сварки.
Библиогр.: 16 назв. Табл. 14. Рис. 63. 
УДК 621.791.76/.79(075.8)
ББК 34.641.52я73

© Уральский федеральный  
     университет, 2015

К29

ISBN 978-5-9765-3122-2 (ФЛИНТА)
ISBN 978-5-7996-1491-1 (Изд-во Урал. ун-та)

ввеДение

Контактная сварка — один из наиболее распространенных и быстро развивающихся видов получения неразъемных соединений самых разнообразных конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений. 
В настоящее время около 40% всех сварных соединений выполняется с помощью контактной сварки. По степени механизации и автоматизации контактная сварка занимает первое место среди других видов сварки.
Контактная сварка известна со второй половины прошлого века. В 1856 г. 
известный английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые предложил и применил стыковую сварку. В 1877 г. Э. Томсон (США) запатентовал 
стыковую сварку сопротивлением. Несколько позже, в 1888 г., русский изо-
бретатель H. Н. Бенардос запатентовал точечную и шовную сварку (по некоторым источникам — в том же 1877 г.). Стыковая сварка оплавлением была 
разработана в 1903 г. Широкое использование контактной сварки в нашей 
стране началось в 30-х годах XX в. после создания индустриальной базы.
Контактная сварка используется преимущественно в промышленном массовом или серийном производстве однотипных изделий. Область применения 
контактной сварки чрезвычайно широка — от крупногабаритных строительных конструкций, космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем.
Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаропрочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и титана и др.
Точечная сварка — наиболее распространенный способ, на долю которого приходится около 70% всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, авиастроении, строительстве, радиоэлектронике и т. д. Например, 
в конструкциях современных авиалайнеров насчитывается несколько миллионов сварных точек, автомобилей — до 5000–7000, пассажирских железнодорожных вагонов — порядка 30000 точек. Диапазон свариваемых толщин — 
от нескольких микрометров до 30 мм.
Стыковая сварка, преимущественно сварка оплавлением, составляет 
более 10% от общего объема применения контактной сварки.
Стыковую сварку сопротивлением применяют в основном при соединении проволоки, стержней и труб из углеродистой и легированной стали относительно малых компактных сечений. В связи с тем, что не всегда 
удается обеспечить соединение высокого качества, этот способ используют 
ограниченно.

Теория и Технология конТакТной сварки

Более широкое применение нашла стыковая сварка оплавлением, ее успешно используют при соединении трубопроводов, железнодорожных рельсов 
(бесстыковые пути) в стационарных и полевых условиях, длинномерных заготовок из различных конструкционных сталей и сплавов, цветных металлов и др.
Стыковая сварка применяется при производстве режущего инструмента. 
Например, рабочая (режущая) часть, выполненная из инструментальных сталей и сплавов, сваривается с хвостовой (крепежной) частью из углеродистых 
качественных сталей, что удешевляет инструмент и улучшает его эксплуатационные характеристики.
Шовная сварка по объему применения занимает третье место среди контактных способов (около 10%) и используется при изготовлении различных 
емкостей, корпусов изделий, в том числе герметичных, например топливных баков автомобилей и летательных аппаратов, емкостей для химической промышленности, различных труб, глушителей выхлопа автомобилей, 
бытовых моек, баков стиральных машин и шкафов холодильников, плоских отопительных радиаторов, сильфонов и других изделий, изготавливаемых из листовых заготовок. Кроме того, шовная сварка широко используется 
для выполнения прочноплотных швов элементов приборостроения. Плотность соединений, полученных шовной сваркой, обеспечивает высокую надежность герметичных сварных конструкций в условиях как низкого давления (высокого вакуума), так и высокого давления.
Рельефная сварка — наименее распространенный, но динамично развивающийся способ контактной сварки (объем применения около 5–7% от общего объема контактных способов). Этот способ используется для крепления кронштейнов к листовым деталям, например скобы к капоту автомобиля, 
петли для навески дверей к кабине, для соединения крепежных деталей — 
болтов, гаек и шпилек и т. д.— с несущими элементами конструкций, крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и др. Рельефная 
сварка по непрерывным замкнутым контурам позволяет получать герметичные соединения, в частности в микроэлектронике — сварка крышки с основанием полупроводниковых элементов или интегральных схем.

1. основнЫе сПосоБЫ конТакТной сварки

Контактная сварка — это процесс образования неразъемных соединений конструкционных материалов в результате их кратковременного 
нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.
Соединение свариваемых деталей при контактной сварке (как и при 
других способах сварки) происходит путем образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования 
физического контакта и активации соединяемых поверхностей затрачивается 
тепловая и механическая энергия, подводимая извне.
Известные способы контактной сварки классифицируют поряду признаков:
1) по технологическому способу получения соединений — точечная, рельефная, шовная, стыковая;
2) по конструкции соединения (нахлесточное или стыковое);
3) по состоянию металла в зоне сварки — с расплавлением металла и без 
расплавления;
4) по способу подвода тока — одно- и двусторонняя;
5) по роду сварочного тока иформе импульса тока (переменный— промышленной, повышенной и пониженной частоты; постоянный, униполярный — ток одной полярности с переменной силой в течение импульса);
6) по числу одновременно выполняемых соединений— одноточечная, многоточечная, сварка одним или несколькими швами и т. д.;
7) по наличию дополнительных связующих компонентов (клея, грунта, припоя и др.);
8) по характеру перемещения роликов при шовной сварке — непрерывная (с постоянным вращением роликов) или шаговая (с остановкой роликов на время сварки).

1.1. Точечная сварка

Точечная сварка — способ контактной сварки, при котором детали соединяются по отдельным локальным участкам касания (по ряду точек). При точечной сварке (рис. 1.1, а) детали 1 собирают внахлестку, сжимают усилием Fсв 
электродами 2, к которым подключен источник электрической энергии 3 (например, сварочный трансформатор, выпрямитель, инвертор и т. д.). Детали 
нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока Iсв через 
участок электод—электрод (рис. 1.2, а) до образования зоны 4 совместного 
взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки 
сопровождается пластической деформацией металла, вызываемой усилием 

Теория и Технология конТакТной сварки

сжатия, в зоне контакта деталей (вокруг ядра), где образуется уплотняющий 
поясок 5. Он предохраняет жидкий металл от выплеска и от взаимодействия 
с окружающим воздухом, поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется. После выключения тока расплавленный металл ядра быстро кристаллизуется, в результате чего образуются металлические связи между соединяемыми деталями (рис.1.2, б).
Таким образом, формирование соединения при точечной сварке происходит с расплавлением металла.
Нагрев при точечной сварке проводят импульсами переменного тока 
промышленной частоты 50 Гц (в некоторых случаях повышенной частоты), 
а также импульсами постоянного или униполярного тока.
По способу подвода тока к свариваемым деталям различают двустороннюю и одностороннюю сварку. В первом случае электроды 2 (рис. 1.1, а) подводят к каждой из деталей 1, а во втором — к одной из деталей (например, 
верхней, рис. 1.1, б). Для повышения плотности тока в точках касания деталей нижнюю деталь прижимают к медной подкладке 6, которая одновременно выполняет роль опоры.

Рис. 1.1. Технологические схемы основных способов контактной сварки

Чаще всего за цикл сварки получают одну точку (одноточечная сварка) 
и реже — одновременно две (рис. 1.1, б) и более точек (многоточечная сварка). Иногда при точечной сварке применяют комбинированные соединения (клеесварные и сварно-паяные). Клей и припой вводят под нахлестку 
для повышения прочности и коррозионной стойкости соединений.

а
б
в

г
д

1. основнЫе сПосоБЫ конТакТной сварки

Рис. 1.2. Схема процесса точечной сварки: 

а — нагрев металла протекающим через участок электрод–электрод током;  
б — кристаллизация металла ядра после выключения импульса сварочного тока

1.2. рельефная сварка

Рельефная сварка — разновидность точечной сварки. Основным отличием этого способа является наличие предварительно сформированного 
рельефа — выступа 7 (рис. 1.1, в) на поверхности одной из деталей, который ограничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чего 
при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. По мере нагрева рельеф под действием сварочного усилия постепенно деформируется до полного исчезновения; на определенном этапе образования соединения, как правило, формируется ядро 4, как при  
точечной сварке. Для изделий с большой площадью соединяемых поверхностей на одной из деталей выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ с замкнутым контуром, например, в виде кольца. В результате, после прохождения сварочного тока, получают одновременно 
несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная 
сварка).

1.3. Шовная сварка

Шовная сварка — способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда частично перекрывающих друг друга точек. Сжатие 
и перемещение деталей, а также подвод тока осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов — роликов 8 (рис. 1.1, г). Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим 
выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов. В зависимости от того, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сварочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку. Шаговая сварка отличается относительно небольшой 

Теория и Технология конТакТной сварки

производительностью, тем не менее этот способ позволяет уменьшить скорость износа рабочей поверхности роликов и вероятность образования дефектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой, когда 
прохождение сварочного тока и кристаллизация литого ядра осуществляются при вращающихся роликах. Известны некоторые разновидности шовной 
сварки — односторонняя, многошовная (одновременная сварка нескольких 
швов на одной машине), шовно-стыковая сварка.

1.4. стыковая сварка

Стыковая сварка — способ контактной сварки, когда детали соединяются 
по всей площади касания (по всему сечению). Детали (рис. 1.1, д) закрепляют с усилием зажатия Fзаж в токоподводящих зажимах 9, 10, один из которых, например зажим 10, подвижный и соединен с приводом усилия сжатия 
машины. По степени нагрева металла торцов деталей различают стыковую 
сварку сопротивлением и оплавлением.
При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предварительно сжимают усилием Fсж и включают сварочный источник тока 3. По деталям протекает сварочный ток Iсв, и происходит постепенный нагрев стыка деталей 
до температуры, близкой, но не превышающей температуру плавления. Затем сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие осадки деталей, 
которые деформируются в стыке. При этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт и образуется соединение.
Стыковая сварка оплавлением отличается тем, что вначале на детали 
подают напряжение от сварочного источника тока, а затем их сближают. 
При соприкосновении деталей в отдельных точках (из-за неровностей 
поверхности) вследствие большой плотности тока металл в месте контактов быстро нагревается с образованием жидких перемычек, которые 
затем взрывообразно разрушаются. Нагрев торцов деталей происходит 
за счет их оплавления в результате непрерывного образования и разрушения множественных контактов — перемычек. К концу процесса на торцах 
образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения торцов и усилие осадки деталей; торцы смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливается из зоны сварки, образуя 
утолщение — грат 11 (рис. 1.1, д). Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей. В ряде случаев для более равномерного 
нагрева деталей по сечению и получения однородных свойств соединений торцы подогревают до начала оплавления током, протекающим при 
многократном кратковременном замыкании торцов, как при сварке сопротивлением.

1. основнЫе сПосоБЫ конТакТной сварки

Стыковую сварку как сопротивлением, так и оплавлением относят по состоянию металла в зоне сварки к сварке в твердом состоянии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших 
сечений, стыковое соединение формируется в твердожидкой фазе.
Получение сварных конструкций с заданными эксплуатационными свойствами обеспечивается соответствующей технологией и оборудованием.

2. ФорМирование соеДинений  
При ТоЧеЧной, Шовной и релЬеФной
сварке

Для получения качественных соединений необходимо знание физикохимических процессов, протекающих при их формировании, которые и составляют теоретическую основу технологии. В целях анализа формирования 
соединения его условно можно расчленить на отдельные этапы и выделить 
физические процессы, способствующие образованию межатомных связей 
в контакте заготовок и определяющие свойства полученных соединений.
Для всех процессов контактной сварки характерно малое время их протекания при большом сварочном токе и усилии сжатия деталей, что обеспечивает интенсивный нагрев, локальное плавление металла и значительную 
пластическую деформацию в месте соединения, а в ряде случаев — образование межатомных связей в твердом состоянии без участия жидкого металла.
Необходимым условием формирования соединения для большинства 
способов является образование общей зоны расплавления заданных размеров, что обеспечивает важнейшие эксплуатационные свойства — прочность и герметичность соединения. Размеры ядра или шва регламентируются ГОСТ 15878–79.

2.1. общая схема формирования соединения при точечной, шовной 
и рельефной сварке

При рассматриваемых способах сварки образование соединения происходит в значительной мере по единой схеме, включающий три этапа I—III 
(рис. 2.1).
2.1.1. Первый этап
Этап начинается с момента обжатия деталей, вызывающего упруго-пластическую деформацию микронеровностей в контактах электрод–деталь 
и деталь—деталь, в результате чего устанавливается начальный контакт. 
Последующее включение тока и нагрев металла снижают сопротивление 
пластической деформации, что способствует выравниванию микрорельефа, разрушению поверхностных пленок и формированию электрического контакта.
При рельефной сварке на данном этапе начинается осадка рельефа.
Деформация нагретого металла происходит преимущественно в зазор между деталями, в результате чего образуется уплотняющий поясок.