Технология и оборудование для контактной сварки


В. В. ОВЧИННИКОВ, М. А. ГУРЕЕВА








                ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ




Учебник











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК 621.791
ББК 34.641
     0-35















       Овчинников, В. В.
0-35     Технология и оборудование для контактной сварки : учебник / В. В. Ов       чинников, М. А. Гуреева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2020. -272 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0452-5

     Рассмотрены основные принципы образования соединений при точечной, шовной и стыковой сварке, особенности процессов нагрева и пластической деформации металла. Освещена технология технология контактной сварки и описано типовое оборудование, инструменты и приспособления, применяемые при стыковой, точечной, рельефной и шовной сварке; рассмотрены вопросы контроля качества. Для студентов вузов машиностроительных специальностей.
УДК 621.791
ББК 34.641







ISBN 978-5-9729-0452-5

  © В. В. Овчинников, М. А. Гуреева, 2020
  © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ


     Развитие промышленности и рост производительности труда неразрывно связаны с комплексной механизацией и автоматизацией технологических процессов. К ним относят и высокопроизводительную легко автоматизируемую контактную сварку, которая обеспечивает высокое качество и повышенную работоспособность многих сварных конструкций.
     Контактная сварка основана на «способе соединения металлов непосредственным действием электрического тока», предложенном русским изобретателем Н. Н. Бернардосом в 1882 г. Несколько позже Томсон (США) изобрел стыковую сварку сопротивлением. Стыковая сварка оплавлением была предложена в 1903 г. Широкое использование контактной сварки в нашей стране началось в 30-х годах после создания индустриальной базы.
     Контактная сварка широко применяется в автомобильной, авиационной, электронной и строительной промышленности, судостроении, металлургическом производстве, вагоностроении, турбостроении, производстве бытовых приборов и т. д. В настоящее время около 70 % сварочных работ при изготовлении автомобилей и котельных установок выполняют контактной сваркой.
     Контактная сварка осуществляется с местным нагревом деталей электрическим током и их пластической деформацией на участках нагрева. Местный нагрев достигается за счет повышенного сопротивления электрическому току на участках контакта между свариваемыми деталями. Это сопротивление называется контактным, а сварка, при которой оно служит для концентрированного местного нагрева, - контактной.
     Контактная сварка - разновидность сварки давлением. Способы сварки давлением отличаются друг от друга источниками нагрева, степенями деформации металла в зоне соединения, температурой и длительностью нагрева. Так, холодная сварка выполняется при комнатной температуре с большой деформацией соединяемых концов деталей. Сварка трением и ультразвуковая происходят за счет тепла, выделяемого при трении сдавленных соединяемых поверхностей. Высокочастотную сварку осуществляют с нагревом при небольшом давлении.

3

Овчинников В. В., Гуреева М. А.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

     Контактная сварка - это процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов 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 по ряду 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 и форме 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).
     Точечная сварка - способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания (по ряду точек). При точечной сварке (рис. 1, а) детали 1 собирают внахлестку, сжимают усилием F электродами 2, к которым подключен источник 3 электрической энергии (например, сварочный трансформатор). Детали нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока Iсв до образования зоны 4 взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией металла деталей (вокруг ядра), где образуется уплотняющий поясок 5, надежно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружающего воздуха. Поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется. После выключения тока расплавленный металл ядра быстро

4

ВВЕДЕНИЕ

кристаллизуется, и образуются металлические связи между соединяемыми деталями. Таким образом, образование соединения при точечной сварке проис
ходит с расплавлением металла.

Рис. 1. Основные способы контактной сварки

     Нагрев при точечной сварке проводят импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц (реже повышенной частоты 1000 Гц), 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, а) подводят к каждой из деталей 1, а во втором - к одной из деталей (например, верхней, рис. 1, б). Для повышения плотности тока в точках касания деталей нижнюю деталь прижимают к медной подкладке 6, которая одновременно выполняет роль опоры.
     Чаще всего за цикл сварки получают одну точку (одноточечная сварка) и реже одновременно две (см. рис. 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.
     Рельефная сварка - одна из разновидностей точечной сварки. При этом на поверхности одной из деталей предварительно формируют выступ 
5

Овчинников В. В., Гуреева М. А.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

рельеф 7 (рис. 1, е), который ограничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При нагреве рельеф постепенно деформируется; на определенной стадии процесса сварки формируется ядро 4, как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности детали выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ замкнутой формы, например, в виде кольца. После прохождения сварочного тока получают одновременно несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка).
     Шовная сварка - способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов - роликов 8 (рис. 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 производительностью, однако при этой сварке уменьшаются 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.
     Стыковая сварка - способ контактной сварки, когда детали соединяются по всей площади касания (по всему сечению). Детали 1 (рис. 1, д) закрепляют 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 F и включают в сеть сварочный трансформатор 3. По деталям протекает сварочный ток Iсв, и происходит постепенный нагрев стыка деталей до температуры, близкой к температуре плавления. Затем сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие осадки деталей, которые деформируют

6

ВВЕДЕНИЕ

ся в стыке. При этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт, и образуется соединение.
     При стыковой сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают. При соприкосновении деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов - перемычек, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивают скорость сближения 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, д, показан штриховой линией). Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей. Для более равномерного нагрева деталей по сечению и получения однородных свойств соединений, в ряде случаев до начала оплавления, торец подогревают током способом сварки сопротивлением.
     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. Технология - перечень сведений о способах и режимах обработки и сварки деталей. При производстве сварных узлов к этим операциям можно отнести непосредственно сварочные и вспомогательные операции, например, подготовку поверхности, сборку, контроль качества соединений и т. д.
     Теоретическую основу технологии составляет ряд физико-химических процессов, протекающих при формировании соединений. Технология определяет требования к сварочному оборудованию.
     Сварочное оборудование - комплекс устройств (механических и электрических), обеспечивающих выполнение заданной технологии производства сварных конструкций. Оборудование состоит из машины, средств механизации и автоматизации, аппаратуры управления технологическим процессом сварки.
     Машина состоит из двух частей: 1) механической части, включающей конструктивные элементы, создающие жесткость и прочность (корпус, станина, кронштейны и т. д.), приводы для сжатия и перемещения деталей и элементы

7

Овчинников В. В., Гуреева М. А.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

вторичного контура машины (консоли, электрододержатели, электроды); 2) электрической части, состоящей из источника сварочного тока (сварочного трансформатора, выпрямителя, преобразователей тока, аккумулятора электрической энергии - батареи конденсаторов и т. д.) и вторичного контура для подвода тока от источника питания к электродам.
      Средства механизации и автоматизации представляют собой приспособления к универсальным машинам, роботы, автоматические устройства, которые обеспечивают сборку, установку деталей перед сваркой, перемещение их во время сварки и съем сваренных узлов, формоизменение деталей до и после сварки (удаление грата), зачистку деталей, электродов и роликов и т. п.
      Аппаратура управления определяет заданную последовательность и продолжительность всех или части операций сварочного процесса, управление и регулирование основных электрических и механических параметров режима сварки, контроль и управление процессом сварки по обобщающим параметрам (в том числе по статистическим многофакторным моделям процесса), управление приводами средств механизации и автоматизации, а также сбор и обработку информации о состоянии приводов машины, о простоях, о количестве соединений и качестве сварки за смену, сутки и т. п. В ряде случаев аппаратура управления с ограниченными функциями встраивается в машину.
      Для каждого способа контактной сварки создана серия универсальных и специальных машин, различающихся степенью механизации и автоматизации основных сварочных и вспомогательных операций.

Рис. 2. Конструктивная схема точечной машины

8

ВВЕДЕНИЕ

      По назначению контактные машины подразделяются на точечные, рельефные, стыковые и шовные. Каждый тип этих машин имеет свой рабочий инструмент, особое конструктивное исполнение станин, механизма зажатия и перемещения деталей, регуляторов цикла сварки и различных вспомогательных устройств. Для всех машин (рис. 2) характерно наличие трансформатора 1 (или какого-либо другого преобразователя энергии), переключателя ступеней 2, включателя тока 3, станины 4, механизма сжатия 8 с консолями 5 и 6, токоподводов 9 и 10, устройств для крепления инструмента 7 и аппаратуры управления длительностью сварки 11 с включающими устройствами. Аппаратура задает определенную последовательность работы всех механических, электрических, гидравлических и других устройств и узлов машины. Конструктивно типовые машины для точечной и рельефной сварок похожи. Машины для шовной сварки имеют дополнительный привод роликов, а машины для стыковой сварки (рис. 3) имеют дополнительные механизмы для медленного сближения деталей

при их оплавлении и ускоренного - при осадке.

Рис. 3. Конструктивная схема стыковой машины:
1 - станина, 2 - трансформатор, 3 - токоподводы, 4 и 7 - губки, 5 и 8 - механизмы зажатия, 6 и 9 - неподвижная и подвижная плиты, 10 - привод перемещения, 11 - система охлаждения

     Механическая часть машин разнообразна. На станинах (корпусах) различной конструкции размещены все основные узлы машины: привод механизма сжатия (зажатия), механизм осадки в стыковых или механизм привода роликов в шовных машинах, трансформаторы, токоподводы и др. Современные контактные машины также могут иметь установочные и зачистные механизмы, питатели, устройства для подачи деталей и их съема, контроля, маркировки и т. п.

9

Овчинников В. В., Гуреева М. А.

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

На такого рода агрегатные машины существуют специальные технические условия.
     Ранее машины сокращенно обозначались тремя или четырьмя буквами с цифрой, указывающей мощность одного или нескольких трансформаторов. Так, например, роликовая (шовная) пневматическая машина мощностью 200 кВА обозначалась через МШП-200, а стыковая - мощностью 500 кВА с гидроприводом через МСГА-500.
     Первая буква А и М указывала на полную (А) или частичную автоматизацию, вторая Т, Ш, Р и С - вид машины (точечная шовная, рельефная, стыковая), третья - тип привода (П - пневматический, Г - гидравлический, М - электродвигательный) четвертая - специализацию машины. Например, машина для сварки арматурных сеток имела четвертую букву С.
     По новой системе первая буква характеризует агрегат, автомат машину (А, М), вторая - вид машины, две первые цифры - ток в кА, а две последние -модель машины. Так, точечная машина (ток 20 кА, 5 модель) обозначается как МТ-20 05.
     После изложения материалов, представленных в учебнике, студент должен:
     знать
     •  теоретические и практические основы технологических процессов создания сварных соединений и конструкций;

     уметь
     •  анализировать и оценивать эффективность применения различных режимов контактной сварки при выполнении сварных соединений;

     владеть
     •  методами и подходами к формированию мероприятий и разработке предложений по повышению уровня свойств сварных соединений различных металлов и сплавов.


10