Технология и оборудование сварки давлением

Т. И. БЕНДИК,
Е. Ю. ЛАТЫПОВА, Ю. А. ЦУМАРЕВ





            ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.791
ББК 34.641
     Б46



Рецензент:
к. т. н., доцент, доцент кафедры порошковой металлургии, сварки и технологии материалов Белорусского национального технического университета, г. Минск Сидоров Виктор Александрович





     Бендик, Т. И.
Б46 Технология и оборудование сварки давлением : учебное пособие / Т. И. Бендик, Е. Ю. Латыпова, Ю. А. Цумарев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 252 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1335-0

           Рассмотрены представления о современных направлениях в повышении работоспособности сварных соединений, снижении эксплуатационных затрат и стоимости оборудования. Представлена аппаратура управления машин контактной сварки, машины для точечной, рельефной и шовной сварки.
           Для учащихся учебных заведений среднего специального образования по специальности «Оборудование и технология сварочного производства».

УДК 621.791
ББК34.641











ISBN978-5-9729-1335-0

     © Бендик Т. И., Латыпова Е. Ю., Цумарев Ю. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ..........................................................5

1.  Теоретические основы сварки давлением.........................7
1.1. Основные определения способов сварки давлением...............7
1.2. Образование соединения при сварке давлением..................9
1.3. Теоретические основы контактной сварки......................17
1.3.1. Образование сварных соединений при контактной сварке......17
1.3.2. Нагрев металла сварочным током............................27
1.3.3. Особенности плавления, кристаллизации металлов и развития пластической деформации в зоне сварки............................31
1.3.4. Свариваемость различных материалов при контактной сварке..32
1.3.5. Шунтирование тока при точечной сварке.....................36

2.  Машины для контактной сварки.................................38
2.1. Общие сведения о контактных машинах.........................38
2.2. Основные характеристики контактных машин....................43
2.3. Устройство основных элементов контактных машин..............44
2.4. Элементы сварочного трансформатора..........................46
2.5. Системы охлаждения контактных машин.........................55

3.  Аппаратура управления машин контактной сварки................63
3.1. Структура аппаратуры управления.............................63
3.2. Аппаратура для включения сварочного тока и управления циклом сварки.......................................76
3.3. Автоматическое регулирование процесса контактной сварки.....82
3.4. Аппаратура управления конденсаторных, низкочастотных машин и машин для сварки постоянным током..............................88
3.5. Пневматическая и гидравлическая аппаратура..................89

4.  Технология контактной точечной, шовной и рельефной сварки....93
4.1. Сварные соединения и типовые узлы, выполняемые контактной точечной сваркой..........................93
4.2. Сварные соединения и типовые узлы, выполняемые контактной рельефной сваркой.........................99
4.3. Сварные соединения и типовые узлы, выполняемые контактной шовной сваркой............................103
4.4. Особенности технологии сборки и сварки.....................105
4.5. Параметры режима сварки различных металлов..................107
4.6. Сборочно-сварочные приспособления для контактной точечной, шовной и рельефной сварки..............111
4.7. Дефекты и контроль качества сварки.........................115


3

5. Машины для точечной, рельефной и шовной сварки................126
5.1. Классификация машин контактной сварки.......................126
5.2. Элементы вторичного контура машин для контактной точечной, шовной и рельефной сварки........................................127
5.3. Машины общего назначения....................................130
5.4. Специальные машины..........................................143
5.5. Требования безопасности при проектировании контактных машин.144

6. Технология стыковой сварки....................................147
6.1. Виды стыковой контактной сварки и их особенности............147
6.2. Параметры режима стыковой сварки различных металлов и изделий.158
6.3. Особенности сварки различных металлов и сплавов.............164
6.4. Дефекты контактной стыковой сварки..........................166

7. Машины для стыковой контактной сварки.........................171
7.1. Классификация машин для стыковой контактной сварки и конструктивные особенности их основных узлов...................171
7.2. Стыковые машины общего применения.............................180
7.3. Специальные стыковые машины...................................185

8. Механизация и автоматизация контактной сварки.................189
8.1. Основные средства механизации и автоматизации...............189
8.2. Механизированное специальное оборудование для контактной сварки ... 192
8.3. Механизированные поточные и автоматические линии............196
8.4. Робототехнический комплекс....................................197

9. Эксплуатация и монтаж сварочного оборудования.................204
9.1. Технико-экономические показатели контактной сварки..........204
9.2. Аттестация машин............................................209
9.3. Монтаж, наладка, настройка и эксплуатация машин.............212

10. Другие способы сварки давлением..............................215
10.1. Холодная, ультразвуковая сварка, сварка взрывом............215
10.2. Сварка трением и диффузионная сварка.......................226
10.3. Высокочастотная сварка и сварка вращающейся дугой............242

Литература.........................................................249


4

ВВЕДЕНИЕ


   Современные условия, основу которых составляют рыночность экономиче

ских отношений, острая конкуренция и динамичность, требуют от предприятий постоянного стремления к развитию для обеспечения роста реализации товарной продукции и проникновения на новые рынки сбыта. Поэтому для производственных предприятий жизненно необходимым является постоянное освоение новых технологий и стремление к повышению профессионального уровня своих работников.

   Сварка является важной составной частью современного промышленного комплекса и уровень её развития в значительной мере определяет прогресс в

таких отраслях техники, как машиностроение, строительство, энергетика, транспорт. Это обусловлено постоянным усложнением условий эксплуатации изделий, созданием новых, более совершенных материалов для их изготовления, а также тенденцией к постоянному повышению уровня проектных решений во всех областях техники. Возрастают также требования к более рациональному использованию ресурсов, используемых при соединении деталей. Важным направлением развития является расширяющаяся потребность в соединении разнородных материалов. Поэтому на современном этапе сварка перспективных и современных материалов, а также соединение различных сочетаний материалов, сопряжены с новыми требованиями и заслуженно рассматриваются в качестве ключевых технологий третьего тысячелетия. Для успешного решения отмеченных задач сварочное производство располагает разнообразными способами сварки, которые делят на две большие группы. Первая из них основана на плавлении кромок соединяемых заготовок и составляет группу способов сварки плавлением. Вторую группу составляют способы, в которых образование соединения происходит при воздействии значительных давлений на соединяемые детали (способы сварки давлением). Характерно, что способы сварки давлением в современных условиях обладают рядом преимуществ перед сваркой плавлением. Это создает предпосылки для быстрого развития технологий сварки давлением и расширения объёмов её применения в современной технике. Особенно быстрый прогресс наблюдается в развитии контактной электрической сварки. Поэтому её изучению учебной программой дисциплины «Технология и оборудование сварки давлением» уделено особое внимание. Соответственно, значительная часть из общего объёма данного учебного пособия посвящена изложению материала, связанного с контактной электрической сваркой.
   Для успешного осуществления производственной деятельности в области сварки давлением необходимы хорошо подготовленные специалисты, знакомые не только с основами дисциплины «Технология и оборудование сварки давлением» (процессами, протекающими при сварке, используемым оборудованием, режимами сварки, контролем качества), но и умеющие оценить перспективы, иметь представление о направлениях развития. Поэтому в учебном пособии рассмотрены представления о современных направлениях в повышении рабо

5

тоспособности сварных соединений, снижении эксплуатационных затрат и стоимости оборудования. Эти сведения могут быть полезными не только при непосредственном изучении данной учебной дисциплины, но могут использоваться в дипломном проектировании для внесения важных изменений в базовые варианты технологических процессов. В частности, корректно и обоснованно внести предложения по замене сварки плавлением на тот или иной способ сварки давлением.

6

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ

1.1. Основные определения способов сварки давлением

   Отличительной особенностью всех процессов сварки давлением является то, что они осуществляются с обязательным использованием давления в зоне образования сварного соединения (например, сжатие электродами или роликами контактных машин, прессовое сжатие при диффузионной сварке и т. д.).
   Сварка давлением включает в себя механический и термомеханический классы сварки согласно ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация». К механическому классу сварки относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (например, холодная сварка, сварка взрывом, трением, ультразвуковая). К термомеханическому классу - виды сварки, осуществляемые с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, газопрессовая).
   Приводим определения основных сварочных процессов по ГОСТ Р 589052020 «Сварка и родственные процессы. Словарь. Часть 3. Сварочные процессы».
   Сварка давлением - сварка с приложением внешней силы, достаточной для того, чтобы вызвать большую или меньшую степень пластической деформации соединяемых деталей, как правило, без присадочного материала. Обычно, но не обязательно, соединяемые поверхности нагреваются для того, чтобы активировать процесс образования соединения.
   Контактная сварка - сварка давлением, при которой теплота, требуемая для сварки, выделяется на сопротивлении при протекании электрического тока через зону сварки.
   Контактная точечная сварка - контактная сварка, при которой шов образуется в виде точки внутри деталей, находящихся между электродами для точечной сварки, при этом сварная точка имеет примерно ту же площадь, что и контактная поверхность электродов. Во время процесса сварки усилие к точке прикладывают с помощью электродов контактной машины.
   Контактная шовная сварка - контактная сварка, при которой усилие приложено к зоне сварки непрерывно, а ток протекает непрерывно или импульсами, причем для получения сварного шва детали расположены между двумя роликами или между роликом и плоским электродом. Ролики передают усилие и ток к зоне сварки, вращаются непрерывно в процессе выполнения шовной сварки.
   Контактная рельефная сварка - контактная сварка, при которой усилие и ток концентрируются благодаря рельефу или рельефам, выступающим или образованным на одной или более свариваемых поверхностях, рельефы деформируются и разрушаются во время сварки.
   Электрический ток и усилие сжатия, как правило, предаются через плиты, приспособления, зажимы или фиксаторы.


7

   Контактная стыковая сварка сопротивлением - контактная сварка, при которой стык деталей сжимается давлением до начала нагрева электрическим током.
   Детали сжимаются, и ток протекает до тех пор, пока не будет достигнута температура в зоне сварного соединения, при которой происходит осадка металла. Ток и усилие передаются через зажимы.
   Контактная стыковая сварка оплавлением - контактная сварка, во время которой детали постепенно и многократно продвигаются навстречу друг другу, вызывая протекание тока через локальные точки контакта и создавая вспышки и выплески расплавленного металла.
   При достижении температуры сварки, быстрое приложение усилия обеспечивает осадку пластичного металла и формирует шов. Сварка может быть выполнена с предварительным подогревом или без него. Ток и усилие передаются зажимами.
   Газопрессовая сварка - сварка давлением, при которой детали нагревают газокислородным пламенем в месте прилегания поверхностей и шов формируется без присадочного материала за счет усилия.
   Ультразвуковая сварка - сварка давлением, при которой механические колебания высокой частоты и низкой амплитуды, наложенные на статическую силу, образуют сварной шов между двумя соединяемыми деталями при температуре значительно ниже температуры плавления материала.
   При ультразвуковой сварке может быть использован дополнительный подогрев.
   Сварка трением - сварка давлением, при которой свариваемые поверхности нагреваются трением за счет вращения одной или обеих деталей, контактирующих друг с другом или с отдельным вращающимся инструментом.
   Сварка завершается приложением усилия осадки, как правило, после того, как вращение прекратилось.
   Сварка трением с перемешиванием - процесс соединения, при котором шов образуется за счет нагрева трением и перемешивания материала в пластифицированном состоянии, вызванного вращением инструмента, перемещаемого вдоль кромок соединяемых деталей.
   Ударная сварка - сварка давлением, при которой детали свариваются приложением ударного усилия.
   Магнитно-импульсная сварка - ударная сварка, при которой импульс тока, проходящий через катушку, окружающую детали, вырабатывает магнитное поле, которое создает сварочное усилие.
   Сварка взрывом - ударная сварка, при которой детали свариваются при столкновении за счет детонации взрывчатого вещества.
   Кузнечная сварка - сварка давлением, при которой детали нагреваются на открытом воздухе и шов образуется под воздействием ударов или другого импульсного усилия, достаточного для получения постоянной деформации поверхностей деталей.

8

   Холодная сварка давлением - сварка давлением, в процессе которой используется только давление, создающее значительную пластическую деформацию свариваемых деталей.
   Диффузионная сварка - сварка давлением, при которой детали находятся в контакте при постоянном давлении и прилегающие поверхности деталей или детали полностью нагреваются до определенной температуры в течение контролируемого времени.
   При диффузионной сварке начале процесса происходит локальная пластическая деформация, приводящая к плотному контакту поверхностей и диффузии атомов через границу раздела, благодаря чему обеспечивается сварка. Процесс сварки может осуществляться в вакууме, в газовой защитной среде или в жидкости, как правило, без присадочного материала.
   Высокочастотная сварка - сварка сопротивлением, при которой переменный ток частотой не менее 10 кГц подается через механические контакты или индуцируется на деталях индуктором.
   Ток высокой частоты концентрируется вдоль соединяемых поверхностей для получения локализованного нагрева, предшествующего приложению сварочного усилия.

1.2. Образование соединения при сварке давлением

   Исследования историков и археологов доказывают, что сварка давлением известна с незапамятных времен и появилась гораздо раньше, чем сварка плавлением. На протяжении многих веков единственным способом, применяющимся на практике, была кузнечная сварка. Ввиду простоты её и наглядности можно рассматривать в качестве типичного технологического процесса, при котором соединение происходит под действием давления. Вот как описан процесс кузнечной сварки, происходящий более 300 лет тому назад, в художественной литературе русским писателем А. Н. Толстым, получившим техническое образование.
    «Пылали все горны. Кузнецы в прожжённых фартуках, в солёных от пота рубахах, рослые молотобойцы, по пояс голые, с опалённой кожей, закопчённые мальчишки, раздувающие мехи, - все валились с ног, отмахивали руки, почернели. Отдыхающие (сменялись несколько раз в ночь) сидели тут же: кто у раскрытых дверей жевал вяленую рыбу, кто спал на куче берёзовых углей.
   Старший мастер Кузьма Жемов, присланный Львом Кирилловичем со своего завода в Туле (куда был взят из тульской тюрьмы - в вечную работу), покалечил руку. Другой мастер угорел и сейчас стонал на ночном ветерке, лёжа около кузницы на сырых досках.
   Наваривали лапы большому якорю для «Крепости». Якорь, подвешенный на блоке к потолочной матице, сидел в горне. Омахивая пот, свистя лёгкими, воздуходувы раскачивали рычаги шести мехов. Два молотобойца стояли наготове, опустив к ноге длинноручные молота. Жемов здоровой рукой (другая была за-мотанатряпкой) ковырял в углях, приговаривал:


9

   - Не ленись, не ленись, поддай.
   Пётр в грязной белой рубахе, в парусиновом фартуке, с мазками копоти на осунувшемся лице, сжав рот в куриную гузку, осторожно длинными клещами поворачивал в том же горне якорную лапу. Дело было ответственное и хитрое -наварка такой большой части.
   Жемов, - обернувшись к рабочим, стоящим у концов блока:
   - Берись. Слушай. (И - Петру.) В самый раз, а то пережжём. (Пётр, не отрывая выпуклых глаз от углей, кивнул, пошевелил клещами.) Быстро, навались. Давай!..
   Торопливо перехватывая руками, рабочие потянули конец. Заскрипел блок. Сорокапудовый якорь пошел из горна. Искры взвились метелью по кузнице. Добела раскалённая якорная нога, щёлкая окалиной, повисла над наковальней. Теперь надо было её нагнуть, плотно уместить. Жемов - уже шёпотом:
   -Нагибай, клади. Клади плотнее. (Якорь лег.) Сбивай окалину. (Загорающимся веником стал смахивать окалину.) Лапу! (Обернувшись к Петру, закричал диким голосом.) Что ж ты! Давай!
   - Есть!
   Есть!
   Пётр вымахнул из горна пудовые клещи и промахнулся по наковальне, - едва не выронил из клещей раскаленную лапу. Присев от натуги, ощерясь, наложил.
   - Плотнее! - крикнул Жемов и только взглянул на молотобойцев. Те, выхаркивая дыхание, пошли бить кругами, с оттяжкой. Пётр держал лапу, Жемов постукивал молотком - так-так-так, так-так-так. Жгучая окалина брызгала в фартуки.
   Сварили. Молотобойцы, отдуваясь, отошли. Пётр бросил клещи в чан. Вытерся рукавом. Глаза его весело сузились. Подмигнул Жемову. Тот весь собрался морщинами:
   -Что ж, бывает, Пётр Алексеевич. Только в другой раз эдак вот не вымахивай клещи-то, - так и человека можно задеть и непременно сваркой мимо наковальни попадешь. Меня тоже били за эти дела.
   Пётр промолчал, вымыл руки в чану, вытерся фартуком, надел кафтан. Вышел из кузницы. Остро пахло весенней сыростью. Под большими звездами на чуть сереющей реке шуршали льдины. Покачивался мачтовый огонь на «Крепости». Сунув руки в карманы, тихо посвистывая, Пётр шел по берегу, у самой воды».

   В приведенном отрывке убедительно и с исчерпывающей полнотой описан технологический процесс кузнечной сварки и выделены основные его элементы: подготовка свариваемых поверхностей, нагрев, создание давления и пластическая деформация. При этом температура нагрева контролируется по цвету нагреваемых заготовок, а давление создаётся с помощью ударов молота. Из механики известно, что в процессе удара происходит быстрое превращение кинетической энергии в работу деформирования изделия, при котором создаются

10

огромные усилия. Наглядным примером эффективности такого превращения энергии является работа тарана, удары которого разрушают стены мощных крепостей.
   Рассматривая образование соединения при сварке давлением необходимо особо выделить важность пластической деформации. Об этом свидетельствуют результаты эксперимента, который проводился под руководством академика К. К. Хренова. В нем создавались все условия, необходимые для образования соединения с помощью давления: нагрев до требуемой температуры и прикладывалось давление требуемого уровня. Ограничивалась только пластическая деформация с помощью специальной прочной обоймы, в которую помещались свариваемые алюминиевые заготовки, (см. рис. 1.1).



Рис. 1.1- Схема процесса сварки давлением с ограничением пластической деформации свариваемых заготовок: 1 - ограничительная обойма;
2,4- стальные пуансоны; 3 - свариваемые алюминиевые заготовки

    Результаты описываемого опыта показали полное отсутствие признаков сварки алюминиевых заготовок даже при многократно увеличенном давлении. Удаляя обойму 1, авторы эксперимента получали сварное соединение требуемого качества. Таким образом, сварное соединение при сварке давлением образуется только тогда, когда есть условия выноса (выдавливания) из зоны контакта части поверхностного металла вместе с окисной плёнкой.
    Важно отметить, что перечисленные элементы процесса кузнечной сварки (подготовка деталей, нагрев, давление и пластическая деформация) характерны и для других способов сварки давлением. При этом они тесно связаны друг с другом и оказывают влияние друг на друга. Наиболее очевидным является влияние давления на показатели пластического деформирования. Столь же очевидно возрастание пластичности металлов с повышением температуры нагрева. Хорошо известно также, что при пластическом деформировании в заготовке выделяется тепло.
    Чтобы пояснить сущность процесса образования соединения свариваемых деталей, проведём мысленный эксперимент, в котором осуществим сближение двух заготовок, имеющих кристаллическую структуру и идеально плоские сопрягаемые поверхности, свободные от любых загрязнений. Схематично эти заготовки показаны на рис. 1.2, а.


11

   Рассмотрим процесс образования соединения двух тел с одинаковым типом и ориентацией кристаллической решётки. Если расстояние d превышает параметр решетки e, то атомы соединяемых заготовок не будут взаимодействовать друг с другом и не смогут образовать прочную связь между собой. Увеличивая прикладываемое давление, можно сблизить соединяемые детали, в ходе которого будут возникать силы отталкивания, вызванные кулоновским взаимодействием одинаково заряженных электронных оболочек атомов сближаемых тел. Из-за этого возникает энергетический барьер, для преодоления которого потребуется увеличить давление и активировать атомы, расположенные на соединяемых поверхностях.
   При дальнейшем сближении свариваемых заготовок начнут возникать силы взаимного притяжения между отрицательно заряженными электронами атомов одной из соединяемых и положительно заряженными ядрами атомов другой соединяемой детали. В конце концов, начинается объединение их наружных электронных оболочек, а энергия системы достигает минимума (происходит процесс схватывания и сваривания). Установлено, что для этого надо сблизить атомы до расстояний порядка (4...5)-10⁻⁸ см. Поверхности реальных тел не являются идеально гладкими, а имеют микрорельеф в виде чередующихся выступов и впадин, размеры которых даже при самых точных методах обработки значительно превосходят указанное значение расстояния, необходимого для образования межатомных связей (рисунки 1.3 и 1.4). Соответственно связи будут образовываться только в сравнительно небольшом количестве точек в вершинах рельефов и прочное соединение заготовок не сможет образоваться.


Рис. 1.2- Схема образования соединения заготовок, имеющих идеально чистые и гладкие поверхности: а-до соединения; б - после соединения

   Чтобы увеличить число пар атомов, вступивших во взаимодействие и образовавших прочные связи, необходимо добиться смятия микровыступов на соединяемых поверхностях, которое обеспечивается их пластической деформацией . Благодаря пластической деформации не только сминаются микровысту


12