Сварка. Глава 3. Термомеханический класс сварки (Е. А. Банников, 2014)

Электроконтактная сварка является одним из самых распространенных видов сварки металлов давлением. Электроконтактная сварка относится к видам сварки с кратковременным нагревом места соединения деталей без оплавления или с оплавлением и осадкой разогретых заготовок. Характерная особенность этих процессов – пластическая деформация, в ходе которой формируется сварное соединение. В процессе этой деформации происходит удаление окислов из зоны сварки, устранение раковин и местное уплотнение металла.

Способ электроконтактной сварки изобрел русский инженер Н. Н. Бенардос, который в 1885 году получил патент на способ точечной электросварки клещами с угольными электродами. Позднее этот способ усовершенствовали заменой угольных электродов на медные, и появились новые способы сварки: роликовая, стыковая, рельефная и т. д.

Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, при этом максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта. Количество теплоты, выделяемой в зоне сварки, определяют по формуле Джоуля-Ленца (Q = I² × R × t):

Q = 0,24 × I² × R Δt.

где Q – количество тепла (кал.);

I – сила тока сварки (А);

R – полное сопротивление зоны сварки (Ом);

t – время протекания тока сварки (с).

Q = I² × R Δt,

где Q – количество теплоты (Дж),

остальные параметры по формуле 3.1.

Основное влияние на нагрев оказывает сила сварочного тока. Например, при данном количестве необходимой теплоты, расходуемой за один сварочный цикл, увеличение силы тока в два раза приведет к уменьшению времени сварки более чем в четыре раза.

Полное сопротивление сварочного контура состоит из электросопротивлений выступающих концов заготовки L, свариваемых заготовок Rзаг, сварочного контакта Rк и электросопротивления между электродами и заготовками Rэл (рис. 28 а)

Рис. 28.

Схема электроконтактной сварки (а), схема контакта заготовки (б)

Полное сопротивление сварочного контура равно:

R = Rзаг + Rк + Rэл

Сопротивление сварочного контакта зависит от таких факторов, как чистота поверхностей деталей в месте сварки, наличие окисных пленок металла, сила сжатия заготовок. Например, при сварке неочищенных заготовок сопротивление в месте контакта изменяется в весьма широких пределах. Это приводит к изменению температуры нагрева, стабильности прочностных показателей, браку и износу электродов.

При нагреве в месте контакта сопротивление металла возрастает, следовательно, еще более возрастает количество выделяющейся теплоты и резко ускоряется процесс сварки. Применяя для контактной сварки токи больших величин, удается производить сварку за десятые и сотые доли секунды.

Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения, определяющего вид сварочной машины, и по роду тока, питающего сварочный трансформатор.

По типу сварного соединения различают:

• стыковую контактную сварку;

• точечную контактную сварку;

• шовную (роликовую) контактную сварку.

По роду сварочного тока выделяют контактную сварку:

• переменным током;

• импульсом постоянного тока;

• аккумулированной энергией.

Схемы основных современных способов контактной сварки представлены на рисунке 29. Эти способы отличаются сопряжением деталей в месте соединения, особенностями токоподвода и приложением сварочного давления.

Рис. 29.

Основные способы контактной электросварки:

а – стыковая сварка; б – точечная сварка; в – шовная (роликовая) сварка; г – рельефная сварка

Выпускаемые машины для электроконтактной сварки состоят из двух основных частей: электрической и механической.

Электрическая часть сварочной машины состоит из:

• трансформатора с первичной обмоткой на напряжение 220/380 В и вторичной обмоткой на напряжение 1–20 В, при силе тока во вторичной обмотке от нескольких десятков до сотен килоампер;

• регулятора времени;

• прерывателя тока в цепи первичной обмотки;

• токоподводящих устройств.

Механическая часть машины для контактной электросварки включает в себя:

• устройства фиксации деталей;

• механизмы для создания, выдержки и снятия давления на заготовки.

Машины для контактной сварки работают по заданной программе с целью изменения сварочного тока и усилия сжатия. График изменения сварочного тока и усилия сжатия, совмещенных во времени, называют циклограммой.

Контактная электросварка является высокопроизводительным процессом. Этот вид сварки легко механизируется и автоматизируется. Относительная простота в обслуживании способствует широкому применению контактной сварки в строительстве, автомобилестроении, приборостроении и многих других областях техники и производства.

Заготовки соединяют сваркой в отдельных местах, условно называемых точками.

Размеры и структура точки, определяющие прочность соединения, зависят от различных факторов. Форма и размеры контактной поверхности электродов, сила сварочного тока, время его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей заготовок – это основные технологические параметры точечной сварки.

При этом способе соединяемые детали внахлестку расположены под сжимающими электродами. К электродам подводится электрический ток. В момент прохождения тока заготовки нагреваются, особенно быстро нагреваются участки, прилегающие к контакту между электродами. При этом металл расплавляется, и под действием сжимающих усилий капля расплавленного металла сплющивается на стыке «деталь-деталь». В момент образования в зоне сварки расплавленного ядра заданных размеров ток выключают. После выключения тока заготовки кратковременно выдерживают между электродами под действием усилия сжатия, в результате чего происходит охлаждение зоны сварки, кристаллизация расплавленного металла и уменьшение усадочной раковины в ядре сварной точки. Электроды оставляют характерный отпечаток в виде точки.

Точечной сваркой можно сваривать листовые заготовки одинаковой или разной толщины, пересекающиеся стержни, листовые заготовки со стержнями или профильными заготовками (уголками, швеллерами, таврами и т. п.).

Рис. 30.

Схема точечной электросварки:

а – схема процесса; б – сечение сварной точки; Р – давление сжатия заготовок

Точечную сварку применяют для соединения заготовок из сталей различных марок, а также из цветных металлов и их сплавов толщиной от сотых долей миллиметра до 35 мм.

Сварка, в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам, может быть двухсторонней и односторонней.

Типы сварных соединений точечной контактной сваркой показаны на рисунке 31.

Точечной сваркой изготавливают штампосварные заготовки – при соединении отдельных штампованных элементов сварными точками, что упрощает процесс изготовления сварных узлов. Точечная сварка широко применяется при производстве автомобилей и в авторемонтных мастерских – при замене элементов кузова.

Рис. 31.

Типы сварных соединений точечной сваркой

Можно выделить рельефную сварку как вид контактной одновременной многоточечной сварки.

Рельефная сварка характерна тем, что на одной из заготовок предварительно изготавливают выступы (рельефы) – круглой, кольцевой, продолговатой или иной формы. Сварку выполняют одновременно по всем рельефам, что обеспечивает высокую производительность процесса.

Основные технологические параметры точечной сварки:

• удельное усилие сжатия – Р (МПа);

• плотность тока – i (А/мм²);

• время протекания тока – t (с).

Диффузией называется явление самопроизвольного проникновения и перемешивания частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей или твердых тел. Происхождение слова от латинского diffusio означает распространение, растекание, рассеивание. С точки зрения физики это неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате диффузии происходит выравнивание химических потенциалов компонентов смеси.

Микроскопическая теория диффузии атомов, основанная на механизме перескоков атомов по вакансиям (свободным местам), была развита Я. И. Френкелем.

Замещение атомов кристаллической структуры вакансиями связано с возможностью перехода их через потенциальный барьер. Предполагается, что после перехода атома на свободное место (вакансию) он, благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами, успевает отдать часть энергии, прежде чем вернется на свое место.

Процесс диффузии в твердых телах может осуществляться несколькими способами:

• обмен местами атомов кристаллической структуры с ее вакансиями;

• перемещение атомов по междоузлиям;

• одновременное циклическое перемещение нескольких атомов;

• обмен местами двух соседних атомов.

При образовании твердых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий. Диффузию принято выражать через коэффициент диффузии D:

D = a²/t × exp (—W/k × T),

где: D – коэффициент диффузии;

a – постоянная решетки;

t – время периода колебаний атомов решетки (t=10–13c)

W – энергия активации;

Т – температура.

Из формулы видно, что для твердых тел характерна экспоненциальная зависимость диффузии от температуры. Например, коэффициент диффузии для цинка в медь возрастает в 1014 раз при повышении температуры от 30 °C до 300 °C.

Все эти физические явления положены в основу диффузной сварки материалов и различных металлов и их сплавов. При диффузной сварке соединение образуется в результате взаимной диффузии (проникновения) атомов в поверхностных слоях контактируемых материалов, находящихся в твердом состоянии.

Температура нагрева при сварке несколько выше или ниже 0,5–0,9 Тплавл) температуры рекристаллизации более легкоплавкого материала. Процесс сварки в большинстве случаев выполняют в вакууме, примерно (1,33 × (10–2–10–5) Па. Однако возможна и сварка в атмосфере инертных защитных или восстановительных газов.

Защитная среда способствует удалению пленок поверхностных окислов. В вакууме происходит их разложение (диссоциация) и испарение или восстановление окисных пленок до основного металла в среде восстановительного газа.

На рисунке 33 изображена принципиальная схема диффузной сварки.

Процесс диффузной сварки выполняют следующим образом (рис. 33): свариваемые заготовки 4 центрируют в оправках 3, 6, устанавливают в рабочую камеру 2, в которой создают вакуум или заполняют ее защитным газом. После этого нагревают заготовки до температуры рекристаллизации более легкоплавкого материала и прикладывают давление с помощью, например пневмо, гидро– или механических устройств 1.

Давление создают порядка 1–20 МПа в течение 5–20 минут. После охлаждения деталей образуется сварное соединение. Нагрев осуществляют при помощи внешнего либо внутреннего нагревателя. Используют нагрев электрическим током, при помощи индуктора ТВЧ (токами высокой частоты), при помощи электронного луча в вакууме. Время выдержки зависит от свойств материала и его размеров.

Рис. 33.

Схема диффузной сварки:

1 – механизм создания давления; 2 – рабочая камера; 3, 6 – оправки; 4 – свариваемые детали; 5 – нагреватель

Основные технологические параметры диффузной сварки:

• давление на свариваемые детали;

• температура нагрева заготовок;

• степень разрежения в вакуумной камере;

• время нагрева и время сжатия деталей.

Процесс сварки с помощью диффузного соединения условно разделяют на две стадии:

• 1-я стадия – нагрев материала и приложение давления, что вызывает пластическое течение микровыступов, разрушение и удаление различных пленок на поверхностях контакта. Образуются многочисленные участки с непосредственной связью материалов;

• 2-я стадия – ликвидация микровыступов и образование объемной зоны соединения.

Оборудование для диффузной сварки:

• вакуумная установка с системами для подъема и опускания камеры;

• системы для создания регулируемого давления на заготовки;

• устройства нагрева заготовок (индукторы ТВЧ, электроннолучевые нагреватели);

• системы управления установкой и контроля.

Преимущества диффузной сварки:

• отсутствие загрязнений в соединении (нет припоев, флюсов, электродов);

• возможность соединений в различных сочетаниях металлов, сплавов, различных материалов независимо от их твердости, взаимного смачивания;

• возможность сваривать биметаллические, триметаллические и тетраметаллические детали;

• получение высокопрочных соединений без изменения физико-химических свойств свариваемых материалов;

• отсутствие какой-либо механической обработки после сварки;

• возможность соединений материалов различных толщин;

• высокая степень автоматизации процесса сварки;

• относительно низкие энергозатраты при высокой рентабельности сварки.

Недостатки диффузной сварки:

• относительная сложность оборудования требует подготовки кадров.

Диффузную сварку широко применяют в ракетно-космической технике, в самолетостроении, приборостроении, пищевой и медицинской промышленностях и других отраслях. Этот способ применяют для сварки ответственных деталей турбин, при изготовлении металлокерамики, узлов вакуумных приборов, высокотемпературных нагревателей, при производстве инструмента и т. д.

Выпускаются установки диффузной сварки для единичного производства (с ручным управлением) и для серийного производства (с полуавтоматическим и автоматическим программным управлением).

Сущность процесса сварки аккумулированной энергией заключается в том, что кратковременные сварочные процессы осуществляются за счет энергии, запасенной в соответствующем приемнике, непрерывно заряжающем и периодически разряжающемся на свариваемые детали.

Существуют четыре разновидности сварки аккумулированной энергией:

• конденсаторная сварка;

• инерционная сварка;

• электромагнитная сварка;

• аккумуляторная сварка.

Накопление энергии соответственно происходит в конденсаторной батарее, во вращающихся частях генератора, в магнитном поле специального сварочного трансформатора и в аккумуляторной батарее.

Наиболее широкое промышленное применение получила конденсаторная сварка. Этот способ сварки по характеру протекания процессов близок к дугопрессовой сварке.

Энергия в конденсаторах накапливается при их зарядке от источника постоянного тока (генератора или выпрямителя). Затем в процессе разрядки запасенная энергия мгновенно подается в зону сварки. Накопленную в конденсаторе электрическую энергию можно регулировать, изменяя емкость конденсаторной батареи и напряжение ее зарядки.

Рис. 35.

Схема дугопрессовой сварки (стрелка показывает направление сжатия);

а – положение деталей перед сваркой; б – разогрев свариваемых кромок; в – соединение деталей. 1 – выключатель тока; 2 – шпилька (электрод); 3 – пластина; 4 – дуговой разряд

Энергию заряда конденсатора можно определить по формуле:

A = C × U²/2,

где А – энергия заряда (Дж);

С – емкость конденсатора (Ф);

U – напряжение зарядки конденсатора (В).

При конденсаторной сварке возможна точная регулировка и дозировка количества энергии зарядки, не зависящая от внешних условий, в частности от нестабильности питающей сети.

В настоящее время используются две схемы конденсаторной сварки (рис. 36):

• бестрансформаторная конденсаторная сварка;

• трансформаторная конденсаторная сварка.

В обеих схемах запасенная в виде емкостного заряда энергия разряжается за короткое время (10–3 –10–4 с) на электроды, сжимающие заготовки. Высокая плотность тока способствует мгновенному разогреву места сварки, что обеспечивает небольшую зону термического влияния при скоростном процессе.

При бестрансформаторной (рис. 36а) сварке концы обкладок конденсатора подключены непосредственно к свариваемым деталям 2, 3. При этом один из выводов жестко закреплен, а другой может перемещаться в направляющих. При освобождении защелки 6 под действием сжатой пружины 5 деталь быстро переместится по направлению к неподвижной заготовке. Перед соударением, в промежутке 1–3 мм, между деталями возникает мощный дуговой разряд энергии, накопленной в конденсаторе С. Этот искровой пробой, переходящий в дуговой разряд, успевает частично оплавить торцы обеих заготовок 2, 3, которые после соударения свариваются между собой под действием усилия осадки. При ударном сжатии деталей поверхностная прослойка жидкого металла вытесняется из зоны сварки, что способствует образованию качественного сварного соединения.

Способом бестрансформаторной конденсаторной сварки можно сваривать встык проволоку и тонкие стержни разной толщины из разнородных материалов: вольфрам-никель, медь-константан, молибден-никель и т. п.

Трансформаторная конденсаторная сварка (рис. 36б) отличается тем, что конденсатор разряжается на обмотку сварочного трансформатора Т₂.

При этом способе сварки сжимают заготовки между электродами, заряжают конденсатор, который разряжают на первичную обмотку сварочного трансформатора. В результате во вторичной обмотке сварочного трансформатора индуцируется ток большой величины, с энергией, достаточной для сплавления деталей.

Рис. 36.

Схемы конденсаторной сварки:

а – бестрансформаторная конденсаторная сварка; б – трансформаторная конденсаторная сварка. Т₁ – трансформатор повышающий; Т₂ – трансформатор сварочный; С – конденсаторная батарея; В – выпрямитель переменного тока; П – переключатель; 1, 4 – электроды; 2, 3 – свариваемые заготовки; 5 – пружина; 6 – защелка

Преимущества конденсаторной сварки:

• точная дозировка запасенной энергии;

• независимость от колебаний питающей сети;

• малое время протекания тока (10–3–10–4 с);

• небольшая зона термического влияния;

• низкая потребляемая мощность (0,2–2 кВА);

• высокая степень автоматизации процесса;

• возможность сваривать материалы малых толщин (до нескольких микрон).

Конденсаторная сварка широко применяется в производстве приборов для точной механики (авиационные, часовые, прецизионные), в производстве радиоэлементов и т. п.