Контактная стыковая сварка оплавлением и сопротивлением. Сущность, технология, оборудование и применение

Порой на производстве бывают ситуации, когда необходимо выполнить сварку арматуры, рельсов или изготовить детали сложной формы (колеса, рычаги, обручи). В таких случаях дуговая сварка может просто не справиться с объемом работ. Сварщику придется потратить уйму сил и времени на изготовление одного изделия, а это точно не входит в планы предприятия.

Чтобы решить эту проблему можно найти дополнительных высококвалифицированных сварщиков, но тогда предприятие понесет убытки из-за необходимости их официального оформления. А можно добавить на производство всего один комплект нового сварочного оборудования. Для этих целей отлично подойдет стыковая сварочная машина для контактной сварки. С ее помощью можно выполнить большие объемы работ без потери качества. В этой статье мы подробно расскажем, что такое контактная стыковая сварка.

Содержание

1. Определение, схема и разновидности стыковой сварки

• Стыковая сварка сопротивлением
• Стыковая сварка оплавлением

• Сущность процесса контактной стыковой сварки
• Нагрев свариваемого металла
• Пластическая деформация металла
• Технологические возможности стыковой сварки

• Свариваемые материалы и требования к конструкциям
• Подготовка к сварке
• Выбора параметров режима сварки
• Обработка соединений после сварки

• Машины для сварки
• Системы управления оборудованием
• Приспособления и оснастка
• Обработка соединений после сварки

Контактная стыковая сварка — это высокотехнологичный и, по большей части, автоматизированный способ соединения деталей. Доля стыковой сварки оплавлением составляет, примерно, 10% от всей контактной сварки, применяемой на практике. Данный способ сварки относится к электротермодеформационным процессам, согласно ГОСТ 2601, но, в отличие от точечной и шовной контактной сварки, соединение можно получить при помощи глубокой пластической деформации без расплавления металла.

Недостатки

Есть и несколько существенных недостатков, которые нужно учитывать при рассмотрении процедуры контактной сварки. Они следующие:

1. Довольно большие электрические затраты. Это связано с тем, что нужно подавать ток с высоким напряжением для плавления материала.
2. Предъявляются высокие требования к размерам соединяемых элементов.
3. Применяемое оборудование характеризуется большой стоимостью. Поэтому в домашних условиях провести рассматриваемую работу практически не возможно.

Подобные недостатки определяют то, что технология получила широкое распространение.

Определение, схема и разновидности стыковой контактной сварки

Стыковая сварка — это способ контактной сварки, при котором сваривание деталей происходит по всех площади их соприкосновения. Схема контактной сварки показана на рисунке слева. Детали поз.1 закрепляют в токоподводящих зажимах поз.2,3, один из которых подвижен и связан с приводом усилия и перемещения машины. По характеру нагрева различают стыковую сварку оплавлением и сопротивлением.

Стыковая сварка сопротивлением

При этом способе сварки происходит сжатие деталей с довольно большим усилием, порядка 3-5 кН. Затем включают сварочный трансформатор поз.4 и либо нагревают электрическим током до высокой температуры (примерно 80-90% от температуры ликвидуса), либо расплавляют металл в стыке. Исходя из этого, стыковую сварку сопротивлением можно разделить ещё на два вида — без локального расплавления металла и с его расплавлением.

После нагревания сварочный ток выключают и резко создают усилие, равное усилию осадки, благодаря чему происходит либо интенсивная деформация твёрдого металла (выдавливание металла из стыка), вместе с которым происходит удаление оксидных плёнок, либо удаление жидкого металла и части нагретого твёрдого металла. При этом происходит формирование физического контакта и образование прочного соединения. После сварки на деталях образуется утолщение — грат, поз.5 на схеме.

Стыковая сварка оплавлением

При стыковой сварке оплавление на детали сначала подаётся напряжение в пределах 6-8 В от сварочного трансформатора. Затем детали сближаются до соприкосновения с небольшим усилием порядка нескольких деканьютонов. На отдельных участках контакта плотность тока получается очень высокая (до 3-5 кА/мм2), в результате чего металл в этих точках быстро нагревается и расплавляется с образованием перемычек жидкого металла между торцами соединяемых кромок. Происходит быстрый перегрев этих точек, и металл в них расплавляется с образованием перемычек жидкого металла между свариваемыми торцами. Далее перемычки быстро перегреваются и взрывообразно разрушаются.

Торцы продолжают нагреваться за счёт постоянного образования новых жидких перемычек и их разрушения, т.е. по сути, происходит оплавление торцов. К концу процесса на всей поверхности торцов образуется слой жидкого металла. В этот момент скорость сближения резко увеличивается и возрастает усилие. Торцы жидким слоем входят в контакт и бОльшая часть жидкого металла вместе с оксидными плёнками и частью твёрдого металла выдавливаются из стыка с образованием грата. Во время осадка происходит отключение электрического тока.

Также существуют счучаи сваривания одновременно двух стыков, нагрев токами высокой частоты, постоянным током и другие разновидности контактной стыковой сварки.

Скорость сближения при сварке оплавлением

Стыковой метод предусматривает медленное подведение соединяемых заготовок друг к другу с заданной скоростью. К особенностям подобной технологии отнесем следующие моменты:

1. Заготовки закрепляются и электрический ток подается.
2. Следующий шаг заключается в медленном подведении деталей.
3. В самом начале контактная поверхность несущественная, плавление проходит по небольшим неровностям.
4. Процесс сопровождается искрением и частичным разлетом расплавленного металла.

Скорость сведения заготовок может регулироваться самым различным образом, все зависит от площади контакта.

Сущность процесса контактной стыковой сварки

Главными процессами при стыковой сварке являются нагрев и пластическая деформация свариваемых кромок. Благодаря этим процессам происходит удаление оксидных плёнок, образование физического контакта и формирование соединения с требуемыми механическими свойствами.

Нагрев свариваемого металла

Нагрев осуществляют с целью достичь заданной температуры в месте стыка и прогреть зону термического влияния на определённую глубину для достижения требуемой степени на стадии осадка. При сварке сопротивлением основная доля тепловой энергии, порядка 85-90% расходуется на сопротивление деталей, тепловое поле получается равномерным. В случае применения длительных импульсов тока прогрев околошовной зоны увеличивается.

При стыковой сварке оплавлением температурное поле определяется уровнем сопротивления перемычек, который зависит от их количества и размеров. Поэтому тепловое поле получается неравномерным по длине деталей, а в некоторых случаях и по сечению.

Одним из важных параметров режима сварки является скорость оплавления. В большинстве случаев скорость оплавления увеличивают в процессе сварки для того, чтобы процесс протекал более устойчиво. При сварке сечений с площадью до 100 см2 рекомендуется выполнять предварительный подогрев деталей. Это способствует более равномерному нагреву кромок и ускоряет начало оплавления кромок.

Сварку больших сечений рекомендуется сваривать с программным регулированием тока и скорости оплавления или применять импульсное оплавление. При импульсном наплавлении на основное поступательное движение плиты машины накладываются определённые колебания с частотой 3-45 Гц и амплитудой 0,1-0,8 мм. Под воздействием этих колебаний зазор между деталями периодически изменяется, а температура в зоне термического влияния повышается на 10-15%. При этом время оплавления и расход электроэнергии уменьшается в 3-4 раза.

Пластическая деформация металла

Целью этой операции является создание электрического контакта на начальном этапе. Деформация обеспечивается под воздействием давления 5-10 МПа при контактной стыковой сварке сопротивлением и около 1 кПа при сварке оплавлением. Также в процессе этой операции происходит удаление оксидных плёнок и формируется физический контакт на достаточно большой плоскости на стадии за счёт движения тонких слоёв расплавленного металла вдоль стыка. При этом в центре соединения напряжённое состояние близко к всестороннему сжатию, а ближе к поверхности, наоборот, действуют растягивающие напряжения.

Технологические возможности стыковой контактной сварки

Стыковая контактная сварка позволяет сваривать между собой все известные конструкционные металлы как однородные, так и разнородные. Диапазон соединяемых сечений составляет от 1 мм2 до 20 дм2. Также соединяемые детали могут быть различного сортамента: проволока, полосы, различные профили и др.

При контактной стыковой сварке сопротивлением сечение деталей ограничено 500 мм2 для сталей, 200 мм2 для сварки алюминия и сварки меди.

Наибольшее распространение на практике получила стыковая сварка оплавлением. Непрерывным оплавлением можно сваривать детали компактного сечения (прутки до 10 см2 и т.п.) из малоуглеродистой стали и несколько большего сечения листовые детали и трубы. Сварка оплавлением с подогревом применяется для деталей сечением 5-100см2, для больших деталей рекомендуется сварка оплавлением с программным управлением током и скоростью перемещения зажимов, а импульсное оплавление позволяет сваривать детали из стали сечением до 20 дм2 или из алюминия сечением до 2,2 дм2.

Механические свойства сварных соединений, полученных при помощи контактной стыковой сварки оплавлением, сопоставимы с механическими свойствами основного металла.

Подогрев перед сваркой

Некоторые сплавы характеризуются низкой податливостью рассматриваемой обработке. При воздействии высокой температуры и после длительного остывания в структуре могут появится трещины, которые станут причиной снижения качества соединения. Именно поэтому проводится предварительный подогрев поверхности для повышения качества соединения.

К особенностям подобной процедуры можно отнести то, что подогрев должен быть локальными.

В крупносерийном производстве для этого может применяться, к примеру, лазерная установка.

Технология контактной стыковой сварки

Свариваемые материалы и требования к конструкциям

Контактная стыковая сварка сопротивлением в большинстве случаев применяется для сваривания низкоуглеродистых сталей, сварки медной и алюминиевой проволоки. Также есть положительные результаты о сваривании пар разнородных материалов, таких как меди с фехралем, стали или чугуна с медью и алюминием. Такие пары материалов сваривались при помощи дополнительных промежуточных прокладок, дополнительно легирующих сварной шов.

При помощи контактной стыковой сварки оплавлением можно получать качественные соединения между всеми конструкционными металлами от сварки алюминиевых сплавов, до сварки жаропрочных сталей и титановых сплавов.

При подготовке кромок большую роль играет форма торцов деталей, которая должна обеспечивать равномерный нагрев деталей и одинаковую степень деформации при сварке. Схемы подготовки деталей к сварке представлены на рисунке выше. Форма торцов деталей должна предохранять их от окисления и деформации, для этого выполняют кольцевой выступ при сварке сопротивлением, сферу, либо конус ( схема б на рисунке). Заготовки устанавливают в токопроводящие зажимы сварочной машины. Габариты обоих торцов не должны различаться более, чем на 15% по диаметрам и 10% по толщине.

Подготовка к сварке

Для получения качественного сварного соединения поверхности необходимо зачистить и придать им ровную форму. Для торцевания деталей используют механическую резку ножницами, распиливают на станках или отрезают газовой резкой. Дополнительно торцы обрабатывают металлической дробью, травлением, фрезерованием или шлифованием.

При сварке сопротивлением зазор между деталями не должен превышать 0,5мм, а при сварке оплавлением — 15% припуска на оплавление. Установочная длина (l1+l2) при сварке сопротивлением полос из низкоуглеродистой стали толщиной S, составляет 1,2S1/2, для легированной стали 1,1 S1/2.

При сварке оплавлением l1+l2=hопл+hос+hк, где hк — конечное расстояние между зажимами, которое определяется опытным путём, исходя из сохранения устойчивости деталей и низкого уровня теплоотвода в зажимы.

Выбора параметров режима сварки

Значения параметров режима зависят от способа сварки и от свариваемых материалов. Основные параметры режима сварки сопротивлением это:

Плотность тока, определяемая удельной сопротивляемостью материала. При сварке сталей она составляет 100-150 А/мм2, при сварке алюминия 200-300, а при сварке меди 400-500.

Время сварки, которое увеличивается с ростом площади сечения детали и уменьшается с ростом теплопроводности материала (сварка алюминия и меди). В среднем, время сварки проволоки диаметром до 5 мм, составляет 0,2-1 с.

Давление при осадке pос, зависящее от сопротивляемости нагретого металла пластическому деформированию. Для низкоуглеродистых сталей давление при осадке составляет, приблизительно, 20 Мпа, для легированных сталей 125 Мпа, а для цветных металлов, примерно, 10 Мпа.

Для сварки оплавлением определяют следующие основные параметры:

Плотность тока в расчёте на полное сечение детали. Плотность тока увеличивается при увеличении сечения детали, или тепло- и электропроводности. Величина этого параметра намного меньше, чем при сварке сопротивлением и составляет для стали 20 А/мм2, а для алюминия и его сплавов 35 А/мм2.

Скорость оплавления vопл и величина припуска hопл выбираются из условия равномерного нагрева торцов и достаточного прогрева зоны термического влияния. К концу процесса скорость оплавления увеличивают. Чем выше теплопроводность металла, тем больше скорость оплавления. При сварке сталей она составляет, в среднем, 1-3 мм/с, хромоникелевых сталей — 2,5-3 мм/с, алюминия и его сплавов — 4-10 мм/с, а для меди и её сплавов около 20 мм/с.

Давление осадки pос зависит от сопротивления деформированию и степени нагрева металла. Например, при сварке низкоуглеродистых сталей оно составляет 70МПа, коррозионных сталей 170, сплавов алюминия 220, титана и его сплавов — 60МПа. Припуск на осадку под током hос.т=0,4-0,7hос и возрастает при увеличении сечения деталей (hос=5 мм, hос.т=2 мм при S=10см2 и hос=11 мм, hос.т=4 мм при S=100см2.

Также немаловажным параметром является напряжение холостого хода U, которое назначается минимально необходимое для обеспечения устойчивого оплавления.

Обработка соединений после сварки

Для получения хороших механических свойств выполняют термообработку соединения по окончании сварки. Чаще всего используют нормализацию и отпуск. Снятие грата с поверхностей может осуществляться разными способами, например, специальными ножницами непосредственно на сварочной машине, на металлорежущих станках или при помощи резцовых и плунжерных гратоснимателей. Внутри прямых труб удаление грата выполняют протяжками, а гнутых — стальными снарядами, перемещаемыми сжатым воздухом, продувкой горячего стыка кислородом и др. Град в трубах большого диаметр снимают вращающимися резцовыми головками.

Виды сварочной проволоки

При проведении стыковой сварки следует правильно выбрать наиболее подходящую проволоку. Она может применяться для получения качественного изделия. Специалисты должны различать разновидности проволоки и уметь подбирать наиболее подходящую. Сегодня в продаже встречается следующая проволока:

1. Медная получила большое распространение при соединении низкоуглеродистых сталей.
2. Из нержавеющей стали подходит для работы с хромированными и другими легированными сталями
3. Алюминиевая чаще всего выбирается при работе с сулиминами или дюралюминием.

Медная сварочная проволока

Кроме этого, уделяется довольно много внимания выбору поперечного сечения. Он подбирается в зависимости от того, какая будет площадь контакта соединяемых элементов.

Оборудование для контактной стыковой сварки

Машины для контактной стыковой сварки

Машины для контактной стыковой сварки достаточно разнообразны по конструкции и классифицируются по тем же признакам, которые приняты для классификации машин точечной и шовной контактной сварки. К примеру, они также подразделяются по виду сварки. Это машины для сварки сопротивлением и оплавлением. Также они делятся по роду тока, по своему назначению и другим признакам.

На рисунке представлена схема универсальной машины для стыковой контактной сварки. Основными узлами машины являются станина 8, сварочный трансформатор 9, вторичный контур 10, подвижный 4 и неподвижный 11 плит, токопроводящие губки 3 для зажима деталей, зажимных цилиндров 1 и 2, привода подачи 5, направляющих 6 и блока системы управления 7. На практике чаще всего используются машины переменного тока.

Кроме этого, для сварки деталей определённого сортамента применяют специализированные машины. Например, существуют машины специально для сварки ленточных пил, для сварки цепей, для сварки железнодорожных рельсов, которая может выполняться как непосредственно на путях, так и в стационарных условиях.

Контактная сварка труб диаметром не более 1 м выполняется на стационарных и передвижных установках в полевых условиях. Для сварки труб большого диаметра, превышающего 1,4 м, используются специальные сварочные комплексы с машинами, которые вводятся внутрь трубы.

В приборостроении и радиоэлектронике используют конденсаторные машины, позволяющие сваривать малые детали с размерами до 1-2 мм. Существуют также и машины постоянного тока, на пример, для сварки оплавлением тонкостенных титановых деталей или для сварки сопротивлением цепей.

Системы управления оборудованием

Система управления для подачи и отключения тока, изменения напряжения и силы тока, обеспечения операций зажатия, подогрева, оплавления, осадки, снятия грата, термообработки в машине, транспортировки деталей и др.

На простых машинах небольшой мощности управление осуществляется конечными выключателями. На более сложных машинах управление осуществляется про помощи кулачковых устройств, при помощи которых регулируется скорость перемещения деталей, время нагрева, момент приложения усилия осадки и его величину.

На мощных машинах применяется релейное управление. Величину вторичного напряжения регулируют переключением ступени трансформатора или изменением угла включения тиристорного контактора. Скорость движения плиты регулируют, изменяя число оборотов двигателя электромеханического привода. Наиболее совершенными являются адаптивные системы управления с обратными связями.

Приспособления и оснастка

Для установки и закрепления деталей, а также подвода к ним электрического тока, в конструкции машин предусмотрены зажимных токопроводящие устройства с различными типами приводов. Винтовые приводы обеспечивают усилие зажатия до 40кН, рычажные, эксцентриковые и пневматические до 100 кН, гидравлические до 50 МН. Существуют также электромеханические приводы.

Сварочные электроды изготавливают из бронзы или меди марок БрНБТ, БрНК, МЦ2, МЦ3 и др. Для предохранения от проскальзывания свариваемых деталей, форма электродов соответствует кромкам деталей. При помощи приводов перемещения или подачи плиты осуществляется медленное перемещение детали при нагреве и быстрое при осадке. Пружинные приводы перемещения электродов создают усилие до 1кН, рычажные до 50кН, электромеханические до 75 кН и гидравлические до 3 МН.

Оборудование и приспособления

Для машин общего назначения ГОСТ 297—80 устанавливает, в частности, следующие основные параметры.

• Наибольший вторичный ток. Это ток, который проходит во вторичном (сварочном) контуре при его коротком замыкании на максимальной ступени регулирования при номинальных значениях раствора и вылета сварочного контура.
• Номинальное и (или) наименьшее и наибольшее усилия сжатия электродов – для точечных, шовных и рельефных машин.
• Требования к геометрическим параметрам электродов и консолям машины (размеры контура относятся к наиболее важным параметрам машины; контуры состоят из жестких и гибких токоведущих элементов, которые соединяют вторичные витки сварочного трансформатора с оснасткой машин).

Оснастка машин включает консоли, электрододержатели, электроды, токоподводящие губки и другие элементы, размеры и конструкция которых может меняться в зависимости от конструкции изделия. На этих элементах иногда устанавливают приспособления, фиксирующие или поддерживающие свариваемые, детали, загрузочные или съемные механизмы. Вторичный контур характеризуется такими параметрами:

• активное сопротивление;
• индуктивное сопротивление;
• полное сопротивление в режиме короткого замыкания.

В состав точечных, рельефных, шовных, подвесных и многоэлектродных машин входят приводы сжатия. В период протекания сварочного тока эти приводы формируют на электродах постоянное или изменяющееся во времени сварочное усилие. В необходимых случаях такие приводы создают на электродах усилие предварительного обжатия (до включения тока) и ковочное усилие (после выключения тока), превышающие уровень сварочного усилия. В большинстве машин приводы сжатия являются пневматическими, реже – пружинными.

Привода вращения роликов шовных машин – обеспечивают передвижение свариваемых деталей на шаг точек. Вращение роликов может быть непрерывным и прерывистым. Приводным может быть один из роликов, а в некоторых случаях крутящий момент передается сразу на оба ролика.

Электроды для точечной сварки и ролики для шовной сварки состоят из: рабочей части, части, обеспечивающей соединение с машиной, и средней (основной) части

Рабочая часть обеспечивает непосредственный контакт (электрический и механический) электрода со свариваемыми деталями и имеет рабочую поверхность, форма и размеры которой являются важной технологической характеристикой электрода (ролика). В настоящее время наиболее распространены две формы рабочей поверхности: плоская (цилиндрическая у роликов) и сферическая

Основной функцией электродов и роликов является подвод тока к деталям и передача к ним сварочного усилия. Внутренняя часть большинства электродов для точечной сварки имеет канал для подачи охлаждающей воды. Внутри охлаждающего канала находится трубка, по которой поступает вода.

Применение стыковой сварки в промышленности

Применение контактной стыковой сварки на практике составляет около 10% от общего применения контактной сварки. В основном, применяется стыковая сварка оплавлением.

Стыковую сварку сопротивлением используют для сварки проволоки диаметров до 8 мм из стали, алюминия, меди, прутков диаметром до 25 мм, труб диаметром до 50 мм. Также этот способ сварки используют при производстве цепей, ободов, колёс и т.п.

Стыковая сварка оплавлением нашла применение при производстве колец (шпангоутов) диаметров 4-5 м, полос при непрерывной прокатке. Её также используют при изготовлении валов, дверей, перегородок, цепей, трубопроводов, железнодорожных рельсов в стационарных и в полевых условиях, комбинированного режущего инструмента (свёрл, резцов, фрез и др.).

Контроль качества контактной стыковой сварки

Наиболее распространён разрушающий метод контроля технологических образцов. После сварки образцы разрушают по сварному шву и производят контроль внешним осмотром. Анализируют изломы, проводят металлографический анализ или электронную микрофрактографию. При этом определяют площадь соединения и наличие дефектов в сварном шве, наиболее распространённые из которых — это непровары, включения неразрушенных твёрдых оксидов и др.

Кроме этого, испытывают образцы на изгиб, определяя их возможный угол загиба, растяжение и др. Также применяется метод ультразвукового контроля качества сварки тонкостенных труб с толщиной стенки 3-7мм, труб малого диаметра (25-100 мм). При ультразвуковом контроле используют поперечные волн.

Преимущества

Данная технология имеет ряд преимуществ, за счет которых она получила широкое распространение в промышленности:

1. Отсутствуют строгие правила подготовки поверхности. Сварка стык в стык не требует обработки соединяемых кромок. Кроме того, отсутствует необходимость в предварительной термической обработки поверхности, как при обычной дуговой сварке.
2. Качество соединения. При условии соблюдения требований технологического процесса, качественные характеристики сварочного шва обеспечивают длительный срок эксплуатации соединения. При сварке металла локальное тепловое воздействие в сочетании с давлением, позволяют получить однородный металл.
3. Требования к квалификации оператора. Простота рассматриваемого метода позволяет привлекать к работе специалистов низкой квалификации, не обладающих особыми навыками.
4. Высокая производительность. Особенно при использовании автоматических аппаратов.
5. Автоматизация процесса. На некоторых устройствах соблюдении технологии контролируется блоком электронного управления.