Принцип действия
Технология контактной сварки точечным, шовным и рельефным способами основана на одной и той же единичной операции — создании сварной точки в месте соприкосновения поверхностей заготовок. В общем виде это выглядит так (см. рис. ниже):
- Установка сложенных внахлест заготовок на нижний электрод.
- Сжатие их верхним электродом.
- Подача импульса сварочного тока.
- Кратковременное удерживание сжатия до остывания сварной точки.
- Отвод верхнего электрода в исходное положение.
В установках контактной сварки используется постоянный ток обратной полярности (плюс на верхний электрод) или переменный ток частоты 50 Гц (в некоторых случаях применяют высокочастотные источники)
Прижим деталей является важной частью технологического процесса. После прохождения импульса тока в месте соприкосновения поверхностей деталей возникает линза из расплавленного металла, которая в контактной технологии называется ядром
Сжатие с необходимым усилием не позволяет металлу выплескиваться за область ядра, а также вызывает пластическую деформацию зоны ядра и взаимное проникновение металлов заготовок.
Стандартная установка точечной сварки состоит из следующих элементов (см. рис. ниже):
- источник питания с переменным или постоянным током;
- нижняя (опорная) рукоятка с электродом массы;
- верхняя (прижимная) рукоятка с основным электродом;
- корпус установки с механизмом прижима и контактами.
Технология стыковой сварки отличается от остальных контактных способов, т. к. в этом случае посредством расплавления металла соединяются торцевые части двух массивных деталей. Последовательность технологических операций при стыковой контактной сварке выглядит следующим образом (см. рис. ниже):
- Фиксация одной из заготовок в неподвижном зажимном приспособлении.
- Установка второй заготовки в подвижную оснастку.
- Сжатие торцов заготовок с постоянным усилием.
- Подача на заготовки импульса сварочного тока.
- Разогрев металла до состояния плавления с продолжающимся после отключения тока приложением усилия.
- Сближение торцов и образование сварного шва.
- Остывание шва и снятие усилия.
Напряжение холостого хода в устройствах контактной сварки намного ниже, чем у другого сварочного оборудования. Обычно оно составляет 3÷6 В (максимум до 20 В), при этом напряжение сварки равно 1÷1.5 В. Сила тока во всех контактных способах в зависимости от толщины заготовок и площади контакта лежит в интервале от единиц до сотен тысяч ампер. Глубина проплавления каждой детали в зависимости от вида материала должна составлять от 20 до 80% процентов ее толщины. Не допускается сквозное проплавление (прожиг) металла, а также проплавление его на глубину меньше нормативного.
Сущность процесса
Процесс контактной сварки основан на кратковременном воздействии тока различной силы. При его прохождении через металл он нагревается, за счет чего существенно повышается степень пластичности. Главными положительными особенностями можно назвать следующие моменты:
- При применении рассматриваемой технологии тепло формируется в самом теле заготовки. Для того чтобы исключить вероятность распространения тепла по всему материалу, скорость его подачи должна быть высокой. Именно поэтому применяется специальное сварочное оборудование.
- Подаваемая сила тока должна быть высокой, а время нагрева незначительным. Как показывает практика, мощность при рассматриваемой обработке составляет несколько сотен и даже тысяч Ампер. При этом время воздействия составляет всего несколько долей секунд. Подобного результата можно достигнуть только при внутреннем выделении тепла в материале.
- Применяемое оборудование позволяет существенно повысить производительность. Этот момент многие называют преимуществом контактной сварки. Сегодня проводится создание роботизированной техники, которая путем подачи тока проводят сваривание большого количества металла.
- Обработка проходит без применения присадочного металла. Именно поэтому технология считается более экономичным в плане количества расходуемой энергии.
- Нагрев происходит непосредственно в зоне воздействия. Именно поэтому не наблюдаются тепловые потери, если сравнить с технологией дуговой ручной сварки или других технологий.
- Применяемое оборудование существенно облегчает процесс. При этом можно применять оборудование, которое автоматизирует обработку. На момент воздействия тока не образуется яркая вспышка, поэтому снижаются расходы на оборудование зоны обработки.
Точечная сварка на производстве
Сегодня контактная сварка применяется в случае конвейерного производства. Роботы могут проводить соединение металла практически без прерывно.
Не стоит забывать и о некоторых недостатках контактной сварки. Она также определяет особенности рассматриваемой технологии. Недостатки выглядят следующим образом:
- Для того чтобы обеспечить высокое качество соединения должно применяться оборудование, которое может оказывать давление на заготовку.
- Соединение может проводится только в случае, когда заготовки могут размещаться в специальной машине. Другими словами, есть определенные ограничения по размеру изделий.
- Если шов должен быть большим, то существенно возрастает механическая мощность и сила подаваемого тока. Кроме этого, есть определенные ограничения, касающиеся толщины соединяемых элементов.
- Технология не характеризуется универсальностью и маневренностью. Другими словами, провести работу на месте размещения изделий достаточно сложно, для этого зачастую создают самодельные конструкции.
- Получаемый шов характеризуется низкой герметичностью.
Точечная контактная сварка
Кроме этого, покупное оборудование характеризуется высокой стоимостью. При обслуживании могут возникнуть серьезные проблемы. При желании можно создать самодельную конструкцию, которая характеризуется высокой эффективностью.
Особенности сварного процесса
При точечном сваривании к месту соединения металлических деталей применяется кратковременный импульс электрического тока, длительность которого меняется в пределах 0,01-0,1 секунды.
При этом в зоне наложения электродов кромки изделий расплавляются, приобретают общее ядро. После подачи тока детали остывают под давлением для кристаллизации этого ядра, а также его полного остывания.
Технические данные машин контактной сварки.
Основные способы контактной сварки:
- точечный метод;
- шовный или роликовый способ;
- стыковая контактная сварка.
Особенности такого вида сварки заключаются в том, что он не требует повышенных мер безопасности. Прижатие деталей друг к другу приводит к образованию уплотняющего пояска между ними без выплеска расплавленного металла.
Но давление с деталей стоит снимать с некоторой отсрочкой, чтобы обеспечить им лучшую кристаллизацию, проковывание и добиться устранения неоднородностей.
Достоинства точечной сварки ‒ экономичность, высокая механическая прочность швов, возможность автоматизировать рабочие процессы. Недостатки контактной сварки заключаются в отсутствии герметичности созданных сварочных швов.
Сборку перед сваркой важно выполнить таким образом, чтобы она обеспечила точное и плотное прилегание металлических изделий друг к другу. В противном случае, зазор между деталями уменьшит и поглотит часть давления на них, осадочное давление снизится, появится разброс прочности сварных точек
В целом, это снизит прочностные характеристики сварного шва, сделает его уязвимым для негативных факторов извне
В противном случае, зазор между деталями уменьшит и поглотит часть давления на них, осадочное давление снизится, появится разброс прочности сварных точек. В целом, это снизит прочностные характеристики сварного шва, сделает его уязвимым для негативных факторов извне.
Область применения
Шовная технология разработана более века назад. Производители постоянно совершенствуют аппараты, расширяют сферу их применения. С применением технологии шовного соединения металлов производят герметичные камеры различной геометрии, тонкостенные трубы, емкости бытового и промышленного назначения, кожухи и многое другое.
Контактная роликовая сварка незаменима при работе с алюминием, легированными сплавами, используемыми в химической промышленности. Производительность сварочного оборудования очень высокая, структура швов – равномерная. Скорость подачи листов и вращения бронзовых дисков регулируется. Изменяя временные интервалы между импульсами, получают сплошные или прерывистые соединения. Размер шва соответствует ширине бронзового диска.
Конструкции электродов
Для работы с электродуговой сваркой также используются электроды, но они кардинально отличаются от токопроводящих элементов для контактной сварки, и не подходят для данного вида работ. Поскольку в момент сварки детали сдавливаются контактными частями сварочного аппарата, то электроды для контактной сварки способны проводить электрический ток, выдерживать нагрузку на сжатие и отводить тепло.
Свариваемый металл определяет форму применяемого электрода. Данные элементы, имеющие плоскую рабочую поверхность, используют для сварки обычных сталей. Сферическая форма идеально подходит для соединения меди, алюминия, высокоуглеродистых и легированных сталей.
Сферическая форма наиболее устойчива к сгоранию. Благодаря своей форме они способны выполнить большее количество сварных швов до заточки. Кроме того, применение такой формы позволяет варить любой металл. В то же время, если сваривать алюминий или магний плоской поверхностью, то будут образовываться вмятины.
Схема электрода для сварки
Посадочное место электрода часто выполнено в форме конуса или с резьбой. Данная конструкция позволяет избежать потерь тока и эффективно выполнить сжатие деталей. Посадочный конус может быть коротким, однако их применяют при малых усилиях и низких токах. Если используется крепление с резьбой, то зачастую через накидную гайку. Резьбовое крепление особенно актуально в специальных многоточечных машинах, так как необходим одинаковый зазор между клешнями.
Для выполнения сварки в глубине детали, применяются электроды искривленной конфигурации. Существует разнообразие изогнутых форм, поэтому при постоянной работе в таких условиях, необходимо иметь подборку различных форм. Однако пользоваться ими неудобно, и они имеют более низкую стойкость, в сравнении с прямыми, поэтому к ним прибегают в последнюю очередь.
Поскольку давление на фигурный электрод приходится не по его оси, во время нагрева он подвержен изгибанию, и об этом нужно помнить при выборе его формы. Кроме того, в такие моменты, возможно смещение рабочей поверхности искривленного электрода, по отношении к ровному. Поэтому в таких ситуациях обычно применяется сферическая рабочая поверхность. Не осевая нагрузка сказывается также на посадочном месте электрододержателя. Поэтому при чрезмерной нагрузке, нужно использовать электроды с увеличенным диаметром конуса.
Выполняя сварку в глубине детали можно использовать прямой электрод, если наклонить его по вертикали. Однако угол наклона должен быть не больше 30о, так как при большем градусе наклона происходит деформация электрододержателя. В таких ситуациях применяют два изогнутых токопроводящих элемента.
Внешний вид электродов
Использование хомута в месте крепления фигурного электрода позволяет снизить нагрузку на конус и продлить срок службы посадочного места сварочного аппарата. При разработке фигурного электрода, необходимо вначале выполнить чертеж, затем изготовить из пластилина или дерева пробную модель, и только после этого приступать к его изготовлению.
В промышленной сварке применяется охлаждение контактной части. Зачастую такое охлаждение происходит через внутренний канал, но если электрод небольшого диаметра или происходит увеличенный нагрев, то охлаждающую жидкость подают снаружи. Однако наружное охлаждение допускается при условии, что свариваемые детали не поддаются коррозии.
Труднее всего охладить фигурный электрод из-за его конструкции. Для его охлаждения применяют тонкие медные трубки, которые располагаются по боковым частям. Однако даже при таких условиях он недостаточно хорошо охлаждается, поэтому не может варить в том же темпе, что и прямой электрод. В противном случае происходит его перегрев и срок эксплуатации сокращается.
Во время контактной сварки ось двух электродов должна быть 90о по отношению к поверхности детали. Поэтому когда свариваются крупногабаритные детали с уклоном, используются поворотные, самоустанавливающиеся держатели, а сварка выполняется сферической рабочей поверхностью.
Стальная сетка диаметром до 5 мм сваривается пластинчатым электродом. Равномерное распределение нагрузки достигается путем свободного вращения вокруг своей оси верхнего токопроводящего контакта.
Хотя сферическая форма рабочей поверхности является самой устойчивой из остальных форм, все же она, вследствие тепловых и силовых нагрузок, теряет свою первоначальную форму. Если рабочая поверхность контакта увеличивается на 20 % от первоначального размера, то он считается непригодным, и его нужно затачивать. Заточка электродов контактной сварки производится в согласии ГОСТом 14111.
Принцип стыковой сварки
Технология контактной стыковой сварки представляет собой такой способ соединения металлических заготовок, при котором область стыка деталей равномерно нагревается. Горячие части деталей плотно соединяются друг с другом, полученный сплав является неразъемным.
Эта разновидность сварных работ характеризуется высокой производительностью за счет повышенной скорости соединения деталей. Стыковая контактная сварка отличается более быстрым и равномерным плавлением металла, что приводит к ускоренному образованию сварного шва. Сам процесс может быть автоматизированным и встроенным в конвейер. Благодаря этому контактная стыковая обработка деталей распространена на серийном производстве, например, при работе с трубами.
Для соединений, полученных при использовании этой технологии работ, характерны повышенная прочность и долговечность. Сварка используется в процессе производства автомобилей, самолетов и нефтепроводов. Еще одним достоинством данного способа является тот факт, что на качество шва не влияет квалификация сварщика, а значит, производство не зависит от наличия высококвалифицированных рабочих.
Рекомендовано к прочтению
- Резка меди лазером: преимущества и недостатки технологии
- Виды резки металла: промышленное применение
- Металлообработка по чертежам: удобно и выгодно
Стыковая обработка с использованием контактного оборудования подходит для работы с различными типами заготовок (стальными трубами, пластинами, свариваемыми встык, ПНД трубами и т. п.). Для получения удовлетворительного результата необходимо строго следовать технологии работы.
Существует две разновидности контактной стыковой сварки:
- оплавлением;
- сопротивлением.
Остановимся на этих разновидностях сварных работ подробнее.
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.
Возможные дефекты
Во время работы могут возникать дефекты, негативно сказывающиеся на конечном результате.
- Прожог – этот дефект появляется из-за большого напряжения, из-за продолжительного импульса или при сильном сжатии деталей. Перегретый металл начинает стекать, образуется отверстие, в итоге сваренные края можно легко оторвать. Чтобы избежать этого, нужно уменьшить силу подачи электрического тока и силу прижима.
- Расплескивание металла – в процессе работы из точек соединения начинают вылетать искры. Возникает это из-за сильного сжатия элементов или из-за слабой подачи импульса длительное время. Металл начинает выходить за контуры «ядра», а в этом месте образуются пустоты – прочность соединения нарушается.
- Непровар – появляется из-за слабо-подаваемого тока, недостаточной силы прижима или ослабленных щипцов. Возникает непровар, если места сварки находятся рядом.
- Уменьшение размера сварки – возникает из-за непродолжительного импульса либо детали были не плотно сжаты.
В следующем видео вас ждет современный процесс точечной сварки металлических предметов.
Рельефный метод
Рельефная сварка нередко применяется в автомобильной промышленности для соединения кронштейнов с листовыми элементами (в частности, рельефным способом крепятся скобы к автомобильному капоту и дверные петли к кабине), а также для фиксации стандартных крепежных изделий — шпилек, болтиков, гаек.
Вне зависимости от типа сварки, поверхности заготовок необходимо очищать от грязи, коррозии, горюче-смазочных материалов. Однако рельефная сварка требует дополнительной подготовки изделий. На них должны быть сделаны с помощью спецоборудования достаточно сложные по форме (допустим, круглые или продолговатые) выступы.
Шовный метод
При шовной сварке на месте соединения деталей создается шов, состоящий из сварных зон, перекрывающих друг друга. Все необходимые операции в данном случае должны осуществляться на специализированных аппаратах с одним или несколькими роликами-электродами, которые будут прижимать, прокатывать и варить металлоизделия.
Приемлемая толщина свариваемых листов – в диапазоне от 0,2 до 3 мм. При создании объектов и предметов, для которых важна герметичность соединений (бочки, водопроводные трубы, баки для бензина) специалисты рекомендуют пользоваться именно шовной технологией.
Сварочный процесс: схема изготовления
При самостоятельной сборке аппарата необходимо учитывать закон Джоуля-Ленца (Q=I² Х R Х t), в котором говорится: тепловая энергия выделяется в проводниках в определённом количестве пропорционально их сопротивлению, коэффициенту силы тока во времени и в квадрате.
Специалисты советуют уделять должное внимание самодельному механизму, учитывать большую потерю энергии в тонких проводах, использовать электроцепь высокого качества. Виды контактной сварки:
Виды контактной сварки:
В точечной сварке технология аппарата основана на тепловом воздействии тока. Это обеспечивает сварку детали как в одной, так и в нескольких точках.
Перечислим несколько существующих ступеней в технологии точечной сварки:
- Совмещаемые компоненты соединяются и размещаются между электродами устройства. Следует расположить компоненты плотно прилегая друг к другу. Это обеспечит формирование уплотняющего пояса возле расплавленного ядра, что не позволит выплёскивание раскалённого метала во время импульса.
- Следующий шаг – нагревание деталей. Они становятся термопластичны, что даёт возможность их видоизменения. Сделать сварку высокого качества возможно в домашних условиях, главное – соблюдать ключевые принципы технологии: поддерживать скорость движения электродов, постоянную величину давления и плотное соединение всех частей.
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.
