Теоретические положения. Контактная сварка - это сварка с применением давления и теп­лоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через нахо­дящиеся в контакте соединяемые

Контактная сварка - это сварка с применением давления и теп­лоты, выделяющейся при прохождении электрического тока через нахо­дящиеся в контакте соединяемые элементы детали или изделия.

2.1. Физическая сущность процесса контактной сварки

По виду энергии, используемой для образования сварного соеди­нения, контактная сварка относится к термомеханическому классу.

Для осуществления контактной сварки необходимы два вида энер­гии: - теплота; - давление.

2.1.1. Теплота в процессе контактной сварки

Количество теплоты, необходимое для осуществления контактной сварки, определяют по закону Джоуля-Ленца

Q = I² R t,

где Q - количество теплоты, Дж; I - сила сварочного тока, А; R - полное сопротивление участка сварочной цепи, в котором происходит выделение теплоты, Ом; t - время прохождения электрического тока, с.

Полное сопротивление сварочной цепи

R= R₁ + R₂ + R₃,

где R₁ - сопротивление контакта между свариваемыми элементами, Ом; R₂ - сопротивление материала свариваемых элементов на участке прохождения электрического тока, Ом; R₃ - сопротивление контакта между токоподводящими электродами и свариваемыми элементами, Ом.

Основными источниками теплоты являются сопротивления R₁ и R₂. Теплота, выделяемая сопротивлением R₃ в значительной степени от­водится токоподводящими электродами.

Сумма сопротивлений R₁ и R₂ незначительна и не превышает 0, 005… 0, 1 Ом. Во избежание тепловых потерь время прохождения тока секунды и доли секунд, а сварочный ток весьма большой силы: 1...500 кА.

Второй путь интенсификации процесса нагрева, которым часто пользуются на практике, заключается в искусственном поддержании не­плотного контакта между свариваемыми элементами. Контактное сопро­тивление R₁ достигает больших значений, что приводит к ускоренно­му выделению большого количества теплоты.

Температура в зоне контакта свариваемых элементов друг с дру­гом достигает значений, при которых происходит плавление и даже ки­пение свариваемого материала. Материал околошовной зоны разогрева­ется за счёт теплопроводности.

2.1.2. Давление в процессе контактной сварки

Давление в процессе контактной сварки способствует сближению свариваемых элементов до возникновения межатомных сил сцепления.

Величина давления зависит от пластическихсвойств материала, способа соединения и размеров свариваемых элементов.

Удельное давление при контактной сварке составляет1...100МПа, или 1...100 МН/м².

2.2. Виды контактной сварки

При контактной сварке соединяемые элементы детали или изделия собирают встык или внахлёстку и с помощью специальных электродов подводят к ним электрический ток.

Способ сборки соединяемых элементов перед сваркой зависит от их конструктивных особенностей и предопределяет вид контактной сварки.

Основными видами контактной сварки являются: стыковая; точечная; шовная.

2.3. Стыковая контактная сварка

Стыковая контактная сварка - это сварка, при которой соединение свариваемых элементов детали происходит по всей поверхности стыкуемых торцов (рис. 1).

Рис. 1. Схема стыковой контактной сварки

При стыковой контактной сварке элементы свариваемой детали собирают встык и закрепляют в специальных зажимах сварочной машины. Один из зажимов неподвижен, второй подвижен и осуществляет сжатие элементов детали после их нагрева до пластического состояния (осуществляет осадку).

Электрический ток от сварочного трансформатора подаётся к зажимам машины, а от них - к свариваемым элементам. При прохождении электрического тока через свариваемые элементы детали или изделия они разогреваются.

Методом стыковой контактной сварки можно сваривать прутки сплошного сечения, полосы, ленты, рельсы, балки, трубы толсто- и тонкостенные (рис. 2).

Рис. 2. Виды свариваемых сечений при стыковой контактной сварке

Для обеспечения равномерного нагрева торцы свариваемых элементов должны быть перпендикулярны усилию осадки; различие в диаметрах не должно превышать 15%, а в толщине - 10%.

Перед сваркой торцы свариваемых элементов зачищают до металлического блеска: удаляют окисные плёнки и всевозможные загрязнения.

При закреплении свариваемых элементов в зажимах сварочной машины необходимо правильно назначить установочную длину - величину выступающих из зажимов машины концов свариваемых элементов.

Установочная длина зависит от электропроводности и теплопроводности материала каждого свариваемого элемента, а также от способа сварки.

2.3.1. Методы стыковой контактной сварки. Стыковую контактную сварку можно осуществлять следующими методами: сопротивлением; оплавлением.

Сварка сопротивлением - это такой метод стыковой контактной сварки, при котором: вначале приводят в соприкосновение свариваемые элементы, затем включают электрический ток. В процессе нагрева свариваемые элементы прижимают торцами друг к другу с небольшим усилием Р_сж. После нагрева до пластического состояния свариваемые элементы сдавливают с большим усилием Р_ос. - производят осадку.

После осадки свариваемые элементы укорачиваются за счет пластической деформации материала в прилежащих к торцам областях.

В месте стыка соединяемых элементов образуются утолщения -усиление.

Сварка оплавлением – это такой метод стыковой контактной сварки при котором вначале включают электрический ток, затем приводят в соприкосновение свариваемые элементы.

В процессе нагрева свариваемые элементы находятся в слабом соприкосновении друг с другом. Слабый контакт между свариваемыми элементами способствует процессу непрерывного оплавления на торцах и нагреву прилежащих к ним областей материала производят осадку.

После осадки свариваемые элементы укорачиваются за счёт выдавливания расплавленного материала и шлака из плоскости стыка и за счет пластической деформации материала в прилежащих к торцам областях.

В месте стыка соединяемых элементов образуется небольшое усиление и грат - застывшие капли выдавленных материала и шлака.

Сварка оплавлением с подогревом является разно­видностью сварки оплавлением.

Подогрев свариваемых элементов осуществляют чередованием ко­ротких замыканий с процессом непрерывного оплавления. Такой способ нагрева уменьшает потребляемую электрическую мощность.

Заключительный этап сварки оплавлением с подогревом ведут так же, как и при сварке оплавлением.

2.3.2. Режим стыковой контактной сварки. На параметры режима стыковой контактной сварки оказывают влияние: физико-механические характеристики свариваемого материала; размеры соединяемых элементов детали или изделия; метод сварки.

Основные параметры режима стыковой контактной сварки: I - сила сварочного тока, А; Р - усилие осадки или сжатия, Н; t - длительность нагрева или время действия тока, с.

Расчётные зависимости для определения параметров режима стыковой контактной сварки.

Сила сварочного тока

,

где I - сила сварочного тока, А; i- плотность тока, А/мм² ; F- площадь свариваемого сечения, мм².

Усилие осадки

,

где P_ос - усилие осадки, Н; P_ос- удельное давление осадки, МПа или МН/м²; F – площадь свариваемого сечения, м².

Время действия сварочного тока находятся в обратной пропорциональной зависимости от силы тока: чем больше сила сварочного тока, тем меньше время, затрачиваемое на нагрев свариваемых элементов, тем выше производительность сварки.

Время действия сварочного тока t назначают ориентировочно и впоследствии уточняют в процессе отладки технологического процесса сварки.

Сила сварочного тока I и время нагрева t зависят от выбранного режима стыковой контактной сварки.

Режимы стыковой контактной сварки в зависимости от ско­рости нагрева: жёсткий; средний; мягкий.

Жёсткий режим контактной сварки отличается от мягкого большей силой сварочного тока и меньшим временем его действия.

Рекомендуемые режимы стыковой контактной сварки для каждого метода сварки и для определённого вида свариваемого материала даны вприложениях 1 и 2.

После назначения режимов стыковой контактной сварки подбирают тип сварочной машины.

2.3.3. Сварочные машины для стыковой контактной сварки. Сварочную машину для стыковой контактной сварки подбирают по силе сварочного тока и по усилию осадки.

Маркировка состоит из двух заглавных букв русского алфавита и четырех цифр без знаков разделения.

Буквы обозначают название машины и вид контактной сварки: А или М - первая буква маркировки обозначает название машины: " Автомат", " Агрегат" или " Машина".

С, Т или Ш - вторая буква маркировки обозначает вид сварки: " Стыковая", " Точечная" или " Шовная".

Цифры обозначают номинальную силу сварочного тока и но­мер модели машины: первые две цифры - номинальный сварочный ток, кА; вторые две цифры - номер модели машины.

Некоторые виды сварочных машин для стыковой контактной сварки приведены в приложении 3.