Контактной сваркой называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.
Количество выделяющейся теплоты (Дж) может быть определено по формуле:
Q = 0,24I×Rt,
где I – ток, А;
R – сопротивление участка цепи в месте контакта деталей, Ом;
t – продолжительность действия тока, с.
Из формулы видно, что количество теплоты зависит от тока в сварочной цепи. Поэтому для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи, достигающие нескольких десятков тысяч ампер. Так как электрическое сопротивление прохождению тока в месте контакта свариваемых деталей велико, на этом малом участке выделяется большое количество теплоты, которое вызывает быстрый нагрев металла. С повышением температуры металла в зоне контакта его сопротивление возрастает, следовательно, еще более возрастает количество выделяющейся теплоты и ускоряется процесс нагрева металла. Таким образом, применение больших сварочных токов позволяет осуществить быстрый нагрев металла и выполнить сварку за десятые и даже сотые доли секунды.
Режим контактной сварки характеризуется совместным действием основных параметров: тока и времени его протекания, силы сжатия и времени ее действия. По основным параметрам контактной сварки – тока и времени его действия – различают два режима процесса сварки: жесткий и мягкий.
Жесткий режим характеризуется применением больших токов и малым временем процесса сварки. Такой режим применяется для сталей, чувствительных к нагреву и склонных к образованию закалочных структур, а также при сварке легкоплавких цветных металлов и их сплавов.
Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью процесса и постепенным нагревом свариваемого металла. Таким режимом пользуются при сварке углеродистых сталей, обладающих низкой чувствительностью к тепловому воздействию.
Машина контактной сварки состоит из двух основных частей: электрической и механической (рис. 94).
Рис. 94. Принципиальная схема машины контактной сварки:
1 – трансформатор; 2 – гибкая перемычка; 3, 4 – токопроводы; 5, 6 – электроды; 7, 8 – детали; 9 – переключатели; 10 – контактор; 11 – регулятор времени
Электрическая часть машины состоит из трансформатора, переключателя ступеней (или регулятора тока), регулятора времени, прерывателя тока и токоподводящих проводов и устройств.
Трансформатор используется однофазный с секционированной первичной обмоткой, позволяющей с помощью переключателя ступеней изменять значение напряжения во вторичной обмотке. При первичном (220 или 380 В) и вторичном (1–20 В) напряжениях сварочный ток достигает нескольких десятков килоампер. Вторичная обмотка трансформатора у машин малой мощности состоит из отдельных гибких медных полос, охлаждаемых воздухом, у машин средней и большой мощности – из пустотелых медных витков, охлаждаемых проточной водой.
График изменения сварочного тока и усилия сжатия, совмещенные во времени, называют циклограммой. Для управления циклом работы машины применяют устройство, называемое регулятором времени. В практике применяют четырехпозиционный регулятор времени типа РВЭ–7, имеющий четыре последовательные выдержки времени для каждого элемента цикла сварки: сжатие, сварка, проковка и пауза. Регулятор имеет металлический корпус с выведенными наружу регулировочными ручками. Длительность времени всех элементов плавно регулируется: три диапазона в пределах 0,03–1,35 с и один для периода сварки в пределах от 0,03–6,75 с. Включение и выключение машин контактной сварки производится со стороны первичной обмотки сварочного трансформатора.
В процессе сварки необходимо включать и выключать большой ток десятки раз в секунду. Для этой цели машины оборудованы прерывателями.
Машины небольшой мощности и неавтоматического действия имеют простые механические или электромагнитные контакторы. При больших мощностях такие контакторы имели бы большие габариты и низкую производительность. Они конструктивно не смогли бы обеспечить точное дозирование и стабильность подачи энергии. Поэтому в машинах средней и большой мощности устанавливают игнитронные и тиристорные прерыватели, выполняющие синхронное включение и выключение тока с определенной продолжительностью импульсов тока.
Механическая часть состоит из станины, механизмов и узлов, обеспечивающих точную фиксацию и необходимое давление для сжатия свариваемых деталей.
Контактная сварка является высокопроизводительным процессом и легко поддается механизации и автоматизации. Это способствует широкому применению контактной сварки в строительстве и промышленности для сварки стыковых и крестообразных соединений арматуры железобетонных конструкций, элементов листовых конструкций из углеродистой стали или алюминиевых сплавов, для соединения элементов стальных конструкций, для сварки труб, а также при электромонтажных работах для сварки медных и алюминиевых проводов.
Виды контактной сварки
Основными видами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная.
Стыковой контактной сваркой называют сварку, при которой соединение свариваемых частей происходит по всей поверхности стыкуемых торцов. Данная сварка может быть выполнена сопротивлением и оплавлением (непрерывным и прерывистым).
При сварке сопротивлением обработанные поверхности двух деталей приводят в плотное соприкосновение и включают сварочный ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производят осадку (сжатие) и одновременно выключают ток. Таким способом сваривают детали из низкоуглеродистых сталей, имеющих круглое или прямоугольное сечение с площадью до 1000 мм2, и легированные стали площадью до 20 мм2. Цветные металлы и их сплавы хорошо свариваются сваркой сопротивлением. Этим способом можно сваривать и разнородные металлы (сталь с медью, латунь с медью, различные сорта сталей).
Сварка сопротивлением требует высокой чистоты свариваемых поверхностей и строгого контроля температуры нагрева. Поэтому этот способ не получил большого применения.
Сварка непрерывным оплавлением выполняется в такой последовательности: детали, закрепленные в зажимах машины, плавным перемещением подвижного зажима приводят в соприкосновение при включенном сварочном токе. При этом происходит оплавление свариваемых торцов деталей. Затем производят осадку на установленную величину и выключают ток. Такой способ применяют при сварке тонкостенных труб, листов, рельсов и др. При сварке оплавлением допускается сварка разнородных металлов.
Достоинством сварки с непрерывным оплавлением является высокая производительность, недостатком – значительные потери металла на угар и разбрызгивание.
Сварка прерывистым оплавлением производится чередованием плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей деталей при включенном сварочном токе. Небольшие возвратно-поступательные движения подвижного зажима периодически замыкают сварочную цепь в месте контакта деталей до тех пор, пока торцы их не нагреются до температуры 800–900 °C. Затем производят оплавление и осадку.
Низкоуглеродистые стали прерывистым оплавлением сваривают тогда, когда мощность машины недостаточна для производства сварки с непрерывным оплавлением. Этот способ также связан с дополнительным расходом металла, поэтому иногда подогрев производят способом сопротивления (включают ток при замкнутой сварочной цепи), а затем разводят детали и переходят к оплавлению и осадке. Подготовка деталей к сварке зависит от принятого способа сварки.
Сварка сопротивлением требует высокой точности обработки и плотности прилегания свариваемых поверхностей. Недостатки подгонки (перекос, зазор) приводят к неравномерному прогреву деталей, образованию оксидов и тем самым снижению качества сварного соединения. Допустимые отклонения размеров стыкуемых поверхностей круглых сечений – не более 2 %, прямоугольных – не более 1,5 %. Свариваемые торцы деталей подвергают тщательной механической или химической очистке. Должны быть хорошо очищены также поверхности соприкосновения деталей с зажимным устройством стыковой машины для получения хорошего контакта.
Установочной длиной называется длина конца свариваемой детали, выступающего из зажима машины. Эта величина значительно влияет на сварочный процесс. Чем больше установочная длина, тем выше сопротивление контура с деталями и больше потребляемая мощность; детали разогреваются на большой длине, поэтому осадка, а отсюда и сварка получаются некачественными. При малой установочной длине детали нагреваются неравномерно и недостаточно, так как значительная часть теплоты теряется через зажимы машины.
Во время сварки сплошных сечений установочная длина должна составлять 0,4–0,7 мм от диаметра заготовки (или от стороны квадрата). При сварке листов эта величина зависит от толщины металла и протяженности стыка. Например, при толщине листа 2–8 мм и длине стыка до 200 мм установочная длина составляет 10–2 мм; при длине стыка 400–800 мм – 13–16 мм, а при длине стыка 800–1000 мм – 14–17 мм. Припуск на сварку берется небольшой, так как он расходуется только на осадку.
Для деталей диаметром (или со стороной квадрата) до 50 мм припуск на осадку составляет 0,3–0,5 от диаметра, а для деталей диаметром до 100 мм – 0,15–0,2 от диаметра. Давление осадки при сварке низкоуглеродистых сталей определяют исходя из значений удельного давления и площади сечения контакта сварки. На автоматических машинах удельное давление осадки составляет 30–40 МПа, а на неавтоматических машинах – 30–40 МПа. Электрические параметры процесса сварки определяют в зависимости от материала свариваемых деталей и площади сечений стыкуемых поверхностей.
Напряжение холостого хода составляет 1,5–3 В. При этом большие значения принимают для больших сечений – 500–1000 мм2. Плотность тока принимается для низкоуглеродистых сталей в пределах 20–60 А/мм2, для цветных металлов и сплавов – 60–150 А/мм2. Удельная мощность при сварке сталей сплошного сечения составляет 0,12–0,15 кВ×А/мм2. Для меди удельная мощность достигает 0,5–1,6 кВ×А/мм2, для алюминия – 0,2–0,6 кВ×А/мм2.
Сварка оплавлением допускает менее тщательную обработку свариваемых торцов, чем при сварке сопротивлением, так как часть металла зоны сварки оплавляется. Детали под сварку могут нарезаться пресс-ножницами и даже кислородной резкой (с последующей очисткой от окалины и шлака). Допускаются большие отклонения размеров сечений (круглых – до 15 %, прямоугольных – до 12 %). Припуск расходуется на оплавление и осадку.
Для углеродистых и низколегированных сталей величину припуска принимают в зависимости от площади сечения свариваемого металла. При сечениях до 200 мм2 припуск составляет примерно 60 % от диаметра (или стороны квадрата), а более 200 мм2 – до 50 % от диаметра свариваемых поверхностей. При определении припуска необходимо учитывать также зазор между свариваемыми поверхностями. Зазор при площади сечения 100–1000 мм2 составляет 1,5–4 мм, свыше 1000 мм2 – до 8 мм. Плотность тока, расход электроэнергии и необходимая мощность меньше, чем при сварке сопротивлением. Для поверхностей площадью сечения 100–200 мм2 плотность сварочного тока составляет 10–25 А/ мм2. Удельная мощность при сварке углеродистой стали составляет 0,04–0,07 кВА/мм2.
Стыковая сварка применяется при соединении арматурных стержней железобетонных изделий. Металл заготовки используется почти полностью, так как из коротких отрезков можно сваривать стержни требуемой длины. Для получения качественной сварки выбирают практически наилучший режим и производят контрольную проверку сваренных стыков на разрыв и угол загиба. Участки свариваемых стержней, зажимаемые в электродах стыковой машины, должны быть зачищены до металлического блеска. Для этого используют установку с вращающимися стальными щетками, шарошами или абразивными кругами. Торец должен иметь прямой срез. Это обеспечивает хорошую центровку, уменьшает расход времени и металла на оплавление.
Точечной контактной сваркой называется сварка, при которой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия (рис. 95).
Рис. 95. Схема точечной контактной сварки:
а – двусторонняя; б – односторонняя; 1, 2 – заготовки; 3, 4 – верхний и нижний листы (ток протекает по нижнему); 5 – токопроводящая медная подкладка
Свариваемые листы накладывают друг на друга и зажимают между металлическими электродами, к которым от трансформатора подводится сварочный ток. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи. Наибольшее количество теплоты выделяется на участке наибольшего сопротивления цепи, т. е. в зоне соединения свариваемых листов. Здесь металл расплавляется. После выключения тока и осадки из образовавшейся жидкой металлической ванны кристаллизуется сварная точка.
Подготовка поверхностей к сварке заключается в тщательной механической (абразивными материалами, пескоструйным аппаратом, металлической щеткой) или химической (травлением) очистке с обеих сторон от грязи, масла, оксидов. Хорошая очистка и плотное прилегание поверхностей обеспечивают высокое качество сварной точки.
Цикл сварки состоит из сжатия свариваемых заготовок, включения и выключения сварочного тока и снятия усилия сжатия. Применяют различные способы совмещения периодов действия сварочного тока и действия давления сжатия. Например, после выключения сварочного тока усилие сжатия увеличивают, что обеспечивает хорошее формирование металла и позволяет получить сварную точку повышенной прочности. Этот способ применяют для сварки изделий из низкоуглеродистой стали повышенной толщины. Листы обжимают большим усилием перед сваркой или сваривают при меньшем давлении с последующим обжатием, повышенным усилием при выключенном токе. Этот способ применяется при сварке листов больших толщин, когда необходимо обеспечить формирование и отвердевание сварной точки. Размеры сварной точки зависят от диаметра электрода сварочного тока и продолжительности цикла сварки. Процесс сварки может быть выполнен при жестком и мягком режимах.
Мягкий режим определяется относительно малой плотностью тока (70–160 А/мм2) и большей длительностью цикла (2–3 с) при сравнительно малом удельном давлении.
Жесткий режим применяют при относительно больших плотностях тока (160–360 А/мм2) и удельных добавлениях и малой длительности цикла (0,2–1,5 с).
Диаметр сварной точки зависит от толщины свариваемых листов и составляет 1–1,5 мм от диаметра электрода. Диаметр электрода принимается на 3–4 мм больше суммарной толщины свариваемых листов.
Рекомендуются следующие режимы точечной сварки: для низкоуглеродистых сталей толщиной до 4 мм, используемых в строительных конструкциях, применяют жесткий режим при плотности сварочного тока до 300–360 А/мм2 и продолжительности цикла сварки 0,8–1,1 с. Удельное давление составляет 15,0–70,0 МПа. При толщине металла более 4 мм рекомендуются мягкие режимы, осуществляемые при плотности тока до 160 А/мм2 и продолжительности цикла до 2,5–3 с. Удельное давление достигает 100–120 МПа. При сварке алюминия и его сплавов применяют жесткие режимы при высоких плотностях тока, достигающих 1600 А/мм2, удельных давлениях до 150 МПа при продолжительности цикла 0,1–0,25 с. При этом свариваемые поверхности должны быть особенно тщательно очищены от пленки оксидов.
Точечная сварка применяется при изготовлении арматуры железобетонных изделий, плоских и угловых сеток, а также различных пространственных каркасов. Сваривают пересекающиеся стержни или стержни с плоскими элементами: листом, полосой, швеллером и др. В начальный момент контактируют небольшие поверхности, и для быстрого разогрева достаточна небольшая мощность. Пластическая деформация контактируемых поверхностей приводит к увеличению площади соприкосновения. Вместе с этим происходит выдавливание из зоны контакта шлака и других неметаллических включений. Такое течение процесса позволяет при сварке стержней диаметром до 60 мм использовать машины относительно небольшой мощности.
Шовной контактной сваркой называется сварка, при которой соединение элементов выполняется внахлестку в виде непрерывного или прерывистого шва вращающимися дисковыми электродами, к которым подведен ток и приложено усилие сжатия.
Применяют три разновидности шовной сварки: непрерывную, прерывистую с непрерывным вращением роликов и прерывистую с периодическим вращением роликов.
Непрерывную шовную сварку выполняют сплошным швом при постоянном давлении роликов на свариваемые листы заготовки и при постоянно включенном сварочном токе в течение всего процесса сварки. При этом способе имеют большое значение тщательная зачистка свариваемых поверхностей, равномерная толщина листов и однородность химического состава металла. Даже при небольших нарушениях подготовки свариваемых кромок сварной шов получается низкого качества, с прожогами и непроварами. По этим причинам метод не получил широкого применения.
Прерывистую сварку с непрерывным вращением роликов также выполняют при постоянном давлении сжатия, но сварочная цепь периодически замыкается и размыкается. При этом способе шов формируется в виде сварных точек, перекрывающих друг друга. Шов получается более высокого качества.
Прерывистую сварку с периодическим вращением роликов выполняют при постоянном давлении сжатия, но сварочная цепь замыкается в момент остановки роликов (шаговая сварка). Такой способ дает более качественный шов, так как обеспечивает хорошее формирование сварочной точки. Но при этом машины для такого способа отличаются сложностью конструкции и малой производительностью.
Широкое применение получила прерывистая шовная сварка с непрерывным вращением роликов при постоянном давлении сжатия в течение процесса сварки. Этим способом сваривают швы различных резервуаров и емкостей, а также конструкций из листового металла. Наиболее часто применяют швы с отбортовкой и внахлестку.
При соединении с отбортовкой листов толщиной до 1 мм ширина отбортовки берется до 12 мм, при толщине листов до 2–20 мм. При нахлесточном соединении ширину нахлеста берут в пределах 10–20 мм.
Низкоуглеродистая сталь и тонкая нержавеющая сталь (типа Х18Н9) хорошо свариваются шовной сваркой. Сварку листов из низкоуглеродистой стали при суммарной толщине до 2 мм производят роликами с шириной контактной поверхности 6 мм. Давление сжатия достигает 4 кН, продолжительность импульсов тока в сварочной цепи составляет 0,04–0,06 с, перерыв между импульсами тока – 0,02–0,04 с. Сварочный ток достигает 8–16 кА, скорость сварки – 2 м/мин. При суммарной толщине листов до 4 мм ширина контактной поверхности роликов составляет 8,5–10 мм, давление сжатия находится пределах 6,5–8,4 кН, продолжительность сварки – 0,08–0,12 с, а перерывов – 0,06–0,10 с. Сварочный ток достигает 20 кА, скорость сварки – 1,4–1,6 м/мин. При сварке нержавеющих сталей сварочный ток берется меньше указанных норм на 35–40 %.
Сварка листов из алюминия и его сплавов выполняется при сварочных токах 22–40 кА. Скорость сварки не превышает 1 м/мин, давление сжатия достигает 2,5–5,4 кН, продолжительность импульсов сварочного тока составляет только 15–30 % времени одного цикла. Разновидностью шовной сварки является шовно-стыковая сварка труб с продольным сварным швом. Из стальной ленты необходимой ширины специальными формирующими роликами подготавливают трубную заготовку с верхним расположением стыка кромок заготовки.
Заготовка подается стыком под сварочные ролики, к которым подводится сварочный ток от трансформатора. Давление сжатия передается заготовке через нажимные ролики. После заварки шва производится его обработка фрезой, правка и резка заготовки на трубы заданных размеров. Этим способом изготовляют трубы диаметром 14–400 мм при толщине стенок 0,5–12,5 мм. Скорость сварки достигает 10–15 м/мин.