Контактне зварювання
Контактне зварювання - це процес термічного деформування, при якому зварне з'єднання утворюється сумісною дією тепла, що виділяється при проходженні електричного струму, необхідного для розплавлення зварюваних матеріалів, і тиску.
Контактне зварювання можна поділити на:
- точкове зварювання, (21);
- дельта-точкове зварювання, (21);
- шовне зварювання, (22);
- стикове зварювання, (23);
- контактне компресійне зварювання, (24);
- контактне зварювання плавленням, (25);
- зварювання високою частотою, (291).
При контактному зварюванні:
- тепло, необхідне для зварювання, виділяється безпосередньо в з'єднанні;
- для виконання зварного шва потрібне зусилля;
- не використовуються присадкові матеріали.
Процеси контактного зварювання регулюються законами Ома і Джоуля.
Закон Ома:
[A] (3)
- де: I – струм [A], U – напруга [V], R – електричний опір [Ω]
Напруга під час контактного зварювання зазвичай коливається від 3 до 20 В, тому ризик ураження електричним струмом відсутній.
Закон Джоуля:
Q = R . I2 . t [J] (4)
Кількість тепла в зварному шві буде тим більшою:
- чим більший зварювальний струм;
- чим довше буде протікати струм;
- чим більший опір зварного шва.
Точкове контактне зварювання
Точкове зварювання — це зварювання опором, при якому зварювані матеріали контактують та стискаються між електродами з мідного сплаву (рис. 16), замикаючи таким чином вторинне зварювальне коло. Через проходження електричного струму певний об’єм матеріалу плавиться на межі стиснутих матеріалів, який після відключення електричного струму кристалізується і утворює метал шва. Зварний шов має форму лінзи і утворюється без присадкового матеріалу.
Опірпідчасточковогозварювання
Перехідні опори Rp виникають на межі розділу двох контактних матеріалів. При точковому зварюванні двох листів є три опори. Опір між верхнім електродом і верхньою пластиною, опір між звареними пластинами і опір між нижньою пластиною і нижнім електродом. З чого випливає:
Rp = Rp-e + Rp-z + Rp-e [Ω] (5)
Чим вища сила тиску, тим менший перехідний опір. На перехідний опір впливає провідність контактуючих металів.
Тепло, що виділяється між електродом і зварюваним матеріалом, залежить від чистоти і шорсткості контактних поверхонь, режиму зварювання та ефективності охолодження. Для досягнення високої якості зварних швів необхідно зменшити перехідний опір між електродом і зварювальним матеріалом до мінімуму, тобто, ретельно очистити поверхні зварюваних матеріалів.
Опір матеріалу Rm визначається фізичними властивостями - провідністю матеріалу, або опором зварюваного матеріалу і зварювальних електродів. (Провідність є величиною, зворотною опору).
Велику роль відіграє також товщина зварюваних листів, кількість листів і переріз шляху потоку.
Rm = Rm-1 + Rel-1 + Rm-2 + Rel-2 [Ω] (6)
Загальний опір R є сумою опорів переходу та матеріалу в зоні зварювання:
R = Rp + Rm [Ω] (7)
Під час зварювання величина всіх опорів буде змінюватися. Опір зростає при поступовому нагріванні.
Індуктивний опір також відіграє важливу роль у контактному зварюванні. Він залежить від розміру, відстані і розташування зварювального контуру, частоти зварювального струму та розміру магнітопроводу зварювального контуру. Зі зменшенням частоти індуктивний опір зменшується. Завдяки зменшенню зварювального контуру, зменшенню частоти та виключенню магнітного матеріалу до зварного шва може надходити більше енергії, що робить можливим зварювання матеріалів більшої товщини.
Металургійні процеси при точковому зварюванні
Утворення точкового шва характеризується швидким нагріванням до температури плавлення і подальшим швидким охолодженням. Стиснуті електродами листи починають плавитися в місці контакту. Після розплавлення відбувається швидке охолодження шва із ділянкою зони термічного впливу. Найвища температура досягається в центрі розплавленого ядра. Розплавлений метал кристалізується у формі ядра з характерною дендритною (ливарною) структурою (рис. 17).
Основні параметри контактного зварювання
Сила зварювання може бути постійною або змінною. Сила зварювання має електричну (впливає на опір переходу) і металургійну функцію (запобігає розширенню розплавленого ядра, а також впливає на ріст зерна під час кристалізації). Зусилля зварювання знаходяться в діапазоні від 100 Н до 50 кН, для контакторів від 50 Н до 1000 Н.
Зварювальний струм і час зварювання в поєднанні один з одним є вирішальними факторами, що впливають на виділення тепла в зварному шві. Зварювальний струм може бути постійним під час зварювання або змінюватися за циклограмою. Оскільки сила струму зведена в квадрат (закон Джоуля), подвоєння сили струму теоретично збільшує тепло в чотири рази. Зварювальний струм знаходиться в діапазоні від 100 А до 100 кА, а час зварювання знаходиться в діапазоні від 0,001 с до 2,0 с, для контакторів близько 10 с.
Ці параметри пов’язані між собою і тому ми говоримо про так званий м'який і жорсткий режим зварювання.
М'який режим зварювання: характеризується більшим тепловим впливом. Ядро має малий діаметр, велику висоту і крупнозернисту структуру, що погіршує механічні властивості зварного шва. Зварювання виконується меншими струмами до 10 кА і більшою тривалістю від 20 до 100 періодів з меншим зварювальним зусиллям до 5 кН і з меншою кількістю точок на одиницю часу. В цьому режимі є менші вимоги до приєднаної потужності, як правило, достатньо трифазної мережі струму 380 В з максимальним струмом до 63 А. Застосовується при зварюванні матеріалів, схильних до гартування. На поверхні зварюваних матеріалів внаслідок розм'якшення залишаються значні сліди від електродів. Термін експлуатації електродів менший в порівнянні з жорстким режимом.
Режим жорсткого зварювання: зварювальне ядро має більший діаметр, але меншу висоту, і зварювання є більш продуктивним. Механічні властивості зварних швів кращі в порівнянні зі швами, виконаними в м'якому режимі. Зварювання виконується великими струмами понад 10 кА, короткими періодами до 20 періодів з великим зусиллям зварювання 10 кН і більше, за більшої кількості точок за одиницю часу. У цьому режимі існують відносно високі вимоги до потужності підключення - системи розподілу понад 100 А з напругою мережі 380 В. Жорсткий режим не можна застосовувати для зварювання твердих матеріалів.
На практиці, зварювання виконується десь між цими режимами в області задовільних зварних швів - див. рис. 18.
Параметри контактного точкового зварювання наведено в табл. 2.
Окрім основних параметрів, необхідно також враховувати інші величини, що впливають на процес зварювання, такі як мінімальний розмір напустку, відстань від осі шва до краю листа, очікуваний діаметр ядра, мінімальна міцність з'єднання та ін.
Динаміка процесу зварювання
Під час зварювання змінюються опори в зоні шва (рис. 19). Загальний опір (R) спочатку зменшується через розм'якшення поверхонь, що спричиняє кращий контакт електродів. У міру формування ядра перехідний опір Rp-z починає зникати, але загальний опір все одно зростає. Збільшення нагрівання відіграє вирішальну роль - опір матеріалу зростає з температурою.
Поступово сформоване ядро (з розплавленого металу) має тенденцію до розширення. Розширення діє проти сили стискання та прагне виштовхнути електроди. Якщо сила стискання була недостатньою, розплавлений метал буде розбризкуватися
Зварювальні електроди
Зварювальні електроди безпосередньо впливають на якість зварного з'єднання. Вони подають електричний струм і одночасно зусилля до деталей, що зварюються. Під час зварювання вони нагріваються, тому їх необхідно інтенсивно охолоджувати. Всередині електродів є отвір для можливості їх охолодження рідиною. Вони повинні бути стійкими до зношування і мати достатню електропровідність. Електроди виготовляють з електролітичної міді або мідних сплавів і тугоплавких металевих сплавів. Найчастіше застосовують сплави CuCrZr, CuBeCo, CuCd, CuAg в залежності від зварюваних матеріалів. Зі збільшенням кількості легуючих елементів у міді зменшується її електропровідність, але підвищується міцність. На якість зварного з'єднання впливає також чистота контактних поверхонь зварювальних електродів. При зварюванні поверхнево оброблених листів відбувається їх забруднення, що призводить до зниження електропровідності. Тому необхідно очищати контактні поверхні електродів, наприклад, шліфуванням і токарною обробкою. Форма електродів залежить від подальшого використання. З того боку, де більший опір матеріалу, вибирають більший діаметр електроду (рис. 20). Діаметри електродів обернено пропорційні провідності матеріалу або прямо пропорційні його омічному опору. Діаметр електродів залежить від товщини зварюваних листів і визначається експериментально за співвідношенням:
Обладнання для контактного точкового зварювання
Зварювальні апарати можна поділити на:
- стаціонарні - /точкові- (одноточкові або багатоточкові)/;
- переносні - /зварювальні кліщі, підвісні апарати для точкового зварювання, ручні точкові кліщі/.
За способом визначення зусилля стискання:
- механічні;,
- пневматичні;
- гідравлічні.
За споживаною потужністю:
- малі апарати точкового зварювання - /до 20 кВА/,
- апарати для точкового зварювання середньої потужності - /від 20 до 250 кВА/;
- великі апарати точкового зварювання - /понад 250 кВА/.
Види і форми з'єднань
Зварні з'єднання виконують на з'єднаннях листового металу внапусток (рис. 21). За допомогою контактного точкового зварювання можна зварювати листовий метал товщиною від 0,6 мм до 10 мм, експериментальний до 25 мм. Точкове зварювання найчастіше застосовують в однорядному і, винятково, в дворядному розташуванні. Зварні з'єднання повинні бути спроектовані таким чином, щоб вони зазнавали напруження зсуву. Тоді вони витримують, приблизно, вдвічі більше зусилля, ніж коли їх напружують на розтяг.
Застосування контактного точкового зварювання
При зварюванні вуглецевих сталей якість зварного з'єднання залежить від вмісту вуглецю, який не повинен бути більше 0,22%. Аустенітні сталі зварюють в жорсткому режимі для запобігання утворенню карбідів Cr. Для зварювання алюмінію та його сплавів потрібні більші зварювальні струми через більш високу електропровідність і особливо теплопровідність у порівнянні зі сталями. Утворення Al2O3 на поверхні також є перешкодою для зварювання. Для зварювання міді необхідно використовувати конденсаторні зварювальні апарати. Зварювати можна тільки тонкі мідні листи. На зварювання негативно впливає висока електро- і теплопровідність міді, яку можна знизити додаванням домішок (Zn, Sn, Be та ін.). При зварюванні поверхнево оброблених листів, покриття (Zn, Sn та ін.) налипає на зварювальні електроди, які часто потребують механічного очищення, що знижує продуктивність зварювання та скорочує термін їх експлуатації. Обробку поверхні листового металу доцільно проводити тільки після зварювання. Контактне точкове зварювання є домінуючим методом зварювання, який використовується у виробництві кузовів в автомобільній промисловості. В середньому на автомобілях середнього класу є від 3000 до 5000 точкових зварних швів. Ця технологія широко використовується в авіаційній і космічній промисловості, при зварюванні листів з легких сплавів і титану.
