Электрическая контактная стыковая сварка

ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

Стыковая сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения.

Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах 2 и 3 стыковой машины (рис. 4.47) [12].

Зажим 2 укреплен на неподвижной плите 1, а зажим 3 – на подвижной плите 4, перемещающейся в направляющих. Электрическое напряжение подается на зажимы 2 и 3 через сварочный трансформатор 5. Подвижная плита 4 способна перемещаться в направлении неподвижной плиты 1 до осуществления контакта заготовок 6 и 7 и сжимать заготовки с усилием Р, развиваемым механизмом осадки.

При увеличении площади поперечного сечения заготовок для достижения одной и той же плотности теплового потока потребуется большая мощность (см. формулу (4.39)). Поэтому во избежание резкого увеличения мощностей, применяемых токов и связанных с этим технических трудностей, площадь поперечного сечения свариваемых заготовок при контактной стыковой сварке обычно не превышает 100 .

При стыковой сварке сопротивлением разогрев стыка осуществляется до высоких температур, достаточных для приведения области контакта в пластическое состояние, но не превышающих температуру плавления. При сварке оплавлением достигается температура плавления металла (или несколько более высокая), в результате чего часть материала в области контакта оплавляется.

Рис. 4.47. Схема контактной стыковой сварки: 1 – неподвижная плита, 2, 3 – зажимы, 4 – подвижная плита, 5 – сварочный трансформатор, 6, 7 – свариваемые заготовки

Температура в плоскости контакта (т.е. при x=0) увеличивается пропорционально корню квадратному из времени нагрева и плотности теплового потока (мощности) и обратно пропорциональна коэффициенту аккумуляции тепла e свариваемого материала (рис. 4.48).

. (4.47)

где

Рис. 4.48. Зависимость контактной температуры при сварке круглых стальных, алюминиевых и медных прутков диаметром D = 4 мм от времени при напряжении на входе трансформатора

220 В, токе в первичной обмотке трансформатора 2 А,

и КПД сварочной сети h =0,75

Сваркой сопротивлением можно сваривать низкоуглеродистые и низколегированные конструкционные стали, алюминиевые и медные сплавы.

Фактический ток во вторичной обмотке сварочного трансформатора обычно на два порядка больше, чем в первичной, а напряжение, соответственно, меньше.

Зависимости тока I и усилия Р от времени нагрева показывают на рисунке, называемом циклограммой (рис. 4.49) [12].

Здесь основным физическим параметром является контактная температура. По рациональной контактной температуре с учетом площади F_к контакта свариваемых заготовок и их теплофизических свойств рассчитывается время нагрева. По этой же температуре определяют значение предела текучести и рассчитывают необходимое для осаживания заготовок максимальное усилие Р:

. (4.48)

Рис. 4.49. Циклограмма контактной стыковой сварки

сопротивлением

При одном коротком импульсе тока создается неравномерное распределение температуры по длине стержня и даже при незначительном удалении от торца вглубь стержня температура будет значительно ниже чем в плоскости контакта.

Перед контактной стыковой сваркой сопротивлением торцы заготовок должны быть плотно пригнаны друг к другу. Для этого необходима механическая обработка торцов заготовок резанием. Кроме того, заготовки необходимо очищать от оксидных пленок.

Все эти требования могут быть снижены при обеспечении более равномерного прогрева стержней вблизи торцовых поверхностей. На практике это достигается путем нагрева несколькими импульсами тока (рис. 4.49, б)

При одном импульсе тока, равном 3 Dt, зависимость мощности от времени при контактной температуре, равной температуре плавления, имеет вид:

(4.49)

откуда . (4.50)

Найдем аналогичную зависимость при трех импульсах тока.

Пусть, например, отрезок времени, в течение которого происходит нагрев, разбит на 5 равных интервалов, причем во время первого, третьего и пятого интервалов действует источник плотностью теплового потока q, а во втором и четвертом интервалах источник тепла не действует (рис. 4.49, б). Требуется определить величину отрезков времени Dt и вычислить мощность , необходимую для достижения температуры плавления в момент прекращения действия третьего импульса, а также определить контактную температуру через время Dt после прекращения действия источника.

В соответствии с принципом суперпозиции заменим три импульса тремя источниками и тремя стоками тепла. Первый источник работает в интервале времени , второй – в интервале , третий – в интервале . Первый сток работает в интервале , второй – в интервале , третий – в интервале . Все источники и стоки имеют одинаковые плотности теплового потока .

Уравнение, связывающее мощность и время нагрева при контактной температуре, равной температуре плавления, примет вид:

, (4.51)

откуда (4.52)

Сравнивая (4.52) и (4.50), заметим, что достижение температуры плавления тремя импульсами при одинаковых интервалах времени действия тока 3 требует в 2,2 раза большей мощности, чем при одном импульсе. Но при этом достигается большая равномерность распределения температуры вблизи торца.

Температура на торцах свариваемых стержней через время после прекращения действия последнего импульса определится по формуле:

. (4.53)

Сварка оплавлением не предъявляет высоких требований к качеству поверхностей свариваемых заготовок. В этом случае нагрев ведется до температур, превышающих температуру плавления. В процессе оплавления материала выравниваются неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются. Сварка оплавлением характеризуется большей универсальностью. Она позволяет сваривать заготовки более сложного сечения и формы, заготовки, имеющие различные сечения и даже разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т.д.).

При сварке оплавлением применяют два способа: непрерывное или прерывистое оплавление стыка.

4.4.2. Электрическая контактнаяточечнаясварка

Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках (рис. 4.50) [12].

Точечной сваркой соединяют штампованные элементы заготовок. Машины для точечной сварки выпускают мощностью от 0,1 до 250 кВт. Толщина свариваемых заготовок составляет 0,5–5 мм.

При точечной сварке заготовки собирают внахлест и зажимают с усилием Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки. При этом соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются меньше, чем внутренние слои. Нагрев продолжают в течение времени t, необходимого для расплавления внутренних слоев (некоторой окрестности точки заданного радиуса r) и до пластического состояния внешних слоев. После выключения тока происходит кристаллизация расплавленного металла и образуется литая сварная точка.

Процесс повышения температуры при точечной контактной сварке может быть описан при допущении, что вся теплота выделяется не в некоторой области, а в точке.

Рис. 4.50. Схемы контактной точечной сварки: а) двусторонней,

б) односторонней

Для качественного анализа примем также допущение, что свариваемые заготовки можно представить как неограниченное по размерам тело. При кратковременном нагреве и при достаточно толстых заготовках такое допущение не приведет к существенным погрешностям. При сварке тонких листов необходимо учитывать действительную толщину листов (пластин), а в некоторых случаях и охлаждение этих пластин.

Как было показано в п. 4.1.5, температура в неограниченном теплопроводящем теле от мгновенного точечного источника тепла описывается уравнением:

. (4.54)

Из-за того, что все тепло условно сосредоточено в точке, температура в этой точке (при R=0) в любой момент времени t остается бесконечно большой. В связи с этим решение (4.54) может быть применено для точек, находящихся на некотором расстоянии от источника (рис. 4.51).

В действительности, в некоторой окрестности точки, в которой действует точечный источник тепла, температура превышает температуру плавления, и излишнее тепло идет не на повышение температуры, а на расплавление металла.

Точечную сварку проводят с применением одной из двух стратегий. Согласно первой, при меньшей мощности источника осуществляют прогрев и расплавление металла, не следя строго за временем, ориентируясь на предельное температурное состояние. Согласно второй, сварку производят при большей мощности, в более жестком режиме, но при этом своевременно отключают подачу тока, не доводя температуры до предельных значений. Второй путь более производительный, но для исключения перегрева необходимо точно выдерживать рациональное время подачи тока.

По мере удаления от источника температура стремится к нулю. С увеличением времени нагрева () распределение температуры стремится к предельному состоянию [8]:

(4.55)

а)

б)

Рис. 4.51. Зависимости температуры от расстояния от источника тепла в различные моменты времени (а) и стремление температуры от точечного источника к предельным значениям (б). Мощность источника q=0,22 кВт. Точечная сварка стальных пластин ().

Как показывают расчеты (рис. 4.51) уже через 1,5–2 с температура становится достаточно близкой к предельной, вычисленной по формуле (4.48).

Существенное влияние на температуру оказывают мощность источника и теплофизические характеристики свариваемого материала. Так, например, при точечной сварке медных пластин необходима на порядок большая мощность источника (рис. 4.52).

Рис. 4.52. Зависимости температуры от расстояния от источника тепла в различные моменты времени. Мощность источника q=2,2 кВт. Точечная сварка медных пластин ()

4.4.3. Электрическая контактнаяшовнаясварка

Шовная сварка – разновидность контактной сварки, позволяющая получать прочное и плотное соединение листовых заготовок в виде сплошного герметичного шва. Электроды для шовной сварки выполняют в виде плоских роликов (дисков). Листовые заготовки 1 (рис. 4.53) [12] соединяют внахлест, зажимают между электродами 2 и пропускают ток.

Рис. 4.53. Принципиальная схема шовной сварки:

а) двусторонней, б) односторонней; 1– заготовки,

2 – электроды, 3 – медная подкладка

Рис. 4.54. Распределение температуры в стальной пластине

d= 3 мм при шовной сварке =1,2 кВт

При движении роликов по заготовкам между заготовками в месте контакта электродов с заготовками выделяется тепло, нагревающее заготовки до расплавления металла в местах наибольшего тепловыделения. При перемещении электродов происходит охлаждение и кристаллизация расплавленного металла с образованием непрерывного шва.

Температура в окрестности движущегося точечного источника рассчитывается по формулам, представленным в п. 4.2.4:

, (4.56)

или без учета влияния охлаждения пластины путем теплообмена с окружающей средой (рис. 4.54) [8]:

, (4.57)

где выбирается из графиков (рис. 4.24) или рассчитывается путем численного интегрирования [8]:

. (4.58)

На распределение температуры большое влияние оказывают мощность источника, толщина пластины, теплофизические характеристики материала свариваемых деталей. При прочих равных условиях с увеличением скорости сварки температура снижается (рис. 4.55)

Рис. 4.55. Распределение температуры в алюминиевой пластине d= 3 мм при шовной сварке =1 кВт

Циклограммы процесса шовной сварки бывают с непрерывной или прерывистой подачей тока, в виде импульсов (рис. 4.56) [12].

Рис. 4.56. Циклы шовной сварки: а) непрерывного включения тока, б) прерывистого включения тока.

Р – давление, S – перемещение роликов, I – сварочный ток,

t – время

Шовную сварку применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов. Машины для шовной сварки по конструктивному исполнению похожи на машины для точечной сварки и отличаются от них, главным образом, формой электродов, имеющих форму роликов. Мощность шовных сварочных установок может быть в пределах от 25 до 200 кВт. Толщина свариваемых листов обычно находится в пределах от 0,3 до 3 мм.

Дата добавления: 2014-12-29