Особенности односторонней точечной сварки

 При односторонней точечной сварке сварочный ток подводят со стороны одной (в большинстве случаев верхней) детали (рис. 1.6). За один цикл сварки получают обычно две точки. В некоторых случаях — одну, когда второй электрод с увеличенным диаметром d_э используют в качестве токоподвода.   

 Этот способ КТС обеспечивает высокую производительность, возможность соединения деталей с одной стороны, снижение потребляемой электрической мощности (малая площадь сварочного контура машины), уменьшение коробления деталей (за счет симметричной одновременной приварки).

Рис.1.6. Схема односторонней контактной сварки

Существенный недостаток односторонней точечной сварки — бесполезное шунтирование тока (I_ш) через верхнюю деталь. Это, в частности, затрудняет сварку деталей из сплавов с высокой электропроводимостью, вызывает нагрев и деформацию верхней детали, искажает электрическое и тепловое поле в приэлектродной области. При малом расстоянии между электродами t_ш это может вызывать наружные выплески из-за искажения формы ядра (см. изотерму плавления на рис. 1.6). Ток шунтирования снижается при увеличении удельного электрического сопротивления ρ₀ свариваемого материала деталей, шага между точками t_ш, уменьшении отношения толщин деталей s_l/s₂ и ρ₀ токоведущей подкладки. Действительно, I_ш зависит от отношения Z_ш, Z_н.д. и Z_т.п. Увеличение I_ш вызывает рост потребляемой электрической мощности и в ряде случаев создает сложности при конструировании сварных узлов.

Частично уменьшить I_ш, устранить искажение температурного поля и повысить стойкость электродов удается, применяя двух импульсный режим сварки с подогревом. Первый импульс увеличивает Z_ш, а второй формирует соединения при малом t_ш.

Одностороннюю сварку без подкладки применяют реже, главным образом на узлах высокой жесткости, способных воспринимать без продавливания сварочное усилие F_CB. Используют жесткие режимы. Однако большая величина I_ш мешает достижению устойчивых результатов.

Схемы односторонней точечной и шовной сварки чаще всего применяют в специальных многоточечных (автомобилестроение) и многошовных (холодильники) машинах, где односторонний доступ и малый вторичный контур удобны для компоновки электродов и стабилизации качества соединений. Нередко одностороннюю сварку используют для прихватки тонкостенных деталей.

Рельефная сварка

Рельефная сварка — одна из разновидностей точечной сварки. При этом на поверхности одной из деталей 1, которые при сварке сжимают электродами 2, предварительно формируют выступ — рельеф 5 (рис. 1.7), ограничивающий начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения.

Рис 1.7. Схема рельефной сварки

При протекании от источника 3 сварочного тока рельеф нагревается и постепенно деформируется. На определенной стадии процесса сварки формируется ядро 4, как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности детали выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ замкнутой формы, например, в виде кольца. После прохождения сварочного тока получают одновременно несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка).

При рельефной сварке расположение точек определяется выступами (рельефами), сделанными в одной из деталей одновременно с ее изготовлением (вырубкой, высадкой, штамповкой). Если детали разнотолщинные, из разноименных сплавов, рельефы формируют на более толстой детали или из более прочного сплава. При сварке листовых конструкций из сталей и титановых сплавов обычно применяют рельефы, приведенные на рис. 1.8, а.

Рис. 1.8. типичные формы рельефа

Для сплавов с малой жаропрочностью (например, алюминиевых) применяют рельефы, показанные на рис. 1.8, б. Размеры рельефов, а также диаметр ядра расплавленного металла d_я и величина нахлестки В приведены в таблице 1.2. Вместо электродов применяют токопроводящие (из медных сплавов) основания, выполненные по форме поверхности свариваемых деталей. Часто в местах расположения рельефов в основания устанавливают сменные электродные вставки с плоской рабочей поверхностью и внутренним водяным охлаждением. За один цикл сварки происходит одновременное образование всех точек. Основания укрепляют на токоподводящих (контактных) плитах неподвижной нижней консоли (столе) и верхней подвижной головки машины.

В результате радиально направленной интенсивной пластической деформации в области сварочного контакта (которая в 10…15 раз больше, чем при точечной) идут процессы обновления поверхности и схватывания с образованием связей в твердом состоянии. Во второй половине цикла сварки образуется зона взаимного расплавления деталей. Соединение при рельефной сварке может возникать и без расплавления (что особенно характерно для сталей, титановых сплавов). Однако литая зона стабилизирует прочность соединений, особенно при сварке коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, а также облегчает последующий контроль.

Таблица 1.2

Некоторые рекомендуемые конструктивные элементы
рельефных соединений, мм (см. рис. 1.8, а)

При сварке алюминиевых и других сплавов, обладающих сравнительно малой прочностью, штампованные рельефы быстро сминаются на большей части своей высоты еще до включения тока. Так происходит, например, на термически неупрочняемых алюминиевых сплавах. Лучшие результаты получают на рельефах, создаваемых высадкой с формированием литой зоны.

Формирование соединений при рельефной сварке происходит следующим образом (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Характер изменения зоны сварки и эпюры плотности тока на различных этапах (I…III) формирования рельефного соединения:

а — плотность тока в контакте рельеф - деталь; б — то же, в контакте верхний электрод-деталь; в — то же, в контакте нижний электрод - деталь

В начале процесса сварки, на этапе I плотность тока j в контакте деталь - деталь оказывается достаточно высокой вследствие небольшой площади контактов рельеф - деталь (рис. 1.9, а). На этапе II интенсифицируются пластические радиальные деформации металла рельефов. Преимущественное направление течения металла — вдоль плоскости внутреннего контакта и в направлении впадины рельефа.

На этапе III возникает и развивается зона взаимного расплавления деталей диаметром d. Плотность тока в сварочном контакте уменьшается из-за увеличения диаметра уплотняющего пояска d_п и к концу цикла становится близкой к процессу точечной сварки.

Также поэтапно изменяется (по форме и уровню) плотность тока в контакте электрод - деталь (рис. 1.9, а). В связи с развитой плоской поверхностью электродов и деталей она всегда ниже, чем при точечной сварке. Соответственно возрастает стойкость электродов.

В течение времени примерно 0,5t_св зазор между деталями захлопывается и электроды сближаются. Затем по мере возникновения и развития расплавленной зоны электроды начинают раздвигаться. В соответствии с увеличивающимся диаметром литого ядра возрастает прочность точек на срез F_ср. Прочность точек уже относительно высока при t < 0,5 t_св, когда расплавленная зона еще не возникает; это свидетельствует о достаточно большой эффективности сварки в твердом состоянии. Однако по мере роста диаметра литого ядра увеличивается как прочность, так и устойчивость механических характеристик.

При выборе режимов сварки исходят из необходимости усиленной пластической деформации металла зоны сварки, предупреждения вероятности внутреннего выплеска (в момент включения сварочного тока), увеличения I_св и F_св пропорционально числу одновременно свариваемых точек, равномерного нагрева и деформации рельефов, а также из целесообразности формирования зоны взаимного расплавления. Для выполнения этих требований рекомендуют прикладывать постоянное повышенное усилие сжатия ( см. циклограмму на рис. 1.4, б) Режим сварки должен быть средней жесткости, так как слишком жесткий режим сопровождается выплесками и большими зазорами между деталями, а при мягком режиме может преждевременно деформироваться рельеф и не образоваться литое ядро. Установленный режим должен обеспечивать оптимальное время существования выступа (табл. 1.3).

Таблица 1.3

Режимы рельефной одноточечной сварки низкоуглеродистой стали (2+2 мм)

Рельефная сварка увеличивает производительность (одновременная постановка группы точек, соединение по всему контуру), уменьшает величину нахлестки и массу узлов (из-за ограничения области разогрева и пластической деформации), повышает стойкость электродов (вследствие увеличенных размеров их рабочей поверхности), устраняет необходимость в такой трудоемкой технологической операции, как разметка.

Шовная сварка

Шовная сварка — способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема шовной сварки

 Подвод тока от источника 3 и перемещение деталей 1 осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов — роликов 3. Как и при точечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов. В зависимости от того, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сварочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку. Шаговая сварка отличается относительно небольшой производительностью, однако при этой сварке уменьшаются скорость износа рабочей поверхности роликов и вероятность образования дефектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой, когда прохождение сварочного тока и кристаллизация литого ядра осуществляются при вращающихся роликах.

Размеры конструктивных элементов соединений при шовной сварке такие же, как и при точечной (см. рис. 1.3 и табл. 1.1).

Стыковая сварка

Стыковая сварка — это способ контактной сварки, при котором детали 1 (рис. 1.11) соединяются по всей площади касания (по всему торцевому сечению).

Рис.1.11. Схема стыковой сварки

Свариваемые детали 1 закрепляют в токоподводящих зажимах (губках) 2 и 3, соединенных с источником тока 4. Один из зажимов, например зажим 2, неподвижно закреплен на корпусе 5 машины для стыковой сварки. Другой же зажим 3 подвижный. Он закреплен на корпусе 5 сварочной машины с возможностью осевого перемещения и соединен с приводом усилия сжатия машины F.

По степени и механизму нагрева металла торцов деталей 1 различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.

При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предварительно сжимают усилием F_св и включают в сеть сварочный трансформатор 4. По деталям протекает сварочный ток I_св, в результате чего происходит постепенный нагрев стыка деталей до температуры, близкой к температуре плавления (0,8…0,9 Т_пл). Затем, при достижении заданной температуры торцов деталей, сварочный ток I_св выключают и резко увеличивают усилие сжатия деталей до величины, которую называют усилием осадки F_ос. Под действием усилия осадки F_ос детали в стыке пластически деформируются. При этом из зоны сварки вследствие радиального течения металла частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт чистых металлических поверхностей и образуется сварное соединение.

При стыковой сварке оплавлением свариваемые детали 1 закрепляют в токоподводящих зажимах 2 и 3 с зазором между их свариваемыми торцевыми поверхностями. В процессе сварки вначале на детали 2 и 3 подают напряжение от сварочного трансформатора 4, а затем их сближают с относительно небольшой скоростью, которую называют скоростью оплавления v_опл. При соприкосновении поверхностей деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается, расплавляется, образуя жидкие перемычки, которые взрывообразно разрушаются вследствие перегрева и с большой скоростью выбрасываются из свариваемого стыка в виде брызг. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов — перемычек расплавленного металла, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла.

В процессе оплавления усилие сжатия деталей F_опл относительно небольшое и определяется давлением паров металла в свариваемом стыке.

В момент, когда температура металла деталей вблизи стыка достигает значений близких к температуре плавления (0,8…0,9 Т_пл) резко увеличивают скорость сближения деталей и усилие сжатия деталей увеличивают до величины, которую называют усилием осадки F_ос. Сварочный ток I_св выключают сразу после начала осадки деталей.

Под действием усилия осадки F_ос торцы деталей в стыке смыкаются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение — грат 6 (на рис. 1.11 показан штриховой линией). При этом вследствие радиального течения металла формируется физический контакт чистых металлических поверхностей и образуется сварное соединение.

Стыковую сварку как сопротивлением, так и оплавлением относят по состоянию металла в зоне сварки к сварке в твердом состоянии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений, стыковое соединение при сварке оплавлением формируется в твердожидкой фазе.