Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

Наиболее простыми в осуществлении являются первое и третье направ-

ления. Первое позволяет относительно легко и без больших капитальных вло-

жений внедрить узлы и детали из алюминиевых сплавов и плавно увеличивать

их объём в автомобиле по мере накопления опыта и наличия финансовых и

технических средств на оборудование и оснастку. Кроме того, конструктивная

схема кузова с навесными деталями позволяет:

- резко сократить объём сварки (дуговой и контактной);

- повысить коррозионную стойкость навесных деталей за счёт их химического

покрытия (анодирование в серной или фосфорной кислоте), плазменного напы-

ления и т.п.

В США и Европе для изготовления штампосварных конструкций широко

применяют алюминиевые сплавы систем Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, сплавы

5083, 5456, 5556, 7033 и др. Сравнительный анализ отечественных алюминие-

вых сплавов приведён в табл. 2.4, а показатели их штампуемости – в табл. 2.5 и

2.6. Анализ табличных данных показывает, что наиболее перспективными

сплавами для деталей с глубокой вытяжкой (капотов, крыш, дверей, люков и

т.д.) являются сплавы системы Al-Mg-Si (АВ, АД33, АД37, АМг2, 1515, 1523), а

для силовых деталей и

узлов (лонжеронов, балок, бамперов и т.п.) – сплавы

1535, 1545, 1570, АМг6, для системы выхлопа – сплавы 1419, САП03, 1151, для

силовых рычагов торсионов, штанг – сплавы 1970, АК6, 1460, 1933, 1973. Кро-

ме того, возможно применение литейных алюминиевых сплавов ВАЛ8, ВАЛ12,

ВАЛ14 и ВАЛ16. Применение литейных сплавов (в том числе в сварнолитых и

литоштампованных конструкциях) позволит резко снизить объём механической

обработки и в ряде случаев отказаться от дорогостоящего кузнечно-прессового

оборудования. Рекомендуемые марки алюминиевых сплавов, типы соединений

и способы сварки приведены в табл. 2.7.

Особенно следует рассмотреть вопросы изготовления из алюминиевых

сплавов топливных баков и части системы выхлопа. В настоящее время баки

изготавливают, как правило, из стали, а небольшую их часть –

из неметаллов.

Обычно применяются стали с различными покрытиями (свинец, олово, алюми-

ний). Все эти металлические покрытия крайне затрудняют сварку баков. По-

этому применение алюминиевых сплавов вместо традиционно применяемых

сталей позволит отказаться от металлических покрытий, снизить массу бака в

1,8…2,5 раза и резко повысить его коррозионную стойкость. Возможны две

конструктивно-технологические схемы

изготовления топливных баков: по от-

бортовке шовной контактной сваркой и встык дуговой сваркой. Наиболее пер-

спективными для изготовления топливных баков являются алюминиевые спла-

вы АД33, АМг2 и 1523. Сплав АМг2 – самый дешёвый и технологичный, а

сплав 1523 по сравнению с ним значительно легче сваривается и более высоко-

прочный (на 30…50 %).

Наиболее перспективным для изготовления

системы выхлопа двилателя

(начиная с 450…500

С) являются гранулированные сплавы типа 1419 и сплавы

системы Al-Cu-Mg, а также 1150, 1151 и 1153. Применение алюминиевых спла-

вов в части выхлопного тракта позволит значительно увеличить коррозионную

стойкость, снизить массу и стоимость исходных материалов.

Все алюминиевые сплавы имеют принципиальное отличные от сталей те-

плофизические свойства и специфические оксидные плёнки на своей поверхно-

сти, что значительно затрудняет их дуговую и контактную сварку. Оборудова-

ние для дуговой и контактной сварки, десятилетиями применявшееся для

стальных автомобильных конструкций, принципиально не подходит для сварки

алюминиевых сплавов. С точки зрения технологии

требуются специальные

способы подготовки поверхности под сварку, более точная и качественная

сборка, ужесточенные требования к культуре производства и соответствующее

оборудование.

Для контактной точечной и шовной сварки алюминиевых сплавов приме-

нимы только установки с униполярным импульсом тока (низкочастотные, кон-

денсаторные, с выпрямлением во вторичном контуре, инверторные и др.), а

стандартные традиционные

установки для контактной сварки переменным то-

ком принципиально неприемлемы. Масса, габариты и стоимость установок с

униполярным импульсом в 2…5 раз больше, чем машин переменного тока,

обычно применявшихся в автомобилестроении для сварки сталей. Для контакт-

ной сварки алюминиевых сплавов в условиях массового производства с исполь-

зованием роботов на конвейере наиболее целесообразны инверторные машины

Их масса и размеры допускают возможность применения стандартных роботов.

Таблица 2.4

Механические свойства алюминиевых сплавов, применяемых в автомоби-

лестроении

Сплав

Предел прочно-

сти, МПа

Предел текуче-

сти, МПа

Относительное

удлинение, %

Коррозионная

стойкость

АМцМ 135 50 23

АМг1М 170 80 25

АМг2М 195 100 24

АМг4М 255 150 22

Высокая

АМг6М 340 180 20 Средняя

1515 260 220 15

1525 310 250 15

1535 340 280 18

1545 380 290 16

Высокая

АК6 420 300 13 Низкая

1570 420 310 15

1960 560 470 10

АВТ 220 120 22

АВМ 120 80 30

АД33 285 225 14

АД37 290 230 20

1419 360 300 16

Высокая

1970 520 490 11 Низкая

ВАЛ16 315 180 10 Высокая

ВАЛ14 500 450 8 Низкая

Таблица 2.5

Показатели штампуемости листов из термически неупрочняемых

алюминиевых сплавов, применяемых в автомобилестроении

Термически неупрочняемые сплавы

Параметр

АД1 АМц АМг1 АМг2 АМг6 1515 1523

Предельный коэффициент

отбортовки

1,7 1,7 1,6 1,5 1,3 1,5 1,4

Предельный коэффициент

вытяжки

2,2 2,2 2,2 2,0 2,0 2,0 2,0

Минимальный радиус гиба

min

(α=90°)

0,5 0,5 0,5 1,0 2,0 1,0 1,5

Угол пружинения Δα, градус

0 1,5 0 0…2 3…6 0…2 1…3

Таблица 2.6

Показатели штампуемости листов из термически упрочняемых

алюминиевых сплавов, применяемых в автомобилестроении

Термически упрочняемые сплавы Параметр Состояние

материала

АД33 АД35 АВ Д16 1915 1201 АД37

Отжиг 1,7 1,6 1,6 1,4 1,3 1,5 1,6

Закалка 1,4 1,4 1,3 1,3 1,3 1,3 -

Предельный

коэффициент

отбортовки

Закалка +

старение

1,3 1,3 1,3 0,8 - 1,1 -

Отжиг 2,2 2,2 2,2 1,9 1,9 2,0 2,2

Закалка 1,9 1,9 1,9 1,9 1,6 - -

Предельный

коэффициент

вытяжки

Закалка +

старение

1,6 1,6 1,6 1,2 - 1,4 -

Отжиг 0,5 0,5 0,5 1,5 1,5 1,0 0,5

Закалка 1,5 1,5 1,5 1,5 2,0 1,0 -

Минималь-

ный радиус

гиба r

min

(α=90°)

Закалка +

старение

2,0 2,0 2,0 5,0 - 3,0 -

Отжиг 0…1,5 0…1,5 0…1,5 1…3 1…3 0…2 -

Закалка 1…3 1…3 1…3 - 3…6 4…8 -

Угол пружи-

нения Δα,

градус

Закалка +

старение

3…6 3…6 3…6 10…15 - - -

Таблица 2.7

Типы соединений и способы сварки конструкций кузова легкового

автомобиля

Элемент кон-

струкции

Сплав Толщи-

на, мм

Основной тип соединения Способ сварки

Крылья пе-

редние и зад-

ние

АМг2, 1523 1,0…2,5

Контактная точеч-

ная, дуговая

Двери АМг2, АД37,

АМг4, 1523,

1535

1,0…2,0

Точечная дуговая,

аргонодуговая

Капоты, кры-

ши

АМг2, АМг4,

АД37, 1523,

1535

1,0…2,5

Точечная дуговая,

аргонодуговая

Топливный

бак

АМг2, АМг4,

АМг6, 1523

1,5…2,5

Точечная дуговая,

ручная дуговая,

автоматическая

аргонодуговая

Система вы-

хлопа газов

1419, 1151,

САП

1,2…1,8 Точечная дуговая,

ручная дуговая,

автоматическая

аргонодуговая

Силовые эле-

менты, лон-

жероны, бам-

пер

АМг4, АМг6,

АД37, 1535,

1545, 1570

1,5…3,0

Точечная дуговая,

ручная дуговая,

автоматическая

аргонодуговая

2.3. Общая схема формирования соединений при контактной точечной

шовной и рельефной сварке

Процесс точечной, шовной и рельефной сварки характерен весьма малым

временем сварки при больших сварочных токах и усилиях, обеспечивающих

плавление металла. Необходимым условием формирования соединения являет-

ся формирование общей зоны расплавления заданных размеров (литого ядра),

что обеспечивает важнейшие эксплуатационные

свойства – прочность и герме-

тичность соединения.

Процесс образования соединения при контактной точечной, шовной и

рельефной сварке происходит в три этапа:

- Первый этап – это сближение деталей на расстояние действия сил Вандер-

Ваальса. Он начинается с момента обжатия деталей, вызывающего пластиче-

скую деформацию микронеровностей в контакте электрод-деталь и деталь-

деталь.

Потом включается сварочный ток, под действием которого металл разо-

гревается, выравнивается микрорельеф, разрушаются поверхностные плёнки,

формируется электрический контакт. Нагретый металл деформируется пре-

имущественно в зазор между деталями, в результате чего образуется уплот-

няющий поясок. На этом этапе границы разделов остаются, прочность соедине-

ния не превышает 1 % от основного металла.

- Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра.

По мере прохождения тока ядро растёт до максимальных размеров – по высоте

и диаметру. При этом происходит

перемешивание металла, удаление поверхно-

стных плёнок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжает-

ся процесс пластической деформации и тепловое расширение металла.

- Третий этап – начинается с выключением тока. Происходит охлаждение и

кристаллизация металла. Образуется общее для деталей литое ядро. При охла-

ждении уменьшается объём металла и возникают остаточные напряжения. Для

снижения этих напряжений и предотвращения усадочных раковин требуются

значительные усилия – усилия проковки.

Прохождение этих трёх этапов определяет активацию поверхности ме-

талла и формирование соединения при контактной сварке. При неправильном

прохождении одного из описанных выше этапов при контактной сварке соеди-

нения деталей не образуется, или оно образуется с дефектами.

Для получения

качественного соединения необходимо знание всего про-

цесса его формирования, который можно расчленить на отдельные физические

процессы (основные и сопутствующие) (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Основные и сопутствующие процессы при образовании соединений

при контактной сварке

2.4. Процессы нагрева металла при сварке

2.4.1. Источники теплоты при сварке

Нагрев и расплавление металла при контактной сварке происходит за

счёт выделения теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении

через них электрического тока. При этом эффекты Пельтье, Томсона и другие

эффекты можно не учитывать в виду их малого вложения в общий тепловой ба-

ланс, поэтому полное количество теплоты

э-э

, выделяемое между электродами

во время сварки t

св

, можно определять законом Джоуля-Ленца в интегральной

форме:

∫

−−

tcв

ээсвээ

dt)t(r)t(iQ

, (2.1)

где i

св

(t) - мгновенное значение сварочного тока, А;

э-э

(t) - общее сопротивление металла между электродами в момент вре-

мени t, Ом.

При сварке двух деталей из одного и того же металла равной толщины

сопротивление между электродами определятся как

дддэдээ

rrrr

−−−

, (2.2)

где r

- собственное сопротивление деталей, Ом;

э-д

- контактное сопротивление между электродом и деталью, Ом;

д-д

- контактное сопротивление между деталями, Ом.

2.4.2. Контактные сопротивления

Контактными сопротивлениями при сварке являются сопротивление де-

таль-деталь r

д-д

и сопротивление электрод-деталь r

э-д

. Наличие контактных со-

противлений можно обнаружить, если через металлические детали, сжатые с

усилием F, пропустить небольшой ток и измерить падение напряжения на уча-

стках равной длины в области контакта U

дд

и на самих деталях U

. При этом

всегда будет выполняться условие

дд

Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади

электрического контакта из-за неровной поверхности деталей и электродов, а

также из-за различных неэлектропроводных поверхностных образований: ок-

сидных и гидроксидных плёнок, адсорбированной влаги, масел, продуктов кор-

розии, пыли и т.п. В условиях, когда фактическая площадь контакта A

до на-

грева деталей значительно меньше контурной площади A

, имеет место так на-

зываемый «ситовый» характер проводимости – ток проходит по отдельным

микроконтактам (рис. 2.2).

Допустимо провести аналогию между течением по трубе вязкой жидко-

сти и течением электрического тока по проводу. Силовые линии электрическо-

го тока можно уподобить струям ламинарного потока вязкой жидкости

(рис. 2.3). Эти струи встречают концентрированное сопротивление своему дви-

жению относительно диафрагмы 1, вставленной в трубу, что приводит к ис-

кривлению струй; если посередине диафрагмы поставлена решётка 2, то проис-

ходит добавочное, уже микроскопическое искривление струй, и тем самым

вводится дополнительное сопротивление движению жидкости. Сопротивление

диафрагмы и решётки суммируются. Удалить решётку –

значит снять микро-

геометрическое искривление и уменьшить общее сопротивление. Ликвидиро-

вать диафрагму – устранить вообще всякое местное концентрированное сопро-

тивление. Остаётся постоянно действующее, равномерно распределённое по

длине трубы сопротивление трения жидкости о стенки трубы.

Рис. 2.2. Схема образования контактного сопротивления

а)

б)

в)

Рис. 2.3. Модель струйного движения вязкой жидкости по трубе (справа) и те-

чение электрического тока через контакт (слева)

Влияние состояния поверхности деталей на контактное сопротивление

очень велико, так для пластин из стали 10 толщиной 3 мм, сжатых электродами

=10 мм под давлением 200 Н составляет (мкОм): для травленых – 300, очи-

щенных наждачным кругом и шлифованных – 100, обработанных резцом –

1200, покрытых окалиной – 80000, покрытых ржавчиной и окалиной – 300000.

Контактное сопротивление деталей уменьшается при росте усилия сжа-

тия (рис. 2.4 а) и зачистке поверхности (рис. 2.4 б), а затем стабилизируется.

Экспериментально показано, (например, при калориметрировании), что

доля теплоты, выделяемой на сопротивлении r

д-д

, обычно (при сварке деталей

толщиной 1 мм) не превышает 5 % общей энергии, генерируемой в зоне сварки.

Несмотря на то, что r

д-д

существует относительно короткое время, оно может

оказать влияние на последующий нагрев, особенно при сварке деталей малых

толщин, где высота микрорельефа поверхности соизмерима с толщиной дета-

лей. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопро-

тивлением, способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении

д-д

стабильность тепловыделения мала, а с ростом r

э-д

снижается стойкость

электродов.

Рис. 2.4. Сопротивление r

э-э

между электродами:

а) зависимость r

э-э

от усилия сжатия F для стали Х15Н5Д2Т толщиной 1+1 мм,

электроды со сферической поверхностью;

б) зависимость r

ээ

от F для титанового сплава ВТ6, толщина листов 2+2 мм с

обезжиренной (⎯⎯ ) и механически зачищенной ( - - - ) поверхностью

Для стабилизации тепловыделения, размеров соединений и стойкости

электродов перед сваркой выполняют подготовку поверхностей деталей с це-

лью удаления толстых поверхностных пленок и загрязнений, обеспечивая тем

самым достаточно низкие и стабильные значения контактных сопротивлений.

Для

этих же целей часто рекомендуется применение повышенных сварочных

усилий.

2.4.3. Собственное сопротивление деталей

Собственное сопротивление – сопротивление, распределённое опреде-

лённым образом в объёме деталей. На этом сопротивлении при прохождении

через него электрического тока выделяется основное количество теплоты.

В процессе сварки собственное сопротивление деталей изменяется под

действием выделяющегося тепла: возрастает с

увеличением температуры на-

грева деталей по зависимости

)1(

Trr

⋅

, (2.3)

где r

– сопротивление деталей при комнатной температуре;

T – температура нагрева деталей;

- температурный коэффициент.

Практический интерес представляет сопротивление r

э-э

в конце процесса

сварки (табл. 2.8), которое к моменту окончания протекания сварочного тока

становится равным собственному сопротивлению r

деталей.

Таблица 2.8

Активное сопротивление r

э-э

участка электрод-электрод при контактной

точечной сварке в конце процесса сварки, мкОм при сварке двух листов

равной толщины

Толщина материала, мм Материал

0,3 0,5 1 1,5 2 3

Низколегированная сталь

30ХГСА

165 145 125 110 100 90

Нержавеющая сталь Х18Н9Т 215 185 150 130 120 110

Особо жаропрочный сплав

ВЖ98

230 200 165 140 125 115

Титановый сплав ОТ4-1 240 210 165 140 125 115

Латунь Л62 76 48 30 24 20 18

Сталь 08кп 150 135 115 100 90 75

Алюминиевый сплав Д 16 АТ 18 16 13 11 10 8

2.4.4. Полное сопротивление участка электрод-электрод

Экспериментально сопротивление r

э-э

между электродами в процессе

сварки определяют как отношение измеренного падения напряжения u

э-э

на

электродах тока i

во вторичном контуре (рис. 2.5 а). Характер полученных кри-

вых позволяет в первом приближении судить о стабильности процесса сварки и

качестве сварного соединения. При этом измерение тока i

производится по-

средством датчика ДТ, который в зависимости от способа может устанавли-

ваться как со стороны вторичного витка, так и со стороны первичной обмотки

сварочного трансформатора ТС.

В процессе контактной точечной, шовной и рельефной сварки представ-

ляет интерес изменение полного сопротивления r

э-э

между электродами во вре-

мя первого (образование контакта) и второго (образование ядра) этапов форми-

рования соединения (рис. 2.5 б). Первый этап характерен быстрым спадом кон-

тактных сопротивлений (r

д-д

+2r

э-д

) и нарастанием собственного сопротивления

деталей за счёт увеличения их удельного сопротивления. В течение второго

этапа наблюдается монотонное снижение r

ээ

за счёт расширения площади кон-

тактов при росте ядра сварной точки. За цикл сварки r

ээ

снижается в несколько

раз. Так, при сварке коррозионностойких сталей r

ээ

уменьшается с

300…500 (холодное сопротивление) до 100…150 мкОм, при сварке алюминие-

вых сплавов – с 50…100 до 10…12 мкОм.

а)

б)

Рис. 2.5. Схема измерения и кинетика изменения электрических сопротивлений

при точечной сварке: а – электрическая схема измерения r

э-э

; б – изменение r

э-э

и r

э-д

в процессе сварки

В общем случае характер изменения r

э-э

зависит от свойств металла, тол-

щины деталей, параметров режима сварки, формы импульса тока, размеров ра-

бочей поверхности электродов и т.д. Изменение r

э-э

для большинства металлов

носит падающий характер (рис. 2.6), причём снижение r

э-э

для разных металлов

различно. Увеличение начального значения r

э-э

при сварке электродами со сфе-

рической поверхностью по сравнению с электродами с плоской рабочей по-

верхностью объясняется, по-видимому, меньшей начальной площадью контак-

тов электрод-деталь.

а)

б)

Рис. 2.6. Изменение r

э-э

при точечной сварке сплава ОТ4-1 (1), стали ВНС2 (2),

стали Х18Н9Т (3) и стали 08кп (4) толщиной 1,5+1,5 мм:

а – сферически электродами радиусом 75 мм;

б – электродами с плоской рабочей поверхностью диаметром 7 мм