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

Подождите немного. Документ загружается.

- увеличение сопротивления смятию металла, т.е. его предела текучести

приводит

к необходимости увеличения сварочного давления F

св

;

- увеличение удельного сопротивления металла

(например, при сварке нержавею-

щих сталей) приводит к возможности уменьшения сварочного тока I

св

Параметры режима сварки устанавливают по технологической карте, таблицам

ориентировочных режимов с учётом толщины, материала и состояния поверхности

деталей, имеющегося оборудования.

Низкоуглеродистые стали имеют относительно высокое электрическое сопро-

тивление, низкую теплопроводность и невысокую прочность. Эти стали можно сва-

ривать в широком диапазоне режимов по простейшей циклограмме (рис. 2.17 а).

Ориентировочные режимы сварки

низкоуглеродистых сталей приведены в

табл. 2.10.

Низколегированные и углеродистые стали склонны к образованию закалочных

структур, повышающих хрупкость и снижающих пластичность сварных соединений.

Для повышения пластичности и прочности соединения их подвергают термообра-

ботке с помощью второго импульса тока. Пауза между импульсами тока сварки и

термообработки t

=(1,1…1,4)t

св

; длительность дополнительного импульса термооб-

работки t

доп

=(2,5…3,0)t

св

; ток термообработки I

доп

=(0,7…0,85)I

св

(рис. 2.17 б). В связи

с более высоким электросопротивлением и повышенной прочностью этих сплавов I

св

должен быть ниже, а F

св

выше, чем при сварке низкоуглеродистых сталей. Ориенти-

ровочные режимы сварки закаливающихся низколегированных сталей приведены в

табл. 2.11.

Таблица 2.10

Режимы точечной сварки низкоуглеродистых сталей

Толщина деталей,

мм

св

, кА t

св

, сек F

св

, кН

0,5

0,8

1,2

1,5

3,5

6…6,5

6,5…7

7…8

8…9

9…10

10…11,5

11,5…14

15…16,5

17…19

0,08…0,1

0,1…0,14

0,12…0,16

0,14…0,18

0,16…0,22

0,18…0,24

0,24…0,3

0,3…0,4

0,4…0,56

1,2…1,8

2…2,5

2,5…3

3…4

4…5

6…7

9…10

11…12

13…15

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают высоким электрическим

сопротивлением (в 5…6 раз большим, чем у низкоуглеродистой стали), прочностью

и коэффициентом линейного расширения. Сварка этих сталей выполняется на по-

вышенных F

св

, пониженных I

св

при относительно малых значения t

св

(таблица 2.12).

Алюминиевые и магниевые сплавы характеризуются очень высокой электро- и

теплопроводностью, в связи с чем при их сварке применяются кратковременные им-

пульсы тока очень большого значения. Сварка магниевых, а также пластичных (не-

упрочняемых) алюминиевых сплавов, обладающих невысокой прочностью, ведётся

при низких F

св

. Высокопрочные алюминиевые сплавы, обладающие низкой пластич-

ностью и повышенной склонностью к образованию усадочных дефектов, сваривают-

ся на высоких F

св

с обязательным приложением ковочного усилия F

(рис. 2.17 в).

Ориентировочные режимы сварки латуни, алюминиевых и магниевых сплавов на

машинах переменного тока приведены в табл. 2.13.

Таблица 2.11

Режимы точечной сварки закаливающихся низколегированных сталей

Сварка Термообработка Толщина

деталей,

мм

св

, кА t

св

, с

Пауза t

, кА t

, с

св

, кН

0,5

0,8

1,2

1,5

2,5

5…6

5,5…6,2

6,2…6,7

7,2…7,7

8,7…9,2

10…11

11,5…12,5

13…14

0,32…0,4

0,36…0,44

0,42…0,5

0,46…0,54

0,56…0,64

0,74…0,84

1…1,1

1,2…1,4

0,3…0,5

0,4…0,6

0,6…0,7

0,7…0,9

0,8…1,1

1…1,4

1,1…1,5

1,3…1,6

4…5

4,5…5,2

4,8…5,5

5…6

6,2…7,4

7…8

8…9

8…10

0,5…0,6

0,6…0,74

0,68…0,78

0,72…0,86

0,86…0,96

1,1…1,3

1,3…1,9

1,8…2,2

2…3

2,5…3,5

4…5

5…6

6…8

8…10

10…12

11…14

Таблица 2.12

Режимы точечной сварки коррозионно-стойких сталей

Толщина деталей,

мм

св

, кА t

св

, сек F

св

, кН

0,3

0,5

0,8

1,2

1,5

2,5

5…5,5

4,5…5

5…5,7

5,5…6

6…7,5

7,5…8,5

9…10

10…11

0,06…0,08

0,08…0,12

0,12…0,16

0,16…0,18

0,18…0,2

0,2…0,24

0,24…0,3

0,3…0,34

0,34…0,38

1,5…2

2,5…3

3…4

3,5…4,5

4,5…5,5

5…6,5

8…9

10…11

12…14

Таблица 2.13

Режимы сварки высокопрочных алюминиевых сплавов на машинах постоян-

ного тока

Усилие электро-

дов, кН

Параметры тока

основного дополнительного

Толщина

деталей,

мм

св

Время включе-

ния ковочного

усилия t

, с

св max

, кА t

св

, с I

д max

кА

, с

0,5

0,8

1,0

1,2

1,5

2,0

3,0

4,0

5,5

4,5

0,04

0,08

0,10

0,12

0,16

0,18

0,24

0,26

0,04

0,06

0,08

0,10

0,14

0,16

0,20

0,22

0,04

0,06

0,10

0,12

0,14

а) б) в)

Рис. 2.17. Циклограммы точечной сварки: а) низкоуглеродистых сталей; б) углероди-

стых и низколегированных сталей; в) алюминиевых сплавов

2.10.2. Смещение ядра точки относительно плоскости

свариваемого контакта

В процессе точечной сварки часто приходится соединять детали различной

толщины или из разнородных материалов. Такое различие свойств деталей приводит

к тому, что

формируемое в процессе сварки ядро находится в разных условиях по

отношению к свариваемым деталям, что приводит к его несимметричности относи-

тельно свариваемого контакта.

Наблюдаются следующие закономерности смещения ядра сварной точки отно-

сительно свариваемого контакта:

1. При сварке тонкой детали с более толстой ядро смещается в толстую деталь

(рис. 2.18 а) тем

сильнее, чем мягче режим сварки и больше разность толщин (не-

симметричность формирования ядра наблюдается уже при отношении толщин более

1:3). Возможны случаи, когда ядро при сварке деталей разных толщин полностью

образуется в теле более толстой детали.

2. При сварке электродами разного диаметра ядро смещается в сторону мень-

шего диаметра (рис. 2.18 б).

При сварке деталей с разными теплофизическими свойствами ядро смещает-

ся в сторону детали с большим электросопротивлением и меньшей теплопроводно-

стью.

Для выравнивания тепловой обстановки при сварке разнотолщинных деталей

используются три технических приёма:

1. Электрод, примыкающий к тонкому листу, делают из металла с меньшей те-

плопроводностью.

2. Электрод, примыкающий к толстому листу, делают

с большим диаметром

рабочей поверхности.

3. Между электродом и тонким листом помещают дополнительную прокладку

из металла, по свойствам значительно отличающегося от свариваемого и имеющего

большее удельное сопротивление и меньшую теплопроводность. Например, при

сварке алюминиевых сплавов – это лист из нержавеющей стали толщиной

0,15…0,25 мм.

а)

б)

Рис. 2.18. Формирование точки при сварке деталей:

а) различной толщины одинаковыми электродами; б) одинаковой толщины

разными электродами

2.10.3. Особенности конструктивного оформления и подготовки узлов

при контактной точечной сварке

В зависимости от доступности к месту сварки конструктивные элементы мож-

но разделить на три типа: открытые (рис. 2.19 а), полуоткрытые (рис. 2.19 б) и за

крытые (рис. 2.19 в). Первые, как более технологичные, в условиях контактной свар-

ки предпочтительнее, чем вторые. Третий тип элементов резко усложняет процесс

сварки.

Рис. 2.19. Разделение элементов сварных узлов по доступности к месту сварки

В ряде конструкций не удаётся осуществить свободный подход электрода к

месту сварки. В таких конструкциях целесообразно применение фигурного (косого)

электрода, который позволяет ставить точку, если его рабочий ход по крайней мере

на 20…30 мм меньше высоты профиля (рис. 2.20 а). Если же такой разницы нет, то

сваривание возможно при перевёрнутом положении деталей, согласно Рис. 2.20 б.

Рис. 2.20. Элементы конструкций с закрытой зоной точечно-сварных соединений и

технологическая оснастка для их производства

При проектировании сварной конструкции, выполняемой точечной сваркой на

универсальном оборудовании с использованием простейших сборочных приспособ-

лений, желательно обеспечить:

- минимальную и неизменную массу деталей из ферромагнитного материала,

вводимую в контур сварочной машины, так как наличие магнитной стали в свароч-

ном контуре ведет к увеличению его сопротивления и снижению силы сварочного

тока

; конструкция а на рис. 2.21 более предпочтительна, чем конструкция б;

- необходимые жесткость и прочность электродов и хоботов из сплавов с твер-

достью >120 НВ, передающих требуемую силу сжатия при сварке внутри узлов ко-

робчатой формы, обечаек и труб (см. рис. 2.21, в), при этом размеры отверстия (в мм)

свариваемых узлов прямоугольного или круглого

сечения должны отвечать следую-

щим зависимостям:

2,1

сж

LFd ≥ и

сж

LFbh 8,0

≥ ,

где F

cж

– сила сжатия электродов, даН, определяемая толщиной и материалом,

подлежащим сварке;

L - длина детали (или вылет электрода), мм.

При невозможности введения электрода внутрь полого тонкостенного профиля

целесообразно использовать медные раздвижные вставки (см. рис. 2.21, г) или уда-

ляемый после сварки легкоплавкий материал;

- свободный доступ электродов к месту сварки с тем, чтобы использовать

пря-

мые электроды с внутренним охлаждением, поэтому конструкция узла на рис. 2.21, д

предпочтительнее узла, показанного на рис. 2.21, е;

- свободную деформацию деталей в зоне сварки, узел ж на рис. 2.21 полно-

стью отвечает этому требованию, узел з на этом рисунке - частично;

- минимально возможные зазоры между деталями за счет повышения точности

заготовок, фиксирующих

приспособлений и качества сборки деталей в местах их со-

пряжения под сварку;

- соблюдение требований ГОСТ 15878-79 на величину нахлестки и отбортовки

деталей.

Технологический процесс производства сварной конструкции состоит из сле-

дующих основных операций: изготовления заготовок и деталей; подготовки поверх-

ности деталей под сварку; сборки и прихватки; собственно сварки; правки и механи-

ческой доработки; антикоррозионной защиты и контроля качества. В зависимости от

серийности производства, его технологического уровня, ответственности узлов и ус-

ловий их эксплуатации последовательность и число операций могут корректировать-

ся и окончательно определяются рабочим технологическим процессом (маршрутной

технологией и операционными

картами). Большинство из перечисленных операций

являются типовыми для точечной, шовной и рельефной сварки.

Рис. 2.21. Примеры узлов, соединяемых контактной точечной сваркой

Качество металла и точность изготовления заготовок и деталей существенно

влияют на процесс образования и качество сварных соединений. Раскрой заготовок

из листа осуществляется на гильотинных и дисковых ножницах, реже – в штампах

или с использованием кислородной резки (для низкоуглеродистых сталей с содержа-

нием до 0,25 % С и толщиной 2...6 мм). Для механизированного раскроя листов

из

цветных металлов, высоколегированных сталей и титана используют микроплазмен-

ную и лазерную резку, так как при этом достигаются наилучшие показатели ско-

рости и качество реза. Заготовки из профильного проката нарезают пилами, пресс-

ножницами, реже кислородной резкой.

Формообразование деталей из листовой заготовки и профильного проката вы-

полняют различными видами холодного деформирования (штамповкой

, вытяжкой,

выдавливанием, гибкой и т.п.). Хрупкие металлы деформируют с подогревом. Дета-

ли, изготовленные резанием, должны иметь шероховатость поверхности не грубее

Rz 20 по ГОСТ 2789-73. Реже в сварных узлах используют детали, изготовленные

литьем и ковкой, при этом в металле заготовки должны отсутствовать дефекты типа

трещин, пор, рыхлот, раковин и т.п.

Подготовка поверхности деталей проводится с целью предупреждения и уст-

ранения вредного влияния оксидов и загрязнений в междуэлектродной зоне на про-

цесс сварки и качество сварного соединения. Наличие загрязнений и поверхностных

оксидных пленок в зоне сварки может вызвать:

- загрязнение сварного соединения неметаллическими включениями;

- образование раковин, пор и трещин в металле ядра и на

поверхности деталей;

- недопустимые выплески металла из зоны сварки;

- подгар и подплавление поверхности деталей;

- повышение уровня нагрева электродов и, соответственно, снижение стойко-

сти их рабочей части.

Прямым следствием указанных дефектов является понижение прочности и

коррозионной стойкости соединения.

Выбор способа подготовки поверхности деталей зависит от марки свариваемо-

го материала, исходного состояния

поверхности заготовки, толщины металла и раз-

мера детали, а также от типа производства и требований к качеству соединений.

Подготовка поверхности деталей двусторонняя (общая или местная) включает

в себя следующие последовательно выполняемые операции: обезжиривание, меха-

ническую обработку или химическое травление, пассивирование, нейтрализацию,

промывку, сушку и контроль.

В большинстве случаев объективной характеристикой качества подготовки

поверхности деталей под сварку является величина электросопротивления холод-

ных деталей г

ээ

. Сопротивление измеряют микроомметром или методом ампермет-

ра - вольтметра, используя специальный пресс или непосредственно в электродах

сварочной машины с изоляцией одного из электродов. Материал электродов, форма

и размеры их рабочей поверхности и сила сжатия должны соответствовать условиям

сварки данных деталей. Измерение г

ээ

и сравнение с допускаемыми значениями для

разных пар материалов необходимо выполнять на стадии отработки технологии

подготовки поверхности деталей. В сомнительных случаях, когда возможны на-

рушения технологии подготовки или условий хранения деталей после обработки,

также проводят измерения.

Допускается о качестве подготовки деталей из сталей и титановых сплавов

судить по результатам внешнего визуального осмотра и сравнения с эталонным об-

разцом. Для деталей из алюминиевых сплавов обязательно измерение г

ээ

На производстве используют механическую и химическую обработку по-

верхности деталей, в некоторых случаях (для жаропрочных сплавов) применяют их

комбинированное сочетание.

Химические способы подготовки особенно эффективны в крупносерийном

и массовом производстве ответственных деталей, поскольку они позволяют полу-

чить чистые и малоактивные поверхности с низким значением контактных сопро-

тивлений практически для всех металлов и сплавов. Химическая обработка поверх-

ности деталей проводится в соответствии с производственной инструкцией и тех-

нологической документацией, которые регламентируют последовательность опера-

ций, состав растворов, их температуру и продолжительность каждой операции

(см. табл. 2.14).

Механическую подготовку поверхности проводят дробеструйной (пескост-

руйной) обработкой или зачисткой металлическими щетками и абразивными кру-

гами. Дробеструйную обработку выполняют при наличии на деталях слоя окалины

или прочной оксидной пленки. Детали из стали и титановых сплавов обрабатывают

металлической дробью, алюминиевые и магниевые - стеклянными шариками. Ос-

татки дроби и продуктов обработки удаляют с нахлестки деталей салфеткой, смо-

ченной в растворителе, или обдувают сухим воздухом.

Зачистку металлическими вращающимися щетками и абразивными кругами

на вулканитовой основе или войлочными кругами с абразивом чаще всего приме-

няют для сталей (в том числе для жаропрочных, высокопрочных и жаростойких

сплавов). Алюминиевые и магниевые сплавы подвергают местной очистке быст-

ровращающейся стальной щеткой или мелким наждачным полотном (шкуркой) с

ограничением силы прижатия зачистного инструмента, чтобы избежать глубоких

повреждений поверхности металла. Однако сроки хранения деталей до сварки не

должны быть >2...3 ч после обработки, из-за высокой химической активности све-

жезачищенной поверхности.

Поверхность деталей, подготовленных под сварку, в процессе хранения,

сборки и сварки следует предохранять от загрязнения и пыли.

При сварке металлов, подверженных интенсивной коррозии при эксплуата-

ции или в результате попадания в зазор реактивов, применяемых при антикоррози-

онной обработке сварного узла, внутренняя поверхность нахлестки деталей должна

быть защищена электропроводящими лаками, грунтами и клеями. При этом необ-

ходимо пользоваться специальными отраслевыми инструкциями о порядке приго-

товления, нанесения, контроля и сроках засыхания герметиков. Грунт и герметики

обычно наносятся во время окончательной сборки, перед прихваткой. Следует ис-

ключить попадание этих покрытий в контакты электрод - деталь. Рекомендуется

сварку по грунтам проводить при увеличенной силе сжатия электродов (на ~20 %)

на жестких режимах сварки.

Основная задача сборки заключается в обеспечении необходимой точности

взаимного расположения деталей, входящих в свариваемый узел, в соответствии с

требованиями и правилами, изложенными в конструкторско-технологической до-

кументации на сборку-сварку. В общем случае в зависимости от сложности узла и

точности изготовления деталей подготовка к сварке состоит из следующих после-

довательно выполняемых операций: предварительной сборки и подгонки, подготов-

ки поверхности, окончательной сборки и прихватки. При сварке изделий, детали

которых не требуют подгонки и полностью взаимозаменяются, предварительная

сборка не нужна. Собранный узел проверяется контролером, разбирается и ком-

плектно поступает на подготовку поверхности деталей под сварку.

Требуемая точность сопряжения деталей обеспечивается при сборке по раз-

метке, с применением шаблонов, съемных болтов, фиксаторов, упоров и струбцин.

Сложные узлы собирают в специализированных сборочно-сварочных кондукторах.

Конструктивные особенности и требования, предъявляемые к сборочной оснастке,

зависят от принятой на производстве технологической схемы сборочно-сварочных

операций и серийности продукции.

С позиции обеспечения качества сварки особое внимание должно быть обра-

щено на уменьшение зазоров между деталями. При больших и нестабильных по ве-

личине зазорах увеличивается деформация сваренного узла и снижается стабиль-

ность качества сварки из-за колебания фактической силы сжатия в зоне сварки. Чем

жёстче детали и узел, тем точнее должны быть детали и их сборка. Допускаемые

зазоры зависят также от режимов сварки и шага прихватки. Например, при точеч-

ной сварке деталей из стали толщиной 1 мм после их сборки и прихватки зазоры

должны быть <0,4 мм на длине 100 мм и 1,2 мм на длине 300 мм. Для толщины

3 мм эти значения уменьшаются соответственно до 0,3 и 0,9 мм. В общем случае

для листовых конструкций толщиной до 1 мм зазоры между деталями в местах

сварки должны выбираться нажатием руки (сила 10 даН), а для более жестких уз-

лов устраняться силой, не превышающей 10 % силы сжатия электродов при сварке.

Прихватка собранных деталей должна обеспечить полное закрепление де-

талей с сохранением основных размеров свариваемого узла после выемки его из

приспособления и снятия фиксаторов.

Число прихваточных точек, расстояние между ними и порядок прихватки

следует предусматривать в технологических картах с целью получения наименьше-

го коробления изделия. Шаг прихватки зависит от марки сплава, толщины и общей

жесткости узла, точности подгонки деталей. Чем больше жесткость деталей и

меньше зазоры при сборке, тем больше может быть шаг прихватки. Под точечную

сварку шаг прихваточных точек 100...300 мм. Шаг прихватки под шовную сварку

во избежание коробления материала уменьшают до 30...80 мм.

Места постановки прихваточных точек размечают мерительными инструмен-

тами или задают программно в схеме управления траекторией движения сварочно-

го робота вдоль оси шва. Под точечную сварку детали прихватывают по линии шва

на тех же режимах, на которых выполняют сварку. Детали, соединяемые шовной

сваркой, прихватывают по осевой линии шва на режимах со сниженной на 10...15 %

силой тока.

Таблица 2.14

Химические способы подготовки поверхности деталей

под контактную точечную сварку

Металл

Порядок основных операций об-

работки и температура 1 л водно-

го раствора

Обработка после основной

операции

1 2 3

Обезжиривание

Тринатрийфосфат, г . . . . . . . . . . .40...60

Кальцинированная сода, г . . . . . . .20...35

Едкий натр, г . . . . . . . . . . . . . . . . .30...50

Температура раствора, ºС . . . . . . .60...80

Промывка

В горячей воде (45...50 ºС), затем

в проточной холодной воде

Конструкционные

низко- и среднеле-

гированные стали,

хромистые стали

после термообра-

ботки

Травление

Серная кислота, г . . . . . . . . . . . .125...250

Хлористый натрий, г . . . . . . . . . . .20...30

Присадка 4М, г . . . . . . . . . . . . . . . . . .5...8

Температура раствора, ºС . . . . . . 50...60

Нейтрализация

В водном растворе едкого натра

или калия (50...70 г) при темпера-

туре (20...25 ºС)

Обезжиривание

Тринатрийфосфат, г . . . . . . . . . . . 50...70

Жидкое стекло, г . . . . . . . . . . . . . . 20...30

Жидкое мыло, г . . . . . . . . . . . . . . . . . 3...5

Температура раствора, ºС . . . . . . 50...60

Промывка

В горячей воде (45...50 ºС), затем

в проточной холодной воде

Рыхление окалины

Едкий натр, г . . . . . . . . . . . . . . . 700...800

Азотнокислый натрий, г . . . . . . 200...300

Температура раствора, ºС . . . . . . 60...80

Коррозионно-

стойкие и жаро-

прочные стали, ни-

келевые сплавы

Травление

Серная кислота, г . . . . . . . . . . . . .70...100

Соляная кислота, г . . . . . . . . . . .180...220

Азотная кислота, г . . . . . . . . . . . . .10...20

Температура раствора, ºС . . . . . . 50...70

Титановые сплавы

после термообра-

ботки

Травление

Соляная кислота, г . . . . . . . . . . .300...350

Азотная кислота, г . . . . . . . . . . . . .50...90

Фтористый натрий, г . . . . . . . . . . .40...60

Температура раствора, ºС . . . . . . 40...50

Промывка

В горячей воде (40...50 ºС)

Травление

Едкий натр, г . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4...6

Температура раствора, ºС . . . . . . .35...50

Промывка

В горячей воде (30...50 ºС), затем

в проточной холодной воде

Алюминиевые спла-

вы (типа АМц и

АМг)

Осветление

Азотная кислота, г . . . . . . . . . . .200...300

Температура раствора, ºС . . . . . . .15...30

Промывка

В проточной холодной воде

Травление с пассивированием

Ортофосфорная кислота, г . . . . .50...120

Калиевый (натриевый)

хромпик, г . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,5...1,4

Температура раствора, ºС . . . . . . .25...35

Промывка

В проточной холодной воде