Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Б.Л. 

 

Методические указания по выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Электротехнологические процессы и оборудование»

 

КОНТАКТНАЯ СВАРКА

 

Ростов-на-Дону 2007

 

В методических указаниях рассматриваются сущность контакт­ной сварки и наиболее распространенные схемы получения сварочного тока. Приводится методика выполнения работы.

Предназначены для студентов специальностей 150202 всех форм обучения.

 

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучать физическую сущность контактной сварки. Ознакомиться с процессом контактной сварки и оборудованием для ее выполнения.

 

2. ОЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Сущность процесса контактной сварки

 

Контактная сварка – один из ведущих электротехнологических процессов получения неразъемных соединений деталей в различных отраслях машиностроения. Она отличается высокой степенью механизации, роботизации и высокой производительность».

Контактная сварка – это процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.

Соединение свариваемых деталей при контактной сварке происходит путём образования связей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активаций соединяемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энергия, подводимая извне.

Точечная сварка – способ контактной сварки, при котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания (по ряду точек). При точечной сварке  детали I собирают внахлестку, сжимают усилием F электродами 2, к которым подключен источник 3 электрической  энергии (сварочный трансформатор)  (рис. 2.1)

 

 

Рис.2.1. Схема точечной сварки

 

Детали нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока I_СВ до образования зоны 4 взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией металла в зоне контакта деталей (вокруг ядра), где образуется уплотнящий пояс 5, надёжно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружающего воздуха. Поэтому специальной защиты зоны сварки не требуется. После выключения тока расплавленное ядро быстро кристаллизуется, и образуются металлические связи между соединяемыми деталями. Таким образом, образование соединения при точечной сварке происходит с расплавлением металла.

Нагрев при точечной сварке проводят импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц импульсами низкой частоты 3…5 Гц, а также импульсами постоянного или униполярного тока.

Сварное соединение при контактной сварке образуется в три этапа, рис. 2.2.

 

 

Рис. 2.2. Этапы образования соединения при точечной сварке

 

Первый этап начинается с момента сжатия свариваемых деталей, вызывающего пластическую деформацию микронеровностей в контактах электрод - деталь и деталь – деталь. Последующее включение тока и нагрев металла облегчает выравнивание микрорельефа, разрушение поверхностных пленок и формирование электрического контакта. Нагретый металл деформируется преимущественно в зазоре между деталями и образуется уплотняющий поясок.

Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров – по высоте и диаметру. При этом происходит перемешивание металла, поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжается процесс пластической деформации и тепловое расширение металла.

Третий этап начинается с выключения тока, сопровождающегося охлаждением и кристаллизацией металла. Образуется общее для деталей литое ядро. При охлаждении уменьшается объём металла, и возникают остаточные напряжения. Для снижения уровня этих напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин требуется значительное усилие.

 

2.2. Процессы нагрева металла

 

Нагрев и плавление металла происходит за счет выделения теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении через них электрического тока. Полное количество теплоты, генерируемое между электродами за время сварки ( t_СВ) определяется законом Джоуля-Ленца

.

где  – мгновенное значение сварочного тока, обычно меняющееся в процессе сварки;

r_ЭЭ(t) – общее сопротивление металла между электродами в момент времени t = t_CВ.

При сварке двух деталей из одного и того же металла и равной толщины (рис. 2.2)

r_ЭЭ  = 2r_Д + 2r_ЭД + r_ДД

 

где r_Д – собственное активное сопротивление деталей; r_ЭД – контактное сопротивление между электродом и деталью; r_ДД – контактное сопротивление между деталями.

Сумму сопротивлений 2r_ЭД + r_ДД = r_К часто называют общим контактным сопротивлением.

Для анализа роли в процессе нагрева контактных и собственных сопротивлений удобно представить уравнение (I) в следующем виде:

 

          (3)

 

На сопротивления r_К и r_Д  в той или иной степени влияют свойства металлов, форма соединяемых деталей, усилие сжатия, неравномерность нагрева, состояние поверхности. Разделение сварочного контакта на зоны в значительной мере условно, так как электрические поля в них взаимосвязаны.

Обычно составляющие электрических сопротивлений рассматривают в условиях горячего состояния контактов. Контактное сопротивление r_К – сопротивление, сосредоточенное в узкой об­ласти контактов деталь – деталь и электрод – деталь.

Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади электрического контакта из-за неровностей поверхности деталей и электродов, а также из-за различных неэлектропроводимых поверхностных образований: оксидных и гидрооксид­ных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозия, шли и т.п.

Собственное сопротивление – сопротивление, распределенное определенным образом в объёме деталей. На этом сопротивлении при прохождении через него электрического тока выделяется основное количество теплоты.

Температурное поле – совокупность температур в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. В общем случае это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи. Выделение теплоты вызвано действием ряда источников. Основной источник – объемно распределенный с удельной мощностью ј² r (где ј – плотность тока). К второстепенным источникам следует отнести плоские источники удельной мощности

ј²r_ДД /(pd_К² /4)  и ј²r_К /(pd_К² /4),

 

связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопротивлениях, а также плоский источник, обусловленный эффектом Пельтье. Этот эффект проявляется в выделении или поглощении теплоты в контакте двух разнородных металлов, например, электрод – деталь. Если направление тока таково, что через контакт переносятся электроны из металла, в котором их энергия больше, то температура в этом контакте возрастает. Однако считается, что основная часть теплоты при точечной сварке выделяется за счёт действия объёмно распределенного источника и доля указанных выше плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10 % и обычно ими пренебрегают.

 

2.3. Режимы сварки

 

Обеспечение высокого качества сварки и максимальной производительности процесса для заданной толщины и материала изделий оп­ределяется правильностью выбранного режима сварки.

Режим сварки - совокупность электрических, механических и временных параметров, обеспечиваемых сварочным оборудованием для получения качественного соединения.

Так, для точечной сварки основными параметрами режима являются:

I св – сварочный ток. А;

t_CВ – время протекания сварочного тока, с;

F_СЖ – Усилие сжатия электродов, даН;

d_Э – диаметр контактной поверхности электрода, мм,

В зависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жёсткие и мягкие режимы сварки.

Жёсткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока при малом времени протекания тока  t_СВ £ (0,1...0.2) d, с (при сварке сталей толщиной 0,5-5 мм), где d – толщина детали, мм. Полученное значение времени округляется до целого значения периодов переменного тока частотой 50 Гц.

Жёсткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. При этом обычно увеличивается склонность к образованию выплеска и для его предотвращения повышают сварочное усилие.

При сварке на жёстких режимах, по сравнению с мягкими, увеличивается производительность, уменьшаются потери тепла в электроды и окружающий металл, зона термического влияния вокруг точки, расход электроэнергии и деформации изделия. Применение жёстких режимов предпочтительнее, чем мягких.

Величина сварочного "тока определяется по плотности тока:

 

I_СВ = F_Эј , А

 

где F_Э – площадь контактной поверхности электрода F_Э =  pd_К² /4,  мм;

j – плотность тока. При сварке сталей на жёстких режимах  j = (200-500) А/мм².

d_Э – диаметр контактной поверхности электрода, мм.

  При d £ 2 мм      d_Э = 2d + 3 мм,

  При  d ³ 2  мм    d_Э = 1,5d + 5 мм,

где d - толщина более тонкой детали, мм,

Усилие сжатия электродов определяется по удельному давлению

F_CЖ = рF_Э,  даН

где р – удельное давление, при сварке сталей на жёстких режимах принимается р = (5…12) кг/мм².

Мягкие режимы характеризуются большей длительностью  протекания тока t_СВ ³ (0,2...0,4) d, с (при сварке сталей) и меньшей силой тока. Скорость нагрева и охлаждения, а также величина усилия сжатия меньше, чем на жёстких режимах.

 

3. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАШИН ДНЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

 

Машины контактной сварки состоят из двух взаимосвязанных частей – механической и электрической.

Механическая часть – это комплекс конструктивных элементов:

– корпус или станина, плиты, кронштейны, домкрат, упоры, консоли, электродержатели, электроды, которые создают жёсткость и прочность машины, воспринимают  усилия;

– механизмов, предназначенных для закрепления, сжатия и перемещения свариваемых деталей.

Некоторые конструктивные элементы и узлы механизмов проводят сварочный ток.

Электрическая силовая часть обычно состоит из источника питания, преобразующего энергию сети промышленной частоты для получения сварочного тока (сварочного трансформатора, выпрямителей, иногда батареи конденсаторов и др.), и вторичного (сварочного) контура для непосредственной передачи тока к деталям (гибких и жёстких токоведущих шин, консолей, элёктродержателей, электродов, роликов, губок).

Управление и регулирование основных механических (усилив сжатия деталей, скорость вращения роликов, перемещение деталей и т.д.) и электрических (сварочный ток, вторичное напряжение, мощность) параметров машины осуществляются аппаратурой управления через соответствующие блоки.

К точечным контактным машинам, кроме жесткости, прочности и эксплуатационной надёжности их, механических  и электрических частей предъявляют следующие требования:

– быстрота срабатывания и малая инерционность элементов машин, необходимые из-за малой продолжительности сварочного цикла;

– интенсивное охлаждение нагревающихся элементов; безопасность работы; маневренность элементов сварочного контура, позволяющая использовать машину для сварки изделий различной формы без сложной переналадки; надёжная защита трущихся и контактных поверхностей от попа­дания воды, брызг расплавленного металла, пыли.

Корпус контактной сварочной машины прессового типа состоит из силовых элементов: стенок корпуса, верхнего и нижнего кронштейнов. Они воспринимают значительный изгибающий момент от усилия сжатия деталей и обеспечивают необходимую жёсткость всей машины. Дня удобства изготовления, монтажа элементов корпуса, а также возможности регулирования раствора консолей нижний кронштейн обычно соединяют с передней стенкой болтами.

Сварочный трансформатор, элементы механизма перемещения и другие системы часто располагают в корпусе.

Сварочный контур – это система токоведущих элементов и электрических контактов, обеспечивающих подвод тока от вторичного витка трансформатора к свариваемым деталям. В машинах точечной сварки контур состоит из консолей, электрододержателей, гибких и жёстких шин, электродов, а также ряда других элементов.

Электроды (ролики) непосредственно подводят к деталям сварочный ток и передают им усилия сжатия. Они одновременно являются элементами вторичного контура, силовыми конструктивными элементами машины и сменным технологическим инструментом. Электроды и ролики имеют три основные части: рабочую, среднюю и посадочную, а также каналы для охлаждения.

Рабочая часть – это расходуемый участок, допускающий в процессе длительной эксплуатации многократные переточки. Форма заточки рабочей части электродов может быть сферической, конической, а в некоторых случаях цилиндрической.

При эксплуатации рабочая поверхность электродов подвергается циклическому нагреву (часто до 400…700 °С), ударному смятию при высоких температурах, загрязнению из-за массопереноса. Поэтому материалы электродов и роликов должны иметь высокую теплопроводность и электропроводность, жаропрочность, твердость и прочность.

 

3.1. Электрические цепи основных типов контактных машин

 

По роду преобразования или аккумулирования энергии машины классифицируют на: однофазные переменного тока, трехфазные ни­зкочастотные, с выпрямлением тока во вторичном контуре и конденсаторные.

Электрическая схема однофазной машины переменного тока приведена на рис. 3.1

 

 

Рис. 3.1. Однофазная точечная машина переменного тока

 

Сварочный трансформатор ТС включается в сеть питания контактором К. Вторичное напряжение трансформатора устанавливают переключателем ступеней ПС. Аппаратура управления АУ служит для задания последовательности и продолжительности операций сварочного цикла (сжатие, сварка, проковка, пауза). Величина и форма импульса тока (рис.3.2) регулируются изменением коэффициента трансформации и углом отпирания тиристоров TI и Т2.

 

 

Рис. 3.2. Формы импульса тока однофазных машин переменного тока

 

Приведенная на рис. 3.1 электрическая схема получения сварочного тока имеет наибольшее распространение и осуществлена в машинах точечной, рельефной, шовной и стыковой сварки. Преимущества данной схемы: простота преобразования энергии сети и широкие возможности регулирования длительности и значения сварочного тока, что позволяет сваривать детали из различных металлов с широким диапазоном толщин (сечений).

Принципиальная электрическая схема машины с накоплением энергии в конденсаторах приведена на рис.3.3.

 

 

Рис.3.3. Машина с накоплением энергии в конденсаторах

 

Батарея конденсаторов емкостью С заряжается от сети переменного тока через зарядное устройство ЗУ, состоящее из повышавшего трансформатора и выпрямителя, и зарядный резистор R₃ При переключении переключателя S зарядка конденсаторов прекращается и они разряжаются через первичную обмотку сварочного трансформатора ТС. Импульс разрядного тока (рис.3.4) определяется зарядным напряжением U₃, ёмкостью батареи конденсаторов С, а также коэффициентом трансформации К сварочного трансформатора ТС.

 

 

Рис. 3.4. Импульс разрядного тока конденсаторной машины

 

Конденсаторные машины широко используются для точечной и шовной сварки деталей малых толщин, для герметизации контактной сваркой корпусов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и др., а также для сварки деталей из лёгких сплавов.

 

4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

1. Изучить основные физические процессы, протекающие при контактной сварке (точечной и шовной).

2. Ознакомиться с примерами применения контактной сварки в различных машиностроительных металлоконструкциях.

3. Ознакомиться с конструкцией точечных, шовных машин и конденсаторных машин.

4. Изучить особенность электрооборудования контактных машин.

5. Ознакомиться с процессом контактной и шовной сварки образцов.

6. Произвести сварку образцов на точечной или шовной машинах.

7. Произвести исследования сварного соединения.

 

5. ОБОРУДОВАНИЕ, ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ

 

1. Сварочные контактные машины,

2. Образцы для сварки на точечных и шовных машинах.

3. Измерительный инструмент.

4. Электроизмерительные приборы и электронный осциллограф для определения цикла сварки и характера изменения электрических параметров процесса.

5. Средства индивидуальной защиты, (перчатки, фартуки).

 

6. ХОД  РАБОТЫ

 

1. Изучить основные физические процессы при контактной сварке и уяснить принцип получения источника теплоты, приводящий к образованию расплавленного ядра металла соединяемых деталей.

2. Изучить конструкцию и основные узлы точечной и шовной машин.

3. Изучить электрическую силовую часть контактной машины.

4. Ознакомиться с порядком подготовки контактных машин для проведения сварочных работ.

5. Выставить параметры режима сварки для заданной толщины свариваемых деталей.

6. Произвести сварку образцов.

7. С помощью электроизмерительных приборов и устройств опреде­лить параметры режима сварки.

8. Исследовать геометрические размеры сварного соединения.

 

7. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

1. Краткое описание сущности контактной сварки.

2. Устройство и электрические схемы контактных машин.

3. Данные по свариваемым металлам.

4. Параметры выбранных режимов сварки,

5. Результаты исследований сварных соединений,

6. Выводы.

 

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ИСПОЛНЕНИИ РАБОТЫ

 

Все студенты, выполняющие лабораторные работы, обязаны со­блюдать следующие правила техники безопасности,

1. Перед работой на машинах необходимо проверять надежность за­земления корпуса.

2. Во время работы на машинах дверцы и защитные кожухи должны быть закрыты.

3. Переставлять ножевые переключатели ступеней сварочного трансформатора только при отключенной машине.

4. Все работы, связанные с зачисткой, заправкой или сменой элек­тродов, роликов и губок, необходимо производить только при отключенной машине.

5. При работе на контактной машине запрещается вводить руки в пространство между электродами, роликами или губками.

6. При изучении конструкции машины необходимо отключить ее от сети и принять меры против возможной подачи напряжения к ней.

7. Подключение собранных электрических схем к машине (подключе­ние измерительной и фиксирующей аппаратуры) должно произво­диться только после разрешения преподавателя и в присутствии преподавателя или лаборанта.

8. Сварку на машине разрешается производить только в присутст­вии преподавателя или лаборанта, при этом необходимо надевать защитные очки, брезентовую куртку или передник и рука­вицы.

9. После окончания работы необходимо отключить машину, от сети, перекрыть все водяные и воздушные вентили.

 

Составители:

доктор техн. наук           Вячеслав Андреевич Ленивкин,

доктор техн. наук           Борис Львович Стрижаков

кандидат техн. наук       Владимир Михайлович Евченко