Перечислите основные виды контактной сварки. Укажите их достоинства и их применения, а также требования к электродам для контактной сварки.

Контактной сваркой называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части.

Количество выделяющейся теплоты (Дж) может быть определено по формуле

Q = 0,24*I*R*t,

где I - ток, A; R - сопротивление участка цепи в месте контакта деталей? Ом; t - продолжительность действия тока, с.

По основным параметрам контактной сварки - тока и его время действия - различают два режима процесса сварки: жесткий и мягкий. Жесткий режим характеризуется применением больших токов и малым временем процесса сварки. Такой режим применяется для сталей, чувствительных к нагреву и склонных к образованию закалочных структур, а также при сварке легкоплавких цветных металлов и их сплавов. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью процесса и постепенным нагревом свариваемого металла. Таким режимом пользуются при сварке углеродистых сталей, обладающих низкой чувствительностью к тепловому воздействию.

Контактная сварка является высокопроизводительным процессом и легко поддается механизации и автоматизации. Это способствует широкому применению контактной сварки в строительстве и промышленности, например для сварки стыковых и крестообразных соединений арматуры железобетонных конструкций; для сварки элементов листовых конструкций из углеродистой стали или алюминиевых сплавов; для соединения элементов стальных конструкций (балок, ферм, мачт и др.); для сварки труб, а также при электромонтажных работах для сварки медных и алюминиевых проводов.

Основными видами контактной сварки являются стыковая, точечная и шовная.

Стыковая контактная сварка

Стыковая контактная сварка - это сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по всей поверхности стыкуемых торцов. Принципиальная схема стыковой сварки представлена на рис. 1, где 1 - электроды-зажимы, 2 - свариваемые детали,                 3 - трансформатор.

Сварка может быть выполнена тремя способами: сопротивлением и оплавлением (непрерывным и прерывистым).

Сварка сопротивлением - способ, при котором чисто обработанные поверхности двух деталей приводят в плотное соприкосновение и включают сварочный ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производят осадку (сжатие) и одновременно выключают ток. Таким способом сваривают детали из низкоуглеродистых сталей, имеющих круглое или прямоугольное сечение с площадью до 1000 мм², и легированные стали площадью до 20 мм². Цветные металлы и их сплавы хорошо свариваются сваркой сопротивлением. Этим способом можно сваривать и разнородные металлы (сталь с медью, латунь с медью, различные сорта сталей). Сварка сопротивлением требует высокой чистоты свариваемых поверхностей и строгого контроля температуры нагрева (недостатки способа сварки). Поэтому этот способ не получил большого применения.

Сварка непрерывным оплавлением выполняется в такой последовательности. Детали, закрепленные в зажимах машины, плавным перемещением подвижного зажима приводят          в соприкосновение при включенном сварочном токе. При этом происходит оплавление свариваемых торцов деталей. Затем производят осадку на установленную величину и выключают ток. Такой способ применяют при сварке тонкостенных труб, листов, рельсов и др. Допускается сварка разнородных металлов. Достоинством сварки с непрерывным оплавлением является высокая производительность; недостатком - значительные потери металла на угар и разбрызгивание.

Сварка прерывистым оплавлением производится чередованием плотного и неплотного контакта свариваемых поверхностей деталей при включенном сварочном токе. Небольшие возвратно-поступательные движения подвижного зажима периодически замыкают сварочную цепь в месте контакта деталей до тех пор, пока торцы их не нагреются до температуры 800...900°С. Затем производят оплавление и осадку. Прерывистым оплавлением сваривают низкоуглеродистые стали в тех случаях, когда мощность машины недостаточна для производства сварки с непрерывным оплавлением. Этот способ также связан с дополнительным расходом металла, поэтому иногда подогрев производят способом сопротивления (включают ток при замкнутой сварочной цепи), а затем разводят детали и переходят к оплавлению и осадке.

Подготовка деталей к сварке зависит от принятого способа сварки. Сварка сопротивлением требует высокой точности обработки и плотности прилегания свариваемых поверхностей. Недостатки подгонки (перекос, зазор) приводят к неравномерному прогреву деталей, образованию оксидов и тем самым снижению качества сварного соединения. Свариваемые торцы деталей подвергают тщательной механической или химической очистке. Должны быть хорошо очищены также поверхности соприкосновения деталей с зажимным устройством стыковой машины для получения хорошего контакта (недостатки способа сварки).

Сварка оплавлением допускает менее тщательную обработку свариваемых торцов (достоинства способа сварки), чем при сварке сопротивлением, так как часть металла зоны сварки оплавляется. Детали под сварку могут нарезаться пресс-ножницами и даже кислородной резкой (с последующей очисткой от окалины и шлака). Допускаются большие отклонения размеров сечений (круглых - до 15%; прямоугольных - до 12 %) (достоинства способа сварки). Припуск расходуется на оплавление и осадку. Плотность тока, расход электроэнергии и необходимая мощность меньше (достоинства способа сварки), чем при сварке сопротивлением.

Точечная контактная сварка

Точечная контактная сварка - это сварка, при которой соединение элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия.

Свариваемые листы 2 (рис. 2) или стержни накладывают друг на друга и зажимают между металлическими электродами 3, к которым от трансформатора 4 подводится сварочный ток. Нагрев металла происходит при замыкании сварочной цепи. Наибольшее количество теплоты выделяется на участке наибольшего сопротивления цепи, т. е. в зоне соединения свариваемых листов (стержней). Здесь металл расплавляется. После выключения тока и осадки из образовавшейся жидкой металлической ванны кристаллизуется сварная точка 1. Подготовка поверхностей к сварке заключается в тщательной механической (абразивными материалами, пескоструйным аппаратом, металлической щеткой) или химической (травлением) очистке с обеих сторон от грязи, масла, оксидов. Хорошая очистка и плотное прилегание поверхностей обеспечивают высокое качество сварной точки.

Размеры сварной точки зависят от диаметра электрода, сварочного тока и продолжительности цикла сварки.

Точечная сварка получила большое применение при изготовлении различной арматуры железобетонных изделий; при изготовлении плоских и угловых сеток, а также различных пространственных каркасов. Сваривают пересекающиеся стержни или стержни с плоскими элементами листом, полосой, швеллером и др. В начальный момент контактируют небольшие поверхности и для быстрого разогрева достаточна небольшая мощность. Пластическая деформация контактируемых поверхностей приводит к увеличению площади соприкосновения. Вместе с этим происходит выдавливание из зоны контакта шлака и других неметаллических включений. Такое течение процесса позволяет при сварке стержней диаметром до 60 мм использовать машины относительно небольшой мощности.

Шовная контактная сварка

Шовная контактная сварка - это сварка, при которой соединение элементов выполняется внахлестку в виде непрерывного или прерывистого шва вращающимися дисковыми электродами, к которым подведен ток и приложено усилие сжатия.

На рис. 3 представлена принципиальная схема шовной сварки, где 1 - ролики; 2 - свариваемые листы; 3 – трансформатор.

Применяют три способа шовной сварки: непрерывную; прерывистую с непрерывным вращением роликов и прерывистую           с периодическим вращением роликов.

Непрерывную шовную сварку выполняют сплошным швом при постоянном давлении роликов на свариваемые листы заготовки и при постоянно включенном сварочном токе в течение всего процесса сварки. При этом способе имеют большое значение тщательная зачистка свариваемых поверхностей, равномерная толщина листов и однородность химического состава металла. Даже при небольших нарушениях подготовки свариваемых кромок сварной шов получается низкою качества с прожогами и непроварами (недостатки способа сварки). По указанным причинам этот метод сварки не получил широкого применения.

Прерывистую сварку с непрерывным вращением роликов также выполняют при постоянном давлении сжатия, но сварочная цепь периодически замыкается и размыкается. При этом способе шов формируется в виде сварных точек, перекрывающих друг друга. Шов получается более высокого качества (достоинства способа сварки).

Прерывистую сварку с периодическим вращением роликов выполняют при постоянном давлении сжатия, но сварочная цепь замыкается в момент остановки роликов (шаговая сварка). Такой способ дает более качественный шов, так как обеспечивает хорошее формирование сварочной точки (достоинства способа сварки). Однако машины для такого способа отличаются сложностью конструкции и малой производительностью (недостатки способа сварки).

Большое применение получила прерывистая шовная сварка с непрерывным вращением роликов при постоянном давлении сжатия в течение процесса сварки. Этим способом сваривают швы различных резервуаров и емкостей, а также конструкций из листового металла.

Разновидностью шовной сварки является шовно-стыковая сварка труб с продольным сварным швом (рис. 4). Из стальной ленты необходимой ширины специальными формирующими роликами подготавливают трубную заготовку 3        с верхним расположением стыка 4 кромок заготовки. Заготовка подается стыком под сварочные ролики 2, к которым подводится сварочный ток от трансформатора 1. Давление сжатия передается заготовке через нажимные ролики 5. После заварки шва производится его обработка фрезой, правка и разрезка заготовки на трубы заданных размеров. Этим способом изготовляют трубы диаметром 14...400 мм при толщине стенок           0,5-12,5 мм. Скорость сварки достигает 10... 15 м/мин.

Требования к электродам для контактной сварки

Электроды являются рабочим инструментом. От правильно выбранной конструкции инструмента и правильной эксплуатации (при прочих равных условиях) зависит его стойкость, производительность процесса сварки и качество сварного соединения.

Стойкость электродов определяется материалом и конструкцией инструмента, режимом сварки и условиями охлаждения электрода.

Электроды

Наиболее широко встречающиеся конструкции электродов имеют цилиндрический корпус, оканчивающийся с одной стороны рабочей поверхностью, изменяющейся в зависимости от свариваемого материала и его толщины, а с другой - посадочной частью, имеющей поверхностью, либо коническую поверхность (рис. 1), либо резьбу.

Диаметр корпуса электрода зависит от свариваемых толщин и увеличивается с их ростом. Увеличении диаметра улучшает условия охлаждения электрода Так как у электрода в большей степени изнашивается рабочая часть, непосредственно контактирующая со свариваемым металлом, рекомендуется в целях экономии электродною материала применять электроды, состоящие из корпуса и сменных вставок.

Вставки могут крепиться так же, как и сам корпус,             в свече, либо на резьбе, либо при помощи посадочного конуса.

В процессе эксплуатации таких электродов производится замена одних лишь вставок.

В электродах для сварки сталей и титана рекомендуется брать угол a=120°С при плоской рабочей поверхности, обеспечивающий достаточно высокую стойкость электродов.

Дальнейшее увеличение угла a нерационально, так как это может привести при небольшом износе электрода или небольшой волнистости листа к колебанию площади контакта между электродом и деталью, а, следовательно, и к получению нестабильных результатов по прочности сварных точек; при этом затрудняются условия сохранения заданного диаметра рабочей поверхности электрода. Уменьшение угла a также не всегда оправдано, так как при a=60°С, например, стойкость электродов снижается примерно в 2 раза.

Для сварки легких сплавов рекомендуется сферическая (рис. 6) рабочая поверхность электродов. При такой рабочей поверхности обеспечивается повышенное удельное давление па оси электрода, способствующее механическому разрушению окисной пленки. С увеличением толщины свариваемого материала соответственно увеличивается радиус сферы рабочей поверхности R.

Материалы для электродов контактных машин

От материала электродов контактных машин в значительной степени зависит производительность процесса сварки и качество сварного соединения. В процессе работы при нажатии на изделие материал электродов пластически деформируется при кратковременном действии повышенных температур. Сопротивление материала пластической деформации при сжатии в процессе кратковременного нагрева является одним из условий, определяющих стойкость электродов. Однако качество материала электрода определяется не только его сопротивлением пластической деформации, а также его тепло- и электропроводностью.

Недостаточная тепло- и электропроводность сплава вызывает повышенный нагрев и износ рабочей поверхности электрода, а также появление на свариваемой детали следов материала электрода, что может привести к возникновению местных очагов коррозии.

Таким образом, к материалам электродов контактных машин предъявляются два основных требования: достаточно высокое сопротивление пластической деформации                 при сжатии в процессе кратковременных нагревов и достаточно высокая тепло- и электропроводность для сварки данного материала. Дополнительно требуется отсутствие в материале дефицитных легирующих добавок в больших количествах и склонности к растрескиванию и выкрашиванию, технологичность сплава в процессе его изготовления, невысокая окисляемость при сварке (для, электродов стыковых машин) и т. д.

На стойкость материала электрода влияют и условия сварки: характер изменения сварочного тока, время сварки, частота импульсов и величина усилия на электродах.

Медь, применяемая до настоящего времени в качестве материала для электродов, не является жаропрочной, но обладает очень высокой тепло- и электропроводностью. Введение легирующих добавок снижает ее тепло- и электропроводность. Наименьшее влияние на снижение электропроводности оказывают добавки Cd и Ag. Кадмиевая бронза с содержанием до 1,2% Cd, упрочненная методом холодной деформации, применяется в промышленности достаточно широко. Сплавы меди с серебром из-за дороговизны серебра применяются значительно реже.

Высокой жаропрочностью и хорошими технологическими свойствами обладают слабо-гетерогенные медные сплавы с ограниченной растворимостью, имеющие в своем составе тугоплавкую легирующую добавку или тугоплавкое химическое соединение, не содержащее растворителя и не снижающее значительно температуру плавления сплава. Этим требованиям отвечает система Cu-Cr и особенно сплавы, содержащие, кроме хрома, другие легирующие добавки. К таким сплавам относятся: хромистая бронза, сплав Мц-5б, сплав Мц-4, идущие на изготовление электродов для точечных и роликовых машин, и др.

При выборе электродного сплава обычно руководствуются двумя правилами:

1) чем выше тепло- и электропроводность свариваемого материала (и, как следствие, чем выше плотность тока в контакте электрод-деталь), тем выше должна быть тепло- и электропроводность сплава во избежание повышенного нагрева и повреждения свариваемых деталей и электродов;

2) чем больше необходимое удельное давление на рабочей поверхности электрода, тем выше должна быть твердость сплава при повышенной температуре во избежание быстрого износа электродов. Поэтому при точечной сварке легких сплавов часто рекомендуют кадмиевую бронзу, обладающую повышенной тепло- и электропроводностью и позволяющую получать на изделии отпечатки от электродов, свободные от следов меди. Более прочный сплав Мц-5б позволяет получать лучшие результаты при сварке легких сплавов на машинах типа МТИП, дающих плавно нарастающий импульс сварочного тока.

При сварке малоуглеродистых, низколегированных и нержавеющих сталей, а также титана можно пользоваться такими сплавами как Мц-56, Мц-4, ЭВ и хромистая бронза, обладающих меньшей электро- и теплопроводностью, но большей твердостью при повышенных температурах, чем кадмиевая бронза.

К электродам стыковых машин, зажимающим свариваемые заготовки и подводящим          к ним ток, предъявляются меньшие требования в части электропроводности, но от них требуется большая жаропрочность и стойкость против окисления. Этим требованиям более полно удовлетворяют медные сплавы Мц-2 и Мц-3, имеющие в своем составе соответственно химические соединения Ni₂Si и NiBe. Допускается также применение сплавов Мц-4, Мц-5б, Мц-5, ЭВ (хромо-цинковая бронза) и хромистой бронзы. Если медь и кадмиевая бронза упрочняются лишь методом холодной деформации, то остальные из приведенных сплавов являются термически упрочняемыми.