Какими физическими параметрами определяются режимы контактной сварки. Настройка контактных машин. Электроды для точечной сварки

Это соединение металлов путем плавления и сжимания их при помощи тока в одной или нескольких точках. Современный аппарат контактной точечной сварки обеспечивает высокую производительность, качество и надежность работы, а также является экологически чистым, что тоже немаловажно. Данный вид сварки используется во многих сферах производства, очень часто, например, - при сварке металлических листов в автомобилестроении или на производстве для изготовления различных сеток и каркасов. Точечная сварка как процесс легко поддается механизации и автоматизации, позволяя снизить затраты на трудоемкий труд рабочих.

Оборудование контактной точечной сварки имеет разветвленную классификацию: машины делятся на стационарные и подвесные, с односторонним и двухсторонним подводом тока; с пневматическим и пневмогидравлическим механизмом сжатия электродов; по количеству одновременно свариваемых точек станок контактной сварки может быть одноточечным, двухточечным и многоточечным (последний - самый производительный).

Вне зависимости от типа и вида, всякая машина контактной точечной сварки имеет электрическую и механическую части, пневмо- или гидросистему и систему водяного охлаждения. Процесс сваривания осуществляется таким образом: металл нагревается в месте пересечения стержней, оплавляется и под действием сжимающих усилий происходит скрепление стержней. Прочность сварки в данном случае будет зависеть от размеров сварной точки, которые в свою очередь обусловлены формой и размерами контактной поверхности электродов, силой тока, временем его протекания, а также от силы сжатия и поверхности свариваемых деталей.

Станок точечной сварки целесообразно использовать, если требуется выполнить работы с деталями малых размеров. Контактная точечная сварка не слишком энергозатратный процесс, зато позволяет добиться высокой надежности соединений.

Принцип контактной сварки - обязательное использование в течение точно рассчитанного времени тепла и двустороннего давления.
Электрический ток возникает между двумя катодом и анодом, которые сжимают две металлические пластины. При этом в точке сжатия создается слой расплавленного металла, что обусловлено повышением температуры, вызванным сопротивлением металла электрическому току. Как правило, электроды изготовлены из сплава с высоким содержанием Cu, поскольку медь характеризуется меньшим сопротивлением электричеству. Дополнительным фактором, способствующим соединению и препятствующим выплеску жидкого металла из сварочной ванны, служит механическое давление, производимое катодом и анодом.

Оборудование контактной сварки состоит из следующих узлов:

• Сварочный трансформатор, заключенный в жесткий корпус;
• Электроды, подсоединенные к сварочному трансформатору проводниками;
• Узел передачи давления электродов на соединяемые пластины;
• Узел регулировки сварочного тока;
• Реле, прерывающее подачу электроэнергии на трансформатор;
• Устройство контроля времени (таймер);
• Радиатор для водяного охлаждения электродов.

Металлы, используемые в промышленности, имеют разные характеристики сопротивления электрическому току. Разнится и время, необходимое для расплавления металла в точке соприкосновения.

Аппарат контактной точечной сварки устроен таким образом, что весь процесс протекает в четыре этапа:

• Сжатие без подачи электрического тока;
• Подача сварочного тока;
• Удержание, при котором электроды остаются в прежнем положении после отключения сварочного тока и продолжают оказывать механическое давление;
• Отключение.

Сварочный аппарат контактной точечной сварки может быть двух типов - трансформатор и выпрямитель. В первом случае устройство работает от сети переменного тока. Трансформатор, входящий в схему, преобразовывает высокое электрическое напряжение в низкое (1,0 - 25,0 V). Второй тип оборудования использует принцип выпрямления переменного электрического тока и преобразования его в постоянный. Данные устройства более эффективны, поскольку возможно продуцирование более высокого сварочного тока. Кроме этого, выпрямители менее требовательны к первичному электропитанию.
Обязательным условием качественной сварки является контроль времени воздействия и механического давления, оказываемого сварочными электродами.

Способом контактной точечной сварки соединяют следующие металлы:

• Холоднокатаная сталь;
• Сталь с токопроводящим покрытием;
• Хромоникелевая сталь;
• Алюминиевые сплавы;
• Медные сплавы - только тонкие листы с обязательным тестированием.

Особенности применения разных способов контактной сварки

В настоящее время одним из самых производительных методов получения неразъемных соединений является контактная сварка . Применяется оборудование, в том числе машина точечной сварки, в различных отраслях промышленности, благодаря методу можно достичь высокой степени механизации, автоматизации, роботизации производства. Любой аппарат контактной сварки использует следующий принцип - кратковременный нагрев деталей до пластичности электрическим током с одновременным применением усилия сжатия. Скорость нагрева и пластической деформации при этом высока. В промышленности распространены несколько способов контактной сварки. Аппарат точечной сварки используется приблизительно в 80-ти процентах соединений. Метод широко применяют в радиоэлектронике, производстве автомобилей, вагоно- и самолетостроении, строительстве. К примеру, конструкция современного авиалайнера насчитывает миллионы сварных точек. Толщины свариваемых деталей варьируют от нескольких микрон до 0,03 м.

Стыковая сварка, занимая второе место (около 10%) оплавлением применима в строительстве трубопроводов, железнодорожных путей, автомобильной промышленности. С помощью метода соединяют бесстыковые ж/д- пути, трубы разного диаметра, ободья колес. Диапазон используемых материалов достаточно широк - конструкционные стали, латунь, сплавы цветных металлов.

На третье место по области применения (~ 7%) выходит шовная контактная сварка. Особенно хорошо себя зарекомендовал метод при производстве герметичных резервуаров, в том числе таких, которые предполагается использовать под давлением. С помощью шовной сварки изготавливают топливные баки самолетов, автомобилей, плоские отопительные радиаторы, емкости стиральных машин, холодильные шкафы и пр. Метод позволяет получать надежные соединения, способные выдерживать высокие нагрузки в условиях вакуума или крайне высокого давления. Метод стыковой сварки сопротивлением используется с ограничениями, поскольку равномерный нагрев торцевых окончаний обеспечить не удается. Вследствие этого надежный контакт по всей поверхности стыка не может быть получен. Применяют способ при соединении изделий малого круглого сечения (проволоки, стрежней, труб и пр.). Около 3% соединений приходится на рельефную сварку. Как пример использования метода, можно указать: в автомобилестроении - крепление к капоту транспортных средств скобы; в радиоэлектронике - крепление к тонким деталям проволоки и пр.

В.Г. Квачев (Институт кибернетики АН УССР)

Контактная точечная сварка - один из самых производительных способов соединения металлов. В связи с широким использованием ее в массовом производстве и отсутствием совершенных методов неразрушающего контроля особое значение приобретает строгое соблюдение требований, предъявляемых к технологическому процессу на этапах подбора режима, подготовки материалов под сварку, сборки деталей и т.д. При этом подбор оптимального режима сварки определяет воспроизводимость заданного качества соединений. Нетрудно показать, что при прочих равных условиях и постоянной колеблемости основных параметров режима функция стабильности качества y = f ( x 1, x 2… x n ) - параметры режима, зависит от соотношения этих параметров и имеет максимум в области оптимальных режимов сварки.

При точечной сварке материала определенной толщины режим задается временными зависимостями сварочного тока I св (t) и усилия сжатия F c ж ( t ), а также размерами и формой контактной поверхности электродов.

Рядом исследователей предложены формулы для расчета тока, как основного параметра, обусловливающего выделение тепла при сварке . Однако попытки их практического использования сопряжены с известными трудностями, вызванными сложностью расчетов и несовпадением полученных данных с практическими результатами . В последнее время для определения режимов сварки применяют теорию подобия или метод обобщенных переменных .

Однако существующие аналитические методы позволяют лишь предварительно оценить область изменения параметров режима, окончательный выбор которых требует существенного экспериментального корректирования.

Результаты корректирования расчетных и табличных значений параметров практически всецело зависят от квалификации технолога- сварщика, его опыта и методики, используемой при подборе режима. Естественно, такой подход привносит субъективный фактор, что зачастую приводит к непроизводительным затратам времени и материалов.

Выбор и корректирование режимов сварки - типичная задача оптимизации, т.е. нахождения наилучших в определенном смысле значений параметров режима. При заданном критерии качества (обычно это диаметр ядра (d я или разрывное усилие) задача оптимизации заключается в определении параметров, принадлежащих некоторой области допустимых значений и обеспечивающих экстремум выбранного критерия.

При наличии аналитической зависимости между управляющими параметрами режима и критерием качества решение этой задачи не составляет особого труда. Однако недостаточная изученность процесса сварки, большое количество параметров и случайный характер возмущений не позволяют получить достаточно точного аналитического описания. Поэтому оптимальные параметры режима могут быть определены с помощью методов математического планирования экспериментов, основанных на обработке данных, которые получены непосредственно на действующем объекте. При этом в отличие от аналитического исследования осуществляется локальное изучение поверхности отклика по результатам некоторого набора экспериментов, В результате ряда последовательных процедур изучения поверхности отклика получают его экстремальное значение, причем эксперименты планируются таким образом, чтобы минимизировать количество опытов и время, затрачиваемое на поиск экстремума. Обычно наиболее эффективно использование факторных методов планирования, получивших в последнее время широкое распространение при исследовании технологических процессов.

Для решения поставленной задачи был применен метод последовательного симплекс-планирования . Основная идея его заключается в том, что поверхность отклика в некоторой области аппроксимируется линейным приближением с помощью минимального числа экспериментальных точек, образующих симплекс, и движение по этой поверхности в поисках оптимального значения осуществляется путем отбрасывания вершины симплекса с меньшим откликом и построения новой, являющейся зеркальным отображением отброшенной. Это позволяет совместить процесс из учения поверхности отклика с перемещением по ней. Достигнув области экстремума, симплекс начинает вращение вокруг вершины максимальным откликом. Это свидетельствует о том, что все остальные вершины, определяемые соотношением исходных параметров, дают меньший по сравнению с дентальной выход и используются для определения окончания процесса оптимизации.

Более подробное описание алгоритма метода симплекс-планирования будет рассмотрено ниже. Здесь же необходимо отметить основные достоинства, обусловившие выбор этого метода для решения задачи:

1) использование его не требует специальных математических знаний. Вычисления крайне просты, все приемы формализованы, поэтому метод пригоден как для ручной, так для машинной реализации;

2) направление движения определяется не точными количественными значениями отклика, а лишь соотношением между ними. Это особенно важно в случае затруднений при измерении показателя качества сварки;

3) ввиду того, что перемещение симплекса основывается на качественной информации не нужно предъявлять слишком высокие требования к точности поддержания и измерения значений параметров, соответствующих координатам вершин. Это позволяет использовать метод непосредственно в производственных условиях, где измерение и поддержание значений параметров с высокой точностью затруднены.

Ниже на примере выбора оптимального режима точечной сварки материала Д16АМ мм на низкочастотной машине показана методика применения симплекс-планирования. Эксперимент планировался для двух независимых переменных режима: максимального значения импульса сварочного тока I св max и усилия сжатия электродов F сж . Остальные параметры (время сварки, диаметр электро да d э радиус его заточки R з и т.д.) поддерживались на заданном уровне.

На основании данных таблиц рекомендованных режимов выбирались диапазон изменения каждой из переменных: 25 кА I св max 35 кА, 280 кг сж 400 кг – интервал варьирования ; величина кА, кг.

В качестве критерия оптимизации принимали диаметр ядра сварной точки. Переменные режима измерялись с помощью специализированной аппаратуры .

Симплексом, как известно, называется простейшая выпуклая геометрическая фигура, обладающая минимальным количеством вершин n +1, где n - число исследуемых переменных. В рассматриваемом случае при n =2 регулярный симплекс представляет собой равносторонний треугольник, координаты вершин которого в пространстве исследуемых переменных определяют план опытов.

Начальный симплекс строился для режима I св max = 175. F сж = 120 . Ввиду того что предварительная оценка направления движения затруднена, ориентация первоначального симплекса произвольна. Поэтому расположим его сторону А 1 – А 2 параллельно оси тока (рисунок, а). Учитывая выбранные интервалы варьирования параметров и пользуясь матрицей планирования , строим начальный симплекс A 1 A 2 A 3 . Результаты опытов в вершинах симплекса (табл. 1) показали, что минимальное значение диаметра ядра дает режим, определяемый точкой А 2 . Поэтому для осуществления движения в направлении увеличения отклика необходимо отбросить точку А 2 и на оставшейся стороне А 1 –А 3 достроить новый симплекс путем добавления точки А 4 .

Координаты новой точки определяются следующим соотношением:

A ji =2/n (A 1i + A 2i + …+ A ji + …+ A k +1. i ) - A ji

i =1, 2, 3,…, k .

Здесь первый индекс обозначает номер вершины симплекса, а второй - ее координату: j - номер вершины с минимальным откликом. Для рассматриваемого случая координаты точки А 4 вычисляются так:

A 4 (F сж )=2/2 [ A 1 (F сж )+ A 3 (F сж )]– A 2 (F сж );

A 4 (I св max )=2/2 –A 2 (I св max ).

После проведения эксперимента в точке A 4 производится сравнительная оценка диаметра ядра для режимов A 1 , A 3 , A 4 . Точка симплекса с минимальным выходом отбрасывается и описанная процедура повторяется.

Рис. Траектория движения симплекса при определении оптимального режима сварки (d э =20мм, R з =75мм)

А - сплава Д16АМ; б – сплава АМг6; в – нержавеющей стали 1Х18Н9Т

Как видно из рисунка и табл. 1, после достижения симплексом точки А 8 поступательное движение прекратилось.

Таблица 1

При сварке на режиме, определяемом точкой А 10 , диаметр ядра увеличился, но при этом произошел выплеск. Следующий симплекс был построен на стороне А 8 …А 10 , и эксперимент, проведенный в точке А 11 , также привел к выплеску. Завершающий опыт в вершине А 12 дал существенно меньшие размеры диаметра ядра по сравнению с режимом, определяемым точкой А 8 .

После завершения цикла вращения симплекса вокруг вершины А 8 оказалось, что режимы A 9 , A 10 , A 11 , A 12 дают меньший диаметр ядра либо приводят к выплескам.

Для уточнения координат оптимального режима в точке А 8 был проведен ряд опытов, которые дали хорошую воспроизводимость результатов. Таким образом, в качестве оптимального был определен режим, соответствующий вершине А 8 с координатами I св max =190, F сж =104.

Аналогичный эксперимент по выбору оптимального режима сварки был проведен также для материалов АМг6 и 1Х18Н9Т мм . Траектории движения симплексов для них приведены на рис. б и в. В табл. 2 указаны оптимальные режимы в натуральных единицах.

Таблица 2

Литература

1. А.С. Гельман, Технология и оборудование контактной сварки, Машгиз, М., 1960.

2. К.А. Кочергин, Вопросы теории контактной сварки, Машгиз, М, - Л., 1950.

2. Г.Ф. Скакун, А.А. Чакалаев, К вопросу расчета некоторых параметров режима точечной сварки легких сплавов, сб. «Надежность сварных соединений и конструкций», «Машиностроение», М, 1967.

3. В.К . Лебедев, Ю.Д. Яворский, Применение критериев подобия для определения режимов сварки, «Автоматическая сварка», № 8, 1960.

4. В.В. Налимов, Н.А. Чернова, Статистические методы планирования экстремальных экспериментов, «Наука», М., 1965.

5. Б.Е. Патон и др., Автоматизация экспериментальных исследований сварочных процессов, «Автоматическая сварка», № 6, 1970.

6. П.В. Ермуратский, Симплексный метод оптимизации, «Труды МЭИ», вып. 67, 1966.

Точечная сварка является разновидностью контактной сварки. При этом способе, нагрев металла до температуры его плавления осуществляется теплом, которое образуется при прохождении большого электрического тока от одной детали к другой через место их контакта. Одновременно с пропусканием тока и некоторое время спустя после него производится сжатие деталей, в результате чего происходит взаимное проникновение и сплавление нагретых участков металла.

Особенностями контактной точечной сварки являются: малое время сварки (от 0,1 до нескольких секунд), большой сварочный ток (более 1000А), малое напряжение в сварочной цепи (1-10В, обычно 2-3В), значительное усилие сжимающее место сварки (от нескольких десятков до сотен кг), небольшая зона расплавления.

Точечную сварку чаще всего применяют для соединения листовых заготовок внахлестку, реже - для сварки стержневых материалов. Диапазон толщин, свариваемых ею, составляет от нескольких микрометров до 2-3 см, однако чаще всего толщина свариваемого металла варьируется от десятых долей до 5-6 мм.

Кроме точечной, существуют и другие виды контактной сварки (стыковая, шовная и пр.), однако точечная сварка является наиболее распространенной. Она применятся в автомобилестроении, строительстве, радиоэлектронике, авиастроении и многих других отраслях. При строительстве современных лайнеров, в частности, производится несколько миллионов сварных точек.

Заслуженная популярность

К недостаткам можно отнести отсутствие герметичности шва и концентрацию напряжений в точке сварки. Причем последние могут быть значительно уменьшены или вообще устранены особыми технологическими приемами.

Последовательность процессов при контактной точечной сварке

• Сжатие деталей, вызывающее пластическую деформацию микронеровностей в цепочке электрод-деталь-деталь-электрод.
• Включение импульса электрического тока, приводящего к нагреву металла, его расплавлению в зоне соединения и образованию жидкого ядра. По мере прохождения тока ядро увеличивается по высоте и диаметру до максимальных размеров. Происходит образование связей в жидкой фазе металла. При этом продолжается пластическая осадка контактной зоны до окончательного размера. Сжатие деталей обеспечивает образование уплотняющего пояса вокруг расплавленного ядра, который препятствует выплеску металла из зоны сварки.
• Выключение тока, охлаждение и кристаллизация металла, заканчивающаяся образованием литого ядра. При охлаждении объем металла уменьшается, и возникают остаточные напряжения. Последние являются нежелательным явлением, с которым борются различными способами. Усилие, сжимающее электроды, снимается с некоторой задержкой после отключения тока. Это обеспечивает необходимые условия для лучшей кристаллизации металла. В некоторых случаях в заключительной стадии контактной точечной сварки рекомендуется даже увеличивать усилие прижима. Оно обеспечивает проковывание металла, устраняющее неоднородности шва и снимающее напряжения.

При следующем цикле все повторяется снова.

Основные параметры контактной точечной сварки

Различают жесткий и мягкий режимы сварки. Первый характеризуется большим током, малой продолжительностью токового импульса (0,08-0,5 секунд в зависимости от толщины металла) и большой силой сжатия электродов. Его применяют для сварки медных и алюминиевых сплавов, обладающих большой теплопроводностью, а также высоколегированных сталей для сохранения их коррозионной стойкости.

При мягком режиме производится более плавный нагрев заготовок относительно небольшим током. Продолжительность сварочного импульса составляет от десятых долей до нескольких секунд. Мягкие режимы показаны для сталей, склонных к закалке. В основном именно мягкие режимы используются для контактной точечной сварки в домашних условиях, поскольку мощность аппаратов в этом случае может быть ниже, чем при жесткой сварке.

Размеры и форма электродов . С помощью электродов осуществляется непосредственный контакт сварочного аппарата с деталями, подвергаемыми сварке. Они не только подводят ток в зону сварки, но и передают сжимающее усилие и отводят тепло. Форма, размеры и материал электродов являются важнейшими параметрами аппаратов для точечной сварки.

В зависимости от их формы электроды подразделяются на прямые и фигурные. Наиболее распространены первые, они применяются для сварки деталей, допускающих свободный доступ электродов в свариваемую зону. Их размеры стандартизованы ГОСТом 14111-90, который устанавливает такие диаметры электродных стержней: 10, 13, 16, 20, 25, 32 и 40 мм.

По форме рабочей поверхности существуют электроды с плоскими и сферическими наконечниками, характеризуемыми соответственно значениями диаметра (d) и радиуса (R). От величины d и R зависит площадь контакта электрода с деталью, влияющая на плотность тока, давление и величину ядра. Электроды со сферической поверхностью имеют большую стойкость (способны сделать больше точек до переточки) и менее чувствительны к перекосам при установке, чем электроды с плоской поверхностью. Поэтому со сферической поверхностью рекомендуется изготовлять электроды, используемые в клещах, а также фигурные электроды, работающие с большими прогибами. При сварке легких сплавов (например, алюминия, магния) применяют только электроды со сферической поверхностью. Использование для этой цели электродов с плоской поверхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверхности точек и повышенным зазорам между деталями после сварки. Размеры рабочей поверхности электродов выбирают в зависимости от толщины свариваемых металлов. Следует отметить, что электроды со сферической поверхностью могут быть использованы практически во всех случаях точечной сварки, электроды же с плоской поверхностью очень часто неприменимы.

Посадочные части электродов (места соединяемые с электродержателем) должны обеспечивать надежную передачу электрического импульса и усилие прижима. Часто они выполняются в виде конуса, хотя существуют и другие виды соединений - по цилиндрической поверхности или резьбе.

Очень важное значение имеет материал электродов, определяющий их электрическое сопротивление, теплопроводность, термостойкость и механическую прочность при высоких температурах. В процессе работы электроды нагреваются до больших температур. Термоциклический режим работы, совместно с механической переменной нагрузкой, вызывает повышенный износ рабочих частей электродов, результатом чего становится ухудшение качества соединений. Чтобы электроды были в состоянии противостоять тяжелым условиям работы, их делают из специальных медных сплавов, обладающих жаропрочностью и высокой электро- и теплопроводностью. Чистая медь также способна работать в качестве электродов, однако она обладает низкой стойкостью и требует частых переточек рабочей части.

Сила сварочного тока . Сила сварочного тока (I СВ) - один из основных параметров точечной сварки. От нее зависит не только количество тепла, выделяющегося в зоне сварки, но и градиент его увеличения по времени, т.е. скорость нагрева. Напрямую зависят от I СВ и размеры сварного ядра (d, h и h 1), увеличивающиеся пропорционально увеличению I СВ.

Необходимо отметить, что ток, который протекает через зону сварки (I СВ), и ток, протекающий во вторичном контуре сварочной машины (I 2), различаются между собой - и тем больше, чем меньше расстояние между сварными точками. Причиной этого является ток шунтирования (I ш), протекающий вне зоны сварки - в том числе и через ранее выполненные точки. Таким образом, ток в сварочной цепи аппарата должен быть больше сварочного тока на величину тока шунтирования:

I 2 = I СВ + I ш

Для определения силы сварочного тока можно пользоваться разными формулами, которые содержат различные эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем. В случаях, когда точное определение сварочного тока не требуется (что и бывает чаще всего), его значение принимают по таблицам, составленным для разных режимов сварки и различных материалов.

Увеличение времени сварки позволяет сваривать токами намного меньшими, чем приведенные в таблице для промышленных аппаратов.

Время сварки . Под временем сварки (t СВ) понимают продолжительность импульса тока при выполнении одной сварной точки. Вместе с силой тока, оно определяет количество теплоты, которое выделяется в зоне соединения при прохождении через нее электрического тока.

При увеличении t СВ повышается проплавление деталей и растут размеры ядра расплавленного металла (d, h и h 1). Одновременно с этим увеличивается и теплоотвод из зоны плавления, разогреваются детали и электроды, происходит рассеивание тепла в атмосферу. При достижении определенного времени может наступить состояние равновесия, при котором вся подводимая энергия отводится из зоны сварки, не увеличивая проплавление деталей и размер ядра. Поэтому увеличение t СВ целесообразно только до определенного момента.

При точном расчете продолжительности сварочного импульса должны учитываться многие факторы - толщина деталей и размер сварной точки, температура плавления свариваемого металла, его предел текучести, коэффициент аккумуляции тепла и пр. Есть сложные формулы с эмпирическими зависимостями, по которым при необходимости осуществляют расчет.

На практике чаще всего время сварки принимают по таблицам, корректируя при необходимости принятые значения в ту или иную сторону в зависимости от полученных результатов.

Усилие сжатия . Усилие сжатия (F СВ) оказывает влияние на многие процессы контактной точечной сварки: на пластические деформации, происходящие в соединении, на выделение и перераспределение тепла, на охлаждение металла и его кристаллизацию в ядре. С увеличением F СВ увеличивается деформация металла в зоне сварки, уменьшается плотность тока, снижается и стабилизируется электрическое сопротивление на участке электрод-детали-электрод. При условии сохранения размеров ядра неизменными, прочность сварных точек с ростом усилия сжатия возрастает.

При сварке на жестких режимах применяют более высокие значения F СВ, чем при мягкой сварке. Это связано с тем, что при увеличении жесткости возрастает мощность источников тока и проплавление деталей, что может приводить к образованию выплесков расплавленного металла. Большое усилие сжатия как раз и призвано воспрепятствовать этому.

Как уже отмечалось, для проковки сварной точки с целью снятия напряжений и повышения плотности ядра, технология контактной точечной сварки в некоторых случаях предусматривает кратковременное увеличение силы сжатия после отключения электрического импульса. Циклограмма в этом случае выглядит следующим образом.

При изготовлении простейших аппаратов контактной сварки для домашнего пользования нет большого резона заниматься точными расчетами параметров. Ориентировочные значения диаметра электродов, сварочного тока, времени сварки и усилия сжатия можно взять из таблиц, имеющихся во многих источниках. Нужно только понимать, что данные в таблицах являются несколько завышенными (или заниженными, если иметь в виду время сварки) по сравнению с теми, которые подойдут для домашних аппаратов, где обычно используются мягкие режимы.

Подготовка деталей к сварке

Высокие требования предъявляются к качеству поверхности деталей из алюминиевых и магниевых сплавов. Целью подготовки поверхности под сварку является удаление без повреждения металла относительно толстой пленки окислов с высоким и неравномерным электрическим сопротивлением.

Оборудование для точечной сварки

• машины для сварки переменным током;
• аппараты низкочастотной точечной сварки;
• машины конденсаторного типа;
• машины сварки постоянным током.

Каждый из этих типов машин имеет свои преимущества и недостатки в технологическом, техническом и экономическом аспектах. Наибольшее распространение получили машины для сварки переменным током.

Машины контактной точечной сварки переменного тока . Принципиальная схема машин для точечной сварки переменным током представлена на рисунке ниже.

Напряжение, при котором осуществляется сварка, формируется из напряжения сети (220/380В) с помощью сварочного трансформатора (ТС). Тиристорный модуль (КТ) обеспечивает подключение первичной обмотки трансформатора к питающему напряжению на необходимое время для формирования сварочного импульса. С помощью модуля можно не только управлять продолжительностью времени сварки, но и осуществлять регулирование формы подаваемого импульса за счет изменения угла открытия тиристоров.

Если первичную обмотку выполнить не из одной, а нескольких обмоток, то, подключая их в различном сочетании друг с другом, можно менять коэффициент трансформации, получая различные значения выходного напряжения и сварочного тока на вторичной обмотке.

Кроме силового трансформатора и тиристорного модуля, машины контактной точечной сварки переменного тока имеют набор управляющего оборудования - источник питания для системы управления (понижающий трансформатор), реле, логические контроллеры, панели управления и пр.

Конденсаторная сварка . Сущность конденсаторной сварки заключается в том, что сначала электрическая энергия относительно медленно накапливается в конденсаторе при его зарядке, а затем очень быстро расходуется, генерируя токовый импульс большой величины. Это позволяет производить сварку, потребляя из сети меньшую мощность по сравнению с обычными аппаратами для точечной сварки.

Кроме этого основного преимущества, конденсаторная сварка имеет и другие. При ней происходит постоянное контролируемое расходование энергии (той, которая накопилась в конденсаторе) на одно сварное соединение, что обеспечивает стабильность результата.

Сварка происходит за очень короткое время (сотые и даже тысячные доли секунды). Это дает концентрированное выделение тепла и минимизирует зону термического влияния. Последнее достоинство позволяет использовать её для сварки металлов с высокой электро- и теплопроводностью (медных и алюминиевых сплавов, серебра и др.), а также материалов с резко различающимися теплофизическими свойствами.

Жесткая конденсаторная микросварка используется в радиоэлектронной промышленности.

Количество энергии, накопленное в конденсаторах, можно рассчитать по формуле:

W = C U 2 /2

где С - емкость конденсатора, Ф; W - энергия, Вт; U - зарядное напряжение, В. Изменяя величину сопротивления в зарядной цепи, регулируют время зарядки, зарядный ток и потребляемую из сети мощность.

Дефекты контактной точечной сварки

Качество сварки зависит от приобретенного опыта, который сводится в основном к выдерживанию необходимой продолжительности токового импульса на основании визуального наблюдения (по цвету) за сварной точкой.

Правильно выполненная сварная точка расположена по центру стыка, имеет оптимальный размер литого ядра, не содержит пор и включений, не имеет наружных и внутренних выплесков и трещин, не создает больших концентраций напряжения. При приложении усилия на разрыв, разрушение конструкции происходит не по литому ядру, а по основному металлу.

Дефекты точечной сварки подразделяются на три типа:

• отклонения размеров литой зоны от оптимальных, смещение ядра относительно стыка деталей или положения электродов;
• нарушение сплошности металла в зоне соединения;
• изменение свойств (механических, антикоррозионных и др.) металла сварной точки или прилегающих к ней областей.

Наиболее опасным дефектом считается отсутствие литой зоны (непровар в виде "склейки"), при котором изделие может выдерживать нагрузку при невысокой статической нагрузке, но разрушается при действии переменной нагрузки и колебаниях температуры.

Прочность соединения оказывается сниженной и при больших вмятинах от электродов, разрывах и трещинах кромки нахлестки, выплеске металла. В результате выхода литой зоны на поверхность, снижаются антикоррозионные свойства изделий (если они были).

Непровар полный или частичный, недостаточные размеры литого ядра . Возможные причины: мал сварочный ток, слишком велико усилие сжатия, изношена рабочая поверхность электродов. Недостаточность сварочного тока может вызываться не только его малым значением во вторичном контуре машины, но и касанием электрода вертикальных стенок профиля или слишком близким расстоянием между сварными точками, приводящим к большому шунтирующему току.

Дефект обнаруживается внешним осмотром, приподниманием кромки деталей пробойником, ультразвуковыми и радиационными приборами для контроля качества сварки.

Наружные трещины . Причины: слишком большой сварочный ток, недостаточная сила сжатия, отсутствие усилия проковки, загрязненная поверхность деталей и/или электродов, приводящая к увеличению контактного сопротивления деталей и нарушению температурного режима сварки.

Дефект можно обнаружить невооруженным глазом или с помощью лупы. Эффективна капиллярная диагностика.

Разрывы у кромок нахлестки . Причина этого дефекта обычно одна - сварная точка расположена слишком близко от края детали (недостаточна нахлестка).

Обнаруживается внешним осмотром - через лупу или невооруженным глазом.

Глубокие вмятины от электрода . Возможные причины: слишком малый размер (диаметр или радиус) рабочей части электрода, чрезмерно большое ковочное усилие, неправильно установленные электроды, слишком большие размеры литой зоны. Последнее может являться следствием превышения сварочного тока или длительности импульса.

Внутренний выплеск (выход расплавленного металла в зазор между деталями) . Причины: превышены допустимые значения тока или длительности сварочного импульса - образовалась слишком большая зона расплавленного металла. Мало усилие сжатия - не создался надежный уплотняющий пояс вокруг ядра или образовалась воздушная раковина в ядре, вызвавшая вытекание расплавленного металла в зазор. Неправильно (несоосно или с перекосом) установлены электроды.

Определяется методами ультразвукового или рентгенографического контроля или внешним осмотром (из-за выплеска может образоваться зазор между деталями).

Наружный выплеск (выход металла на поверхность детали) . Возможные причины: включение токового импульса при несжатых электродах, слишком большое значение сварочного тока или продолжительности импульса, недостаточное усилие сжатия, перекос электродов относительно деталей, загрязнение поверхности металла. Две последние причины приводят к неравномерной плотности тока и расплавлению поверхности детали.

Определяется внешним осмотром.

Внутренние трещины и раковины . Причины: слишком велики ток или продолжительность импульса. Загрязнена поверхность электродов или деталей. Мала сила сжатия. Отсутствует, опаздывает или недостаточно ковочное усилие.

Усадочные раковины могут возникать во время охлаждения и кристаллизации металла. Чтобы воспрепятствовать их возникновению, необходимо повышать силу сжатия и применять проковывающее сжатие в момент охлаждения ядра. Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Смещение литого ядра или его неправильная форма . Возможные причины: неправильно установлены электроды, не очищена поверхность деталей.

Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Прожог . Причины: наличие зазора в собранных деталях, загрязнение поверхности деталей или электродов, отсутствие или малое усилие сжатия электродов во время токового импульса. Во избежание прожогов ток должен подаваться только после приложения полного усилия сжатия. Определяется внешним осмотром.

Исправление дефектов . Способ исправления дефектов зависит от их характера. Самым простым является повторная точечная или иная сварка. Дефектное место рекомендуется вырезать или высверлить.

При невозможности сварки (из-за нежелательности или недопустимости нагрева детали), вместо дефектной сварной точки можно поставить заклепку, высверлив место сварки. Применяются и другие способы исправления - зачистка поверхности в случае наружных выплесков, термическая обработка для снятия напряжений, правка и проковка при деформации всего изделия.

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.

Основные сведения об изделии и технические данные.
Регуляторы контактной сварки РКС-502 и РКС-801, в дальнейшем именуемые "регуляторы", предназначены для комплектации контактных электросварочных машин.
Регуляторы обеспечивают:

Управление последовательностью действий однофазных машин точечной сварки, имеющих контактор и клапан (для регулятора РКС-801 - два клапана) постоянного тока;

Регулирование длительности позиций сварочного цикла с цифровым отсчетом;

Управление тиристорным контактором и регулирование величины сварочного тока;

Автоматическую настройку на коэффициент мощности cosφ с изменением полярности включения первой полуволны сварочного тока;

Стабилизацию действующего значения сварочного тока при колебаниях напряжения питающей сети.

Управление регулятором проводится путем замыкания и размыкания контактов педали сварочной машины.

Принцип работы регулятора

Рассмотрим работу регуляторов в режиме "Одиночная сварка".

При подаче на регулятор напряжения питания зажигается индикатор " " на передней панели. Счетчики и триггеры блоков цикла и счета устанавливаются в ноль с помощью цепочки на транзисторах VT7, VT8 на блоке счета. С помощью схемы собранной на элементах VT1, VT2, D2, VT3, VT4, VT5, VT6, D3, вырабатываются и формируются тактовые импульсы.

При замыкании контактов педали сварочной машины инвертор на VT9 опрокидывается и сигнал подается на блок цикла на D10.3, запускается триггер D3.8 "Предварительное сжатие". Одновременно, на блоке счета счетчик D6 вырабатывает импульсы счета для позиций "XI", a D8 для "XI0". При совпадении количества импульсов на дешифраторах D7 (для "XI") и D9 (для "Х10") с количеством периодов, установленных на переключателе позиций "Предварительное сжатие", в блок цикла поступает сигнал, запускающий счет позиции "Сжатие". Аналогичным образом работают остальные режимы схемы.

При постоянно замкнутых контактах педали автоматически повторяется сварочный цикл, если переключатель "Режим работы" регулятора установлен в положении "Серия сварок", и дает только один цикл в положении "Одиночная сварка". В режиме "Серия сварок" выдержка "Предварительное сжатие" исключается после прохождения первого сварочного цикла. При размыкании педали после прохождения выдержки "Сжатие" обеспечивается прохождение полного сварочного цикла. В случае размыкания педали на выдержке "Сжатие" сварочный цикл прекращается, сварочная машина возвращается в состояние ожидания.

Индикация прохождения сварочного цикла осуществляется с помощью индикаторов, установленных на лицевой панели.

Для регулятора РКС-502 на блоке счета имеется схема на элементах D5.1, D4.3, D3.6, которая с помощью переключателя "Х4" позволяет увеличить длительность одновременно всех позиций цикла в 4 раза. (Для регулятора РКС-801 элементы D1.2, D4.1, D4.2, переключатель "Х2" и увеличение длительности позиций в 2 раза соответственно)

Для работы регулятора по циклу длительность каждой выдержки должна быть не менее "01" (1 периода). Длительность "00" является запрещенной.

Схема блока стабилизаторов является типовой, ее принцип работы приведен в справочниках и специального описания не требует.

Блок регулировки тока обеспечивает формирование импульсов управления тиристорным контактором, автоматическую регулировку cosφ и стабилизацию сварочного тока. Сигнал с первичной цепи силового трансформатора контактной машины через промежуточный трансформатор попадает на диодный мост VD17-VD20, формируется на элементах VT12, D4.6, D5.4, Dl.l, D2.1, сдвигается по фазе на необходимую величину на элементах С6, VT9, VT10 и импульсы управления с элементов D7, VT11 подаются на блок усилителей.

Регулировка нижних пределов действующего значения сварочного тока производится схемой на элементе D8 у изготовителя и дополнительной подстройки не требует. Стабилизация сварочного тока осуществляется при установке переключателя в положение "Включено" на лицевой панели.

Блок усилителей предназначен для усиления импульсов управления тиристорными контакторами (схема на VT1, VT2) и включения клапана (VT3) для РКС-502 или клапанов (VT3, VT6) (для РКС-801).

В блоке предусмотрена электронная защита цепей питания клапана от перегрузок по току (VT7, VT8, VT9, VT10). Индикация срабатывания защиты производится с помощью индикатора на лицевой панели.

Элементы D1, D3, D4, D5 (дополнительно D2 для РКС-801) служат для управления регулятором с помощью внешних сигналов. Схема подключения цепей внешнего управления регуляторами приведена в приложении 11.


Переключателем "Компенсация" можно отключить стабилизацию, что увеличивает величину тока на 15%.

Сварочный ток можно отключить переключателем "Ток включен". Такой режим необходим при наладке машины.

Регулятор РКС-801 выполняет также следующие дополнительные функции:

Регулировку величины сварочного тока для позиций "Сварка 1" и "Сварка 2", задаваемой переключателями "Нагрев 1" и "Нагрев 2" соответственно. Нулевое положение переключателя соответствует минимальной величине сварочного тока (50%), положение "9" - максимальное;

В режиме импульсной сварки позиции "Охлаждение" и "Сварка 1" могут отрабатываться до 9 раз в одном цикле. Количество импульсов задается переключателем "Число импульсов";

Первый импульс сварочного тока позиции "Сварка 1" может быть промодулирован. Суть модуляции состоит в том, что первая полуволна сварочного тока имеет значение минимальной величины и за десять периодов нарастает до максимального значения (которое должно быть установлено переключателем "Нагрев 1"). При установке переключателя "Нарастание" в положение "9", время модуляции наибольшее, и составляет 0,2 сек. При установке переключателя в положение "0" первый импульс сварочного тока импульс не модулируется;

Клапан 2, управляемый регулятором, осуществляет дополнительное обжатие заготовки на позициях "Сжатие" ("Повышенное усилие 12) и на позициях "Проковка 1", "Сварка 2", "Проковка 2" ("Повышенное усилие 2"). Повышенные усилия могут быть отключены соответствующими переключателями. Сигнализация работы клапана 2 на повышенном усилии 2 осуществляется индикатором. Срабатывание клапана 2 на повышенном усилии 2 можно задержать на 1...9 периодов с момента окончания позиции "Сварка 1" при помощи соответствующего переключателя (длительность позиции "Проковка 1" должна быть не меньше значения задержки).

Точечная сварка – метод, при котором соединение деталей внахлест производится в одной или нескольких точках. При подаче электротока происходит местный нагрев, в результате чего металл расплавляется и схватывается. В отличие от электродуговой или газовой сварки не требуется присадочный материал: плавятся не электроды, а сами детали. Не нужно и обволакивание инертным газом: сварочная ванна в достаточной мере локализована и защищена от попадания атмосферного кислорода. Сварщик работает без маски и рукавиц. Это позволяет лучше визуализировать и контролировать процесс. Точечная сварка обеспечивает высокую производительность (до 600 точек/мин) при низких затратах. Она широко используется в различных отраслях хозяйства: от приборостроения до самолетостроения, а также в бытовых целях. Без точечной сварки не обходится ни одна автомастерская.

Оборудование для точечной сварки

Работы выполняются на специальном сварочном аппарате, называемом споттер (от англ. Spot – точка). Споттеры бывают стационарные (для работы в цехах) и переносные. Установка работает от электросети 380 или 220 В и генерирует заряды тока в несколько тысяч ампер, что значительно больше, чем у инверторов и полуавтоматов. Ток подается на медный или карбоновый электрод, который прижимается к свариваемым поверхностям пневматикой или ручным рычагом. Возникает тепловое воздействие, длящееся несколько миллисекунд. Однако этого хватает для надежной стыковки поверхностей. Так как время воздействия минимально, то тепло не распространяется дальше по металлу, а точка сварки быстро остывает. Свариванию подлежат детали из рядовых сталей, оцинкованного железа, нержавейки, меди, алюминия. Толщина поверхностей может быть различна: от тончайших деталей для приборостроения до листов толщиной 20 мм.

Контактно-точечная сварка может проводиться одним электродом или двумя с разных сторон. Первый способ используется для сварки тонких поверхностей или в тех случаях, когда прижим с двух сторон осуществить невозможно. Для второго способа используют специальные клещи, зажимающие детали. Этот вариант обеспечивает более надежное крепление и чаще используется для работы с толстостенными заготовками.

По типу тока аппараты для точечной сварки подразделяются на:

• работающие на переменном токе;
• работающие на постоянном токе;
• низкочастотные аппараты;
• аппараты конденсаторного типа.

Выбор оборудования зависит от особенностей технологического процесса. Наиболее распространены аппараты переменного тока.

Вернуться к оглавлению

Электроды для точечной сварки

Электроды для точечной сварки отличаются от электродов для электродуговой сварки. Они не только обеспечивают подачу тока на свариваемые поверхности, но и выполняют прижимную функцию, а также задействованы в отводе тепла.

Высокая интенсивность рабочего процесса обуславливает необходимость использования материала, стойкого к механическим и химическим воздействиям. Более всего выдвинутым требованиям соответствует медь с добавлением хрома и цинка (0,7 и 0,4% соответственно).

Качество сварной точки во многом определяется диаметром электрода. Он должен быть минимум в 2 раз больше толщины стыкуемых деталей. Размеры стержней регламентируются ГОСТом и имеют от 10 до 40 мм в диаметре. Рекомендуемые размеры электродов представлены в таблице. (Изображение 1)

Для сварки рядовых сталей целесообразно использовать электроды с плоской рабочей поверхностью, для сварки высокоуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминия – со сферической.

Электроды со сферическими наконечниками более стойкие: способны произвести больше точек до перезаточки.

К тому же они универсальны и подойдут для сварки любого металла, а вот использование плоских для сварки алюминия или магния приведет к образованию вмятин.

Точечная сварка в труднодоступных местах выполняется электродами изогнутой формы. Сварщик, который сталкивается с подобными условиями работы, всегда имеет набор различных фигурных электродов.

Для надежной передачи тока и обеспечения прижима электроды должны плотно соединяться с электрододержателем. Для этого их посадочным частям придают форму конуса.

Некоторые виды электродов имеют резьбовое соединение или крепятся по цилиндрической поверхности.

Вернуться к оглавлению

Параметры точечной сварки

Основными параметрами процесса являются сила тока, продолжительность импульса, усилие сжатия.

От силы сварочного тока зависит количество выделяемого тепла, скорость нагрева, величина сварного ядра.

Наряду с силой тока на количество тепла и размеры ядра влияет продолжительность импульса. Однако при достижении определенного момента наступает состояние равновесия, когда все тепло отводится от зоны сварки и уже не влияет на расплавление металла и размер ядра. Поэтому увеличение продолжительности подачи тока сверх этого нецелесообразно.

Усилие сжатия влияет на пластическую деформацию свариваемых поверхностей, перераспределение по ним тепла, кристаллизацию ядра. Высокое усилие сжатия снижает сопротивление электрического тока, идущего от электрода к свариваемым деталям и в обратном направлении. Таким образом, возрастает сила тока, ускоряется процесс расплавления. Соединение, выполненное с высоким усилием сжатия, отличается высокой прочностью. При больших токовых нагрузках сжатие препятствует выплескам расплавленного металла. С целью снятия напряжения и увеличения плотности ядра в некоторых случаях производится дополнительное кратковременное повышение усилия сжатия после отключения тока.

Выделяют мягкий и жесткий . При мягком режиме сила тока меньше (плотность тока составляет 70-160 А/мм²), а продолжительность импульса может достигать нескольких секунд. Такая сварка применяется для соединения низкоуглеродистых сталей и более распространена в домашних условиях, когда работы проводятся на маломощных аппаратах. При жестком режиме продолжительность мощного импульса (160-300 А/мм²) составляет от 0,08 до 0,5 секунды. Деталям обеспечивают максимально возможное сжатие. Быстрый нагрев и быстрое охлаждение позволяют сохранить сварному ядру антикоррозийную стойкость. Жесткий режим используют при работе с медью, алюминием, высоколегированными сталями.

Выбор оптимальных параметров требует учета многих факторов и проведения испытаний после расчетов. Если же выполнение пробных работ невозможно или нецелесообразно (например, при разовой сварке в домашних условиях), то следует придерживаться режимов, изложенных в справочниках. Рекомендованные параметры силы тока, продолжительности импульса и сжатия для сварки рядовых сталей приведены в таблице. (Изображение 2)

Вернуться к оглавлению

Возможные дефекты и их причины

Качественно выполненная точечная обеспечивает надежное соединение, срок службы которого, как правило, превышает срок службы самого изделия. Однако нарушение технологии может привести к дефектам, которые можно разделить на 3 основные группы:

• недостаточные размеры сварного ядра и отклонение его положения относительно стыка деталей;
• механические повреждения: трещины, вмятины, раковины;
• нарушение механических и антикоррозийных свойств металла в зоне, прилегающей к сварной точке.

Рассмотрим конкретные виды дефектов и причины их возникновения:

1. Непровар может быть вызван недостаточной величиной силы тока, чрезмерным сжатием, изношенностью электрода.
2. Наружные трещины возникают при слишком большом токе, недостаточном сжатии, загрязненности поверхностей.
3. Разрывы у кромок обусловлены близким расположением к ним ядра.
4. Вмятины от электродов возникают при их слишком малой рабочей поверхности, неправильной установке, чрезмерном сжатии, слишком высоком токе и продолжительном импульсе.
5. Выплеск расплавленного металла и заполнение им пространства между деталями (внутренний выплеск) происходит из-за недостаточного сжатия, образования в ядре воздушной раковины, несоосно установленных электродах.
6. Наружный выплеск расплавленного металла на поверхность деталей может быть вызван недостаточным сжатием, слишком большими режимами тока и времени, загрязненностью поверхностей и перекосом электродов. Последние два фактора оказывают негативное влияние на равномерность распределения тока и плавление металла.
7. Внутренние трещины и раковины возникают из-за чрезмерных режимов тока и времени, недостаточного или запаздывающего проковочного сжатия, загрязненности поверхностей. Усадочные раковины появляются в момент охлаждения ядра. Для их предотвращения и используют проковочное сжатие после прекращения подачи тока.
8. Причиной неправильной формы ядра или его смещения является перекос или несоосность электродов, загрязненность поверхности деталей.
9. Прожог является следствием загрязненности поверхностей или недостаточного сжатия. Во избежание этого дефекта ток необходимо подавать только после того, как сжатие обеспечено полностью.