1. Контактная сварка: понятие, вид и класс сварки, физическая сущность, классификация и краткая характеристика каждого вида контактной сварки.

Контактная сварка – это разновидность сварки плавлением и давлением, при которой Джоулева теплота и сжимающие усилия локализуются непосредственно в месте контакта свариваемых деталей.

В соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 15878 « Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры») в настоящее время существует три основных вида контактной сварки:

1.Точечная

2.Шовная (роликовая)

3.Стыковая

Точечная контактная сварка (Кт) – детали сваривают отдельными точками, двумя электродами, по каждым пропускается сварочный ток и через них так же передается сжимающие усилие.

Шовная (роликовая) контактная сварка (Кш) – детали сваривают перекрывающимися точками, по линии качения роликов- электродов. Сжимающие усилие, подвод тока и перемещение детали, производится с помощью этих вращающихся роликов.

Стыковая сварка (Кс) – две детали сваривают по площади касания детали, при этом детали вначале зажимают в электродах, а затем сжимают усилием и проводят через электроды ток.

Способ контактной сварки выбирается после определения всех конструкторско – технологических признаков процесса сварки для данного вида контактной сварки, а именно :

1)Рода сварочного тока

2)Формы одного импульса сварочного тока

3)Места подвода сварочного тока

4)Числа импульсов тока

5)Числа одновременно свариваемых точек

6)Характера нагрева металла

7)Характера сжатия места сварки ( постоянное, с проковкой, программированное)

8)Степени деформации места сварки

9)Характера подготовки поверхности по месту сварки

10)Типа соединения деталей

11)Применения дополнительных источников нагрева

12)Степени интенсивности режима сварки.

2.Загрязнения поверхности металла и способы борьбы с ним. Понятие ювенильной поверхности металла.

Поверхность свариваемых деталей, кроме макро- и микронеровностей типа « неплоскостность», «шероховатость», характеризуется загрязнениями. К ним относятся оксидные , водяные и жировые пленки, абсорбированные газы.

Загрязнения нейтрализуют все свободные активные связи металлической поверхности, надежно изолируя ее и препятствуя образованию межатомных связей между контактируемыми металлами. Всякие попытки удалить загрязнения в обычных ( при комнатной температуре) условиях атмосферы бесполезны. Слои вновь появляются, исчезая лишь на доли секунды.

В связи с этим перед сварщиками всегда стоят две основные проблемы:

1) Как , преодолевая шероховатости, сблизить поверхности до физического контакта на параметр действия межатомных сил кристаллической решетки.

2) Как после возникновения необходимого физического контакта убрать из их плоскости все загрязнения, нейтрализующие межатомные связи.

При сварке плавлением эти проблемы легко устраняются за счет нагрева металла ( жидкий металл перемешивается, а загрязнения испаряются и сгорают)

При сварке давлением для решения этой проблемы используют:

• Высокотемпературный нагрев ( с незначительными пластическими деформациями) в восстановительной атмосфере , вакууме или обычной атмосфере ( как при контактной сварке)

• Значительную пластическую деформацию (Холодная сварка, ультразвуковая сварка – УЗС, сварка трением)

• Кумулятивную струю (сварка взрывом)

Ювенильная поверхность- поверхность идеально ровная и очищенная от грязи.

3.Источники теплоты при контактной сварке и их краткая характеристика.

В общем случае при контактной сварке действуют три источника теплоты:

1)Джоулева теплота – характерна для электротермического эффекта, при котором выделение теплоты в проводнике происходит пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени пропускания тока.

Теплота Джоуля – основной источник теплоты при контактной сварке.

2)Теплота Томсона – характерна для термоэлектрического эффекта (У.Томсон, 1856 г.), который возникает при перепаде температур по длине проводника с током. При прохождении от горячего конца проводника к холодному электроны отдают избыток своей энергии (происходит сложение теплоты Джоуля с теплотой Томсона).При обратном движении потока электронов от холодного конца к горячему происходит охлаждение проводника, т.е. потери теплоты Джоуля.

3)Теплота Пельтье – характерна для термоэлектрического эффекта (Ж. Пельтье, 1834), при котором выделение или поглощение теплоты происходит тогда, когда средняя энергия электронов в одной среде отличается от средней энергии электронов в другой среде.

Если электроны перемещаются из среды с большей энергией – происходит выделение теплоты. А если из среды с меньшей энергией – поглощение теплоты. Поэтому теплота Пельтье может складываться с теплотой Джоуля или вычитаться из нее.Эта теплота, как правило, возникает в месте контакта электродов, со свариваемой деталью или на границе между свариваемыми деталями, где образуется сварная точка.

4.Общее сварочное сопротивление при контактной сварке. Какое сопротивление принимается для расчета параметров сварки?

При контактной сварке теплота генерируется по всей высоте столбика металла, зажатого между электродами. Сопротивление этого столбика металла и есть сварочное сопротивление(R_св), которое состоит из суммы трех сопротивлений:

1)Сопротивление деталей (R_д)

2)Сопротивление контактов электрода (R_э-д)

3)Сопротивление между деталями (R_к)

Однако при расчетах сварочного сопротивления , значение R_св приравнивают только к 2R_д, которое и является исходным параметром, так как его легко рассчитать, зная материал и толщину s детали. Переходными сопротивлениями, т.е. сопротивлениями в контакте между деталями, обычно пренебрегают, так как они играют ведущую роль только в начале процесса сварки (в течение 0,2 с), а затем (спустя 0,04 с) принимают значение, близкое к нулю, и в качестве генератора тепловыделения работает сопротивление самих деталей. При расплавлении ядра удельное сопротивление для сталей увеличивается в 10 раз, алюминиевых сплавов в 8 раз по сравнению с исходным сопротивлением этих материалов при комнатной температуре.

5.Основные показатели режима контактной сварки и их краткая характеристика.

В обычных технологических расчетах параметров сварочного процесса используют закон Джоуля Ленса.

Для контактной сварки он выглядит так:

Где

- количество теплоты, выделяемое в деталях (Дж)

- среднее значение сварочного тока (А)

- среднее значение сварочного сопротивления (Ом)

- время сварки (с)

На первый взгляд, по этому закону, обеспечение минимального времени сварки (0,02… 1с) можно обеспечить только за счет высоких значений сварочного тока ( до 10000 ампер на 1мм свариваемой толщины), однако это не так, так , как квадрат величины тока и время сварки , согласно закону, связаны обратно- пропорциональной зависимостью, которая представлена двумя кривыми, ограничивающими области минимального и максимального проплавлений.

6.Характерные области контактной сварки в зависимости от сварочного тока и времени сварки и их краткая характеристика.

Процесс контактной сварки может протекать в одной из трех характерных областей: области провара П, области непровара Н и области выплесков В.

7. Зона оптимальных (средних режимов): какие параметры режима влияют на глубину провара и диаметра ядра точки в данных зонах, какие металлы в этих зонах рекомендуется сваривать.

При контактной сварке в области провара можно выделить три характерные зоны режимов:

1)зону жестких режимов Ж

2)зону оптимальных (средних) режимов С

3)зону мягких режимов М

Зона оптимальных режимов С , при которых глубину проплавления можно регулировать как изменением тока, так и изменением времени сварки в широком диапазоне значений. Зона составляет 80% общей области сварки с проваром.

В этой зоне хорошо свариваются низкоуглеродистые стали, среднеуглеродистые стали и низколегированные стали с содержанием углерода 0.25-0.45%, титановые сплавы.

8.Зоны жестких и мягких режимов контактной сварки : какие параметры режима влияют на глубину провара и диаметр ядра точки в данных зонах, какие металлы в этих зонах рекомендуется сваривать.

При контактной сварке в области провара можно выделить три характерные зоны режимов:

1)зону жестких режимов Ж

2)зону оптимальных (средних) режимов С

3)зону мягких режимов М

Зона жестких режимов Ж ( большие токи и малое время сварки), при которых на глубину проплавления влияет только время сварки. Увеличение тока не вызывает увеличения провара, но требует неоправданного увеличения мощности машины. Зона составляет примерно 10% общей области сварки с проваром.

В этой зоне хорошо свариваются:

1) алюминиевые деформационно-упрочняемые сплавы типа АМЦ, АМГ и термоупрочняемые сплавы типа ДТ16, так как они отличаются малым удельным сопротивлением и высокой температуропроводностью.

2)Магниевые сплавы типа МА1, МА3

3)Медные сплавы (Бронзы, латуни)

4)Тугоплавкие сплавы, содержащие в большом количестве Cr ,V, Mo, Nb, W.

Зона мягких режимов М (малые токи, большое время сварки), при которых глубина проплавления изменяется только за счет изменения тока в очень узком диапазоне значений. Повышение времени сварки не приводит ни к увеличению проплавления, ни к увеличению диаметра ядра точки, но зато снижает производительность труда, увеличивает расход электроэнергии, приводит к перегреву или пережогу металла ядра. Зона составляет 10% общей области сварки с проваром.

Мягкие режимы применяют для закаливающихся материалов или при недостатке мощности сварочной машины.

В этой зоне хорошо свариваются : ???????????

9.Выплески металла: определение, причины, влияние на качество сварного соединения.

Электродинамический эффект способствует выплескам жидкого металла при точечной и стыковой сварке. Также выплеск наблюдается при термоэлектрическом эффекте. По выплеску настраивают сварочный ток (вначале задают время сварки, затем увеличивают сварочный ток до появления первых выплесков, далее ток несколько уменьшают до прекращения выплесков).

Выплеск относиться к дефектам в зоне сварки.

В условиях массового производства выплеск – является недопустимым дефектом.

Уменьшение нахлестки или увеличение диаметра литого ядра точки, при точечной контактной сварке, может вызвать выплеск металла.

Выпрямление сварочного тока во вторичном контуре позволяет подавить выплески металла при точечной сварке.

10.Непровар металла при контактной сварке : определение , причины , влияние на качество сварного соединения.

Непроваром называют местное отсутствие сплавления между свариваемыми элементами, между металлом шва и основным металлом.

Допустимая величина проплавления, при контактной точечной сварке, для магниевых сплавов составляет 20…70 %, для титановых сплавов 20…95 %, для остальных металлов и сплавов 20…80% толщины детали. При меньшем проплавлении трудно обеспечить стабильность прочности соединения.

11.Качество сварной точки при контактной сварке: параметры, определяющие качество, что снижает качество сварного соединения.

Критерием прочности соединения при контактной сварке принято считать показатель удельной прочности соединения:

Где – фактический предел прочности на разрыв(срез) сварного соединения (Мпа)

F- разрушающая нагрузка для данного соединения (Н)

d_я- диаметр ядра точки или стыка (мм)

- предел прочности на растяжение материала детали, Мпа

При проектировании, для обеспечения прочности сварного соединения всегда учитывают три фактора:

1.Нагрузки, действующие на сварное соединение.

По этому фактору все сварные соединения принято делить на две группы:

А) Соединения, воспринимающие все эксплуатационные нагрузки на срез, растяжение, сжатие, изгиб. Такие соединения рассчитываются с двух или трех кратным запасом прочности.

К этой группе относят соединения обеспечивающие герметичность, износостойкость, электропроводность. Примерно 60 %, которые выполняются контактной сваркой.

Б) Соединения сборочные или связующие.

Соединения испытывающие нагрузку собственного веса или незначительные нагрузки при эксплуатации. Такие соединения как правило, рассчитываются по прочности в пределах 0,5Ϭ_в основного металла. Примерно 40 % соединений, которые выполняются контактной сваркой.

2.Ответственность.

По этому фактору принято различать:

А)Соединения группы А- разрушение которых несут за собой человеческие жертвы.

Б)Соединения группы Б- разрушение которых не несет за собой тяжелых последствий.

3.Требования ГОСТа 15878 к конструктивным элементам и размерам сварных соединений.

В соответствии со стандартами устанавливаются следующие параметры сварного соединения (В зависимости от толщины металла)

1)d _я – расчетный диаметр литого ядра сварной точки , отдельно для групп А и Б (Для группы Б допускается 25% уменьшение d _я )

2)h_п – глубина проплавления металла (h_п=(0,3-0,8) Sм)

3)g- глубина вмятины под электродами ( g ˂ 0,2 Sм)

4)В- величина нахлеста

5)n-Число рядов точек (1-3)

6) - шаг между точками

12.Основные параметры сварочного процесса контактной сварки и их краткая характеристика.

13.Время сварки: понятие цикла сварки, влияние времени сварки на качество сварного соединения, от чего зависит время сварки.

Время сварки можно определить по формуле

Где

– время сварки

– критерий Фурье

s- толщина детали (м)

- температуропроводность (м²/с)

Уменьшение времени сварки ниже допустимого не приведет к улучшению качества соединения даже при увеличении тока в 2-3 раза и более, так как увеличение тока вследствие ограниченной температуропроводности материала детали не позволяет усвоить теплоту в заданном объёме и вся энергия перейдет во внутренний выплеск.

Увеличение времени выше максимального допустимого приводит к бесполезному затягиванию процесса и лишнему расходу электроэнергии, так как сварная точка в этом случае находится в состоянии устойчивого теплового равновесия: сколько энергии получит- столько же и потеряет.

В связи с вышеизложенным можно сделать следующие выводы:

1) Время сварки определяется тремя факторами:

А) толщиной листа

Б) необходимой глубиной проплавления

В) температуропроводностью материала и жесткостью режима

2) Необходимо учитывать, что нецелесообразно изменять время сварки до значений ниже минимально ( или выше максимально) допустимого времени сварки.

сварочный цикл — время от начала до конца периодически повторяющихся операций.

Цикл сварки продолжается автоматически, если пусковая кнопка остается нажатой.

14.Величина сварочного тока: на что влияет, как выбирается, что может снижать величину сварочного тока при контактной сварке.

Ток - один из параметров контактной сварки. Когда время сварки задано, ток обычно определяют по закону Джоуля-Ленца.

Выводы:

1) При жестких режимах проплавление можно корректировать только временем сварки, при мягких- только током, а при средних- и тем и другим.

2) Для каждой толщины деталей существуют жесткие ограничения по максимальным и минимальным току и временем сварки.

3) Расход электроэнергии на мягких режимах значительно выше, чем на жестких, что в первую очередь определяется существенным отличием значений термического КПД на этих режимах.

Режим сварки удобно устанавливать так : вначале задают время сварки, затем увеличивают сварочный ток до появления первых выплесков, далее ток несколько уменьшают до прекращения выплесков.

15.Эффекты контактной сварки: термоэлектрический эффект.

При контактной сварке металлов на переменном токе сумма теплоты Пельтье и Томсона не превышает 2% теплоты Джоуля и ими можно пренебречь. Однако при сварке окисленными медными электродами коэффициенты Пельтье и т Томсона возрастают в десятки раз. В этом случае оксид меди- полупроводник с большими значениями коэффициентов Пельтье и Томсона, и при сварке на постоянном токе или на ассимитрично работающих тиристорах на положительном электроде деталь перегревается за счет электротермических эффектов. Возникает мощный выплеск металла или смещение ядра сварной точки от стыка в сторону плюсового электрода.

Таким образом, термоэлектрические эффекты всегда необходимо учитывать, так как большие значения коэффициентов Пельтье и Томсона служат к сигналом к замене тиристоров, и к необходимости зачистки или замены электродов.