2.11 Материалы электродов для машин электрической контактной сварки

Электрическая контактная сварка является весьма высокопроизводительным процессом, при котором всякие потери времени на вспомогательные операции могут значительно снижать ее эффективность.

Для некоторых видов контактной сварки, в первую очередь точечной, заметные потери времени определяются недостаточной стойкостью электродов и необходимостью в связи с этим их частой запиловки и замены.

Хотя материалы для электродов машин контактной сварки в ряде случаев обеспечиваются для сварочного производства внешней поставкой, предприятия, применяющие контактную сварку в большом объеме, часто сами производят такие материалы. Поэтому работникам сварочного производства следует в общих чертах быть знакомыми с влиянием технологии изготовления этих материалов на характеристики, определяющие их эксплуатаци­онные свойства.

Рассмотрим некоторые требования к материалам электродов контактных машин.

Машины, предназначенные для стыковой и рельефной сварки, характеризуются такой конструкцией электродов, при которой площадь контакта между электродом и свариваемым изделием может быть развита и может превышать площадь места сварки, определяемого размерами изделия. В этих случаях плотность тока в контакте электрод—изделие будет меньше, чем в сечении, под­лежащем сварке. Эту группу электродов условно можно характе­ризовать как работающую при малой плотности тока.

Во вторую группу входят электроды, эксплуатируемые при высокой плотности тока, примерно равной плотности тока в месте сварки, но предназначенные для сваривания металлов с невысокой электропроводностью. Например, при точечной (роликовой) сварке площади контакта электрод—деталь и деталь—деталь примерно одинаковы. Сопоставимы и их контактные сопротивления. Для получения расплавления в контакте деталь—деталь при ограничении разогрева электрода вблизи его контакта с деталью необходим интенсивный отвод тепла в электрод (что достигается выбором конструкции электрода и отводом тепла проточной водой, а также применением материала электрода с высокой теплопроводностью) и уменьшение в нем тепловыделения (т. е. уменьшение его электрического сопротивления, достигаемое применением материала электрода с высокой удельной электропроводностью). В этом случае тепловыделение в свариваемых деталях из металла с заметно меньшей электропроводностью будет значительно большее, чем в приконтактных зонах электрода.

Так как у металлов электропроводность и теплопроводность практически пропорциональны, то подбор материала по электропроводности обеспечивает и интенсивность отвода тепла по телу электрода.

Третья группа включает электроды, также эксплуатируемые при высокой плотности тока, но предназначенные для сварки деталей из металла с низким удельным электросопротивлением. Такие условия эксплуатации электродов являються наиболее жесткими.

Отсюда, на основании накопленного практического опыта, можно сформулировать требования к материалам электродов для контактных машин по электропроводности (удельному электрическому сопротивлению) и твердости.

Для первой группы:

твердость в условиях эксплуатации НВ 180—225; удельное сопротивление р <; 2 - 2,5ρ_cu (т. е. не более чем в 2—2,5 раза больше удельного сопротивления меди, принятой за единицу сравнения).

Для второй группы:

твердость сопоставима с твердостью свариваемого металла (например, малоуглеродистой стали), но не менее —90НВ; удельное сопротивление р ≤ 1,4 ρ_cu.

Для третьей группы:

удельное сопротивление ρ ≈ ρ_cu, однако возможно использование и других материалов, в частности с высокой температурой плавления (вольфрам или молибден), применяемых в виде вставок в медные наконечники.

В течение длительного периода, да и в настоящее время, в ряде случаев для изготовления электродов точечных и роликовых машин применяется холоднотянутая технически чистая медь. Характеристики этого материала даны в табл. 2.19.

Таблица 2.19 Сравнительные свойства материалов электродов

Обращает на себя внимание достаточно низкая температура рекристаллизации такого металла — около 200°С (рис. 2.1). При интенсивном процессе сварки приконтактные области электрода нагреваются до такой и более высокой температуры, падает твердость, происходит смятие контактной поверхности электрода и он требует заточки.

Рисунок 2.1 Характер изменения твердости холоднотянутой меди и ее сплавов

Повышение твердости и температуры рекристаллизации возможно легированием меди. Однако легирование меди почти всеми элементами значительно снижает электропроводность (и, соответственно, теплопроводность). Влияние различных легирующих на изменение электропроводности, взятой в долях от электропроводности технически чистой меди, приведено на рис. 2.2.

Рисунок 2.2 Влияние примесей на электропроводность медных сплавов

Из рис. 2.2 следует, что из практически применяемых легирующих элементов меньше всего снижают электропроводность меди кадмий, цинк и хром. Даже 0,1—0,2% железа, кремния и фосфора снижают электропроводность меди в 2—3 раза.

Получение сплавов с удовлетворительной электропроводностью и повышенной твердостью осуществляется путем применения: ненасыщенных твердых растворов (например, медь с— 1,2% Сd); пересыщенных растворов с выпадением дисперсных выделений после сложной термической обработки — закалки и теплового старения, приводящей к дисперсионному твердению. Мелкие дисперсные включения, повышая твердость, мало влияют на снижение электропроводности.

На базе этих представлений разработан ряд составов медных сплавов, также приведенных в табл. 2.19. У кадмиевой бронзы температура рекристаллизации несколько выше, чем у меди.

Еще более высокая температура рекристаллизации и твердость у тройного сплава Сu— Zn—Сr, хотя его электропроводность несколько ниже.

Особым материалом для электродов точечных машин является кирит А, изготовляемый методом прессования и спекания порошков меди и вольфрама. Однако его электропроводность заметно ниже, чем у других сравниваемых материалов.

П овышение стойкости электродов точечных машин при переходе от меди к ее сплавам обычно оценивается по количеству свариваемых точек в интенсивном режиме, при котором диаметр торца электрода увеличивается до таких размеров, при которых нужна его заточка (обычно на 20%). Такая зависимость для сварки углеродистой стали, приведена на рис. 2.3. Как следует из этих экспериментальных данных, замена меди кадмиевой бронзой дает увеличение стойкости в 2— 2,5 раза, а замена тройным сплавом — в 3—5 раз.

Рисунок 2.3 Изменение диаметра электрода в зависимости от материала электрода и количества поставленных точек

В связи с тем, что необходимые характеристики сплавов получаются только в результате определенного технологического процесса их обработки, рассмотрим основные операции и получающиеся при этом свойства сплава.

Тройной сплав изготовляют из достаточно чистых исходных материалов. Вначале в пламенной печи, в графитовом тигле расплавляют кусковую медь марки М-1. Плавка осуществляется под слоем графита. После расплавления медь вначале раскисляют электролитическим цинком марки Ц-1, введя его в количестве 0,1% от веса меди. Затем в 3—4 приема (чтобы не всплывал и не окислялся) вводят хром марки Х-1 или лигатуру, заранее изготовленную из 90% Си и 10% Cr. Расплав нагревают до 1200—1250°С и выдерживают 15—20 мин. Затем тигель извлекают из печи (горна) и добавляют цинк Ц-1 в количестве 0,6—0,7% от веса меди. Расплав энергично перемешивают и разливают в очищенные чугунные конические изложницы, подогретые до —100°С. Слиток после извлечения из изложницы подвергают пластической обработке давлением: либо прессуют при 850—900°С, либо нагревают до 800—850°С и проковывают при температуре 600°С до 100% вытяжки.

Такие заготовки подвергают термической обработке. После нагрева до 925°С и выдержки — 1 ч они закаливаются в холодной воде, в результате чего электропроводность сплава становится равной ~50% от электропроводности меди и твердость НВ 50 — 60. Отпуск осуществляется ступенчатый: сперва 525°С с выдержкой 1 ч, затем снижение температуры до 325° С в течение 2 ч и после выдержки при 325° С в течение 12 ч охлаждение на воздухе.После такого отпуска сплав характеризуется электропроводностью ~80 % электропроводности меди и твердостью НВ 90—110. После травления в 10—15%-ном растворе серной кислоты (для удаления с поверхности образовавшихся окислов) осуществляется холодная прокатка или волочение с вытяжкой 40—50%. Вот в этом конечном состоянии при такой же примерно удельной электропроводности твердость сплава увеличивается до НВ 120—140.

Для губок стыковых машин может применяться такой же сплав, хотя в ряде случаев используются и алюминиевые бронзы (12% Аl, 4% Fе, остальное — медь), или кремне-никелевые бронзы.

52