13. Контактная сварка

13.1. Общие сведения

13.1.1. Физическая сущность процесса контактной сварки.

Контактная сварка относится к способу сварки давлением, а по физическому признаку – к термомеханическому классу. При этом осуществляется предварительный нагрев металла до пластического состояния в месте получения сварного соединения при пропускании электрического тока через соединяемые части, приводимые в контакт друг с другом.

Полное количество тепла, которое выделяется при пропускании электрического тока, определяется выражением

Q = I²  R  t, Дж,

где I – сила сварочного тока, А;

R – общее сопротивление свариваемых частей, Ом;

t – время включения сварочного тока, с.

а) б)
Рис. 13.1. Схема участков электрического сопротивления при стыковой, точечной и шовной сварке а – стыковая сварка; б – точечная и шовная сварка 1 – свариваемые детали; 2 – электроды; R1 – контактное сопротивление между свариваемыми деталями; R2 – сопротивление деталей; R3 – контактное сопротивление между свариваемыми деталями и электродами

Общее сопротивление участка сварочной цепи R, в котором выделяется тепло, состоит из (рис. 13.1):

– контактного сопротивления R₁ между свариваемыми частями;

– сопротивления R₂ металла соединяемых частей, по которым протекает ток;

– переходного (контактного) сопротивления R₃ между свариваемыми частями и токоподводящими частями сварочной машины (электродами).

При сварке двух деталей из одного металла и равного диаметра (равной толщины)

R = R₁ + R₂ + R₃.

Главную роль при контактной сварке играют сопротивления R₁ и R₂, т. к., переходное сопротивление R₃ сравнительно далеко от зоны сварки или же тепло, выделяющееся в этом месте при сварке, быстро отводится проточной водой от конических или дисковых электродов соответственно при точечной или шовной сварке и от колодок - при стыковой.

В первоначальный период сварки существенное значение имеет контактное сопротивление R₁ (рис. 13.1), т.к. при холодном металле даже после хорошей обработки свариваемых поверхностей соприкосновение происходит не по всей поверхности, а только в отдельных точках. Выделение тепла происходит за счет повышенного сопротивления при прохождении тока в контактных точках (величина R₁ стремится к бесконечности). Ухудшается электропроводимость контактируемых поверхностей соединяемых частей так же за счет наличия поверхностных пленок оксидов и загрязнений.

По мере разогрева и под действием приложенных усилий сжатия Р_Н (начальных) первоначальные контактные точки деформируются вследствие уменьшения твердости при нагреве, а в соприкосновение входит ряд новых точек и участков поверхности. С дальнейшим увеличением площади соприкосновения сопротивление R₁ уменьшается и к концу нагрева практически исчезает (R₁ стремится к нулю).

Сопротивление R₂ нагреваемых участков металла на участках l₁+l₂ или t₁+t₂ в начальный период достаточно мало (R₂ стремится к нулю), увеличивается с ростом температуры металла (согласно закону физики) и в конечный момент нагрева может быть в 810 раз больше его первоначального значения (R₂ стремится к бесконечности). Суммарное напряжение R₁+R₂ достаточно мало и не превышает 0,0050,01 Ом.

При контактной сварке большую роль играет усилие сдавливания (осадочное давление), изменяющееся от своего начального значения Р_Н до максимального в момент осадки Р_ОС при достижении металлом пластического состояния. Осадочное давление обеспечивает пластическое деформирование (течение) металла по границе раздела и установление межатомных связей по чистым ( «ювенильным» ) слоям металла соединяемых частей, т.е. образование сварного соединения.

На степень нагрева металла при контактной сварке существенно влияют физико-химические его свойства. Металлы с большим диапазоном температур пластического состояния обладают лучшей свариваемостью. Для углеродистых сталей диапазон температур пластического состояния, зависящий от содержания углерода, с увеличением его содержания сужается, например: для стали Ст-3 он равен 9001350 °С; для стали с содержанием углерода 0,5% – 9001250 °С.

Особенностью процессов контактной сварки являются применение больших сварочных токов и значительных усилий сжатия свариваемых деталей при весьма малом времени включения сварочного тока. Например, при точечной сварке сила сварочного тока I может достигать 120150 кА, усилие сжатия электродов – 15000020000 Н (1500020000 кгс), а время сварки (время включения тока) составляет всего десятые и даже сотые доли секунды.

В зависимости от скорости нагрева различают режимы контактной сварки "жесткие" и "мягкие". При жестком режиме время включения тока (время нагрева) t назначают минимальным при большой силе тока, а при мягком режиме – увеличенное время нагрева t, применяя ток малой силы.

В зависимости от механических свойств свариваемого металла создают и соответствующее удельное давление (начальное и осадочное).