1.1. Двусторонняя точечная сварка, ее разновидности и основные параметры точечных сварных соединений

Э лектрическая контактная точечная сварка (КТС) — это способ контактной сварки (рис. 1.1), при котором свариваемые детали 1, расположенные перед сваркой внахлестку, сжимают токопроводящими электродами 2 и 3 сварочным усилием F_СВ, а затем от источника питания ИП (например, трансформатора) пропускают импульс сварочного тока I_СВ длительностью t_СВ и таким образом сваривают их по отдельным участкам касания, называемым сварными точками 4 [1, 2].

При КТС для образования физического контакта между свариваемыми поверхностями и их активации в месте формирования соединения затрачивается тепловая и механическая энергия, которая подводится извне сжатием деталей электродами и пропусканием через зону сварки импульса сварочного тока [3, 4]. Наиболее надежным способом, который обеспечивает образование физического контакта и способствует возникновению межатомарных связей в зоне формирования соединений, является расплавление металла в приповерхностных слоях деталей с образованием общего его объема. Поэтому в технологии КТС, за редким исключением [5, 6], принято, что необходимым условием образования точечного сварного соединения является образование общей зоны расплавленного металла соединяемых деталей. В специальной литературе по сварке общую зону расплавленного металла свариваемых деталей обычно называют «литое ядро», «ядро расплавленного металла» или просто «ядро» [2...4, 7…17].

Параметрами, которые наиболее значимо влияют на процесс формирования точечного сварного соединения и различают между собой все многообразие известных способов двусторонней точечной сварки, являются род сварочного тока и форма его импульса. Это их различие (рис. 1.2) обусловлено в основном особенностями устройства силовых электрических контуров машин контактной точечной сварки [18, 19]. Поэтому способы КТС по роду сварочного тока и форме его импульса разделяют на следующие группы [2, 3, 15, 16]:

• контактная точечная сварка переменным током (рис. 1.2, а);

• низкочастотная контактная точечная сварка (током пониженной частоты монополярными или униполярными импульсами) (рис. 1.2, б);

• конденсаторная контактная точечная сварка (рис. 1.2, в);

• контактная точечная сварка постоянным током (рис. 1.2, г);

Каждая из этих групп способов КТС имеет свои особенности, преимущества и недостатки в технологическом и техническом аспектах. Кроме того, они различаются и экономической эффективностью [20, 21].

Точечное сварное соединение (рис. 1.3), поскольку сварку в подавляющем числе случаев осуществляют электродами с цилиндрической рабочей частью, обычно считают осесимметричным. Такое соединение (сварную точку (рис. 1.3, а)) приято характеризовать геометрическими параметрами в плоскости оси электродов, которые называют «конструктивными элементами соединения». Кроме того, геометрическими параметрами характеризуют также и рабочие части электродов (рис. 1.3, б). Основными из них, наиболее часто используемыми и в большинстве случаев регламентируемыми, являются параметры, которые описывают ядро расплавленного металла (диаметр и высота ядра, проплавление деталей), остаточные деформации деталей (глубина вмятин от электродов), а также рабочие поверхности электродов (диаметр плоской и радиус сферической).

Ядро расплавленного металла (рис. 1.3, а, б) в большинстве случаев характеризуют его размерами: диаметром d_Я в плоскости контакта

деталь-деталь (свариваемого контакта), а также его высотой h_Я или проплавлением деталей А₁ и А₃._. Последние определяют отдельно для каждой детали как отношение к толщине деталей s₁ и s₂ расстояний h₁ и h₂ от плоскости свариваемого контакта до границы зоны расплавленного металла (см. рис. 1.1) и выражают обычно в процентах [2, 3, 14…16]:

%, %. (1.1)

При точечной сварке деталей одноточечные соединения применяют относительно редко. В подавляющем числе случаев точечной сварки осуществляют многоточечные соединения деталей (рис. 1.4). Последние выполняют в виде одного (рис. 1.4, а) или нескольких (рис. 1.4, б) рядов сварных точек, расположенных вдоль нахлестки деталей.

К основным конструктивным элементам, характеризующим многоточечные соединения, относят: ширину нахлёстки В, расстояние (шаг) между точками t_Ш в ряду (в шве), расстояниями между осями швов b, а также расстоянием u между крайними осями швов и кромками листов.

Перечисленные выше конструктивные элементы сварных соединений существенно влияют как на процесс их формирования при КТС, так и на показатели качества готовых сварных соединений. Поэтому их допускаемые значения в подавляющем большинстве случаев регламентируются как в зарубежной [22], так и отечественной практике КТС, например, в ГОСТах [23], ОСТах, отраслевых технологических рекомендациях, стандартах предприятий [14].

Размеры ядра (его диаметр d_Я и высота h_Я, а также проплавление деталей А₁ и А₂) наиболее значимо влияют на свойства точечного соединения, в первую очередь, на прочностные. Поэтому получение оптимальных значений этих параметров, которые должны находиться в пределах между минимальными и максимальными допускаемыми их значениями, и является основной задачей технологии точечной сварки.

Минимально допускаемые значения диаметра ядра определяются влиянием целого ряда факторов точечной сварки, например, таких как прочность сварных соединений и стабильность ее значений, устойчивость процесса КТС против образования выплесков, непроваров и др. Их значения зависят от толщины s свариваемых деталей [3, 10, 23]:

, (1.2)

. (1.3)

Они регламентированы ГОСТ 15878 – 79 (табл. 1.1). Эти табличные значения диаметров ядра выработаны многолетней практикой КТС.

Таблица 1.1

Минимально допускаемые значения диаметра ядра для соединений группы А по ГОСТ 15878 – 79.

Толщина деталей, s = s1	Минимальный диаметр ядра, dЯ	Минимальная ширина нахлестки, В		Минимальный шаг между точками, tШ
		алюминиевые, магниевые, медные сплавы	стали, титановые сплавы	алюминиевые, магниевые, медные сплавы	стали,
0,5 1,0 1,2 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0	3 4 5 6 7 8 9 12 14 16	10 14 16 18 20 22 16 32 40 50	8 11 13 14 17 19 21 28 34 42	10 15 17 20 25 30 35 45 55 65

Величина проплавления деталей А₁ и А₂ в большинстве случаев должна находиться в пределах 20…80 % от толщины деталей. На титановых сплавах верхний предел увеличивают до 95 %, а на магниевых — уменьшают до 70 %.

Минимально допускаемое расстояние между осями швов b устанавливают из условия отсутствия влияния шунтирования тока на процесс КТС. Его выбирают таким, чтобы расстояние до соседних точек в любом направлении, например t₁, было не меньше минимально допускаемого шага между точками t_Ш.

Минимальную ширину нахлестки В, а также минимальное расстояние от центра точки или оси шва до края нахлестки u устанавливают по условию отсутствия объемных пластических деформаций металла на краю нахлестки. Причем минимальные значения и должны быть не менее 0,5В.

Глубина вмятин от электродов с₁ и с₂ не должна превышать 20 % от толщины деталей, поскольку они ухудшают внешний вид соединений и обычно уменьшают их прочность. Только при сварке деталей неравных толщин или в труднодоступных местах её допускают увеличивать до 30 % [2, 3, 15, 16].

Широкое применение в современном машиностроении точечных сварных соединений вместо клепаных, в том числе при изготовлении узлов летательных аппаратов, обусловлено не только преимуществами их технико-экономических показателей [22, 23], но и конкурентной способностью эксплуатационных свойств [2, 3, 9, 11, 15, 17]. Прежде всего, это относится к их прочности, которую в основном определяют размеры ядра расплавленного металла в совокупности с другими конструктивными элементами сварных соединений, причем в первую очередь — к прочности динамической [24...29]. Именно поэтому соответствие полученных при КТС размеров ядра заданным оптимальным значениям, в первую очередь его диаметра и проплавления деталей, является одним из основных критериев качества и надёжности соединений деталей, выполненных контактной точечной сваркой [10, 11, 14, 15].