12.2 Контактная стыковая сварка
Среди способов контактной сварки доля стыковой сварки составляет более 10 %. Стыковая сварка является высокопроизводительным способом с высокой степенью механизации технологического процесса.
Стыковая сварка – это способ контактной сварки, когда исходные заготовки 2 посредством сварки соединяются по всей площади контакта.
Контактная плита 1 (рисунок 12.1 а), закрепляется на станине сварочного устройства 3 снабжена токоподводящими электродами 5, левый из которых соединен неподвижно с токоподводящим зажимом, а правый – с возможностью перемещения относительно контактной плиты 1. Исходные заготовки 2 перед началом сварки закрепляются в токоподводящих зажимах, соединённых с электродами 5. К электродам подсоединяется вторичная (токовая) обмотка трансформатора 4, питающегося переменным током.
Стыковую сварку подразделяют по характеру нагрева на сварку сопротивлением и сварку оплавлением.
В случае использования
стыковой сварки сопротивлением исходные
заготовки сжимают предварительным
усилием в пределах 3-5 кН, затем производится
включение трансформатора 4, причём
последующий нагрев
контактной
области заготовок может быть до
температуры, составляющей (0,8-0,9) Тпл
или до жидкого состояния.
По этой причине различают две разновидности стыковой сварки сопротивлением:
а) без начального расплавления металла;
б) с расплавлением металла контактной области.
а – без начального расплавленного металла, б – с расплавлением металла,
в – давление в процессе сварки, г – принципиальная схема
Рисунок 12.1 - Схемы различных видов контактной сварки
После окончания нагрева сварочный ток отключают и импульсом доводят усилие сжатия до рабочего, определяемого технологическим процессом, при этом образуется в обоих случаях физический контакт стыковых поверхностей заготовок с получением прочного сварного соединения. В месте сварки на поверхности заготовок образуется утолщение, называемое гратом, который получается в результате выдавливания (выжимания) металла из стыковой области.
Этот способ используют для сварки сталей и сплавов меди – бронз и латуней, причём площадь контакта достигает величины 1500-2000 мм2.
При стыковой сварке оплавлением в отличие от стыковой сварки сопротивлением вначале осуществляют подачу тока напряжением 6-10 В, а затем сдвигают заготовки с небольшим предварительным усилием (несколько десятков ньютонов) для получения контакта. Выступающие неровности контактной области являются при замыкании электрической цепи локальными местами с высокими (3-5 кА/мм2) плотностями тока, что приводит вначале к интенсивному их оплавлению с постепенным образованием сплошного жидкого слоя на обоих торцах свариваемых заготовок.
При достижении данного момента импульсом повышают давление сжатия до рабочего, жидкий металл и поверхностная плёнка оксидов выдавливается из стыка с образованием, как и в предыдущем способе, утолщения – грата. Перед окончательным рабочим сжатием производится отключение подачи сварочного тока.
Технологическому процессу контактной стыковой сварки свойственны два взаимосвязанных процесса: нагрев и пластическая деформация металла исходных заготовок, осуществление которой, в конечном счёте, должно обеспечить посредством удаления оксидных плёнок и получения необходимого контакта сварного соединения с заданными физико-механическими характеристиками.
Посредством стыковой сварки производят соединение всех известных конструкционных металлов как однородных, так и разнородных, причём с большим диапазоном по площадям контактной зоны (от 1 до 2000 мм2) и разновидностям профилей от проволоки до сортового проката.
Наибольшее распространение, как показала практика внедрения способов стыковой сварки в различных отраслях промышленности, получил способ сварки оплавлением.
Лекция 13 Специальные виды сварки (5 часов)
Тематический план:
13.1 Плазменная сварка
13.2 Электронно-лучевая сварка
13.3 Лазерная сварка
13.4 Ультразвуковая сварка
13.5 Сварка взрывом
13.6 Высокочастотная сварка
13.1 Плазменная сварка
Для выполнения сварки металлических заготовок толщиной 20 мм и более используют источники с высокой мощностью, причем температура в активной зоне сварки достигает величин порядка (10÷30)·103 оС.
В качестве таких источников применяют устройства, в которых используется в виде рабочей среды – плазма.
Плазма – это электропроводный газ, содержащей ионы, электроны и нейтральные молекулы.
Плазменная струя – это направленный поток плазмы, формирующийся в устройствах называемых плазмотронами.
Плазмотроны бывают двух типов (рисунке 13 а, б):
а) с плазменной дугой (прямого действия);
б) с плазменной струей (косвенного действия).
а – прямого действия; б – косвенного действия: 1 – вольфрамовый электрод; 2 – дуга; 3 – сопло горелки; 4 – канал сопла; 5 – заготовка; 6 – плазменная струя
Рисунок 13.1 - Схемы получения плазменной струи
В плазмотронах с плазменной дугой (рисунок 13.1 а) электрическая дуга 2 горит между электродом 1 и заготовкой 5.
Зажигание дуги производится с использованием осциллятора, с помощью которого зажигается вначале маломощная дуга между электродом 1 и соплом горелки 3.
Плазмообразующий газ, подаваемый в корпус сопла горелки 3, попадает в зону электрической дуги 2, где превращается в термическую плазму. Плазма, неотделимая от электрической дуги, под действием электрических сил, проходя через канал сопла 4, сжимает дугу. В результате такого воздействия продуваемого газа на электрическую дугу температура последней значительно возрастает от 6·103 до (1030) ·103 оС. В столбе электрической дуги продуваемый газ, превращаясь в плазму, образует газообразный проводник между электродами с плотностью энергии до 1·106 вт/см2. Истечение плазменной струи характеризуется скоростями близкими к скорости звука. Радиальное распределение температуры в плазменной струе может быть охарактеризовано с использованием кривых Гаусса.
Для охлаждения сопла и канала сопла используется непрерывная подача и отвод воды.
Плазменная струя 6, совмещенная с электрической дугой, носит название плазменной дуги, а сварочные устройства – плазмотроны с плазменной дугой.
Плазменная дуга, обладающая большой тепловой мощностью, используется преимущественно для сварки различных тугоплавких материалов. Ее применяют для сварки сплавов титана, вольфрама, молибдена и высоколегированных сталей.
Применение плазменной дуги для сварки указанных металлов объясняется преимуществами, которые ей присущи по сравнению с другими видами сварки.
Такими отличительными качествами плазменной дуги являются:
а) высококонцентрированный источник тепловой энергии, обладающий по этой причине значительной проплавляющей способностью;
б) плазменная дуга обеспечивает в достаточной степени интенсивное горение, что положительно сказывается на качестве производимых сварных швов;
в) широкий диапазон регулирования параметров, определяющих режимы выполнения сварки, что позволяет производить сварку металлов от очень малых толщин 0,025 мм. до 1 мм. на достаточно малых величинах сварного тока порядка 1-10, А;
г) значительное уменьшение величин зоны термического влияния свариваемых материалов и сварочных напряжений, что особенно важно при выполнении сварки конструкций сложной пространственной формы.
В плазмотронах второго типа, т.е. в плазмотронах с плазменной струей (рисунок 13.1 б), последняя является независимым высокотемпературным источником тепловой энергии. Такие плазмотроны принципиально не отличаются от плазмотронов с плазменной дугой. Только дуга в таких плазмотронах горит между электродом 1 и соплом 3, соединенным с положительным полюсом источника постоянного тока. Таким образом, в данном случае использована система питания устройства постоянным током прямой полярности от источника с падающей характеристикой. Зажигание дуги производится также с использованием осциллятора.
Следует отметить, что тепловая мощность плазменной струи ограничена. По этой причине плазмотроны с плазменной струей используют для сварки и преимущественно резки металлических заготовок небольшой толщины, а также неэлектропроводных материалов.
В процессе резки плазменной струей только примерно 7-10% энергии продуктивно используется, по этой причине данный способ находит широкое применение и экономически оправдан только для резки неметаллических материалов.
Плазмообразующие газы или смеси газов должны отвечать следующим требованиям:
а) обеспечивать эффективное формирование сварочной (режущей) дуги;
б) надежно осуществлять передачу тепловой энергии от плазменной дуги (струи) к свариваемому (разрезаемому) материалу;
в) способствовать длительной работе сопла плазмотрона;
г) получать требуемую степень чистоты кромок материала при выполнении резки;
д) обеспечивать экономичность и безопасность работы плазмотрона.