1.2.3. Контактная точеная сварка с обжатием периферийной зоны соединений

Выше было показано, что традиционные способы КТС отличаются весьма большим многообразием используемых технологических приемов. Несмотря на это уровень дефектности сварных точек в серийном производстве даже при изготовлении узлов летательных аппаратов, достигает 5 % [32]. В условиях точечной сварки в обычных отраслях машиностроения он еще выше. Это говорит о том, что традиционные способы практически исчерпали свои технологические возможности. В этой связи весьма перспективным направлением развития технологии КТС является совершенствование и разработка новых способов точечной сварки с целенаправленным программированным воздействием на процесс формирования соединения. Одним из таких перспективных способов КТС является так называемая «контактная точечная сварка с обжатием периферийной зоны соединений» [3, 16].

При контактной точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединений (рис. 1.7) свариваемые детали сжимают токопроводящими электродами усилием F_Э и прикладывают вокруг них обжимными втулками автономное дополнительное сжимающее усилие F₀ (усилие обжатия).

В основе способов КТС с обжатием периферийной зоны соединений лежит изобретенный в 1930 г. П. Н. Львовым специальный электрод

(рис. 1.8) [59]. Этот электрод (рис. 1.8, а) содержит собственно токопроводящий электрод 2 и концентрично расположенный вокруг него силовой пуансон (обжимную втулку) 3, соединенный с приводом обжатия, которым служит упругий элемент 7.

Данное электродное устройство позволяет общее усилие сжатия деталей F_СВ, которое задают приводом сварочной машины, разделить на две его составляющих. Одна его часть F_Э (см. рис. 1.7, а), как и при традиционных способах КТС, сжимает свариваемые детали посредством токопроводящих электродов в центральной части зоны формирования соединения (над ядром). Другая же его часть F₀ — посредством силовых пунсонов обжимает свариваемые детали в периферийной ее области (в области уплотняющего пояска). Таким образом, в силу конструктивных особенностей данное электродное устройство предопределяет основные признаки способа КТС с обжатием периферийной зоны соединений в области уплотняющего пояска [16, 60], при котором в любой момент соотношение усилий определяется следующей зависимостью (см. рис. 1.7, б):

. (1.6)

Проведенные за истекший период исследования показали высокую эффективность данного способа КТС по предотвращению выплесков и непроваров. Устойчивость процесса формирования соединения против образования выплесков повышается вследствие увеличения усилия сжатия деталей в области уплотняющего пояска [3, 16, 61]. Устойчивость же процесса сварки против образования непроваров можно повысить вследствие уменьшения вероятности образования выплесков при обжатии периферии соединения, проводя сварку на более жестких режимах [3, 16]. Кроме того, обжатие периферийной зоны соединений позволяет предотвращать дефекты усадочного характера (трещины, поры) [62], уменьшить глубину вмятин от электродов, зазоры между деталями в нахлестке и ее ширину [3, 16]. Применение этого способа КТС позволяет также увеличить прочность соединений, в том числе и динамическую, путем прогиба деталей в направлении оси электродов до начала импульса тока [63], обжатием во время его действия [16] или же проковкой периферии соединения на стадии охлаждения зоны сварки [64].

Наряду с выявлением технологических возможностей способа КТС с обжатием периферийной зоны соединений совершенствовались и конструкции электродных устройств для их осуществления. В результате был разработан ряд электродных устройств (рис 1.8), отличающихся в основном конструкциями приводов усилий на электроде или обжимной втулке.

Весьма привлекательной, позволяющей получить практически любую программу изменения усилия обжатия F₀, кажется конструкция устройства (рис. 1.8, б) с электромагнитным приводом 6 усилия на обжимной втулке 3 [65]. Однако в нем усилие F₀ зависит от осевого смещения втулки 3 относительно токопроводящего электрода 2, что уменьшает стабильность усилия обжатия вследствие отклонений глубины вдавливания электрода в поверхности детали 1. Кроме того, при современных токопроводящих материалах электромагнитный привод должен иметь катушку значительных геометрических размеров, чтобы получить требуемые усилия обжатия ( ). Это затрудняет использование данного электродного устройства в практике КТС.

Следует отметить, что конструкции электродных устройств с упругими элементами в приводах усилия на обжимной втулке F₀ (рис. 1.8, а) или усилия на токопроводящем электроде F_Э (рис. 1.8, в) проработаны более глубоко. В них требуемые усилия обеспечиваются путем деформации упругих элементов 7 или 8 на заранее установленную величину h при сжатии деталей. В первой конструкции таких электродных устройств [59, 66…68] усилие F_Э на электроде 2 задается приводом машины посредством силового элемента 5, а на обжимной втулке 3 — упругим элементом 7 (рис. 1.8, а). Во второй же конструкции (рис. 1.8, в) наоборот — привод машины 5 задает усилие обжатия F₀ на обжимной втулке, а на токопроводящем электроде 2 усилие F_Э задается упругим элементом 8 [69].

Несмотря на некоторые конструктивные различия, эти электродные устройства имеют одинаковые преимущества (относительно простую конструкцию и малые габаритные размеры) и общий недостаток — усилия F₀ (рис. 1.8, а) или F_Э (см. рис. 1.8, в) также зависит от перемещения обжимной втулки 3 относительно токопроводящего электрода 2. Это приводит к их отклонениям при сварке вследствие вдавливания токопроводящих электродов 2 в поверхности деталей 1. Кроме того, конструкции этих электродов не вполне удовлетворяют требованиям по технологичности, так как очень трудоемка настройка электрода на требуемое при сварке усилие обжатия вследствие высокой жесткости упругого элемента.

По-видимому, их использование возможно при сварке деталей малых толщин, когда величины усилий F_Э и F₀ , а следовательно и жесткость упругих элементов, а также взаимные осевые смещения электрода и втулки в процессе формирования соединений относительно малы. В этом случае отклонения силового воздействия на детали от заданных значений в меньшей степени влияет на качественные показатели соединений ввиду кратковременности цикла сварки и инерционности механических процессов в силовых приводах сварочных машин.

Наиболее приемлемым для сварки деталей малых, средних и больших толщин является электродное устройство с гидравлическим приводом [70]. В нем (рис. 1.8, г) усилие F₀ на обжимной втулке 3 задается приводом машины посредством силового элемента 5, а усилие F_Э на токопроводящем электроде 2 — гидроприводом 9. Достоинством данной конструкции является то, что гидропривод можно расположить в верхней части электрододержателя 4 и уменьшить габариты рабочей части устройства. Но это усложняет подвод тока к подвижному электрододержателю 4. Такой привод позволяет получать стабильные усилия, независящие от осевого смещения обжимной втулки относительно электрода. Здесь следует отметить, что для него не разработаны специализированные устройства, которые задавали бы требуемое для КТС давление рабочей жидкости.

Широкому использованию в условиях реального производства способов КТС с обжатием периферийной зоны соединения, несмотря на их высокую технологическую эффективность, препятствуют рабочие характеристики электродных устройств, в первую очередь относительно низкая стойкость токопроводящего электрода 2. Это обусловлено тем, что обжатие деталей в области уплотняющего пояска диаметром d_П вызывает необходимость уменьшения внутреннего диаметра d_ВВ обжимной втулки 3 и, следовательно, наружного диаметра D_Э рабочей части электрода 2 до значений, близких к диаметру ядра d_Я, которые значительно меньше стандартных. Поэтому увеличивается уровень сжимающих напряжений в рабочей части электрода 2, ухудшается температурный режим его работы из-за повышения плотности сварочного тока и затрудненного охлаждения. В результате интенсифицируются пластические деформации в приконтактных объемах металла электродов и процессы взаимодействия металлов в контактах электрод-деталь.

Таким образом, формирование точечных сварных соединений как при традиционных способах сварки, так и при сварке с обжатием периферийной зоны соединений происходит по единой схеме и способы КТС различаются между собой в основном количественными параметрами термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки на разных этапах формирования соединения, которые определяются внешним энергетическим и силовым воздействием на металл зоны сварки (параметрами режима). Процесс КТС с обжатием периферийной зоны соединений предоставляет больше возможностей силового воздействия на зону сварки и потому весьма перспективен в технологическом плане.