Существуют два вида стыковой контактной сварки:

• сварка сопротивлением;

• сварка оплавлением.

При сварке сопротивлением (рисунок 2,а) заготовки сначала сжимают усилием, обеспечивающим образование физического контакта свариваемых поверхностей, а затем пропускают сварочный ток. После разогрева места сварки происходит осадка и образуется соединение в твердой фазе. Для обеспечения равномерного нагрева по всему сечению поверхности заготовок тщательно готовят. Необходимость обеспечения равномерного нагрева ограничивает возможность применения сварки сопротивлением только для деталей небольшого (площадью до 200 мм²) и простого сечения (круг, квадрат).

I - сварочный ток; Р - усилие сжатия; S - перемещение подвижной плиты; t - время сварки; а - сопротивлением; б - оплавлением;

Рисунок 2. Циклограммы контактной стыковой сварки

Сущность сварки оплавлением (рисунок 2,б) заключается в том, что свариваемые заготовки сближают при включенном сварочном трансформаторе. Касание поверхностей происходит по отдельным выступам. Ввиду того, что площадь образовавшихся контактов очень небольшая, плотность тока, протекающего через эти контакты, настолько велика, что происходит мгновенное оплавление металла с образованием жидких перемычек, которые под действием паров металла разрушаются. Часть металла в виде искр выбрасывается из стыка. Вместе с жидким металлом выбрасываются загрязнения, которые присутствуют на поверхности заготовок. Продолжающееся сближение заготовок приводит к образованию новых перемычек и их оплавлению. Непрерывное образование и разрушение контактов-перемычек между торцами приводит к образованию на торцах слоя жидкого металла. После оплавления торцов по всей поверхности осуществляют осадку. При осадке жидкий металл из стыка выдавливается наружу и, затвердевая, образует грат. Обычно грат удаляют в горячем состоянии. Сварка оплавлением может быть прерывистая и непрерывная. При прерывистом оплавлении заготовки под током приводят в соприкосновение и вновь разводят. Образующийся при разведении электрический разряд между торцами заготовок оплавляет торцы. После нескольких повторных замыканий на торцах образуется слой жидкого металла. При включении механизма осадки жидкий металл выдавливается из стыка, торцы приходят в соприкосновение и образуется сварное соединение.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением: торцы заготовок перед сваркой не требуют тщательной подготовки, можно сваривать заготовки с сечением сложной формы и большой площадью, а также разнородные металлы. Стыковую сварку оплавлением применяют для соединения заготовок сечением до 100 000 мм². Типичными изделиями являются элементы трубчатых конструкций, колеса, кольца, рельсы, железобетонная арматура, листы, трубы.

Образование соединений при контактной сварке

Все способы контактной сварки основаны на нагреве металла теплотой, выделяющейся при протекании через детали электрического тока. Количество теплоты зависит от силы тока, длительности его протекания и электросопротивления металла зоны сварки.

При точечной сварке (ТС) к двум (или более) сжатым между собой деталям 2 с помощью электродов 1, 3 (рис. 7,а) подводят ток большой силы (до нескольких десятков килоампер) и небольшого напряжения (обычно 3-8 В). Теплота, используемая при сварке, выделяется непосредственно в самих деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Удельное электросопротивление металла играет существенную роль в процессах сварки.

Рис. 7. Схема процесса точечной сварки

Рассмотрим кратко строение и основные особенности электрического контакта. При большом увеличении на поверхности любого металла после механической обработки видны значительные неровности (выступы и впадины). При сжатии деталей образуется контакт, представляющий собой соприкосновение двух поверхностей по небольшому числу отдельных точек. Площадь контакта в каждой точке и число точек зависят от усилия сжатия деталей, механических свойств металла, состояния поверхности и размеров рабочих поверхностей электродов. Чем мягче металл и меньше высота неровностей на его поверхности, тем ниже так называемое контактное сопротивление при постоянном усилии сжатия.

Контактное сопротивление вызвано резким уменьшением сечения проводника в зоне контакта и наличием на соприкасающихся поверхностях пленок оксидов, имеющих низкую электропроводимость. С увеличением усилия сжатия отдельные выступы на поверхности металла сминаются, площадь фактического контакта деталей растет и контактное сопротивление снижается. Смятие металла от действия усилия способствует разрушению пленок оксидов на поверхности, что также снижает контактное сопротивление. Контактное сопротивление значительно изменяется при нагреве деталей в связи с повышением удельного электросопротивления зон металла, прилегающих к контакту, а также в связи с увеличением числа и площади отдельных контактов в результате более интенсивного смятия нагретого металла, при нагреве главным является увеличение площади контактов. Роль контактного сопротивления в тепловыделении зависит от применяемого способа сварки и режима, в частности от силы тока и длительности его протекания.

При включении тока вначале за счет концентраций линий тока разогреваются выступы контакта (рис. 7,а), а затем и металл, находящийся в непосредственной близости к контакту. Электроды, используемые при сварке, изготовляют из медных сплавов, имеющих высокую теплопроводность. Охлаждение электродов водой способствует тому, что нагрев поверхностей деталей, контактирующих с электродами, протекает медленнее нагрева внутренних слоев металла зоны сварки.

С повышением температуры металла контактные сопротивления быстро снижаются, и основное выделение теплоты происходит за счет сопротивления деталей. Ток пропускают до тех пор, пока в центральной, наиболее нагретой зоне, металл деталей не расплавится. В результате расплавления образуется чечевицеобразная зона жидкого металла, окружаемая плотным кольцом нагретого металла, в пределах которого образовалось достаточно прочное соединение в пластическом состоянии (без расплавления). Это кольцо-поясок 4 (рис. 7,б), сжатое при нагреве усилием электродов, является уплотнением, препятствующим вытеканию жидкого металла в зазор между свариваемыми деталями. После получения зоны расплавления необходимых размеров ток выключают, металл охлаждается, и в результате его затвердевания — кристаллизации образуется литое ядро 5 сварной точки. На наружных поверхностях деталей от усилия электродов образуются вмятины диаметром d₀, практически равным наружному диаметру d_a пластического пояска.

Литое ядро точки у подавляющего большинства металлов имеет дендритную структуру, наблюдаемую у металла, отлитого в металлическую форму (кокиль). Литое ядро окружено вокруг металлом, структура и свойства которого изменились в результате нагрева в процессе сварки. Зона, в пределах которой произошли эти изменения, называется зоной термического влияния или переходной зоной.

При рельефной сварке (PC) контакт между деталями определяется специальной формой их поверхности в месте соединения, а не размером и формой рабочей части электродов, как при точечной сварке (ТС).

Образование соединений при PC и ТС имеет много общего. Две детали 2 из листа, на одной из которых выштампованы рельефы сферической формы, зажимают между электродами (плитами) 1, 3, подводящими ток к деталям (рис. 8). Для обеспечения одинаковых условий нагрева каждого рельефа необходимо, чтобы усилие F_э и ток I₂ равномерно распределялись между всеми точками контакта деталей (F_св, I_св).

В начале процесса образования соединения в связи с малой площадью контакта рельефа с плоской деталью контактное сопротивление деталь-деталь при PC больше, чем при ТС того же металла. После включения сварочного тока это приводит к интенсивному нагреву металла рельефа и деформации его вершины. Контактное сопротивление быстро уменьшается, и теплота в основном выделяется за счет собственного сопротивления металла рельефа. Нагреваемые рельефы не должны преждевременно сильно деформироваться; если это произойдет до образования зоны расплавления в контакте деталей, то детали придут в соприкосновение по всей их внутренней поверхности, и ток пойдет минуя рельефы через холодные участки металла, имеющие малое сопротивление. Дальнейший нагрев рельефа резко уменьшится, и соединение не образуется. При правильно выбранных форме рельефа и режиме сварки в зоне соединения за счет теплового расширения металла обеспечивается некоторый зазор между деталями, препятствующий их случайному соприкосновению и появлению дополнительных (помимо рельефа) путей прохождения тока через детали.

Рис. 8. Схема процесса рельефной сварки Рис. 9. Схема процесса шовной сварки и

образования литой зоны

По мере протекания тока зона расплавления увеличивается в объеме, металл рельефа интенсивно деформируется практически заподлицо с поверхностью детали (остается лишь небольшая кольцевая канавка). Когда зона расплавления достигнет необходимых размеров, сварочный ток выключают, металл охлаждается и кристаллизуется, образуя литое ядро, окружаемое плотным пояском металла, где соединение произошло без расплавления. Образование соединения при шовной сварке (ШС) (рис. 9,а) имеет свои особенности. При выполнении первой точки шва в начальной стадии протекания тока (рис. 9,б) контакт К₁ ролик-деталь имеет небольшие размеры, которые увеличиваются к моменту выключения тока и охлаждения металла до К₁ (рис. 9,б). Образование литой зоны идет, как при ТС. За время паузы и начальной стадии протекания тока детали перемещаются на шаг t_ш1. Площадь контакта К₂ (рис. 9,в) значительно больше площади контакта К₁ в связи с тем, что ролики частично находятся во вмятине первой точки. Это снижает плотность тока в контактах, а следовательно, после выключения тока и охлаждения образуется вторая литая зона с контактом К₂ (рис. 9,в), которая имеет меньшие размеры, чем первая. Образование третьей и последующих литых зон шва происходит аналогично.

В большинстве случаев, если не принимать специальных мер, размеры первой зоны расплавления настолько увеличиваются, что вызывают внутренний и даже наружный выплески металла. Для предупреждения этого дефекта в современных шовных машинах предусмотрено при сварке первой точки шва автоматическое снижение силы тока на 10—15% по сравнению с силой тока для сварки последующих точек. Например, при увеличении t_ш за счет увеличения паузы между включениями тока ролики больше «выкатываются» из вмятины на исходную поверхность металла, размеры контакта ролик-деталь уменьшаются, плотность тока возрастает и размеры зоны расплавления увеличиваются; при уменьшении t_ш - наоборот.

При стыковой сварке (СС) в результате нагрева и пластической деформации металла в зоне стыка происходит разрушение части элементарных частиц — зерен металла с одновременным образованием новых (общих для обеих деталей) зерен. Этот процесс, называемый рекристаллизацией, играет важную роль в образовании соединений при СС. Обязательным условием получения надежного соединения является удаление пленки оксидов на торцах деталей или ее разрушение.

Теплота, используемая для сварки, выделяется в контакте между торцами соединяемых деталей за счет контактного сопротивления и в самих деталях за счет собственного сопротивления. При СС переходные сопротивления губка-деталь весьма малы и не оказывают практического влияния на общее количество теплоты.

Источник: Чулошников П.Л. Контактная сварка. Учеб. пособие для проф. обучения рабочих на производстве

Разработка процесса контактной электросварки

Контактная сварка - это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Родоначальник контактной сварки - английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон самостоятельно разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н.Н.Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки.

С ущность способа точечной контактной электросварки заключалась в том, что к двум стальным пластинам, помещённым одна на другую, подводился ток с помощью специальных клещей (рис. 1), в которые были вставлены угольные электроды. Ток проходил через электроды, между которыми зажимались пластины, и выделившейся теплоты было достаточно для образования сварной точки.

Рис. 1. Клещи Бернадоса для контактной сварки

Одна из проблем в конце XIX в. - соединение телеграфных проводов. Эта проблема была решена с помощью стыковой контактной сварки. К 1884 г. Э. Томсоном созданы необходимые для контактной стыковой сварки элементы оборудования: коммутирующая аппаратура, динамо-машина для генерирования переменного тока, подаваемого на трансформатор большой удельной мощности, специальные токоподводящие зажимы. В 1885 г. он отрабатывает технику сварки, доводит до безотказной работы сварочную аппаратуру и в начале 1886 г. подаёт заявку на патент, защищающий принципиально новый способ электрической сварки.

Способ Томсона описывается так: «свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы -до 200000 ампер при низком напряжении - 1-2 вольт. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными». Проковка была не просто данью моде, не остатком прежней технологии, а приёмом, обеспечивающим повышение качества металла шва. Поскольку кроме нагрева применялось и механическое сдавливание, первоначально способ называли «электрической ковкой» или «безогненным методом сварки».

П ервое устройство, выполняющее нагрев и сжатие двух проводов, состояло из двух рычагов, на одном конце соединённых шарниром из изоляционного материала, а с другого конца связанных пружиной через изоляционные втулки (рис. 2). В этих рычагах посередине зажимались свариваемые детали - провода, стержни и т. п.

Рис. 2. Схема первой установки для контактной сварки: 1 - шарнир; 2 - рычаги; 3 - зажим; 4 - свариваемые детали; 5 - стык; 6 - стопорный винт; 7 - пружина

В следующей установке был применен трансформатор с замкнутым контуром (рис. 3). На его первичную обмотку подавалось напряжение 600 В, и по ней протекал ток силой 20 А. Эта обмотка наматывалась на катушку диаметром 305 мм. Катушку охватывал и виток вторичной обмотки, концы которой подключались через зажимы к свариваемым деталям. По сварочной цепи протекал ток 12000 А при напряжении 1 В.

                     5 Рис. 3. Схема установки для контактной сварки, снабжённой трансформатором с замкнутым контуром: 1 - сердечник; 2 - первичная обмотка; 3 - виток вторичной обмотки; 4 - свариваемые детали; 5 - стык; 6 - пружина; 7 - стопорный винт

Э. Томсон сконструировал установку, в которой ток прерывался синхронно с прикладываемым усилием сжатия. Для развития больших усилий сжатия изобретатель разработал аппарат с гидравлической системой (следует напомнить, что механические и гидравлические системы широко применялись ещё в древних цивилизациях - китайской, вавилонской, египетской, греческой). Следующим шагом в развитии стыковой контактной сварки было применение импульсов тока и давления. По мере расширения сферы применения стыковой сварки совершенствовалась её технология и разрабатывались новые схемы нагрева. Были предложены несколько способов комбинированной (дуговой и контактной) сварки.

Ч. А. Коффин применил сварку стержней большого сечения с предварительным нагревом вибрирующей короткой дугой. Им же разработана технология сварки с промежуточной угольной пластиной - электродом, подключаемой ко вторичной обмотке и вставляемой на время разогрева между стыкуемыми деталями. В других устройствах между свариваемыми деталями помещали металлическую пластину, а ток подводили к концам деталей через угольные контакты. Пластину выбирали из материала с большим удельным электросопротивлением, чем у свариваемого металла, благодаря чему ускорялся нагрев. Перед сжатием вставку удаляли. Коффин предложил также пропускать магнитное поле через свариваемый участок, считая, что это вызовет структурные изменения, приводящие к уменьшению проводимости свариваемого металла, а следовательно, к ускорению нагрева.

Установки для контактной стыковой сварки часто называли «электрическими горнами». В 1892 г. Э. Райе использовал принцип контактной сварки в «кузнечном горне для ювелиров». Он предложил пластины, к которым нужно было приварить орнамент из проволоки, помещать на металлическую плиту, подводя к ней ток от вторичной обмотки сварочной машины. К началу XX в. относятся сообщения о применении фирмой «Фиат» контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

В 1928 г. фирма «Стаут метл эйрплэйн» (отделение фирмы «Форд мотор») использовала контактную сварку на линиях изготовления конструкций из дюралюмина. В начале 1930-х гг. в Америке была проведена серия статических и усталостных испытаний на образцах, а затем и на натурных моделях для определения возможностей применения контактной сварки конструкций из легких сплавов. Разработаны технология и оборудование, которые приняли в производство фирмы «Дуглас», «Боинг» и «Сикорски». В 1935 г. в США изготовлен монолитный цельносварной балочный фюзеляж.

Источник: В.А. Фролов, В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Казаков. "Сварка. Введение в специальность". - М.: 2004