Технология и оборудование контактной сварки
..pdfТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
Подх)бщей редакцией д-ра техн. наук проф. Б.Д. Орлова
Второе издание, переработаннс^ и дополненное
Допущено Министерством высшег и среднего специального образованно СССР
в качестве учебника длн студентов вузов, обучающихся по специальностям "Оборудование и технология сварочного
производства" и "Металлургия и технология сварочного производства"
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1986
ББК 34.64 T38*t
УД К "Ш 791.76 (075.8)
Б.Д. Орлов, А. А. Чакалеву Ю. В. Дмитриеву
А.Л. Марченкоу В. А. Сидлкин
Рецензенты: кафедра «Металлургия сварочных процессов» Московского вечернего металлургического инстлтута
(д-р техн. наук Э. С. Каракозов) и д-р техн. наук В. Э. Моравский
Технология и оборудование контактной сваркш Учебник Т38 для машиностроительных вузов/Б. Д. Орлов, А. А, Чакалев, Ю. В. Дмитриев и др.; Под общ, ред. Б. Д. Орлова. — 2-е изд.,
перераб. и |
доп .— M.t Машиностроение, 1986. — 352 в., ил. |
(В пер.): |
1 р. 20 к. |
Рассмотрены основные принципы образования соединений при точечной, шовной и стыковой сварке, особенности процессов нагрева и пластической деформации металла* технология и оборудование контактной сварки. Описаны системы управления и регу
лирования основных параметров технологического цикла сварки, |
а также |
способы |
и аппаратура контроля качества сварки. |
учебное |
пособие) |
Настоящее издание учебника отличается от 1-го (1976 г., |
более подробным рассмотрением свариваемости конструкционных материалов, мето дики расчета режимов сварки, контроля качества сварных соединений, а также описа нием современных систем управления, комплексной автоматизации и роботизации производственных процессов.
Т 2704060000-811 КБ-7-49 038 (01)-86
УЧЕБНИК
Борис Дмитриевич Орлову Алексей Андреевич Чакалеву Юрий Васильевич Дмитриев, АлексейЛикмч Маотнка. Виталий Александрович Сидякин
ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ КСШТАКТТЮЙ СВАРКИ
Редактор Т. Е. Черешнева
Художественный редактор Е. П. Ильин
Технические редакторы Н. М. Харитонова и И. Н. Скотникова
Корректор Л. Е. Сонюшкина
ББК 34.64 6П4.3
ИБ № 3901
Сдано в набор 09.12.85. Подписано в печать 26.03.8G. Т-06052. Формат 60 x907м. Бумага кн.-журнальная импорт. Гарнитура литературная. Печать высокая. Уел. печ. л. 22,0. Уел. кр.-отт. 22,0. Уч.-изд. л. 25,98. Тираж 25000 экз. Заказ 304. Цена 1 р. 20 к.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4.
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Го
сударственном комитете СССР по делам издательств, полиграфия и книжной торговли. 193144, г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.
©Издательство «Машиностроение», 1975 г.
Издательство «Машиностроение», 1986 г., с изменениями.
Контактная сварка как один из способов получения не разъемных соединений известна с конца прошлого века. В 1887 г. русский изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал точечную сварку. Несколько позже Томсон (США) изобрел стыковую сварку сопротивлением. Стыковая сварка оплаблением была предложена в 1903 г. Широкое использование контактной сварки в нашей стране
началось в 30-х годах |
после создания индустриальной базы. |
В настоящее время |
контактная сварка — один из ведущих спо |
собов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой произво дительностью. Благодаря совершенствованию технологического про цесса и модернизации оборудования области ее использования не прерывно расширяются.
Предлагаемый учебник написан в соответствии с действующей типовой программой по курсу «Технология и оборудование контакт ной сварки». Основой учебника является выпущенное в 1975 г. издательством «Машиностроение» учебное пособие аналогичного названия, используемое при чтении курса контактной сварки в МАТИ им. К. Э. Циолковского, а также в других вузах страны. Учебное пособие переведено и издано в ВНР.
По сравнению с учебным пособием в учебнике сделан ряд обобще ний и включен новый объем информации, накопленный за этот пе риод в области теории, технологии и оборудования контактной сварки. При подготовке учебника были использованы многочислен ные материалы, опубликованные ИЗС им. Е. О. Патона, ВНИИЭСО, заводом «Электрик», МВТУ им. Н. Э. Баумана, Горьковским поли техническим институтом, другими ведущими организациями, а также зарубежными специалистами. Некоторые основные литературные источники, рекомендуемые студентам для более углубленного изуче ния отдельных вопросов курса, приведены в списке рекомендуемой литературы.
Так как формирование соединений при всех способах контактной сварки конструкционных материалов происходит по определенному электротермомеханическому циклу, для усвоения материала учеб ника необходимы знания прежде всего в области материаловедения, теплофизики, электротехники, электроники и теории деформаций.
А. А. Чакалевым написаны ^гл. 1, 7, 11; В. А. Сидякиным и Б. Д. Орловым — гл. 2 и 4; Ю. В. Дмитриевым — гл. 3; А. Л. Мар ченко — гл. 6 и 8; Ю. В. Дмитриевым и В. А. Сидякиным — гл. 5; остальные главы — Б. Д. Орловым.
Все замечания и пожелания по улучшению содержания учебника будут приняты с благодарностью.
К о н т а к т н а я с в а р к а — это процесс образова ния неразъемных соединений конструкционных металлов в резуль тате их кратковременного нагрева электрическим током и пластиче ского деформирования усилием сжатия.
Соединение свариваемых деталей при контактной сварке (как и при других способах сварки) происходит путем образования свя зей между атомными агрегатами в зоне контакта этих деталей. При этом для образования физического контакта и активации соеди няемых поверхностей затрачивается тепловая и механическая энер
гия, |
подводимая |
извне. |
|
Известные способы контактной сварки классифицируют по ряду |
|||
признаков: |
|
|
|
1) |
по технологическому способу получения соединений — точеч |
||
ная, рельефная, |
шовная, стыковая; |
(нахлесточное или стыковое); |
|
2) |
по конструкции соединения |
||
3) |
по состоянию металла в зоне |
сварки — с расплавлением ме |
|
талла |
и без расплавления; |
|
|
4) |
по способу |
подвода тока — одно- и двусторонняя; |
|
5) |
по роду сварочного тока и форме импульса тока (переменный— |
промышленной, повышенной и пониженной частоты, постоянный,
униполярный — ток одной полярности с переменной силой |
в тече |
|
ние импульса); |
|
|
6) по числу одновременно выполняемых |
соединений — одно |
|
точечная, многоточечная, сварка одним или |
несколькими |
швами |
ит. д.;
7)по наличию дополнительных связующих компонентов (клея, грунта, припоя и др.);
8)по характеру перемещения роликов при шовной сварке — непрерывная (с постоянным вращением роликов) или шаговая (с оста
новкой роликов на |
время сварки). |
Т о ч е ч н а я |
с в а р к а — способ контактной сварки, при |
котором детали свариваются по отдельным ограниченным участкам касания (по ряду точек). При точечной сварке (рис. 1) детали 1 собирают внахлестку, сжимают усилием F электродами 2, к которым подключен источник 3 электрической энергии (например, сварочный трансформатор). Детали нагреваются при кратковременном про хождении сварочного тока / сп до образования зоны 4 взаимного расплавления деталей, называемой ядром. Нагрев зоны сварки сопровождается пластической деформацией металла в зоне контакта
»
I |
Fct |
Рис. 1. Основные способы контактной |
|
|
|
$ |
|
сварки |
деталей (вокруг ядра), где образуется уплотняющий поясок 5, надежно предохраняющий жидкий металл от выплеска и от окружа ющего воздуха. Поэтому специальной защиты зоны сварки не тре буется. После выключения тока расплавленный металл ядра быстро кристаллизуется и образуются металлические связи между соеди няемыми деталями. Таким образом, образование соединения при точечной сварке происходит с расплавлением металла.
Нагрев при точечной сварке проводят импульсами переменного тока промышленной частоты 50 Гц (реже повышенной частоты 1000 Гц), а также импульсами постоянного или униполярного
тока.
По способу подвода тока к свариваемым деталям различают дву стороннюю и одностороннюю сварку. В первом случае электроды 2 (рис. 1, а) подводят к каждой из деталей 7, а во втором — к одной из деталей (например, верхней, рис. 1, б). Для повышения плотности тока в точках касания деталей нижнюю деталь прижимают к медной подкладке 6У которая одновременно выполняет роль опоры.
Чаще всего за цикл сварки получают одну точку (одноточечная сварка) и реже одновременно две (см. рис. 1 б) и более точек (много точечная сварка). Иногда при точечной сварке применяют комбини рованные соединения (клеесварные и сварно-паяные). Клей и при пой вводят под нахлестку для повышения прочности и коррозионной стойкости соединений.
Р е л ь е ф н а я с в а р к а — одна из разновидностей точечной сварки. При этом на поверхности одной из деталей предварительно формируют выступ — рельеф 7 (рис. 1, в), который ограничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке
вэтой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При нагреве рельеф постепенно деформируется; на определенной стадии процесса сварки формируется ядро 4, как при обычной точеч ной сварке. Часто на поверхности детали выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ замкнутой формы, например,
ввиде кольца. После прохождения сварочного тока получают одно временно несколько точек или непрерывный плотный шов (контур
ная рельефная |
сварка). |
о в н а я |
с в а р к а — способ получения герметичного соеди |
нения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Под вод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью враща ющихся дисковых электродов — роликов 8 (рис. 1, г). Как и при то чечной сварке, детали собирают внахлестку и нагревают кратковре менными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек дости гается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов. В зависимости от того, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сварочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку. Шаговая сварка отличается относительно небольшой про изводительностью, однако при этой сварке уменьшаются скорость износа рабочей поверхности роликов и вероятность образования де фектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой,
когда прохождение сварочного тока и кристаллизация литого ядра осуществляются при вращающихся роликах.
Известны некоторые разновидности шовной сварки — односто ронняя, многошовная (одновременная сварка нескольких швов на одной машине), шовно-стыковая сварка.
С т ы к о в а я |
с в а р к а — способ контактной сварки, |
когда |
детали соединяются |
по всей площади касания (по всему сечению). |
|
Детали 1 (рис. 1, д) |
закрепляют в токоподводящих зажимах |
9, 10, |
один из которых, например зажим 10, подвижный и соединен с при водом усилия сжатия машины. По степени нагрева металла торцов деталей различают стыковую сварку сопротивлением и оплавле нием.
При стыковой сварке сопротивлением детали 1 предварительно сжимают усилием F и включают в сеть сварочный транформатор 3. По деталям протекает сварочный ток / св, и происходит постепенный нагрев стыка деталей до температуры, близкой к температуре плав ления. Затем сварочный ток выключают и резко увеличивают усилие осадки деталей, которые деформируются в стыке. При этом из зоны сварки частично выдавливаются поверхностные пленки, формируется физический контакт, и образуется соединение.
При стыковой сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают. При соприкосновении деталей в отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Нагрев торцов деталей происходит за счет непрерывного образования и разрушения контактов — пере мычек, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах обра зуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увели чивают скорость сближения и усилие осадки деталей; торцы смы каются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла.выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение — грат 11 (рис. 1, д, показан штриховой линией). Сварочный ток выключается автоматически во время осадки деталей. Для более равномерного нагрева деталей по сечению и получения однородных свойств соединений в ряде случаев до начала оплавле ния торец подогревают током способом сварки сопротивле нием.
Стыковую сварку как сопротивлением, так и оплавлением отно сят по состоянию металла в зоне сварки к сварке в твердом состоя нии, хотя в отдельных случаях, особенно при стыковой сварке оплавлением деталей больших сечений, стыковое соединение форми руется в твердожидкой фазе.
Получение сварных конструкций с заданными эксплуатацион ными свойствами обеспечивается соответствующей технологией и оборудованием. Т е х н о л о г и я — перечень сведений о способах и режимах обработки и сварки деталей. При производстве сварных узлов к этим операциям можно отнести непосредственно сварочные и вспомогательные операции, например, подготовку поверхности, сборку, контроль качества соединений и т. д.
дования
Теоретическую основу технологии составляет ряд физико-хими ческих процессов, протекающих при формировании соединений. Технология определяет требования к сварочному оборудованию.
С в а р о ч н о е о б о р у д о в а н и е — комплекс устройств (механических и электрических), обеспечивающих выполнение за данной технологии производства сварных конструкций. Оборудова ние состоит из машины, средств механизации и автоматизации, аппаратуры управления технологическим процессом сварки (рис. 2).
Машина состоит из двух частей: 1) механической части, включа ющей конструктивные элементы, создающие жесткость и прочность (корпус, станина, кронштейны и т. д.), приводы для сжатия и пере мещения деталей и элементы вторичного контура машины (консоли, электрододержатели, электроды); 2) электрической части, состоящей из источника сварочного тока (сварочного трансформатора, выпрями теля, преобразователей тока, аккумулятора электрической энергии — батареи конденсаторов и т. д.) и вторичного контура для подвода тока от источника питания к электродам.
Средства механизации и автоматизации представляют собой при способления к универсальным машинам, роботы, автоматические устройства, которые обеспечивают сборку, установку деталей перед сваркой, перемещение их во время сварки и съем сваренных узлов, формоизменение деталей до и после сварки (удаление грата), зачи стку деталей, электродов и роликов и т. п.
Аппаратура управления определяет заданную последовательность и продолжительность всех или части операций сварочного процесса, управление и регулирование основных электрических и механиче ских параметров режима сварки, контроль и управление процессом
8
сварки по обобщающим параметрам (в том числе по статистическим многофакторным моделям процесса), управление приводами средств механизации и автоматизации, а также сбор и обработку информа ции о состоянии приводов машины, о простоях, о количестве соеди нений и качестве сварки за смену, сутки и т. п. В ряде случаев аппа ратура управления с ограниченными функциями встраивается в машину.
Область применения контактной сварки чрезвычайно широка — от крупно габаритных строительных конструкций, космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. По имеющимся данным, в настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют различными способами контактной сварки. Среди механизированных и автоматизированных способов сварки контактная сварка занимает первое место.
Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы — низкоуглеродистые и легированные стали, жаро прочные и коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, магния и ти тана и др.
Точечная сварка — наиболее распространенный способ, на долю которого при ходится около 80 % всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используют в автомобиле- и вагоностроении, строительстве, радио электронике и т. д. Например, в конструкциях современных лайнеров насчиты вается несколько миллионов сварных точек, легковых автомобилей — до 5000 точек. Диапазон свариваемых толщин — от нескольких микрометров до 10—30 мм. То чечной сваркой соединяются элементы жесткостей и крепежные детали с листами, тонкостенными оболочками и панелями.
Стыковую сварку сопротивлением используют весьма ограниченно, так как не удается обеспечить равномерный нагрев стыка и получить соединение по всей поверхности контакта из-за трудностей удаления оксидных пленок. Этот способ применяют в основном при соединении проволоки, стержней и труб из низкоуглеро дистой стали относительно малых сечений.
Стыковую сварку оплавлением успешно используют при соединении трубопро водов, железнодорожных рельсов (бесстыковые пути) в стационарных и полевых условиях, длинномерных заготовок, ободьев автомобильных колес из различных конструкционных сталей и сплавов, латуни и цветных металлов и др. Стыковая сварка оплавлением обеспечивает экономию легированной стали при производстве режущего инструмента. Например, рабочая часть сверла из инструментальной стали сваривается с хвостовой частью из обычной стали.
Доля стыковой сварки, преимущественно сварки оплавлением, составляет около 10 % общего объема применения контактной сварки.
Шовная сварка по объему применения занимает третье место (около 7 %) и ис пользуется при изготовлении различных герметичных емкостей, например, топлив ных баков автомобилей и летательных аппаратов, баков стиральных млиин и шкафов холодильников, плоских отопительных радиаторов и т. п. Кроме того, шовная сварка обеспечивает получение прочноплотных швов при производстве чувствительных элементов в приборостроении. Скорость сварки швов может дости гать на отдельных установках 10 м/мин, а плотность соединений обеспечивает высо кую надежность работы сварных конструкций, в условиях очень низкого Еакуума
или весьма больших давлений рабочей среды.
Рельефная сварка — наименее распространенный способ контактной сварки (объем применения около 3 %), используется для крепления кронштейнов к листо
вым деталям, например, скобы к |
капоту автомобиля, петли для |
навески дверей |
к кабине и т. д., для соединения |
крепежных деталей — болтов, |
гаек и шпилек, |
крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и др. Рельефная сварка по непрерывным рельефам также дает возможность получать герметичные соедине ния, в частности, крышки с основанием полупроводниковых элементов или интег ральных схем.
Г Л А В А 1
ОБРАЗОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ, РЕЛЬЕФНОЙ И ШОВНОЙ СВАРКЕ
§ 1.1. ОБЩАЯ СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ
Процесс сварки характерен весьма малым временем сварки при больших сварочных токах и усилиях, обеспечивающих локальное плавление металла. Необходимым условием формирова ния соединения является образование общей зоны расплавления заданных размеров, что обеспечивает важнейшие эксплуатационные свойства — прочность и герметичность соединения. Размеры ядра или шва регламентируются ГОСТ 15878—79 (см. табл. 3.1).
При рассматриваемых способах сварки образование соединения происходит в значительной мере по единой схеме, состоящей из трех этапов I—III (рис. 1.1).
Первый этап начинается с момента обжатия деталей, вызыва ющего пластическую деформацию микронеровностей в контактах электрод—деталь и деталь—деталь. Последующее включение тока и нагрев металла облегчают выравнивание микрорельефа, разрушение поверхностей пленок и формирование электрического контакта. При рельефной сварке на данном этапе начинается осадка рельефа. Нагретый металл деформируется преимущественно в зазор между деталями, и образуется уплотняющий поясок.
Рис, 1.1. Этапы образования соединения при точечной сварке