книги из ГПНТБ / Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства

зарядка конденсатора Ср от источника постоянного тока. Если перевести ключ К в правое положение, то происходит разряд кон­ денсатора на первичную обмотку сварочного трансформатора. При этом во вторичной обмотке, которая обычно состоит из одного витка, индуктируется ток большой силы, сваривающий между собой в од­ ной точке предварительно зажатые между электродами 1 и 4 метал­ лические детали 2 и 3.

тс

ö

Рис. 19. Схемы конденсаторной сварки (трансформаторного ти­ па):

а — точечной; б — роликовой; о — стыковой.

В. Э. Моравский [27] установил, что способ трансформаторной кон­ денсаторной сварки сопротивлением может быть применен не только для точечной сварки, но также и для стыковой и шовной.

Действие роликовой конденсаторной машины (рис. 19, б) основа­ но на периодическом получении с заданной частотой дозированной зарядки и разряда конденсатора емкостью Ср на перемещающихся между роликами 1 и 4 свариваемых деталях 2 и 3. Зарядка до Uz max осуществляется через вентильный элемент В3. Накопленная в про­

обусловливает индуктирование во вторичной цепи трансформатора кратковременных импульсов сварочного тока, вследствие чего об­ разуется на деталях 2, 3 сплошной шов, состоящий из ряда перекры­

губках 1 и 4 стыковой машины и сжимаются между собой усилием Ра. Затем переключением ключа К в правое положение осуществляе­

100

тся разряд конденсатора Ср на первичную обмотку сварочного транс­ форматора ТС. Индуктированный во вторичной цепи импульс тока большой силы осуществляет сварку деталей 2 и 3 под действием си­ лы Р2.

Преимущества конденсаторной сварки:

1)незначительная величина мощности, потребляемой из сети во время зарядки конденсаторов;

2)строго постоянное и точно контролируемое количество элект­ роэнергии, расходуемое на сварку каждой точки или на каждую сварочную операцию, обеспечивает (при прочих равных условиях) стабильное качество сварных соединений и их однородность;

3)минимальные размеры зоны термического влияния в основном металле вследствие кратковременности процесса сварки и концен­ трированного выделения тепла в месте сварки;

4)возможность качественной сварки разнородных металлов и сплавов, которые обычно свариваются с большими трудностями или вовсе не свариваются.

Недостатки:

1)ограниченность размеров свариваемых деталей по толщине (до 1 мм) и сечению, так как с ростом указанных величин значи­ тельно увеличиваются габариты машин;

2)невозможность применения для сварки полностью закрытых контуров.

Области рационального применения:

1. Массовое производство мелких и мельчайших деталей, изго­

товляемых из цветных и черных металлов толщиной 0,05—0,8 мм.

2.Типы соединений: главным образом — точечные (70%), ре­ же — стыковые, рельефные и шовные (30%).

3.Отрасли промышленности: приборостроение, радиотехниче­ ская и электронная промышленность, производство счетных машин,

часов, фотоаппаратов, металлической галантереи, металлических игрушек, устройств оборонной техники, составных деталей из би­ металлических стержней, выполняемых ударной сваркой, электро­ дов запальных свечей для двигателей внутреннего сгорания и проч.

ИНДУКЦИОННАЯ СВАРКА

Индукционная сварка давлением осуществляется с нагревом то­ ками высокой частоты (т. в. ч.) при помощи специальных высоко­ частотных индукторов. Нагрев т. в. ч. широко используется при изготовлении сварных труб с прямым, а иногда и спиральным швом.

Принципиальная схема индукционной сварки труб приведена на рис. 20. Высокочастотный индуктор 1, соединенный с генератором

101

частотой 2,5—8 кгц, устанавливают над кромками предварительно сформованной трубной заготовки 2. Магнитный поток, создаваемый током индуктора, пересекает трубную заготовку перпендикулярно ее поверхности. Индуктируемые вследствие этого вихревые токи в трубной заготовке протекают вдоль обеих кромок на длине, при­ мерно равной длине индуктора, и нагревают их до температуры свар­ ки. При этом ток протекает в обеих кромках в одном и том же на­ правлении. Нагретые таким образом кромки с помощью обжимных

2,5-8кгц

сварочных валков сбли­ жаются под давлением Р, до­ статочным для того, чтобы произвести сварку и выда­ вить окислы металла в грат, который затем удаляют ме­ ханическим путем. Полу­ чаемая при этом осадка кромки достигает величины

Рис. 20. Схема индукционном сварки труб. от 0,56 до 1,26, где 6 — тол­ щина стенки трубы.

Индукционная сварка токами высокой частоты (2500—8000 гц) по сравнению со стыковой сваркой сопротивлением токами промыш­ ленной частоты (50 гц) обеспечивает получение шва лучшего качест­ ва вследствие более равномерного прогрева кромок по длине и тол­ щине заготовки. Шов при индукционной сварке не имеет такой яр­ ко выраженной строчечной структуры, как при контактной сварке сопротивлением токами промышленной частоты.

Хотя скорость индукционной сварки, как правило, очень высокая и достигает 30—45 м/мин, однако, из-за большого расстояния от места начала нагрева до сжимающих валков, нагреваемые кромки в течение 1—2 сек контактируют с воздухом. При высокой темпера­ туре этого времени достаточно для образования сравнительно тол­ стого слоя окислов. Поэтому для получения труб G хорошим каче­ ством швов применяют высокотемпературный нагрев (до 1380— 1450° С) и удельное давление 4—8 кг/мм2, чтобы гарантировать раз­ рушение и выдавливание окисной пленки в грат, если она образо­ валась.

РАДИОЧАСТОТНАЯ СВАРКА

При радиочастотной сварке металлов нагрев осуществляют тока­ ми высокой — радиотехнической — частоты (до 450кгц и более). Ха­ рактерной эксплуатационной особенностью этого способа является высокая его производительность и скорость сварки, достигающая 120 м/мин и более.

102

На рис. 21 приведены две типичные схемы радиочастотной свар­ ки труб, отличающиеся способом подвода тока высокой частоты от источника его получения к кромкам трубной заготовки. В первой (рис. 21, а) подвод тока осуществляется с помощью пары контактов 2, скользящих (или катящихся) по кромкам трубной заготовки — это кондукционная или контактная схема токоподвода. Вторая схема (рис. 21, б) — индукционная, бесконтактная, в которой подвод тока осуществляется с помощью цилиндрического индуктора 7, охваты­ вающего трубу 1 с ферритным стержнем 6.

Рис. 21. Схемы радиочастотной сварки труб:

а — с контактным подводом тока; 6 — с индукционным подводом тока.

Врезультате воздействия переменного магнитного поля, возни­ кающего вокруг проводника (трубы) /, в ней возбуждаются вихре­ вые токи, причем в обеих схемах направление тока в параллельных кромках будет противоположное (встречное). В связи с этим эффект близости приводит к концентрации тока на поверхности кромок тем большей, чем выше частота. Таким образом, в обоих случаях интен­ сивность нагрева кромок зависит от частоты.

Втех случаях, когда требуется нагреть тонкие слои на поверх­ ности металла, необходима высокая концентрация мощности, до­ стигающая сотен и тысяч вт!смг, получить которую можно только при высокой частоте тока. Возникающая при этом тепловая энергия

распределяется в проводнике неравномерно — большая ее часть выделяется на поверхности проводника. При частоте тока 450 кгц и весьма малом времени протекания тока до требуемой температуры можно нагреть лишь наружные слои проводника, в данном случае тонкие наружные слои кромок. Явление очень малого проникновения тока в глубину проводника называют поверхностным эффектом. За­ висимость глубины проникновения тока в сталь от частоты тока и температуры нагрева выражается простой формулой

103

угол. Когда ток высокой частоты подводят к металлу с помощью па­ ры контактов, расположенных на небольшом расстоянии от обжим­ ных валков, образуются два возможных пути тока 5: один из них идет от первого контакта ко второму вокруг трубы (при сварке двух профилей этого пути нет); другой — от первого контакта вдоль кромки трубы до точки сварки 4 и вдоль противоположной кромки ко второму контакту. Высокочастотная сварка основана на том, что ток высокой частоты протекает через трубную заготовку по второму пути, параллельному кромкам заготовки, разогревая их до темпе­ ратуры сварки за счет преобразования электрической энергии в теп­ ловую. Кромки, приобретая температуру сварки, сдавливаются об­ жимными роликами 3 и соединяются (свариваются) друг с другом в пластическом состоянии.

Естественный путь тока — это путь наименьшего электрического сопротивления. В данном случае путем наименьшего сопротивления (индуктивного) для труб диаметром более 20—25 мм является путь вдоль кромок трубной (или иной) заготовки. В разомкнутых заготов­ ках, например при сварке балок из профилей и листов, этот путь вообще является единственным.

При индукционном способе передачи энергии (рис. 21, б) свари­ ваемую трубную заготовку помещают в цилиндрический индуктор 7. При этом ток, индуктируемый в заготовке, проходя по ее периметру, достигает максимальной концентрации на свариваемых кромках и замыкается в точке схождения их 4.

Передача энергии к кромкам свариваемой заготовки через сколь­ зящие (или катящиеся) контакты 2 — значительно менее энерго­ емкий и более эффективный способ по сравнению с индукционным. При одной и той же скорости сварки и толщине заготовки установка с контактным токоподводом потребляет почти в два раза меньшую мощность [7]. Для труб диаметром более 200 мм индукционный под­ ход тока вообще не рекомендуется применять из-за значительного снижения к. п. д. сварочной установки. Однако контактная схема токоподвода обладает и некоторыми существенными недостатками: пониженная эксплуатационная надежность, механическая повреж-

104

даемость контактного устройства, его износ и меньшая стабиль­ ность работы по сравнению с индукционной системой, особенно при плохом состоянии поверхности заготовок (загрязнения, слой кор­ розии и др.).

Нагрев кромок заготовок токами радиочастоты позволяет осу­ ществлять сварку как с оплавлением, так и без оплавления кромок. При этом возможны три режима нагрева кромок:

1. Разогрев кромок свариваемой заготовки ниже температуры плавления металла с последующим обжатием в валках, как это про­

случае должно быть достаточным для того, чтобы произвести значи­ тельную пластическую деформацию нагретых кромок для разруше­ ния и удаления окисной пленки из сварного шва. Удельное давление при этом должно быть не ниже 4—5 кг/мм2. Этот процесс не типичен для радиочастотной сварки. Поэтому, несмотря на то,что этот процесс по сравнению с другими требует минимальной затраты электроэнер­ гии, однако, из-за нестабильности качества сварки он практически почти не применяется.

2.Разогрев кромок с оплавлением в точке их схождения 4 с по­ следующим обжатием в валках 3. При этом жидкий металл с окис­ лами легко удаляется давлением сжимающих валков 3. Удельное давление в этом случае 2—3 кг/мм2.

3.Кромки уже при подходе к точке схождения нагреваются до расплавления, а на стыке — дополнительно перегреваются. В даль­ нейшем при схождении кромок происходит интенсивный выброс

2—3 кг/мм2.

При сварке изделий из низкоуглеродистой или низколегирован­ ной стали целесообразно применять второй вариант, так как в этом случае несколько меньше грат и меньше потребляемая мощ­ ность.

Для сварки изделий и труб из сталей, образующих тугоплавкие окислы, например, нержавеющих, аустенитных сталей, а также цвет­ ных металлов, окислы которых очень тугоплавки, например А]а0 3, применим только третий вариант.

При радиочастотной сварке качество сварного соединения по­ вышается с увеличением скорости сварки. Это объясняется тем, что при больших скоростях сварки сокращается время нагрева и ши­ рина зоны нагрева кромок, а также период времени интенсивного окисления нагретого металла на воздухе.

В процессе сварки с оплавлением кромок степень деформации при осадке определяется выдавливанием расплавленного металла и вы­

105

ДИФФУЗИОННО-ВАКУУМНАЯ СВАРКА

Диффузионная сварка в вакууме (ДСВ) — сварка давлением, осуществляемая за счет диффузии атомов контактирующих металлов, усиленной нагревом деталей в вакууме.

Отличительной особенностью этого способа сварки, разработан­ ного Н. Ф. Казаковым, является то, что процесс сварки металлов давлением производится в вакууме 10~3 — ІО-5 мм pm. cm.

Из практики термической обработки металлов известно, что при нагреве в вакууме поверхность многих металлов осветляется, т. е. освобождается от окислов. Известно также, что одним из главных препятствий для достижения высокого качества сварки металлов на открытом воздухе являются окисные пленки, образующиеся на по­ верхности свариваемых деталей. Эти два обстоятельства и обуслови­ ли появление способа диффузионно-вакуумной сварки, при которой проблема очистки соединяемых поверхностей от окислов решается естественно, особенно если совместить действие вакуума и высокой температуры.

Благодаря вакууму удается получить хорошее соединение с от­ носительно небольшой макропластической деформацией металла при умеренной температуре нагрева.

Однако указанные два обстоятельства (сравнительно малая сте­ пень пластической деформации и невысокая температура нагрева) затрудняют процесс выравнивания неровностей на соединяемых поверхностях, их сглаживание во время сварки. Поэтому к заго­ товкам, предназначенным для диффузионно-вакуумной сварки, предъявляется требование повышенного класса чистоты обработки с целью уменьшения неровностей и микровыступов на соединяемых поверхностях. Если при контактной сварке оплавлением достаточ­ на грубая токарная обработка соединяемых торцов и даже газорезка, то при диффузионно-вакуумной сварке во многих случаях требуется их шлифовка.

По А. С. Гельману [9] диффузионно-вакуумная сварка представ­ ляет собой трехстадийный процесс: 1) очистка поверхности; 2) об­ разование физического контакта и 3) химические взаимодействия. При этом последняя стадия у металлов протекает быстро и в общем балансе времени сварки не имеет существенного значения, а роль первой стадии зависит от толщины и свойств окисных пленок. В практических условиях сварки большинства металлов, кроме алю­ миния и его сплавов, время сварки определяется временем нагрева и второй стадией, в которой одновременно протекают процессы пол­ зучести и спекания.

Схема типичной однокамерной установки для диффузионно-ва­ куумной сварки приведена на рис. 22.

107

С точки зрения комплексной механизации и автоматизации сбо­ рочно-сварочного процесса, осуществляемого по поточной системе, диффузионно-вакуумная сварка является весьма трудным объектом, так как наличие герметичной вакуумной камеры, в которой прихо­ дится производить сборку, нагрев и сварку деталей, чрезвычайно осложняет вспомогательные операции, межоперационный транспорт

с контактной сваркой.

Таким образом, диффузионно-вакуумную сварку следует при­ менять лишь в тех случаях, когда никакой другой способ сварки не­ применим или недопустим из-за качества сварки, например, если классические методы сварки плавлением или давлением на откры­ том воздухе недопустимы из-за слишком грубого воздействия воз­ духа на соединяемые металлы (температурного и химического), вы­ зывающего структурные и фазовые изменения, трещины, деформа­ ции и различные технологические дефекты в таких ответственных металлах, как сверхпрочные, тугоплавкие, жаростойкие и другие специальные сплавы.

Для металлов этого класса выбор способа сварки определяется

108

не его простотой и экономичностью, а необходимостью обеспечить вы­ сокое качество сварных соединений без изменения свойств основного металла в околошовной зоне и без значительных деформаций.

Преимущества диффузионной сварки:

1)возможность получения высококачественных швов на любых металлах и сплавах с относительно небольшой макропластической деформацией при умеренной температуре нагрева;

2)минимальное термическое воздействие на околошовную зону;

3)минимальные сварочные деформации и напряжения. Недостатки:

1)требуется повышенный класс чистоты обработки заготовки с целью уменьшения неровностей и микровыступов на соединяемых поверхностях;

2)усложняются вспомогательные операции (укладка и съем изде­ лий, межоперационный транспорт, управление процессом и проч.) из-за необходимости производить сборку, нагрев и сварку изделий

вгерметичной вакуум-камере. Благодаря этому повышается общая трудоемкость процесса и резко осложняется задача комплексной автоматизации процесса. В массовом производстве возникает про­ блема шлюзования деталей;

3)менее экономична по сравнению с контактной и другими спо­ собами сварки на открытом воздухе;

4)ограниченность типа соединений — в основном стыковые со­

единения стержней, торцов, выступов и т. д. Области рационального применения:

1. Сварка особо ответственных стыковых соединений в изделиях из сверхпрочных, жаростойких и других специальных сплавов и композиций.

2. Производство изделий, в которых сварка металла должна про­ изводиться без изменения его свойств в околошовной зоне и с мак­ симальными или нулевыми остаточными деформациями, позволяю­ щими сваривать детали после их окончательной обработки.

ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Процесс холодной сварки металлов основан на совместной плас­ тической деформации соединяемых металлов и осуществляется при комнатной или даже отрицательной температуре. Физической ос­ новой процесса является сближение атомов соединяемых поверх­ ностей на весьма малые расстояния, обеспечивающие активное дей­ ствие межатомных сил и «схватывание» металла. Такое сближение и получение физического контакта по всей поверхности раздела прак­ тически возможно только при высоком давлении и значительной

109