книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование
.pdfРис. 20.22. Участок точечной сварки кузовов легковых автомобилей
20.4. Промышленное применение точечной и шовной сварки
Рассматриваемые способы соединения конструкционных мате риалов считаются одними из наиболее перспективных (в пер вую очередь, в массовом производстве из-за высокой произво дительности и качества соединений). По прогнозам доля кон тактной сварки достигнет к 2000 г. 40 % П1- В ФРГ ~80 % всех соединений выполняется точечной и шовной сваркой. Среди механизированных способов контактная сварка уверенно занимает первое место (>50 % по приведенной трудоемкости). Наиболее широко эти способы сварки используются в автомо билестроении (>90% всех соединений): при точечной сварке кузова и кабины легкового автомобиля выполняется до 104 точек, грузового — до 2-104 точек. Таким образом, за один день в мире сваривается лишь в автомобилестроении > 2 млрд, точек. Столь же распространена точечная сварка в вагоност роении при соединении обшивки с рамкой (-—■3 -104 точек на
вагон), при производстве тракторов и |
комбайнов, бытовых при |
|
боров— холодильников, |
стиральных |
машин, спортинвентаря, |
например сварка лезвий |
с кронштейнами хоккейных коньков |
в Канаде на автоматических линиях, при изготовлении строи тельных панелей, каркасов и т. п. Особое место занимает то чечная сварка при производстве конструкций ответственного назначения. Так, на некоторых современных пассажирских
Рис. 20.23. Способы разрушения (а—О) сварных соединение
Ряс. 20.24. Способы испытаний образцов на срез (а), отрыв (б), а также схемы вырезки образцов шовной сварки на растяжение (в) и испытаний на герметичиость (г)
состояния поверхности деталей и электродов, качества сборки н, наконец, качества сварных соединений.
Технологическая проба — наиболее распространенный вид испытаний образцов или изделий. При этом разрушают свар ные швы разными способами рис. 20.23), определяют размеры шва (диаметр ядра или ширину шва). Из образцов вырезают шлифы и по ним уточняют диаметр ядра и определяют его вы-
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 20. IT |
|
|
ТЕХНИЧЕСКИЕ |
ХАРАКТЕРИСТИКИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ |
|||
|
АМПЕРМЕТРОВ СВАРОЧНОГО ТОКА [2, 4] |
|
|||
|
Характеристика |
АСУ-1М*1 |
ИТ-02 •* |
ИТ-03*3 |
ИТ-80*1 |
Диапазон измеряемых то |
2 ,5 — 200 |
2 ,0 — 500 |
2 ,0 — 200 |
2 — 320 |
|
ков, кА |
|
|
|
|
|
Погрешность измерения |
± 5 |
± 2 , 5 |
± 3 , 0 |
± 2 , 5 |
|
Система отсчета |
Аналоговый |
Дискретный (цифровой) |
Аналоговый |
||
Датчики |
Тороид |
Тороид разъемный |
|||
Габариты, см |
4 1 ,5 X 2 9 ,8Х |
3 0 ,8Х 12Х |
28 X 12Х |
2 5 X 1 7 X 1 3 |
|
Масса, |
кг |
Х 3 5 ,5 |
Х 3 1 ,5 |
Х 3 1 ,5 |
|
23 |
8 |
7,9 |
3,3 |
||
*' |
Измерение действующего и максимального значений |
силы тока |
в импульсах. |
** Измерение только действующего значения. •* Измерение только максимального зна чения.
соту, степень перекрытия точек в шве, наличие внутренних вы плесков и несплошностей.
Механические испытания обычно проводят при статических нагрузках на срез (растяжение) или отрыв (рис. 20.24). Обычно испытывают 5—10 образцов, а разрушающую нагрузку сравнивают с допускаемой (см. табл. 20.2). При необходи мости корректируют режим сварки и размеры ядра. Герметич ность проверяют на образцах (рис. 20.24) или изделиях пнев моили гидроиспытаниями, газовыми (гелиевыми или фреоно выми) течеискателями.
Параметры режима измеряют специальными приборами. Сварочный ток замеряют амперметрами (табл. 20.17), транс форматорами тока или с помощью шунтов и других средств. Известна также аппаратура, например КАСТ-2М, для автома тической регистрации отклонений тока от установленного зна чения [3].
Время сварки (протекания тока) измеряют осциллогра фами, счетчиками импульсов типа СИ-2, регистраторами вре мени РВС-1 [2, 5].
Для определения усилия сжатия при наладке и аттестации машин используют гидравлические и пружинные динамометры: ДПС-1 (^ 5 0 кН), ДПС-2 (SS100 кН) и ДПС-3 (< 1 кН). Для измерений в процессе сварки применяют тензодатчики, установленные на элементы механической части машины (крон штейны, консоли и т. д.), датчики перемещения (потенциомет рические, емкостные, индуктивные), устанавливаемые под кон соль [1,2].
Обобщающие параметры процесса включают в себя такие характеристики, как перемещение подвижного (верхнего)
электрода машины, электрические параметры (напряжение или сопротивление между электродами), степень поглощения ультразвука, уровень акустической эмиссии и т. д. Например, в СССР выпущены приборы ПКС-1, ПДК-3, ПДК-7м, АКС-1 для контроля диаметра ядра по уровню перемещения элект рода, вызванного тепловым расширением металла. В послед нее время за рубежом большое внимание уделяется системам контроля качества соединений стальных деталей по «динами ческому» сопротивлению, отражающему кинетику изменения его в процессе точечной сварки [1]. Обобщающие параметры можно использовать также при активном контроле (автомати ческом регулировании, например автоматическом выключении тока по достижении заданного уровня перемещения электрода). Контроль соединений в готовых изделиях — весьма сложная проблема при контактной сварке. Для этой цели используется рентгеновское просвечивание. Обычно таким образом хорошо выявляются несплошности — трещины, раковины, выплески. Размеры ядра удается определить лишь при введении под на хлестку рентгеноконтрастных материалов в виде порошка (сус пензии) или фольги с тяжелыми элементами — карбидами вольфрама, серебра, церием.
Из других способов неразрушающего контроля следует от метить попытки использовать вихревые токи для определения размеров ядра (например, прибором ДСТ-5РПИ) в соедине ниях из стали и сплавов алюминия. Однако при этом достовер ность контроля во многом зависит от глубины вмятины, вели чин зазоров между деталями и т. п.
Г л а в а 21 КОНТАКТНАЯ СТЫКОВАЯ СВАРКА
21.1. Общие сведения
Контактная стыковая сварка — высокопроизводительный и в значительной мере автоматизированный способ получения соединений. Доля стыковой сварки, преимущественно оплавлением, составляет •-» 1 0 % контактной сварки. Этот способ также относится к электротермодеформационным процессам (ГОСТ 2601—84), но в отличие от точечной и шовной сварки возможно и соединение без расплавления металла за счет его глубокой пластической де формации.
21.1.1. Определение, терминология и основные схемы
Стыковая сварка — способ контактной сварки, когда |
детали соединяются по |
|
всей площади касания (площади |
сечения). Детали / |
(рис. 21.1) закрепляют |
в токоподводящнх зажимах 2, 3, |
один из которых |
(3) подвижной и связан |
с приводом усилия и перемещения машины. По характеру нагрева разли чают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением.
В первом случае детали сжимают до |
|
||||||||
вольно значительным усилием (3—5 кН), |
|
||||||||
включают |
сварочный |
трансформатор |
4% |
|
|||||
н либо нагревают сварочным током до |
|
||||||||
температуры |
несколько ниже |
температуры |
|
||||||
ликвидуса |
(0,8—0,9 |
TL)t |
либо |
расплав |
|
||||
ляют |
металл |
в стыке. |
В |
соответствии |
|
||||
с этим существуют два вида стыковой |
|
||||||||
сварки |
сопротивлением — без |
локального |
|
||||||
расплавления металла и с его расплавле |
|
||||||||
нием. После нагрева сварочный ток выклю |
|
||||||||
чают И |
резко |
увеличивают |
усилие |
ДО |
уси- |
Рис. 21.1. Схема стыковой сварки |
|||
лия осадки, что вызывает либо интенсив |
|
||||||||
ную |
деформацию |
твердого |
металла |
|
(выдавливание металла из стыка), вместе с которым удаляются поверхно стные пленки, либо удаление жидкого металла и части нагретого твердого металла. При этом обеспечивается формирование физического контакта и образование прочного соединения. После сварки на деталях образуется утолщение — грат 5.
При стыковой сварке оплавлением сначала на детали подают напряже ние (6 — 8 В) от сварочного трансформатора и сближают их до соприкос новения под небольшим усилием, например несколько деканьютонов. В от дельных контактах в результате достигается очень высокая плотность тока (до 3—5 кА/мм2), металл в этих точках быстро нагревается, расплавляется с образованием перемычек жидкого металла между торцами свариваемых деталей. Эти перемычки быстро перегреваются и взрывообразно разруша ются. Торцы нагреваются за счет непрерывного образования и разрушения перемычек, т. е. оплавления торцов. К концу процесса на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко повышается скорость сближения и усилие, торцы входят в контакт и большая часть жидкого ме талла вместе с поверхностными пленками и частью твердого металла выдав ливаются из стыка с образованием грата. Во время осадки ток обычно от ключается.
Известны случаи сварки одновременно двух стыков, нагрев токами вы сокой частоты, постоянным током и другие разновидности стыковой сварки.
21.1.2. Физические основы образования соединений
Основными процессами при стыковой сварке являются нагрев и пластическая деформация свариваемого металла, обеспечи вающие удаление поверхностных пленок, образование физиче ского контакта и получение соединений с заданными свойст вами.
Нагрев свариваемого металла
При нагреве необходимо достичь заданную температуру в стыке и прогреть околошовную зону на определенную глу бину для обеспечения необходимой степени деформации на ста дии осадки. При сварке сопротивлением основная доля теплоты (85—90 %) выделяется на сопротивлении деталей, так как гд. д быстро снижается, а гэ.д остается в течение всего процесса на довольно низком уровне (рис. 21.2). Температурное поле опре деляется решением дифференциального уравнения теплопровод-
нагрева. Большие сечения рекомендуется сваривать при про граммном регулировании тока (вторичного напряжения) и скорости оплавления или использовать импульсное оплавление. В последнем случае на основное поступательное движение плиты машины накладывается колебание, например, с часто той 3—45 Гц и амплитудой 0,1—0,8 мм, что вызывает периоди ческое изменение зазора между деталями, повышение на 10— 15 % температуры в околошовной зоне; в три—четыре раза уменьшается время оплавления и расход электроэнергии.
Пластическая деформация металла
Назначение этого процесса— создание электрического контакта на начальной стадии, обеспечиваемого при давлении 5—10 МПа (сварка сопротивлением) и ~ 1 кПа (сварка оплавлением), а также удаление поверхностных пленок и образование физического контакта по достаточно большой площади на
стадии осадки за счет течения довольно |
узких слоев |
нагретого |
металла |
вдоль стыка. При этом в центре соединения |
напряженное |
состояние |
близко |
к всестороннему сжатию, а вблизи поверхности деталей отмечается действие растягивающих окружных напряжений ое
Степень объемной пластической деформации характеризуют коэффициен
том площади |
Кия ^Зкон/Знач |
(ГДе |
<SKOH( 5нач — соответственно конечная и |
||
начальная площади сечения |
торцов). При |
сварке сопротивлением |
Кил^ 4 , |
||
а при сварке |
оплавлением /Спл^ 2 . |
Иногда |
деформацию оценивают |
по уко |
рочению деталей при осадке (Дос), которое обеспечит полное закрытие за зора (Дэ), вытеснение жидкого металла (26ж) и деформацию (смятие) кра теров (2ДКр). Величина Дос зависит от рельефа оплавленных поверхностей, например она возрастает при увеличении сечения деталей.
Параметры цикла осадки — усилие и скорость осадки (Foc и и0с). При увеличении сечения деталей, жаропрочности свариваемого металла и скоро
сти осадки Foe |
также возрастает. Подогрев перед оплавлением позволяет |
|
в полтора — два |
раза снизить Foc. Интенсивная деформация вызывает |
уда |
ление из зоны |
соединения поверхностных (оксидных) пленок или их |
раз |
дробление. Тем не менее при сварке сопротивлением металл в значительной мере окисляется и частицы оксидов частично остаются в стыке. При сварке оплавлением происходит непрерывное обновление поверхностей за счет вы броса перемычек, образование паров, препятствующих попаданию газов и связывающих их в нейтральные соединения. Это обеспечивает надежную защиту металла от атмосферы и лишь при сварке таких активных металлов, как титан и молибден рекомендуется вести процесс в среде защитных газов.
21.1.3. Технологические возможности стыковой сварки
Стыковой сваркой соединяются все известные конструкцион
ные металлы как однородные, так и разнородные (см. раздел 21.2.1) в широком диапазоне сечений от 1—2 мм2 до 20 дм2 в виде проволоки, полос, профилей и т. п. При сварке сопро
тивлением сечение свариваемых деталей (обычно круглое) ог раничено 500 мм2 для сталей, 200 мм2 для алюминия и меди из-за относительно низкой прочности и пластичности соедине ний и высокой энергоемкости.
Наибольшее распространение получила сварка оплавлением. Непрерывным оплавлением сваривают детали компактного