Контактная сварка

При контактной сварке соединение образуется не за счет расплавления контактной зоны, а только за счет механического сдавливания при разогреве площади контакта до пластического состояния. Принципиальная схема сварочного аппарата для контактной сварки показана на рисунке 14.

Вторичная обмотка трансформатора обеспечивает напряжение порядка 1÷1.5 вольт. Однако ток при этом требуется весьма значительной величины, достигающей нескольких тысяч ампер. Конструктивно обмотка выполняется их толстостенной медной трубки, по которой пропускают охлаждающую воду. Контакт с электродами осуществляется при помощи набора тонких медных пластин, обеспечивающих подвижность контактного электрода и передачу большого тока.

Количество тепловой энергии, выделяющейся в электрической цепи определяется формулой (закон Джоуля-Ленца)

где

I – ток в цепи,

U – напряжение,

t – время действия.

Разогрев контактной зоны происходит за счет того, что ее сопротивление значительно больше, чем сопротивление обмотки и соединительных проводов. Соединительные провода при этом нагреваются незначительно.

Сварка выполняется следующим образом. Вначале соединительные элементы прижимают друг к другу, а затем включают ток. Контактная зона нагревается до такого состояния, когда металл становится пластичным, под механическим воздействием (предварительное сжатие) частицы сближаются на величину, близкую к межатомному расстоянию. Возникающие при этом силы взаимодействия обеспечивают образование неразъемного соединения.

При сварке деталей различной толщины для прогрева требуется различное количество тепловой энергии. Ее дозирование производится за счет времени выдержки под током. Для этой цели в цепь первичной обмотки трансформатора включено реле времени, которое и обеспечивает заданную выдержку.

При помощи контактной сварки соединяют листовые и стержневые элементы конструкций, например, арматурные сетки для железобетонных конструкций, стыковую сварку стержней.

Контактной сваркой можно выполнять и непрерывные швы. Для этого электроды сварочного аппарата выполняют в виде вращающихся роликов.

Плазменная сварка

Плазменной называют сварку сжатой дугой. Столб дуги помещают в узкий канал, который ограничивает его расширение. Устройства для получения сжатой дуги называют плазмотронами (рисунок 15). Простейший плазмотрон состоит из изолятора 1, неплавящегося электрода 2 и медного охлаждаемого водой сопла 3. В сопло тангенциально (по касательной к его цилиндрической поверхности) или аксиально (вдоль оси электрода) подают плазмообразующий инертный, нейтральный или содержащий кислород газ, который в столбе дуги нагревается до высокой температуры. Вдуваемый в камеру газ, сжимая столб дуги в канале сопла плазмотрона и охлаждая его поверхность, повышает температуру столба. Происходит ионизация газа. Его температура достигает 5000 – 30000 ⁰С , а скорость истечения превышает звуковую. Плазмотроны могут работать на постоянном или переменном токе.

Различают плазмотроны прямого и косвенного действия. В плазмотронах косвенного действия дуга горит между электродом и соплом. Их применяют при обработке неэлектропроводных материалов и в качестве нагревателей газа. Для сварки и резки чаще применяют плазмотроны прямого действия. В них дуга горит между электродом и обрабатываемым изделием. Расстояние между ними в плазмотроне больше, чем при сварке горелками для свободной дуги, поэтому сжатую дугу зажигают в две стадии. После подачи в плазмотрон газа зажигают вспомогательную (дежурную) дугу между электродом и соплом плазмотрона искровым разрядом от осциллятора или замыкая промежуток электрод – сопло графитовым стержнем, хотя последнее и повышает износ электрода и сопла. Дежурную дугу питают от отдельного, маломощного источника или от основного источника через ограничивающее сопротивление, чтобы ограничить ее ток и уменьшить износ сопла. Под действием газа дежурная дуга образует струю плазмы небольшой мощности. При ее соприкосновении с деталью зажигается рабочая дуга. Если в цепь детали включить контактор, рабочую дугу можно зажигать в нужный момент времени. После зажигания рабочей дуги дежурная при автоматической сварке может отключаться. Для ручной сварки лучше, если дежурная дуга горит постоянно.

Напряжение сжатой дуги всегда выше, чем свободной при их одинаковой длине. Это объясняется тем, что при сжатии дуги стенками сопла возрастает плотность тока в ней, что ведет к увеличению напряженности электрического поля.

Плазмообразующий газ, попадая в дугу, проникает в ее столб и, проходя вдоль канала, нагревается. Плотность газа уменьшается, его объем значительно, (в 50 – 100 раз) возрастает. Поэтому резко увеличивается скорость газа по мере его движения вдоль канала. Она достигает максимума на выходе из сопла. Нагретый в дуге газ, сталкиваясь с поверхностью свариваемой детали, нагревает и оплавляет ее. Под давлением газа расплавленный металл раздвигается, тепло передается непосредственно твердому металлу дна сварочной ванны. Поэтому эффективная тепловая мощность примерно в два раза выше, чем у свободной дуги. Меняя расход газа и диаметр канала сопла, можно изменять давление струи плазмы, а также плотность теплового потока, передаваемого от дуги к детали. Это основные технологические преимущества сжатой дуги, позволяющие регулировать размеры и форму сварочной ванны. Поэтому достигается более высокая плотность теплового потока, особенно при малой мощности дуги. Это позволяет получать узкие швы с малой шириной зоны термического влияния и увеличивать скорость сварки.

Так как плазмообразующий газ передает детали значительную долю общей полезной мощности, а нагрев газа сильно зависит от всех параметров режима, то эффективный КПД сжатой дуги можно изменять в пределах 30...80 %. Другим преимуществом сжатой дуги является повышение ее пространственной устойчивости. Уменьшается блуждание активного пятна по поверхности детали из-за стабилизирующего действия плазмообразующего газа. Это улучшает формирование шва.

Напряжение сжатой дуги существенно зависит от рода плазмообразующего газа. Это обусловлено различной способностью газов поглощать энергию при высокой температуре дуги. Более высокое напряжение имеет дуга, горящая в газе, имеющем большую теплоемкость и теплопроводность. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, гелий, углекислый газ, воздух, кислород, азот, водород и смеси газов. При сварке в большинстве случаев используют аргон. Он имеет хорошие защитные свойства и обеспечивает высокую стойкость электрода. Теплоемкость и теплопроводность аргона низкие, поэтому дуга в нем имеет самое низкое напряжение, что удобно при ручной сварке.

На практике чаще применяют дугу прямой полярности, обеспечивающую более высокую стойкость неплавящегося электрода. Кроме того, такая дуга передает детали наибольшую мощность, ею сваривают высоколегированные стали, титановые сплавы, медь. При сварке алюминиевых сплавов сжатая дуга прямой полярности не используется, так как не обеспечивает разрушения тугоплавкой окисной пленки. Хорошо разрушается пленка окиси алюминия при сварке аргоновой сжатой дугой на обратной полярности, однако при этом низка тепловая эффективность передачи теплоты детали и высока тепловая нагрузка на электрод плазмотрона – анод. Допустимый ток на электрод в этом случае в 20 раз меньше, чем при прямой полярности. Повышают стойкость электродов, применяя плазмотроны с интенсивным охлаждением электрода.

Промежуточное положение по своим параметрам занимает дуга переменного тока. Так как в течение периода переменного тока электрод является попеременно катодом и анодом, то стойкость электрода обеспечивается. Разрушение окисной пленки в полупериод обратной полярности происходит достаточно интенсивно, хорошее качество сварного соединения обеспечивается. Главный недостаток дуги переменного тока – низкая устойчивость повторных зажиганий при смене полярности. Это усугубляется в сжатой дуге, так как ее столб интенсивно охлаждается плазмообразующим газом. Чтобы повысить устойчивость дуги, нужно или высокое напряжение источника питания, или специальные сложные стабилизаторы. Поэтому сжатая однофазная дуга переменного тока используется мало.