Технология и оборудование точечной контактной сварки

Цель работы - изучение технологии и оборудования точеч­ной контактной сварки. Контактная сварка - термомеханический процесс образования неразъемного соединения металлов, при котором локальный нагрев свариваемых деталей протекающим электрическим током сопровождается пластической деформацией под действием сжимающего усилия. Прочность сварного соединения определяется межатомными связями в твердой фазе или через жидкую прослойку расплавленного металла, которые сохраняются после охлаждения и кристаллизации. Соединение образуется в условиях быстроизменяющихся электрических и температурных полей при высоких скоростях нагрева и пластических деформаций. Общее количество энергии Q выделяющейся между электродами, Дж:

где - контактное сопротивление между деталями, Ом;

- сопротивление детали от электрода до места сварки, Ом;

I - сварочный ток. А;

τ - время прохождения тока, с.

Из формулы следует, что необходимая для сварки энергия при очень малых значениях сопротивлений в точке контакта может быть получена только при больших (сотни и тысячи ампер) токах, протекающих в течение малого времени (единицы, доли секунд). Нагрев металла происходит в месте контакта свариваемых деталей по плоскости их соприкосновения. В данном месте _: будет наибольшим, что обеспечивает локальный нагрев в месте сварки. Режимы сварки определяются двумя параметрами I, τ. Режимы сварки при больших токах и минимальном времени нагрева принято называть «жесткими». Показатели жестких режимов: плотность тока j = 160 ... 400 А/мм²; сжимающее усилие Р = 0,4 ... 1.2 МПа; время сварки τ_се = 0,1 ... 1,0 с. Такие режимы применяют при сварке чувствительных к нагреву- легированных сталей и легкоплавких цветных металлов, например, алюминия и его сплавов. Режимы с длительным прохождением тока и постепенным нагревом называют «мягкими». Они применяются при сварке обычных углеродистых сталей, менее чувствительных к нагреву при сварке и имеют следующие показатели: j=80...160А/мм²; Р = 0,15 ... 0,4 МПа; τ_се =0,5... 3 с.

Сварочные установки для контактной сварки имеют две основные части: электрическую и механическую. Электрическая часть состоит из сварочного трансформатора специальной кон­струкции, токопроводов и устройств для включения и выключения сварочного тока. Механическая часть установок представляет собой устройство для импульсного сжатия свариваемых деталей.

1. Описание установки

Техническая характеристика. Машина для точечной контактной сварки BN10С чехословацкого производства предназначена для сварки листов из малоуглеродистой стали толщиной до 6 мм для ремонтов и в условиях мелкосерийного производства. Основные технические данные приведены в табл. 1.

Таблица 1

Основные технические данные машины BN10C

Параметр машины	Минимальное значение	Максимальное значение
Потребляемая мощность, кВ А	10	25
Первичное напряжение, В	380	380
Первичный ток, А	26,3	65,8
Коэффициент нагрузки. %	50	8
Вторичное напряжение, В	1,4	2,8
Вторичный ток. А	2,500	7000
Число ступеней переключателя	5	5
Длина хода электродов, мм	0	38
Вылет электродов, мм	250	400
Сила нажатия между электродами при вылете 400 мм, кН	1,3 (δ = 2 мм)	3,3 (δ = 6 мм)
Сила нажатия между электродами при вылете 250 мм, кН	3,0 (δ = 2 мм)	5,0(δ = 5 мм)
Расход охлаждающей воды, л/ч	230	230

Конструкция. Несущим элементом установки (рис.1) служит каркас станины 1, сварной конструкции из профильного проката. в котором размещены электрическое и механическое оборудование. Передняя и задняя стенки (кожуха) соединены с каркасом с помощью сварки. Боковые и верхний кожухи выполнены съемными для обеспечения доступа к оборудованию станка.

Рис.6 Эскиз с размерами точечной сварочной машины BN10C

Механическое оборудование представляет собой ножной рычажный механизм, работающий по принципу распрямления двух рычагов и создающий необходимое усилие сжатия между электродами. Механизм приводится в движение ножной педалью 2 овальной формы. Момент включения сварочного тока управляется автоматически с помощью встроенного выключателя 11. Сила нажатия между электродами примерно в десять раз больше силы нажатия на педаль. Она может изменяться за счет изменения геометрии кинематической схемы, например, хоботы позволяют плавно устанавливать вылет электродов в пределах от 2:50 до 400 мм.

В электрооборудование входит силовой сварочный трансформатор 3 специального исполнения, переключатель ответвлений трансформатора 4, вторичный токоподвод 5. реле времени на транзисторах 6.

Трансформатор имеет сердечник броневого типа и алюминиевые первичную и вторичную обмотки. Вторичный виток с охлаждающей трубкой и первичная обмотка залиты эпоксидной смолой и образуют одно компактное целое. Броневой сердечник трансформатора изготовлен из трансформаторной текстурованной стали. Первичная обмотка имеет пять ответвлений для переключения мощности трансформатора.

Переключатель ответвлений трансформаторов обеспечивает переключения на отпайках первичной обмотки с целью изменения вторичной силы тока, а следовательно, и мощности при сварке. Рукоятка переключателя выведена на переднюю панель для удобства переключения и обеспечивает переключение на одну из пяти ступеней трансформатора без нагрузки.

Вторичный контур сварочной машины обеспечивает подвод тока к месту сварки и воспринимает усилие привода сжатия. Контур состоит из жестких и гибких токоведущих элементов, которые соединяют вторичные витки сварочного трансформато­ра с оснасткой машин - консолями 7, электрододержателями 8 и электродами 9. Жесткость нижней консоли увеличена подкосом 10. Неохлаждаемые элементы токоподводов выполняются из меди большого сечения. Электроды выполнены из латуни с внутренним водоохлаждением по схеме «труба в трубе».

Реле времени собрано на трех транзисторах. Диапазон времени реле дан 15 позициями ступенчатого переключателя, выведенного на переднюю панель установки и обеспечивает дли­тельность сварки от 8 до 170 периодов сети переменного тока (0,16 ... 3,5 с).

При нажатии педали замыкается контакт SQ. включается цепь реле и включается главный контактор КМ (рис.2). В этот же момент подается отрицательное напряжение на конденсатор с входной цепи с RC элементами (рис.3). Под влиянием этого отрицательного напряжения положительный потенциал уменьшается вплоть до значения, когда запирается первый транзистор Т1 и опрокидывается триггер, собранный на транзисторах Т2-ТЗ. В этот момент отключается реле RL, теряет питание катушка силового контактора КМ и размыкаются силовые контакторы КМ. После возвращения педали в первоначальное положение и повторного ее нажатия рабочий цикл повторяется. При отключении выключателя SA на панели хронометрирования продолжительность рабочего цикла определяется временем нажатия педали.

Рис.7 Схема соединения системы управления точечной машиной SA - выключатель; Т - трансформатор; QF - переключатель: КМ - контактор; FU - предохранитель: КТ- реле времени; SQ - конечный выключатель: HL - контрольная лампа

Рис.8 Схема соединения реле времени

K_U = U₁/ U_2xx. Диаметр сварного пятна определяется по отпечатку на пластинах после разрыва сварного соединения.

Сварочный ток (действующее значение) рассчитывают по формуле закона Джоуля-Ленца

где - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления во время сварки: для низколегированных и малоуглеродистых сталей = 1...1,1: для алюминиевых сплавов =1.2...1.4; для коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и титана =1.1...1,2; - время сварки; - электрическое сопротивление пакета из двух листов толщиной δ в конце нагрева, Ом:

где - коэффициент сопротивления детали, = 0,8...0,9; - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева пластин, для сталей 0,85; - диаметр контакта, в приближенных расчетах можно принять равным диаметру электрода: ; - удельные сопротивления соответственно для температур нагрева листов пакета; для сталей принимают =1200°С =1500°С: Q - теплота, выделяющаяся на участке между электродами.

Считают, что вся теплота Q расходуется на нагрев металла в зоне сварки Q₁ , потери вследствие теплопроводности в окружающий металл Q₂ и электроды Q₃, а также на скрытую теплоту плавления Q_пл

Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q_пл

Для точечной сварки зону нагрева теплотой Q₁ до температуры t_пл считают столбик металла высотой 2δ и диаметром основания d_Э. Для приближенных расчетов можно пользоваться формулой

где с и - средние теплоемкость и плотность металла.

Теплота Q₂, расходуемая на нагрев прилегающей зоны металла в виде кольца шириной Х₂, окружающего литое ядро, близкое по диаметру к d_Э. Среднюю температуру кольца принимают равной четверти . Значение Х₂ определяется временем сварки и температуропроводностью металла.

Если площадь кольца , его высота 2δ и средняя температура нагрева^-/4, то

где = 0,8 - учитывает неравномерность распределения температуры по ширине кольца.

Потери теплоты в электродах рассчитываются по формуле

где - коэффициент, учитывающий форму электродов; при цилиндрических электродах = 1, при конических = 1,5, при сферических = 2; и - средние теплоемкость и плотность металла электрода;

где - температуропроводность материала электродов.

Теплоту фазовых превращений Q_пл можно рассчитать по формуле

где , - скрытая теплота плавления, для сталей = 79 Вт ч/кг. Основные теплофизические характеристики материалов даны в табл.3.

Теплофизическис характеристики конструкционных металлов

Материал	, мкОм*м	, Вт/(м°К)	, Дж/(кг°С)	, кг/м3	tпл, °С	, 1/°С
Низкоуглеродистые стали	0,13	37,6	670	7830	1530	0,004
Низколегированные и среднелегированные стали	0.22	41,7	670	7830	1480	0,002
Коррозионностойкие и жаропрочные стали	0,70-1,20	25,0-33,3	670	7860	1440	0,0018
Титановые сплавы	1.00-1,50	12,5-16,7	620	4520-4590	1700	0,003
Алюминиевые и магниевые сплавы	0,04-0,06	117-146	920-1290	2800-1770	620-654	0.0038
Электродные сплавы на основе меди	0,02-0,035	250-360	450	8900	1083	0,0015

В нашем случае используется ножной привод. Напряжение меняется по ступеням, всего их 5. На вторичной обмотке трансформатора 2 витка.

Свариваемые листы 1+1 мм

Диаметр электрода 6-8 мм

Электрод – медь или сплавы

Ступень	U2,В	U1,В	I1,А	I2,А
1	1,2	316,66	8	2532,8
2	1,8	211,11	15	3166,65
3	2,2	172,7	20	3454
4	2,6	146,15	34	4969,1
5	3	126,6	44	5570