2. Сварка стыков электроконтактным способом. Определение мощности сварочной установки.

Контактная сварка широко используется в машиностроении. Накоплен значительный опыт по использованию контактной сварки при строительстве магистральных трубопроводов, в том числе большого диаметра, с использованием комплексов Север", ПЛТ и др.

Но в настоящее время стыковая контактная сварка при строительстве трубопроводов практически не применяется.

Контактная сварка — это сварка, при которой свариваемые детали нагреваются теплотой, выделяемой проходящим в месте их контакта электрическим током, и сдавливаются (осаживаются). Сварное соединение образуется в результате пластической деформации металла в зоне контакта и установления межатомных связей между поверхностями соединяемых деталей. При этом способе на зажатые в зажимах свариваемые детали подают напряжение, после чего начинают их медленно сближать. При соприкосновении даже ровно обрезанных торцов деталей контакты между ними возникают в отдельных местах по имеющимся микронеровностям.

Поверхность соприкосновения за короткий промежуток времени резко возрастает за счет относительного перемещения деталей, пластической деформации контактирующих неров­ностей и теплового расширения металла в зоне контакта. Металл резко нагревается в средней части контакта до температуры плавления и превраща­ется в жидкую перемычку.

Электрическое сопротивление контакта в начальный период нагрева из­меняется сравнительно равномерно, но в процессе расплавления металла оно резко возрастает с большой скоростью. В процессе плавления перемычки объем и форма металла не остаются постоянными. Они изменяются вследствие плавления металла, перемещения перемычки по оплавляемой поверхности, сжатия объема электродинамическими силами и выделения паров и газов из перегретого металла. Перемычка разрушается либо под действием электродинамической силы, либо за счет перегрева металла. Перемычка выбрасывается за пределы сварочного контура в виде искр. Если в рассматриваемый момент времени существует несколько контактов, то в них возникают силы, которые стремятся сблизить эти контакты. Объеди­нение перемычек приводит к увеличению на торцах труб кратеров, образующихся в результате разрушения объемов жидкого металла. В результате разрушения одних элементарных контактов ток перераспределяется в дру­гие, что приводит к повышению напряжения. При разрушении единичной перемычки электрическая цепь не разрывается мгновенно, а накопленная энергия магнитного поля должна превратиться в тепловую энергию. При этом напряжение между изделиями повышается до величины зажигания и последующего горения дуги. Время существования элементарного контакта составляет 0,002 — 0,005 с и зависит от напряжения. Повышение напряже­ния приводит к увеличению числа дуговых разрядов и их интенсивности.

Во время оплавления поверхность нагрева покрыта кратерами различных размеров и число контактов колеблется в широких пределах. Процесс оплавления предназначается для нагрева изделий на соответствующую глу­бину и создания на свариваемых поверхностях пленки жидкого металла и окислов.

Для получения качественных соединений при электроконтактной сварке оплавлением необходимо перед осадкой обеспечить равномерный нагрев изделий по всей поверхности с образованием на оплавленных торцах пленки жидкого металла толщиной 0,1—0,5 мм, которая способствует удале­нию окислов из стыка. Осадка завершает сварочный процесс, и для повы­шения качества сварных соединений она проводится под током. Скорость сближения кромок в процессе осадки составляет не менее 20 мм/с при давлении 40—50 МПа. При осадке создается пластическая деформация стенок труб, что вызывает их утолщение. Для малоуглеродистых сталей заметная деформация труб при давлении 40 МПа наблюдается в зоне нагрева при температуре 1100—1150°С. После осадки с внутренней и наружной поверхностей стыка удаляется грат. Изнутри грат удаляется внутренними гратос- нимателями, с наружной поверхности стыка — наружными.

Качество сварных соединений проверяют внешним осмотром по усилению, которое после удаления наружного грата не должно превышать 3 мм. Механические свойства сварных соединений, выполненных электрокон­тактной сваркой, определяют вырезкой образцов из труб с механическим испытанием их. Образцы после снятия усиления испытывают на загиб. Ка­чество соединений считают удовлетворительным, если среднее арифмети­ческое значение угла изгиба образцов составляет не менее 70°, а его мини­мальное значение — не ниже 40°

Для оптимального расчета конструктивных и технологических параметр ров электроконтактных установок принимаем несколько значений вторичных напряжений сварочного трансформатора, равных 7В, 8В, 9В, и несколько значений удельных потребляемых мощностей на оплавление Ру_Д, равных 0,6 кВт/см², 0,7 кВт/см², 0,8 кВт/см².

Определим площадь поперечного сечения свариваемых труб

где d_cр— средний диаметр трубы, см; (5 — толщина стенки, см; d_ср = d_H —δ.

Мощность, потребляемая на сварку:

Полная мощность сварочной установки:

где N_есп — мощность, потребляемая на привод вспомогательных механизмов в процессе сварки (принимаем 20 % от потребляемой мощности); rj — коэф­фициент, учитывающий случайные перегрузки, а также возможные откло­нения размеров поперечных сечений свариваемых труб, г] = 0,7. Ток в первичной и вторичной обмотках трансформатора

где Ii — ток в первичной обмотке трансформатора, A; Uj — напряжение на первичной обмотке трансформатора, 380 В; /и — коэффициент мощности, С/1

0,67; К = коэффициент трансформации; щ напряжение на вторичной

U ₂

обмотке трансформатора, В.

Максимально допустимое сопротивление сварочной цепи при коротком замыкании:

кВт

где Рус, — удельная мощность , потребляемая на оплавление, -—j-; р — удельное сопротивление стали (17- 1(Г? Ом-см); /и — коэффициент мощности со­ставляет 0,67; Ь'г— вторичное напряжение сварочного трансформатора при­нимаем 7, 8, 9 В; F— площадь поперечного сечения свариваемой трубы, см .

Поскольку такой процесс должен отвечать рациональной технологии сварки, то средняя скорость оплавления подсчитывается по формуле:

где Руд — удельная мощность оплавления