Точечная сварка

ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА

Основные и сопутствующие процессы при образовании контактного соединения

    Цель работы: изучить технологический процесс электроконтактной точечной сварки; определить его отличия; ознакомиться с устройством машины МТ-1606; выполнить сварку образцов с целью определения оптимального режима.

 

Содержание работы

Общая схема образования соединения

    Весь процесс образования соединения условно состоит из отдельных физических процессов, которые в зависимости от роли в формировании соединения разделяют на основные и сопутствующие.

 

   При точечной сварке детали 1 собирают внахлест или с отбортовкой, плотно зажимают между электродами 2 сварочной машины, нагревают кратковременным (0,01...0,5 с) импульсом электрического тока большой силы (до десятка кило-ампер) при незначительном напряжении (3...12 В), вследствие чего создается соединение на отдельных участках контакта, которые называются точками. Создание соединения происходит по схеме, что состоит из этапов I-III.

   Первый этап начинается с момента сжатия деталей силой Fсв, что вызывает пластическую деформацию микрорельефа в контактах электрод - деталь и деталь - деталь.

Этапы образования соединения при точечной сварке

   Следующее включение тока I и нагрев металла облегчают процессы выравнивания микрорельефа, разрушение поверхностей пленок и формирование электрического контакта.

   Тепловое расширение при точечной сварке происходит в условиях сжатия и сопровождается возникновением неравномерного распределения внутренних напряжений, которые вместе с постоянно действующими внешними силами Fсв вызывают необратимые объемные пластические деформации (направление максимальной деформации 3).

   Тепловое расширение металла в области контакта деталь - деталь является причиной образования зазора между деталями.

   До расплавления металла уменьшение σд и излишек металла за счет дилатометрического эффекта компенсируются незначительным разведением электродов, а также вытеснением частей металла в зазор, что обеспечивает на внутреннем контакте рельеф - уплотнительный поясок 4, который ограничивает растекания сварочного тока.

   На первом этапе сопутствующие процессы из-за относительно малой деформации и низкой температуры зоны сварки не получают большого развития.

   Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра 5. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров - по высоте hя и диаметру dя (размеры ядра или шва регламентируются ГОСТ 15878-79, ГОСТ 14098-85 и определяются из условий обеспечения требуемого уровня прочности свариваемых конструкций). При этом происходит перемешивание металла 6, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Ядро возникает в зоне, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей мере влияет теплообмен с электродами.

Изменение объема металла от температуры: 1 - алюминий; 2 - сталь; 3 - титан

   При расплавлении в замкнутом объеме резко увеличивается объем металла ядра, возникают электромагнитные силы и, как следствие, возникает гидростатическое давление, которое определяется общим балансом напряжений в зоне сварки. Дилатометрический эффект и общее уменьшение σд компенсируется дальнейшим раздвижением электродов и вытеснением в зазор деформированного металла. Это способствует созданию не только рельефа, который ограничивает растекание тока, но и герметизацию литого ядра, предотвращая разбрызгивание металла и его контакт с атмосферой.

   Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение σд; соответственно, температура внешней границы ниже, а σд больше. Метал пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом напряжения стремятся увеличить зазор между деталями. Такой характер деформации приконтактной области деталей вызывает "оседание" металла и возникновение вмятин 8 (размер с) на поверхности от электродов.

   С появлением расплавленного ядра появляется опасность разбрызгивания, вследствие теплопроводности нагревается шовная зона, изменяется выходная структура металла, наблюдается массоперенос в контакте электрод - деталь (сопутствующие процессы).

   Третий этап начинается после выключения сварочного тока -происходит интенсивная кристаллизация ядра (hя, dя), которая оканчивает создание неразъемного соединения деталей в месте соприкосновения. Металл точек имеет дендритную структуру.

   Во время кристаллизации продолжается теплопередача в околошовную зону и изменение структуры металла в ней, происходит усадка металла, вследствие чего в нем создаются усадочные полости и раковины; в ядре возникают растягивающие напряжения, которые являются причиной возникновения трещин и под влиянием которых возможно разрушение непрочной точки.

   Для снижения уровня остаточных напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин нужны значительные усилия Fков. Высокое качество сварки и максимальная продуктивность процесса для данной толщины, формы и материала изделий определяются правильностью избранного режима сварки.

    Качество соединений также зависит от техники сварки, формы электродов, качества сборки и подготовки поверхности, сварочного оборудования, системы контроля и других конструктивно-технологических факторов.

Параметры режима точечной сварки

   Основными параметрами режима точечной сварки являются сварочный ток Iсв (амплитудный или действующее значение), продолжительность или время прохождения тока tсв, усилие сжатия деталей электродами Fсв, усилия и продолжительность проковки Fпр, tпр, диаметр рабочей поверхности электрода dэ или радиус сферической поверхности электрода Rэ.

Изменения диаметра ядра dя и проплавления hя от параметров режима сварки;B - конечный выплеск

   Выходными данными для определения перечисленных пара-метров есть физико-механические свойства металла и толщина свариваемых деталей.

   Режимы можно установить расчетно-экспериментальным методом или экспериментально. В зависимости от свойств мате-риалов для точечной сварки рекомендуют так называемые мягкие или жесткие режимы. Мягкие режимы - небольшой ток сварки и большое время сварки; жесткий режим - большой ток сварки, небольшое время сварки.

   Есть много рекомендаций по поводу режимов (в виде таблиц, номограмм, графиков). Эти режимы ориентировочны и нуждаются в проверке перед сваркой и часто корректируются с учетом условий подготовки поверхности, сборки, состава оборудования и др.

   Корректировку проводят на образцах-свидетелях с использованием зависимости параметров литого ядра от параметров режима. Например, если диаметр недостаточный, увеличивают сварочный ток Iсв.

   Во избежание выплесков увеличивают Fпр, dэ, Rэ. Если ядро имеет трещины, увеличивают Fпр приближая его увеличение по времени к моменту выключения тока, а также замедляют кристаллизацию, модулируя задний фронт тока. Усилия прикладывают до прохождения сплава через ТИК; tпр увеличивают при увеличении толщины и уменьшении теплопроводности свариваемых металлов (на жестких режимах и высоких скоростях кристаллизации его уменьшают).

   Качество и, в частности, прочность сварочного соединения зависят от размеров литого ядра (hя, dя), а также состояния металла, степени снижения его прочности в шве и зоне термического влияния, вида нагрузок, уровня дефектов.

   Параметры режима имеют разное влияние на диаметр ядра и, соответственно, на прочность. С увеличением Iсв или tсв, когда другие параметры постоянны, прочность увеличивается сначала быстро, потом медленнее, с образованием ядра. Но при чрезмерных Iсв и tсв размеры ядра начинают уменьшаться вследствие усиления внутренних выплесков, появления разных дефектов. С увеличением Fсв и dэ прочность также сначала увеличивается в связи с увеличением диаметра ядра, а потом начинает уменьшаться из-за резкого увеличения площади контактов, уменьшения плотности тока.

   С уменьшением толщин деталей плотность сварочного тока увеличивается. Для материалов с низким удельным сопротивлением требуется ток больше, чем для материалов с высоким удельным сопротивлением. При высокой теплопроводности и температуропроводности металла сварку проводят на жестких режимах, то есть уменьшают время прохождения сварочного тока и увеличивают его силу.

Влияние на формирование сварочной точки при различной: а - толщине деталей; б - удельном сопротивлении;в - диаметре сварочных электродов

   Если сваривают детали разной толщины, рабочие параметры режима выбирают по самой тонкой из них. Сварка деталей с разной толщиной (при соотношении толщин >1:3) затруднена (рис.а) из-за отсутствия надежного проплавления более тонкой детали (s1

 

   Чтобы избежать этого, рекомендуются жесткие режимы сварки или со стороны тонкой детали использовать электроды с меньшим сечением или эти электроды изготавливают из металла с меньшей теплопроводностью, чем со стороны толстой детали.

   При сварке деталей из различных материалов из-за неодинакового выделения тепла диаметр ядра и глубина проплавления увеличиваются в деталях с более высоким удельным сопротивлением и меньшим коэффициентом теплопроводности (деталь 2).

   При сварке деталей с применением электродов различных размеров и формы контактирующих поверхностей ядро смещается к электроду с меньшей контактной поверхностью (электрод 2), где больше плотность тока.

Схема линий тока при точечной сварке: а - хорошая очистка детали; б - детали покрытые оксидами; 1 - литое ядро при одинаковой продолжительности нагрева

   Состояние поверхности (контактное сопротивление) деталей существенно влияет на распределение тепла при сварке и, как следствие, на размеры и прочность точек.

   Для обеспечения стабильности контактного сопротивления детали перед сваркой обычно зачищают (травлением или механической обработкой) или покрывают тонкой пленкой оксидов с небольшим и постоянным по величине сопротивлением.

    Типовой технологический процесс производства сварочных узлов и изготовления точечной сварки состоит с таких операций: изготовления деталей-заготовок, подготовка их поверхностей к сварке, сборка, прихватка, сварка, исправление, механическая обработка и антикоррозионная защита.

   Для точечной сварки применяют разные типы машин: переменного тока, низкочастотные, постоянного тока, конденсаторные. Мощность машин - от 5 до 1000 кВт.

   Машины переменного тока наиболее распространены во всех областях машиностроения, они проще и дешевле других машин.

Строение машины МТ-1606

Принципиальная схема машины МТ-1606

   Машина переменного тока МТ-1606 предназначена для точечной сварки конструкционных и высоколегированных сталей, титановых сплавов толщиной от 0.8 до 6.5 мм. Возможна также сварка некоторых цветных медных сплавов (латуни, бронзы и др.) толщиной до 1.2 мм. Максимальная мощность машины - 95 кВт, номинальный сварочный ток - 16 кА, максимальное число точек в минуту - 200.

   Пневматическая система обеспечивает сжатие и удержание свариваемых деталей 1, в сжатом состоянии во время всего цикла сварки.

   Воздух из сети через воздушный фильтр 13, регулятор давления 12, маслораспылитель 11 и электромагнитный пневмоклапан 10 проходит в зависимости от положения золотника клапана через дроссель (10-6,10-4), которые регулируют скорость подачи воздуха в полости цилиндра:
- в нижнюю полость цилиндра 4, совершая подъем нижнего поршня до упора в верхней поршень 7;
- в среднюю полость 6 (через верхний шланг и шток верхнего поршня), совершая опускание нижнего поршня и сжатие деталей.

   Рабочее давление воздуха устанавливают при помощи регулятора 12, контролируют - по манометру.

   Верхний поршень служит для настройки хода нижнего. Настраивание хода осуществляется при помощи регулировочной гайки 9 на штоке верхнего поршня. Для установки рабочего хода верхнего электрода в пневмоцилиндр (над верхним электродом) нужно подать воздух, открыв кран управления 14. Верхний поршень опустится до упора в верхнюю крышку цилиндра регулировочной гайки.

    Кран управления положением верхнего поршня 5 служит для подачи и сброса воздуха из верхней полости цилиндра. При сбросе воздуха верхний поршень поднимается вверх до упора в крышку цилиндра и электроды разойдутся на максимальное расстояние.

    С нижним поршнем через шток связан верхний электрододержатель 2, на котором закреплен верхний электрод 2. Нижний электрододержатель и электрод неподвижны.

   Маслораспылитель 11 смазывает подвижные части. Масло с маслораспылителя захватывается проходящим воздухом и смазывает клапан, пневмоцлиндр и поршни.

   Электрическая схема машины. Источником питания МТ-1606 является трансформатор ТР, который состоит из магнитопровода броневого типа, первичной и вторичной обмоток. Вторичная обмотка имеет один виток из толстой медной шины. Меняя переключателем ступеней ПС число секций первичных катушек, включеных в электрическую сеть, ступенчато регулируют мощность машины.

   Автоматический выключатель АВ выключает машину, если в сети машины есть короткое замыкание или она перегреется.

   Тиристорный включатель КТ имеет два тиристора, которые включены встречно-параллельно, что дает возможность пропустить на первичную обмотку трансформатора переменный ток. Тиристоры открываются тогда, когда на их управляющие электроды подаются импульсы управления от регулятора цикла сварки.

   На машинах такого типа есть возможность плавной регулировки мощности машины за счет синхронного смещения по фазе импульсов управления относительно волн полупериодов переменного тока.

   Регулятор цикла РЦ обеспечивает автоматическое управление машиной. Он представляет собой электронно-релейное устройство, которое включает и выключает в определенной последовательности электромагнитный пневмоклапан и тиристорный контактор, благодаря чему в нужный момент совершается сжатие деталей, включение и выключение тока, подъем верхнего электрода.

   В машине МТ-1606 электрододержатели, электроды и тиристорный контактор охлаждаются проточной водой. Вода, подаваемая на охлаждение тиристоров, проходит через гидроклапан. Если подача воды прекращается, гидроклапан размыкает управляющую цепь тиристора и сварочный ток не включается.

Порядок работы машины

Циклограмма точечной сварки на машине МТ - 1606

   Общий цикл сварки одной точки tц состоит из сжатия деталей tсж, сварки tсв, проковки tпр и паузы tп.

   Сжатие деталей происходит при нажатии на педальную кнопку КП. Сжатый воздух через электромагнитный пневмоклапан подается в среднюю полость цилиндра, опуская вниз нижний поршень, связанный с верхним электрододержателем и электродом.

   После стабилизации усилия сжатия (заданный промежуток времени tсж) регулятор цикла подает сигнал на управляющие электроды тиристоров, включается сварочный ток, цепь замыкается через столбик металла, зажатого между электродами. По окончании tсв ток выключается.

   После этого для кристаллизации расплавленного металла сварной точки (с целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций) детали некоторое время оставляют под давлением (проковка).

   По окончании проковки регулятор цикла размыкает цепь питания электромагнитного пневмоклапана, золотник меняет свое положение и воздух подают в нижнюю полость цилиндра. Нижний поршень поднимается вверх, освобождая сваренные детали. Электроды во время паузы, необходимой для замены деталей, будут разведены, а потом цикл сварки повторяется.

   Для выполнения сварки одной точки нужно: переключатель рода работы установить в положение "Одиночный цикл", один раз нажать и отпустить педаль.

   Для выполнения большого количества точек можно работать в режиме "Автоматическая работа". Педаль управления при этом нужно держать все время в нажатом положении.

Подготовка к работе

  1. Подать воздух в машину, для чего включить компрессор, поднять давление в ресивере до 5 атм и открыть входной вентиль машины.
  2. Настроить машину на требуемый режим сварки:
    1. ход верхнего электрода - выбирается в зависимости от конфигурации свариваемых узлов и деталей, и устанавливается при помощи гайки, накручивающейся на шток верхнего поршня (при настройке хода пользуются краном управления, который после настройки нужно установить в правое положение);
    2. силу сжатия деталей - выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого материала, настраивается винтом воздушного регулятора и контролируется манометром. Она должна быть такой, чтобы обеспечить хороший контакт между деталями и электродами (зависимость усилия сжатия на электродах от давления по манометру приведена в таблице на машине);
    3. ступень мощности (определяет величину тока) - выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого материала. Она устанавливается при помощи трех ножевых переключателей, которые находятся внутри машины - справа (зависимость ступени мощности от положения переключателей указана в таблице машины);
    4. времена сжатия, сварки, проковки, паузы - устанавливаются при помощи переключателей регулятора цикла, расположенного в нижней части машины. Время каждой операции регулируется в пределах 1-198 периодов, то есть в пределах 0.02-3.96 с, через 0.02 с (период переменного тока частотой 50 Гц), на переключателях расположенных слева устанавливаются единицы периодов - десятки.
      Ступень мощности и сила сжатия выбираются в зависимости от толщины и рода свариваемого материала.
  3. Включить рубильник сети и автоматический выключатель.
  4. Опробовать работу машины без сварочного тока, для чего выключить тумблер "Сварочный ток", нажать на педаль управления и после верно отработанного цикла сварки включить тумблер.

Методика работы

  1. Ознакомится с сущностью контактной точечной сварки.
  2. Установить особенности формирования ядра сварочной точки.
  3. Установить влияние параметров режима на параметры сварного соединения.
  4. Ознакомиться со строением машины МТ-1606.
  5. Провести тренировочную сварку соответственно "Порядку работы машины".
  6. Установить режим сварки (по указанию преподавателю), выполнить сварку образцов, проверить на прочность сварочные соединения.
  7. Составить отчет, сделать анализ полученных результатов.

Таблица 1 - Протокол режима сварки и испытания образцов

Марка материала _______________ толщина____________
Вид соединения ___________________________________________
Диаметр контактов электродов, мм _______________________________
Номер

образца
Давление по манометру Усилия по мано-метру Ступень
мощности
Время
сварки,
tсв, c
Усилие
разрушения F,
кгс
Характер
разрушения
Примечания
1
 

 

 

 

 

 

 

Оборудование и материалы

  1. Пост для контактной сварки.
  2. Машина для контактной точечной сварки МТ-1606.
  3. Разрывная машина.
  4. Сварочные материалы: листовые образцы из углеродистой и низколегированной стали толщиной 0,5...1,2 мм.

Содержание отчета

  1. Схема контактной точечной сварки.
  2. Особенности формирования ядра точки, параметры режима и их влияние на параметры сварочного соединения.
  3. Принципиальная схема машины МТ-1606. Технические данные, спецификация основных узлов.
  4. Результаты исследований (табл.1).
  5. График зависимости F = f(tсв).
  6. Анализ полученных результатов. Выводы (обоснование оптимального режима сварки).

Контрольные вопросы

  1. Где выделяется тепло при точечной сварке?
  2. Опишите цикл сварки одной точки, ее характерные размеры?
  3. Назовите основные параметры режима точечной сварки?
  4. Как влияют параметры режима на качество соединения?
  5. Как избежать выплеска металла, не снижая прочности точки?
  6. Как изменить параметры режима сварки, если толщина свариваемых деталей: -увеличилась, -уменьшилась?
  7. Для чего нужна проковка?
  8. Расскажите назначение узлов электрической схемы, пневмосхемы?
  9. Как настроить точечную машину на максимальный сварочный ток (сделать это практически)?

Точечная(описание лабораторной работы)

Точечная(отчет)