книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Рис. 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

авиалайнерах количество точек сварки достигает 1,5 млн Столь же широко применяется точечная сварка в приборост­ роении (чувствительные элементы, реле, корпуса приборов) и особенно в радиоэлектронике (выводы интегральных схем, про­ водники, электронно-оптические системы кинескопов и т. д.).

Рельефную сварку применяют при изготовлении арматуры железобетона, сеток, решеток, соединений крепежных деталей (гаек, болтов, шпилек) и штуцеров, шипов с листами, тормоз­ ных колодок автомобиля, сепараторов шарикоподшипников и т. д.

Шовной сваркой получают прочно-плотные соединения, ра­ ботающие как при высоких давлениях, так и в условиях глу­ бокого вакуума (например, топливные баки автомобилей и сельскохозяйственной техники, баки стиральных машин, корпуса холодильников и других емкостей: огнетушителей, бидонов, мембранных коробок и сильфонов в приборостроении). При этом скорость сварки герметичных швов достигает 10—15 м/мин.

В заключение можно отметить, что в то же время точечная, шовная и, особенно, рельефная сварка в СССР используется недостаточно широко в сравнении с развитыми капиталистиче­ скими странами, что объясняется острым дефицитом свароч­ ных машин, автоматических линий, промышленных роботов и относительно низкой их надежностью, сложностью наладки и обслуживания, крайне малой обеспеченностью контрольно-из­ мерительной и диагностирующей аппаратурой, электродами и электродными материалами (1].

20.5. Контроль качества соединений

Эта операция имеет особо важное значение для точечной и шовной сварки в связи с быстротечностью процесса и скрытым от внешнего наблюдения характером формирования соедине­ ния (плавления металла). Возмущающие факторы: качество сборки, состояние поверхности деталей и электродов, колеба­ ния параметров режима, могут приводить к образованию де­ фектов— непроваров (отсутствие ядра или малые его раз­ меры), выплесков, трещин, раковин и т. п. Наиболее опасны непровары, так как размеры ядра определяют основные эксп­ луатационные характеристики (прочность, герметичность). Вы­ плески (наружные и внутренние) ухудшают вид изделия, мо­ гут попадать в магистрали и засорять их. Трещины и рако­ вины в основном влияют на герметичность и, в меньшей сте­ пени, на прочность, так как находятся вне зоны наибольших рабочих напряжений на границе ядра или уплотняющего пояска.

Обычно при контактной сварке используется сквозной конт­ роль, начиная с контроля оборудования, приспособлений, со-

3SI

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