СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ПРОЦЕСС КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

Электрическая контактная сварка, или электрическая сварка со­противлением, пользуется для нагрева пропусканием электрического тока достаточной силы через место сварки, с использованием тепла, освобождающегося при прохождении электрического тока по про­воднику. Почти на всех языках такой способ называется электри­ческой сваркой сопротивлением, причём имеется в виду омическое сопротивление проводника прохождению электрического тока, играющее большую роль в этом процессе. В русском языке более употребительно название электрическая контактная сварка, под­чёркивающее важную роль электрического контакта между свари­ваемыми деталями для данного процесса. Разогретые детали меха­нически сдавливаются или осаживаются; таким образом, контакт­ная сварка относится к группе пластической сварки или сварки - давлением.

Контактная сварка находит главное применение в массовом производстве однотипных деталей, требует значительных электри­ческих мощностей, потому развитие этого способа сварки происхо­дит параллельно развитию электрификации промышленности. Кон­тактная сварка уже сейчас широко применяется, например, в авто­мобилестроении, однако этот способ сварки находится ещё в стадии развития, и можно ожидать значительного расширения его приме­нения в ближайшие годы.

По форме выполняемых соединений различают три основных вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную или роли­ковую (фиг. 150). При стыковой сварке через стык соединяемых деталей приблизительно одинакового сечения пропускается ток, как это показано на фиг. 150, а; по достижении сварочного жара в зоне сварки производится осадка. При точечной сварке соединяемые де­тали, чаще всего листы, собираются внахлёстку и зажимаются между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими форму усечённого конуса (фиг. 150,6). Ток проходит от одного электрода к другому через толщу соединяемых деталей и производит местный разогрев, а часто и местное расплав­ление металла. Давление, приложенное к электродам, производит осадку. Полученное сварное соединение имеет в плане форму круж­
ка диаметром в несколько миллиметров. Этот кружок называется «точкой». Располагая достаточное количество таких точек в нуж­ном порядке вдоль соединяемых кромок, можно сваривать изделия разных размеров.

При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию и производящие осадку, имеют форму роликов, катящихся по шву,

IP

%

О

Фиг. 150. Виды контактной сварки:

a — стыковая; б — точечная; з — шовная или роликовая;

/ — свариваемый металл; 2 — токоподводящие электроды;

3— трансформатор.

поэтому такой способ сварки называется также роликовой сваркой (фиг. 150, в). При шовной сварке листы соединяются непрерывным плотным швом. В настоящее время наиболее распространена точеч­ная сварка. Второе место по масштабам применения занимает свар­ка стыковая. Шовная сварка, ввиду сложности и высокой стоимости требующихся машин, пока не получила ещё заслуженного широ­кого промышленного применения. Контактная сварка основана на использовании джоулева тепла. Общее количество тепла, выде­ляемое электрическим током в проводнике, определяется по закону Джоуля — Ленца

<3 = 0,24™, где Q — количество выделяющегося тепла в кал;

R — омическое сопротивление проводника в ом;

I — ток в а; t — время в сек.

Тепломощность в цепи q = 0,2APR кал]сек.

Если во время нагрева ток и сопротивление цепи не остаются постоянными, как это и наблюдается при контактной сварке, то лучше выражать закон Джоуля—Ленца в дифференциальной форме

t

Q = 0.24J/W.

Сопротивление сварочной цепи складывается из RM — сопротив­ления нагреваемых участков основного металла; RK — сопротивления контакта между соединяемыми частями или сварочного контакта, Rs — сопротивления контакта между электродом и изделием. Таким образом, сопротивление сварочной цепи У] R при контактной сварке можно выразить формулой

Тепломощность и выделяемое количество тепла

t

Я = 0,24(2/?., - f R* 2/?э )Л Q - 0,24 J (2/?., + RK + 2/?, )/W.

Полезными для процесса сварки являются: тепло, выделяемое в основном металле и освобождаемое на контакте между соеди­няемыми деталями. Относительная роль каждого из этих количеств меняется в различных случаях контактной сварки, однако в кон­тактной машине может быть нагрет и сплошной кусок металла без контакта между прилегающими частями и при отсутствии тепло­выделения на контакте. Количество тепла, выделяемое на контак­тах между электродами и основным металлом, в большинстве слу­чаев является скорее вредным для процесса сварки, так как под-, жигается поверхность изделия и ускоряется износ электродов. В процессе сварки сопротивление основного металла и сопротив­ление контакта между частями не остаются постоянными. Сопро­тивление металла прохождению тока быстро растёт с повышением температуры. Для цветных металлов эта зависимость может быть представлена приближённой формулой

?T=P°il +лТ)>

где р0 — удельное сопротивление металла при 0°;

рт —то же при температуре Г;

а—температурный коэффициент электрического сопротпвленн. : для технически чистых металлов а =4- 10-°-

Для сплавов температурный коэффициент а может быть очень малым, приближающимся к нулю. Зависимость сопротивления от температуры для сталей является более сложной. На фиг. 151

представлена зависимость элек­трического сопротивления от температуры для различных сталей. Известно, что различные стали, имеющие при низких тем­пературах весьма различное со­противление, при повышении температуры стремятся к одно­му и тому же приблизительно постоянному значению сопро­тивления, что связано с аусте - нитным превращением железа. В табл. 18 даны удельные сопро­тивления при комнатной темпе­ратуре для некоторых металлов.

Электрическое сопротивле­ние сварочного контакта ме­няется в процессе сварки иным образом. Поверхность металла.

Таблица 18

Удельное сопротивление некоторых металлов и сплавов при 2(Р

У дельное I сопротивление в ом - сму(Ю 6 (или мхом. см)

Железо технически чистое.....................................................

Малоуглеродистая сталь.......................................................

Нержавеющая сталь 18,8........................................................

Быстрорежущая сталь ЭР........................................................

Медь технически чистая, холоднотянутая. . . .

Латунь. ..................................................................................

Бронза фосфористая с содержанием 5% олова. .

Алюминий технически чистый..............................................

Дуралюминий..........................................................................

Никель....................................................................................

Нихром............................. ....................................................

Цинк.........................................................................................

Свинец.....................................................................................

Серебро..................................................................................

П ом-мм'1 ,

Для получения удельного сопротивления в --------------------- необходимо приве-

м

денные в таблице данные увеличить в 10000 раз, т. е. умножить на 10—3.

даже хорошо обработанного, имеет неровности, и при сжатии метал­лических деталей действительное соприкосновение происходит лишь в отдельных физических точках, как это показано схематически на фиг. J52, изображающей микрогеометрию поверхностей контакта. При пропускании элек­трического тока через контакт на нём наблю­дается более или менее значительное падение напряжения, что свиде­тельствует о соответ­ствующем омическом сопротивлении кон­такта. Фиг - ^52. Поверхности контакта.

Повышенное сопро­тивление контакта вызывается тремя основными причинами: 1) рез­ким уменьшением действительного сечения металла, несущего ток в зоне контакта, 2) сужением линий тока и возникновением очень вы­соких плотностей тока в зоне контакта, 3) наличием на поверхности металла плёнки окислов и загрязнений с малой электропроводностью. Сопротивление контакта в значительной степени зависит от прило­женного к нему давления. С увеличением давления сопротивление па­дает и, наоборот, возрастает при уменьшении давления. С увеличе­нием давления сминаются выступы на поверхности металла, площадь действительного физического соприкосновения возрастает, а высота
выступов уменьшается. В результате сопротивление контакта умень­шается с повышением давления. Кроме того, увеличение давления в большей или меньшей степени разрушает плёнку окислов и загряз­нений на поверхности металла, что также понижает общее сопротив­ление контакта.

Теоретически и экспериментально установлена следующая зави­симость между давлением, приложенным к контакту, и его элек­трическим сопротивлением:

где рх — единичное сопротивление контакта в омах при давлении Р = 1 кг

Р — давление, приложенное к контакту в кг; а — опытный коэффициент, имеющий значение в пределах от 0,50 до 1,00;

RK — сопротивление контакта в омах при давлении Р.

Единичное сопротивление Рх зависит от сорта металла, состоя­ния его поверхности и, как правило, уменьшается с уменьшением твёрдости металла и повышением его электропроводности.

Как видно из формулы, сопротивление контакта RK не зависит от его площади, что подтверждается опытом. Единичное сопротив­ление меняется в широких пределах в зависимости от вида металла и состояния его поверхности. Для хорошо очищенной стали единич­ное сопротивление меняется в пределах от 0,005 до 0,006 ом, для алюминия при хорошо очищенной поверхности — около 0,001 и для меди — около 0,0001. Пользуясь указанными цифрами, легко вы­числить сопротивление контакта при разных давлениях. Для обыч­ных давлений, применяемых в контактных машинах, сопротивление контакта в 20—100 раз меньше указанных выше величин, причём колеблется в широких пределах в зависимости от многих, трудно учитываемых причин.

Переходное сопротивление между медью и сталью (между элек­тродом контактной машины и изделием) может быть принято рав­ным половине сопротивления между стальными деталями. Сопро­тивление контакта уменьшается с повышением температуры. Это объясняется увеличением пластических деформаций металла с по­вышением температуры и возможным разрушением поверхностных плёнок при нагреве. При температуре около 500° контактное сопро­тивление стали становится очень малым и практически уже не за­висит от давления. При температурах выше 600—800° сопро­тивление контакта становится столь малым, что им обычно можно пренебречь. Таким образом, составляющие общего сопротивления сварочной цепи при контактной сварке: сопротивление металла и сопротивление контакта при повышении температуры меня­ются в противоположных направлениях; сопротивление металла расггёт, сопротивление контакта падает, и общее сопротивление •сварочной цепи меняется не так уже сильно, в зависимости от тем­пературы.

Пользуясь приведёнными зависимостями, можно сравнительно легко и достаточно точно определить общее количество тепла, осво­бождаемого в сварочной цепи. Гораздо труднее определить полу­чающееся повышение температуры металла в зоне сварки. Одно­временно с началом повышения температуры начинаются и потери тепла в окружающую среду.

Тепло отводится от зоны сварки различными путями. Значитель­ная часть тепла отводится в соседние холодные слои металла, вследствие теплопроводности. Потери через теплопроводность ме­талла обычно составляют основную часть всех потерь тепла. По мере повышения температуры металла быстро растущее количе­ство тепла теряется через лучеиспускание. Второстепенное значение для контактной сварки обычно имеют потери тепла через кон­векцию вследствие омывания поверхности металла холодным воз­духом.

В общем итоге потери тепла с повышением температуры быстро растут и выражаются столь сложными зависимостями, что практи­ческие подсчёты потерь тепла для контактной сварки в большинстве •случаев трудно выполнимы, и приходится пользоваться почти исклю­чительно опытными данными. Неизбежные потери тепла замедляют нарастание температуры металла при непрерывном прохождении тока, и с увеличением времени прохождения тока температура ме­талла асимптотически приближается к некоторому конечному зна­чению, отвечающему равновесному состоянию, если, конечно, не наступит до этого разрушение металла вследствие плавления и испарения.

При недостаточном токе тепловое равновесие между выделением тепла током и потерями в окружающую среду наступает при уста­новившейся температуре, недостаточной для осуществления сварки, в этом случае сварка невозможна. С повышением сварочного тока равновесие наступает при установившейся температуре, превышаю­щей необходимую температуру сварки, в этом случае сварка воз­можна.

Постоянная Времени процесса нагрева в сварочной цепи обычно невелика, и тепловое равновесие практически наступает уже через промежуток времени от долей секунды до нескольких минут. По­этому процесс контактной сварки проходит всегда быстро, свароч­ная температура достигается или очень скоро по включении свароч­ного тока или не будет достигнута никогда, если ток недостаточен. Чем больше сварочный ток, тем меньше продолжительность нагре­ва, меньше потери тепла в окружающую среду, общий расход энер­гии на сварку и тем выше к. п. д. процесса.

Рассмотрим кратко основные процессы, происходящие в металле с повышением его температуры, остановившись для примера на углеродистых сталях. С повышением температуры по достижении критической точки Лс3 обычное железо а переходит в форму 7, хо­рошо растворяющую углерод в больших количествах. При этом

ся усадкой металла, ведущей при недостаточном давлении к обра­зованию усадочных раковин.

Охлаждение металла происходит весьма быстро, и если сталь способна к закалке, то возможно образование закалочных структур, мартенсита и троостита, в зоне сварки с возрастанием твёрдости металла и возможным образованием трещин. Нередко наблюдается в зоне сварки рост зерна и образование видманштеттовой струк­туры; оба эти явления ведут к снижению пластичности металла в. зоне сварки, особенно заметно понижается его ударная вязкость.