Сварка при производстве электромонтажных работ

СВАРКА ШИН ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

10- 1. Сварка меди с алюминием и со сталью

Сварка меди с алюминием. Применение цельно­металлических сварных соединений меди с алюми­нием, как уже отмечалось, весьма целесообразно вследствие известных недостатков болтовых или сжимных соединений.

Однако обычные соединения встык или внахлестку медных шин с алюминиевыми, выполняемые ручной электрической или газо - еой сваркой, несмотря на свои удовлетворительные электрические характеристики, не могут применяться, так как обладают боль­шой хрупкостью. Механические свойства сварных швов при этом определяются свойствами медно-алюминиевых сплавов, весьма хрупких при содержании алюминия или меди больше 12%. До­зировка алюминия и меди в сварном шве, необходимая для полу­чения пластичного шва, при ручной сварке невозможна. Поэтому и попытки применить непосредственную приварку встык или вна­хлестку медных шин к алюминиевым обычно не приводили к цели.

Достаточно прочные и пластичные сварные соединения меди с алюминием можно получить только при помощи стыковой контактной электросварки, методом оплавления или холодной сваркой.

Стыковая сварка оплавлением. На стыковых машинах с ручным приводом нельзя достигнуть точного повторения установленных режимов оплавления и осадки, что ведет к большому браку. На­пример, при сварке медных шин с алюминиевыми сечением 50 X X 50 мм число достаточно пластичных швов (угол загиба не менее 90°) составляет всего 20—30%. Автоматизацией же сварочного процесса обеспечивается соблюдение необходимых условий сварки и получение во всех случаях качественных соединений. Одним из основных условий для этого является быстрота передачи оса­дочного давления после оплавления и выключение тока в момент начала осадки. Важно также осуществить непрерывное оплавление при определенном графике изменения скоростей подвижной плиты машины. При этом удается достигнуть резко концентрированного тепловыделения на торцах свариваемых шин, необходимого для их оплавления. При создании быстрой (ударной) осадки из зоны шва выдавливается значительная часть образующегося хрупкого сплава и происходит в весьма тонких слоях взаимная диффузия алюминия и меди (рис. 11-1, а), чем обусловливается получение пластичных швов.

Наоборот, при сварке, выполненной с несоблюдением требуе­мого режима (например, слабая осадка, несвоевременное выклю­чение тока и т. п.), швы получаются хрупкими, ломающимися от легкого удара. Такая сварка характеризуется наличием между медью и алюминием, кроме зон взаимной диффузии, достаточно широкой зоны (рис. 11-1, б) невыдавленного хрупкого сплава с со­держанием меди около 33%.

Характерно, что капли металла, выдавленного из зоны шва при нормальной сварке, имеют ту же микроструктуру (рис. 11-1, в), что и зона хрупкого сплава, получающегося при отклонении от заданных режимов. Это еще раз подтверждает, что удаление хруп­кого сплава из зоны шва является основным условием получения качественной сварки.

Следует отметить, что непосредственные соединения медных шин с алюминиевыми крайне редки. Поэтому практически стыко­вая сварка используется только при изготовлении переходных медно-алюминиевых пластин для присоединения алюминиевых шии к медным выводам электрооборудования. В связи с этим в дальней­шем мы будем рассматривать только изготовление пластин, по­нимая под этим сварку коротких участков шин соответствующего сечения.

При правильно определенных режимах автоматическая стыко­вая сварка меди с алюминием дает соединения, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к шинным контактам. Такие соеди­нения механически достаточно прочны, пластичны и устойчивы к динамическим и термическим действиям токов короткого замы­кания. Соединения выдерживают загиб на угол 180° без каких - либо нарушений целости швов. При обратном разгибании образ­цов на 180° разрушение происходит не по шву, а по соседнему с ним слою алюминия. Разрушение образцов при испытании на растяжение также происходит не по сварному шву, а в зоне от­жига алюминиевой части пластины. Таким образом, прочность образцов определяется прочностью алюминиевой части и состав­ляет 95% от прочности участков основного металла, не подвер­гавшихся нагреванию.

Зона отжига при сварке мала вследствие весьма концентриро­ванного тепловыделения, малой продолжительности нагревания и охлаждающего действия зажимных контактных колодок. Так, уже на расстоянии 5 мм от шва твердость алюминиевой и медной частей пластин имеет такое же значение, что и участков, удален­ных от сварки.

Существенное значение для обеспечения надежной эксплуата­ции имеет вибрационная прочность швов медь—алюминий у пла­стин, так как эти пластины присоединяются в ряде случаев к ап­паратам (например, к масляным выключателям), испытывающим значительные вибрации при отключении и включении. Соответ­ствующие испытания знакопеременной изгибающей нагрузкой медно-алюминиевых пластин (при 20-10е перемен нагрузки) по­казывают следующие пределы выносливости в мегапаскалях (кгс/мм2):

Медио-алюминиевые пластины 45 (4,5)

Целые алюминиевые шины. . 45 (4,5)

Целые медные шины................................ 67 (6,7)

При испытании все образцы обычно разрушаются по алюми­нию вне зоны сварного шва. Таким образом, соединения меди с алю­минием, выполненные контактно-стыковой сваркой, имеют вибра­ционную прочность, одинаковую с алюминиевыми шинами.

Высокая надежность стыковой контактной сварки меди с алю­минием подтверждена многолетней практикой эксплуатации на многочисленных объектах электроснабжения, промышленных уста­новках и в энергосистемах, во время которой не отмечалось вы­хода из строя медно-алюминиевых пластин.

Отклонение от установленного режима сварки ведет к значи­тельному снижению пластичности швов.

Наиболее важными факторами, определяющими режим сварки, являются: характер перемещения подвижной плиты в процессе оплавления, скорость и давление при осадке, сила сварочного тока (ступень трансформатора), момент отключения тока, уста­новочная длина — вылет свариваемых пластин из контактных колодок.

В качестве примера приведем некоторые данные, характери­зующие режим сварки медных пластин с алюминиевыми сечением 100 X 10 мм на машине типа МСМ-150, дооборудованной специ­альным пневматическим приводом для осадки.-Перемещение по­движной плиты в период оплавления происходит с нарастающей по определенному закону скоростью, составляющей 8 мм/с в начале оплавления и достигающей 35 мм/с перед осадкой. Весь процесс оплавления продолжается 4,2 с. Скорость движения подвижной плиты при осадке 160 мм/с. Осадочное давление 3700—4000 даН и нарастает в сотые доли секунды. Сила тока в сварочной цепи при оплавлении составляет около 20 кА, достигая 50 кА перед осадкой.

Весьма важным условием является включение тока в конце процесса оплавления, что соответствует и моменту начала осадки. Запаздывание и, особенно, упреждение выключения тока по от­ношению к моменту начала осадки хотя бы на несколько периодов переменного тока ведут к резкому снижению пластичности швов. Это видно из графика на рис. 11-2, полученного эксперименталь­ным путем.

Длина частей свариваемых пластин, выступающих из зажимов машины, — установочная длина — должна выдерживаться с точ­ностью 1,5—2 мм. Большее отклонение от заданной длины ведет к снижению пластичности шва.

При сварке по методу непрерывного оплавления происходит укорочение как алюминиевой, так и медной шины (пластины) за счет самого процесса оплавления и осадки (так называемый угар). Величины укорочения приведены в табл. 11-1 и должны учиты­ваться при заготовке пластин.

Медные и алюминиевые пластины нарезают на прессах или на механических ножницах и с целью повышения мягкости (пластич-

ности) подвергают следующей термической обработке: медные пла­стины нагревают до 650—700? С и охлаждают в воде, а алюминие­вые — нагревают до 320—350° С и охлаждают на воздухе. После этого пластины рихтуют под прессом или вручную гладилкой. Кроме того, у алюминиевых пластин на участке оплавления умень­шают толщину (производят осадку) на 1 мм при толщине пластин 6—10 мм и на 0,5 мм при меньшей толщине. Эту операцию выпол­няют на прессах с помощью штампов с прямоугольной вырезкой в матрице, соответствующей ширине шины. Осадка пластин не­обходима для предотвращения наползания алюминия на поверх­ность меди при сварке, что ведет к резкому снижению прочности пластин. Снижение прочности вызывается тем, что при таком на - ползании слоем алюминия закрывается зона стыкового шва и в связи с этим не происходит выдавливания из шва хрупкой медно­алюминиевой бронзы. После термообработки, осадки и выравни­вания пластин поверхность их на участках, зажимаемых в кон­тактные колодки машины, зачищают до блеска вращающимися
или ручными проволочными щетками для обеспечения хорошего электрического контакта.

На машинах МСМ-150 и МСМУ-150 возможна сварка медно - алюминиевых пластин или непосредственная приварка медных пластин к алюминиевым шинам сечением от 40 X 4 до 100 X 10 мм.

Режимы сварки на машине МСМ-150 приведены в табл. 11-2.

Пластины укладывают на контактные колодки (зажимы) по шаблону, обеспечивающему получение необходимой установочной длины. Пластины закрепляют в зажимах нажатием соответствую­щих кнопок, расположенных на станине машины. Для предотвра­щения проскальзывания пластин в зажимах их дополнительно за­крепляют винтовыми упорами (7 на рис. 3-7).

После зажатия пластин в зажимы опускают кожух, защищаю­щий от искр и брызг металла, и нажимают кнопку «пуск» кнопоч­ной станции 15 (см. рис. 3-7). При этом одновременно включают линейный контактор, подающий сварочный ток, и пускают элек­тродвигатель привода. По окончании сварки зажимы автомати­чески разжимаются, и сваренные пластины освобождаются. После отведения подвижной плиты в исходное положение при помощи рукоятки 12 (см. рис. 3-7) машину приводят в состояние готов­ности для последующей сварки. Грат (выплеск металла из шва) на сваренных пластинах сбивают, а при необходимости получения гладкой поверхности пластины в месте шва — удаляют с по­мощью барабанной фрезы.

Готовые пластины испытывают на удар и на изгибание. Для первого испытания отбирают не менее 2% пластин от партии 1000 шт., но не менее 3 шт., а для второго — 1% от партии и также не менее 3 шт. Для испытания на удар пластины уклады­вают на лоткообразную жесткую подкладку (рис. 11-3, а) со стре­лой лотка 5 мм и затем по стыковому шву медь—алюминий ударяют грузом, падающим с высоты 500 мм. Масса испытательного груза для шин сечением до 50 X 5 мм должна составлять 25 кг и для
пластин большего сечения — 50 кг. После испытания на удар пла­стины рихтуют под прессом (рис. 11-3, б) или вручную гладилкой. При этом швы не должны иметь трещин и надрывов.

Испытание на изгибание производят в приспособлении (рис. 11-3, б),снабженном тисками с радиусом закругления губок, равным толщине испытываемых пластин. Пластины их алюминие­вой частью зажимают в тиски таким образом, чтобы сварной шов

был на расстоянии 5 мм от поверхности тубок. После этого с по­мощью захвата отгибают пластину на угол 15° в одну и другую сторону. Угол загиба фиксируют специальными упорами. После такого двойного изгибания не должно быть разрушения пластин по шву.

Наряду с механическими испытаниями все пластины проверяют на соосность медной и алюминиевой частей. При этом несоосность не должна превышать 0,3 мм.

Аналогично медно-алюминиевым пластинам изготовляются пе­реходные детали круглого сечения — штифтовые наконечники и соединительные гильзы.

Сварка деталей трубчатого сечения с деталями со сплошным сечением затруднительна. Поэтому при Изготовлении штифтовых наконечников медный стержень (штифт) на стороне приварки
к алюминиевой гильзе рассверливают для образования трубки. Длину этой трубки делают с учетом обеспечения необходимого вы­лета, а также угара металла.

При изготовлении трубчатых кабельных наконечников типа ТАМ (ГОСТ 9581—68), имеющих плоскую контактную часть из меди, трубчатую алюминиевую часть предварительно сплющивают и затем сваривают ее с медной контактной пластиной.

Наконечники изготовляются на специальной машине типа МС-2006, а также на машинах МСМ-150 и МСМУ-150 (см. стр. 55).

Холодная сварка. В электромонтажном производстве холодная сварка применяется для соединения алюминиевых шин с мед­ными встык и для армирования алюминиевых шин медными на­кладками. Как тот, так и другой способ почти исключительно ис­пользуется для улучшения контакта при присоединении алюминие­вых шин к медным выводам электрооборудования. Особенности этих способов и результаты испытаний сварных соединений при­ведены в § 1-Ю.

Холодную сварку встык используют преимущественно для из­готовления переходных медно-алюминиевых пластин и стержней, а способ армирования применяют в случаях, когда на концах шин или на отдельных участках по их длине (например, в местах от­ветвления) необходимо создать контактные площадки из меди.

Для холодной сварки деталей прямоугольного и круглого се­чений ВНИИЭСО разработан ряд машин, которые выпускаются промышленностью (см. табл. 3-4).

В виде примера рассмотрим технологию изготовления медно­алюминиевых пластин на машине МСХС-120.

Пластины нарезают на гильотинных ножницах. В случае ко­робления пластин при резке они должны быть выправлены под прессом или ручной гладилкой. Желательно нарезать пластины на специальных приспособлениях с зажимными губками, предот­вращающими коробление при движении ножа гильотины. При та­ком способе отрезки не требуется последующей обработки и обез­жиривания торцов пластин. Длина медных и алюминиевых заго­товок должна учитывать укорочение пластин при сварке, проис­ходящее вследствие выдавливания части металла в грат.

Алюминиевую и медную пластины укладывают в зажимы ма­шины и зажимают, нажимая на соответствующие кнопки на кно­почной станции, расположенной на передней части станины ма­шины. При этом • необходимо выдержать требуемые вылеты алю­миниевой и медной пластин. Предварительно с помощью регулиро­вочного винта конечного выключателя зажимов устанавливают расстояние между зажимами, равное сумме вылетов пластин. Тогда конечный выключатель остановит движение зажимов после де­формации пластин именно на эту величину.

Длина вылетов при сварке круглых стержней и однопроволоч­ных проводов по И. Б. Баранову [1] приведена в табл. 11-3. При сварке пластин прямоугольного сечения рекомендуемый оптималь­ный вылет в процентах должен быть в 1,2 раза больше вылета круглых стержней соответствующего диаметра (относительный йы - лет — отношение длины вылета к диаметру или толщине образца).

После закрепления пластин приводят в действие привод осадки, нажимая соответствующую кнопку. При этом подвижная плита начинает передвигаться, и весь дальнейший процесс происходит автоматически. В конце хода плиты специальные ножи подрезают грат на пластине, выдавленный из шва. По окончании осадки за­жимные губки раскрываются, и готовая пластина может быть уда­лена. Испытание пластин производят таким же образом, как это описано для стыковой контактной электросварки.

С помощью холодной сварки, кроме пластин, могут изготов­ляться также различные контактные детали цилиндрического се­чения для соединения медных проводников с алюминиевыми, на­пример соединительные гильзы, штифтовые наконечники и тому подобные изделия. Мы не будем приводить здесь технологию сварки этих деталей на той или иной конкретной машине, так как в прин­ципе она одинакова и сводится к закреплению медной и алюминие­вой заготовок в зажимы и осуществлению осадки.

Холодная сварка для оконцевания однопроволочных алюминие­вых проводов малого сечения медными стержнями, распространен­ная в электропромышленности, не получила применения в элек­тромонтажной практике.

Соединения, выполненные сваркой встык, характеризуются высоким качеством. Так, при испытании на растяжение разру­шение происходит по основному металлу (алюминию); обеспечи­вается загиб не менее чем на 9СҐ; электрические испытания пока­зывают полную стабильность сопротивления при многократных нагреваниях до 200° С; при микроскопических исследованиях от­мечается взаимная диффузия алюминия и меди в тонких слоях (взаимное проникновение зерен алюминия и меди).

Следует отметить, что холодная сварка — более экономичный процесс, чем стыковая контактная сварка. Так, например, при

практически равной производительности мощность машины МСХС-120 для холодной сварки составляет всего 17 кВт, а равно - значной ей по назначению машины МСМУ-150 для стыковой элек­тросварки — 150 кВт. Немаловажным преимуществом является также и то, что машины для холодной сварки можно подключать к сетям небольшой мощности.

д) е)

Армирование алюминиевых шин и деталей медными наклад­ками [29]. Армирование является наиболее доступным способом улуч­шения болтовых контактных соединений алюминиевых шин или деталей с медными выводами электрооборудования.

Для армирования используется мягкая холоднокатаная ли­стовая медь по ГОСТ 859—66 или мягкая лента марки МГМ по ГОСТ 434—71 толщиной 1 и 1,5 мм.

Сварка выполняется на специальных машинах типа МХСА-50-3, разработанных во ВНИИЭСО. При отсутствии машины можно пользоваться штампами, представляющими собой две плиты (ниж­няя и верхняя) с рабочими выступами. Верхняя плита переме­
щается по направляющим навстречу нижней. Таким образом, за один ход происходит вдавливание всех рабочих выступов.

Число сварных точек берут из расчета не менее одной точки на 4 см2, армируемой поверхности. Располагать точки надо таким об­разом, чтобы на контактной поверхности оставались свободные места для сверления отверстий для болтов. Примеры расположе­ния точек показаны на рис. 11-4. Рабочие выступы пуансонов обычно выполняют прямоугольной формы. Высота выступа (табл. 11-4) определяется необходимой степенью деформации алю­миниевой и медной частей при сварке. Длина I при­нимается равной 8—10 мм, а ширина b — 2,5-ьЗ мм.

На рис. 11-4, а, б показана форма поперечного и про­дольного сечений рабочих выступов.

Подготовка поверхно­стей для сварки заклю­чается в обезжиривании и зачистке их враща­ющейся щеткой. Весьма удобно немедленно после зачистки прихватывать медные накладки к арми­руемым шинам одной свар­ной точкой диаметром 2,5—3 мм с помощью небольшого настольного пресса. Собственно сварка представляет собой простую операцию и заключается во введении в штамп машины МХСА-50-3 армируемой шины или другой детали и нажатии педали, которая приводит в действие пневмо-гидрав - лическую систему, сдавливающую пуансоны. По окончании ра­бочего хода пресса давление в гидроцилиндре автоматически сни­мается, и пружины, имеющиеся в штампе, раскрывают плиты с ра­бочими выступами, освобождая армируемую деталь. Таким обра­зом, за один ход пресса выполняется приварка медной накладки к армируемой шине (пластине) в местах под пуансонами.

Отверстия для болтов у армируемых деталей должны выпол­няться (сверление или штамповка) после операции армирования.

Армированные детали удовлетворяют всем требованиям, предъ­являемым к контактным соединениям соответствующими стан­дартами.

Особенности применения сварки меди с алюминием при монтаже электроустановок и электросетей. Как уже отмечалось, для при­соединения алюминиевых шин к выводам электрооборудования и для соединения медных шин с алюминиевыми используются
медно-алюминиевые переходные пластины, изготовляемые завод­ским способом. Эти пластины при монтаже электроустановок при­вариваются своей алюминиевой частью к алюминиевым шинам одним из распространенных в электромонтажной практике спо­собов ручной сварки.

Сортамент медно-алюминиевых переходных пластин приведен в табл. 11-5. Как видно из таблицы, поперечные сечения алюминие­вой и медной частей пластин одинаковы - Следовательно, у медной пластины сечение по условиям равной электропроводимости ока­зывается завышенным по сравнению с алюминиевой. В настоящее время разра­батываются пластины о равной проводимостью обеих частей, что приведет к уменьшению на 30%

сечения медной части по сравнению с данными табл. 11-5 и к соответ­ствующей экономии меди

при изготовлении пла­

стин.

Особенностью приме­нения переходных пла­

стин является то, что сты­ковой шов медь—алюминий не допускает длительного нагревания свыше 400°С. При таком нагревании происходит взаим­ная диффузия меди и алюминия с образованием в шве промежу­точного слоя алюминиевой бронзы, обладающей большой хруп­костью. Так, нагревание до 500—550° С в течение 4—5 мин пони­

жает прочность и пластичность швов до 40—50% от первоначаль­ных значений. Нагревание до еще больших температур или более

продолжительное приводит к полной потере пластичности, когда

соединение разрушается даже от незначительного удара и прак­тически не допускает приложения изгибающих нагрузок. Для предотвращения недопустимого перегрева стыковых швов алю­миниевая часть пластин выполняется такой длины, при которой температура в зоне стыкового шва медь—алюминий не превосходит опасных значений (см табл. 11-5).

Длина медной части переходных пластин меньше допускаемой по условиям приварки. Это вызвано тем, что пластины предназна­чаются преимущественно для присоединения к выводам электро­оборудования и относительно редки случаи приварки их к мед­ным шинам. При необходимости же такой приварки пластин к медным частям ошиновки или когда требуется по конструктив­ным соображениям уменьшить длину алюминиевой пластины сверх значений, приведенных в табл. 11-5, следует применять искусствен­
ное охлаждение стыкового шва медь—алюминий. С этой целью для шин сечением до 60 X 6 мм можно применять массивные мед­ные теплоотводящие колодки, накладываемые на стыковые швы медь—алюминий и плотно затягиваемые, а для пластин больших сечений использовать водяные охладители. Такой охладитель пред­ставляет собой две полые медные коробки, прижимаемые с по­мощью струбцин или специального винтового устройства к охла­ждаемому участку. Через коробки пропускается вода из водопро­водной сети. Целесообразно такое охлаждающее устройство сов­мещать с приспособлением для закрепления и выверки шин и пла­стин при приварке их к шинам. Применяется также охлаждение швов непосредственным поливанием их водой из трубчатых кол­лекторов.

Необходимость в искусственном охлаждении стыковых швов медь—алюминий возникает также в случаях, когда требуется приваривать к алюминиевым шинам больших сечений пакеты из нескольких переходных пластин, что встречается в тяжелых оши­новках установок электрометаллургии.

При использовании переходных пластин в установках, рабо­тающих в сырых помещениях или на открытом воздухе, сварные швы медь—алюминий должны быть надежно защищены от кор­розии нанесением влагозащитных покрытий (см. § 2-4).

Сварка меди со сталью. Сварка меди со сталью не имеет осо­бенностей по сравнению со сваркой меди и выполняется чаще всего угольным электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве присадочного материала применяются медные прутки. Техника сварки и ее режимы не отличаются от установленных для сварки меди, за исключением того, что дугу направляют преиму­щественно на сталь. В качестве флюса может быть использован любой из составов, применяющихся для сварки меди (см. § 3-8). Присадочным прутком при окунании его в сварочную ванну не­обходимо перемешивать расплавленные медь и сталь.

Возможна сварка меди со сталью и металлическими электро­дами, например марки «Комсомолец 100», а также стальными электродами любых марок, распространенными в монтажной прак­тике для сварки конструкционных сталей.