Технология и оборудование контактной сварки

Рис. 5.14. Фигурные и специальные электроды:

а — изогнутый’ 6 — оттянутый; в — горизонтальный; г — самоустанавлпвающнйся для сварки деталей переменной толщины; д — сварки арматурной проволоки

являются торцовая и цилиндрическая (см. рис. 5.12, б). Способы крепления роликов различны (см. рис. 5.9, 5.12, б). Часто электри­ ческий контакт обеспечивается тщательно обработанной торцовой поверхностью ролика, а передача сварочного усилия — внутренней цилиндрической.

По конструктивному выполнению электроды можно подразде­ лить на прямые, фигурные и специальные.

Прямые электроды сравнительно просты, технологичны и жестки. Их применяют при хорошем доступе к месту сварки. Рабочая поверх­ ность обычно симметрична относительно оси посадочной части (см. рис. 5.12, а). Но при ограниченном доступе или сварке вблизи отбор­ товок стенок ее смещают (см. рис. 5.8, б).

Рабочая поверхность фигурных электродов значительно смещена относительно оси посадочной части (рис. 5.14, а—в). Их жесткость ниже, они хуже охлаждаются, чем прямые, и вызывают повышенные деформации узлов. Их применяют при сварке в труднодоступных местах на стационарных и в особенности в подвесных машинах. Вообще лучше использовать более жесткие фигурные электрододержатели в сочетании с прямыми электродами, чем фигурные электроды с прямыми электрододержателями.

Специальные электроды применяют для выполнения особых функ­ ций, например, в качестве промежуточных раздвижных вставок (см. рис. 3.23), раздвижных гребенок (см. рис. 3.24), либо для сварки ори­ гинальных по форме узлов, например, в наклонном положении (рис. 5.14, г). Широко применяют специальные электроды при рельеф­ ной сварке (рис. 5.14, д).

При многоточечной рельефной сварке в качестве электродов мо­ гут быть использованы электродные плиты. Однако из-за износа (в местах рельефов) приходится обрабатывать всю ее поверхность, что увеличивает расход меди. Кроме того, возрастает опасность слу­ чайного шунтирования тока. Поэтому обычно применяют составные электроды, состоящие из охлаждаемого основания 3 и сменных элек­ тродных вставок 1 с общим водяным охлаждением (рис. 5.15, а). Если основание слишком массивное, то вставки укрепляют в пере­ ходные держатели 2 (рис. 5.15, б), которые соединяются с основанием винтами.

Первые два фактора вызывают постепенное увеличение исходного dz и площади РП. Уменьшаются плотность тока и электросопротив­ ление электрод—деталь, усиливается отвод теплоты в электроды, поэтому диаметр ядра и в особенности глубина проплавления умень­ шаются. При сварке сталей, титановых, никелевых сплавов харак­ тер изменения d3 в процессе постановки большого числа точек при­ мерно одинаков на различных электродных материалах, режимах

в скорости процесса, которая характеризуется отношением критиче­ ского диаметра к исходному d3, Kp/d3. При критическом числе точек пкр требуется очередная переточка электрода.

На первом этапе в процессе приработки электрода (при постановке первых 10—100 точек) скорость деформации его рабочей части ока­ зывается повышенной вследствие развития микропластического смя­ тия, увеличенной деформационной способности исходной сферической поверхности и т. п. Постепенно процесс стабилизируется, скорость смятия уменьшается, и на втором рабочем этапе наступает медлен­ ный. установившийся износ из-за высокотемпературной цикличе­ ской ползучести. После сварки определенного числа точек лкр диа­ метр d,. достигает критического значения d3. кр, и начинается ката­ строфический износ. На деформированной РП образуются трещины, раковины, снижается сопротивление деформации. Размеры сварных соединений резко уменьшаются.

Загрязнение РП вызывает повышение сопротивления и темпера­ туры в приконтактной зоне электрода, а значит, дальнейшую активи­ зацию массопереноса и растрескивания поверхности.

Стойкость электродов и роликов — основной показатель их каче­ ства, характеризующийся в конечном счете двумя факторами: про­ должительностью сохранения в допустимых пределах постоянства d3t /Р, Яэ, Rp при сварке определенного числа точек; продолжитель­ ностью сохранения в допустимых пределах чистоты рабочей поверх­ ности.

соединений, сопротивления гэ. э в процессе сварки и др. Однако наи­ более простой и обобщенной является методика оценки числа точек пкр (длины шва /ир) до 20 %-ного увеличения dJt /р соответственно

Рис. 5.18. Измерение шаблонами критических размеров рабочей поверхности электродов:

а — плоской; б — сферической; 1 — электрод; 2 — шаблон

вов на машинах переменного тока сни­ жает диаметр ядра меньше минимально допустимого. Методику используют как для плоской, так и сферической формы рабочей поверхности электродов прак­ тически для всех групп свариваемых металлов с ограниченным массопереносом в контакте электрод—деталь.

Критические размеры рабочей по­ верхности определяют шаблонами на просвет (рис. 5.18). Для электродов с плоской рабочей поверхностью (о) — по

ширине плоской площадки, соответствующей d'3 кр; для электродов

с легкоплавкими покрытиями эта методика не отражает действитель­ ную стойкость электродов, В связи с большой активностью к массопереносу (см. п. 1.5.2) и высокой плотностью тока лимитирующим является не смятие, а загрязнение рабочей поверхности (табл. 5.1). Для этих материалов более точный критерий — число точек до оче­ редной зачистки электродов.

Момент появления недопустимого загрязнения, т. е. необходи­ мость зачистки, определяют визуально по-началу прилипания элек­ тродов к деталям. Существуют также приборы, объективно опреде­ ляющие необходимость зачистки (по достижении определенной вели­

Стойкость электродов зависит от многих факторов: электродных сплавов, температуры в контакте электрод — деталь и системы охла­ ждения, режимов сварки, свойств свариваемых металлов, способа

Материалы электродов и роликов должны иметь высокие теплопроводность и электропроводимость (для снижения температуры в контакте электрод—деталь, уменьшения потребления электриче­ ской мощности и предупреждения сквозного проплавления деталей). Кроме того, они должны обладать сравнительно высокой жаропроч­ ностью, твердостью и температурой рекристаллизации (для замедле­ ния процесса разупрочнения материала и смятия рабочей поверх­ ности), а также малой склонностью к массопереносу (для повышения стойкости рабочей поверхности к загрязнению).

Основой почти всех электродных сплавов служит медь, которая среди конструкционных металлов имеет наибольшую электропрово­ димость. Но медь, к сожалению, имеет невысокие жаропрочность, твердость и низкую температуру рекристаллизации. Эти свойства приходится повышать различными способами: наклепом, легирова­ нием с образованием твердого раствора, выделением из пересыщен­ ного твердого раствора дисперсных частиц, избыточной фазы, созда­ нием по границам зерен тугоплавкого каркаса, внутренним окисле­ нием меди.

Эффект от холодной деформации сохраняется лишь до температур (0,3-f-0,5) Гпл, упрочнение от легирования меди — до (0,4-^-0,6) 7ПЛ. Наиболее жаропрочные электродные сплавы получают дисперсион­ ным твердением, термомеханической обработкой и блокировкой гра­ ниц зерен тугоплавкой фазы (в виде частиц, сетки, скелета), которая слабо взаимодействует с основой при нагреве. Это достигается леги­ рованием, термической и термомеханической обработкой.

Для легирования применяют в основном Cd, Cr, Ag, Со, Ni. Тем­ пературу рекристаллизации и твердость дополнительно повышают малыми добавками Ti, Be, Zr, Al, В, Si. С увеличением содержания легирующих элементов уменьшается электропроводимость х и тепло­ проводность X меди (рис. 5.19). Поэтому суммарное количество леги­ рующих элементов обычно не превышает 2 %.

Для точечной и шовной сварки металлов с высокой электропро­ водимостью и малым сопротивлением деформации (алюминиевые,

тропроводимости меди). Количество ле­ гирующих элементов в этом случае может возрастать до 4 % и более. Что касается загрязнения рабочей поверх­ ности, то управление этим процессом краппе ограничено (см. п. 1.5.2). Состав

и основные свойства электродных материалов приведены в табл. 5.2.

Наибольшей электропроводимостью, но наименьшими твер­ достью и температурой рекристаллизации обладают холоднотянутая медь Ml и сплавы, упрочняемые нагартовкой (БрКд1, БрСр). Их ис­ пользуют для сварки алюминиевых, магниевых, медных сплавов. Для сварки сталей, титановых сплавов — электродные сплавы

сменьшей электропроводимостью, но с большей твердостью, темпе­ ратурой рекристаллизации (Мц5Б, БрХКд, БрХЦр, МЦ2, МЦ4, БрНБТ). Это дисперсионно твердеющие сплавы, некоторые из них

стугоплавким скелетом по границам зерен. Упрочняются термомеха­ нической обработкой (закалкой, холодной деформацией и отпуском).

Наиболее универсальный из них сплав Мц5Б, имеющий высокую электропроводимость при большой твердости. Его применяют для сталей и легких сплавов. Сплавы БрХ, БрХКд, БрХЦр имеют хо­ рошее сочетание твердости и электропроводимости. Их широко ис­ пользуют для конструкционных сталей, титановых сплавов. Наи­ большей твердостью среди них обладает сплав БрНБТ, применяемый при сварке жаропрочных никелевых, кобальтовых сплавов.

Особую группу представляют спеченные порошковые компози­ ции из вольфрама с медью (элконайт), карбида вольфрама с медью (НВ 490), а также вольфрам и сплавы молибдена. Они имеют макси­ мальные твердость и жаропрочность, но низкую электропроводи­ мость (~30 %). Их обычно применяют как электродные вставки при рельефной сварке, при точечной сварке деталей разной толщины и из разноименных сплавов, а также меди, серебра. Из вольфрама и молибдена часто изготовляют сдвоенные электроды для микросварки.

Сравнительно новую группу представляют электроды из спечен­ ных материалов на базе меди с дисперсным распределением оксидов: например, А120 3, MgO, ВеО (2—3 % по объему). Их получают мето­

дом внутреннего окисления сплава Си + А1 (Си + Mg, Си + Be) с последующим распылением расплава, брикетированием, спеканием (в атмосфере водорода) и горячим прессованием. Электроды приме­ няют без термообработки. По характеристикам электропроводимости они аналогичны сплаву БрКд1, но имеют более высокую жаропроч­ ность. Поэтому смятие электродов происходит значительно медлен­ нее. Интересно, что замедляется и массоперенос при сварке алюми­ ниевых и магниевых сплавов. По-видимому, это обусловлено повы­ шенным сопротивлением деформации контакта.

5.4.4. Температура в контакте электрод—деталь и охлаждение электродов

Важное условие повышения стойкости электродов — сни­ жение температуры в контакте электрод — деталь, которая в про­ цессе сварки к тому же быстро меняется, достигая к концу импульса тока максимальное значение 7тах, а во время паузы уменьшается до Тт\п (рис. 5.20). В процессе сварки эти температуры постепенно по­ вышаются вплоть до достижения теплового равновесия.

водой (рис. 5.21, а). Для этого в электроде делают глухое отверстие

ние. Сочетание внутреннего охлаждения с наружным (рис. 5.21, б) усиливает эффект. Весьма перспективно дополнительное наружное охлаждение распыленной водой. При скорости истечения более 300 м/с частицы воды (туман) охлаждаются до 2—10 °С и, имея боль­ шую кинетическую энергию, разрушают возникающую паровую ру­ башку в зоне охлаждения. В редких случаях применяют замкнутую систему внутреннего охлаждения специальными жидкими средами

усложняется. При микросварке миниатюрные электроды имеют обыч­ но естественное охлаждение воздухом, иногда сжатым воздухом, в некоторых случаях — инертным газом.

Система охлаждения электродов для одноточечной рельефной сварки такая же, как и у электродов для точечной сварки. Примеры охлаждения электродов для многоточечной рельефной сварки пока­ заны на рис. 5.15.

Ролики могут иметь внутреннее, наружное, а иногда и оба вида охлаждения. Для внутреннего охлаждения в них делают внутренние проточки, каналы (см. рис. 5.10, 5.12, б). Воду часто подводят через массивную ось. При сварке коррозионно-стойких сталей и некоторых других металлов применяют наружное охлаждение струей воды либо распыленной водой, подаваемой под повышенным давлением. При микросварке ролики часто имеют лишь естественное охлаждение.

Рис. 5.21. Схема охла­ ждения электродов точеч­ ной сварки:

Хотя величина проплавления допускается в широких пределах (до 80 %), приближение изотермы Тпл к контакту электрод — деталь вызывает повышение Тшах.

Влияние FCB на стойкость противоречиво: с одной стороны, при уменьшении Fcu замедляется смятие рабочей поверхности, а с дру­ гой стороны, увеличивается гэд, уменьшается отвод теплоты в элек­ троды, повышается плотность тока, увеличивается проплавление. При сварке алюминиевых и магниевых сплавов это может вызвать усиленный массоперенос и загрязнение электродов.

Температура Ттах зависит и от свойств свариваемых металлов, в особенности от р0, A, a, Тпл. С увеличением электропроводимости и Тпл возрастают абсолютные значения ТтаХ} усиливаются смятие и загрязнение поверхности электродов. В зависимости от металла дета­ лей меняется характер износа (см. табл. 5.1).

5.4.5. Изготовление и эксплуатация электродов

Технология изготовления электродов должна обеспечи­ вать наилучшие эксплуатационные свойства, задаваемые в зависи­ мости от физико-механических характеристик металла деталей. Обычно электроды изготовляют централизованно холодной высадкой из прутков с последующей незначительной механической обработкой поверхностей. Закалку проводят до высадки, отпуск — после. Иногда прямые электроды вытачивают из прутка, но в этом случае их стойкость существенно понижается, причем 30—40 % дефицитных сплавов идет в стружку. Фигурные электроды получают ковкой и механической обработкой из плит. Для экономии сплавов электроды

Рис. 5.23. Способы извлечения электрода из гнезда:

а — вращением; б — выталкиванием

->

Рис. 5.24. Зачистка сфе­ рической рабочей поверх­ ности электродов

можно делать составными, например, сваркой трением, пайкой; хво­ стовик — из меди, а корпус из электродного сплава.

Извлекают электроды из конусного гнезда электрододержателя 3 вращением или выталкиванием. Для вращения (рис. 5.23, а) применяют либо специальный съемник с винтовым зажимом элек­ трода 1 стальными призмами 2, либо ключ, если на боковой поверх­ ности электрода есть лыски. Второй вариант удобнее, так как боко­ вая поверхность электрода не повреждается.

Довольно легко электроды 1 извлекают, выталкивая их враще­ нием гайки 2 по резьбе на электрододержателе 3 (рис. 5.23, б). При этом уменьшается износ конусного гнезда, исключается разрушение боковой поверхности, но требуется особая форма электрода (с уве­ личенным диаметром, буртиком) и ухудшается доступ к месту сварки.

При загрязнении поверхность электродов обычно зачищают наж­ дачным полотном 2, обернутым вокруг жесткой резиновой пластины 1 толщиной 15—25 мм (рис. 5.24). Сжатую электродами с небольшим усилием пластину с полотном вращают вокруг оси электрода, затем рабочую поверхность протирают чистой тканью. Механизация этого процесса повышает производительность зачистки.

При износе (смятии) рабочей поверхности необходимо восстанав­ ливать (заправлять) электроды, т. е. снимать более толстый слой металла. Такую обработку ведут без съема или со съемом электрода на токарных станках фасонными резцами или во фрезерных головках.

На рис. 5.25 показан принцип работы фрезерных головок без съема электрода (а) и со съемом (б) при сферической РП. Принцип работы головок одинаков: фреза 3 приобретает два движения — вра­ щение вокруг собственной оси и вокруг оси электрода. Это дости­ гается обкатыванием шестерни 4 по неподвижной шестерне 5. Крутя­ щий момент М ир в переносной головке создают пневмоприводом 6 вращения (на основе пневмодрели), а в стационарной головке — электродвигателем 7. При этом электрод 1 устанавливают в па­ трон 8.

Плоскую поверхность зачищают личным напильником или наж­ дачным полотном, сохраняя параллельность поверхностей. Для за­ правки применяют пневматические фрезерные головки, надеваемые на электрод машины (рис. 5.25, в). Рабочая поверхность электрода У находящегося внутри втулки 2, восстанавливается быстрым враще­