Основные теоретические сведения

Контактная сварка - сварка, при которой производится сдавливание и нагрев деталей теплом, выделяющимся при протекании электрического тока через детали и контакт. Поэтому сварка называется контактной. C физической точки зрения соединение при контактной сварке образуется за счет сил межатомного взаимодействия. При сварке давлением сдавливание (осадка) приводит к пластической деформации и сближению слоев металла в зоне контакта, в результате чего:

1) уменьшается его электросопротивление, и увеличивается тепловой эффект при пропускании тока;

2) уплотняется расплавленный металл, и отсутствуют литейные дефекты (раковины, рыхлота);

3) удаляется из зоны сварки загрязнённый и окисленный металл.

Для снижения осадочного давления применяют нагрев до состояния высокой пластичности.

Существует четыре вида контактной сварки по типу соединения:

1) точечная (рис. 1,а) - детали свариваются не по всей поверхности контакта, а в отдельных точках, соответствующих контактам с электродами; через электроды передается усилие осадки, свариваемые листы собирают чаще всего внахлест;

2) рельефная (рис. 1,б) - детали свариваются аналогично точечной сварке - в отдельных точках; положение этих точек соответствует выступам на одной или обеих свариваемых поверхностях, усилие передается через электроды - плиты, между которыми зажимаются свариваемые детали;

3) шовная (рис. 1,в) - детали соединяются швом, состоящим из отдельных сварных точек, перекрывающих или не перекрывающих одна другую; шовная сварка выполняется с помощью одного или двух вращающихся электродов; через них же передается усилие осадки;

4) стыковая (рис. 1,г) - детали свариваются по всей контактной поверхности под воздействием нагрева и сживающего усилия. Бывает стыковая сварка с оплавлением и без оплавления.

Наиболее широко применяется точечная сварка. При контактной сварке в шве и околошовной зоне происходят сложные тепловые явления и пластическая деформация, которые определяют структуру, а, следовательно, механические свойства сварного соединения.

Рисунок 1. Схемы процессов и швов, условные обозначения видов контактной сварки: а – точечная (Кт); б – рельефная (Кв); в – шовная (Кр); г – стыковая (Кс).

Электрические параметры процесса

Как было сказано, при контактной сварке используется тепло, выделяющееся при прохождении тока по проводнику (в данном случае в сварочной цепи). Его ко- личество подсчитывается по формуле Джоуля-Ленца

                                                         (1),

где R - омическое сопротивление проводника, Ом;

I - ток, А;

t - время, с;

U - напряжение, В.

Сопротивление R проводника - сопротивление сварочной цепи.

В случае точечной сварки оно состоит из ряда слагаемых:                                                                          R = 2Rм + Rк + 2Rэ,                           (2)

где Rм - сопротивление свариваемого металла, Ом;

Rк - сопротивление контакта между деталями, Ом;

Виды режимов точечной сварки

Под режимом сварки следует понимать совокупность параметров данного способа сварки, задаваемых сварочной машиной, а также форму и размеры электродов. Режим сварки зависит от физических свойств свариваемого металла и размеров деталей. Основными параметрами режимов точечной сварки являются сила тока I, длительность его протекания τ и усилие Р.

Для получения максимального теплового эффекта согласно формуле (1) следует обеспечить в установке максимальную силу тока, что достигается с помощью трансформатора.

Режимы условно делятся на "мягкие" и "жесткие". Мягкий режим характеризуется умеренной силой тока, относительно большой длительностью его протекания, более плавным нагревом, уменьшенной мощностью сварки. При жестком режиме используется ток большой силы, при меньшей длительности процесса; жест-кие режимы требуют машин повышенной мощности.

Основные параметры процесса (Р и I) выражаются во времени циклограммой определенного типа для каждого вида сварки. При точечной сварке применяются следующие типы циклограмм;

а) самая типичная; точечная сварка всегда начинается с предварительного сжатия деталей для обеспечения хорошего контакта. Ток и давление во время сварки постоянны. Давление снимается несколько позже выключения тока, чтобы успела затвердеть и охладиться точка в сжатой оболочке;

б) сварка с проковкой - после выключения тока давление возрастает еще больше; точка формируется в силовом поле, поэтому имеет лучшую структуру литого ядра и выше прочность;

в) циклограмма, применяющаяся при сварке толстых листов, сначала они обжимаются повышенным давлением для тесного контакта, затем давление снижается до рабочего для усиления теплового эффекта в контакте и на деталях; после выключения тока - проковка.

Выбор вида, размеров соединений и способа точечной сварки

При точечной сварке соединяются листы, собранные внахлест, иди стержни. Так как необходимое давление быстро возрастает с увеличением толщины деталей, а прочность электродов, передающих давление, ограничена, точечная сварка применяется в основном для деталей небольшой толщины, не более 7 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или разной, при этом соотношение толщин не должно быть больше чем 1:3.

При любом способе сварки требуется очистка свариваемых поверхностей от загрязнений и окалины, которые существенно увеличивают сопротивление контакта, а также требуется тщательная сборка деталей с возможно более плотным прилеганием их друг к другу, так как наличие зазоров приведет к потере давления осадки за счет уплотнения листов; при этом давление на точку окажется меньше требуемого, что снижает ее прочность.

Как правило, в сварном соединении располагается множество точек. Самой прочной является первая точка, а каждая следующая менее прочная, так как в первой происходит шунтирование тока, а также потери давления.

Размеры точечных соединений характеризуется следующими параметрами:

d - диаметр литой зоны точки;

a - ширина нахлестки;

t - расстояние между точками в ряду - шаг.

Рекомендуемые размеры точечных соединений приведены в табл. 1.

Точки диаметром d не должны размещаться ближе, чем на 1,5 см от края детали во избежание выдавливания горячего металла.

Формирование сварной точки и ее структура

Точечная сварка всегда начинается с предварительного сжатия деталей для обеспечения хорошего контакта.

 

Таблица 1.- Рекомендуемые размеры точечных соединений  низкоуглеродистых и низколегированных сталей.

Детали нагреваются теплом, выделяющимся в контакте и в них самих. Наиболее интенсивно нагревается столбик (рис.2), где наибольшая плотность тока, и особенно слои деталей, прилегавшие к контакту, так как с ростом температуры растет их удельное электросопротивление. В результате металл плавится, образуя чечевицеобразную точку. Ее жидкое ядро удерживается окружающим кольцом уплотненного продеформированного металла. Если мало давление Р или слишком быстрый нагрев, и кольцо не успело образоваться, или слишком сильный нагрев, и кольцо не может удержать большой объем жидкого ядра, то возможен выплеск - частичный выброс жидкого металла. Размеры ядра (его диаметр d и проплавление h), определяющие прочность соединения» зависят от температурного поля, а следовательно, от технологических параметров процесса; толщины свариваемых листов S, диаметра электрода (dэ, усилия Р, электрических параметров (рис.3).

Рисунок 2. Схематический разрез сварной точки.

Диаметр ядра d приближенно зависит от толщины деталей следующим образом (для S > 0,5 мм):

                                            d = 2 S+3мм,                     (3)

где S - толщина в миллиметрах более тонкой из свариваемых деталей. Обычно он близок к диаметру контактной поверхности и составляет 0,5...20 мм.

Структура зоны шва определяется условиями нагрева металла и его пластической деформации.

Структура точки формируется при кристаллизации жидкого металла. При этом теплоотвод в толщу деталей, т.е. примерно равномерно во все стороны, приводит к формированию столбчатой структуры в ядре. В результате усадки в ядре возможно образование усадочной рыхлости и раковин. Давление электродов, если оно достаточно велико, вызывает пластическую деформацию в кристаллизующемся ядре и уплотняет его.

Электродуговая сварка имеет ряд достоинств, которые обеспечили ей самое широкое применение:

1. Высокая температура в зоне дуги позволяет сваривать довольно тугоплавкие металлы и обеспечивает глубокое проплавление.

2. Хорошее качество шва.

3. Высокая производительность процесса.

4. Удобство регулирования режима сварки и поддержания стабильной дуги.

Технология сварки включает выбор электрического режима дуги, типа и диаметра электрода, длины дуги, угла наклона электрода и целый ряд других параметров. Все они определяются в зависимости от объекта сварки, т.е. от состава, толщины свариваемого металла, типа шва (стыковой, угловой и др.), положения шва (нижний, вертикальный, потолочный), рис..3, табл. 3.

При толщине металла больше 6 мм, требуется предварительная подготовка кромок 

Интенсивность нагрева в зоне дуги определяется силой сварочного тока. Слишком малая величина его не дает достаточно глубокого проплавления, а чрезмерно большой ток может привести к прожогу.

В общем виде между силой тока I и диаметром электрода d существует следующая зависимость:

                                              I =K·d,                              (4)

где К - коэффициент, равный 45-60 при сварке металлическим электродом де-талей из малоуглеродистой стали.

Тип электрода выбирается в зависимости от состава и свойств свариваемого металла.

Таблица 2 - Примерные режимы ручной дуговой сварки стыковых швов.

Таблица 3 - Примерные режимы ручной сварки угловых швов.

Сварка стыковых швов. Особенности сварки стыкового шва и подготовки кромок под сварку определяются толщиной основного металла.

При толщине 5 - 6 мм кромки специально не готовятся (лишь подравниваются). При толщине листов, большей 5-6 мм, кромки скашиваются и шов накладывается в виде одного или нескольких валиков – проходов (табл. 2). Толщина каждого валика 5 - 6 мм.

Валик (шов) в сечении соответствует примерно сектору круга с радиусом R с центральным углом, равным 60°, что следует учитывать при подсчете площади поперечного, сечения шва (рис. 3).

Рисунок 3. Вид валика в сечении

Подсчет объема наплавленного металла ведется по общему сечению шва и длине его без учета числа проходов.

Сварка угловых швов. Обычно наплавленный металл заполняет объем двугранного угла, равного 90°. Размер сечения шва определяется площадью прямоугольного треугольника с катетами К, равными толщине листов. Если толщина свариваемых листов различна, то катет выбирается по меньшей толщине (рис. 4).

Рисунок 4.Вид сварки углового шва

Разделка кромок при угловых швах применяется редко.

Угловые швы используется при тавровом и нахлёсточном соединениях.

Для заполнения шва требуется металл, вес которого (Q) можно определить по следующей зависимости:

                                                                           (5)

где γ - плотность металла, г/см3,

ʋ - объем металла шва, который зависит от длины и площади поперечного сечения шва, см³.

                                                                                    (6)

где l - общая длина шва с учетом нескольких проходов, см;

s - площадь поперечного сечения шва, см².

Количество наплавленного металла (Qн) можно также рассчитать по формуле:

                                                                                    (7)

где Q н - коэффициент наплавки (г/А *час),

I - сила тока (А),

t - время горения дуги (час).

Следует учитывать, что процесс сварки включает в себя не только горение дуги, но и промежуточные и вспомогательные операции, например, установку электрода, поворот детали и другое. Этот дополнительный расход времени зависит от организации рабочего места и квалификации сварщика и учитывается коэффициентом производительности М,

                                                                                         (8)

где Т - время процесса сварки (час),

t - длительность горения дуги (час),

М - коэффициент производительности.

Значение коэффициентов, используемых при расчетах, представлено в табл. 3.

Порядок выполнения работы

5.1.Изучить методические указания к практической работе

5.2.Произвести расчеты в соответствии с вариантом (Практическая работа 8 Приложение Б)

5.3. Оформить отчет

 

Форма отчета о работе

6.1. Тема, цель работы.

6.2. Выполнение задания

6.3. Вывод

7. Контрольные вопросы и задания

7.1. Какие существуют виды контактной сварки?

7.2. Перечислите достоинства электродуговой сварки?

7.3. Назовите основные параметры режима контактной сварки?

7.4. Опишите технологию контактной сварки?

7.5. Опишите технологию электродуговой сварки?

Рекомендуемая литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учебник: 2-е изд., исправл. и доп. / Б. Н. Арзамасов, И. И. Сидорин, Г, Ф. Косолапое [и др.]; под общ. ред. Б. Н. Арзамасом. М., 1986.

2.Барташевич, А. А. Материаловедение: учеб. пособие / А. А. Барташевич. Ростов н/Д, 2004.

Практическая работа № 9 Решение задач по выбору методов получения заготовок и методов упрочняющей обработки изделий

Цель работы

Научить решать задачи по выбору метода получения заготовок и методов упрочняющей обработки изделий

Задание

    Научится подбирать методы термической обработки для различных инструментов и деталей

Оснащение работы

Методические указания к практической работе