Точечная сварка является разновидностью контактной сварки. При этом способе, нагрев металла до температуры его плавления осуществляется теплом, которое образуется при прохождении большого электрического тока от одной детали к другой через место их контакта. Одновременно с пропусканием тока и некоторое время спустя после него производится сжатие деталей, в результате чего происходит взаимное проникновение и сплавление нагретых участков металла.

Особенностями контактной точечной сварки являются: малое время сварки (от 0,1 до нескольких секунд), большой сварочный ток (более 1000А), малое напряжение в сварочной цепи (1-10В, обычно 2-3В), значительное усилие сжимающее место сварки (от нескольких десятков до сотен кг), небольшая зона расплавления.

Точечную сварку чаще всего применяют для соединения листовых заготовок внахлестку, реже - для сварки стержневых материалов. Диапазон толщин, свариваемых ею, составляет от нескольких микрометров до 2-3 см, однако чаще всего толщина свариваемого металла варьируется от десятых долей до 5-6 мм.

Кроме точечной, существуют и другие виды контактной сварки (стыковая, шовная и пр.), однако точечная сварка является наиболее распространенной. Она применятся в автомобилестроении, строительстве, радиоэлектронике, авиастроении и многих других отраслях. При строительстве современных лайнеров, в частности, производится несколько миллионов сварных точек.

Заслуженная популярность

Большая востребованность точечной сварки обусловлена целым рядом достоинств, которыми она обладает. В их числе: отсутствие необходимости в сварочных материалах (электродах, присадочных материалах, флюсах и пр.), незначительные остаточные деформации, простота и удобство работы со сварочными аппаратами, аккуратность соединения (практическое отсутствие сварного шва), экологичность, экономичность, подверженность легкой механизации и автоматизации, высокая производительность. Автоматы точечной сварки способны выполнять до нескольких сотен сварочных циклов (сварных точек) в минуту.

К недостаткам можно отнести отсутствие герметичности шва и концентрацию напряжений в точке сварки. Причем последние могут быть значительно уменьшены или вообще устранены особыми технологическими приемами.

Последовательность процессов при контактной точечной сварке

Весь процесс точечной сварки можно условно разделить на 3 этапа.

• Сжатие деталей, вызывающее пластическую деформацию микронеровностей в цепочке электрод-деталь-деталь-электрод.
• Включение импульса электрического тока, приводящего к нагреву металла, его расплавлению в зоне соединения и образованию жидкого ядра. По мере прохождения тока ядро увеличивается по высоте и диаметру до максимальных размеров. Происходит образование связей в жидкой фазе металла. При этом продолжается пластическая осадка контактной зоны до окончательного размера. Сжатие деталей обеспечивает образование уплотняющего пояса вокруг расплавленного ядра, который препятствует выплеску металла из зоны сварки.
• Выключение тока, охлаждение и кристаллизация металла, заканчивающаяся образованием литого ядра. При охлаждении объем металла уменьшается, и возникают остаточные напряжения. Последние являются нежелательным явлением, с которым борются различными способами. Усилие, сжимающее электроды, снимается с некоторой задержкой после отключения тока. Это обеспечивает необходимые условия для лучшей кристаллизации металла. В некоторых случаях в заключительной стадии контактной точечной сварки рекомендуется даже увеличивать усилие прижима. Оно обеспечивает проковывание металла, устраняющее неоднородности шва и снимающее напряжения.

При следующем цикле все повторяется снова.

Основные параметры контактной точечной сварки

К основным параметрам контактной точечной сварки относятся: сила сварочного тока (I СВ), длительность его импульса (t СВ), усилие сжатия электродов (F СВ), размеры и форма рабочих поверхностей электродов (R - при сферической, d Э - при плоской форме). Для лучшей наглядности процесса эти параметры представляются в виде циклограммы, отражающей их изменение во времени.

Различают жесткий и мягкий режимы сварки. Первый характеризуется большим током, малой продолжительностью токового импульса (0,08-0,5 секунд в зависимости от толщины металла) и большой силой сжатия электродов. Его применяют для сварки медных и алюминиевых сплавов, обладающих большой теплопроводностью, а также высоколегированных сталей для сохранения их коррозионной стойкости.

При мягком режиме производится более плавный нагрев заготовок относительно небольшим током. Продолжительность сварочного импульса составляет от десятых долей до нескольких секунд. Мягкие режимы показаны для сталей, склонных к закалке. В основном именно мягкие режимы используются для контактной точечной сварки в домашних условиях, поскольку мощность аппаратов в этом случае может быть ниже, чем при жесткой сварке.

Размеры и форма электродов . С помощью электродов осуществляется непосредственный контакт сварочного аппарата с деталями, подвергаемыми сварке. Они не только подводят ток в зону сварки, но и передают сжимающее усилие и отводят тепло. Форма, размеры и материал электродов являются важнейшими параметрами аппаратов для точечной сварки.

В зависимости от их формы электроды подразделяются на прямые и фигурные. Наиболее распространены первые, они применяются для сварки деталей, допускающих свободный доступ электродов в свариваемую зону. Их размеры стандартизованы ГОСТом 14111-90, который устанавливает такие диаметры электродных стержней: 10, 13, 16, 20, 25, 32 и 40 мм.

По форме рабочей поверхности существуют электроды с плоскими и сферическими наконечниками, характеризуемыми соответственно значениями диаметра (d) и радиуса (R). От величины d и R зависит площадь контакта электрода с деталью, влияющая на плотность тока, давление и величину ядра. Электроды со сферической поверхностью имеют большую стойкость (способны сделать больше точек до переточки) и менее чувствительны к перекосам при установке, чем электроды с плоской поверхностью. Поэтому со сферической поверхностью рекомендуется изготовлять электроды, используемые в клещах, а также фигурные электроды, работающие с большими прогибами. При сварке легких сплавов (например, алюминия, магния) применяют только электроды со сферической поверхностью. Использование для этой цели электродов с плоской поверхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверхности точек и повышенным зазорам между деталями после сварки. Размеры рабочей поверхности электродов выбирают в зависимости от толщины свариваемых металлов. Следует отметить, что электроды со сферической поверхностью могут быть использованы практически во всех случаях точечной сварки, электроды же с плоской поверхностью очень часто неприменимы.

* - в новом ГОСТе вместо диаметра 12 мм, введено 10 и 13 мм.

Посадочные части электродов (места соединяемые с электродержателем) должны обеспечивать надежную передачу электрического импульса и усилие прижима. Часто они выполняются в виде конуса, хотя существуют и другие виды соединений - по цилиндрической поверхности или резьбе.

Очень важное значение имеет материал электродов, определяющий их электрическое сопротивление, теплопроводность, термостойкость и механическую прочность при высоких температурах. В процессе работы электроды нагреваются до больших температур. Термоциклический режим работы, совместно с механической переменной нагрузкой, вызывает повышенный износ рабочих частей электродов, результатом чего становится ухудшение качества соединений. Чтобы электроды были в состоянии противостоять тяжелым условиям работы, их делают из специальных медных сплавов, обладающих жаропрочностью и высокой электро- и теплопроводностью. Чистая медь также способна работать в качестве электродов, однако она обладает низкой стойкостью и требует частых переточек рабочей части.

Сила сварочного тока . Сила сварочного тока (I СВ) - один из основных параметров точечной сварки. От нее зависит не только количество тепла, выделяющегося в зоне сварки, но и градиент его увеличения по времени, т.е. скорость нагрева. Напрямую зависят от I СВ и размеры сварного ядра (d, h и h 1), увеличивающиеся пропорционально увеличению I СВ.

Необходимо отметить, что ток, который протекает через зону сварки (I СВ), и ток, протекающий во вторичном контуре сварочной машины (I 2), различаются между собой - и тем больше, чем меньше расстояние между сварными точками. Причиной этого является ток шунтирования (I ш), протекающий вне зоны сварки - в том числе и через ранее выполненные точки. Таким образом, ток в сварочной цепи аппарата должен быть больше сварочного тока на величину тока шунтирования:

I 2 = I СВ + I ш

Для определения силы сварочного тока можно пользоваться разными формулами, которые содержат различные эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем. В случаях, когда точное определение сварочного тока не требуется (что и бывает чаще всего), его значение принимают по таблицам, составленным для разных режимов сварки и различных материалов.

Увеличение времени сварки позволяет сваривать токами намного меньшими, чем приведенные в таблице для промышленных аппаратов.

Время сварки . Под временем сварки (t СВ) понимают продолжительность импульса тока при выполнении одной сварной точки. Вместе с силой тока, оно определяет количество теплоты, которое выделяется в зоне соединения при прохождении через нее электрического тока.

При увеличении t СВ повышается проплавление деталей и растут размеры ядра расплавленного металла (d, h и h 1). Одновременно с этим увеличивается и теплоотвод из зоны плавления, разогреваются детали и электроды, происходит рассеивание тепла в атмосферу. При достижении определенного времени может наступить состояние равновесия, при котором вся подводимая энергия отводится из зоны сварки, не увеличивая проплавление деталей и размер ядра. Поэтому увеличение t СВ целесообразно только до определенного момента.

При точном расчете продолжительности сварочного импульса должны учитываться многие факторы - толщина деталей и размер сварной точки, температура плавления свариваемого металла, его предел текучести, коэффициент аккумуляции тепла и пр. Есть сложные формулы с эмпирическими зависимостями, по которым при необходимости осуществляют расчет.

На практике чаще всего время сварки принимают по таблицам, корректируя при необходимости принятые значения в ту или иную сторону в зависимости от полученных результатов.

Усилие сжатия . Усилие сжатия (F СВ) оказывает влияние на многие процессы контактной точечной сварки: на пластические деформации, происходящие в соединении, на выделение и перераспределение тепла, на охлаждение металла и его кристаллизацию в ядре. С увеличением F СВ увеличивается деформация металла в зоне сварки, уменьшается плотность тока, снижается и стабилизируется электрическое сопротивление на участке электрод-детали-электрод. При условии сохранения размеров ядра неизменными, прочность сварных точек с ростом усилия сжатия возрастает.

При сварке на жестких режимах применяют более высокие значения F СВ, чем при мягкой сварке. Это связано с тем, что при увеличении жесткости возрастает мощность источников тока и проплавление деталей, что может приводить к образованию выплесков расплавленного металла. Большое усилие сжатия как раз и призвано воспрепятствовать этому.

Как уже отмечалось, для проковки сварной точки с целью снятия напряжений и повышения плотности ядра, технология контактной точечной сварки в некоторых случаях предусматривает кратковременное увеличение силы сжатия после отключения электрического импульса. Циклограмма в этом случае выглядит следующим образом.

При изготовлении простейших аппаратов контактной сварки для домашнего пользования нет большого резона заниматься точными расчетами параметров. Ориентировочные значения диаметра электродов, сварочного тока, времени сварки и усилия сжатия можно взять из таблиц, имеющихся во многих источниках. Нужно только понимать, что данные в таблицах являются несколько завышенными (или заниженными, если иметь в виду время сварки) по сравнению с теми, которые подойдут для домашних аппаратов, где обычно используются мягкие режимы.

Подготовка деталей к сварке

Поверхность деталей в зоне контакта деталей между собой и в месте контакта с электродами зачищают от окислов и других загрязнений. При плохой зачистке возрастают потери мощности, ухудшается качество соединений и увеличивается износ электродов. В технологии контактной точечной сварки, для зачистки поверхности используют пескоструйную обработку, наждачные круги и металлические щетки, а также травление в специальных растворах.

Высокие требования предъявляются к качеству поверхности деталей из алюминиевых и магниевых сплавов. Целью подготовки поверхности под сварку является удаление без повреждения металла относительно толстой пленки окислов с высоким и неравномерным электрическим сопротивлением.

Оборудование для точечной сварки

Различия между существующими видами аппаратов для точечной сварки определяются в основном родом сварочного тока и формой его импульса, которые производятся их силовыми электрическими контурами. По этим параметрам оборудование контактной точечной сварки подразделяется на следующие виды:

• машины для сварки переменным током;
• аппараты низкочастотной точечной сварки;
• машины конденсаторного типа;
• машины сварки постоянным током.

Каждый из этих типов машин имеет свои преимущества и недостатки в технологическом, техническом и экономическом аспектах. Наибольшее распространение получили машины для сварки переменным током.

Машины контактной точечной сварки переменного тока . Принципиальная схема машин для точечной сварки переменным током представлена на рисунке ниже.

Напряжение, при котором осуществляется сварка, формируется из напряжения сети (220/380В) с помощью сварочного трансформатора (ТС). Тиристорный модуль (КТ) обеспечивает подключение первичной обмотки трансформатора к питающему напряжению на необходимое время для формирования сварочного импульса. С помощью модуля можно не только управлять продолжительностью времени сварки, но и осуществлять регулирование формы подаваемого импульса за счет изменения угла открытия тиристоров.

Если первичную обмотку выполнить не из одной, а нескольких обмоток, то, подключая их в различном сочетании друг с другом, можно менять коэффициент трансформации, получая различные значения выходного напряжения и сварочного тока на вторичной обмотке.

Кроме силового трансформатора и тиристорного модуля, машины контактной точечной сварки переменного тока имеют набор управляющего оборудования - источник питания для системы управления (понижающий трансформатор), реле, логические контроллеры, панели управления и пр.

Конденсаторная сварка . Сущность конденсаторной сварки заключается в том, что сначала электрическая энергия относительно медленно накапливается в конденсаторе при его зарядке, а затем очень быстро расходуется, генерируя токовый импульс большой величины. Это позволяет производить сварку, потребляя из сети меньшую мощность по сравнению с обычными аппаратами для точечной сварки.

Кроме этого основного преимущества, конденсаторная сварка имеет и другие. При ней происходит постоянное контролируемое расходование энергии (той, которая накопилась в конденсаторе) на одно сварное соединение, что обеспечивает стабильность результата.

Сварка происходит за очень короткое время (сотые и даже тысячные доли секунды). Это дает концентрированное выделение тепла и минимизирует зону термического влияния. Последнее достоинство позволяет использовать её для сварки металлов с высокой электро- и теплопроводностью (медных и алюминиевых сплавов, серебра и др.), а также материалов с резко различающимися теплофизическими свойствами.

Жесткая конденсаторная микросварка используется в радиоэлектронной промышленности.

Количество энергии, накопленное в конденсаторах, можно рассчитать по формуле:

W = C U 2 /2

где С - емкость конденсатора, Ф; W - энергия, Вт; U - зарядное напряжение, В. Изменяя величину сопротивления в зарядной цепи, регулируют время зарядки, зарядный ток и потребляемую из сети мощность.

Дефекты контактной точечной сварки

При качественном исполнении, точечная сварка обладает высокой прочностью и способна обеспечить эксплуатацию изделия в течение длительного срока службы. При разрушениях конструкций, соединенных многоточечной многорядной точечной сваркой, разрушение происходит, как правило, по основному металлу, а не по сварным точкам.

Качество сварки зависит от приобретенного опыта, который сводится в основном к выдерживанию необходимой продолжительности токового импульса на основании визуального наблюдения (по цвету) за сварной точкой.

Правильно выполненная сварная точка расположена по центру стыка, имеет оптимальный размер литого ядра, не содержит пор и включений, не имеет наружных и внутренних выплесков и трещин, не создает больших концентраций напряжения. При приложении усилия на разрыв, разрушение конструкции происходит не по литому ядру, а по основному металлу.

Дефекты точечной сварки подразделяются на три типа:

• отклонения размеров литой зоны от оптимальных, смещение ядра относительно стыка деталей или положения электродов;
• нарушение сплошности металла в зоне соединения;
• изменение свойств (механических, антикоррозионных и др.) металла сварной точки или прилегающих к ней областей.

Наиболее опасным дефектом считается отсутствие литой зоны (непровар в виде "склейки"), при котором изделие может выдерживать нагрузку при невысокой статической нагрузке, но разрушается при действии переменной нагрузки и колебаниях температуры.

Прочность соединения оказывается сниженной и при больших вмятинах от электродов, разрывах и трещинах кромки нахлестки, выплеске металла. В результате выхода литой зоны на поверхность, снижаются антикоррозионные свойства изделий (если они были).

Непровар полный или частичный, недостаточные размеры литого ядра . Возможные причины: мал сварочный ток, слишком велико усилие сжатия, изношена рабочая поверхность электродов. Недостаточность сварочного тока может вызываться не только его малым значением во вторичном контуре машины, но и касанием электрода вертикальных стенок профиля или слишком близким расстоянием между сварными точками, приводящим к большому шунтирующему току.

Дефект обнаруживается внешним осмотром, приподниманием кромки деталей пробойником, ультразвуковыми и радиационными приборами для контроля качества сварки.

Наружные трещины . Причины: слишком большой сварочный ток, недостаточная сила сжатия, отсутствие усилия проковки, загрязненная поверхность деталей и/или электродов, приводящая к увеличению контактного сопротивления деталей и нарушению температурного режима сварки.

Дефект можно обнаружить невооруженным глазом или с помощью лупы. Эффективна капиллярная диагностика.

Разрывы у кромок нахлестки . Причина этого дефекта обычно одна - сварная точка расположена слишком близко от края детали (недостаточна нахлестка).

Обнаруживается внешним осмотром - через лупу или невооруженным глазом.

Глубокие вмятины от электрода . Возможные причины: слишком малый размер (диаметр или радиус) рабочей части электрода, чрезмерно большое ковочное усилие, неправильно установленные электроды, слишком большие размеры литой зоны. Последнее может являться следствием превышения сварочного тока или длительности импульса.

Внутренний выплеск (выход расплавленного металла в зазор между деталями) . Причины: превышены допустимые значения тока или длительности сварочного импульса - образовалась слишком большая зона расплавленного металла. Мало усилие сжатия - не создался надежный уплотняющий пояс вокруг ядра или образовалась воздушная раковина в ядре, вызвавшая вытекание расплавленного металла в зазор. Неправильно (несоосно или с перекосом) установлены электроды.

Определяется методами ультразвукового или рентгенографического контроля или внешним осмотром (из-за выплеска может образоваться зазор между деталями).

Наружный выплеск (выход металла на поверхность детали) . Возможные причины: включение токового импульса при несжатых электродах, слишком большое значение сварочного тока или продолжительности импульса, недостаточное усилие сжатия, перекос электродов относительно деталей, загрязнение поверхности металла. Две последние причины приводят к неравномерной плотности тока и расплавлению поверхности детали.

Определяется внешним осмотром.

Внутренние трещины и раковины . Причины: слишком велики ток или продолжительность импульса. Загрязнена поверхность электродов или деталей. Мала сила сжатия. Отсутствует, опаздывает или недостаточно ковочное усилие.

Усадочные раковины могут возникать во время охлаждения и кристаллизации металла. Чтобы воспрепятствовать их возникновению, необходимо повышать силу сжатия и применять проковывающее сжатие в момент охлаждения ядра. Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Смещение литого ядра или его неправильная форма . Возможные причины: неправильно установлены электроды, не очищена поверхность деталей.

Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Прожог . Причины: наличие зазора в собранных деталях, загрязнение поверхности деталей или электродов, отсутствие или малое усилие сжатия электродов во время токового импульса. Во избежание прожогов ток должен подаваться только после приложения полного усилия сжатия. Определяется внешним осмотром.

Исправление дефектов . Способ исправления дефектов зависит от их характера. Самым простым является повторная точечная или иная сварка. Дефектное место рекомендуется вырезать или высверлить.

При невозможности сварки (из-за нежелательности или недопустимости нагрева детали), вместо дефектной сварной точки можно поставить заклепку, высверлив место сварки. Применяются и другие способы исправления - зачистка поверхности в случае наружных выплесков, термическая обработка для снятия напряжений, правка и проковка при деформации всего изделия.

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.

Это соединение металлов путем плавления и сжимания их при помощи тока в одной или нескольких точках. Современный аппарат контактной точечной сварки обеспечивает высокую производительность, качество и надежность работы, а также является экологически чистым, что тоже немаловажно. Данный вид сварки используется во многих сферах производства, очень часто, например, - при сварке металлических листов в автомобилестроении или на производстве для изготовления различных сеток и каркасов. Точечная сварка как процесс легко поддается механизации и автоматизации, позволяя снизить затраты на трудоемкий труд рабочих.

Оборудование контактной точечной сварки имеет разветвленную классификацию: машины делятся на стационарные и подвесные, с односторонним и двухсторонним подводом тока; с пневматическим и пневмогидравлическим механизмом сжатия электродов; по количеству одновременно свариваемых точек станок контактной сварки может быть одноточечным, двухточечным и многоточечным (последний - самый производительный).

Вне зависимости от типа и вида, всякая машина контактной точечной сварки имеет электрическую и механическую части, пневмо- или гидросистему и систему водяного охлаждения. Процесс сваривания осуществляется таким образом: металл нагревается в месте пересечения стержней, оплавляется и под действием сжимающих усилий происходит скрепление стержней. Прочность сварки в данном случае будет зависеть от размеров сварной точки, которые в свою очередь обусловлены формой и размерами контактной поверхности электродов, силой тока, временем его протекания, а также от силы сжатия и поверхности свариваемых деталей.

Станок точечной сварки целесообразно использовать, если требуется выполнить работы с деталями малых размеров. Контактная точечная сварка не слишком энергозатратный процесс, зато позволяет добиться высокой надежности соединений.

Принцип контактной сварки - обязательное использование в течение точно рассчитанного времени тепла и двустороннего давления.
Электрический ток возникает между двумя катодом и анодом, которые сжимают две металлические пластины. При этом в точке сжатия создается слой расплавленного металла, что обусловлено повышением температуры, вызванным сопротивлением металла электрическому току. Как правило, электроды изготовлены из сплава с высоким содержанием Cu, поскольку медь характеризуется меньшим сопротивлением электричеству. Дополнительным фактором, способствующим соединению и препятствующим выплеску жидкого металла из сварочной ванны, служит механическое давление, производимое катодом и анодом.

Оборудование контактной сварки состоит из следующих узлов:

• Сварочный трансформатор, заключенный в жесткий корпус;
• Электроды, подсоединенные к сварочному трансформатору проводниками;
• Узел передачи давления электродов на соединяемые пластины;
• Узел регулировки сварочного тока;
• Реле, прерывающее подачу электроэнергии на трансформатор;
• Устройство контроля времени (таймер);
• Радиатор для водяного охлаждения электродов.

Металлы, используемые в промышленности, имеют разные характеристики сопротивления электрическому току. Разнится и время, необходимое для расплавления металла в точке соприкосновения.

Аппарат контактной точечной сварки устроен таким образом, что весь процесс протекает в четыре этапа:

• Сжатие без подачи электрического тока;
• Подача сварочного тока;
• Удержание, при котором электроды остаются в прежнем положении после отключения сварочного тока и продолжают оказывать механическое давление;
• Отключение.

Сварочный аппарат контактной точечной сварки может быть двух типов - трансформатор и выпрямитель. В первом случае устройство работает от сети переменного тока. Трансформатор, входящий в схему, преобразовывает высокое электрическое напряжение в низкое (1,0 - 25,0 V). Второй тип оборудования использует принцип выпрямления переменного электрического тока и преобразования его в постоянный. Данные устройства более эффективны, поскольку возможно продуцирование более высокого сварочного тока. Кроме этого, выпрямители менее требовательны к первичному электропитанию.
Обязательным условием качественной сварки является контроль времени воздействия и механического давления, оказываемого сварочными электродами.

Способом контактной точечной сварки соединяют следующие металлы:

• Холоднокатаная сталь;
• Сталь с токопроводящим покрытием;
• Хромоникелевая сталь;
• Алюминиевые сплавы;
• Медные сплавы - только тонкие листы с обязательным тестированием.

Особенности применения разных способов контактной сварки

В настоящее время одним из самых производительных методов получения неразъемных соединений является контактная сварка . Применяется оборудование, в том числе машина точечной сварки, в различных отраслях промышленности, благодаря методу можно достичь высокой степени механизации, автоматизации, роботизации производства. Любой аппарат контактной сварки использует следующий принцип - кратковременный нагрев деталей до пластичности электрическим током с одновременным применением усилия сжатия. Скорость нагрева и пластической деформации при этом высока. В промышленности распространены несколько способов контактной сварки. Аппарат точечной сварки используется приблизительно в 80-ти процентах соединений. Метод широко применяют в радиоэлектронике, производстве автомобилей, вагоно- и самолетостроении, строительстве. К примеру, конструкция современного авиалайнера насчитывает миллионы сварных точек. Толщины свариваемых деталей варьируют от нескольких микрон до 0,03 м.

Стыковая сварка, занимая второе место (около 10%) оплавлением применима в строительстве трубопроводов, железнодорожных путей, автомобильной промышленности. С помощью метода соединяют бесстыковые ж/д- пути, трубы разного диаметра, ободья колес. Диапазон используемых материалов достаточно широк - конструкционные стали, латунь, сплавы цветных металлов.

На третье место по области применения (~ 7%) выходит шовная контактная сварка. Особенно хорошо себя зарекомендовал метод при производстве герметичных резервуаров, в том числе таких, которые предполагается использовать под давлением. С помощью шовной сварки изготавливают топливные баки самолетов, автомобилей, плоские отопительные радиаторы, емкости стиральных машин, холодильные шкафы и пр. Метод позволяет получать надежные соединения, способные выдерживать высокие нагрузки в условиях вакуума или крайне высокого давления. Метод стыковой сварки сопротивлением используется с ограничениями, поскольку равномерный нагрев торцевых окончаний обеспечить не удается. Вследствие этого надежный контакт по всей поверхности стыка не может быть получен. Применяют способ при соединении изделий малого круглого сечения (проволоки, стрежней, труб и пр.). Около 3% соединений приходится на рельефную сварку. Как пример использования метода, можно указать: в автомобилестроении - крепление к капоту транспортных средств скобы; в радиоэлектронике - крепление к тонким деталям проволоки и пр.

Основными программируемыми параметрами процесса точечной или роликовой сварки являются ток, усилие сжатия электродов, продолжительность их действия и геометрия рабочей поверхности электродов. Параметры процесса, как принято, будем считать заданными, если они указаны для единичного цикла формировании отдельной сварной точки как в случае точечной, так и роликовой сварки. В связи с тем, что получение сварного соединения с заданными прочностными свойствами, в большинстве случаев, тождественно получению соединения и заданными размерами зоны расплавления, диаметр ядра и проплавление будем применять в качестве критерии качества процесса. Это позволяет исключать из рассмотрения конструкцию сварного узла, металлургические Особенности формирования соединения и т.п.

Известно, что при роликовой и точечной сварке возможно достаточно большое сочетание величин тока и усилии, которые удовлетворяют задаче формирования литого ядра с заданными размерами. Это свидетельствует о том, что параметры процесса неоднозначно зависят от свойств свариваемого металла и его толщины. Их величина и поле допуска зависят от режима сварки и применяемого оборудовании. В ряде случаев именно оборудование предопределяет режим сварки. При всех прочих равных условиях, как стабильность свойств металла, качество его подготовки, идентичность электродов и др., наиболее стабильные результаты по сварке многих металлов поручаются на машинах, работающих с использованием энергии, запасенной в конденсаторах. Если режимы сварки, характерные для конденсаторных машин, применять при сварке на низкочастотных машинах, то результаты будут нестабильными. Допуск на разброс величины тока и продолжительность его действия, автоматически заданные исходя из режима сварки на конденсаторной машине, не могут быть выдержаны при сварке на низкочастотной машине. Поэтому для ослабления тесноты связи с размерами ядра тех параметров процесса, которыми в данной ситуации точно управлять не удается, режим сварки изменяют, удовлетворяя минимальным требованиям, предъявляемым к качеству. В приведенном примере нестабильность амплитуды тока и продолжительности его действия компенсируется тем, что переходят к мягким режимам, т.е. снижают несколько амплитуду тока и увеличивают продолжительность его действия. Такое изменение не является улучшением, несмотря на увеличение допуска на амплитуду тока и продолжительность его действия, так как более жесткими становятся требования к другим параметрам процесса, например к геометрии рабочей поверхности электродов. Кроме того, увеличивается частота заправки электродов, уменьшается их стойкость.

Предпочтительные, рекомендованные режимы отражают как свойства свариваемых металлов, так и возможности по управлению процессом, т.е. преимущества и недостатки имеющегося оборудования. В связи с тем, что обоснование и выбор режима сварки является самостоятельной задачей, способы решения которой достаточно полно рассмотрены в литературе, будем считать режимы сварки заданными. Допустимые отклонения параметром процесса примем равными тем отклонениям, которые разрешаются для оборудования контактной сварки.

Существует много технических приемов задания параметров процесса через параметры цикла, в том числе от дельных интервалов времени между командами на исполнительные устройства сварочной машины. Однако с точки зрения обеспечения технологического цикла сварки отдельной точки можно выделить самостоятельные этапы, отвлекаясь от технических особенностей устройств управления.

Циклограмма, приведенная на рис. 1, отражает особенности задания параметров процесса через параметры цикла. Можно считать, что каждый этап и соответственно каждая величина, характеризующая его, является самостоятельным параметром, так как имеет отличное целевое назначение. Очевидно, что на отдельных этапах цикла величины допусков для тока и усилия будут различными. Время необходимо для того, чтобы электроды машины успели переместиться и сжать металл с вполне определенным усилием. На этом этапе к устройствам, отсчитывающим интервал времени, не предъявляется жестких требований. Аналогично, в тех случаях, когда применяется предварительное, обжатие, интервал, в течение которого электроды вжимают металл с повышенным усилием , также можно выдерживать с невысокой точностью. Эти требовании распространяются и на устройства, задающие время сжатии металла по окончании действия тока а также на интервал, соответствующий разомкнутому состоянию электродов . Как правило, указанные интервалы цикла в условиях производства не контролируются. Установившими усилия сжатия электродов и оказывают существенное влияние на качество сварных соединений и поэтому подлежат обязательному контролю, хотя допустимые отклонения их от заданного значения для , , различны.

Рис. 1 . Типичная циклограмма процесса точечной сварки

Длительность нарастания ковочного усилия является одной из основных характеристик привода усилия сжатия электродов и может оказывать сильное влияние на образовании макродефектов в литой зоне соединения. Вследствие инерционности механизма сжатия электродов основное стремление состоит в увеличении скорости нарастания усилия . У лучших образцов машин составляет не более 0,02 сек, считая от момента подачи команды на исполнительный механизм до момента времени, когда достигло уровня 2/3 от установившегося. Важным параметром цикла является интервал , определяющий момент включении ковочного усилия по отношению к импульсу сварочного тока . В связи с тем, что даже относительно малая нестабильность этих параметров цикла существенно влияет на качество соединения, их необходимо периодически контролировать.

Особое значение имеют временные интервалы цикла , и , характеризующие программу изменения тока, а также величины тока и . Однако точность зада ния параметров цикла и , может быть меньше, чем и .

В результате исследовательских работ и производственного опыта по точечной и роликовой сварке установлено, что в большинстве случаев можно принять следующую необходимую точность (в %) воспроизведения сварочной машиной основных этапов цикла (см. рис. 1):

Величина сварочного тока,
Длительность импульса сварочного тока,
Величина дополнительного импульса тока,
Длительность дополнительного импульса тока,
Пауза между импульсами,
Включение ковочного усилия,
Пауза между импульсами при роликовой сварке
Сварочное усилие,
Ковочное усилие, (усилие обжатия, )

Приведенные значения допустимых отклонений параметров справедливы для тех случаев, когда сварка осуществляется на режимах, оцениваемых как предпочтительные. Все случайные отклонения параметров должны находиться внутри поля допуска. Предполагается, что распределение плотности вероятных отклонений близко к нормальному распределению. Применяя контрольно-измерительную аппаратуру и статистически обрабатывая данные измерений, можно в каждом конкретном случае в зависимости от ответственности данного изделия задаться числом допустимых предельных отклонений параметров. Ориентировочно в среднем число точек, при котором любой из параметров принимает один раз предельное допустимое значение, не должно быть слишком большим, например, 1 раз на 100…200 точек. Малое допустимое среднеквадратичное отклонение параметров процесса объясняется тем, что вероятность брака зависит от совокупности отклонений всех параметров процесса в целом. Кроме того, сварочное оборудование, как правило, является универсальным и рассчитывают его так, чтобы можно было сваривать детали не только из одного конкретного металла, а из совокупности металлов, для каждого из которых требования к точности задания хотя бы одного параметра были наиболее высокими. Обычно, в реальных условиях указанные предельные отклонения параметров не приводят к браку.

Например, на рис. 2 приведены частные данные, характеризующие стабильность процесса сварки деталей толщиной 1,5+1,5 мм из сплава Д16. Предельные отклонения параметров процесса, вызывающие недопустимое снижение качества сварки, находятся вне поля допуска, указанного выше. Предположим, что разброс параметров сварочной машины не превышает границы допуска. Ситуации, при которой возможно недопустимое снижение качества, возникает лишь в том случае, когда два или большее число параметров одновременно принимают предельно допустимые значения. Равновероятны такие неблагоприятные события: уменьшился на 5%, возросло на 10%; возрос на 5%, увеличилось на 10%; и возросли на 5%; и уменьшились на 5%; возросло на 10%, уменьшилось на 5%; уменьшилось на 10%, увеличилось на 5%; уменьшилось на 15%, увеличилось на 5%; уменьшился на 5%, радиус электродов увеличился с 75 до 200 мм; увеличилось на 10%, а радиус электродов увеличился с 75 до 200 мм. Пусть, вероятность того, что в названных ситуациях возникает брак, равна 0,5, а предельные отклонения параметров процесса случаются в среднем 1 раз на 50 точек. Тогда на каждую тысячу точек в среднем хотя бы две точки не будут соответствовать принятому стандарту.

Предположим, что на 200 точек случается одно отклонение каждого параметра, выходящее за границы допуска и с вероятностью 0,9 можно утверждать, что при этом появляется брак. Тогда вероятность появления брака резко возрастает и составляет примерно 3% от общего числа точек.

Возможные случайные отклонения в подготовительных операциях, например ухудшилось качество травления поверхности, плоха подгонка деталей, имеет место разнотолщинность, металла, изменились его физические свойства, способствуют увеличению общего числа случаев брака.

При статистическом анализе производства деталей из сплава АМг6 наблюдался разброс параметров процесса, оцениваемый среднеквадратичными отклонениями: ; , рабочей поверхности электродов , сопротивления деталей после травления . Количество точек, не соответствующие принятому стандарту, составило 5% общего числа точек. Очевидно, что к измерительной и контрольной аппаратуре предъявляются весьма высокие требования по точности, так как предельно допустимые отклонения параметром в ряде случаев менее 5%. Измерительная аппаратура должна обеспечивать точность на несколько классов выше. К сожалению, при разработке даже специализированной аппаратуры не всегда удается полностью удовлетворить эти требования. Поэтому при рассмотрении приборов и устройств высказаны замечания о целевом назначении и области применения отдельных устройств, которые имеют несколько худшие показатели точности, и не удовлетворяют решению вопроса в целом, но с успехом могут применятся при решении частных задач.

Точечная сварка – метод, при котором соединение деталей внахлест производится в одной или нескольких точках. При подаче электротока происходит местный нагрев, в результате чего металл расплавляется и схватывается. В отличие от электродуговой или газовой сварки не требуется присадочный материал: плавятся не электроды, а сами детали. Не нужно и обволакивание инертным газом: сварочная ванна в достаточной мере локализована и защищена от попадания атмосферного кислорода. Сварщик работает без маски и рукавиц. Это позволяет лучше визуализировать и контролировать процесс. Точечная сварка обеспечивает высокую производительность (до 600 точек/мин) при низких затратах. Она широко используется в различных отраслях хозяйства: от приборостроения до самолетостроения, а также в бытовых целях. Без точечной сварки не обходится ни одна автомастерская.

Оборудование для точечной сварки

Работы выполняются на специальном сварочном аппарате, называемом споттер (от англ. Spot – точка). Споттеры бывают стационарные (для работы в цехах) и переносные. Установка работает от электросети 380 или 220 В и генерирует заряды тока в несколько тысяч ампер, что значительно больше, чем у инверторов и полуавтоматов. Ток подается на медный или карбоновый электрод, который прижимается к свариваемым поверхностям пневматикой или ручным рычагом. Возникает тепловое воздействие, длящееся несколько миллисекунд. Однако этого хватает для надежной стыковки поверхностей. Так как время воздействия минимально, то тепло не распространяется дальше по металлу, а точка сварки быстро остывает. Свариванию подлежат детали из рядовых сталей, оцинкованного железа, нержавейки, меди, алюминия. Толщина поверхностей может быть различна: от тончайших деталей для приборостроения до листов толщиной 20 мм.

Контактно-точечная сварка может проводиться одним электродом или двумя с разных сторон. Первый способ используется для сварки тонких поверхностей или в тех случаях, когда прижим с двух сторон осуществить невозможно. Для второго способа используют специальные клещи, зажимающие детали. Этот вариант обеспечивает более надежное крепление и чаще используется для работы с толстостенными заготовками.

По типу тока аппараты для точечной сварки подразделяются на:

• работающие на переменном токе;
• работающие на постоянном токе;
• низкочастотные аппараты;
• аппараты конденсаторного типа.

Выбор оборудования зависит от особенностей технологического процесса. Наиболее распространены аппараты переменного тока.

Вернуться к оглавлению

Электроды для точечной сварки

Электроды для точечной сварки отличаются от электродов для электродуговой сварки. Они не только обеспечивают подачу тока на свариваемые поверхности, но и выполняют прижимную функцию, а также задействованы в отводе тепла.

Высокая интенсивность рабочего процесса обуславливает необходимость использования материала, стойкого к механическим и химическим воздействиям. Более всего выдвинутым требованиям соответствует медь с добавлением хрома и цинка (0,7 и 0,4% соответственно).

Качество сварной точки во многом определяется диаметром электрода. Он должен быть минимум в 2 раз больше толщины стыкуемых деталей. Размеры стержней регламентируются ГОСТом и имеют от 10 до 40 мм в диаметре. Рекомендуемые размеры электродов представлены в таблице. (Изображение 1)

Для сварки рядовых сталей целесообразно использовать электроды с плоской рабочей поверхностью, для сварки высокоуглеродистых и легированных сталей, меди, алюминия – со сферической.

Электроды со сферическими наконечниками более стойкие: способны произвести больше точек до перезаточки.

К тому же они универсальны и подойдут для сварки любого металла, а вот использование плоских для сварки алюминия или магния приведет к образованию вмятин.

Точечная сварка в труднодоступных местах выполняется электродами изогнутой формы. Сварщик, который сталкивается с подобными условиями работы, всегда имеет набор различных фигурных электродов.

Для надежной передачи тока и обеспечения прижима электроды должны плотно соединяться с электрододержателем. Для этого их посадочным частям придают форму конуса.

Некоторые виды электродов имеют резьбовое соединение или крепятся по цилиндрической поверхности.

Вернуться к оглавлению

Параметры точечной сварки

Основными параметрами процесса являются сила тока, продолжительность импульса, усилие сжатия.

От силы сварочного тока зависит количество выделяемого тепла, скорость нагрева, величина сварного ядра.

Наряду с силой тока на количество тепла и размеры ядра влияет продолжительность импульса. Однако при достижении определенного момента наступает состояние равновесия, когда все тепло отводится от зоны сварки и уже не влияет на расплавление металла и размер ядра. Поэтому увеличение продолжительности подачи тока сверх этого нецелесообразно.

Усилие сжатия влияет на пластическую деформацию свариваемых поверхностей, перераспределение по ним тепла, кристаллизацию ядра. Высокое усилие сжатия снижает сопротивление электрического тока, идущего от электрода к свариваемым деталям и в обратном направлении. Таким образом, возрастает сила тока, ускоряется процесс расплавления. Соединение, выполненное с высоким усилием сжатия, отличается высокой прочностью. При больших токовых нагрузках сжатие препятствует выплескам расплавленного металла. С целью снятия напряжения и увеличения плотности ядра в некоторых случаях производится дополнительное кратковременное повышение усилия сжатия после отключения тока.

Выделяют мягкий и жесткий . При мягком режиме сила тока меньше (плотность тока составляет 70-160 А/мм²), а продолжительность импульса может достигать нескольких секунд. Такая сварка применяется для соединения низкоуглеродистых сталей и более распространена в домашних условиях, когда работы проводятся на маломощных аппаратах. При жестком режиме продолжительность мощного импульса (160-300 А/мм²) составляет от 0,08 до 0,5 секунды. Деталям обеспечивают максимально возможное сжатие. Быстрый нагрев и быстрое охлаждение позволяют сохранить сварному ядру антикоррозийную стойкость. Жесткий режим используют при работе с медью, алюминием, высоколегированными сталями.

Выбор оптимальных параметров требует учета многих факторов и проведения испытаний после расчетов. Если же выполнение пробных работ невозможно или нецелесообразно (например, при разовой сварке в домашних условиях), то следует придерживаться режимов, изложенных в справочниках. Рекомендованные параметры силы тока, продолжительности импульса и сжатия для сварки рядовых сталей приведены в таблице. (Изображение 2)

Вернуться к оглавлению

Возможные дефекты и их причины

Качественно выполненная точечная обеспечивает надежное соединение, срок службы которого, как правило, превышает срок службы самого изделия. Однако нарушение технологии может привести к дефектам, которые можно разделить на 3 основные группы:

• недостаточные размеры сварного ядра и отклонение его положения относительно стыка деталей;
• механические повреждения: трещины, вмятины, раковины;
• нарушение механических и антикоррозийных свойств металла в зоне, прилегающей к сварной точке.

Рассмотрим конкретные виды дефектов и причины их возникновения:

1. Непровар может быть вызван недостаточной величиной силы тока, чрезмерным сжатием, изношенностью электрода.
2. Наружные трещины возникают при слишком большом токе, недостаточном сжатии, загрязненности поверхностей.
3. Разрывы у кромок обусловлены близким расположением к ним ядра.
4. Вмятины от электродов возникают при их слишком малой рабочей поверхности, неправильной установке, чрезмерном сжатии, слишком высоком токе и продолжительном импульсе.
5. Выплеск расплавленного металла и заполнение им пространства между деталями (внутренний выплеск) происходит из-за недостаточного сжатия, образования в ядре воздушной раковины, несоосно установленных электродах.
6. Наружный выплеск расплавленного металла на поверхность деталей может быть вызван недостаточным сжатием, слишком большими режимами тока и времени, загрязненностью поверхностей и перекосом электродов. Последние два фактора оказывают негативное влияние на равномерность распределения тока и плавление металла.
7. Внутренние трещины и раковины возникают из-за чрезмерных режимов тока и времени, недостаточного или запаздывающего проковочного сжатия, загрязненности поверхностей. Усадочные раковины появляются в момент охлаждения ядра. Для их предотвращения и используют проковочное сжатие после прекращения подачи тока.
8. Причиной неправильной формы ядра или его смещения является перекос или несоосность электродов, загрязненность поверхности деталей.
9. Прожог является следствием загрязненности поверхностей или недостаточного сжатия. Во избежание этого дефекта ток необходимо подавать только после того, как сжатие обеспечено полностью.

Режимы контактной сварки - это набор параметров, которые устанавливаются сварщиком перед началом работ. Параметры этих режимов сварки зависят от металлоизделия, которое планируется сваривать, опыта сварщика и прочего. Выбранные режимы сварки сказываются непосредственно на качестве полученного соединения: неправильно подобранные параметры могут привести к некачественному шву, который впоследствии может потрескаться.

Основными параметрами для контактной сварки будет:

• Сила электрического тока.
• Усиление сжатия для свариваемых деталей.
• Длительность протекания тока.

О разных режимах сварки, а конкретно контактного способа сваривания, мы поговорим далее.

Режимы сварки и их влияние на свариваемость металлов.

Режимы сварки подразделяются на два основных вида:

• мягкие;
• жесткие.

Отличаются оба вида длительностью воздействия тока на свариваемую деталь. Жесткий режим сваривания металлоизделия предполагает непродолжительное воздействие тока на детали, тогда как мягкие режимы сварки наоборот - длительное воздействие.

Выбор того или иного вида зависит, в первую очередь, от металла, который необходимо сваривать: имеет значение его толщина, показатели теплопроводности и пр. Так, жесткие режимы сваривания обычно применяются для металлов, имеющих большую толщину, но при этом меньшую теплопроводность. Например, режим сварки для низкоуглеродистой стали будет намного жестче, чем для сплавов из алюминия

Форма расплавления металла и нахождения зоны расплава во многом зависит от процессов тепловыделения и теплоотвода, которые происходят в электроде и собственно свариваемой детали. Длительность воздействия тока влияет на тепловыделения и теплоотвод, а соответственно и на само сварное соединение.

При ведении сваривания в мягком режиме, форма и расположение литой зоны будет зависеть непосредственно от электрода и свариваемых материалов. Так, на мягком режиме сварки литое ядро находится на одинаковом расстоянии от поверхностей детали, это способствует тому, что неровности, образующиеся в процессе сваривания, смещаются в деталь, имеющую большую толщину.

Заметим, что при мягких режимах сваривания (при которых время нагрева металлоизделия значительно больше) зона термического воздействия также будет шире, чем при жестком сваривании.

При жестком сваривании это ядро будет находиться довольно симметрично по отношению к обеим свариваемым деталям. Во время сваривания нужно учитывать, что теплоотвод в электроды при жестком сваривании минимальный, именно это позволяет при таком режиме сварки получать большую высоту литой зоны (другими словами жесткие режимы сваривания деталей, имеющих одинаковую толщину, дают большую глубину проплавления).

Качество полученных сварных соединений, выполненных при разных режимах сварки, оценивают по таким параметрам:

• Шов не должен иметь значительного разупрочнения в зоне соединения металлов.
• Недопустимо образование довольно хрупких структур в зоне соединения, которые впоследствии могут разрушиться. Особенно это относится к переходной зоне шва.
• Зона соединения должна быть однородной и плотной, литая и переходная зона не должны иметь видимых нарушений их сложности.
• Соединение должно быть достаточно прочным.
• Сварочные работы не должны снизить коррозионную стойкость металлоизделия.
• Деформации деталей допускаются в пределах нормы.

Отметим, что при выполнении контактной сварки соблюдение этих условий зависит от возможностей вашего оборудования для сваривания, собственно изделия, которое будет свариваться, опыта сварщика.

Имейте ввиду, что металлы, имеющие хорошие показатели свариваемости, позволяют сварщикам использовать разнообразные параметры для установки режима сваривания, а это, в свою очередь, позволяет получать более качественные соединения.

Способы контактной сварки и образование соединений.

Все способы и режимы контактной сварки основаны на нагреве деталей с помощью теплоты, которая выделяет при протекании по ним электрического тока. Количество выделяющейся теплоты, главным образом, зависит от силы тока, времени его протекания по металлу, а также от сопротивления самого металла в зоне сварки.

Если проводится сваривание двух и более деталей, сжатых между собой, то к ним подводится электрический ток через обычные электроды. При этом напряжение может быть небольшим, от 3 В, а вот сила тока может достигать десятков тысяч ампер. Теплота, что является необходимой для сварки, выделяется в основном в деталях, в зоне контакта деталей друг с другом и их контакта с электродами. При этом существенное значение в режимах контактной сварки имеет электрическое сопротивление металлов.

Таким образом, делаем заключение, что выбор режима сварки зависит непосредственно от свойств выбранных материалов. Режимы контактной сварки зависят от теплопроводности и толщины деталей.

Заметим, что при жёстких режимах количество выделяемой теплоты в разы больше, поэтому их используют только для металлов с низкой теплопроводностью, например для стали.