Text
                    Ф. И. КИСЛКЖ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
КОНТАКТНАЯ СВАРКА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ОБОРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Мнакьс 1Г56

В книге изложены вопросы теории электри- ческой контактной сварки, дано описание сов- ременного электросварочного оборудования, технологии контактной сварки конструкцион- ных, нержавеющих и жароупорных сталей и сплавов. Подробно изложена технология контактной сварки легких сплавов, обеспечивающая анти- коррозионную стойкость сварных соединений, а также вопросы контроля качества сварки и рационального проектирования сварных кон- струкций. Книга может служить практическим руко- водством для инженеров и техников, рабо- тающих в области контактной сварки и окажет помощь студентам высших учебных заведений и техникумов при прохождении соответствую- щих дисциплин. Редактор Е. Л. Веллер Техн, редактор Н. Н. Пискарела Т-01886. Подп. в печать 8/V1I 1950 г. Печ. л. 248/4+1 вкл. Уч.-изд. л. 22.81. Формат бум. 60 x921/],. Тираж 4300 экз. Цена 17 руб. Зак. 763/1167. Типрграфид Обрроцгиза
ПРЕДИСЛОВИЕ В свете поставленных большевистской партией и советским правительством задач по автоматизации технологических про- цессов и повышению темпов производства, контактная сварка металлов приобретает особенно важное значение. Благодаря высокой производительности и технико-экономическим преиму- ществам контактная сварка, несомненно, получит в ближайшие годы еще более широкое применение в промышленности. Электрическая контактная сварка металлов известна уже свыше шестидесяти лет, но промышленное применение она -по- лучила лишь в течение последних двадцати лет. Русский инженер Николай Николаевич Бенардос, известный изобретатель дуговой электросварки угольным электродом, за- патентовал в 1887 г. способ точечной сварки металлических листов (угольными электродами). Через несколько лет было предложено использовать для точечной сварки листов медные электроды, применяемые и в настоящее время. Интенсивность нагрева при контактной электросварке выше, чем при других способах сварки. При контактной сварке мож- но получить концентрацию энергии порядка сотен кет на 1 см2. Такой локальный нагрев обеспечивает кратковременность про- цесса сварки, равную в ряде случаев сотым долям секунды. Несмотря на широкое развитие техники контактной сварки, теория ее еще недостаточно освещена. Основные параметры сварочного режима, зависящие от большого количества переменных, выбираются пока эксперимен- тальным путем. Это безусловно затрудняет рациональное про- ектирование как технологического процесса сварки, так и сва- рочного оборудования. В первом и втором разделах данной книги дана теория кон- тактной сварки металлов и приведено описание современного сварочного оборудования и аппаратуры для автоматического управления процессом сварки. В остальных четырех разделах книги изложены технология контактной сварки и прочностные характеристики сварных соединений. Наряду с уточнением отдельных теоретических положений приведено описание физической сущности процесса различных видов контактной сварки. Методы расчета иллюстрируются при- мерами. 3
Рассчитывая на читателей с неодинаковой теоретической подготовкой, автор пользуется математическим аппаратом толь- ко в редких случаях к приводит теоретические обоснования без выводов, ограничиваясь только начальными уравнениями и ко- нечными результатами. Хотя для анализа процесса нагрева при точечной н роликовой сварке требуется решение уравнения для пространственного температурного поля, но при современном состоянии вопроса эмпирические поправочные коэффициенты, которые пришлось бы вводить в окончательные формулы, вряд ли обеспечили бы более точные результаты, чем применение уравнения для линейного распространения тепла. Так как современное электрическое оборудование контакт- ных сварочных машин чрезвычайно сложно, то подробное рас- смотрение ®сех узле®, из которых состоит современная установ- ка для контактной сварки, совершенно невозможно в одной книге. Поэтому при описании устройства отдельных машин, аппаратов или специальных сварочных установок принцип дей- ствия отдельных элементов системы — трансформаторов, реле, контакторов, газотронов, тиратронов, игнитронов и т. д.— под- робно не освещается. Электрический расчет сварочных машин и анализ электромагнитных явлений, происходящих при сварке, также не затронуты, так как эти вопросы выходят за рамки настоящей книги. Большое внимание уделено технологии стыковой, точечной и роликовой сварки конструкционных, нержавеющих и жаро- упорных сталей, а также легких сплавов. По аналогии с ранее выпущенной автором книгой «Курс электрической сварки сопротивлением», Машгиз, 1940 г., в на- стоящем труде принята сварочная терминология, установленная Академией наук СССР и ГОСТ 2601—44. Одновременно с использованием литературных данных при- водятся результаты ряда собственных более ранних исследова- ний автором, а также исследований, проведенных совместно с сотрудниками лаборатории Научно-исследовательского инсти- тута С. П. Филипповой и И. С. Елкиным за последние годы. В своих исследованиях автор пользовался советами кандидата технических наук М. В. Поплавко и профессора доктора техни- ческий наук С. Т. Кишкина. Всем перечисленным лицам, а также кафедре сварки МВТУ, им. Н. Э. Баумана, рецензировавшей рукопись настоящей книги, автор приносит свою сердечную благодарность.
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ Глава I ВИДЫ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ § 1. Основные виды контактной сварки Приступая к изложению отдельных явлений сварочного про- цесса, поясним сначала некоторые термины и классификацию» а затем рассмотрим элементарно сущность основных видов кон- тактной сварки. Свариваемостью металлов и сплавов как однородных, так и разнородных называется свойство образовывать при сварке качественное соединение, которое по механическим свойствам и коррозионной устойчивости близко к исходному материалу. Под обшим термином «сварка металлов» подразумевается процесс, в результате которого образуется неразъемное соеди- нение металлических частей; этот процесс осуществляется обыч- но путем местного иагрева до температуры плавления и выше, а иногда до пластического состояния, с применением механиче- ского усилия сжатия или без него. Прн контактной сварке для нагрева соединяемых металли- ческих частей используется генерируемое тепло непосредственно в месте контакта; соединение металлических частей осуществ- ляется при этом или с одновременным (при стыковой, точечной или роликовой сварке) «ли с последующим механическим давле- нием, прилагаемым к электродам (при стыковой сварке оплав- лением). Давление при контактной сварке необходимо для сжатия заготовок между электродами- до начала сварки, при прохож- дении сварочного тока и во время осадки шва в конце сварки. Не все сочетания металлов в одинаковой степени поддаются сварке. Однако искусственными технологическими приемами удается удовлетворительно сваривать два неоднородных ме- талла. 5
Сварка сопротивлением X to 6
Классификация существующих видов контактной сварки ме- таллов приведена в схеме табл. 1, которая не исчерпывает всех разновидностей сварки и не претендует на исчерпывающую пол- ноту определений. Стыковая сварка При стыковой сварке соединение металлических частей осу- ществляется по всей поверхности стыков. На фиг. 1 приведена схема маши- ны для стыковой сварки металлов. Заготовки (пластины, стержни, тру- бы и т. д.) закрепляются при помощи механизма 1 в губках зажимов 2, яв- ляющихся одновременно электродами. Электроды соединены через шины со вторичной обмоткой трансформатора 4, первичная обмотка которого присо- единена к напряжению сети (120, 220; 380 и 500 в). Напряжение во вторичной обмот- ке сварочного трансформатора равно нескольким вольтам, а сила тока до- стигает большой величины. В зави- симости от площади свариваемого сечения, материала и конфигурации детали устанавливают необходимую мощность при помощи переключа- теля 5. Левый зажим 2 машины непо- Фиг. 1. Схема машины для стыковой сварки металлов. /—механизм зажимов; 2— губки зажимов; 3~ме- ханизм подачи и осад- ки подвижной плиты; /—сварочный трансфор- матор; 5~ переключатель для регулирования мощ- ности трансформатора; б—предохранители; 7— контактор. движен, а правый — подвижный. Правому зажиму сообщается с по- мощью рычага или специального ме- ханизма 3 усилие, необходимое для сжатия и осадки свариваемых заго- товок. Создание деформации давле- нием называется осадкой, а приме- няемое при этом давление — осадоч- ным. При включении тока через кон- тактор 7 по заготовкам, прижатым ,одна к другой, проходит ток большой силы, благодаря чему в стыке заготовок, где электрическое со- противление имеет обычно наибольшее для данного контура зна- чение, происходит интенсивное выделение тепла где Q—тепло; —сварочный ток; —сопротивление сварочного контакта в омах. 7
Это тепло используется для нагрева заготовок до сварочной температуры. Через малый промежуток времени, исчисляющийся обычно несколькими секундами, металл при сварке деталей из поделоч- ной стали нагревается вокруг стыка до красного каления, а в самом стыке возможно до температуры плавления или более. В этот момент ток в первичной цепи выключают и производят осадку; при этом образуется неразъемное соединение. Продолжительность нагревания свариваемых деталей зави- сит от материала заготовок, их сечения и мощности сварочной машины. Такой метод сварки называется «стыковой сваркой без оплавления». Сварка встык методом оплавления производится обычно на тех же машинах, как и стыковая сварка без оплав- ления. При стыковой сварке оплавлением включают машину и при незначительном усилии сближают подвижной зажим машины с укрепленной в нем свариваемой деталью (стержень, труба) до соприкосновения с другой деталью. Наиболее близко расположенные противолежащие микро- скопические выступы в контакте соприкасаются между собой, и через них устремляется ток большой силы. Каждый микроско- пический контакт весьма быстро разогревается до температуры плавления и выше. Постепенно сближая торцы, получают в стыке все новые контакты, которые, аналогично первому контакту, расплавляют- ся и интенсивно разогревают соприкасающиеся торцы заготовок до полного оплавления. Одновременно тепло от сварочного кон- такта распространяется вглубь металла заготовок. Затем после оплавления торцов на заданную величину свариваемые заготов- ки быстро и сильно сдавливают, выключая одновременно элек- трический ток. Предварительный подогрев заготовок до начала оплавления осуществляется обычно электрическим током, протекающим от сварочного трансформатора через замкнутые в зажимах ма- шины заготовки. При непрерывном оплавлении электрический ток не выклю- чается от начала процесса оплавления до момента осадки. В некоторых случаях оплавление при стыковой сварке про- изводят прерывистым включением тока, которое способствует выравниванию температуры как в месте стыка, так и в детали на некотором расстоянии от стыка. Такая сварка называется «сваркой с прерывистым оплавлением». Стыковая конденсаторная сварка кратковременным импуль- сом осуществляется мгновенным разрядом заданного количества электрической энергии от заряженного конденсатора и приме- няется пока главным образом для соединения встык тонких проволок (в ламповом производстве). к
Точечная сварка При точечной сварке соединяемые металлические заготовки (обычно листовые) зажимаются между двумя электродами сва- рочной машины и свариваются в отдельных точках. «Точкой» Фиг. 2. Вид точечного соединения, «-двух и б—трех листов после механического разрушения шва. называют шов, обычно круглой формы, диаметр которого со- ставляет приблизительно 2ч-4 8 мм, где 8 — толщина листа. На фиг. 2 показано точечное соединение двух и трех листов после механического разрушения шва. При сварке заготовки 2 зажимаются с помощью меха- низма между двумя медными электродами 1 (фиг. 3), укреп- ленными в электрододержате- лях. Нижний электрод обычно укреплен в плече 3 неподвиж- но, а верхний вместе с элск- трододержателем перемещает- ся по вертикали или радиаль- но при помощи механизмов различной конструкции. В рас- сматриваемой схеме вертикаль- ное перемещение и давление верхнего электрода осуществ- ляются при помощи ножной кнопки 4, управляющей сжа- тым воздухом, находящимся в цилиндре 5. Электрический ток большой силы подводится от вторичной обмотки транс- форматора 6 через медный электрод к заготовкам и воз- Всда Вода Фиг. 3. Схема машины для точеч- ной сварки. /—сварочные медные электроды; 2—заготовки (свариваемое изделие); 3— плечо; 4~ножная кнопка; 5— ци- линдр; 6—трансформатор; 7 сече- ние сварной точки после шлифовки и травления. 9
вращается через второй электрод к вторичной обмотке. При про- хождении тока через сварочный контакт металл в месте контак- та 7 разогревается до сварочной температуры, вследствие чего под действием усилия, приложенного к электродам, образуется неразъемное соединение. На наружных поверхностях изделия получается вмятина (небольшое углубление), имеющая вид Фиг. 4. Установка для точечной сварки с переносными клещами. кружка и соответствующая форме торца электрода. По оконча- нии сварки выключают электрический ток, а затем снимают давление и вынимают изделие из машины. В промышленности пользуются различными видами точеч- ной сварки металлов. В случае, когда для громоздких изделий •невозможно использовать стационарные сварочные машины, применяют установки для точечной сварки с переносными кле- щами (фиг. 4). В этом случае вторичная обмотка трансформа- тора соединяется с электрододержателями клещей гибким ка- «белем большого сечения. Давление на электроды клещей пере- дается обычно сжатым воздухом. Радиус действия таких уста- новок ограничен длиной кабеля. 10
Одной из разновидностей одноточечной сварки является од- «©электродная сварка, которая производится с помощью ры- чага (так называемая рычажная) или пистолета. Рычажная сварка применяется редко и поэтому здесь не рассматривается. Одноэлектродная одноточечная сварка пистолетом Для получения сварных точек на изделиях с тонкой листо- вой обшивкой или в местах, где доступ нормальным машинам к месту сварки невозможен (например, при изготовлении ка- Фиг. 5. Схема установки для одноэлектродной одноточечной сварки пистолетом. А—пистолет; Б—прерыватель. бины автомобиля), применяют одноэлектродную сварку при по- мощи пистолета (фиг. 5). С помощью кабеля подводят ток от вторичной обмотки трансформатора к нижней свариваемой детали, а второй вывод вторичной обмотки присоединяют гибким кабелем к пистолету. Сварочный ток включают через прерыватель Б после надежного зажатия заготовок пистолетом А вручную или сжатым воздухом. Односторонняя точечная сварка В случаях, когда конфигурация изделия не позволяет произ- водить точечную сварку с нормальным расположением электро- дов, как показано на фиг. 3, иногда применяют стационарные точечные машины, у которых оба токоподводящих электрода расположены с одной стороны изделия (фиг. 6). В этом случае часто используют медную массивную шину М. От вторичного витка ток идет через один электрод, пересекает изделие в месте касания электрода, распределяется по изделию и шине обратно пропорционально их электрическому сопротивлению и возвра- 11
щается через второй электрод ко вторичному витку. При нали- чии медной шины основной ток протекает по ней; сварка может быть выполнена также и без шины. Для односторонней сварки применима как одноточечная, так и двухточечная схема. При двухточечной односторонней сварке удовлетворительные результаты получаются лишь в том случае, когда оба электрода не связаны между собой жестко. При жестком креплении обоих электродов сварка получается неудовлетворительной или детали не свариваются. Многоточечная многоэлектродная сварка При многоточечной сварке, в зависимости от конструкции машины, металлические заготовки свариваются последовательно Фиг. 6. Схема односторонней Фиг. 7. Схема многоточечной свар- двухэлектродной точечной кн последовательного действия, сварки. через определенные промежутки времени или параллельно' (одновременно) в отдельных точках в соответствии с заранее установленными на машине электродами Э (фиг. 7). При этом количество пар электродов соответствует необходимому числу сварных точек в данном соединении. На машинах для многоточечной сварки электроды присоеди- нены параллельно ко вторичной обмотке трансформатора Т и при одновременном или поочередном включении давления Р на электроды сварочный ток подается последовательно к каждой паре электродов. Машины такого типа широко применяются главным образом в автомобильной промышленности. Для многоточечной сварки получили также широкое распро- странение машины, позволяющие сваривать изделия одновре- менно по многим точкам путем применения так называемой рельефной сварки. По этому методу на одной из сваривае- мых заготовок предварительно выдавливают выступы-рельефы (фиг. 8). Сварочный ток подводится через медные колодки а 12
и в одновременно ко всем выступам. Таким образом при рель- ефной сварке заготовки соединяются по предварительно подго- товленным выступам, по которым образуются сварные точки. Точечная сварка кратковременным разрядным импульсом подробно разобрана ниже (см. гл. IV). Роликовая сварка Роликовая (или шовная) сварка является дальнейшим раз- витием точечной сварки. Непрерывный или герметичный свар- ной шов может быть получен на точечной машине путем распо- ложения сварных точек рядом или с перекрытием (так назы- ваемая непрерывно-точечная сварка). Такой вид сварки (фиг. 9) Фиг. 9. Схема непрерывно-точеч- ной сварки. электроды-ролики, которые соеди- применим для герметичных швов на выпуклых деталях, для которых исключена воз- можность использования нормальных роликовых ма- шин. Однако непрерывно- точечной сваркой из-за не- достаточной прсжзоодитель- носги пользуются редко. По- этому вместо применяемых при точечной сварке элек- тродов, имеющих форму стержней, для получения герметичных швов исполь- зуют круглые вращающиеся йены шинами (через токоведущие подшипники) со вторичной об- моткой трансформатора. Один ролик имеет обычно принудитель- ное. вращение, получаемое от специального механизма, а дру- гой —«свободное. Роликовая сварка подразделяется на продольную и попе- речную и на прерывистую и непрерывную. Схема установки для продольной роликовой сварки пока- зана на фиг. 10. При роликовой сварке зажатые между роликами соединяе- мые металлические детали свариваются при прохождении элек- трического тока от одного ролика к другому. 13
Роликовую сварку применяют для получения герметичных швов сосудов и баков, предназначенных для хранения жидко- стей или газов, а также для силовых негерметичных узлов. Дри продольной сварке шов расположен в плоскости плеч машины, а при поперечной сварде1 направление шва перпен- дикулярно осям плеч (фиг. 11,а и б). Фиг. 10. Схема установки для продольной роликовой сварки. Схема шовно-стыковой сварки стальных труб показана на фиг. 12. Сварка производится с помощью вращающегося трансфор- матора 1, на корпусе которого расположены два медных коль- ца 2, изолированные одно от другого и соединенные со вторич- ной обмоткой трансформатора. Сварочный ток протекает от одного кольца через стык за- готовки трубы 3 к другому кольцу. Фиг. II. Роликовая сварка. а—продольная; б—поперечная. Горизонтальные стальные ролики 4 сжимают заготовку тру- бы, а перемещение со скоростью 5—20 м/мин и более произво- дится отдельным механизмом. Для герметичной сварки круглых выпуклых деталей 1 при- меняют специализированную роликовую машину, у которой ро- лики 2 расположены взаимно перпендикулярно (фиг. 13). В не- 1 Виды роликовой сварки, указанные в табл. 1, применимы как для про- дольной, так и для поперечной сварки. 14
которых случаях полезно цримёнять принудительное вращение обоих роликов. Детали невыпуклые можно с успехом сваривать на роли- ковой Машине с применением приспособления, указанного на Фиг. 13. Схема роликовой свар- ки выпуклых круглых деталей. Фиг. 12. Шовно-стыковая сварка стальных труб. фиг. 14. На кронштейн /, , изолированный от нижнего плеча машины прокладкой 2, посажен стержень 3, на котором свобод- но вращаются втулка 4 и свариваемые детали 5. Односторонняя роликовая сварка показана на фиг. 15. Роликовый герметичный шов на дуралюминовых листах показан на фиг. 16,а, а сечение шва — на фиг. 16,6. При шаговой сварке вращаются прерывисто и тока также Фиг. 15. Односторонняя ролико- вая сварка. Фиг. 14. Приварка втулки к листу на роликовой ма- шине. ролики подача прерывиста. Ролики вращаются при выключенном токе,, а процесс сварки протекает при не- подвижных роликах. После выключения сварочного тока ролик начинает вра- щаться и перемещает сварной узел на величину, равную за- данному расстоянию между точками. Качество сварного шва при шаговой роликовой сварке получается высокое. Однако машины, применяемые для шаговой роликовой сварки, громозд- ки, имеют сложный привод и мало производительны. Кроме- 15
того, при сварке изделий значительного веса прерывистая по- дача их получается неравномерной из-за инерции масс. Фиг. 16. Роликовый герметичный шов. а—внешний вид; б—сечение после шлифовки и травления. Поверхностная сварка (метод А. М. Игнатьева) Советский изобретатель А. М. Игнатьев разработал способ поверхностной сварки, при котором свариваемые заготовки, на- ложенные одна на другую, нагреваются до пластического со- стояния джоулевым теплом, образующимся при протекании тока через массу металла. Неразъемное соединение нагретых заготовок достигается путем приложения механического усилия сжатия. В отличие от других методов контактной сварки, при кото- рой направление тока всегда совпадает с направлением усилия сжатия, при сварке по методу Игнатьева направление тока и усилие сжатия взаимно перпендикулярны. Для сварки по методу А. М. Игнатьева, применяемой в про- изводстве металлорежущего инструмента, пользуются специаль- ными прессами и ленточными роликовыми машинами, конструк- ции которых разработаны изобретателем. Условные обозначения на чертежах швов, выполненных кон- тактной электросваркой по ОСТ 8840/2210, таковы: I — стыковая сварка без оплавления; j-^ — стыковая сварка оплавлением; О — точечная сварка; $ — роликовая сварка.
Глава II ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ СВАРОЧНОГО КОНТАКТА § 2. Явления, происходящие в контакте При контактной сварке электрическое сопротивление контак- та на участке соприкосновения двух металлических поверхно- стей соединяемых деталей имеет исключительно важное значе- ние. Составляющие сопротивления полного сварочного контак- та различны для каждого вида сварки, причем не только сопро- тивления контакта отличаются одно от другого, но нередко и число образующихся в месте сварки последовательных контак- Фиг. 17. Схема сварочного контакта. а—при стыковой сварке; б—при точечной сварке двух листов; в—при сварке трех листов. тов бывает различным. Например, при стыковой сварке стерж- ней (фиг. 17,о) сварочный ток 12, протекающий через стержни /И, и Mv встречает сопротивление одного контакта /?1К, а при точечной или роликовой сварке встречает несколько соединен- ных последовательно контактных сопротивлений (фиг. 17,6 и в), зависящих от количества свариваемых листов. Представим себе случай, когда зачищенные то.рцы сваривае- мых стержней Afx и Л12 (см. фиг. 17,а) соприкасаются по всей поверхности. В этом случае при переходе тока от одного элек- трода к другому никакого контактного сопротивления не воз- никнет. Однако полного механического соприкосновения, даже при тщательно обработанных контактных поверхностях, на прак- тике не наблюдается. Под микроскопом поверхность таких кон- тактов, обработанных даже самым совершенным техническим инструментом, неровна и состоит из выступов и бороздок раз- ной глубины, вследствие чего касание становится возможным лишь по одной или нескольким микроскопическим точкам по- верхности (фиг. 18). Электрический ток устремляется сначала через одну или две-три элементарные точки, представляющие собой микроскопические площадки. 17
Сопротивление контакта—омическое, и потери в нем выра- жаются известным уравнением: где Рк—сопротивление контакта; W*—потери в контакте; / —сварочный ток. Точки касания Фиг. 18. Схема касания элемен- тарных контактов (при большом увеличении) электродов. а—при малом давлении на элек- троды; б—при большом давлении на электроды. Сопротивление контакта RK зависит от величины приложен- ного к электродам давления Р. При небольшом давлении детали соприкасаются только в одной или двух точках (см. фиг. 18,а). С увеличением усилия сжатия до пластической де- формации Материала соприка- сающиеся выступы сминаются» Оксидная пленка, покрывающая выступы, разрушается и общая площадь соприкосновения воз- растает (см. фиг. 18,6). В местах касания длина пути тока через элементарные пло- щадки контакта незначительна, но малые (микроскопические) поперечные сечения каждой пло- щадки суживают эти пути, пред- ставляя собой значительное со- противление для прохождения тока. Поэтому сопротивление контакта больше сопротивления металла в целом месте. Существуют различные точки зрения на физическую приро- ду сопротивления электрического контакта. Существует мнение, что сопротивление переходного контак- та обусловлено сужением линий тока при переходе их из сече- ния большего размера в элементарный микроскопический вы- ступ. Сопротивление контакта в окончательной форме можно представить в виде: где здесь р—удельное сопротивление данного металла; а—разрушающее усилие при смятии; Р—давление на электроды. Значения разрушающего усилия смятия для некоторых ма- териалов! приведены в табл. 2. 18
Таблица 2 Разрушающее усилие смятая Железо Алюми- ний Медь Никель Висмут Молиб- ден Графит at, кг/см* 12000 9 000 5 200 22500 360 16 900 1320 Некоторые исследователи утверждают, что сопротивление контакта определяется исключительно сопротивлением элемен- тарных выступов на поверхности контакта. Таким образом, если представить себе каждый выступ в ви- де четырехгранной пирамиды с квадратным основанием, то ре- шение уравнения контактного сопротивления можно свести к определению электрического сопротивления двух соприкасаю- щихся пирам'ид [4, 5, 18]. Окончательное уравнение сопротивления «холодного» контак- та до сварки имеет следующий вид: (1) где г, и Г]к—сопротивление контакта в омах при давлении \ кг, приложенном к электродам.- Показатель степени а зависит в основном от формы и со- стояния контакта и изменяется в пределах от 0,5 до 1. Величи- на коэффициента а зависит также от того, увеличивается или уменьшается давление. Если давление убывает, то ко- личество элементарных площадок каса- ния контакта уменьшается медленнее, чем в случае возрастания давления. Это объясняется наличием остаточных дефор маций в первом случае. График pK—f(P) при нарастании и убывании давления приведен на фиг. 19. Для контакта двух электродов со сферическими торцами или сферического электрода с плоскостью (при свежеза- чищенных поверхностях) можно принять ’а=0,5, а для контакта между двумя па- раллельными плоскостями 2с «11. Размеры контактной поверхности сва- Фиг. 19. График Рк= ==/ (Р) при нараста- нии и спадании дав- ления. риваемых заготовок не входят в уравне- ния для /?1Г, так как контактное сопротивление обусловливается микроскопическими площадками, величина и количество кото- 19
рых зависят аг свойств материала, состояния поверхности, при- кладываемого давления и формы контактов. Переходное сопротивление сварочного кон- такта обусловлено чрезмерным сужением линии тока в микроскопическом выступе, а также сопротивлением самих выступов. Опре- делить, какая из составляющих играет здесь главную роль, является задачей весьма трудной и имеющей, пожалуй, второ- степенное значение. Экспериментально единичные сопротивления г\ в сварочном контакте определяют простыми измерениями с помощью ампер- метра и вольтметра, двойного мостика или так называемого «измерителя малых сопротивлений». Такое измерение более на- дежно и проще, чем определение разрушающего усилия метал- ла при смятии. Опытные данные близко совпадают с расчетными значения- ми, полученными по уравнению (I); поэтому для ориентировоч- ного определения величины сопротивления сварочного (холод- ного) контакта уравнение (1) может быть рекомендовано. § 3. Экспериментальные данные о сопротивлении сварочного контакта Экспериментальные исследования электрического контакта, выполненные различными авторами, а также исследования сва- рочного контакта, проведенные автором книги, подтверждают правильность вывода, что величина контактной поверхности сва- риваемых заготовок не влияет на его сопротивление. Это не противоречит бесспорному положению, что размеры поверхности электродов играют в процессе сварки весьма большую роль и должны выбираться с учетом необходимой механической проч- ности и высокой электро- и теплопроводности. Для точечной, рельефной и роликовой сварки сварочный кон- такт можно рассматривать как сумму сопротивлений отдельных контактов и сопротивлений металлических столбиков сваривае- мых листов под электродами (см. фиг. 17,6, в). Эксперименталь- ное определение сопротивления в каждом контакте в отдельности и во всем сварочном контакте в целом дано нами для всех ви- дов контактной сварки различных металлов и сочетаний их тол- щин листов в пакете, а также при различных условиях обра- ботки поверхностей соприкасающихся контактов. Чтобы определить величину сопротивления сварочного кон- такта в зависимости от давления (по уравнению I), необхо- димо предварительно найти величины г» при давлении в 1 кг и коэффициент а. Аналогично обозначениям на фиг. 17,6 и 17,в для нормального давления на электроды имеем: ••• (2) Значения /х и rlt для различных металлов приведены в табл. 3. 20
Таблица 3 Значения rt и Гщ для точечной сварки различных металлов. Поверхность контакта зачищена наждачной бумагой f 15, 19] Материал, толщина листов мм П ом Г1к ОМ 1. Алюминий 0,5+0,5 0,005 0,001 1+1 0,006 0,0012 2. Дуралюмин плакированный каленый 1 + 1 0,006 0,0015 1.5+1,5 0,007 0,0015 2+2 0,007 0,0015 2+2+2 0,010 — 2+2+2+2 0,012 — 3. Магниевый сплав МА-1 1 + 1 0,010 0,003 1 + 1 + 1 0,013 — 1 + 1 +1 +1 0,020 — 4. Сталь хромансмль (С=0,28%) 1,5+1,5 0,020 • 0,006 1,5+1,5+1,5 0,030 — 5. Сталь хромансмль (С=0,36%) 1,5+1,5 0,020 0,005 6. Сталь хромомолибденовая 3+3 0,016 0,0065 21
Продолжение Материал, толщина листов мм П ом Пж ом 7. Сталь малоуглеродистая 0,54-0.5 0,012 0,0045 1+1 0,022 0,0050 1 + 1+1 0,034 — 3+3 0,016 0,0065 8. Сталь 18-8 нержавеющая ОД+0,1 0,018 0,006 ОЛ+0,1+0,1 0,022 — 0,1+0,14-0,14-0,1 0,040 — 0,34-0.3 0,025 0,005 0,64-0,6 0,028 0,0055 0,64-0,6+0,6 0,035 —- 0,64-0,6+0,64-0,6 0,050 — Значения единичного сопротивления при хорошо зачи- щенном контакте двух стержней, свариваемых встык [15, 19[ Материал Размер торцов стержней мм Среднее значе- ние сопротив- ления г1к ом Сталь малоуглероди- стая </=10 0.0027 То же +20 0,0025 80x30 0,0025 Красная медь </«10 0,0001 22
В табл. 4 приведены средние величины Rlt и при раз- личных давлениях для различных марок сталей, измеренные непосредственно после зачистки образцов по методу ампер- метра и вольтметра, пользуясь потенциометрической схемой. Таблица 4 Изменение контактного сопротивления в зависимости от давления на электроды (средние значения) Марка стали, толщина’листов, состояние поверхности Р, кг Я1К МКОМ Як МКОМ Малоуглеродистая 10А, 1 + 1 мм. 180 24,2 122 механически зачищенная с обеих 17 7 1 М сторон с последующей промывкой 1 иО ацетоном 250 18,6 135 300 18,0 147 350 21,0 103 ЯП, 1 + 1 мм. Обработка поверх- 180 68,2 306 кости таже, что и для 10А 226 62,8 293 250 58,0 286 300 52,0 245 350 51,4 248 ЗОХГСА, 1 + 1 мм. Пескоструйная 180 173 421 очистка с последующей промывкой 225 165 409 ацетоном 250 160 417 • 300 154 362 350 149 325 Я1— Т+ЗОХГСА, 1,0+1,0 MM-, 180 75,2 484 Я1Т—механически зачищена; 225 64 514 ЗОХГСА—пескоструйная очистка с последующей промывкой аце- 250 61 473 тоном 300 58 438 350 54 432 Малоуглеродистая кипящая сталь 180 18,2 284 10-КП, 1 + 1 мм, механически зачи- 225 18,0 217 щепа с обеих сторон с последую- щей промывкой ацетоном 250 16,6 160 300 16,0 158 350 13,6 153 23
Приведенные в табл. 3 и 4 величины являются средними, полученными в результате большого числа опытов. Измерения рекомендуется производить постоянным током не более 10 а во избежание искажения результатов от нагревания кон- такта. При подсчете балансов напряжения и энергии в сварочном контакте необходимо знать две величины: внутреннее сопротив- ление сварочного контакта и полное единичное сопротивле- ние /?к, поэтому в таблицах приведены только величины г, и г1К, необходимые согласно уравнению (1) для вычисле- ния /?,к И /?х. Здесь не приведены величины единичного сопротивления кон- такта для роликовой сварки. Объясняется это тем, что физиче- ские явления в холодном контакте при роликовой сварке су- щественно не отличаются от явлений в точечном контакте и дан- ные сопротивления контакта весьма близки между собой. При роликовой сварке, благодаря большому объему вращаю- щихся роликов, условия охлаждения электродов лучше, чем при точечной сварке; однако, уловить влияние массы электрода на сопротивление холодного контакта не удалось. Величину а можно также подсчитать из уравнения (I) по найденным экспериментальным путем величинам R* и Из уравнения (1) получаем: а = —Й <3> 1ЦР ’ Опытные и расчетные величины Rt^flP) для точечной свар- ки показаны на фиг. 20. Для каждого графика подсчитано (по уравнению 3) значение а, которое зависит главным образом от твердости металла, а также от состояния поверхности контакта. Из сравнения графиков сопротивления сварочного контакта для очищенной а) и неочищенной б) малоуглеродистой стали (фиг. 20), видно, что для неочищенной стали коэффициент а. ниже. Проведенные исследования позволяют рекомендовать сле- дующие значения а для подсчета сопротивления контакта зачи- щенных листов при точечной и роликовой сварке: для алюми- ниевых или медных сплавов аС:=0,75ч-0,85: для листовых сталей, как легированных, так и нолегированных, а=0,65—0,75. При стыковой сварке стальных стержней или труб рекомендуем принимать а=0,75-^0,85. Опытные величины (табл. 3 и 4) показывают, что сопротив- ление сварочного контакта не находится в строгом соответствии с удельным сопротивлением данного металла или сплава. Удобнее, однако, измерять контактное сопротивление при заданном сварочном давлении. 24
♦иг. 20. График сопротивления сварочного контакта для листов малоуглеродистой стали в зависимости от давления на элект- роды. а—поверхность очищена, толщина листа 0,35 мм. б—поверхность не очищена, толщина листа 0,5 мм\ 7—опытная кривая для двух листов; 2— расчетная кривая для двух листов; 3—расчетная кривая для трех листов; 4- расчетная кривая для четырех листов; 5—опытная кривая для двух листов толщи- ной 1,75 мм.
На фиг. 21 приведены значения 7?1М и * в зависимости от Давления на электроды для двух листов из дуралюмина Д16Т (толщиной 0,54-0,5 мм и 1,54-1,5 мм) и двух видов обработки поверхностей, полученные экспериментальным путем *. Как видно из фиг. 21,а, /?1К гораздо ниже при механической обработке поверхностей листов, чем при травлении. Это объ- ясняется тем, что измерение R1K производилось непосредственно Фиг. 21. Зависимость сопротивления холодного контакта от толщины листов и видов обработки поверхности их. а—для внутреннего контакта J?iK=/ (Р)1 б—Для наружного кон- такта электрод—лист R9a—f (Р)‘ Кривая 1 соответствует механи- ческой зачистке стальной щеткой образцов толщиной 0,54-0,5 мм. Кривая 2—то же для листов толщиной 1,54-1,5 мм. Кривая 3—об- разцы толщиной 0,54-0,5 мм; травление в ортофосфорной кисло- те. Кривая 4—образцы 1.54-1,5 мм; травленные в ортофосфорной кислоте. Кривая 5—то же что и кривая 3, но без протирки хлоп- чатобумажной салфеткой после травления. после зачистки (в продолжение примерно 20 мин.); когда оксид- ная пленка после механической зачистки почти отсутствует. При химической обработке алюминиевых сплавов в орто- фосфорной кислоте поверхность после травления покрывается плотной, вязкой, пассивной пленкой (легко деформирующейся при сжатии электродов) и RiK поэтому больше. Из фиг.. 21,а и б видно, что и /?9Л для листов толщи- ною 0,54-0,5 мм больше, чем для листов 1,54-1,5 мм. Объяс- няется это тем, что дуралюминовые листы Д16Т покрыты, как известно, с обеих сторон плакированным слоем чистого алюми- ния, толщина которого составляет для листов до 1,5 мм 4-=-5°/о толщины листа. Мягкий плакированный слой на толстом листе имеет, конечно, большую толщину, чем на тонком. Он легче де- формируется при сжатии усилием Р и обеспечивает значительно больший физический контакт, чем у тонкого листа. * R эл — сопротивление в контакте электрод—лист. 1 А. И. Пугачев. «Автогенное делоэ, 1950 г., № 2. 26
§ 4. Влияние оксидных пленок на сопротивление сварочного контакта Оксидные пленки, покрывающие деформированные металлы и сплавы, разделяются на естественные и искусственные. По фи- зическим свойствам и толщине естественные пленки весьма раз- личны — в зависимости от металлов и сплавов, на которых они образуются. Искусственные пленки, применяемые для антикоррозионной защиты (например, анодированный дуралюмин в хромовой или серной кислотах), достаточно толсты и че разрушаются при сжатии электродов при сварке. Оксидные пленки обладают малой электропроводностью. Диэлектрическая крепость толстых пленок достигает 10е в/см, а удельное сопротивление порядка 107 ом!см. Опытом установлено, что на легких сплавах и хромонике- левых сталях естественная оксидная пленка нарастает на воз- духе при нормальной температуре непосредственно после за- чистки поверхности. Не вдаваясь в подробности механизма образования оксид- ных пленок на поверхности металла, заметим лишь, что рост их для одного и того же металла зависит от температуры окру- жающего воздуха и продолжительности окисления. Например, по опытам лаборатории им. пр оф. Смурова сопротивление кон- такта медь—медь увеличилось через двое суток в 163 раза вследствие окисления контакта при ^=35° С. В условиях контактной сварки подготовка поверхности кон- такта оказывает (решающее влияние не только на ею электриче- ское сопротивление (см. фиг. 20), но и на связанное с ним ка- чество шва (§ 10). Влияние оксидных пленок на величину электрического со- противления контакта при давлении, близком к нормальным условиям сварки данных металлов (Р—>200—300 кг), приведено в табл. 5. Даже при больших значениях Р оксидная пленка на поверхности контакта увеличивает во много раз сопротивление общего контакта Дк, внутреннего контакта /?1К, а также сопро- тивление контакта между электродом и наружной поверхностью листа R3n. Как видно из табл. 5, сопротивление контакта при точечной сварке двух неочищенных листов малоуглеродистой стали уве- личилось в 50 раз по сравнению с очищенными. У листов из алюминиевых сплавов, у которых окисление происходит весьма энергично даже при нормальной температу- ре, толщина пленки неодинакова даже на одном и том же листе. Поэтому неудивительно, что по данным табл. 5 сопро- тивление контакта дуралюмина с оксидированной поверхностью в одном случае оказалось в 118 раз, а в другом в 95 раз больше сопротивления контакта с очищенной поверхностью. Оксидные 27
q Таблица 5 Влияние оксидной пленки на величину сопротивления в контакте при нормальном давлении Р • По данным Ф, Кислюка - 1 । Ф. Кислюка 1 Гесс, Виянт и Авербах То же Степень возрастания сопротивления контакта R. 50 118 95 55 cl сг № о OI И * ж « * X о С ™fr_01 001 70- 10“4ом Сопротивление кон- такта (лист—лист) 759 - Ю“6ож Сопротивление кон- такта /?м (элект- род-лист) 414 - 10“6 ом Оксидная пленка снята перед опытом /?к зе о * 1 о •—* еч Ч о 1 о <о о Сопротивление кон- такта /?1к (лист—лист) 8 - 10“6ол Сопротивление кон- такта /?эл (электрод- лист) 8 - 10“6ож Материал, толщина в мм, количество лис- тов в пакете. Давле- ние на электроды Р, кг Листовое железо 2х ХО,35 мм, Р=200 кг Дуралюмин закаленный неплакированный 2X0,85 мм, Р=200 кг Дуралюмин плакиро- ванный 2X0,5 мм, Р=270 кг То же 28
пленки независимо от характера материала не разрушаются пол- ностью в «холодном» контакте даже при приложенных к элек- тродам давлениях, превышающих предел статической деформа- ции металла. В данном случае происходит частичное разрушение пленок на ограниченном числе противоположных микроскопиче- ских выступов, расположенных на близком расстоянии один от другого. Последние, деформируясь под действием силы Р, уве- личивают действительную площадь контакта, и сопротивление контакта уменьшается согласно уравнению (1). Полное разрушение естественных оксидных пленок на по- верхности контактов происходит при сварке, по нашему мне- нию, в результате комбинированного действия усилия, прило- женного к электродам, и температуры, развивающейся в от- дельных соприкасающихся выступах. Ближайшие к ним метал- лические выступы, покрытые неразрушенной пленкой, нагрева- ются (благодаря теплопроводности) от соседних нагретых токо- проводящих выступов и деформируются под действием усилия раньше, чем разрушается пленка. Поэтому разрушение пленки на этих выступах происходит гораздо быстрее, и она не препят- ствует протеканию тока. При нормальном процессе сварки металлов с естественной оксидной пленкой на внутренней по- верхности контактов наблюдается часто внутренний йвзрыв» (или, как принято называть, «выплеск»), при котором часть оксидной пленки вместе с незначительным количеством жидкого металла вылетает из области шва наружу. Остатки пленки под действием приложенного усилия либо растворяются, либо вы- давливаются из расплавленной зоны шва на периферию. При металлографических исследованиях (увеличение 500) то- чечных соединений дуралюминовых листов следов оксидных пле- нок внутри шва нами не было обнаружено. Поэтому нашу гипо- тезу о характере разрушения пленок на поверхности контакта в процессе сварки следует считать наиболее вероятной. Ниже рассматривается более подробно (§ 10) влияние состояния по- верхности контакта на качество сварки. § 5. Динамическое сопротивление сварочного контакта при нагревании Как известно, с повышением температуры металла увеличи- • вается его удельное сопротивление, а твердость металла при этом уменьшается. В условиях контактной сварки весь процесс нагревания ме- талла протекает кратковременно и имеет нестационарный ха- рактер. Вследствие локализации тепла в элементарных выступах сва- рочного контакта температура этих выступов приближается в весьма короткий промежуток времени (малые доли секунды) к температуре плавления и выше. 29
С момента включения тока непрерывно нагревается и-одно- временно уменьшается твердость контакта, что вызывает в свою очередь непрерывный рост фактической площади касания. По мере расплавления соприкасающихся выступов на по- верхности контакта ток в дальнейшем протекает уже по расплав- ленным мостикам. В связи с непрерывным изменением площади касания и сте- пени нагрева контакта более характерной является зависимость сопротивления контакта во J i> 5 £t бремя С миллисекундах с момента Включения сва- рочного тока Фиг. 22. График изменения динамического сопротив- ления сварочного контак- та в процессе сварки лег- ких сплавов. от продолжительности протекания сва- рочного тока, чем от температуры кон- такта, не поддающейся пока измере- нию. Характер изменения динамического сопротивления ш сварочном контакте по времени показан на фиг. 22. График изменения динамического сопротивления сварочного контакта строят по мгновенным значениям тока /а и напряжения снятым осцилло- . графической записью. Сопротивление в сварочном контак- те при нагревании изменяется почти мгновенно (для форсированного режи- ма сварки — в продолжение миллисе- кунд с момента включения сварочного тока). Исследованное ранее сопротивление «холодного» контакта RK=f(P) играет большую роль в первой фазе развития тепла в отдельных «источ- никах» (выступах) сварочного контакта до момента образова- ния мостиков расплавленного металла. Во второй фазе свароч- ного процесса — после образования расплавленных мостиков — значительно снижается плотность тока вследствие возрастания действительной площади касания в котггакте. Ре(зультируюц]<ее сопротивление сварочного контакта R*=f(TK) в конце сварки значительно уменьшается по сравнению с его сопротивлением при 7к=0; это сопротивление достигает вели- чины сопротивления расплавленного столбика металла диаИет- • ром d. Скорость изменения сопротивления контакта в процессе сварки зависит *от свариваемого металла и параметров режимов сварки. Следует указать, что, несмотря на резкое снижение в процессе сварки, стабильность и высокое качество сварных швов при форсированном режиме зависят от величины контактного сопротивления в холодном состоянии (до сварки).
Глава 111 ЭЛЕКТРОТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ § 6. Состояние теории электрической контактной сварки До настоящего времени еще не разработан объективный ме- тод теоретического расчета силы сварочного тока и теплорас- пределения при контактной сварке. Попытки найти такую ана- литическую зависимость сделаны рядом исследователей как в СССР, так и в других странах (К. К. Хренов, Ф. И. Кислюк, А. С. Гельман, Н. Л. Каганов, И. Я- Рабинович, В. Джонсон и др.). Однако ни один из этих методов не охватывает в полной мере тепловые и электрические явления, которые происходят при контактной сварке. К- К. Хренов |[43], анализируя процесс точечной сварки ме- таллов, считает основным концентратором тепла только сопро- тивление металлического столбика свариваемых листов, обра- зующихся между электродами точечной машины, не учитывая сопротивления в сварочном контакте и фактора давления, при- ложенного к электродам. Кроме того, К. К- Хренов допускает: 1) интенсивность источника тепла постоянной по времени; 2) отсутствие отвода тепла от сварочного контакта в элек- троды и условное размещение источника тепла. Результатом принятых допущений является плоское темпе- ратурное поле с температурой, приближающейся к бееконечности на геометрической оси сварной точки (в центре). А. И. Ахун [1], А. С. Гельман [10] и Студер [63]*считают,, что при точечной сварке стальные детали в основном нагрева- ются теплом, выделяемым внутри деталей сопротивлением металлического столбика свариваемых листов. А. С. Гельман допускает, что при точечной сварке сталей температура во вну- треннем контакте достигает температуры кипения. Он применил для анализа процесса точечной сварки сталей метод конечных разностей пространственно-временного температурного поля, определяющего температуру вдоль оси сварной точки, а также диаметр ее расплавленного ядра. Этот метод, однако, для прак- тических расчетов параметров режима сварки очень гро- моздок. К. А. Кочергин [30] считает, что установившаяся темпера- тура контакта при постоянной силе сварочного тока пропорцио- нальна начальному значению сопротивления холодного кон- такта. По его мнению, внутреннее контактное сопротивление изменяется в процессе сварки точки следующим образом: при Гк= 400—500° С сопротивление /?1К увеличивается на 20-4-50% по сравнению с значением /?1К при 7\—0° С, а при нагреве до температуры сварки постепенно падает до нуля. 3k
Н. Л. Каганов [44] предложил метод электрического расче- та процесса стыковой сварки, исходя из схемы линейного рас- пространения тепла, среднего значения падения напряжения на участках заготовок, обтекаемых током, и некоторой воображае- мой средней температуры на этих участках. При анализе про- цесса стыковой сварки оплавлением температура стыка прирав- нена им к температуре кипения металла. Активное сопротивле- ние свариваемых заготовок определяется Н. Л. Кагановым в зависимости от импеданса Z сварочной машины и принимается равным 0,84-0,9 Z. В. Джонсон [57] предложил метод вычисления температур при точечной сварке отдельно для образующихся контактов и отдельно для столбика металла. Его метод расчета, отличающий- ся сложностью подсчетов, базируется на заданных параметрах сварочного процесса, что в практических условиях представляет интерес только при анализе температурных полей. Метод Ф. И. Кислюка является попыткой определить основ- ной параметр сварочного процесса — силу тока, как функцию других параметров, известных или заданных для свариваемых металлов. При анализе нестационарного теплового процесса при контактной сварке в качестве основного концентратора тепла принято переходное сопротивление сварочного контакта /?1К, температура которого допускается равной примерно температуре кипения данного металла Кроме того, схема линейного рас- пространения теплового потока, справедливая для анализа про- цесса стыковой сварки, рекомендуется также для приближен- ных расчетов и других видов контактной сварки [19]. Сопротивление столбика металла листов при точечной и ро- ликовой сварке играет важную роль, но оно не входит в урав- нение (8) чем снижается в некоторой степени ценность нашего уравнения, хотя при расчете общего баланса падения напряже- ния во вторичной цепи сварочной машины сопротивление стол- бика металла свариваемых листов учитывается. Этот метод расчета из-за сделанных допущений является лишь приближенным методом, облегчающим, однако, благодаря про- стоте конечных уравнений, предварительные расчеты сварочно- го режима. Задача исследования процесса нагревания металлических деталей при сварке заключается в нахождении зависимости ге- нерируемого тепла от параметров тока и времени, а также в определении характера распределения температуры в зависи- мости как от времени, так и от расстояния от сварочного кон- такта. Для решения задачи использованы принципиальные поло- жения теории теплопроводности из области математической •физики. * Исключением является стыковая сварка без оплавления, при которой температура в стыке не превышает, повидамому, температуры плавления данного металла. •32
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ Т—температура, °C. /—время, сек. Ф—тепловой поток. О—количество тепла, вт1сек. А—теплопроводность металла, вт/см^С. сечение, смг. «—периметр, см. U— напряжение, в. к—коэффициент теплоотдачи с поверхности, вт/сж,оС. с—теплоемкость, вт сек/г °C. т—удельный вес, г/см*. Р—усилие, приложенное к электродам, кг- а—температуропроводность: а= 1 / — см*1сек1з‘ V Г( /—сила тока, а. р—удельное сопротивление в омах. м/мм*. Для электротехнических расчетов удобнее пользоваться электротехниче- ской системой измерений теплопроводности и теплоемкости. Для перевода коэффициентов теплопроводности н теплоемкости из физи- ческой системы измерений в электротехническую надо помножить Ц)Из или Сф113 на 4,18. Значение коэффициента теплопроводности ® зависимости от состава стали и температуры нагревания приведено в табл. 6. В табл. 7 даны физические величины для различных металлов. Таблица 6 Теплопроводность углеродистых и легированных сталей при различных температурах (°,С) Состав, °/о Теплопроводность, кал см сек °C С Мп Ni Сг 100е 200° 300° 400е 500° 1 0,13 0,40 4,5 1,1 0,137 0,134 0,130 0,128 0,125 2 0,3 0,60 1,5 0,5 — 0,073 0,063 0,06 0,058 3 0,35 0,60 4,5 1,3 0,109 0,101 0,09 0,08 0,071 4 0,12 — 18,0 27,0 0.049 0,05 0,052 0,053 0,054 5 М2 13,5 — — 0,0442 0,0448 0,0455 0,0478 6 0,065 0,40 — 0,193 0,165 0,140 0,123 0,109 7 0,29 0,84 — — 0,180 0,154 0,125 0,105 0,0907 8 0,52 0,63 — — 0,162 0,132 0,109 0,0852 0,0750 9 0,85 0,65 — 0,160 0,122 0,102 0,0875 0,0695 10 1,10 0,55 — — 0,156 0,119 0,100 0,0800 0,0650 11 1,40 0,53 — — 0,152 0,119 0,0961 0,0760 0,0601 12 Электролитическое железо 0,208 0,184 0,157 0,134 0,120 33
Физические свойства некоторых металлов и сплавов, Материал Удель- ный Удельное сопротивле- ние турный щ'ент со- ?ния Теплопровод- ность Тепло вес Т,°С Г лси11 Р ом L м J «5 ~ Й °-5 » С •& я m О г> о сх е. Ь X Е в Г, °C хГ-^1 L CM °cj Г, °C 1 2 3 4 5 6 7 8 Алюминий Дуралюмин (Д-16) Магниевый сплав (МА1) Медь (Ml) Бронза Бронза фос- фористая Латунь (60%Си4- -f-40%2n) 2,71 2,6-2,8 1,8 8,9 7,4-8,9 8,9 8,4-8,7 - 0,0283 0,034 0,070 0,0175 0,16 0,10 0,09 0,0042 0,00218 0,0043 0,00150 —* 2,02-2,10 1,34-1,47 0,835-1,26 3,6-3,9 0,71 0,5 0,6—0,92 20 200 500 20 200 500 20 200 500 34
Таблица 7 необходимые при анализе процессов контактной сварки емкость Температу- ра плавле- ния Т. °C 10 Тем- пера- тура кипе- ния Т. °C 11 Коэффи- циент Темпера- туро- провод- Коэффициент линейного расши- рения гвт.сек! Ч г °C J 9 а ность см1 I сек'* J 13 Т, °C 14 «1 15 А=]/ ксук 12 0,881 0,975 1,085 0,84 1,05 0,385 0,403 0,439 0,433 0,365 0,378 -0,364 0.4-0,385 0,429-0,414 660 650 680 -700 1 083 900 1050 938 -1 800 -2 000 ~1 100 2360 3,89 3,24 2,56 6,25 2,86 2,26 2,81 0,92 0,75 0,72 1,029 0,46 0,53 20-100 20-100 20-100 20 -200 20-500 20-400 20-500 24.10"® 22.10"® 26.10"® 17,5-10"® 19.10"® 17.10"® 18.10"® 19.10"® 22.10"® 20,5.10"® 3* 35
Материал Удель- ный вес тГ—1 LcjksJ Удельное сопротивле- ние «S 3 X В. >> ВИНЭ1ГН 1НЭИ1 Теплопровод- ность Тепло Т. °C [ом .мл!1 РГ м ] Темпера КОЭффИ! сопроти *2 Т,°С L см °CJ Г. °C 1 2 3 4 5 6 7 8 Никель 8,6-8,9 — 0,09 0.0055 — 0,56-0,6 Монель 8,8 — 0,5 — — 0,21 — Хром 7,2 — 0,118 — — — — Нихром 8,17 — 1,0 — — 0,105 — Сталь мало- углеродистая 7,8 — 0,13-0,2 0,005 — 0,65 — С таль хроман- силь 7,76 — 0,22 — — 0,377 — Сталь хромо- молибденовая 7,65 — 0,20 — — 0,377 — Нержавеющая сталь Я IT 7,9 20 500 0,70 1,07 — 100 200 0,150 0,176 20—100 20-400 1000 1,18 300 0,193 20-800 400 0,205 500 0,222 Жароупорная сталь 25-20 7,9 20 400 0,87 1,08 — 20 200 0,176 0,180 0-100 800 1,20 400 0,197 1100 1,27 600 0,222 800 0,256 Жароупорный сплав ЭИ-435 8,5 15 0,988 — 30 400 0,176 0,213 20-400 800 0,280 Цинк 7,14 — 0,0625 — 20 1,120 20 Серебро 10,5 0,0158 — 20 4,170 20 Кадмий 8,6 — 0,0750 — 20 0,930 20 36
Продолжение емкость Температу- ра плавле- ния Т, °C Тем- пера- тура кипе- ния Т, °C Коэффи- циент Л=|/ г.с-у). Темпера- туро- провод- ность Гсм'1 Коэффициент линейного расши- рения Гвт.сек! Ч г °C J Т. °C а1 J [сек’/г ] 9 10 11 12 13 14 15 0,45-0,54 1 450 2 340 2,65 0,385 20 12,36- 10~б 0,532 1 350 — — 0,212 — — 0,625 1 565 2 200 — — 20 8,11‘10"6 0,45 1390 — — 0,17 — — 0,472 1530 2400 2,74 0,42 20—100 1Ы0-6 0,48 1 480 — — 0,318 20-100 1Ы0"6 0,48 1 480 — — 0,316 — — 0,5 0,535 0,576 1390—1420 — 1,67 0,214 20-100 20- 600 20—800 20—1 000 16,5.10-« 18,6-10-6 19,5-10-6 20,0-10-6 0,494 1390-1420 — 1,47 0,212 20-315 500 650 750 18,35-10“® 16,5.10"6 16,9.10’® 17.1-10’6 0,458 1390 1,47 0,2125 20-100 20-900 13,6-10“® 15,6-Ю’6 0,417 419 — — — — 0,270 960 — — — — — 0,242 32! — — — — — 37
Формулы для расчета изменения теплоемкости в зависимости от температуры нш-ревания для некоторых металлов даны в табл. 8. Таблица 8 Формулы подсчета теплоемкости некоторых металлов при различной температуре Металл Темпера- турный интервал Теплоемкость [вт сек/г °C] Алюминий 0 -500° 0,87+0,217- 10"3 Г+0,716 - 10“7 Г2 Железо 0-620° 0,458+0,104 • 10“3 Г+0,229» 10*® Г2 Медь 0-1083° 0,391+0,74 - 10“4 Г Свинец 0- 300° 0,1238 +0,283- 10“4 Г Цинк 0-300° 0,378 + 0,937 - 10"4 Т Никель 0 -230° 0,452+0,93 - 10~4 Г 9 230-400° 0,765+0,234 - 10"2 Г+0,582*. 10“5 Г2 9 400-1050° 0,412+0,257- Ю“3 Г § 7. Уравнения, характеризующие процесс нагревания при электрической контактной сварке (стыковой) Рассмотрим случай сварки встык двух стержней однородно- го металла и одинакового сечения, принимая температуру в про- цессе нагревания одинаковой по всему сечению стержня. Силу тока во время сварки принимаем постоянной при />0. /2=const. По окончании процесса сварки 72=0; изменение температу- ры предполагается от плоскости контакта лишь в направлении продольной оси стержней. Контактное сопротивление в месте соприкосновения стержней вызывает при прохождении сварочного тока локализа- цию тепла исключительно вокруг контакта, поэтому для реше- ния поставленной задачи можно принять, что свариваемые стержни имеют неограниченную длину, т. е. температура про- тивоположных концов равна температуре окружающей среды. Через электроды Л, и А3 (фиг. 23) подводится электрический ток к стержням Мг и Afa сечением q. Силой Р стержни прижа- ты один к другому и касаются своими торцами. 38
Общее дифференциальное уравнение нагрева двух стержней генерируемым теплом будет иметь вид: (4) dx2 at q q* Найти решение данного уравнения без его упрощения весь- ма трудно. При электрической контактной сварке нагревание происхо- дит кратковременно. В связи с этим можно допустить, что теп- лоотдача с поверхности стержней в окружающее пространство ничтожно мала и в дальнейшем эти потери учитывать не будем, т. е. примем, что k=0. J Фиг. 23. Точно так же не будем учитывать потери на генерируемое тепло в самих стержнях. Хотя в действительности при стыковой сварке сопротивлением (без оплавления) плотность тока доста- точно высока и, несомненно, даже при кратковременном прохож- дении тока стержни нагреваются до некоторой температуры, но /2 для облегчения решения задачи примем р =0. Тогда общее дифференциальное уравнение нагревания стержней при стыко- вой сварке получит вид: , д*Т дТ Л а2--------= 0. дх* dt (5) Приняв силу тока в течение всего процесса сварки неиз- менной, можно также считать тепловой поток Ф, устремляю- щийся от контакта в каждый из двух соединяемых стержней, постоянным. Допустим далее, что распределение потока проис- ходит равномерно по всему сечению. При этих допущениях задача формулируется уравнением (5) и следующими начальными и граничными условиями. До на- чала .сварочного процесса при t=Q температура стержней равна температуре окружающей среды, или 7=0 для всех значений (в том числе и для х=0). После включения сварочного тока при f>0 и х=0, Ф=1— 1 =—— const. L дх J х—о 2Л^ 39
Общее решение уравнения (5) имеет следующий вид: (6) здесь 7К—температура торцов стержней в, стыке, а / ~ функция Гаусса. Для решения уравнения пользуются графиком интеграла Гаусса (фиг. 24). Пользуясь этим графиком, можно подсчитать температуру стержня на любом расстоянии от сварочного кон- такта при заданном значении t. Для подсчета TXf t определяют сперва температуру в кон- Фиг. 24. График интеграла Гаусса. Хакте когда х = 0; затем по фиг. 24 определяют f в зависимости от заданной ве- личины Температура, генерируемая в контакте (<с —0), равна: 2л]/7 ' где /2/?1к—мощность, развиваемая в сварочном контакте, вы- раженная в вт; Л —коэффициент, учитывающий физические характе- ристики металла (теплоемкость, теплопроводность и удельный вес), Следует иметь в виду, что теплопроводность и теплоемкость зависят от температуры свариваемого металла. С увеличением температуры металла примерно до 800° С теплопроводность его уменьшается *, а теплоемкость растет. Значения Лиа следует определить для средних повышен- ных температур. Как видно из уравнения '(7) температура, развиваемая в сварочном контакте, прямо пропорциональна потере мошлПости в нем, а также корню квадратному из времени сварки и ♦ Индекс (2) указывает, что речь идет о параметрах вторичного Koirrypa сварочной машины, на которой производится сварка. 1 Исключением являются аустенитные хромоникелевые стали и сплавы, у которых теплопроводность возрастает с повышением температуры. 40
обратно пропорциональна физическим постоянным свариваемых металлов и площади соединяемых торцов. Скорость повышения температуры в сварочном контакте при одинаковых условиях сварочного процесса (род металла, сече- ние стержней, состояние контакта, величина приложенного да- вления и т. д.) зависит главным образом от силы тока. На фиг. 25 построены по уравнению (7) кривые начиная с момента включения тока, т. е. с /=0. Кривые по- строены для стыковой сварки без оплавления стержней из мало- углеродистой стали d— 30 мм. По этим кривым видно, что при стыковой сварке сопротивле- нием требуются плотности тока «^30 а!мм1 2. При меньшей плот- ности тока, т. е. при /<20 а!мм\ Фиг. 25. Нарастание темпера- туры в контакте при стыко- вой сварке двух стержней в зависимости от времени и плотности тока в контакте. может наступить тепловое равно- весие, при котором температура в контакте не достигнет темпера- туры плавления. В условиях контактной свар- ки неизвестным параметром яв- ляется величина сварочного то- ка. Считая температуру внутреннего контакта (7к) близкой к температуре кипения данного металла (хотя это эксперименталь- но не проверено)’, можно найти из уравнения необходимую ве- личину сварочного тока: ТкдА (8) Пользуясь уравнением (8), можно установить связь между основными параметрами сварочного процесса: сварочным током, площадью контакта, температурой, физическими свойствами ме- талла (теплопроводностью, теплоемкостью, удельным весом), сопротивлением холодного контакта при данном давлении Р и времени прохождения сварочного тока. Уравнение (8) позволяет установить з арамее данные сварочного процесса с точностью первого п.р иближения. Учитывая фактическое убывание /?1К в соответствии с дина- мической характеристикой, допускаем, что развитие факсимиль- ной температуры во внутреннем контакте происходит через про- 1 Экспериментально проверить температуру внутреннего контакта при современном состоянии техники измерения не удается даже в пер- вом приближении. 41
межуток времени ht; при этом /i<O,l для форсированного ре- жима сварки и h~0,2 для нефорсированного режима сварки. В оставшееся время, равное 0,8 или 0,9/, происходит полное формирование шва. Тогда (8') TrfA RihVm' Приведенное уравнение действительно для процессов сварки методом контактного сопротивления длительностью до 15—20 сек. Фиг. 26. График распределения температур вдоль стерж- ней при стыковой сварке без оплавления для различной продолжительности сварки. При большей длительности сварочного процесса значение тока, подсчитанное по уравнению (8), окажется менее точным. Характер распределения температуры по стержню (благо- даря теплопроводности от сварочного контакта) определяется по уравнению (6) и по фиг. '24. Графики вероятного распределения температуры вдоль сва- риваемых стержней из малоуглеродистой стали диаметром 30 мм показаны на фиг. 26. Величины, показанные на графике, подсчитаны для различ- ной продолжительности сварки, начиная с момента нагрева 42
контакта до достижения температуры, близкой к температуре плавления данного металла. Точечная сварка. Оптимальные параметры сварочного процесса обеспечивают стабильный импульс тепла для получе- ния сварной точки необходимого размера и образования в зоне шва структур с достаточной пластичностью. Прочность сварной точки связана» следовательно, с каждым параметром режима сварки, влияющим на величину теплового импульса. Ниже при- веден анализ явлений, протекающих при точечной сварке. При точечной сварке распространение тепла в металле листов (от сварочного, контакта) происходит согласно уравнению ('*L+£T+*r). (9) <И \<>x* dz"-) ' ' Полное решение этого уравнения с получением данных, при- годных для технических расчетов, связано с таким количеством поправочных коэффициентов, что в окончательном виде оно окажется менее точным, чем уравнение (8). Далее, ввиду кратковременности процесса точечной и роли- ковой сварки (при форсированных режимах) генерируемое теп- ло сконцентрировано в узкой зоне металла шва. За время t тепло локализуется главным образом вокруг сварной точки и не успевает далеко распространиться от свар- ного шва. Затем, лишь по истечении длительного времени после окончания сварки, тепло от шва благодаря теплопроводности распространяется по изделию до полного выравнивания темпе- ратуры. Кроме того, сварочный процесс протекает при переменных параметрах, неподдающихся пока точному учету. Такими пара- метрами являются: 1) колебание напряжения электрической сети; 2) фактическое изменение величины сварочного тока в зависимости от составляющей нестационарного процесса и др. Как будет указано ниже, абсолютная величина нестационарного тока (при условии работы установки без синхронной комму- тационной аппаратуры и при небольшой длительности сварки) может превышать величину установившегося тока. Поэтому практически неизбежные колебания энергии при сварке превышают потери от рассеяния тепла вокруг шва от теплопроводности в металл за время t. Для приближенных рас- четов режима точечной сварки можно поэтому рекомендовать уравнение (8) с линейным распространением теплового потока и пренебречь потерями рассеяния тепла в металлическом коль- це вокруг сварной точки. При точечной и роликовой сварке размеры внутреннего кон- такта (лист—лист) больше площади торца электрода. Площадь электрического контакта зависит от чистоты свариваемых по- верхностей. Если естественная оксидная пленка не снята с поверхности листов перед сваркой, то в зависимости от толщины 43
пленки площадь контакта оказывается во время сварки меныпей или равной площади торца электрода д™. Однако однородное качество точечной и роликовой сварки достигается только на очищенных листах; поэтому площадь внутреннего контакта (д^.ти), по которой проходит ток во вре- мя сварки, оказывается больше qin, хотя ядро точки, образую- щееся в центре контакта при наибольшей плотности тока в нем, имеет диаметр, близкий к диаметру торцов электродов (в зави- симости от режима сварки). Келлер и Смит, исследуя со- отношения между прочностью и структурой точечных соедине- ний на алюминиевых сплавах, измерили величину уплотняюще- го кольца (по рентгеновским снимкам), образующегося вокруг ядра точки. Эти измерения показали, что диаметр кольца на 50% больше диаметра ядра. Эти опыты и вычисления А. С. Гельмана, а также наблюде- ния автора книги подтверждают наличие внутреннего контакта, превышающего размеры q31l, как показано ниже (фиг. 29,д). Примем для расчета d BH.Koe =<1,5 d3„. При этих допущениях уравнение ,(8') приобретает полу- эмпирический характер, однако, оно приводит к хорошему сов- падению расчетных данных с опытными. Пример 1. Определить необходимую величину сварочного тока для точечной сварки дуралюминовых листов (Д16Т) тол- щиной 1,54-11,5 льи. При химической обработке поверхности /?1К=80 мком. Задаемся: диаметр торцов электродов ^=7,5 мм. При Г=500° С коэффициент 71=3,14. Температура кипения Д16Т^<2000° С. Время импульса тока /=0,18 сек. Площадь внутреннего контак- та между листами: 4г=’1Ы- 72^- = 0,99 см\ Л = 0,1. По уравнению (8') получим: - У 580 10^ = 24 000 о. V 80-1-0,18 Пример 2. Определить необходимую силу сварочного тока при точечной сварке листов из жароупорной стали Я1Т толщи- ной 1,04-1,0 мм. если при давлении на электроды Р=400 кг; /?1К=2О0 мком; при Т2>800° С, 71=1,5. Температура кипения этой стали 2000° С. Время сварочного импульса тока /=0,1 сек. Диаметр торца электрода б/эл==5 мм, тогда площадь внутрен- него контакта будет равна: лЦ.б-б)1 Увн.кон у _ Л 2000-1,5-0,44 _ |/ 200-10-®/0,1-0,1 = у66-10'8 = 8100 а. 44
Пример 3. Определить /я при роликовой электросварке листовой стали Я1Т толщиной 1,04-1,0 мм\ Р=500 кг\ /?1к = 200 мком. Ширина рабочей части ролика Ь = 5мм\ про- должительность импульса 4в = 0,04 сек., а паузы tn = 0,06 сек.; А=1.5; т = 0,44 см'. 4 Сила тока 4 для первой точки шва будет: л _ । / 2 «MJ*5-0,44 1Qe ^юооо а. i У 200-10“6/0,004 Вследствие шунтирования тока (§ 12) необходимо повысить силу тока первого импульса на 30-^50°/о; поэтому действитель- ная сила тока: /2=1,3-/2= 13000 а. Пример 4. Вычислить силу тока для точечной сварки двух листов малоуглеродистой стали толщиной 2,54-2,5 мм, если f=l,0 сек., г/эд=8 мм, при условии нормальной зачистки по- верхности Р=300 кг и /?^<=200-10® ом. Температура кипения этой стали равна 2400° С, Л=2,81. Площадь внутреннего контакта: п ________«(1,5-8)*_। «о см2. У©н. кон - --- 1,10 t 4 /2= |/l^b-!3^L = /120-10« =11000 а. 2 у 200- кг6/0,1 Полученные расчетным путем величины сварочного тока хо- рошо согласуются с опытными данными (см. разделы III и IV). На фиг. 27 построена по уравнению (6) кривая 1 распреде- ления температуры от сварной точки при сварке малоуглеро- дистой стали (пример 4) за 0,5 сек. после включения свароч- ного тока. Кривая 2 показывает для сравнения распределение температуры при точечной сварке листов нержавеющей стали той же толщины. Результаты расчета отвода тепла в медные электроды нанесены на кривых /—Л' и 2—К по оси х'; темпера- тура торца электрода приравнена к температуре наружной по- верхности листа. Практически скорость охлаждения еще больше вследствие того, что при расчете не учтено применяемое обычно при свар- ке охлаждение электродов проточной водой. Из всех тепловых потерь, возникающих при точечной и ро- ликовой сварке топких листов, наибольшими являются те, ко- торые вызываются отводом тепла (благодаря теплопроводности) 45
Фиг. 27. Графики распределения температур по оси О—О' * (в сварном изделии и в электродах) в процессе то- чечной сварки. /—малоуглеродистая сталь; 2— сталь Я1Т. 46
от внутреннего контакта в электроды. Потери тепла в окружаю- щие шов зоны гораздо меньше. Количественно эти потери (отдельно в детали и электроды, за время прохождения тока) опытом еще не определены. Как видно из фиг. 27, температура торцов электродов получается равной 600 и 1000° С при сварке без охлаждения водой. Эти цифры согласуются с эксперимен- тальными данными А. С. Гельмана, получившего температуру терца электрода при точечной сварке сталей равной 7\д= =7004-800° С. § 8. Схема процесса образования сварного шва Природа образования сварного шва при контактной сварке характеризуется одновременно двумя обособленными процесса- Фиг. 28. Эквивалентные схемы сопротивлений сварочных контактов. ми: нагревом листа или стержня и одновременной обработкой шва механическим давлением (кроме случая стыковой сварки оплавлением). Рассмотрим схему процесса образования свар- ного шва. Как уже известно, сопротивление сварочного контакта со- стоит из ряда последовательно соединенных элементов сопро- тивлений в виде отдельных контактов и столбиков металла. Схемы эквивалентных замещений сопротивлений сварочных кон- тактов для стыковой и точечной сварки показаны! на фиг. 28. Из этих схем ясно, что наибольшее тепло при данной силе тока должно развиваться в той части электрической цепи, в которой сопротивление имеет наибольшее значение. В обычных условиях 47
сварки оказывается наибольшим и является поэтому кон- центратором тепла при сварке. В начальный момент сварки нагревание происходит не одно- временно по всей поверхности контакта, а по элементарным Фиг. 29. Схема образования сварного соединения при электри- ческой контактной сварке (кроме сварки оплавлением) по от- дельным этапам. а—вид контакта свариваемых деталей без приложения давления на электроды; б—вид контакта с приложенным давлением на электроды; в—начальный момент прохождения сварочного тока по отдельным микроскопическим выступам в контакте; г—процесс плавления во внутреннем сварочном контакте; д— вероятное распре- деление линии тока при точечной и роликовой сварке; е—структур- ное распределение отдельных зон шва при точечной и роликовой сварке; /—зона расплавленного металла; 2—зона перекристалли- зации; 3—зона основного металла. микроскопическим выступам его, являющимся как бы отдель- ными источниками генерируемого тепла. Последовательный процесс нагревания сварочного контакта показан на фи-г. 29,а—е (19]. После предварительного сжатия деталей между элек- тродами приходят в соприкосновение один или два элемен- тарных выступа, представляющих собой физическую точку каса- 48
ния в контакте при Г=0 (см. фиг. 29,а, б). Через эти единич- ные выступы весь ток вторичной цепи сварочной машины устремляется в момент включения машины к сети и вследствие сужения линии тока и образования в этих выступах высокой плотности тока порядка 10* а/мм2 мгновенно разогревается эле- ментарный объем соприкасающихся выступов (см. фиг. 29,в). Последние, находясь одновременно под непрекращающимся дей- ствием силы сжатия Р, быстро сминаются. Тогда приходят в соприкосновение другие, рядом расположенные элементарные точки на поверхности того же сварочного контакта. По новым выступам также начинает протекать ток, и зона нагретого ме- талла непрерывно увеличивается (см. фиг. 29,г). Вся поверх- ность контакта нагревается до некоторой степени также бла- годаря теплопроводности каждого разогретого элементарного выступа. Необходимо заметить, что формирование сварного шва (по рассмотренным здесь стадиям) в зависимости от свариваемого металла требует очень малого промежутка времени (порядка 0,01-7-0,04 сек.); за такой и более короткий промежуток вре- мени температура соприкасающихся выступов сварочного кон- такта достигает в одних случаях температуры плавления, а в других и кипения металла. Дальнейшее протекание тока в сва- рочном контакте происходит уже во многих выступах одновре- менно и, следовательно, для данной стадии приближается к случаю протекания тока в неразрывном столбике металла сва- риваемых листов или стержней. При этом плотность тока зна- чительно уменьшается, примерно до 100—300 а/мм* для сталей и 8004-2000 а1м.м2 для цветных металлов. Когда Л достигает температуры плавленця, происходит сращивание касающихся поверхностей двух деталей, и внутрен- него контакта больше нет. Однако центр генерирования тепла сохраняется в зоне внутреннего контакта, как более удаленной от охлаждающих торцов электродов. Распределение линий тока при точечной сварке показано на фиг. 29,д. г При форсированном режиме сварки размер ядра точки весь-t ма чувствительно реагирует на изменение величины тока и в гораздо большей степени, чем при изменении других парамет-> ров. Аналогично электрическому процессу контактной сварки, температурное поле также носит исключительно нестационарный характер. В соответствии с изменением градиента температуры между внутренним контактом и наружной поверхностью изделия (под электродом) изменяется структура металла шва, зависящая от физических свойств свариваемых металлов, температуры на- грева и скорости охлаждения. 49
Металлографический анализ сварных швов свидетельствует о наличии расплавленной зоны ядра шва и перекристаллизации ближайших зон вокруг ядра. В ядре возникают новые кристал- лы, и обе заготовки так срастаются между собой в одно целое, что не удается даже определить существовавшие до сварки границы раздела в сварочном контакте. На фиг. 29,е показано соединение двух металлических листов, когда процесс образования сварной точки закончен. Для каждого сорта и состояния сплава, а также для каж- дого вида сварки, размеры зон нагрева будут различаться между собой. Эти размеры зависят, кроме того, еще от продол- жительности нагрева в процессе сварки. Для некоторых сплавов микроструктура сварного соединения зависит главным образом от скорости охлаждения после сварки, а также от химического состава. При этом сварной шов (на закаливающихся сталях) закаливается, что приводит к повы- шению твердости шва по сравнению с основным металлом и, следовательно, к понижению пластических свойств. В этом слу- чае закалка происходит в зоне температур, превышающих кри- тическую точку Act. В зоне температур между Аса и Ас\ наблю- дается постоянное уменьшение твердости и прочности по срав- нению с основным материалом. В зоне, соответствующей точ- ке -Ас,, уменьшение твердости будет зависеть от состояния мате- риала до сварки *. При точечной сварке объем ядра каждой точки весьма мал и представляет собой каплю расплавленного металла в целом слитке, поэтому скорость охлаждения нагретого металла весьма велика. Металл вокруг сварной точки, разогретый за время про- хождения тока, представляет собой как бы тепловую изоляцию вокруг расплавленного металла ядра, понижающую несколько скорость охлаждения последнего. Образующиеся при затверде- вании шва крупные кристаллы характерны своей дендритной структурой. Величина зоны термического влияния вокруг сварного шва зависит от параметров сварочного режима /, t, Р. На фиг. 30 приведены макроструктуры сварных точек для различных металлов (малоуглеродистой стали — а, нержавею- щей стали — б и дуралюмина — в). Для уплотнения металла шва и уменьшения влияния рекри- сталлизации на прочность сварных швов (при сварке легких сплавов) рекомендуется увеличивать давление Р3, приложенное к электродам в момент окончания сварки, как показано на фиг. 31. Седлообразное изменение давления при сварке соответствует приложению болыиого усилия Рг до начала сварки (для созда- 1 При сварке холоднокатаной малоуглеродистой стали твердость шва оказывается ниже твердости основного металла. 50
Фиг. 30. Л1акроструктуры швов, выполненных точечной сваркой с- сварная точка на листовой малоуглеродистой стали 2+2л.м (увеличение 12); б точка на листовой нержавеющей стали 0,94-0,9 мм (увеличение 35); в—точка на листовом дуралюми- е 14-1 мм (увеличение 20). 51
ния надежного контакта), снижению давления во время проте- кания тока до Р2 и повторному увеличению давления до Р, при окончании сварки с целью проковки шва (см. фиг. 31,а). График б соответствует созданию на электродах постоянного усилия Pi при сварке каждого шва и повышенного усилия Ps для проковки шва в конце процесса сварки. Механическая прочность сварного шва при точечной сварке определяется главным образом геометрическими раз- мерами последнего. Следова- тельно, для получения равно- прочных точек на одном и том же материале необходимо, что- бы сварка однотипных изделий производилась при одинако- вых параметрах режима. Фиг. 31. Графики давления на электроды в продолжение сварки каждого шва. Под размерами сварной точки подразумевают размеры се ядра (см. фиг. 30), полученные после шлифовки и травления сечения шва. Прочность прямо пропорциональна размерам точ- ки до некоторого оптимального объема расплавленного ядра. Выход ядра (литой структуры) на поверхность листов обычно снижает прочность точки. Сварочный тан, а Фиг. 32. Зависимость прочности сварных точек от величины тока. Фиг. 33. Зависимость прочности сварных точек or продолжитель- ности прохождения тока при свар- ке листового дуралюмина. Характерная зависимость прочности сварного соединения от изменения величины сварочного тока для листов из алюминие- вых сплавов показана на фиг. 32. Характер изменения прочности сварного шва в зависимости от продолжительности прохождения тока обусловлен особен- ностями свариваемого материала. Обшей закономерной зависи- мости для всех металлов между прочностью точек и продолжи- тельностью сварки нет. Изменение прочности сварных точек, как функция времени сварки, показана для дуралюмина на фиг. 33. По графику видно, что статическая прочность сварного шва 52
(при неизменных остальных параметрах) увеличивается с ростом ДО известной величины. При дальнейшем увеличении времени сварки прочность шва перестает расти. § 9. Искусственное перемещение центра генерирования тепла при сварке неоднородных металлов При контактной сварке двух одинаковых металлических де- талей и при выборе одинаковых по материалу электродов и их геометрических размеров центр генерирования тепла образуется во внутреннем сварочном контакте /?1К (см. фиг. 28). Ядро точки и зоны теплового влияния (для случая точечной или роликовой сварки) располагаются симметрично в соединяемых листах (см. фиг. 29). В случае же сварки деталей различной толщины или с раз- личньпии теплофизическими свойствами центр тепла 1 переме- щается и ядро сварной точки располагается асимметрично от- носительно горизонтальной оси внутреннего контакта (О—О', ф'иг. 27). Для получения нормального соединения необходимо в этом случае принимать специальные меры, чтобы сохранить центр тепла в сварочном контакте /?1К. Асимметричное положе- ние центра тепла относительно оси шва наблюдается также (как будет показано ниже) и при стыковой сварке металлов. Рассматриваемое явление объясняется тем, что центр генери- рования тепла возникает при данной силе тока в области наи- большего электрического сопротивления в последовательной цепи (на участке между электродами сварочной машины) и в наиболее удаленной от охлаждающих торцов медных электро- дов. Чтобы избежать асимметричного расположения ядра от- носительно горизонтальной оси шва, необходимо искусственно балансировать процессы нагрева и охлаждения в момент свар- ки. Поясним следующим примером. Допустим, что требуется соединить точечной сваркой медь со сталью. Соединение может быть получено в данном случае лишь при искусственном уменьшении плотности тока и увеличении тепло- отдачи ® электрод со стороны листа с низкой электропровод- ностью (стали) и при обратном действии со стороны листа меди. Положительный эффект может быть также достигнут искус- ственным подогревом в контакте электрод—лист со стороны меди путем применения для этой цели специальной прокладки из материала с большим электросопротивлением (жароупорная сталь, хромомолибден) или, наконец, путем использования обоих методов вместе. Если попытаться соединить медь со сталью таким же образом, как при точечной сварке деталей из одинаковых мате- риалов, то увидим, что нагреваться будет только стальной лист (фиг. 34,а), в то время как медь останется холодной. 1 Подразумевается центр генерирования тепла. 53
Применение прокладки под верхним и нижним электродами (см. фиг. 34,6) также не обеспечит удовлетворительной сварки. Центр тепла расположится в стальном листе, а медь, у которой Фиг. 34. Схема искусственного перемещения центра генериро- вания тепла для получения удовлетворительных швов при точечной сварке металлов с различными тепловыми, и физи- ческими свойствами. теплопроводность гораздо выше, нагреется мало. Слабой свар- ки можно достичь при искусственном уравновешивании тепла в соединяемых листах, как показано па фиг. 34,в. Некоторое сцеп- ление указанных листов получится при большем снижении интенсив пости нагрева со стороны стали путем увеличения диа- метра торца верхнего электрода (см. фиг. 34,г)1. Фиг. 35. Макрошлиф сварной точки разнородных сталей и не- . одинаковых толщин. Малоудовлетворительная сварка таких листов получается при одинаковом диаметре электродов, но при наличии рельеф- ною выступа на медном листе или при сварке листов неодина- ковой толщины (см. фиг. 34,о). 1 Эти методы спарки стали с медью ненадежны и не могут быть реко- мендованы промышленности.
Для получения хорошего соединения при контактной сварке разнородных металлов необходимо, чтобы центр тепла распо- лагался во внутреннем контакте соединяемых деталей. Примером искусственного перемещения центра генерирова- ния тепла при точечной сварке может служить макрошлиф сварной точки, полученный автором книги при точечной сварке листа малоуглеродистой стали толщиной 2 мм с листом высоко- прочной стали (оа“200 кг/мм2), толщиной 6 мм (фиг. 35). Диаметр электрода со стороны толстого листа был в 2—3 раза более диаметра со стороны малоуглеродистой стали. Для точечной и роликовой сварки разнородных металлов, резко отличающихся по теплофизическим свойствам (например, алюминиевые сплавы со сталью), указанный метод недостато- чен. Для таких соединений разработан специальный метод кон- тактной сварки (§ 90). § 10. Влияние состояния поверхности контакта до сварки на качество и стабильность сварного шва При точечной или роликовой сварке металлических листов с необработанными контактными поверхностями первоначальный очаг сварной точки образуется часто не в центре ее, а в слу- чайном месте контакта, т. е. в том месте, где произошло первое случайное разрушение оксидной пленки. Этим объясняется яв- ление смещения сварной точки по отношению к центральной оси электродов или уменьшение размера и формы ядра точки. Результаты экспериментального исследования влияния вели- чины контактного сопротивления на стабильность сварных то- чек при различных способах обработки поверхности дуралюми- на 1 приведены в табл. 9. Для каждого вида обработки поверх- ности сопротивление холодного контакта замерялось непосред- ственно перед сваркой. Сварка производилась форсированным режимом при одинаковых параметрах, независимо от метода обработки (/2~15ООО а; /=0,1 сек.; Р»300 кг\ электрод сфе- рический). Из табл. 9 видно, что прочность точечных соединений не строго пропорциональна контактному сопротивлению. Несмотря на близкие значения прочности точечных соеди- нений, при больших колебаниях величины (за исключением п. I табл. 9) стабильная прочность точек в производственных условиях может быть достигнута только, если /?1К равно зна- чениям, указанным далее, на стр. 57. Исследование макроструктур сварных швов на материале Д16Т толщиной 0,54-0,5 мм, выполненных при указанном здесь режиме сварки и при указанной в табл. 9 подготовке, показа- 1 См. сноску на стр. 26. &5
Таблица 9 Влияние величины контактного сопротивления на прочность точки для дуралюмина Д16Т (0,5+0,5 мм) [Пугачев] № по пор. Подготовка поверхностей пластин Под сварку Сопротивление холодного кон- такта /?1м, МКОМ Срезывающее уси- лие на сварную точку, кг миним. — макс. сред. миним. макс. <U £ 1 Только обезжиривание (бен- зином) 100 1500 400 50 110 77 2 Только обезжиривание (в ще- лочной ванне) 775 1600 1060 ПО 140 125 3 Обезжиривание бензином и за- чистка наждачной бума- гой со всех сторон 55 80 65 100 140 121 4 Обезжиривание бензином н зачистка проволочной щет- кой со всех сторон 41 62 45 105 130 115 5 Обезжиривание бензином; травление в ортофосфорной кислоте. Сушка в шкафу при 7*=»80-100° С 92 107 100 125 140 133 6 Обезжиривание химическим путем; травление и сушка, как в и. 5 120 450 330 100 120 113 7 То же, что в п. 5, но сушка на воздухе 210 540 390 НО 140 125 8 То же, что в п. 5, но без про- тирки после травления; сушка на воздухе 95 915 470 100 140 116 ло, что наилучшая стабильность по размерам и форме ядра точки достигается при травлении ортофосфорной кислотой. При механической зачистке листов (со всех сторон) ста- бильность точки получается удовлетворительной. Другие способы обработки поверхности, указанные в табл. 9, дают разброс размеров ядра точек; в одних случаях происхо- дит выход литой структуры точек на поверхность с образова- нием внутренних трешин, а в других — непровар. Можно рекомендовать при механической обработке под сварку поверхности деталей из мягких алюминиевых сплавоа 56
производить зачистку только наружных поверхностей заготовок, если исходный материал соответствует по чистоте и микро гео- метрии техническим условиям. Если очень мало (что соответствует свежезачищенному контакту и большому значению Р), то действительная площадь, внутреннего контакта оказывается гораздо больше площади круга с диаметром, равным торцу электрода. Линии тока в этом случае располагаются также по кольцу вокруг точки, превы- шающему размер зоны термического влияния. В таких случаях соединение получается слабым (непровар). При повышенном значении и при заданной силе тока ли- нии тока кднцентрируются на меньшей площади внутреннего контакта с разрушенной пленкой, вокруг которого расположены изоляционные прослойки в виде пленок, препятствующих про- теканию тока. Плотность тока поэтому здесь возрастает, что приводит к нормальному расплавлению ядра заданного объема. Наконец, при чрезмерно высоком напряжение холостого хо- да (73 точечной машины оказывается недостаточным для элек- трического пробоя оксидной пленки, и сварка не получается вовсе. Следовательно, при заданных параметрах сварочной ма- шины должны быть установлены оптимальные величины /?1К. Например, для сварки двух листов дуралюмина 1FF1 дни на машине мощностью до 100 кеа можно применять /?,к= — (3004-500) 10~6 ом; на машинах мощностью 200 кеа и более /?,<=( 1004-350) НГ° ом. Наконец, для импульсных точечных машин электромагнитно- го и конденсаторного типов 100*1 О’* ом. Такая градация /?1Ж. может быть достигнута регулировкой давления на электроды. § 11. Процесс стыковой сварки методом оплавления При стыковой сварке без оплавления нагревание сваривае- мых концов заготовок достигается применением больших вели- чин электрического тока, характеризующихся плотностью 50— 100 а/мм2. ' В отличие от этого способа нагревание заготовок при сты- ковой сварке оплавлением происходит при меньших значениях тока и в три или две стадии: предварительный нагрев, оплав- ление и окончательная осадка, или только две последние ста- дии. Стыковая сварка оплавлением без подогрева подразделяется в свою очередь на сварку непрерывным и прерывистым оплавле- нием. Оплавление стыков необходимо главным образом для того, чтобы достичь в металле на некотором расстоянии от свароч- ного контакта температуры пластического состояния одинаковой по всему сечению. 57
Три или две стадии процесса сварки оплавлением осуще- ствляются искусственным изменением сопротивления сварочного контакта, которое достигается изменением величины прилагае- мого усилия, а также скорости подачи заготовки сваривае- мого изделия в процессе оплавления. В начальный момент сварки включают машину и прилагают усилие, достаточное для образования надежного контакта (0,54-2 кг/мм2). Нагревание контакта происходит в соответ- ствии с изложенной выше теорией генерирования тепла при контактной сварке металлов. Затем, по мере подогрева торцов сварочного контакта до 600—800°С (для сталей), переходят ко второй стадии процесса и резко снижают усилие сжатия. При снятом усилии уменьшается истинная плошадь касания кон- такта, и ток течет по отдельным расплавленным единичным мостикам в сварном стыке. При этом сопротивление в стыке быстро возрастает, а сварочный ток соответственно уменьшает- ся; однако, плотность тока вследствие дополнительного суже- ния линии тока в контакте и заданного напряжения машины возрастает, и образующиеся мостики нагреваются весьма интен- сивно, достигая мгновенно температуры плавления и даже паро- образования металла. Пары металла вследствие избыточного давления в том или ином мостике взрывают его и вырываются из стыка, увлекая за собой частицы жидкого металла, сгорающие на воздухе в виде снопа искр; искры вылетают во все стороны, но большей частью по направлению магнитного поля рассеяния. Вслед за разрушением мостиков, благодаря непрерывному действию сбли- жающего заготовки усилия, приложенного к электродам, прихо- дят в соприкосновение и другие противолежащие выступы в контакте, образуя новые мостики для прохождения электри- ческого тока; при этом полностью повторяется процесс нагре- вания и главным образом выгорания металлических выступов. Этот процесс протекает настолько быстро и интенсивно, что создается впечатление непрерывного процесса плавления и вы- горания торцов, получившего поэтому название оплавления. Процесс выжигания продолжают до того момента, пока концы свариваемых заготовок изделия не оплавятся до заданной ве- личины, после чего производят осадку с большим усилием, вы- ключая одновременно сварочный ток. Сжатые нагретые торцы образуют неразъемное соединение. При автоматическом управлении сварочным процессом пере- ход от одной стадии к другой совершается при помощи вра- щающегося кулачка соответствующей геометрической формы или другого механизма. В момент завершения сварки (процесс осадки) часть жидко- го металла, оставшегося па соприкасающихся торцах, выдавли- вается из стыка наружу в виде грата. Нагревание выступающих концов изделия от стыка до токопроводящих зажимов происхо- 58
дит от нагретого контакта главным образом за счет теплопро- водности. Само изделие в процессе оплавления нагревается протекающим током не очень сильно, так как плотность тока относительно низка, а время сварки исчисляется секундами. Величина оплавляемого участка металла устанавливается в за- висимости от необходимой глубины нагрева металла и физиче- ских свойств каждой из двух свариваемых заготовок в отдель- ности. При автоматической стыковой сварке оплавлением (только при двух стадиях) начинают непосредственно с оплавления без предварительного подогрева. Подогрев прерывистым оплавле- Фиг. 36. Вид сварочного стыка при вне- запном прекращении процесса оплавле- ния стержней. нисм совершают путем периодического, через 0,5—1 сек., вклю- чения и выключения тока при замкнутом и разомкнутом стыке. Момент выключения тока во время осадки, как будет пока- зано ниже, существенно влияет на качество шва, поэтому выбор момента выключения должен быть строго установлен в зави- симости от свариваемого металла. Если процесс оплавления металла при сварке протекает со- гласно выше описанному, то образующиеся на поверхности сва- рочного контакта выступы в кратеры должны сохраниться при внезапном прекращении процесса оплавления, не доведенного до окончательной стадии, т. е. до осадки. На фиг. 36 показаны торцы двух металлических стержней после внезапного прекра- щения процесса оплавления; поверхности нарушенного контакта покрыты выступами, кратерами и извилинами различной формы. Проведенные эксперименты [17; 19 и 22] подтверждают пра- вильность представления о физическом процессе сварки оплав- лением. На фиг. 37 показана осциллограмма изменения вели- чины тока при ручной сварке в течение 8 сек. непрерывным оплавлением двух круглых стержней диаметром 16 мм. Диаграммы тока и мощности, записанные самопишущими приборами при ручной сварке оплавлением стержней сечением 450 мм2, приведены на фиг. 38 [17]. 5»
Как видно из диаграмм, величины тока и мощности в 3—4 раза больше в первой стадии процесса, чем во второй, а третья стадия примерно в два раза больше второй. Фиг. 37. Осциллограмма сварочного тока при стыковой сварке оплавлением с пред- варительным подогревом. Электрическая мощность, необходимая для первой стадии процесса сварки оплавлением, должна быть достаточной для предварительного нагревания соприкасающихся торцов пример- но до температуры 600—800°' С (для сталей). Если же мощность машины недостаточна', то нагрев сечений заготовок осуще- ствляют прерывисто. а) Фиг. 38. Диаграммы тока н мощности, записанные самопишущим прибором при стыковой сварке стержней сечением 450 ммг. Полное время сварки /с=13,1 сек. с—кривая тока; б—кривая мощности. При стыковой сварке с предварительным подогревом коли- чество выгорающего металла в процессе оплавления будет мень- ше, чем при сварке без подогрева. Наименьший объем металла, который необходимо оплавить, чтобы обеспечить нагревание до температуры сварки, опреде- ляют для каждого отдельного случая экспериментальным пу- тем. 60
§ 12. Влияние шунтирования тока при контактной сварке При контактной сварке металлов оказывает влияние на раз- меры шва шунтирование тока по путям, параллельным свароч- ному контакту. Эти параллельные токи в большинстве случаев никакой полезной работы не производят и являются паразит- ными токами. Влияние шунтирования тока неодинаково сказывается при различных видах контактной сварки. Анализ влияния шунтиро- вания тока при каждом виде сварки приведен ниже. Попытаем- ся вначале составить эквивалентную электрическую схему, со- ответствующую многоточечным соединениям. Для анализа явления шунти- рования тока при роликовой или точеч!юй сварке с малым ша- гом можно использовать схе- му, показанную на фиг. 39. При сварке первой точки эквивалент- ная схема сопротивления будет аналогична схеме фиг. 28, но при многоточечном соединении схема значительно усложняется, как это и показано на фиг. 39. В самом деле, при завершении сварки первой точки электриче- ское сопротивление ее умень- шается до сопротивления стол- бика /?т, показанного на схеме пунктиром. В начальный момент сварки второй точки ток в сва- Фиг. 39. Эквивалентная схема сопротивлений контакта и сварных точек, характери- зующая шунтирование тока при сварке. риваемом металле проходит по двум путям: в точке 2 через все указанные на схеме сопротив- ления и в предыдущей точке 1, имеющей теперь малое сопро- тивление /?г. Величина тока, протекающего через точку 1, будет зависеть от сопротивления /?м, зависящего в свою очередь от расстояния между точками и удельного сопротивления свари- ваемого металла ’. При сварке третьей точки шунтирование то- ка происходит в двух предыдущих точках и т. д. Явление шун- тирования тока ощутительно влияет на уменьшение размеров последующих точек (и, следовательно, на их прочность), осо- бенно при сварке металлов с высокой электропроводностью. При точечной сварке металлов с низкой электропроводностью шунтирующий ток ограничивается сопротивлением и при нормальном шаге точек, равном 4—5 d, практически мало влияет на процесс сварки последующих точек. 1 /?м—сопротивление двух участков листа от каждого контакта (элек- трод—лист) до ядра готовой точки. Остальные обозначения соответствуют обозначениям иа фиг. 28. — электроды. 61
Очевидно, величина ответвляющегося тока будет обратно пропорциональна электрическому сопротивлению в каждой па- раллельной цепи. Весьма интересно выяснить величину шунти- рующего тока в соседних точках. Для этого обратимся вновь к фиг. 39 и определим самым элементарным методом 1 сопротив- ление двух параллельных путей — от верхнего электрода Эх че- рез точку 3 к нижнему электроду Э2 и сравним с сопротивле- нием основного сварочного (холодного) контакта. Сопротивление параллельной цепи через точку 3 будет равно: где q — сечение, определяемое диаметром сварной точки и тол- щиной листа в мм2, предполагая, что шунтированный ток проходит не по всему сечению листа, а по стерж- ню, ширина которого равна диаметру точки; I — кратчайшее расстояние между верхним электродом, точкой 3 и нижним электродом в м\ Рт— удельное сопротивление металла, нагретого благодаря теплопроводности сварной точки. Шунтирование происходит в самом материале, поэтому со- противление наружных контактов сюда не входит. При одинаковом расстоянии между сварными точками со- противление шунта от электродов через точку 2 будет равно: Чтобы подсчитать шунтирующий ток в процентах, достаточ- но знать сопротивление внутреннего контакта и R шунта. Затем из отношения определяем процентное ответвление тока по шунту. Пример. Определить значение шунтирующего тока при то- чечной сварке двух дуралюминовых листов толщиной 1 + 1 мм, если расстояние между центрами точек равно 20 мм, а средний диаметр ядра точки равен 4 мм. Внутреннее сопротивление сва- рочного контакта 0,000100 ом. Сопротивление шунта (через близлежащую точку): /?ш = рт —; /=2-0,02=0,04 м\ q = 4-1=4 мм'; q р2о» = 0,034; рт=р2о-(1| а2^)- При средней температуре металла, равной 100° С, полу- чим: P(ioo)=0,034( 1 + 0,0037 -100)=0,034 -1,37 = 0,0466. /?ш = 0,0466 ^=0,000466 ом. 1 Другой метод расчета дан в книге А. С. Гельмана «Контактная элек- тросварка» Машгиз, 1949. 62
Отношение сопротивления шунта к внутреннему сопротивлению холодного сварочного контакта выразится следующим образом: /?ш 0,000466 . сс —--------— 4 bb. /?1К 0,000100 Следовательно-, в момент включения через соседнюю точку ответвится ток, равный или 21% основного тока. 4,66 По мере нагрева1иия контакта, при сварке дайной точки со- противление резко падает (в 5—10 раз), отношение ра- стет и величина шугггирующего тока резко снижается. Влияние шунтирующего тока при роликовой сварке, учиты- вая особую близость рядом расположенных точек шва, выясним также путем решения примера; при этом следует пользоваться рассуждениями, приведенными в предыдущем примере для то- чечной сварки. Пример. Вычислить величину сопротивления пути тока, па- раллельного сварочному контакту и проходящего через ближай- шую сварную точку роликового соединения. /?1К примем таким же, как и при точечной сварке, и допу- стим, что расстояние между центрами сварных точек равно 4 мм. Температура сварной точки к моменту схода ролика на участок рядом расположенной точки не успеет еще понизиться. Приняв температуру сварной точки в указанный момент равной 75% температуры плавления свариваемого металла, вычислим изме- нение удельного сопротивления р при этой температуре, а за- тем сопротивление интересующего нас участка. Температура плавления дуралюмина равна 660° С; 0,75 • 66(Г ^50(ТС; р600 = 0,034(1 + 0,0037-500) = 0,034-2,85 = 0,097; /?га = -°^4 0,097—0,000194 ом- Пш 0,000194 = 1 д4 0,000100 ’ * т. е. сопротивление шунта ближайшей точки больше внутрен- него сопротивления холодного контакта в 1,94 раза. Отсюда следует, что при роликовой сварке металлов необ- ходимо повысить давление на ролики, а главным образом силу тока на 30—50% по сравнению с мощностью и давлением, при- меняемым для точечной сварки того же металла. Таким же образом можно подсчитать величину шунтирующего тока и для других металлов. Явление шунтирования при роликовой сварке имеет также положительное значение. Под действием тока шунтирования про- исходит последующий нагрев сварного шва,, который снимает часть напряжения, а также способствует некоторой диффузии элементов, ликвирующих при быстром затвердевании шва. 65
При сварке встык замкнутых контуров (обода колес и др.) сварочный ток ответвляется по материалу изделия, как это по- казано на фиг. 40. Необходимо выяснить величину шунтирую- щего тока по замкнутому контуру с тем, чтобы установить нуж- ный цри этом режим сварки. Сопротивление Z замкнутого контура изделия является кажущимся сопротивлением и определяется по известной фор- муле /?2 + Л2 ом, где /?*— активное сопротивление металла изделия, в которое включено также сопротивление от явления поверхност- ного эффекта; X — индуктивное Фиг. 40. Схема шун- тирования тока при стыковой сварке замкнутых контуров. сопротивление контура. Из отношения можно опреде- лить величину шунтирующего тока. Ток, ответвляющийся по замкнутому контуру изделия, будет обратно пропорционален сопротивлению Z. Отношение к Z может быть уменьшено при дальнейшем повышении приложенного к электродам давления или путем искусственного уве- Диаметры замкнутых контуров Фиг. 41. I рафик, характеризующий увеличение необходимой мощности при стыковой сварке колец с уменьшением их диаметра. личения значения индуктивного сопротивления замкнутого кон- тура при помощи включения в цепь контура специального магнитопровода. Если замкнутый контур свариваемого изделия мал, то шунтирующий ток велик, что затрудняет сварку этих изделий. 64
В большинстве случаев стыковой сварки замкнутых контуров редко применяют искусственное ограничение шунтирующего тока из-за неудобства конструкции и пользуются повышенной силой тока для компенсации шунтирующего тока. Поэтому по- требление мощности при стыковой сварке замкнутых контуров (особенно малых размеров) всегда больше, чем при сварке соответствующих сечений незамкнутых изделий. Зависимость повышения расхода мощности от диаметра и поперечного сечения замкнутого кольца показаша на фиг. 41. Глава IV НОВЫЕ ВИДЫ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ § 13. Преимущества литания контактных сварочных машин выпрямленным током При электрической контактной сварке переменным током большая доля мощности расходуется па неизбежные и непро- изводительные потери на реактанс рассеяния внешнего контура сварочной машины. Потери мощности здесь тем значительнее, чем больше размеры внешнего контура сварочной цепи. Мощность трансформатора сварочной машины переменного тока складывается, как известно, из расхода мощности в сва- рочном контакте и потерь мощности во всей внешней цепи. Сварочный процесс ряда металлов возможен только, при весьма кратковременных импульсах тока; поэтому требуемая мощность сварочного трансформатора еще больше от этого воз- растает и достигает сотен ква. Коэффициент мощности таких сварочных машин довольно низок: cos 9 =0,34-0,5. Кроме того, сварочные машины строятся обычно с одноф'аз- иыми трансформаторами; поэтому нагрузка фаз электрической сети получается неравномерной при низком cos 9. Однако со всеми перечисленными недостатками контактной сварки металлов переменным током приходится мириться, так как она имеет большие технико-экономические преимущества по сравнению с другими методами соединения. Между тем существует возможность производить контактную сварку ряда металлов выпрямленным одноимпульсным током, имеющим ряд преимуществ перед контактной сваркой пере- менным током. Как показывают опыты, некоторые виды контактной сварки (точечная, стыковая) успешно осуществляются, если питать сва- 65
ричные машины через специальную аппаратуру от сети вы- прямленного тока. Такое питание контактных машин выпрямленным током дает следующие преимущества: 1. При питании машины выпрямленным током реактанс рас- сеяния во внешнем контуре не оказывает влияния на cos 9 сети. 2. Вместо однофазной неравномерной нагрузки сети мы имеем в этом случае возможность равномерно нагружать все три фазы. 3. Сварочные машины работают без образования пиковых нагрузок в электрической сети. В связи с этим отпадают труд- ности, связанные обычно со включением мощных сварочных ма- шин в энергетическую систему предприятия и необходимостью поэтому устанавливать отдельные силовые трансформаторы для питания каждой машины или группы их; кроме того, отпадает необходимость уплаты штрафа за лишнюю установленную мощ- ность и за низкий cos 9. 4. Возможность точно дозировать энергию без применения специальных аппаратов-токопрерывателей. Колебания напряже- ния сети в момент сварки практически не сказываются на ре- зультатах сварки. 5. Благодаря кратковременному протеканию сварочного тока уменьшается износ электродов; они мало загрязняются и очист- ка их при точечной сварке легких сплавов, например, произво- дится в 5—7 раз реже, чем при сварке переменным током. При питании сварочной машины постоянным током значи- тельно понижается потребная мощность машины по сравнению со сваркой на переменном токе. Расход мощности при контактной сварке выпрямленным то- ком приблизительно в 6—10 раз меньше мощности, потребляе- мой сварочными машинами переменного тока. Так, например, на импульсной машине с трансформатором в 40 ква можно осу- ществлять такую же работу, как и на сварочной машине пе- ременного тока в 350 ква. Такая разница’ в расходе мощности объясняется тем, что продолжительность разряда каждого сва- рочного импульса гораздо меньше продолжительности заряда, хотя общее время заряда и разряда обеспечивает высокую про- изводительность порядка 30—80 сварных точек в минуту. Кратковременный импульс тока, но большой величины, обеспе- чивает локализованный нагрев без рассеяния тепла. Импульсную контактную сварку выпрямленным током мож- но осуществлять двояким образом: а) разрядом электромагнит- ной энергии и б) разрядом статических конденсаторов. Импульсную сварку можно применять для точечной, много- точечной, рельефной и стыковой сварки. 66
§ 14. Электромагнитная точечная сварка Постоянный ток подводится к первичной обмотке трансфор- матора сварочной машины, у которого вторичная цепь через электроды замкнута на изделие. По мере накопления электро- магнитной энергии в трансформаторе необходимо прервать пи- тание первичной цепи. При отключении электрического тока электромагнитное поле сварочного трансформатора быстро убы- вает. Во вторичной (замкнутой) цепи трансформатора индукти- руется при этом электродвижущая сила Es, которая выражает- ся уравнением где 1Г, — число витков вторичной обмотки сварочного транс- форматора; ——изменение потока по времени. При разомкнутой вторичной цепи сварочного трансформато- ра прерывание первичной цепи (соединенной с источником по- стоянного тока) вызовет полный разряд накопленной электро- магнитной энергии в виде мощной дуги на контактах выклю- чающего устройства. Если же вторичная цепь трансформатора замкнута, то энергия электромагнитного поля (в момент вы- ключения) трансформируется во вторичной цепи. В замкнутой вторичной цепи сварочной машины возникает импульс тока, величина которого обусловлена коэффициентом трансформации между первичной и вторичной обмоткой. Этот ток является свободным током неустаповившегося ре- жима. Он зависит от параметров активного и индуктивного со- противлений вторичной цепи. Процесс электромагнитной сварки зависит еще от скорости выключения первичной цепи. Чем больше скорость разрыва питания первичной цепи, тем больше скорость нарастания на- пряжения в момент разрыва и тем больше величина свароч- ного тОка во вторичной цепи. Для уменьшения времени разрыва первичной цепи рекомен- дуется применять либо быстродействующие контакторы, соеди- ненные последовательно, либо управляемые ионные выпрями- тели. При этом выключать контакторы следует быстро и вместе с тем поочередно один за другим, благодаря чему ускоряется процесс выключения постоянного тока. Дуга, образовавшаяся в воздушном промежутке контактов одного контактора, разо- рвется вслед затем во втором и третьем контакторах. Большие скорости выключения достигаются в случае при- менения ионных выключателей вместо контакторов. При этом 67
сила сварочного тока будет иметь всегда один знак. Несмотря на кратковременное протекание тока во вторичной цепи, вы- деляемая энергия в сварочном контакте достаточна для свар- ки различных деталей. Наиболее простая схема включения сварочной машины в цепь постоянного тока представлена на фиг. 42. Переменное напряжение трехфазного трансформатора выпрямляется через выпрямитель 2. Шины постоянного тока соединены с первич- ной обмоткой 5 сварочного трансформатора через контактор 3. Управление контактором производится через реле 4. Фиг. 42. Принципиальная схема установки для электромагнитной точечной сварки. 1—сетевой трансформатор; 2—выпрями- тельная лампа; 3—контактор; 4—реле мак- симального тока; 5—первичная обмотка сварочного трансформатора (с воздушным зазором); б—вторичная обмотка. Работа по этой схеме происходит следующим образом: спер- ва сдавливают изделие между электродами и затем включают контактор 3 к шинам постоянного тока. Как только сила тока в первичной цепи трансформатора достигнет необходимой ве- личины, срабатывает максимальное реле 4 и выключает кон- тактор 3. В момент отключения первичной обмотки трансформатора от источника выпрямленного тока происходит сварка. Для сле- дующей точки необходимо вновь включить контактор и повто- рить последовательно все операции. Количество энергии Q», накапливаемой в магнитном поле трансформатора, находится в прямой зависимости от величины протекающего тока 1и размеров трансформатора и числа вит- ков, характеризуемых коэффициентом самоиндукции Lt Q=—LP втсек. 2 68
Для наилучшего использования железа трансформатора применяют большие индукции в железе, перемещающие рабо- чую точку в область насыщения. При этом снижаются вели- чины коэффициента самоиндукции L и магнитной проницае- мости ц. Чтобы избежать уменьшения L, необходимо иметь воздуш- ный зазор в сердечнике трансформатора. Если в магнитной цепи трансформатора предусмотрен один или несколько воздушных зазоров, то напряженность магнит- ного поля уменьшается. Как уже было упомянуто выше, ток, возникающий в сва- рочной цепи, является током неустановившегося режима. Ве- личина сварочного тока может быть найдена аналитическим путем. Не приводя здесь громоздкие решения необходимых дифференциальных уравнений, приводим лишь окончательные выражения токов первичной и вторичной цепей установки при электромагнитной сварке [23]: а1~«2 М ) *1(01-02) где Здесь —омические сопротивления и коэффициенты самоиндукции первичной и вторичной цепей установки; М—коэффициент взаимоиндукции; А—коэффициент связи; /1 —значение установившегося тока первичной цепи Л = “ при £ —0. Кривая сварочного тока имеет форму, получающуюся при апериодическом разряде. Ддительнрсть протекания, сварочного тока зависит от величины активного сопротивления во вторич- ной цепи. На фиг. 43 дана осциллограмма, характеризующая энерге- зический процесс электромагнитной сварки постоянным током. Кривая А показывает изменение тока 12 во вторичной сва- рочной цепи, начиная от момента включения первичной цепи 69
(заряд) и до выключения ее (разряд), при котором возни- кает сварочный ток. Кривая Б показывает процесс нарастания напряжения на клеммах контактора в момент разрыва первичной цепи. Кривая В характеризует ток намагничивания /, в первич- ной цепи. Масштаб времени дан ниже кривой В. Характерной особенностью машин для электромагнитной сварки является то, что в момент заряда в сварочной цепи протекает ток небольшой величины и знака противоположного импульсу сварочного тока. Фнг. 43. Осциллограмма процесса электромагнитной точечной сварки (постоянным током) (Микаланов]. Сравнительные исследования механической прочности со- единений, полученных при сварке изделий из алюминиевых сплавов на точечных машинах переменного тока и на уста- новках для электромагнитной сварки, показали равноценные результаты. Однако данные, характеризующие стоимость эксплоатации, показывают явные преимущества электромагнитной сварки по сравнению со сваркой на машинах переменного тока. Напри- мер, для точечной сварки двух листов дуралюмина 2X1,5 мм с равноценными механическими свойствами сварных соедине- ний потребовалась машина переменного тока на 350 ква, в то время как расход мощности при электромагнитной сварке со- ставлял 50 кеа. Техническое применение электромагнитной сварки должно ограничиваться случаями, когда для сварочного процесса тре- буется небольшое количество энергии. Ограничивающим фактором в данном случае является по- требность в больших затратах активных материалов (медь, железо), приходящихся на единицу аккумулированной электро- энергии. Опытом установлена оптимальная величина электро- энергии, приходящаяся на единицу веса железа магнитопрово- да. Она составляет 4,5—5,5 вгеек на 1 кг железа. Это значит (в круглых цифрах), что трансформатор, развивающий в каж- 70
дом сварочном импульсе 10000 втсек, должен иметь магнито- провод весом около 2270 кг и 454 кг обмоточной меди. Вес трансформатора для электромагнитной сварки в 10 раз больше веса сварочного трансформатора точечной машины завода «Электрик» типа АТК-250 или АТА-175. Следует учесть также выпрямительную установку, вклю- чающуюся в сеть через промежуточный трансформатор; при этом соотношение весов еще больше увеличится. Из этих со- ображений приходим к заключению, что электромагнитная сварка, не получившая до последнего времени широкого разви- тия в промышленности Советского Союза, найдет применение в дальнейшем лишь в ограниченных случаях вследствие высо- кой стоимости аппаратуры. § 15. Точечная сварка разрядом конденсатора Первичная обмотка трансформатора сварочной машины (фиг. 44) соединена с конденсатором через коммутирующее устройство (быстродействующий контактор или управляемый вентиль). Перед каждой сваркой при разомкнутых электродах произ- водят зарядку конденсатора напряжением 1000-—4000 в; дли- тельность зарядки может быть ограничена подбором соответ- ствующих параметров первичной цепи. Зарядка конденсаторов осуществляется либо от высоковольт- ного генератора постоянного тока, либо от трансформатора, но с помощью вентильных схем (см. фиг. 44). В установках с вы- соковольтными генераторами коммутация тока от конденсатора к сварочной машине осуществляется релейно-контакторными схемами. После замыкания внешнего контура машины на сваривае- мое изделие производят разряд конденсатора на первичную об- мотку трансформатора. ‘Величина тока в сварочной цепи зависит от соотношения витков в первичной и вторичной обмотках транс- форматора, величины подведенного напряжения и емкости кон- денсаторов. Перерыв между моментом зарядки и разрядки конденсатора может быть достаточно велик (предполагая, что утечка конден- сатора ничтожна). В этом отношении сварка разрядом конден- сатора выгодно отличается от электромагнитной сварки, где разряд должен следовать немедленно после зарядки. Количество энергии, подаваемой к сварному’ изделию, может регулироваться: а) изменением величины первичного напряжения; б) переключением числа конденсаторов. Изменением соотношения числа витков трансформатора (пе- реключением ступеней регулирования в 1 -й обмотке) регулируют продолжительность разряда. 71
72
Релейно-контакторные схемы коммутации разрядного тока недостаточно совершенны, вследствие чего величина энергии каждого сварочного импульса несколько отличается одна от другой даже при одинаковом режиме. Качество сварных швов в этом случае также оказывается не строго одинаковым. Коммутация при помощи вентильных схем препятствует об- разованию колебательного разряда, и вся мощность импульса, за исключением неизбежных потерь в сварочной машине, лока- лизуется в сварочном контакте. Математический анализ процес- сов, происходящих при контактной сварке металлов разрядом конденсатора, позволяет заранее по параметрам схемы вычи- слить кривую тока и напряжения. Дифференциальное уравнение процесса разряда батареи кон- денсаторов на нагруженный сварочный трансформатор имеет вид [23]: 1Л.+^ + ^Л-Л»^=0; at at at dt примем dt. С-» J Здесь ilt —ток в первичной и вторичной цепях свароч- ной машины; С—емкость батареи конденсаторов; £j£j —активное и индуктивное сопротивление в первичной и вторичной цепях сварочной ма- шины; М—коэффициент взаимоиндукции. Совместное решение этих уравнений приводит к следую- щему выражению: (10) и характеристическому уравнению вида: ах6 4- bx1 -f- сх 4 d = 0, (11) где а=1; LiLi-M* * — С =---------. Z-1L2—ЛГ d=-------. 73
Корни характеристического уравнения имеют, как известно, следующие значения: -4 = 0; х, = а; х3 = «+/£; хл = л— j$. Подставляя полученные величины в уравнение (10) и произ- водя необходимые преобразования, приходим к окончательному уравнению тока разряда конденсатора в первичной цепи свароч- ного трансформатора: 4 = Ki + 4- eal (4 sin ₽£ + В cos (12) 4 = К3 + Л; и B=J(K3-K<). Совершенно такого же вида получается уравнение для тока в сварочной цепи при разряде конденсатора: z, = Кй + + са'(А' sin + В' cos ₽/). (13) Аналогично этому решению, может быть найдено уравнение изменения напряжения на конденсаторе в процессе разряда: ес = Нх + + (А ' sin pf + В” cos (14) Из уравнений (12), (13), (14) следует, что изменения тока м напряжения при разряде конденсатора на сварочный транс- форматор представляют гармонические колебания. Характер протекания разряда (колебательный или апериоди- ческий) зависит от соотношения параметров Rv R2, Lu Lt и С. Если приведенное к первичной цепи сопротивление R—R^4-usR,, мало по сравнению с колебательным сопротивлением контура р/ то разряд конденсатора будет колебательным. Частота собственных колебаний: ф> ол)- Во многих сварочных установках R достаточно велико и R^-2 ; поэтому ток при разряде изменяется аперио- дически (фиг. 45). Для прекращения колебательного разряда для случая, когда /?<2 ~ t применяют в первичной об- мотке шунтирующий вентиль (газотрон или тиратрон). »Для нормальной работы' установки конденсаторной сварки необходимо избежать насыщения сердечника трансформатора. 74
Фиг. 45. Осциллограмма сва- рочного тока при точечной сварке разрядом конденса- тора. При насыщении возрастает первичный ток, а мощность вто- ричной цепи машины падает. Насыщение трансформатора вы- зывает, кроме того: а) опасность ава.рии элементов цепи управ- ления из-за появления перенапряжения на первичной обмотке сварочного трансформатора, б) потерю стабильности нагрева при сварке одинаковых деталей. Чтобы предотвратить насыщение, рекомендуется периодически ме- нять полярность первичной об- мотки трансформатора по спе- циально разработанной схеме коммутации. Кроме того, уменьшение на- сыщения достигается при устрой- стве воздушного зазора в сер- дечнике трансформатора. Контролировать насыщение сварочного трансформатора мож- но сравнением формы волны пер- вичного и вторичного токов по снятым осциллограммам. Зависимость количества энергии, накопленной в конденсато- рах, от напряжения и емкости батареи показана на фиг. 46. накопленной в конденсаторах, от напряжения емкости конденсаторов. Технологические преимущества точечной сварки разрядом конденсатора 1. Срок службы сварочных электродов возрастает в 5— 7 раз. 2. Обеспечивается возможность прецизионного регулирова- ния количества энергии, подаваемой к сварному изделию, путем: 75
а) изменения величины зарядного тока; б) переключения числа конденсаторов и в) изменения соотношения числа витков сварочного транс- форматора (переключением ступени мощности). Следовательно, точечная сварка разрядом конденсатора является наиболее совершенным видом контактной сварки. Ма- шины с разрядом конденсатора применяются для точечной свар- ки легких сплавов, а также в электропромышленности для со- единения встык весьма малых деталей. Известны также точечные машины постоянного тока (без трансформатора), где сварочная цепь питается от мощной акку- муляторной батареи или от выпрямительной установки. В Советском Союзе такие машины не нашли применения и поэтому в книге не приведены.
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ СОВРЕМЕННОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ Глава V УСТРОЙСТВО современных сварочных машин, рациональный выбор их и энергоснабжение СВАРОЧНЫХ ЦЕХОВ § 16. Общая характеристика машин Современные сварочные машины чрезвычайно разнообразны как по мощности, так и по применяемым конструкциям. Наряду с простыми схемами маломощных машин для сварки несложных деталей из обычных сталей, в промышленности применяются машины весьма сложной конструкции, обеспечивающие высокую производительность, достаточную прочность и точность выпол- нения соединяемых деталей. При этом конструкция и форма сварного изделия оказывают часто весьма существенное влияние на сложность конструкции применяемых машин. Кроме того, каждый вид контактной сварки характеризуется своеобразной конструкцией машины. Краткой иллюстрацией применения контактной сварки в не- которых отраслях промышленности легко показать, насколько сложна конструкция современных сварочных машин. В автомобильной промышленности кузова легковых машин из штампованных заготовок листовой стали соединяются стыко- вой сваркой оплавлением по узкому ребру листа. Сложность конструкции сварочной машины для такой операции опреде- ляется: 1) особой конфигурацией изделия; 2) необходимостью рав- номерного зажатия громоздкого изделия по всей его длине; 3) 'Необходимостью одновременного и равномерного перемеще- ния заготовок при сварке (для оплавления и осадки); 4) слож- ной коммутацией сварочного тока при двух отдельных транс- 77
форматорах; 5) автоматизацией управления последовательным зажатием и освобождением деталей. Для точечной сварки кабины автомобиля, при которой свар- ные точки необходимо ставить в самых разнообразных местах, недоступных обычно для нормальных сварочных машин, приме- няют пистолет для точечной сварки с одним электродом. В серийно-массовом производстве автомобилей, вагонов и т. п. широко применяются многоточечные сварочные машины. Каж- дая из этих машин имеет сугубо индивидуальную конструкцию, определяемую формой свариваемого изделия, например, пол или крыша вагона, сиденье грузового автомобиля и т. д. Кроме того, в каждой многоточечной машине форма и расположение электродов и контактных колодок, конструкция механизмов для автоматической подачи изделия во время сварки, регулировка давления и коммутации тока имеют своеобразный характер. Следует также упомянуть о таких уникальных машинах, спе- цифичных для той или иной отрасли промышленности, как агрегаты для сварки труб с формовочным и калибровочным ста- ном, автоматы для сварки цепей с одновременной загибкой звеньев, подготовкой торцов к сварке, передвижением их к сва- рочным зажимам, сваркой и перемещением готовой цепи по окончании сварки, машины для изготовления стыковой свар- кой бочек, ободьев колес, рельсовых соединений и др. Несмотря на большое разнообразие конструкций и систем сварочных контактных машин и прерывателей к ним, мы огра- ничимся описанием лишь некоторых новейших машин и аппа- ратов, получивших широкое распространение в различных от- раслях промышленности СССР. Уникальные сварочные машины, представляющие также безусловно большой интерес, не рас- сматриваются из-за недостаточно широкого использования их в промышленности. Технические характеристики сварочных машин, выпускаемых отечественной промышленностью, даны в приложении. § 17. Особенности сварочных контактных машин Современная контактная сварочная машина состоит из сле- дующих основных элементов: 1) сварочного трансформатора с внешним контуром во вто- ричной цепи; 2) устройства для ступенчатого регулирования сварочного тока в виде отдельного автотрансформатора на машинах боль- шой мощности или секционированной первичной обмотки транс- форматора для сварочных машин малой и средней мощности; 3) механизма перемещения верхнего электрододержателя и подачи к электродам усилия при точечной сварке; при ролико- вой сварке предусмотрен дополнительный механизм для враще- ния роликов; на машинах для стыковой сварки предусмотрены 78
два механизма: один для зажатия свариваемых заготовок, а другой для автоматического или ручного перемещения одной свариваемой заготовки к другой во время оплавления их и по- следующей осадки в конце сварки; 4) станины, на которой укреплены перечисленные узлы, и 5) токопрерывателя для регулирования продолжительности протекания тока при сварке. Особенности трансформатора сварочной машины. Для контактных сварочных машин применяется однофазный понижающий трансформатор с номинальным пер- вичным напряжением 1*27, 220, 380, 500 в. Вторичная цепь этого, трансформатора состоит обычно из одного или двух витков боль- шого сечения с напряжением холостого хода, колеблющимся, в зависимости от мощности машины и размеров окна внешнего контура, в пределах от 2 до 30 в. Величина сварочного тока (во вторичной цепи) достигает тысяч и десятков тысяч, а в не- которых случаях превышает сто тысяч ампер. Для выполнения каждого отдельного шва включают транс- форматор (замкнутый на изделие во внешней цепи) к напряже- нию сети на заданную продолжительность процесса сварки и затем отключают его также при замкнутом внешнем контуре. Коммутация тока производится исключительно со стороны пер- вичной обмотки. Количество включений трансформатора в сеть или количество отдельных сварок довольно велико. Оно дости- гает при серийно-массовом производстве от 500 до 3000 и более в час при точечной сварке, а при роликовой сварке доходит до 20 000 в час и более. Такая ударная и повторная нагрузка вы- зывает необходимость тщательного механического крепления об- моток трансформатора. К сварочному трансформатору предъявляются следующие дополнительные требования: а) он должен обладать мощностью, достаточной для обеспе- чения величины тока, Необходимой при сварке деталей наиболь- шего сечения, на которое рассчитана данная машина; б) трансформатор должен обладать мощностью, обеспечи- вающей наибольшую производительность при сварке. При этом нагревание трансформатора не должно превышать допустимую температуру нагревания для изоляции обмоток данного класса. Нагрузка трансформатора при контактной сварке является активной нагрузкой, однако, внешний контур, соединенный со вторичной обмоткой, имеет в ряде случаев значительные габа- ритные размеры и сильно снижает из-за большого индуктив- ного сопротивления коэффициент мощности сварочной маши- ны cos <р, колеблющийся в пределах 0,34-0,8. Вследствие большой индуктивности вторичного контура кривая внешней статической характеристики t/2=/(4) сварочных контактных машин имеет падающий вид. 79
Нагрузка сварочных контактных машин является повторной, кратковременной. Процент повторного включения сварочных ма- шин, обозначаемый сокращенно ПВ*7о *, зависит от характера производства и определяется следующим отношением: ПВ= -^-100, А: "Ил где tc — продолжительность протекания тока при сварке (сек.); tn—продолжительность паузы между двумя сварками (сек.). Говоря о проценте повторного включения сварочных машин, следует различать ПВ, наблюдаемый в условиях эксплоатации этих машин, и ПВ, на который должны быть рассчитаны ука- занные машины. В условиях эксплоатации сварочных установок наиболее вероятными являются следующие величины ПВ: Для точечных машин....................... ПВ=Н0% Для стыковых машин....................... ПВ—10-j-20% Для роликовых машин...................... ПВ =45->СО% В зависимости от характера производства значения ПВ мо- гут меняться в широких пределах. Однако сварочные машины следовало бы спроектировать для одного значения ПВ, определяемого величиной установленной мощности. Если при расчете сварочных машин принят во вни- мание эксплоатационный ПВ, то определение действительной мощности этих машин будет произвольным. Последнее затруд- няет правильное определение мощности силовых трансформато- ров, питающих сварочные машины, а также расчет силовой сети. Желательно установить единый коэффициент ПВ для всех сварочных контактных машин, равный 50%, независимо от вида сварки или фактической величины ПВ в эксплоатации. § 18. Зависимость мощности сварочных контактных машин от их конструкции Говоря об электрической мощности сварочных машин, сле- дует отличать мощность, необходимую для непосредственного нагревания при сварке данной детали, от мощности, потребляе- мой при этом сварочной машиной от сети. Как известно, для контактной сварки металлов необходимы большие силы тока, но невысокое напряжение (в пределах от 2 до 30 в). Для передачи тока от клемм вторичного витка транс- форматора к сварочным электродам служат шины, образующие внешний контур сварочной машины. От геометрических разме- ров окна внешнего контура и самих шин зависят электрические 1 Прежнее обозначение ПКР. 80
потери (активные и индуктивные) во внешнем контуре, а от этих последних зависит в конечном счете коэффициент полезно- го действия машины. Индуктивные потери сварочных машин до- вольно велики (cos ср =0,3—0,8). Индуктивность внешнего кон- тура можно найти, если подсчитать магнитный поток, пронизы- вающий всю площадь внешнего контура. Ниже приведены без вывода две формулы для приближенного подсчета индуктивного сопротивления внешнего контура сварочных машин. 1. Индуктивное сопротивление X прямоугольного контура '(со сторонами прямоугольника а и Ь), состоящего из шин круглого сечения радиуса R, определяется следующей формулой: Х= 4<о а In-------. 4- b In------ — L ) Жд+]/а«+*«) + + + +2R 10-9 ом; R, а, Ъ взяты в см; w — (круговая частота); ел 1 . Л* 13 ,о\ , где q — сечение проводника в см2; 10-9 Т =-------удельная проводимость материала в электро- р магнитных единицах; и — магнитная проницаемость; р — удельное сопротивление. 2. Индуктивное сопротивление прямоугольною контура |(со сторонами прямоугольника а и Ь), состоящего из шин прямо- угольного сечения pX/i при н=1, выражается следующей фор- мулой: X=w 4а In----------г-----4- 4ft In------------— L (р+ЛХа+уаЧ^ (p+hXb+y°*4-b*) — 2(а+6)4-8]^ а2 4-ft2 + 1,788(/>+ Л)] 10~9 ом. При расположении проводника вблизи магнитных масс ин- дуктивное сопротивление контура возрастает в зависимости от близости проводника к магнитному материалу, сечения послед- него и других факторов, которые не учитываются приведенными формулами. На фиг. 47 показаны опытные кривые, характеризующие из- менение величины тока в короткозамкнутой сварочной цепи в зависимости от длины внешнего контура (от 150 до 1300 мм). Ракхтояние между плечами оставалось постоянным и равным 180 мм. Эти длины плеч соответствуют размерам полезного 81
вылета сварочной машины. Размеры контура, охватываемого от клемм вторичного витка до плеч, были постоянны и на ма- шине мощностью в 350 кеа были равны 323 см2. Опытные кривые даны здесь для четырех ступеней (от 5,2 до 10,5 в) вторичного напряжения холостого хода. Из кривой / видно, что при ступени мощности, соответствующей 10,5 в, сила тока достигает 64 000 а при глубине вылета внешнего контура машины в 150 мм и снижается в три раза (до 22 000 о) при и fOCOO 30000- Внешний контур без Железа ~~ ’9 а 70000 § GOOO6 50000 оОСОО см. Фиг. 47. Изменение силы тока в Фиг. 48. Влияние ферромагнитного сварочной цепи в зависимости от материала, расположенного во длины плеч внешнего контура внешнем контуре машины, на ве- контактной машины при постоям- личину сварочного тока. ном расстоянии между верхним и нижним плечами. вылете, равном 1300 мм. Для кривой 4 сила тока изменяется е 35 000 а при глубине вылета 150 мм до 10000 а (3,5 раза) при 1300 мм. Индуктивное сопротивление внешнего контура допол- нительно возрастает по мере заполнения внешнего контура маг- нитным материалом. На фиг. 48 показаны кривые изменения тока в сварочной цепи машины (на 350 ква) в зависимости от длины плеч машины, но при условии, когда во внешнем кон- туре помещены стальные пластины. Кривая 1 соответствует из- менению тока при отсутствии магнитного материала во внешнем контуре. Кривая 2 характеризует изменение тока при наличии во внешнем контуре листовой стали сечением 1950 мм2. Кри- вая 3 соответствует изменению тока при наличии между пле- чами внешнего контура листовой стали общим сечением 3600 мм2. Все три характеристики были сняты для одних и тех же режи- мов машины, и кривая 1 служит здесь эталоном для сравнения 82
с ней кривых 2 и 3. Сопоставляя кривые / и 3, легко заметить, что при одинаковой глубине вылета в 300 мм и расположении между плечами свароч'ной машины стальных пластин сечением 3600 мм*, сила тока уменьшается с 50 000 а, когда магнитный материал отсутствует, до 37 000 На фиг. 49 дан график, ха- рактеризующий увеличение по- требной мощности сварочной машины в ква в зависимости от глубины вылета для стан- дартных сварочных машин, когда величина сварочного то- ка должна остаться неизмен- ной и (равной /г=40 000 а. Из этого графика следует, что если глубина вылета машины при стандартном расстоянии между плечами равна 300 мм, а с магнитным материалом. з а с X О при силе тока ЬООООа Фиг. 49. График, характеризующий увеличение необходимой мощно- сти сварочной машины в зависи- мости от размеров внешнего кон- тура. когда величина сварочного тока должна быть неизменной /г—40 000 а. то для получения сварочного тока 40 000 а достаточна мощ- ность 100 кеа, в то время как при глубине вылета 1200 мм сварочный ток 40 000 р может быть получен лишь, если мощ- ность машины раина 400 ква. § 1&. Рациональный выбор конструкции сварочных контактных машин Выбор мощности и конструкции сварочных контактных машин зависит главным образом от трех факторов: марки материала, толщины и конфигурации свариваемых изделий. Зависимость мощности сварочной машины от рода свариваемого металла ха- рактеризуется электрическими, тепловыми и физическими свой- ствами последнего. Несмотря на то, что температура плавления стали гораздо выше, чем температура плавления медных - или алюминиевых сплавов, для сварки цветных металлов требуют- ся гораздо большая сила сварочного тока и мощность свароч- ной машины, чем для сварки сталей. В этом мы можем убе- диться из нижеследующих цифр. Пусть требуется соединить то- чечной сваркой два листа из стали 20 толщиной 1 мм каждьЛ и отдельно два листа дуралюмина той же толщины. Для удо- влетворительной сварки стальных листов достаточно иметь, со- гласно опытным данным, плотность тока на рабочей части элек- трода, равную 200—300 а!мм.-, или силу тока 40004-6000 а; в то же время плотность тока для точечной сварки дуралюмина составляет 10004-2000 а[мм* или 18 0004-20 000 а. «3
Чтобы показать, насколько выбор конструкции сварочной машины может повлиять на расход мощности, достаточно при- вести следующий конкретный пример. Предположим, что требуется выбрать машину переменного тока для точечной сварки легких сплавов с максимальным вто- ричным током 40 000 а. Допустим, что по предварительному от- бору соответствующих машин по данным каталога с учетом ки- нематики механизмов и аппаратуры управления наиболее под ходящими оказались две машины А и Б. Эти машины рас- считаны на одинаковую производительность и имеют следующие электрические характеристики (табл. 10). Таблица 10 Характеристика машин Машина А Машина Б Мощность трансформатора при ПВ=50% 250 ква 400 ква Максимальное вторичное напряжение холосто- го хода 12 а 20 в Максимальная величина сварочного тока 40 000 а 40 000 а Номинальное напряжение сети 380 в 380 в Допустим, что сварочная машина Б, несмотря на большую мощность, незначительно дороже машины А из-за большого размера внешнего контура. На первый взгляд может показать- ся, что машине Б, обладающей большей мощностью, следует отдать предпочтение. Однако дальнейший анализ стоимости экс- плоатации этих машин показывает все же преимущество ма- шины А. Основным показателем пригодности машины являются соот- ветствие величины сварочного тока и способность машины ра- ботать без опасного перегрева. При одинаковой производительности машин А и Б на ма- шине Б (с большей глубиной вылета) установлен более мощный трансформатор для компенсации дополнительных индуктивных и активных потерь во вторичной цепи машины. В результате, расход мощности на машине А при работе на последней ступени составляет: ~ 40000-12 .ол п —----------— 480 ква. 1000 На машине Б расход мощности равен: q^40 000.20 ^8<jq к0а 1000 84
Таким образом для питания сварочной машины А потребует- ся понизительный трансформатор мощностью в 480 ква, а для машины Б мощностью 800 ква. Зная стоимость единицы уста- новленной мощности, легко определить дополнительный расход на капиталовложение. Кроме того стоимость электрической про- водки к машине Б будет гораздо выше, чем для машины А. Таким образом необходимо, с точки зрения технической це- лесообразности и экономии электроэнергии, выбирать сварочные машины так, чтобы размеры их внешних контуров соответство- вали примерно размерам заданных свариваемых изделий. При переходе на сварку изделий меньших размеров следует либо уменьшить размеры внешнего контура данной машины, либо применять машину меньших размеров. *. § 20. Конструктивные особенности машин для стыковой сварки металлов Электрические машины различаются по мощности для стыковой сварки оплавлением трансформатора и методу приведе- Фиг. 50. Схема механизма (ручно- го) перемещения плиты стыковой машины и подачи осадочного дав- ления при помощи коленчатого рычага. /—плита; направляющие пазы; 3— рычаг управления; 4 и 5—оси вращения на станине. Фиг. 51. Схема кулачкового меха- низма с приводом от электродви- гателя |40). 1 — подвижная плита; 2—стальной ролик; 3—выступ кулака осадки; / — выключатель электродвигателя; 5— выключатель сварочного тока; 6—кулачок включения двигателя; 7—кулачок включения тока; 8— кула- чок оплавления и осадки. ния в действие подвижной плиты. Наибольшее распространение получили следующие системы приводов: 1) рычажный механизм (фиг. 50); * Если внешний контур машины очень мал, то вторичный ток ее ничем не ограничен и достигает больших и опасных значений, при которых сварка евозможна. 85
2) кулачковые и винтовые механизмы, приводимые в дей- ствие электродвигателем (фиг. 51); 3) гидравлический или пневматический с автоматическим или ручным управлением. Механизированный привод позволяет вести сварку автомати- чески по заданному режиму с определенной производитель- ностью. Ручная сварка на машинах с рычажным механизмом позво- ляет получить вполне удовлетворительные швы. Такие машины обычно применяются для мелкосерийного производства и каче- ство сварки при этом зависит от квалификации сварщика. Рассмотрим конструктивные особенности рабочих узлов сты- ковых машин. Различают следующие механизмы зажимов стыковых машин: пружинный, рычажный, пневматический, гидравлический и мо- торно-винтовой. Пневматические или гидравлические способы зажатия сва- риваемых заготовок в электродах-губках обеспечивают большее зажимное давление, а также большую производительность, чем ручные зажимные устройства. Пневматические или гидравличе- ские зажимы значительно усложняют конструкцию машины, по- этому их применяют обычно на машинах большой мощности (вы- ше 100 кеа). Управление операциями стыковой сварки оплавлением, тре- бующими строгой последовательности включения тока, оплавле- ния, выключения тока и окончательной осадки, должно быть по возможности автоматизировано. При ручной сварке не удается строго выдержать продолжительность каждой операции. Автоматическое управление осуществляется на современных стыковых машинах при помощи кулачковых механизмов, приво- димых в действие от электродвигателя, а также гидравлическим способом или релейно-контакторными схемами. В качестве прерывателей применяют магнитные контакторы, но игнитронные прерыватели обеспечивают более точное управ- ление и более высокую производительность, особенно при фор- сированных режимах сварки. Некоторые узлы машин для стыковой сварки оплавлением, например, кулачки и зажимные 1*убки, являются узко-специали- зированными для данного свариваемого изделия и являются ско- рее инструментом или приспособлением. Геометрические формы кулачка. У стыковых машин для автоматической и полуавтоматической сварки оплав- лением имеет большое значение форма применяемых кулачков. Контур рабочих поверхностей кулачков и скорость вращения их определяют длину пути и скорость движения плиты (при оплавлении и осадке). Продолжительность оплавления весьма различна, но обычно лежит в пределах 5—100 сек.; средняя 86
скорость оплавления находится в пределах 1,5—6 мм!сек. Фор- ма кулака для перемещения подвижной плиты должна быть та- кой, чтобы процесс осадки превышал в 10—15 раз скорость оплавления, без паузы между оплавлением и осадкой. На фиг. 52 показан примерный график развертки кулака для сварки (непрерывным оплавлением). Как видно из этого графи- ка, скорость осадки гораздо больше скорости оплавления. Конструкции зажимов. Зажимные губки являются также весьма важным узлом стыковой машины. Свариваемые детали должны быть закреплены в зажимах большим усилием, чтобы препятствовать проскальзыванию изде- лия во время осадки. Площадь соприкосновения заготовок с по- верхностью губок и степень зажатия заготовок в зажимах долж- Фнг. 52. Развертка кулака стыковой машины для сварки непрерывным оплавлением. ны быть достаточно большими, чтобы получить в контакте «элек- трод-деталь» незначительную плотность тока, при которой совершенно исключается возможность подгара при сварке. Для защиты трубчатых цилиндрических или других полых заготовок от смятия в зажимах при стыковой сварке распреде- ляют зажимное усилие на большую поверхность. Назначение зажимного механизма: обеспечить протекание тока от электродных плит в деталь при малых потерях мощности в контактах электрод—изделие, сохранять заготовки в соосном положении и предохранять свариваемые детали от осевого пере- мещения в губках при давлении осадки. > В промышленной практике получил широкое применение це- лый ряд всевозможных конструкций зажимов: горизонтальные, вертикальные, наклонные, с разнообразным приводом (фиг. 53). Электроды для стыковых машин. Токоведущая часть зажимного устройства называется электродом или губкой. Форма губок зависит главным образом от формы свариваемых деталей; размер губок зависит от размера детали и степени ме- 87
Фиг. 53. Схема конструкции зажимов стыковых машин. Верхняя губка зажима стальная, нижняя из твердого медного сплава 140]. А — вертикальный эксцентриковый ручного действия; Б — вертикаль- ный эксцентриковый пневматический; В — вертикальный прямого действия пневматический; Г—вертикальный ручного действия; Д — вертикальный пневматический (с коленчатым рычагом); Е — вер- тикальный откидной шарнирный (ручного действия); Ж — вертикаль- ный откидной, шарнирный зажим с пневматическим или гидрав- лическим приводом; 3—горизонтальный (ручного действия); И—горизонтальный (пневматического действия); К — пневматиче- ский с коленчатым рычагом (радиального действия), предназначен для больших сечений; Л — пневматический радиальный (прямого действия), предназначен для малых нагрузок; М — горизонтальный пневматический шарнирный, предназначен для малых и средних нагрузок; Н — горизонтальный шарнирный пневматический с колен- чатым рычагом, предназначен для тяжелых нагрузок. 88
ханического усилия сжатия, которое требуется создать во избе- жание смещения или проскальзывания детали в процессе осадки. Минимальная практическая площадь контакта электрода со свариваемым изделием должна быть, исходя только из условий наименьших электрических потерь, в полтора раза больше пло- щади сварочного контакта. Желательно, чтобы площадь контак- та в зажиме составляла примерно пяти-шестикратную величину площади свариваемого контакта. Небольшие площади соприкосновения в зажиме требуют зна- чительных давлений. Такие электроды отличаются малым сроком службы и большими эксплоатационными расходами. Для сварки оплавлением деталей сравнительно небольших сечений, но с большой поверхностью контакта в губках, можно применять электроды из мягкой и закаленной стали; для всех других случаев сварки такие электроды, однако, непригодны. Одним из недостатков стальных электродов является возмож- ное прилипание разогретой заготовки к-электроду. Для большей универсальности машины и уменьшения стои- мости эксплоатации электроды изготовляют из двух частей, одной из которых является сменная вставка, соответствующая форме свариваемой детали. Сменная часть электрода, которую рекомендуется изготовлять из более твердого медного сплава, чем основной электрод, должна иметь крепление, позволяющее легко и быстро сменить электрод. Электроды должны охлаж- даться проточной холодной водой. При проектировании механической части машины для стыко- вой сварки необходимо обеспечить: а) легкость крепления и центровки заготовок в зажимах; б) легкость снятия сварных деталей из зажимов; в) быстроту замены изношенных электродов; г) защиту обмоток трансформатора, токоведущих частей внешнего контура, а также подвижных частей зажимного меха- низма от искр и металлической пыли; д) легкость удаления расплавленного металла, попавшего в машину при оплавлении. Перечисленные факторы имеют важное значение в процессе работы. Трансф'орматоры стыковых машин имеют обычно внешний контур вторичной цепи меньших размеров, чем у точечных и ро- ликовых машин, поэтому и напряжение разомкнутой вторичной цепи стыковых машин меньше. В табл. II приведено вторичное напряжение стыковых машин в зависимости от их мощности. Из большого количества стыковых машин, установленных на заводах СССР, ограничимся рассмотрением лишь одной свароч- ной машины РСКМ-201-МА, получившей большое распростра- нение для сварки рельсов. 89
Таблица 11 Напряжение вторичной разомкнутой цепи машины для стыковой сварки Мощность машины ква 10 25 50 100 300 500 1000 2 000 Напряже- от 0,75 от 1,25 от 2 от 3 от 4 от 6 от 8 от 10 ние, в до 2,5 до 3,5 до 5 до 7 до 9 до 12 до 13 до 20 § 21. Машина для стыковой сварки РСКМ-201-МА завода «Ревтруд» 1 Машина РСКМ-201-МА2 (фиг. 54) применяется главным об- разом для стыковой сварки рельсов методом оплавления. Рель- сы свариваются на этой машине прерывистым подогревом при непрерывном оплавлении. Эта машина находит также примене- ние для сварки деталей в других отраслях промышленности!. Технические данные машины: Номинальная мощность (при ПВ=25%)............. 200 ква Первичное напряжение.......................... 380 в Вторичное напряжение..................... от 5,7 до 8,5 в Число ступеней . . • .......................... 6 Номинальный первичный ток..................... 525 а Максимальный вторичный ток . . •............... 26 000 а Частота............................•........... 50 гц Вес машины............................... • . 5.5 т Производительность машины при сварке рельсов: Тип рельсов 1-А II-A 1Н-А IV-A Число сварок в час 8 10 12 13 Максимальное давление осадки 16 т Кинематическая схема машины показана на фиг. 55. Зажа- тие губок и осадочное давление создаются с помощью отдельных электродвигателей. Двигатель осадки 1 двухскоростной, асин- хронный, расположен внутри машины. Он предназначен для по- дачи подвижного зажима П с заготовкой в процессе подогрева и оплавления (при работе на малом числе оборотов) и созда- ния осадочного давления (при большом числе оборотов). Дан- ные двигателя осадки: мощность 12,5/1,2 кет, число оборотов 1 По материалам Рельсосварочного треста Министерства путей сооб- щений. ’ Такие машины применяются на железнодорожном транспорте и как ста- ционарные установки. К. К. Хренов «Новости сварочной техники, 1949 г. 90
3000/500 об/мин; напряжение 380/220 в. В корпусе двигателя осадки установлен шестеренчатый редуктор 2, передающий вра- щение червяку 3. Последний сцеплен с червячной шестерней 4, насаженной на гайку 5. В гайку ввинчен винт 6, прикрепленный фланцем к подвижной колонке станины. Справа на корпусе ре- дуктора расположен пружинный динамометр 7 с регулятором давления. В процессе подогрева и оплавления (при сварке) гай- Фиг. 55. Кинематическая схема стыковой машины на 200 ква. ка 5 редуктора осадки вращается на месте, а ввернутый в нее винт 6 перемещается в горизонтальном направлении, передвигая влево подвижную колонку П с зажимом и сварной заготовкой Хне показанной на схеме). В момент осадки происходит сильное сжатие свариваемых заготовок, и гайка редуктора, вращаясь, начинает перемещать- ся в червячном колесе 4 вправо, сжимая пружину динамомет- ра 7. Сжимаясь, пружина действует через сухарь на регулятор динамометра, в котором при достижении заданного давления замыкается контакт; при этом выключается двигатель 1, и осадка прекращается. Над корпусом динамометра укреплен контроллер настройки с двумя контактами. Один контакт служит для фиксации необ- ходимой величины оплавления, а другой блокирует контакт ре- гулятора динамометра в случае, если регулятор не включит дви- гатель в заданный момент. ' Движение правой колонки П машины ограничено конечны- ми выключателями, чтобы расстояние между губками не вы- водило за пределы 70—130 мм. 91
Фиг. 54. Общий вид стыковой машины РСКМ-201-МА на 200 кеа завода «Ревтруд*. /'-неподвижная колонка; 2—сварочные губки; 3—подвижная колонка; 4—переключатель .вверх* и .вниз*; 5—переключатель колонок; 6—кон- троллер настройки; 7—горизонтальный динамометр; 8кнопка .пуск* и .стоп*; Р—регулятор давления осадки; 10—клеммовая коробка; //—ко- нечные выключатели; 12—кнопки .вперед* н .назад*; 13— подъемный механизм; 14—впуск воды; 15—двигатель зажима; 16— конечный выключатель; /7—регулятор напряжения; /5—водяное реле; 19—выход воды; 20—двухскоростной электродвигатель осадки; 21—червячный редуктор; 22— ниж- няя призма; 23—шестеренчатый редуктор.
Для зажимов применены фланцевые трехфазные коротко- замкнутые двигатели 8—9 (закрытого типа) мощностью 8 кет и 1000 об/мин. Вращение от двигателя 8 передается винту пол- зуна через муфту, сочлененную с червяком 10. От последнего вращение передается червячному колесу 11, насаженному на гайку 12, в которую ввинчен винт 13, соединенный с ползуном. Ползун движется вместе с верхним зажимом 14 и подвижной шиной. Токоведущме губки соединены шинами со сварочным транс- форматс<рО1М. Крутящий момент двигателей зажимов регулируется при по- мощи реостатов в цепи статора. Давление в зажиме доходит до 204-25 т. При достижении заданного давления в зажиме двигатель автоматически отключается. Включение двигателей автоматизировано при помощи релей- но-контакторной схемы. Сварочный трансформатор — однофазный со ступенчатым ре- гулированием. Изменение вторичного напряжения и коэффи- циента трансформации по ступеням дано в табл. 12. Табл нца 12 Ступень переключения трансформатора I II 111 IV V VI Вторичное напряжение, в 5,7 6,0 6,1 7,2 7,8 8.5 Коэффициент трансформации 66 62 56 52 49 44 Электрическая схема машины дана на фиг. 56. Нажатием кнопок «вперед» или «назад» сообщают движение подвижной колонке П (см. фиг. 55). После закрепления в губках свари- ваемых заготовок нажимают кнопку «вперед». При этом ток от вторичной обмотки вспомогательного транс- форматора 202 (см. фиг. 56) пройдет через контакт 8, кнопку «вперед», обмотку реле 224 к контакту 3. При этом возбуждает- ся реле 224, замыкает цепь контактора 209, показанного в центре схемы, и включает двигатель осадки М на малых обо- ротах, перемещая передвижную колонку вперед (влево). Если кнопка «вперед» остается нажатой, то движение ко- лонки произойдет до срабатывания конечного выключателя 242, размыкающего катушку контактора 209. При нажатии кнопки «назад» ток от клеммы 8 проходит че- рез кнопку «назад», замкнутый контакт 243, катушку контак- тора 210, замкнутые контакты 209, 224, 206 к клемме 3. Кон- тактор 210 срабатывает, включает двигатель осадки, и подвиж- ная колонка перемещается назад (вправо). Действие конечного- выключателя 243 аналогично действию выключателя 242. 92
VOgi 93
Как видно по схеме, контакторы 209 и 210 сблокированы та- ким образом, что исключается возможность одновременного включения их. Общая (линейная) величина оплавления заготовок в мм ре- гулируется предварительной установкой контакта 240 на кон- троллере. В конце оплавления движок контакта сползает с ро- лика и замыкает цепь катушки контактора 206, чем переключает двигатель на работу при 3000 об/мин (для осадки). Установкой стрелки регулятора давления динамометра в за- данное положение с помощью винта определяется положение выключающего механизма в регуляторе по отношению к контак- ту 244. Чем больше стрелка повернута влево для получения большого давления осадки, тем дальше нажимной эксцентрик отстоит от ролика контакта 244. В регуляторе давления имеется еще контакт 269, включающийся в начале осадки. Замыкание цепи катушки контактора 210 происходит после выключения контактора 209. При этом сперва затормаживается мотор осад- ки, а затем разгружается пружина динамометра. Чтобы начать сварку, нажимают кнопку «пуск», при этом включается обмотка сварочного контактора 205 через замкну- тые контакты 239 и 206. Параллельно сварочным губкам включена катушка низко- вольтного (>4 в) реле 223, обеспечивающего прерывистый по- догрев. Оно срабатывает до замыкания вторичной цепи транс- форматора и включает реле 224. Последнее включает контак- тор 209, и подвижная колонка медленно подвигается влево до соприкосновения свариваемых заготовок. При надежном контакте в стыке свариваемых заготовок па- дение' напряжения в контакте окажется при прохождении тока менее 4 в, поэтому реле 223 отпадает и выключает реле 224, которое в свою очередь размыкает цепь катушки контактора 209 и включает цепь катушки контактора 210 (медленного обрат- ного хода). Контакт в стыке нарушается, напряжение на губках дости- гает холостого хода >4 в, тогда реле 223 срабатывает вновь, и подвижная колонка с заготовкой начнет двигаться вперед до следующего замыкания. Такое попеременное соединение и разъ- единение сварного стыка (прерывистый подогрев) повторяются до тех пор, пока свариваемые торцы по всему сечению не на- греются до необходимой температуры. При этой температуре и данной скорости подачи сваривае- мой заготовки возникает непрерывное оплавление, так как давление в стыке почти отсутствует, контактное сопротивление чрезмерно возрастает и ограничивает силу тока во время оплавления. При этом падение напряжения в стыке превышает 4 в; следовательно, реле 223 остается включенным и заготов- ка вместе с правой колонкой непрерывно перемешается влево, вызывая обильное искрообразование. Конец оплавления опре- 94
деляется моментом включения контакта 240 контроллера на- стройки, т. е. включения контактора 206 и переключения двига- теля осадки с 500 об/мин на 3000 об/мин. Продолжительность оплавления при сварке рельсов состав- ляет 1,0ч-1,2 сек. Осадка под током длится 0,2—0,3 сек. Кон- тактор 205 выключается в результате отключения реле 223 и 224. Отключение реле 223 происходит вследствие снижения напряжения на стыке при осадке (ниже 4 в). В конце осадки, когда давление пружины динамометра до- стигает установленной на шкале регулятора величины, размы- кается контакт 244, выключаются контактор 206 и двигатель осадки. При этом включаются блокировочные контакты 206 и 209, а так как контакт 269 в регуляторе уже замкнут, вклю- чается контактор 210, который включает двигатель на враще- ние с малым числом оборотов в обратную сторону. Однако ко- лонка остается неподвижной, так как двигатель сначала разгру- жает пружину динамометра до ее первоначального состояния, а затем контакт 269, который отключает катушку контактора 210, размыкается и двигатель М выключается. § 22. Конструктивные особенности точечных сварочных машин Машины мощностью до 20 ква и редко до 75 ква снабжа- ются педальным механизмом для перемещения верхнею элек- трода и создания усилия (фиг. 57). Давление на электроды у машин с педальным механизмом осуществляется пружиной, а у машин большой мощности — сжа- тым воздухом.' На машинах средней мощности применяют кулачковые ме- ханизмы с моторным приводом (фиг. 58). § 23. Машина МТП-75-4 для точечной сварки с пневматическим приводом 1 Машина, показанная на фиг. 59, предназначена для автома- тической точечной сварки как отдельными, так и непрерывно- следующими одна за другой точками. Верхний электрод может быть установлен на 45—100 ходов в минуту. Верхнее плечо 23, имеющее радиальный ход, может быть приподнято на 60—80 мм при рабочем ходе верхнего электрода в 10—15 мм. Это дает возможность использовать машину для сварки деталей сложной конфигурации без значительных ударов верхнего электрода о деталь. В машине предусмотрено 8 ступеней регулирования мощности. Мощность машины на 7-й ступени равна 75 ква при ПВ=(2О°/о. Давление на электроды регулируется легко и его стабиль- ность при этом обеспечивается независимо от степени износа электродов и колебания давления в воздушной сети. Полезная 1 По материалам завода Министерства электропромышленности. 9Б-
Фиг. 57. Схема конструкции механизма точечных машин с гори- зонтально расположенной пружиной. /—педаль; 2—ось вращения; 3—толкающий стержень; 4—пружина; 5—рычаг; 6—верхнее плечо. Фиг. 58. Схема конструкции точечных машин с кулачковым устройством, вращающимся от электродвигателя. /-кулак давления; 2—пружина осадки; 3— рычаг, перемещающий верхнее плечо машины; 4—возвратная пружина; 5—вал; 6— вспомога- тельный сегментообразный кулачок для включения тока через кон- тактор; 7—разъемная муфта; 8—червячная пара; 9—электродвига- тель; 10—система рычагов для сцепления н расцепления муфты; //—педаль; /2—вторичный виток сварочного трансформатора; 13— контактная плита; 14—ось вращения. 96
20 28 27. Фиг. 59. Точечная машина МТП-75-4 средней мощности с пнев- матическим приводом. 97
Характеристики машины МТП аритвые леры, мм внирХвд 1750— 1530 EHHdum О ОО вюэпа 8 гл ‘зад* 1200 ИЭ1Г1О1 В1'ЖЕ1'ХО Гохэвл 3 см ovh/ttr ‘bxXveoh^. tfOXOBd yi4H4irEWM3XC|V со см WU1V ‘BXXtfEOB ЭННЭГЯЕ1' OOHEpdjOL] tn ю Л'й' ‘ИГВ1Э IJOJO -HtodjifjAoirBK ЯО1ЭИ1Г XFiMaesHdrao енивигох 2,5+ +2,5 НИИ H HOtfOX OV3MJ1 001 — НК *ИИВЬЭ1ГП Л1ГЖЭИ 3HHBOi33B{J 295/75 снего a, мм Unhoped 10-40 10-32 Ход верз электрод цннчгекнэивн 100-80 гл *эин -airssV эонч1гвинэяв]д[ 290-370 370—500 Л'ГГ •xavrifl умнЕавоц 800—600 600 - 400 о *аин -эж1я1пвн aoHiiudoxg L г 3—6 BHHEHodHlT -jfjad цэнапХхэ огэиь СО % *au 8 ПУЛ ‘чхэонвюдо ю у *эин -awBdiiBH aoHiiMHdau оо СЧ СО см со Тип машины МТМ-75-4 глубина вылета плеч с элек- тродами регулируется в пределах от 400 до 600 мм в одном варианте машины и от 600 до 800 мм в дру- гом. Технические данные ма- шины МТП приведены в табл. 13. При работе маши- ны от сети напряжением 3180 в сила тока в первич- ной цепи для 1-й и 8-й сту- пеней составляет 98,7/197,5 а, а во вторичной цепи — 7100/14 200 а. Сварочный трансформа- тор 3 стержневого типа и воздушного охлаждения ус- тановлен внутри корпуса ма- шины на консольных крон- штейнах. Величины напря- жения холостого хода транс- форматора в зависимости от номера ступеней 1-й обмотки даны в табл. 14. Вторичная обмотка 42 сварочного трансформатора состоит из одного витка. Виток состоит из двух па- раллельных шин, охваты- вающих первичную обмот- ку, расположенную на одном стержне. Шины набраны из мед- ных полос, а концы их за- креплены: один к пазовой плите /5, а другой к хвосто- вику 10 подвижного крон- штейна верхнего плеча 23. Для плотного прилегания шина вторичного витка при- жата к первичной обмотке с помощью деревянных бру- сков и специальных винтов. Первичная обмотка за- креплена на сердечнике при помощи прокладок и клиньев. 98
Таблица 14 Номера ступеней Положение ножей переклю- чателя Число витков первичной обмотки Вторичное напряжение холостого хода в 1 2 1 1 1 127 2,99 2 1 2 118 3,22 3 1 3 109 3,49 4 * 1 4 100 3,80 5 2 1 90 4,22 6 2 2 81 4,65 7 2 3 72 , 5,28 8 2 4 63 6,04 Как видно из схемы фиг. 60, переключение ступеней произ- водится с помощью двух ножей, вставляющихся в гнезда соот- ветственно табл. 14. Завод выпускает для регулирования времени сварки два типа асинхронных электронных преры- вателей РВЭ-3 и РВЭ-4 с приме- нением для каждого прерывателя быстродействующего контактора 5. Машина МТП-75-4 снабжена пре- рывателем РВЭ-4, обеспечиваю- щим: а) незначительную постоян- ную выдержку до включения сварочного тока, необходимого 'Для создания надежного контак- та при заданном давлении; б) регулирование времени прохождения сварочного тока; в) регулирование времени вы- держки изделия под давлением (между электродами) после вы- ключения сварочного тока; г) регулирование длительно- сти паузы (при автоматической работе) или сохранения верхнего Фиг. 60. Электрическая схема машины МТП-75-4. 99
электрода в поднятом положении на заданное время выдержки холостого хода. Коммутация сварочного тока производится с помощью бы- стродействующего контактора 5 (см. фиг. 60) через регулятор времени. Контактор снабжен, кроме обычной искрогасительной камеры, специальным устройством, позволяющим производить выключение при малом значении тока и состоящим из вспомога- тельного трансформатора 1, регулировочного реостата 2 и кон- денсатора 3. Это устройство предназначено для обеспечения наи- меньшего искрообразования при размыкании главных кон- тактов. По схеме (фиг. 60) видно, что первичная обмотка вспо- могательного трансформатора 1 питается от сети через основной контакт 4 контактора, а вторичная обмотка, состоящая из двух витков, питает дополнительный виток 6, расположенный в сер- дечнике магнитопровода контактора. Магнитный поток послед- него создается двумя обмотками, благодаря чему якорь элек- тромагнита отпадает не одновременно с выключением (при по- мощи регулятора времени) главной обмотки 7, а задерживается потоком дополнительной обмотки 6 до снижения тока в сва- рочном трансформаторе до нулевого значения. Наличие в цепи первичной обмотки вспомогательного трансформатора /, сопро- тивления 2 и емкости 3 дает возможность настройки контактора для коммутации с малой искрой. Устройство машины (см. фиг. 59). Корпус маши- ны сварной и состоит из трех плит (верхней, нижней и перед- ней) и трех вертикальных труб, используемых в качестве реси- веров пневмосистемы машины. К передней плите корпуса прикреплены через изоляционные детали основной чугунный кронштейн 12 приводного механизма с латунным кронштейном {13 верхнего плеча 23, распредели- тельной колонкой и с пневматической системой 14, медная плита 15 с тремя Т-образными пазами, с кронштейном нижнего плеча и арматура водяного охлаждения со сливной коробкой. Основными элементами приводного механизма машины яв- ляются: кронштейн 13, в котором зажато верхнее плечо 23; го- ризонтальный пневматический цилиндр 24, служащий для до- полнительного подъема верхнего электрода. В нижних прили- вах литой чугунной коробки закреплены стаканы с коническими роликовыми подшипниками, в которых качается ось 26, закреп- ленная в нижней части кронштейна 13 коническим штифтом с натяжной гайкой. В задней стенке коробки смонтирован чугунный фланец 27 горизонтального цилиндра 24. В направляющей бронзовой втул- ке фланца, к которой подается смазка через трубку с колпач- ковой масленкой, двигается шток 28, на котором закреплен с помощью гайки и тарельчатой пружины наборный поршень. Во фланец вмонтирована уплотнительная манжета 29. 100
Вертикальный цилиндр 25 в нижней своей части снабжен приливом, в котором установлена ось 30, закрепленная в основ- ной чугунной коробке. Через бронзовую втулку и уплотнитель- ную манжету в крышке цилиндра проходит шток, на конце которого установлен поршень 33. Перемещение поршня 33 вверх ограничивается упором 20. Блоки штоков и прилив на верхней части поворотного крон- штейна шарнирно связаны между собой серьгами. Подъем поршня 33 при неподвижном поршне 28 горизонтального ци- линдра вызывает поворот латунного кронштейна 13 и подъем верхнего плеча 23, что дополнительно раскрывает электроды. Передвижением поршня в горизонтальном цилиндре 24 при неподвижном нижнем положении поршня 33 осуществляется рабочий ход верхнего электрода 34 с заданным давлением. Вер- тикальный цилиндр при этом давлении поворачивается вокруг оси 30. Давление в задней камере горизонтального цилиндра 24 регулируется редуктором 31. Камера соединена с ресивером — правой трубой корпуса машины. Максимальное давление воз- духа не должно превышать 3,1 атм. При этом давлении и при глубине вылета 400 мм усилие на электроды составляет 500 кг. Для подъема верхнего плеча 23 при рабочем ходе подво- дят сжатый воздух через электропневматический клапан в пе- реднюю камеру горизонтального цилиндра 24. Для опускания верхнего плеча 23 передняя -камера соединяется с атмосферой с помощью этого же клапана и сжатый воздух в задней камере толкает поршень 28 вперед и через систему рычагов создает давление на электроды. Нижняя камера вертикального цилиндра 25, соединенная с малым ресивером (средняя труба), наполняется через редук- тор 32 воздухом, сжатым до 2—3 атм, а верхняя камера напол- няется через клапан непосредственно от воздушной сети с дав- лением в 5 атм. В этом случае поршень 33 вертикального ци- линдра займет нижнее положение. Для полного подъема верх- него плеча верхняя камера цилиндра 25 соединяется с атмо- сферой через электропневматический клапан. Для предотвращения чрезмерного прогиба нижнего плеча 35 предусмотрен подкос 38, длина которого может регулиро- ваться. Пневматическая схема. Как видно из фиг. 61, воз- дух из магистрали поступает в распределительную колонку 14 через фильтр 44 и трехходовой кран 45. Па распределительной колонке 14 смонтированы: манометр 46, показывающий давление в магистрали, два редуктора 31, 32 с манометром и трехходовыми краниками и ниппель 47. Че- рез верхний редуктор 31 воздух подается в правый ресивер и в заднюю камеру горизонтального цилиндра; через нижний ре- дуктор воздух подается в средний ресивер и в нижнюю камеру 101
вертикального цилиндра. Через ниппель 47 воздух из сети по- дается в левый ресивер и в передние камеры цилиндров при- водного механизма. Давление на электроды обусловлено давлением в задней камере горизонтального цилиндра, указываемым верхним мано- метром. Во избежание появления опасных напряжений в верх- фиг. 61. Схема пневматического устройства ма- шины МТП-75-4. нем плече машины наибольшее давление в горизонтальном ци- линдре не должно превышать 3,1 атм. Усилие на электродах машины зависит от соотношения плеч и от их длины. Зависимость усилия на электродах от давления в задней камере и от глубины вылета дана в табл. 15. Таблица 15 Показания верхнего манометра атм Вылет, мм 400 500 ООО 700 800 Усилие на электродах в кг 1.0 163 138 120 105 95 1.5 245 205 180 160 140 2,0 325 275 240 210 190 2.5 405 345 300 265 235 3,1 500 425 370 325 290 102
Давление воздуха, подаваемого в нижнюю камеру вертикаль- ного цилиндра, должно быть равно 2,5—3 атм, чтобы при до- полнительном раскрытии электродов поршень ire поднимался слишком резко. Как видно из фиг. 61, воздух в передние камеры цилиндров поступает через электропневматические клапаны ЭПК. Каждый клапан имеет два канала; один соединяет камеру с ресивером, а второй с атмосферой. При отключенном соленоиде клапана якорь его занимает верхнее (нормальное) положение и воздух поступает в камеру цилиндра. При включенном соленоиде (якорь в нижнем положении) канал перекрывается и воздух из камеры выходит в атмосферу. Питание соленоидов осуществлено постоянным током 62 в от селенового выпрямителя. Рядом с клапаном горизонтального цилиндра смонтирована блокировочная пневматическая кнопка для разрыва цепи обмотки контактора в случае резкого умень- шения давления воздуха в магистрали, недостаточного для воз- врата поршня и подъема электрода. Эта блокировка предотвра- щает приварку электродов в случае прекращения подачи воз- духа или в случае отключения воздуха до выключения тока. Педаль управления 45 (см. фиг. 59) имеет две кноп- ки. Верхняя кнопка 49 включает пневмоклапан вертикального цилиндра 25. При этом поршень поднимается и верхний элек- трод достигает наивысшей точки. В таком положении электрод остается до тех пор, пока нажата кнопка 49. При размыкании этой кнопки электрод опускается вниз до верхнего положения его р1абочего хода. Для управления машиной при сварке служит лепестковая педаль 50. При нажатии этой педали включается регулятор времени, обеспечивающий автоматически весь последовательный цикл работы машины. Если кнопка 50 остается замкнутой после окончания первого цикла, то рабочий цикл повторится и машина будет работать до тех пор, пока нажата кнопка 50. Таким образЬм достигается многоимпульсная сварка в одной точке или одноимпульсная сварка при передвижении детали в момент подъема элек- трода. Для одного импульса следует нажать педаль 50 и удержать ее в этом положении до момента соприкосновения верхнего электрода с заготовкой. Система охлаждения. Внизу с левой стороны кор- пуса машины установлены три вентиля и сливная коробка. Вентиль 51 является магистральным, а вентили 52 и 53 служат для регулировки количества охлаждающей воды двух па- раллельных ветвей. Первая ветвь охлаждает нижний электрод 37, плечо 35 и плиту 15. Вторая ветвь охлаждает верхний электрод 34 и хво- 103
стовик подвижного кронштейна 13 верхнего плеча. Из обеих ветвей вода попадает в сливную коробку 54. Блокировочное устройство. На стенке кронштей- на 12 с правой стороны смонтированы на коромысле три пары блокировочных контактов (не показанные на чертеже). Включе- ние и выключение их осуществляется пальцем, выведенным из шарнира головки штока рабочего цилиндра. Одна пара контактов этой системы служит для шунтирова- ния педальной кнопки. Вторая пара включает клеммы свароч- ного прерывателя. Третья пара контактов включает клеммы прерывателя на время паузы между двумя импульсами, после которой начи- нается следующий рабочий цикл. Эти контакты обеспечивают продолжение рабочего цикла после выключения кнопки 50. § 24. Переносные сварочные машины для точечной сварки В отличие от стационарных машин для точечной сварки, в которых изделие перемещается во время сварки относительно неподвижно установленной машины, существуют переносные установки для точечной сварки, с помощью которых сваривают- ся громоздкие узлы; при этом перемещается часть сварочной установки, называемая в одних случаях клещами, а в других пистолетом. Такие машины нашли широкое применение в авто- мобильной промышленности, в строительном деле для сварки металлоконструкций, в вагоностроении и т. д. Сварочные клещи по своей конструкции чрезвычайно разно- образны. Каждый тип клещей приспособлен для сварки опреде- ленных узлов. Трудно представить себе сборку кузова современного авто- мобиля без применения портативных сварочных клещей, позво- ляющих производить сварку при любом неподвижном положе- нии свариваемого узла. Такие клещи можно отнести к инстру- менту; поэтому вес и портативность клещей приобретают весьма важное значение для ряда работ. На фиг. 62,о и 62,6 показаны два типа клешей для точечной сварки. Удобства работы сварочными клещами, как было пока- зано выше, обеспечиваются как их конструкцией, так и приме- нением гибких кабелей необходимой длины для транспортиров- ки сварочного тока от трансформатора к клещам. Для сварки легких сплавов, требующих большой силы тока, клещи находят весьма малое применение, так как в этих случаях необходимы кабели очень большого осчения,, а это ограничивает гибкость установки; кроме того, при этом во внешнем контуре возникают электрические потери, значительно понижающие к. п.д. уста- новки. 101
Фиг. 62. Клещи для точечной сварки громоздких неподвижных конструкций. в—портативные клещи; б—клещи тяжелого типа, /—электроды; 2—цилиндр сжатого воздуха; 3—то- коподводящие кабели; 4—трубопровод сжатого воздуха; 5—пусковая кнопка. 105
Кроме переносных сварочных клещей с раздельными транс- форматорами применяют еще клещи, совмещенные с трансфор- матором в одном корпусе. Такие клещи благодаря малому ка- жущемуся сопротивлению внешнего контура работают с высо- ким к. п. д. Например, клещами мощностью 75 ква с совмещен- ным трансформатором можно сваривать стальные заготовки суммарной толщиной до 15 мм. Установка с переносными клещами, но с раздельным транс- форматором той же мощности (75 ква) при длине кабеля 2,5 м позволяет сваривать стальные заготовки суммарной толщиной не больше 5 мм. Для уменьшения индуктивных потерь разработан кабель с малой индуктивностью, описанный ниже. Фиг. 63. Эскиз пистолета легкого типа для точечной свар- ки деталей. Завод «Электрик» еще до войны выпускал клещи различной мощности (АТК-35; ЛТК-80; АТК-150) с отдельными трансфор- маторами и клещи АТК-250 с совмещенным в одном корпусе трансформатором. В сварочных клещах давление на электроды осуществляется сжатым воздухом, для чего один или два цилиндра размещают па клещах. Узлы с замкнутым контуром или с большими габаритами нельзя сваривать с помощью стационарных сварочных машин или переносных клещей из-за невозможности размещения сва- риваемого объекта между верхним и нижним электродом. Для точечной сварки таких узлов применяют так называе- мый сварочный пистолет. Один вывод трансформатора соеди- няют струбцинами непосредственно с заготовкой, или заго- товки размещают на медной шине в кондукторе и шшгу соеди- няют с этим выводом; второй вывод трансформатора соединяют гибким кабелем с пистолетом. Усилие к пистолету приклады- вают через рукоятку силой рабочего, причем в некоторых кон- струкциях пистолетов предусмотрены внутренние пружины, га- рантирующие минимальное давление при сварке. Конструкция пистолета легкого типа показана на фиг. 63. 306
§ 2S. Конструктивные особенности роликовых сварочных машин Механизмы давления на роликовых машинах ничем не от- личаются от механизмов давления, применяемых на точечных машинах. Только при (роликовой сварке давление на ролики остается неизменным до конца сварки шва заданной длины. В отличие от точечных ма- шин роликовые машины обо- рудованы, кроме механизма давления на электроды, допол- нительным механизмом для вращения сварочных роликов. Привод для вращения сва- рочных роликов является весь- ма важным механизмом маши- ны. Обычно эти механизмы рас- считаны для двух способов сварки: продольной и попереч- ной. В зависимости от назначе- ния выпускаются машины с принудительным вращением одного или обоих роликов. В случае принудительного вра- щения одного ролика второй ролик вращается благодаря трению о свариваемую деталь. На фиг. 64 показаны различ- ные схемы вращения роликов для поперечной (слева) и про- дольной сварки (справа). На фиг. 64,а схематически показа- Фиг. 64. Схема принудительного вращения ролиКов для продоль- ной и поперечной сварки. но принудительное вращение верхних и нижних роликов, ко- торые приводятся во вращение стальными закаленными ша- рошками, снабженными для увеличения трения накаткой на поверхности. Шарошки в свою очередь вращаются от электродвигателя через систему передач. Для передачи давления от шарошек на медный ролик служат пружины. На фиг. 64,6 показан принудительный привод одних верхних роликов такими же шарошками, как и на фиг. 64,а. На фиг. 64,е показана схема принудительного вращения верхних роликов, осуществленного через зубчатую передачу, при которой ось ро- лика является одновременно и осью ведомой шестерни. В случае одновременного принудительного вращения верх- него и нижнего роликов линейная скорость каждого (ролика 107
должна быть одинаковой, иначе один из роликов будет буксо- вать, что приводит к снижению качества сварки и быстрому износу ролика. Схемы фиг. 64 далеко не исчерпывают существующих спосо- бов приведения роликов во вращение. В некоторых машинах, например, нижний ролик вращается валом, установленным внутри токоведущего плеча, в других — ролик вращается вместе с нижним плечом и т. д. *. § 26. Машина для роликовой сварки нержавеющих и жароупорных материалов [26] Особенностью машин для контактной сварки жароупорных материалов является большое давление электродов, повышен- ная жесткость конструкции и синхронное управление процес- сом сварки. Машина мощностью 75 ква предназначена для продольной и поперечной сварки. Давление осуществляется сжатым возду- хом и при 5 атм усилие составляет 500 кг. Плечи машины имеют достаточную жесткость и при полез- ной глубине вылета в 450 мм прогиб плеч менее 0,5 мм. Цепь управления питается напряжением в 24 в. Эта машина, предназначенная для работы с игнитронным прерывателем, обеспечивает хорошие результаты. Общий вид машины показан на фиг. 65. Кинематическая схема. На фиг. 66 представлены кинематическая и пневматическая схемы машины для ролико- .вой (поперечной и продольной) сварки. От двигателя 10 с 1450 об/мин и мощностью в 1 ква враще- ние передается редуктору через двухступенчатую тексропную передачу. При поперечной сварке ведущим является нижний ро- лик, соединенный с нижним валиком а редуктора. Для продольной сварки ведущим является верхний ролик машины, вращение которому передается через редукторный ва- лик б. ' Редуктор обеспечивает две скорости вращения; таким обра- зом вместе с тексропной передачей получаются 4 скорости вра- щения роликов (о,—и4). Передаточные отношения составляют 1/60, 1/40, 1/30 и 1/20. При размерах роликов, указанных на фиг. 66, скорость свар- ки (при (ременной передаче с 1=1 : 1,5) t/j=0,5 м!мик, = 1,0 mJmuh. При 1=1 : 1 с/,=0,75 м/мин, а ^*=1,5 м!мин. При поперечной сварке передача вращения на нижний ро- лик осуществляется под утлом через дополнительную пару ко- нических шестерен, карданный вал и червяк в нижнем плече машины;. ’ Токоведущие подшипники смазывают графитовой смазкой (графит элек- тропечной 5—10% и касторовое или легкое веретенное масло). 1 08
109
7—редукционный клапан; 2-ресивер; =28); редуктор; 5-червяк однозахоч- 3-дроссельный клапая;/-пневмоцилиндр; ный; 10—электродвигатель (А'=1 кет' 5—сварочный трансформатор; 6-свароч- «=1500об/мин); //-электропневмоклапан’. яые ролики; 7—червяк двухзаходный (Z— по
Переключение редуктора с одной скорости на другую про- изводится рычагом в. Пневматическая схема (см. фиг. 66)'. Сжатый воз- дух подается от магистрали через воздушный редуктор в элек-. тропневмоклапан, который включает и выключает воздушную цепь машины. При воздействии на золотник пневмоклапана '(включением соленоида) сжатый воздух устремляется в цилиндр машины через дроссельный клапан, который обеспечивает плавное опу- скание верхнего ролика без удара о нижний ролик или заго- товку; подъем ролика происходит достаточно быстро. При помощи пневморедуктора устанавливается необходимое давление воздуха в пневматической цепи машины. На цилиндре машины укреплено пневмореле, включающее цепь прерывателя после наполнения цилиндра. Давление на ролики, осуществляемое поршнем цилиндра, дано в табл. 16. Таблица 16 Давление по манометру атм 1,0 1,5 2.0 2.5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Давление на ролики кг 50 ПО 170 220 280 340 390 450 500 Запуск машины производится трехступенчатой ножной пе- далью, обеспечивающей следующую последовательность опера- ций: 1) подача воздуха в цилиндр, 2) включение двигателя, вращающего ролики, и 3) включение сварочного тока. Выключе- ние машины производится в обратной последовательности. В электрическую цепь управления включено реле, которое включает сварочный ток только при заданном давлении воздуха в цилиндре. При падении давления в сети ниже заданной величины свар- .ка невозможна. Как видно из фиг. 66, водяным охлаждением оборудован только вторичный контур машины. Ролики охлаждаются как снаружи, так и изнутри. Конструкция машины. Корпус машины (см. фиг. 65) состоит из двух частей. Верхняя часть 19 изготовлена из чугун- ного литья. Нижняя часть, представляющая собой сварной кар- кас из углового железа, обшита листовым железом. Верхняя часть корпуса состоит из консоли коробчатого се- чения. Эта конструкция обеспечивает достаточную жесткость и 111
позволяет дополнительно увеличить давление на ролики в два раза. Для уменьшения индуктивных потерь, вызываемых близостью верхней ценны, в пфедней части корпуса сделана прорезь. На передней части корпуса укреплена контактная плита 20, к которой крепится нижнее плечо 5. В плите имеются попереч- ные пазы, в которые вставляются крепежные болты нижнего плеча. Шток поршня цилиндра имеет направляющие шлицы, кото- рыми перемещается в шлицах втулки. Это шлицевое соединение устраняет радиальный разворот верхнего ролика при нагрузке. Фиг. 67. Конструкция верхней головки, /—ролик; 2—валик; 3— червячная переда- ча; 4—ниппели для охлаждающей воды; 5—втулка; 6— сальник; 7—гайка; 8—токо- ведущие шины; 9- прокладка; 10—шток. Пружина на штоке поршня удерживает поршень в верхнем положении. Верхняя головка машины (фиг. 67) связана со штоком 10 поршня прессовой посадкой и четырьмя винтами, соединяющими корпус головки с плитой, приваренной к штоку поршня. Креп- ление верхнего ролика резьбовое. Па правом конце валика 2 имеется втулка 5, запирающая сальник 6. На торец втулки насажены два ниппеля 4 для под- вода и отвода охлаждающей воды к ролику. Сальник 6 не про- пускает 1&оду к червячной паре. Втулка 5 удерживается гай- кой 7. Осевая нагрузка червяка воспринимается упорным подшип- ником. Сварочный ток подводится к головке гибкой шиной 8. р2
Ход верхней головки определяется сжатием пружины, рав- ным 40—45 мм. Верхняя головка применяется как для продольной, так и для поперечной сварки. Для поперечной сварки головку поворачи- вают на 90е. Нижнее плечо сменное; показанное на фиг. 68,а применяет- ся для продольной сварки, а показанное на фиг. 68,6 для попе- речной. Токоподводящие подшипники смазываются графитовой смазкой через масленки при помощи Щприцпресса. Электрическая схема. Релейно-контактная схема управления роликовой машины без прерывателя представлена на фиг. 69. От сети напряжением 380 в питаются: сварочный трансформатор через игнитронный прерыватель 4 и двигатель 14, приводящий во вращение ролики. Цепь управления питается от понизительного трансформатора 7 (220/24 в). Для включения машины служит ножная педаль 16 с тремя парами контактов. При нажатии педали замыкаются сперва контакты 2' (пер- вое положение) и при замкнутом ключе 11 включается в сеть катушка пускателя 8, замыкающего цепь соленоида пневмо- клапана 9. Включением пневмоклапана открывается доступ воздуха в цилиндр машины; при этом головка с верхним роликом пере- мещается вниз, зажимая заготовки перед сваркой. Дальнейшим нажатием педали, (второе положение) замыкают контакты 3' и включают катушку пускателя 13 привода вращения роликов. При этом замыкаются блокконтакты пускателя 13 в цепи катуш- ки пускателя 3. Дожатием педали до конца (третье положение) замыкают контакты 4' и 5'; в этот момент срабатывает пускатель 3, если в цепи его катушки замкнут ключ 12, установленный на панели прерывателя. Эта цепь питается от силового трансформатора прерывателя. Таким образом ключ 11 разрывает цепь, включающую сжа- тый воздух (что необходимо при смене или зачистке роликов), а выключатель 12 дает возможность включать двигатель при- вода не нажимая педали. При нормальной работе машины ключ 11 замкнут, а 12 разомкнут. Т рансформатор. Первичная обмотка трансформатора дисковая, сечением 2,83X19,5 мм и состоит из семи катушек по 22 витка. Вторичная обмотка состоит из четырех витков, соединенных между собой параллельно. Сварочный трансформатор имеет пять ступеней регулирова- ния мощности. Регулирование производится при помощи штурвала рубя- щими контактами, расположенными на отдельной доске (сбоку машины). 113
114
Фиг. 69. Релей но-коитакторная схема управления роликовой машины. 1 и 2—предохранители; 3— пускатель типа ПМ-2; 4— игнитронный прерыватель; 5—переключатель ступеней; 6— сварочный транс- форматор; 7—вспомогательный трансформатор 220/24 в; 8-пуска- тель типа ПМ-0; 9— соленоид пневмоклапана; 10— блок-контакт ппевмоклапаяа; 11— кнопка соленоида пневмоклапана; /^—выклю- чатель; 13— пускатель типа ПМ-0; 14—асинхронный двигатель привода роликов; 15— двухполюсный рубильник; 16— ножная педаль. Фиг. 70. Размещение об- моток на сердечнике сва- рочного трансформатора. 7—первичные катушки, 11— вторичные, 111— охлаждаю- щие трубки. 8* 115
Сердечник трансформатора — броневого типа. Расположение обмоток «а керне показано на фиг. 70. Вторичная обмотка охлаждается холодной водой, протекающей по медным трубкам, расположенным по периметру каждого витка. Распределение вторичного напряжения по ступеням при хо- лостом ходе дано в табл. 17. Таблица 17 Первичное на- пряжение 385 в 380 в 380 в 385 в 385 в Вторичное на- пряжение 3.4 в 3,9 в 4,45 в 5115 в 5,9 в Коэффициент трансформации и 113 97 85 75 65 Изменение силы тока и мощности машины по ступеням ’(из опыта короткого замыкания) приведено в табл. 18. Таблица 18 Номера ступеней tZi в Лк а 1Гк вт 7гк а ОМ *1ж ом Хи ом COS ? 1 390 67,5 15900 7 640 5,80 3,5 4,63 0,60 2 390 84 21000 8150 4,45 3,0 3,26 0,64 3 390 114 28200 9700 3,42 2,17 2,64 0,635 4 385 200 48 000 15 000 1,93 1,20 1,51 0,625 5 380 264 62400 17 200 1,44 0,90 1,24 0,622 К недостаткам машины, которью исправлены в последую- щих сериях, относятся: 1) недостаточное давление (500 кг) для сварки жароупорных листов толщиной более 2 мм; 2) отсут- ствие водяного охлаждения контактной плиты крепления ниж- него плеча; 3) отсутствие вкладыша между валиком ролика и его подшипником. 116
§ 27. Конструкция плеч, электрододержателей и электродов Фнг. 71. Нормальный электродо- держатель для точечных машин. Внешний контур любой сварочной машины характеризуется своеобразными плечами, электрододержателями и электродами. ПдечОм назьпвается токбведу ща я | ши1н|а, служащая для электрического соединения электрододерж ател я или с амого электрода со вторичной обмоткой сварочного трансформа- тора. В ряде конструкций сварочных машин плечо служит одновременно и консолью жесткости. _ Электрододержатсль 2 или «свеча» является промежуточ- ной деталью между плечом I и электродом 3 (фиг, 71). Он жестко соединен и с плечом и с электродом. Электрододержа- тель подводит к электроду элек- трический ток и механическое усилие сжатия. Под электродом под- разумевается та токо- ведущая часть внеш- него контура, которая непосредственно со- прикасается со свари- ваемой деталью. При точечной сварке электродом яв- ляется стержень специальной формы. При роликовой сварке электродами служат ролики, при рельефной сварке — колодки, а при стыковой сварке — осо- бые губки-зажимы. Электроды являются инструментом свароч- ной машины. Нередко электрододержателям точечных машин также придают специфичную форму, необходимую для сварки деталей данной конфигурации. Электроды контактных машин выполняют при сварке три функции: 1) подводят ток с заданной плотностью; 2) отводят тепло (благодаря теплопроводности) с наружных поверхностей шва; 3) передают механическое усилие сжатия. Во всех трех случаях большую роль играет материал элек- тродов, а также геометрические размеры рабочих торцов элек- тродов или ширина роликов. На фиг. 71 показаны нормальный электрододержатсль и кон- струкция крепления его в плече для точечных машин с водя- ным охлаждением электрода и самого электрододержателя. Следует отметить, что применять сложные электрододержатели 117
в серийно-массовом производстве не рекомендуется. Сварные узлы должны быть сконструированы так, чтобы места сварки были легко доступны для прямых электродов. В тех случаях, когда применение фигурных электродов при точечной сварке неизбежно, следует учесть, что значительный прогиб электродов на машинах с пружинной осадкой вызывает падение давления и увеличивает контактное сопротивление. Из- Фиг. 72. Электрододержатели тяже- лого типа двух размеров [40]. за увеличения сопротивления образуются выплески и на- ружные потемнения точек (на поверхности легких сплавов и жароупорных материалов).. Для точечной сварки ответ- ственных узлов, при которых из-за большого давления на электроды исключается приме- нение электрододержателей легких конструкций, можно применять электрододержатели тяжелой конструкции (фиг. 72). В каждом отдельном случае электроды являются инструмен- том, зависящим от конфигура- ции свариваемой детали. На фиг. 73 показаны различные формы электродов для точечной сварки, применяемые в про- мышленности. Наиболее стой- кими и экономичными являют- ся прямые нефигурные элек- троды. Как для продольной, так и для поперечной сварки на роликовых машинах наиболее рас- пространенной формой электродов являются ролики с различ- Фиг. 73. Прямые и фигурные элек- троды для точечной сварки. нон формой заточки рабочей поверхности (фиг. 74). Для сварки коротких герметичных швов или деталей с конструктивными вы- ступами по линии шва могут быть рекомендованы сегменпоюб- разные ролики (фиг. 75); длина сегмента должна соответство- вать длине сварною шва. 118
При сварке герметичных швов на узлах, внутрь которых нижний ролик машины не проходит, могут быть применены спе- циальные роликовые машины с одним неподвижным электродом в виде» бруска А, соответствующего по форме свариваемому Фиг. 75, Сегмеитообразные ролики для сварки корот- ких участков швов. Фиг. 74. Различные кон- струкции роликов с дву- сторонним н односторон- ним скосом рабочей кром- ки. узлу, и со сварочным роликом, связанным с кареткой Б, пере- двигающейся по токоведущей шине В (фиг. 76). Наконец, для сварки герметичных швов на криволинейных деталях можно применять выносной нижний ролик, показанный на фиг. 77. Фиг. 76. Схема установ- ки для роликовой сварки; иижиий электрод А неподвижен, а верхний вращающийся ролик пере- мещается по изделию вместе с кареткой Б. Фиг. 77. Выносной свобод- но вращающийся нижний ролик на криволинейном электрододержателе, соот- ветствующем форме свари- ваемой детали. Электроды для стыковых сварочных машин, называемые в широкой практике губками, имеют также различную форму. На фиг. 78, 79, 80 и 81 приведены некоторые типы электродов-губок для стыковой сварки, соответствующие по форме свариваемому узлу. 119
Таким образом электроды для всех видов контактной сварки являются своеобразным инструментом и весьма ответственной частью сварочной машины. Материал электродов. К материалу для электродов предъявляются два трудносочетаемых требования: 1) высокая электро- и теплопроводимость и !2) высокие механические свойства. Фиг. 78, 79, 80 и 81. Различные конструкции электродов губок для стыковых машин. Для различных условий сварки и различных свариваемых материалов приходится находить, как видно будет далее, ком- промиссное решение. Неизбежное нагревание электродов при сварке происходит: 1) теплопроводностью от горячего сварочного контакта из- дел|ия; 2) вследствие генерирования тепла в контакте между каж- дым электродом и свариваемой заготовкой и, наконец; 3) от тепла, возникающего в самом металле электрода из-за высокой плотности тока в нем. Тепло от электроде® отводится в электрододержателщ которые охлаждаются холодной проточ- ной водой. Хотя процесс сварки кратковременный, но при частом его повторении температура электродов, несмотря на наличие водя- ного охлаждения, достигает сотен градусов. Даже при кратко- временном нагревании токоведущих металлов предел прочности их значительно понижается. Давление, приложенное к электро- дам во время сварки, оказывает весьма важное влияние на сва- рочный процесс, но одновременно под действием этого усилия 120
Фиг. 82. Изменение твердости материала для электродов в зависимости от температуры отжига, получающегося в процессе сварки. нагретые рабочие поверхности электродов деформируются (сми- наются) и увеличивают поверхность соприкосновения со свари- ваемым изделием; в результате неизбежно изменяется и режим сварки (уменьшение плотности тока при заданной ступени мощности) и ухудшается качество шва (непровар). По этим соображениям вместо крас- ной люди, обладающей недо- статочной механической проч- ностью, разработаны более твердые материалы для элек- тродов. Все сплавы, рекомен- дуемые для электродов к кон- тактным машинам, имеют бо- лее высокие температуры от- жига, чем медь. В то же время механические свойства их (со- противление сжатию, износу и истиранию) значительно выше (фиг. 82). Последнее достиг- нуто в ущерб электропроводно- сти материала, которая остает- ся все же достаточно высокой. В табл. 19 указаны различ- ные сплавы для электродов и их электрические и физические свойства, В зависимости от назначе- ния электродов используют различные материалы. На передовых заводах СССР кроме твердотянутой меди, сплав и кадмиевая бронза [12]. Сплав ЭВ представляет собой сплав имеет следующий химический состав: Ст 0,6—0,8%; Zn 0.3—0,5%; Си — остальное. Хро.моцинковая бронза ЭВ вы- пускается заводом Министерства металлургической промышлен- ности. При изготовлении фигурных электродов из сплава ЭВ нель- зя применять нагрев, приварку или пайку, так как при этих операциях нарушается структура сплава, а с ней и механиче- ские свойства его. Кадмиевая бронза содержит 0,9—1,2% кадмия. Технология производства! кадмиевой бронзы проще, чем сплава ЭВ, и освое- на различными заводами СССР. Твердость кадмиевой бронзы после горячей и холодной де- формации равна примерно 130 по Бринеллю. для электродов применяются, ЭВ (электроды ВИАМ)’ [13 J г. Этот * Разработан С. 3. Ласкиным. 12)
Таблица 19 Химический состав и свойства материала электродов для контактной сварки металлов |40] Химический состав электродов, % Твердость Электропровод- ность по отноше- нию к меди, % По Роквел- лу По Вик- керсу Медь 99,9 Rg=50 90 100 Медь 99,5; хром 0.02; кадмий 0,5 RB—72 142 90 - Медь 98; кадмий до 2 RB=70 136 около 90 Медь 99,2; хром 0,67; RB=82 165 , 80 Медь 99,4; хром 0,6 RB^76 155 . 75 Медь ’96,2; кобальт 2,7; бериллий 1,1 RB=<& 205 . 50 Медь 27,3; вольфрам 72,7 RB~96 252 Вольфрам 99,9 Rc=36 400 30 Практика использования кадмиевой бронзы для роликовой сварки нержавеющей стали показала, что ее износоустойчивость в 25—30 раз превышает износоустойчивость красной меди. Этот сплав успешно применяется также для электродов при точечной сварке легких сплавов. Сплавы ЭВ и кадмиевой бронзы целесообразно применять также для изготовления токоведущих частей контактных машин (плечи, электрододержатели, втулки, подшипники и др.). Крепление электродов. В элекгрододержателях для точечной сварки применяют конусное соединение и редко резьбовое. Конусы Морзе дают надежный электрический кон- такт и водонепроницаемое соединение. На фиг. 83 показаны различные размеры электродов для точечной сварки сталей. Конусная часть электрода и гнезда в электрододержателе должны быть выполнены с допусками порядка 0,01 мм. При резьбовом соединении применяют трубную резьбу. Чтобы не повредить посадочные конусы при смене электродов, необходимо предусмотреть на верхней части каждого электрода лыску под гаечный ключ. Контакты конусного крепления должны быть чистыми, без царапин и забоин. В случае увеличения размера 122
гнезда нельзя, по понятным причинам, применять никаких кра- сок или замазок для предотвращения утечки воды. Охлаждение электродов. Опыт показывает, что срок службы электродов можно значительно увеличить путем рационального водяного охлаждения. Внутренняя трубка а, подводящая воду в электрод (см. фиг. 71 и 72), должна находиться весьма близко к основанию отверстия электрода (5—6 мм), чтобы предотвратить опасность образования в этом пространстве водяного мешка или даже столба водяного пара. На электроды при точечной и роликовой сварке наиболее вредно действует не механическое усилие, а вы- сокий нагрев их. Рабочий торец электрода при работе без охлаждения деформируется и приобретает грибовидную форму; из-за этого электрод требует частой заточки и расход материа- ла повышается. Кроме электродов нормальной формы, для точечной сварки бывает необходимо применять специальные электроды. Напри- мер, при точечной сварке труднодоступных мест или при мон- тажных работах применяют так называемый электрод «Каран- даш» длиной 200—400 мм без внутреннего водяного охлажде- ния. При наружном водяном охлаждении или при малоинтен- сивной работе сварка таким электродом получается удовлетво- рительной. § 28. Кабель с низким индуктивным сопротивлением для питания сварочных машин Гибкий кабель, применяющийся для присоединения свароч- ных клещей и пистолетов к трансформатору, в значительной мере увеличивает электрические потери и снижает эффектив- ность работы сварочной установки. 123
Для уменьшения электрических потерь при передаче тока и облегчения эксплоатации подобных установок разработан спе- циальный низковольтный кабель, обладающий малым индуктив- ным сопротивлением. Как уже было указано ранее (§ 18), индуктивное сопротив- ление контура зависит в значительной мере от расстояния меж- ду токоведущими шинами или проводами. Снижение индуктив- Фиг. 84. Кабель малой индуктивности. ного сопротивления электрических проводов достигается пере- плетением прямого и обратного проводов в виде одного кабеля в резиновом шланге (фиг. 84). Схема конструкции такого ка- беля видна .на фиг. 85. На толстостенную резиновую трубку 1 навито спиралью шесть или десять медных жил А—Л,. Каждая жила изолирована от соседней изоляционной волнистой резино- вой прокладкой 2 толщиной примерно 1,5 мм. Шаг спирали ка- беля равен примерно 150 мм. Кабель с малой индуктивностью, освоенный в производстве автомобильного завода, имеет 10 жил. Фиг. 85. Вариант конструкции кабеля. /—внутренняя труба; 2—изоляционная волнистая резиновая про кладка; 3— резиновая труба; A—Zj—медные жилы. Сечение каждой жилы составляет 30 мм2. Жила в свою очередь состоит из трех прядей по 10 мм2, и, наконец, каждая прядь свита из медных проволок диаметром 0,1 мм. На кабель одет резиновый шланг 3 диаметром 52 мм-, ка- бель охлаждается проточной водой. Вода омывает каждую жи- лу кабеля и обеспечивает быстрое охлаждение проводов. Для сохранения гибкости кабеля и уменьшения его веса, что необ- ходимо при сварке переносными клещами, следует обеспечить циркуляцию воды при давлении 2—2,5 атм-, по внутренней ре- зиновой трубке Z вода не должна протекать. Кабель может быть соединен с наконечником, как показано на фиг. 85. Жилы одной полярности (половина общего коли- 124
чества) припаяны к правой части Б наконечника, а жилы про- тивоположной полярности— к левой части В. Обе части наконечника разделены изоляционной проклад- кой Г. Наконечник охлаждается водой. Вода, выпускаемая че- рез отверстие Д, интенсивно охлаждает места соединения кабе- ля с клещами, к которым сварщик чаще всего прикасается ру- камД. § 29. Факторы, влияющие на мгновенное изменение давления электродов точечных н роликовых машин при сварке Термин «давление электродов», применяемый при контактной сварке, означает статическое давление, приложенное к электро- дам. Величина этого давления измеряется либо манометром, указывающим усилие на I смг площади поршня сварочной ма- шины. либо по экспериментальному методу градуировки давле- ния (см. § 36). Тщательный анализ давления электродов на металл шва в процессе сварки (точечной или роликовой) показывает, что ве- личина давления, установленная до сварки, не сохраняется. Исследования также показывают, что статическое усилие Р, приложенное к электродам, снижается в момент сварки вслед- ствие возникновения различных динамических сил, направлен- ных в сторону, противоположную действию усилия Р. Рассмот- рим эти динамические усилия и попытаемся количественно определить хотя бы в первом приближении их влияние на ста- тическое давление, приложенное к электродам. 1. При точечной и роликовой сварке металл, разогретый во внутреннем контакте, переходит в жидкое состояние, а нагретый металл, окружающий шов, легко деформируется. Вследствие инерции масс и действия сил трения перемеще- ния верхнего плеча машины происходят медленнее, чем пере- ход раэо1*ретого металла шва из одной фазы в другую, и верх- ний электрод в этот момент с запозданием передает усилие шву. В результате возникают выплески металла из внутрен- него контакта, а в некоторых случаях даже и из наружных контактов. Следует отметить, что влияние запаздывания движения элек- трода в момент перехода металла шва из одного состояния в другое (твердое в жидкое) зависит еще от рода свариваемого металла. Мягкая малоуглеродистая сталь с ее широкой зоной пластического состояния успешно сваривается при значитель- ном колебании давления на электроды. При сварке же металлов с узкой зоной пластического со- стояния мгновенное снижение действительной величины давле- ния в момент расплавления металла контакта является причи- ной образования выплесков металла шва. 125
2. Одновременно с влиянием инерции масс механизма пере- мещения верхнего электрода в момент сварки появляются еще другие факторы, дополнительно снижающие давление на элек- троды. Магнитное поле, возникающее вокруг шин (плеч) внеш- него контура сварочной машины при прохождении сварочного тока /а, создает механическое усилие Ри направленное в сто- рону, обратную действию усилия на электроды (фиг. 86). Фиг. 86. Схема взаимодействия магнит- ных полей внешнего контура сварочной машины. Механическое действие магнитных сил в этой системе равно: IO-8 кг, 2 л где I — глубина вылета в см; h — расстояние между плечами машины в см\ т — коэффициент, учитывающий скин-эффект токоподводя- щих плеч; Ц— сила тока. 3. При прохождении электрического тока через электрод с резко изменяющимся сечением торца электрода (фиг. 87) в нем возникает продольное электродинамическое усилие отталкива- ния Р2 вследствие искривления путей тока. При подсчете электродинамического усилия отталкивания: Р2 = /21п -МО-8 кг. г2 Для электродов некрупного сечения можно несколько изме- нить формулу, которую можно в этом случае написать в виде: кг, 126
гае <к— площадь большего сечения, a qs— меньшего сечения. 4. При точечной сварке толстых листов часть давления элек- тродов тратится на устранение неровностей поверхностей свари- ваемых листов, поэтому результирующее дав- ление окажется ниже первоначального. Однако учесть эту разность весьма трудно. Пример. Вычислим усилие действия магнит- ных полей токоведущих шин внешнего контура сва|рочной машины мощностью 350 ква; глу- бина вылета машины /=900 мм; Л=250 мм; сила сварочного тока /2=30 000 а; приняв коэффициент скин-эффекта щ=1,4, получим: Р^2-1,4-30000»~ IO-8 = 2,8-9-3,6 = 90 кг. л 9 пг. Фиг. 87. Элек- трод с резко изменяющим- ся диаметром. Продольное электродинамическое усилие Р2 оказывает мень- шее влияние. Так как радиус rt электрода равен обычно (при сварке легких сплавов) 8—10 мм, а радиус г2 действительного касания электрода с листом детали обычно не превышает 1 мм, то —1^'10. Тогда P2=300002. in 10-10-8 кг или кг. Г2 Эффективность суммы сил Pt и Р2 в отношении статического давления на электроды зависит в значительной степени от влия- ния инерции и трения подвижных частей механизма в динами- ческих условиях, а также от конструкции всей подвижной си- стемы. Измерить динамическое давление, длящееся иногда милли- секунды, весьма трудно; это удается выполнить только с по- мощью электрических датчиков и осциллографической записи. Экспериментальное исследование динамического давления электродов показывает неизменное снижение величины статиче- ского давления в процессе точечной сварки. На фиг. 88 показаны два случая точечной сварки дуралю- мина при одинаковых параметрах сварочного режима, но в случае а динамическое давление при сварке составляло 85% статического, а в случае б оно снизилось до 40% статического давления. В результате в первом случае сварка получилась без выплеска, а во втором — с большим выплеском. На новейших точечных машинах (электромагнитного и кон- денсаторного типов) предусмотрена специальная динамическая система давления на электроды, исключающая влияние инерции масс, однако, действие электромагнитных сил во вторичном контуре сварочной машины, особенно при больших значениях тока, остается и снижает давление при сварке. На фиг. 89 по- казана осциллограмма давления 1 и импульса тока 2 при свар- 127
Фиг. 88. Влияние динамического дав- ления при снарке дуралюмина Д16Т при различной инерции масс подвижной системы верхне- го плеча сварочной машины. |Хесс и Рункель). а—сварка без выплеска; б—сварка с большим выплеском. Фиг. 89. Осциллограммы Давления на электроды 1 и импульса сварочного тока 2 на машине конденсаторного типа [Хесс и Рункель!- 128
ке на машине конденсаторного типа. Как видно из фиг. 89, динамическое давление (в момент сварки) оказалось на 20—25% ниже статического. Таким образом была найдена одна из причин образования выплеска при точечной или роликовой сварке металлов. В слу- чае точечной или роликовой сварки легких сплавов или других цветных металлов, когда большое количество энергии сосредо- точивается в сварочном контакте в течение малого промежутка времени, особенно сказывается снижение динамического давле- ния по сравнению со статическим. При этом следует напомнить, что большие выплески ослабляют сечение шва и, естественно, снижают его прочность. При повышении статического давления на электроды можно несколько снизить влияние мгновенного падения динамического давления при сварке. Глава VI ПИТАНИЕ СВАРОЧНЫХ КОНТАКТНЫХ МАШИН § 30. Влияние падения напряжения в подводящей сети на качество швов при контактной сварке металлов Современные установки переменного тока для контактной сварки металлов снабжены аппаратурой, регулирующей доста- точно надежно отдельные параметры сварочного процесса. Несмотря на то, что каждый параметр сварочного режима точно регулируется, очень часто наблюдаются непонятные на первый взгляд выпады из установленного режима, вследствие которых получается либо непровар, либо пережог. Причиной образования непровара и пережога сварных швов при правильно выбранном режиме контактной сварки является мгновенное падение напряжения, возникающее в подводящей электрической сети во время сварки и достигающее часто 25—40% и более от поминального значения. Объясняется это тем, что при проектировании электрической сети для питания сварочных цехов часто принимают во внимание лишь экономию .меди, исходя из учета только допустимого продолжительного нагрева проводов, соответствующего данному повторному ре- жиму нагрузки сварочной машины. При этом ошибочно учиты- вают только номинальную мошность машины по ее паспорту, исходя из формулы: где 1„^— расчетный ток, эквивалентный по нагреву длитель- ному току; Qhom — мощность машины согласно заводскому 129
паспорту; ПВ — продолжительность включения, равная для то- чечных машин примерно 1О°/о. Между тем действительный рас- ход мощности в процессе сварки на последней ступени оказы- вается в два и более раза выше. Например, точечная машина АТН-25, мощность которой по паспорту равна 25 ква, потреб- ляет при сварке на последней ступени 75—80 ква. Точечная машина, мощностью 350 ква по паспорту, имеет мгновенную мощность на последней ступени, равную 680 ква (7,=40000 a; Ut=17 в или /,= 1800 а; 17,=380 в); Q=IJJ2 ва. У точечной машины мощностью 600 ква мгновенная мощность на последней ступени: /2772=1150 ква (У2—40 000 a; £7,=29 в или /,=3000 а; 17,=380 в). Действительные потери в подводящей электрической сети при работе на последних ступенях машины еще больше. Паде- ние напряжения, возникающее на отдельных участках сети, а также действительная величина напряжения на клеммах сва- рочной машины в момент сварки, не учитываются при расчете сетей. В связи с этим одновременно с экономией меди в подводящей сети в подобных случаях искусственно снижается электрическая мощ- ность установленной сварочной машины вследствиеповышенного падения напряжения. Кроме потерь напряжения на отдельных участках сети из-за неправильного выбора сечения кабеля, качество швов, выпол- ненных контактной сваркой, ухудшается еще в большей степени вследствие периодического совпадения одновременной работы двух или нескольких сварочных машин, питаемых одними и теми же шинами. § 31. Вероятность совпадения одновременной сварки на нескольких сварочных машинах и его влияние на качество шва Основываясь на общем законе средних величин, можно под- считать ожидаемое число случаев совпадения сварок. Ради упрощения совпадениями моментов сварки будем считать и те случаи, когда хотя бы часть времени сварки на одной машине, т. е. один период тока (0,02 сек.), совпадает с одним периодом сварки на другой машине. Очевидно, что за исключением очень кратковременных режимов (2—3 периода!) совпадение сварок дли- тельностью в один период не должно вызывать серьезных по- следствий (из-за кратковременности) и принятое допущение вно- сит в расчет значительный коэффициент запаса. Количество сварок в интервале между совпадающей рабо- той двух машин, включая и случаи незначительного совпадения времени двух сварок, составляет [40]: /v„=JL_2_. 130
Количество сварок в интервале между совпадающей работой трех машин, включая и случаи частичного совпадения времени сварки, равно: N - Г Г г 1 Y /г»- -- . nt (jn—\)t (n—2)t где t — продолжительность прохождения тока при сварке в сек.; Т — полное время (время сварки плюс время холостого хода машины) в сек. на шов; п — число сварочных машин. Пример. В мастерской установлено десять точечных машин мощностью в 200 ква каждая. Производительность каждой ма- шины составляет 100 сварных точек в час. Продолжительность сварки каждой точки f=0,2 сек., а Т=—— =36 сек. Число то- 100 чек между совпадениями сварки на двух сварочных машинах будет равно: ——----=360 точек. 3 к 10 0,2 9-0,2 В течение часа на десяти машинах сваривается 1000 точек. или 22 ми- машинах. трех машин часов. 3(Х) Следовательно, через каждые 10tj0~ = 0,36 часа, нуты, происходит одновременная сварка на двух Вероятность совпадения одновременной работы для этого случая будет через 36 36 36 о -----------------= 8100 сварных точек, или 8 10-0,2 9-0,2 8-0,2 г При серийно-массовом производстве число сварок в час до- стигает примерно 1—2 тыс., поэтому вероятность совпадения одновременных сварок гораздо больше. Если принять произ- водительность каждой машины равной 1000 точек в час, что весьма реально, то одновременная работа двух машин значи- тельно участится: 3600 о г Г— — = 3,6 сек. 1000 Одновременная сварка на двух машинах будет происходить через ^-^- = 3,6 «4 сварных точки, или через каждые 1,5 секунды, что исключает возможность нормальной работы. Совпадение одновременной сварки на трех машинах произой- 3.6 3,6 3,6 дет через — ------1---!— = 8 сварных точек, или через каж- 10-0,2 9-0,2 8-0,2 дые 3 секунды. 131
Даже в случае мелкосерийной работы и малого количества сварочных машин в отдельные моменты дня сварщики разви- вают высокую производительность, хотя в среднем за день об- щее число сварных швов, приходящееся на каждую машину, невелико. Пример. Из общего числа сварочных машин в цехе, питаю- щихся от общего фидера, работает лишь одна группа в четыре машины различной мощности (600 ква\ 300 ква и 2 по 40 ква). Продолжительность каждой сварки /=0,12 сек.; средняя про- изводительность каждой из двух больших машин составляет 600 сварных точек в час. Относительная длительность каждой сварки: „ 60-60 „ Т—-------= 6 сек. 600 Тогда сварка на двух машинах будет совпадать через каждые — 1250 сварных точек, или через Если частота сварки возросла и Т стало равным 2 сек., то совпадение двух сварок произойдет через каждые 135 точек, или через 6—7 мин. Таким образом, вследствие одновременного включения двух или более крупных сварочных машин, напряжение на клеммах машин, как показывает практика, снижается порой на 25—50%. Из-за такого мгновенного снижения напряжения при сварке получается непровар сварных швов, а на некоторых машинах пережог шва. На первый взгляд может казаться парадоксальным, что при столь значительном падении напряжения против нормального режима сварки происходит все же пережог шва. Но причиной пережога в данном случае является нс избы- ток тепла в сварном шве, а ненормальность работы вспомога- тельной электроаппаратуры управления сварочной машины при пониженном напряжении. Особенно это относится к электро- магнитным клапанам, регулирующим подачу сжатого воздуха в цилиндр сварочной машины. На точечных машинах большой мощности нами наблюдались случаи пережога шва в момент совпадения работы двух машин мощностью 600 и 350 ква. При мгновенном снижении напряжения на указанную выше вели- чину электромагнитный клапан прекращает подачу сжатого воз- духа в цилиндр машины, и давление на электроды резко падает до момента выключения сварочного тока. Поэтому, несмотря на общее снижение величины сварочного тока (при одновре- менной работе двух или более сварочных машин), преж дев ре- 132
менное снятие давления, вызывающее разрыв сварочной цепи под током, является причиной прожора. Если частота работы на сварочной' контактной машине пре* вышает коэффициент ПВ, на который рассчитана данная ма- шина, то происходит перегрев токоведущих частей ее; вслед- ствие этого повышенное падение напряжения в сварочной ма- шине и подводящей сети приводит' также к непровару шва. При равномерной работе машины можно достичь высокой производительности в рамках допустимого коэффициента ПВ. Так, например, при сварочном импульсе длительностью в 0,2 сек. и постановке каждой точки с интервалом Т=2 сек. (ПВ=10%), можно в течение рабочего дня сварить до 144-15 тыс. точек, т. е. по 1800 сварных швов за каждый час. Следовательно, во избежание перегрева машины необходимо сварку вести равно- мерно, не превышая заданного ПВ. § 32. Рекомендуемые исходные данные для проектирования электрической сети в цехах контактной сварки Основная особенность проектирования электрической сети и распределительного устройства цеха со сварочными контакт- ными машинами переменного тока состоит в том, что у боль- шинства сварочных контактных машин мгновенная потребляе- мая мощность на последней ступени превышает примерно в два и более раза ее номинальную величину (при ПВ=50%). Чтобы избежать слишком большого падения напряжения в сварочной машине и подводящей электрической сети, необходимо, во-пер- вых, рассчитывать электропроводку и распределительные устрой- ства в основном по максимальной кратковременной мощности, потребляемой сварочными машинами. Во-вторых, так как нагревание токоподводящей сети незна- чительно из-за малого действующего ПВ сварочных машин, то при проектировании системы электроснабжения трех, пяти и даже, десяти сварочных машин, работающих с обычным ПВ, следует исходить из допустимой величины падения напряжения. Условия допустимого нагрева токоподводящей системы должны учитываться для роликовых машин, а также в тех случаях, когда к одной системе шин присоединено большое число сва- рочных машин. При определении мощности понизительного трансформатора для питания сварочных машин следует также исходить из усло- вий допустимого падения напряжения. Учитывая низкий cos 9 сварочных машин, весьма важно, чтобы индуктивное сопротивление подводящей сети к машинам было наименьшим. При проектировании силовой сети свароч1гых цехов возни- кает вопрос о том, на какое падение напряжения должна быть рассчитана сеть. 133
В обычных условиях удовлетворительная сварка получается, когда падение напряжения в конце линии (у сварочных ма- шин) не превосходит в момент сварки 10—12®/о для самой мощ- ной из всей группы сварочных машин. Эта величина допускаемого падения напряжения относится к случаю, когда среди всех сварочных машин этой группы имеется относительно небольшое число крупных сварочных ма- шин (не больше 5) и лишь две крупные машины от времени до времени работают одновременно, а вероятность одновремен- ной работы трех (и более) крупных машин почти вовсе исклю- чена. Фиг. 90. Примерное распределение падения напряже- ния в питающей сети сварочных контактных машин. П. Т,—понижающие трансформаторы; С. М.—сварочные машины. На фиг. 90 показано примерное распределение падения на- пряжения в питающей сети сварочных контактных машин. Указанный выше предел падения напряжения в 10—12% дается в качестве верхнего предела. Бсякая возможность сни- жения этого предела без значительных затрат приводит к об- легчению условий выполнения сварочных работ. В табл. 20 приведены примерные сечения токоподводящих проводов для питания сварочных машин [40]. § 33. Расход электроэнергии при контактной сварке металлов Одной из составляющих стоимости производства при кон- тактной сварке металлов является расход на электроэнергию. На стоимость электроэнергии влияют: 1) потребление энергии в квтч\ 2) коэффициент мощности cos ср; 3) установленная мощность машины. Величина потребления энергии в квтч регистрируется счетчи- ком электроэнергии, но может быть также предварительно под- считана следующим образом: а) Точечная сварка. Точечная машина мощностью 50 ква (по паспорту) работает с производительностью 30 точек 134
Таблица 20 Сечение одножильного кабеля для питания сварочных контактных машин в мм* (17=440 в. допустимое падение напряжения в низковольтной сети Б%; температура иагрева меди 75° С, а окружающей среды 40° С) Ток в первич« ной цепи при сварке Расстояние от сварочной машины до питающего трансформатора, м 15 30 45 60 90 120 100 13,0 13 10% 13 ПВ 13 21 27 '250 34,0 34 34 42,0 53 67 500 53,5 53,5 53,5 67 107 152 750 85,0 85 85 107 177 304 1000 152,0 152 152 152 304 760 1 500 253 253 253 304 1180а — 2000 405 405 405 760 — — 2500 630 630 760 1 520 — 3 000 885 885 1520 — —• — 100 34 34 70% 34 ПВ 34 34 34 250 85 85 85 85 85 85 500 203 203 203 203 203 203 750 405 405 405 405 405 405 1000 760 760 760 760 760 760 Примечания. 1. Для кабеля на 220 в следует при пользовании этой таблицей умножить длину кабеля на два, чтобы сохранить заданный процент падения напряжения. 2. Данные этой таблицы справедливы для случая укладки кабеля на воздухе с температурой окружающей среды до 40° С. Для кабелей, уло- женных в траншеях или трубопроводах, данные этой.таблицы без попра- вочного коэффициента неприменимы. в минуту. Время сварки каждой точки — 0,2 сек. Первичное напряжение 1^—380 в. Первичный ток в момент сварки/,= =250 a; cos ф= 0,5. Расход активной мощности при этом: Q=380-250-0,5= =47,5 кет. В течение каждой минуты ток проходит в машине 13»
только 6 сек., или в течение часа = 0,1 часа. Расход энергии для производства 30 точек составляет: 47,5*0,1=4,75 квтч, т. е. примерно столько же, как при работе электродвигателя мощ- ностью в 6 л. С. б) Роликовая сварка. Машина для роликовой сварки мощностью 100 ква, у которой cos ср =0,4 и ПВ = 50%. Расход мощности при сварке: Q=150 ква. Расход активной мощности составляет 0,4*150 = 60 кет, а расход электроэнергии при свар- ке в течение часа — 30 квтч. Толщина одной зсготодки 6 Фиг. 91. Графики расхода электрической энергии при контактной сварке малоуглеродистой стали. а—при точечной сварке; б— при роликовой и в—при стыковой сварке оплавлением. в) Сварка оплавлением. Графики тока и мощности при сварке оплавлением имеют, в зависимости от технологиче- ского процесса, различные и притом причудливые формы (гм. фиг. 38). В связи с этим учесть полный расход электроэнергии при сварке оплавлением можно только экспериментально, т. е. с помощью нормального счетчика энергии или регистрирующего ваттметра, включенного в первичную цепь сварочной машины. Графики расхода электрической энергии при контактной сварке малоуглеродистой стали приведены на фиг. 91. Расход энергии зависит от толщины свариваемого металла и от режима сварки. При форсированных режимах точечной сварки !(/<1,0 сек.) расход электроэнергии, несмотря на большое зна- чение сварочного тока, оказывается меньшим, чем при нефор- 136
сированных. При большей длительности сварки (нефорсирован- ным режимом) расход электрической энергии возрастает из-за больших неизбежных потерь в сварочной машине, увеличиваю- щихся при продолжительном включении. При стыковой сварке оплавлением расход энергии, как указано ранее (§ 11), зави- сит от того, производится ли сварка**с предварительным подо гревом до опла<вления или без подогрева. § 34. Применение статических конденсаторов для уменьшения потребляемой мощности и повышения cos <р сварочных контактных машин Часто применение контактных машин большой мощности затруднено отсутствием необходимой электрической мощности на подстанции предприятия. Чем больше количество сварочных машин на предприятии, тем труднее разрешить проблему ра- ционального питания их. Потребление мощности (ква) от сети контактными маши- нами может быть значительно снижено, без уменьшения про- изводительности сварочной машины, путем включения в первич- ную цепь машины конденсаторов соответствующей емкости. В отличие от обычно применяемого в промышленности ме- тода повышения cos <р путем включения конденсаторов па- раллельно токоприемнику, для контактных машин (точечных, роликовых и стыковых) лучший эффект достигается при после- довательном включении конденсаторов. Емкость конденсаторов должна иметь такую величину, что- бы повысить cos ср машины до единицы. Для иллюстрации сте- пени снижения потребляемой мощности контактными машинами при последовательном включении конденсаторов рассмотрим конкретный пример. Точечная машина мощностью 250 ква с cos ср — 0,4 потреб- ляет 800 ква при работе на последней ступени; при этой нагруз- ке падение напряжения в сети доходит до 40%. При последо- вательном соединении конденсаторов с машиной расход мощ- ности при той же сварке и той же производительности снижает- ся до 350 ква. Так как при этой нагрузке cos ? = 1, то падение напряжения в сети составляет не более 5%. Сечение подводя- щего фидера также может быть значительно ниже. Последовательно соединенные конденсаторы предотвращают установку от возникновения токов неустановившегося режима и при работе с асинхронными прерывателями швы получаются бо- лее однородными, чем при работе этой машины без конденса- торов. Принципиальная схема соединения показана на фиг. 92. На схеме показано разрядное сопротивление 5, включенное через нормально замкнутый контактор 6, срабатывающий в свою очередь от линейного контактора /. При работе необходимо разряжать конденсатор после каждой сварки. 137
Следует заметить, что напряжение на первичной обмотке сварочной машины значительно возрастает при сварке, поэтому применение сериес-конденсаторов на установленных машинах возможно только при перемотке первичной обмотки трансфор- матора или при снижении напряжения сети (с помощью авто- трансформатора). Расчет конденсатора покажем на конкретном примере. Точечная машина 125 ква при cos ф=0,5 работает от сети 380 в. Расход мощности на последней ступени Рмв1Сс=250 ква. соединения Фнг. 92. Принципиальная схема последовательного сварочных машин с конденсатором. необходимое» Определить параметры сврнес-конденсатора, для повышения cos 9 до единицы. Полное сопротивление Z сварочной машины в 5% £/с®= 360 в сетевом напряжении с допустимым падением равно: при рабочем ом. ом. U2-10-3 360е-10-3 ------= = 0.517 ^макс-250 Индуктивное сопротивление машины: = Zsin 9 = 0,517-0,866 = 0,45 Максимальный ток в первичной цепи машины: А макс = ““—° = -500^ = 695 а. 1М8КС ис 360 Для получения cos<p=l необходима батарея конденсато- ров, у которой Паление напряжения на первичной обмотке сварочной ма- шины при включенном сериес-конденсаторе: £/с. м = —^—= —- = 720 в. cos <р 0,5 138
Падение напряжения на конденсаторе: £/с= Uc.m cos 7 — 720-0,866 = 625 в. Потребление мощности при cos 7' — 1: /4п1Х = ^>ш.х cos 7 = 250-0,5 = 125 кет. Сила тока в фидере, питающем сварочную машину с кон- денсатором: 125-1 000 „_Л /. та_ =-------== 350 а. 1 тах 360 Векторная диаграмма для этого примера показана на фиг. 92,6. Применение сериес-конденсаторов при стыковой сварке оплав- лением должно быть рассчитано на улучшение cos 9 при пред- варительном нагреве и при осадке. В процессе оплавления коэф- фициент мощности достаточно высок вследствие высокого ак- тивного сопротивления, возникающего в сварочной цепи. В свя- зи с этим следует схему питания стыковых машин проектиро- вать так, чтобы при осадке напряжение, подведенное к машине, автоматически снижалось примерно в два раза. Глава VII ПАСПОРТИЗАЦИЯ СВАРОЧНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ § 35. Паспортизация сварочных контактных машин [19] Для паспортизации сварочных контактных машин необходимо определить электрические характеристики машины и характе- ристику механического усилия давления электродов. Если пре- рыватель градуирован не в секундах или циклах переменного тока, а в отвлеченных единицах, то необходимо прерыватель паспортизировать также. Электрическими характеристиками машины являются: а) вторичное напряжение холостого хода по ступеням ре- гулирования; б) сила тока короткого замыкания по ступеням *; в) омические сопротивления первичной и вторичной сторон машины, измеренные постоянным током. Опыт холостого хода производится по схеме фиг. 93. Определение характеристики холостого хода сводится к из- мерению четырех величин: силы тока в первичной обмотке /0, подводимого напряжения (71э мощности Wo и вторичного напря- жения U02 при разомкнутой вторичной цепи. 1 Определять силу тока следует для четырех значений напряжения сети в пределах ztlO°/o номинального. 139
По найденным величинам определяют коэффициент транс- формации и для каждой ступени регулирования, а также актив- ное индуктивное Хо и полное сопротивление Zo первичной обмотки: Zo = ~- ом\ R1 = ^ om, l20 откуда = ом. При измерении сопротивлений обмоток постоянным током следует применять наиболее простой и надежный способ — схе- Фиг. 93. Электрическая схема для проведения опыта холостого хода контактной сварочной машины. му амперметра и вольтметра. 'В особенности для вторичного контура, когда сопротивление его равно 10-s-j-10~e ом, сле- дует, во избежание ошибок, проводить измерение методом амперметра и вольтметра при силе тока порядка 100ч-200 а. Опыт короткого замыкания производят обычно два раза для двух размеров окна внеш- него контура машины (мини- мального и максимального) (фиг. 94). При полном исследовании машины рекомендуется производить еще опыт короткого замыкания трансформатора при отключенном внешнем контуре (см. фиг. 93). Ток короткого замыкания должен быть равен номинальному значению. Закорачивание внешнего контура взамен электродов произ- водится в зависимости от типа машины. Фиг. 94. Электрическая схема для проведения опыта короткого замыка- ния контактной сварочной машины. Точечную машину рационально замкнуть медной трубкой, через которую пропускается охлаждающая вода; стыковые ма- шины — массивной медной пластиной или болванкой, зажатой в зажимах, а роликовые машины — медной болванкой между 140
роликами с вырезанными секторами, соответствующими разме- рам роликов. Опыт короткого замыкания сводится к измерению трех вели- чин: тока первичной цепи /ж, напряжения (7К и мощности W'*. В этом случае мощность тратится на джоулевы потери в пер- вичной и вторичной обмотках, соответствующие номинальному току машины. Напряжение короткого замыкания UK компен- сируется активными и индуктивными потерями Из полученных опытных данных определяем активное сопротивление короткого замыкания RK. э: з = —j ом К ~ ик и кажущееся сопротивление zK=— ч» Индуктивность рассеяния Xs трансформатора: R*. з — Ri + Сопротивление вторичной цепи, приведенное к первичной, равно: В свою очередь Xs равно: где XSl—индуктивность рассеяния первичной обмотки; XSi —индуктивность рассеяния вторичной обмотки и внешнего контура. По замеренным при постоянном токе значениям омического сопротивления и приведенным здесь формулам можно также определить значение коэффициента поверхностного эффекта т, представляющего собой отношение активного сопротивления при переменном токе R к сопротивлению, измеренному при по- стоянном» токе где г, и г2 — омическое сопротивление первичной и вторичной обмоток, полученное при постоянном токе по методу амперметра и вольтметра.; и — коэффициент трансформации, равный —’. 141
Согласно нашим опытам, омическое сопротивление вторич- ного контура сварочных машин (измеренное при постоянном токе) лежит в пределах 40—80 мком. Для роликовых машин измерение следует производить несколько раз, поворачивая ро- лики. Сила тока во вторичной цепи /±к=/1кИ. Действительная ве- личина /2 на последних ступенях отличается от /2« вследствие насыщения железа и составляет 0,8—0,9/^. Прерыватель рационально градуировать шлейфовым осциллографом. Асинхронные прерыватели с релейно-контактор- ными схемами или механические можно градуировать также при помощи электрического секундомера, точность которого до- стигает 0,01 сек. При паспортизации сварочных контактных машин следует руководствоваться следующими правилами технической эксплоа- тации их. Выдержки из «Правил технической эксплоатации электро- установок промышленных предприятий, утвержденных ГКО 3I/V 1945 г. и обязательных для промышленных предприятий всех министерств <и ведомств», Госэнергриздат, 1947 г. Раздел «Контактные электросварочные машины». § 499. Настоящие правила распространяются на стационарные стыковые, точечные и шовные машины для электрической контактной сварки при вто- ричном напряжении холостого хода их трансформаторов не выше 36 в и первичном напряжении переменного тока не выше 500 в. § 500. Машина должна сохранять в процессе эксплоатации постоянство тока и вторичного напряжения. Изменения этих параметров при одном и том же подводимом к машине напряжении и внешнем сопротивлении не должны превышать установок для стыковой и точечной сварки ±6*/», а установки для шовной сварки ±3%. § 501. Омическое сопротивление вторичного контура (витка и внешних токопроводов) новой или отремонтированной машины при температуре не выше 35° G не должно превышать следующих значений: а) для стыковых машин . •...........•.........60 мком 6) для точечных машин ....................... 80 , в) для шовных машин........................... 100 , ♦ § 502. Омическое сопротивление отдельных контактов вторичного кон- тура не должно превышать: а) для неподвижных контактов..................2 мком 6) подвижных................................ 20 . § 504. Температура нагрева отдельных частей машины не должна пре- вышать 75° С. При превышении этой температуры нагрева машина должна быть оста- новлена для устранения причин нагрева. § 514. Для защиты глаз и лица сварщика от искр и брызг расплавлен- ного металла следует применять защитные экраны 'Или очки. 142
§ 36. Градуировка статического давления на электроды контактных сварочных машин Усилие, сообщаемое механизмом сварочной машины элек- тродам и изделию^ должно быть градуировано так, чтобы при любом сварочном режиме йеличина усилия, необходимая для сварки материала данной толщины, была легко отрегулирована. Для каждой сварочной машины необходимо иметь график давления. Для машин с пневматическим давлением необходимо построить графики зависимости величины давления (по мано- метру) на электроды от величины давления в цилиндре. Ма- шины, снабженные пружинным механизмом, у которых вели- чина давления на электроды зависит также от расстояния между электродами до сварки (раствор), необходимо гра- дуировать в зависимости от степени зажатия пружины и расстояния между электрода- ми. Для машин с пружинной осадкой необходимо построить несколько графиков для раз- личной величины раствора между электродами; >при этом каждый график показывает зависимость давления на элек- Фиг. 95. Эталонный график для градуировки давления контактных машин нанесением отпечатка стальным шариком [25]. троды от степени предвари- тельного зажатия пружины. Существует несколько мето- дов градуировки давления кон- тактных машин (специальны- ми динамометрами, весами, жидкостными мессдозами и др.). Наиболее доступной градуировкой статического усилия, разви- ваемого механизмом сварочной машины, является измерение диаметра лунки, оставленной стальным шариком аналогично методу измерения твердости металла. Градуировка давления с помощью стального шарика произ- водится следующим образом: укрепив стальной шарик (диа- метром 10 мм) в стальном патроне, вставляют патрон в элек- трододержатель вместо верхнего электрода и наносят с помощью механизма давления сварочной машины отпечатки на специаль- ном образце. Образец, на который наносят отпечатки, изготов- ляется из красной отожженной прутковой меди (марка MI). Высота образца берется равной 30—40 мм. Отпечатки наносятся на торцевую сторону образца, диаметр отпечатков замеряется при помощи градуированного микро- око«а. 143
Замерив диаметры отпечатков, полученных для. различных положений главной пружины машины или при различном дав- лении воздуха в цилиндре, определяют величин}’ истинного дав- ления по эталонной кривой (фиг. 95) или расчетом по 'формуле пересчета твердости [25]. Этот метод рекомендуется нами для градуировки всех видов сварочных, контактных машин, включая стыковые. Для машин, у которых давление на электроды более 1000 кг, следует по- строить новый график вместо показанного на фиг. 95. § 37. Приближенное измерение величины сварочного тока [19] Определить величину сварочного тока в процессе сварки можно приближенно при помощи обычного амперметра, вклю- ченного в первичную цель сварочной машины. Для этого сле- дует снять с амперметра крышку 'или стекло и при помощи карандаша, тонкой палочки или стопорной стрелки на самом приборе отодвинуть стрелку по циферблату и удержать ее в этом положении во время сварки у наиболее вероятной цифры силы тока. После первого сварочного 'импульса стрелку осто- рожно передвигают карандашом до такой точки, при которой стрелка остается уже при каждой сварке неподвижной. Полученная величина есть действительная величина тока, протекающего через первичную обмотку сварочной машины. Продолжительность сварки не ©лияет на точность полученного результата. Величина тока, протекающего по сварочной цепи, может быть приближенно найдена умножением - измеренной си- лы тока © первичной цепи на соответствующий данной ступени коэффициент трансформации. Глава VJII ТОКОПРЕРЫВАТЕЛИ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СВАРОЧНЫМИ КОНТАКТНЫМИ МАШИНАМИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА § 38. Назначение токолрерывателей Для каждого вида сварки должна быть строго регламенти- рована продолжительность прохождения тока, так как она яв- ляется одним из основных факторов регулирования сварочного процесса. Аппарат, коммутирующий по заданно- му времени прохождение тока в первичной об- мотке сварочного трансформатора на контакт- ной машине, называется токопрерывателем илипростопрерывателем. Многообразные типы токолрерывателей разделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные (ионные). 144
К асинхронным токопрерывателям относятся механические (педальные, кулачковые и барабанные), а также релейно-кон- такторные, в которых время включения и выключения тока электромагнита контактора или игнитронного контактора регу- лируется при помощи электромагнитного или электронного реле времени. К синхронным относятся тиратронпые прерыватели с сериес- трансформатором и горячим катодом, тиратронные без сериес- трансформатора с жидким катодом и игнитронные. В более ранний период, когда контактной сваркой пользова- лись главным образом для соединения неответственных кон- струкций из малоуглеродистых сталей, ток включался и выклю- чался педальным выключателем. Подобные типы прерывателей не обеспечивают одинаковой продолжительности сварки каждой детали и, следовательно, пр'Ьчность сварных соединений колеб- лется в широких пределах. Конструкция механических прерывателей была улучшена применением кулачковых механизмов, вращающихся от мотора, а также усовершенствованных магнитных контакторов. Наибо- лее широкое распространение при точечной, рельефной и сты- ковой сварке сталей нашли в последнее время токопрерывателн с быстродействующими контакторами. Цифры, приведенные ниже, показывают, как велика элек- трическая нагрузка прерывателей, особенно при массовом про- изводстве. Продолжительность точечной, роликовой и рельеф- ной сварки измеряется обычно несколькими секундами, а чаще долями секунды. Предположим, что при работе на точечной ма- шине на одну сварную точку требуется всего две секунды, тогда •гокопрерыватель за восьмичасовую смену производит 14 400 включений и столько же выключений. При роликовой сварке получаются еще большие цифры. Если, н'апример, скорость роликовой сварки для герметичного шва равна одному метру в минуту и «а один погонный сантиметр приходятся четыре сварные точки, то аппарат делает в минуту 400, а в смену 192 000 включений и столько же выключений. Если прерыватель механический, то при каждом выключении тока между электродами прерывателя образуется электрическая дуга. От электрических дуг эти электроды постепенно выгорают и от частых ударов деформируются. Поэтому расстояние между ними увеличивается, время сварки меняется, и таким образом несколько раз за день меняется заранее установленный режим сварки. В результате приходится часто регулировать аппарат. При поточно-массовом производстве это заставляет применять для сварки сталей ионные токопрерывателн. Механические и релейно-контакторные токопрерывателн яв- ляются асинхронными, т. е. каждое включение тока не синхро- низировано с напряжением сети. Поэтому для каждой сварной точки включение происходит в различные точки волны напря- 145
жения и количество энергии каждой сварной точки оказывается также неодинаковым. Из всех видов синхронно-ионных прерывателей наибольшее развитие получили за последние годы игнитронные прерыватели. АСИНХРОННЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ § 39. Контакторный прерыватель с электронным управлением завода Министерства электропромышленности -Для регулирования продолжительности включения контак- тора при точечной сварке рекомендуется электрическая схема, представленная на фиг. 96. Контактор С Д’ включен последова- тельно с первичной обмоткой сварочной машины. Управление контактором сво- дится к коммутации тока в его катушке, с использованием для этой цели управляемой электрон- ной лампы или маломощного ти- ратрона Л,. В цепь сетки лампы включены переменное сопротивление и 7?з, конденсатор С, и защит- ное сопротивление К аноду лампы присоединены реле ТР с нормально замкнутым контактом и катушка промежуточного ре- ле ПР. С целью снижения падения напряжения в сети, возникающего при рекомендуется питать управления в этом прерывателе от осветительной сети. После включения установки в сеть накаляется лампа Лх и че- рез 3—5 мин. можно приступить к сварке. Процесс сварки начинается с замыкания сварщиком кнопки М. От клеммы 1 ток проходит че- рез кнопку и нормально замкну- тый контакт ТР к катушке про- межуточного реле ПР и к контакту 2. Реле ПР срабатывает и присоединяет катушку сварочного контактора СК к сети, и при замкнутых на детали электродах начинает протекать свароч- ный ток. После нагрева катода лампы и до включения кнопки М за- ряжается конденсатор С, током сети, выпрямленным на участке 44ь Фиг. 96. Принципиальная схема релейно-контакторного преры- вателя с электронным управ- лением. ТМ—точечная машина; TH—тран- сформатор накала; СК— свароч- ный контактор; ПР— реле проме- жуточное; ГР—реле телефонное; Q, С? и С3—конденсаторы; Я], /?2, Я8 и Я<—сопротивления; J7|—тиратрон. влияния силовой сварке, цепь 146
сетка — катод лампы Alj как вспомогательный выпрямитель внутри этой лампы. Зарядный ток идет о«т клеммы 1 к конден- сатору Си к сетке 3 и катоду 4 и через катушку реле ПР обратно в сеть — к клемме 2. При этом потенциал обкладки конденсатора» соединенной с сеткой лампы, имеет отрицательный знак и запирает лампу, которая во время сварки не горит. Ток заряда чрезвычайно мал, поэтому реле ПР не срабатывает при зарядке 6Ж. При нажатии кнопки М прекращается зарядка конденсатора С\ и последний начинает разряжаться на сопротивления —Rs- Продолжительность разряда зависит от величины /?,—Р3, определяющей время сварки. Как только потенциал сетки снизится до величины зажигания, соответствующей дан- ному анодному напряжению, лампа загорится и сработает реле ТР, которое размыкает свой контакт, отключая тем самым ка- тушку промежуточного реле ПР‘, последнее .в свою очередь раз- рывает цель катушки контактора СК, и сварка прекращается. В процессе сварки кнопка М должна быть все время замк- нута. Если промежуточное реле имеет две пары контактов, то вто- рую пару следует присоединить параллельно кнопке. Тогда время сварки не будет зависеть от случайного отключения кнопки М. Конденсаторы С2 и С8 предотвращают вибрирование реле. Время сварки с помощью такого прерывателя лежит в диа- пазоне от 0,1 сек. и более. Завод выпускает также прерыватели асинхронного типа для многоимпульсной точечной сварки. § 40. Терморегулятор ЦНИИТМАШ В Центральном научно-исследовательском институте техно- логии и машиностроения разработан асинхронный прерыватель релейно-контактного типа, так называемый терморегулятор. Принципиальная схема терморегулятора показана на фиг. 97. Коммутация тюка в обмотке рабочего контактора осуществ- ляется через контактный гальвано моэлектродвижущую силу (ЭДС) (50—80 милливольт), возникаю- щую в термопаре между электро- дом Э\1 и наружной поверхностью шва под электродом. Ilo дости- жении заданной температуры на поверхности шва стрелка 1 гмъ- ванометра отклоняется и замы- кает контакт 2 вспомогательной цепи постоянного тока и через систему реле отключает обмотку рабочего контактора. КГ, реагирующий на тер- фнг. 97. Принципиальная схема прерывателя-терморегулятора ЦНИИТМАШ (7|. 14Т
Термопарой служит спай одного из электродов Э1 с изоли- рованной константановой проволокой 3. Спай образуется только на рабочем торце электрода. Контакт стрелки / гальванометра включает обмотку теле- фонного реле ТР в сеть постоянного тока напряжением 24 &. При срабатывании телефонного реле включается промежуточное реле ПР, контакты которого разрывают цепь катушки контак- тора, и сварочная машина отключается от сети. Этот прерыватель рекомендуется ЦНИИТМАШ главным об- разом для сварки сталей продолжительностью более 1 сек. Электрическая схема асинхронного прерывателя с примене- нием игнитронного выключателя изложена далее (см. § 43) после описания работы игнитронов. § 41. Точность работы асинхронных прерывателей Механические, а также релейно-контакторные прерыватели являются асинхронными, т. е. каждое включение и выключе- ние сварочного тока не синхронизировано с напряжением сети; Фиг. 98. Осциллограмма тока при роликовой сварке с примене- нием механического прерывателя. поэтому моменты включения и выключения тока происходят произвольно относительно волны напряжения питающей сети. Осциллограмма тока при роликовой сварке с механическим прерывателем представлена па фиг. 98. Легко заметить, что число периодов тока на каждую сварную точку шва неодина- ково И время каждой паузы также различно. В связи с этим каждая точка нагревается различным коли- чеством тепла, что безусловно влияет на качество сварки. Чтобы представить себе, насколько асинхронное включение количественно отражается на сварочном процессе, обратимся для сравнения к осциллограммам, снятым для точечной сварки с применением механического и ионного прерывателя (ф'иг. 99). На каждой из этих осциллограмм записаны две кривые: тока / и мощности W. Прерыватели были отрегулированы на включе- ние сварочного тока длительностью в 2 периода (0,04 сек.). На фиг. 99,а вместо необходимого времени сварки в 2 периода си- нусоидального тока произошла затяжка процесса, и действи- тельная энергия в втсек, вычисленная по данной кривой мощ- ности, оказалась на 95% больше заданной. Здесь сказались два фактора: ток неустановившегося режима в момент включения и запоздание момента окончательного выключения. 148
В другом случае выключение механическим прерывателей (см. фиг. 99,6) произошло раньше заданного времени; энергия в вт сек оказалась при этом на 12% меньше заданной. Нако- нец, при сварке ионным прерывателем (см. фиг. 99,в) времй сварки точно равно заданным 2 периодам. «Сравнивая эти осциллограммы между собой, легко убедить- ся, что применение механических или магнитных прерывателей Фиг. 99. Осциллограммы тока и мощности при точечной сварке продолжительностью в два периода (0,04_сек.). а, б— при помощи механического прерывателя; в—ионным пре- рывателем. для малой длительности сварки связано с большой погреш- мостью, достигшей в данном случае 95%. Величина погрешности будет еще больше, если прерыватель «будет установлен на меньшую продолжительность сварки (по- рядка одного периода тока). Наоборот, чем больше время сварки, тем меньше относи- тельная ошибка. Релейно-контакторные прерыватели могут успешно применяться для коммутации сва- рочного тока при продолжительности сварки более 0,1 сек. и при условии применения совер- шенных контакторов. СИНХРОННЫЕ (ИОННЫЕ) ПРЕРЫВАТЕЛИ § 42. Назначение и принцип действия ионных прерывателей и выбор игнитронов к ним Принципиальная схема прерывателей с управляемыми ион- ными выпрямителями показана на фиг. 100. В этом случае управляемые выпрямители применяются не для выпрямления тока, так как сварка производится перемен- ным током 50 nep/сек., а для управления и регулирования про- цесса сварки безинерционными приборами. Управляемые выпрямители Л1 и JI2 включаются последова- тельно в первичную обмотку сварочного трансформатора СТ 149
(см. фиг. 100). Непрерывное прохождение переменного тока в трансформаторе в течение заданного времени (несколько перио- дов) возможно лишь при условии включения в цепь двух выпря- мителей Л1, Л2 по двухполупериодной схеме. Через каждый выпрямитель проходит ток одного полупериода. При одном полупериоде, когда ток имеет одно направление, загорается, например, выпрямитель Л/; при следующем же полупериоде он уже не пропускает тока и оказывается запертым вследствие изменения полярности напряжения на его аноде. Тогда заго- рается второй выпрямитель Л2, у которого в этот момент на аноде положительное напряжение. Такое» соединение выпря- мителей называется антипараллельным или крестообразным. Когда оба выпрямителя за- перты, цепь сварочного транс- форматора разомкнута, и тока в сварочной цепи нет. Мощность современных сварочных машин, широко применяющихся в различных отраслях промышленности, до- стигает обычно сотен ква. Для коммутации такой мощ- ности требуются управляемые выпрямители такой же мощ- ности. Фиг. 100. Схем, крестообразного За последние десять лет включения игнитронов со сва- получили применение одно- рочной машиной. анодные управляемые выпря- мители с ртутным катодом, так называемые игнитроны. Игнитрон получил свое название от греческого слова «игнио, т. е. зажигать. В игнитроне имеется кроме анода и ртутного катода специальный электрод, который выполняет функцию за- жигателя. Игнитронные лампы могут, быть стеклянными и метал- лическими. Последние получили наибольшее промышленное при- менение в схемах управления сварочными процессами. Метал- лический игнитрон, применяющийся в игнитронных прерывате- лях, показан на фиг. 101. Игнитрон хорошо охлаждается проточной водой. От других типов выпрямителей игнитрон отличается тем, что при весьма малых габаритах он способен кратковременно выдерживать большую токовую перегрузку. Для зажигания дуги в игнитроне необходима предвари- тельная ионизация пространства между анодом и катодом вы- прямителя. Вместо дежурного зажигания, имеющегося в обыч- ном ртутном выпрямителе в виде вспомогательных электродов, зажигание дуги в игнитроне производится мгновенной иониза- цией, образующейся при возникновении кратковременного 150
Фиг. 101. Общий вид ме- таллического отпаянного игнитрона (разрез). /—наконечник анода; 2— анод; 3— клемма зажига- теля; 4—зажигатель; 5— ртутный катод; 6— нако- нечник катода; 7—штуцер для впуска воды; 8—шту- цер выхода воды; 9—изо- лированный ввод. разряда в виде электрической дуги между карборундовым за- жигателем и ртутным, катодом. Такое зажигание избавляет выпрямитель не только от непрерывно горящих вспомогатель- ных анодов возбуждения, но также и от управляемых сеток. Зажигание дуги в игнитроне производится в начале каждого рабочего полупериода. Напомним, что одноанодный вакуумный ^выпрямитель в каждый период мо- жет пропустить ток только в течение половины этого периода, который и называется рабочим полупериодом. f Управление процессом зажигания 'игнитрона осуществляется при помо- щи другого маломощного выпрями- теля — тиратрона ЛЗ или Л4, кото- рый включается в цепь зажигателя игнитрона согласно схеме фиг. 100. Размер тиратрона определяется силой тока зажигания игнитрона. Длительность протекания тока в игнитронах и в цепях зажигателей через тиратроны показана на верхней части фиг. 100. Энергетический процесс зажигания игнитрона показан на фиг. 102. В иг- нитронном выпрямителе в непроводя- щий полупериод на зажигателе нет напряжения, в междуэлектродном пространстве игнитрона оставшееся незначительное количество остаточ- ных зарядов быстро исчезает, реком- бинируясь на электродах. При проте- кании тока в цепи зажигателя между ним и катодом (ртутью) возникает дуга. Вслед за зажигателе анодом и этом ток в шается до ничтожно малой величины или совсем исчезает, так как основная дуга игнитрона шунтирует цепь зажигателя и ти- i появлением дуги на возникает дуга между катодом игнитрона; при цепи зажигателя умень- ратрона. На фиг. 103 представлен график, характеризующий продол- жительность загорания игнитрона в микросекундах в зависимости от величины напряжения, подведенного к его зажигателю. Скелет схемы игнитронного прерывателя, включенного в цепь сварочной машины, был показан на фиг. 100, к которой обратим- ся вновь. Оба игнитрона Л1, Л2 соединены на этой схеме кре- стообразно между собой и последовательно — с первичной цепью сварочной машины. Вся установка присоединена к напряжению 151
сети, но ток в цепи сварочной машины не течет, так как при от- сутствии разряда в лампах цепь оказывается разомкнутой. Что- бы зажечь игнитроны, необходимо сперва возбудить их, вклю- чив ток в цепь зажигателей. На фиг. 100 вверху показано также непрерывное прохож- дение тока в сварочной машине в течение целого периода при условии загорания соответствующих ламп. Сварка начинается с момента зажигания игнитронов. Пре- кращается сварка при потухании игнитронов вследствие раз- мыкания цепи их зажигателей. ДЛя управления током цепи за- Фнг. 102. Кривые анодного напряжения и токов в цепях анода и зажнгателя игнитрона. жигания каждого игнитрона применяются небольшие вспомога- тельные тиратроны JJ3, Л4, управляемые при помощи сеток от- дельными цепями А, Б. В схемах игнитронных прерывателей необходимо также ре- гулировать эффективное значение анодного тока в пределах каждого полупериода; поэтому зажигание тиратронов произво- дят при помощи пиковых трансформаторов, включенных в се- точные цепи А, Б. В этом случае игнитрон зажигается в той точке положи- тельной полуволны напряжения, на которую -заранее установлен фазорегулятор тиратрона. В отличие от обычного трансформатора, у которого волны первичного и вторичного напряжения имеют синусоидальную форму, волны вторичною напряжения у пикового трансформатора искусственно деформированы в виде острого пика (фиг. 104,а). Это достигается путем сильного магнитного насыщения стержня трансформатора оо вторичной Обмоткой. В таком стержне маг- нитный поток изменяется только в начале и в конце каждого полупериода, а в остальной части периода поток остается по- яф стоянным, причем — = 0 и £7, = 0. 152
. Таким образом у трансформатора с насыщенным железом получается пик напряжения только в момент, когда магнитный поток пересекает нулевую линию; в остальной части периода напряжение в этой области равно нулю. При синусоидальной же форме сеточного напряжения зажи- гание происходит нечетко и произвольно на участке всей кривой. С помощью фазовращателя удается передвигать по фазе пик напряжения относительно первичного напряжения (см. Фиг. 103. Характеристика продолжительности зажига- ния игнитрона в зависимости от напряжения на зажи- гателе. Фиг. 104. Кривые вторич- ного напряжения се- точного пикового транс- форматора. U\—первичное напряже- ние; Ф— магнитный поток. фиг. 104,6) и вызвать четкое зажигание тиратрона в любой заданной точке волны сетевого напряжения. Со значительным увеличением угла зажигания уменьшается ток в цепи. При этом искажается форма кривой тока, с появле- нием нечетных гармоник, без постоянной слагающей. Увеличение угла зажигания игнитронов (для уменьшения сварочного тока) вызывает дополнительный сдвиг его фазы от- носительно напряжения сверх фазового угла нагрузки *. При выборе игнитронов для прерывателей к сварочным ма- шинам следует иметь в виду, что они характеризуются: а) ма- ксимально допустимым током; б) средним значением тока; в) средним квадратичным значением тока и рабочим напряже- нием в анодной цепи. 4 С увеличением угла зажигания предел полного сдвига фазы тока отно- сительно напряжения достигает 90°. 153
Максимальное (амплитудное) значение тока регламен- тирует наибольшую допустимую величину тока для каждого от- дельного режима сварки. Среднее допустимое значение тока 1а важно знать потому, что нагревание игнитрона прямо пропорционально /а, так как падение напряжения в игнитроне остается практически постоян- ным для всех значений тока, лежащих в допустимом диапазоне. Среднее квадратичное значение тока, протекающего в пер- вичной цепи трансформатора машины при сварке, необходимо также знать для того, чтобы правильно выбрать сечение под- водящих шин. Если процесс протекает кратковременно со значительными перерывами, то игнитроны могут быть значительно перегруже- ны. Например, при точечной сварке продолжительностью в два- три периода при производительности 30 точек в минуту полу- чаем ПВ = 2—4%. Для такого режима сварки даже на маши- не большой мощности достаточно применять маломощные игаи- троны. Игнитроны прерывателя должны быть рассчитаны на пол- ный ток первичной цепи сварочной машины при закороченных лампах: / _ Um __________Um______ эфф уЛГ Максимальное значение тока в одном игнитроне: 4« = 1/Л^Лфф- Среднее значение тока в одном игнитроне: к _ Л ре*— sinxdx = ~ и ИЛИ / — / — 0 45 / 'сред— 'эфф — и»*°'эфф- Отношение максимального значения тока в лампе к сред- нему равно ^срсд Потери мощности в дуге ламп вентиля: Р. = V. = -^-/.ФЛ“0,9 /,ф4Дя. Изменения тока в напряжения в цепи игнитронов и одно- временно в сварочной машине для продолжительности сварки в два периода показаны на фиг. 105. 154
напряжение между анодом на оборонной машине Фиг. 105. Изменение тока и напряжения при сварке, уп- равляемой игнитронными лампами. , загорается второй игнит- и напряжения на игнитроне Фиг. 105,с иллюстрирует изменение сварочного тока и на- пряжения сети, сдвинутых по фазе соответственно коэффициен- ту мощности этой машины. Изменение напряжения на каждом игнитроне во время сварки показано сплошной линией на фиг. 105,6. Падение напряжения на клеммах сварочной машины показано на фиг. 105,в. Такие кривые легко получить при одновременной записи пе- речисленных явлений шлейфовым осциллографом. В каждый момент времени сумма падений напряжений на сварочной машине и игнитроне равна напряжению сети. С мо- мента загорания одного игнитрона и катодом (см. фиг. 105,6) падает от величины напряжения зажига- ния Б до точки В (15 е); одновре- менно начинается протекание тока 4В сварочной машине «и падение на- пряжения на ее первичной обмотке. В точке D (верхние кривые) на- пряжение сети проходит через ну- левое значение, и напряжение на машине становится отрицательным (точка F). Заметим, что при этом на 'игнитроне ю соответствующей точке Е напряжение остается не- изменным и равным 15 в до пол- ного исчезновения тока. В точке G ток в первом игнитроне достигает нулевого значения, и разряд в нем прекращается. В тот же момент напряжение возрастает на лампах (точка /), а на обмотке трансформатора маши- ны напряжение падает (точка /(). При соответствующем положи- тельном потенциале, подведенном к сетке тиратрона Л4 (см. фиг. 100) рон Л2, и характер изменения тока и обмотке сварочного трансформатора повторяется аналогично изменению их в первом полупериоде. Обязательное охлаждение игнитронов. Игни- троны должны интенсивно охлаждаться проточной водой. Ра- бота игнитронов без водяного охлаждения приводит к не- поправимой аварии их; поэтому необходимо в схеме прерыва- теля предусмотреть защитное устройство на случай прекраще- ния подачи воды. Водяное реле для защиты игнитронов прерывателей может быть выполнено в виде термостата, который при чрезмерном нагреве воды, протекающей через игнитроны, вызывает выклю- 155
чение контакта в электрической цепи, а при охлаждении — за- мыкание его. Термостат состоит из биметаллической полоски, реагирующей на изменение температуры. Полоска наматывается в виде не- скольких витков на отводящую трубу. Более надежно применять термостат, включенный в электрическую сеть и намотанный на трубу, через которую протекает вода, выходящая из игнитронов. Вода охлаждает термостат и контакт его остается замкнутым. Если же подача воды по какой-либо причине прекращается и, следовательно, труба, на которую намотана обмотка термо- стата, более не охлаждается, то обмотка быстро нагревается и размыкает постоянно замкнутый контакт в цепи питания схемы. Питание обмотки водяного реле может производиться либо от сети, либо от вспомогательного трансформатора. Существуют еще более простые схемы водяного реле, где под действием на- пора воды на резиновую диафрагму включается контакт вспомо- гательной цепи. § 43. Игнитронный прерыватель Электромагнитные контакторы обладают значительной инер- цией. Для кратковременных импульсов энергии при контактной сварке применение обычных контакторов даже с электронным управлением вносит часто большие погрешности (см. фиг. 99). В таких случаях полезно заменить магнитный контактор игнитронным прерывателем (фиг. 106). В рассматриваемой схеме управление процессом зажигания производится с по- мощью купроксного выпрямителя 5. Ток в зажигателе 3 огра- ничен сопротивлением < Каждый игнитрон может быть токо- проводящим в пределах одного периода только половину пе- 156
риода, и в начале каждого такого полупериода к зажигателю 3 игнитрона должен быть подведен ток зажигания. В цепь каж- дого зажигателя включен купроксный столбик для полупериод- ного выпрямления. Если контакт 7 реле времени и контакт водяного реле замкнуты, то в этой схеме обеспечено автоматическое зажига- ние каждого игнитрона. Легко заметить, что зажигание правого игнитрона происходит через левый купроке 5 (сплошная стрел- ка), а левый игнитрон зажигается через правый купрокс 5 (пунктирная стрелка). Сопротивление 4 ограничивает ток в за- жигателе, а предохранитель 6 защищает зажигатель от аварий- ных случаев. Недостатком этой схемы, в отличие от схемы игнитронного прерывателя с тиратронным управлением, является перегрузка зажигателей игнитронов, через которые ток проходит в течение всего рабочего полупериода. Перегрузка зажигателя способствует повышенному износу игнитронов. § 44. Универсальный игнитронный прерыватель для точечной и роликовой сварки системы Ф. Кислюка В основу универсального токопрерывателя (фиг. 107) была положена принципиальная схема, предложенная автором еще в 1937 г. на основе разработанного в 1934 г. тиратронного пре- рывателя [14]. По схеме видно, что силовая цепь прерывателя состоит из двух игнитронных ламп Лх и Л^ включенных после- довательно в цепь первичной обмотки сварочного трансформато- ра. Между собой игнитроны соединены крестообразно. Для управления игнитронами служат вспомогательные тиратроны Лх и Л±, сетки которых получают импульсы зажигания от регули- рующего устройства с пиковыми трансформаторами ПТ и фазо- вращателем. Частота подачи положительных импульсов уста- навливается синхронным коммутатором, замыкающим на зара- нее намеченное время цепь первичных обмоток пиковых транс- форматоров. Панель управления питается от шестиобмоточного трансформатора ТП с первичным напряжением 220/380 в и мощ- ностью 300 ва. Отрицательное напряжение запирания сеток тиратронов осу- ществляется купроксными выпрямителями В, соединенными по схеме Гретца и фильтром (самоиндукция х и емкость G) от- дельно для каждого тиратрона. Каждый тиратрон зажигается импульсом напряжения переменного тока от пикового трансфор- матора, который питается через магнитный фазовращатель и синхронный коммутатор ком. При точечной сварке для коммутации тока в цепи первич- ной обмотки пикового трансформатора служит еще система по- ляризованных реле А, В, М (у которых время срабатыва- ния— миллисекунды). При роликовой же сварке эти реле шун- тируются. 157
158
Синхронный коммутатор состоит из синхронного мотора См малой мощности, ступенчатого редуктора Р и коммутатора, со- стоящего из барабана (из изоляционного материала). На бара- бане укреплены металлические однопотенциальные сегменты раз- личной длины. Одна щеточка б (первая справа) скользит по- стоянно по кольцу, а вторая а может занимать шесть различных положений в зависимости от продолжительности сварочного импульса и паузы. На барабане слева укреплен еще z-образный сегмент, по которому скользят пять щеточек, коммутирующих ток в обмотках реле. Этот сегмент вместе с системой реле не позволяет сварочному импульсу повторяться в одной и той же точке и обеспечивает точную длительность заданного импульса в точечной машине. Релейная схема состоит из трех поляризованных реле. Каж- дое реле снабжено двумя катушками, присоединенными к источ- нику постоянного тока S—t через сегменты на коммутаторе. Схема предназначена для получения одного импульса тока лю- бой продолжительности в каждой сварной точке. Чтобы в одной и той же точке импульс тока не повторялся, несмотря на про- должительное замыкание кнопки ножной педали, применены две системы щеточек на коммутаторе: две щеточки—в цепи управ- ления сетками тиратронов и пять — для включения и выключе- ния магнитных реле. Сперва включается на короткое время контакт, встроенный в педальную кнопку НК, тогда катушки (a, b, N), включенные параллельно, обтекаются током и якорьки трех реле перемеща- ются вправо, замыкая контакты в реле А (/—2), в реле в (3—4) и в реле М (5—в), и остаются в этом положении до сле- дующего переключения. При нажатии кнопки НК и при враще- нии коммутатора против часовой стрелки (если смотреть со сто- роны коммутатора) сперва замкнутся на сегменте щеточки 1—S; тогда в реле М якорек займет левое положение, замыкая кон- такты 7—9. Вслед за этим тотчас же замкнутся на этом же сегменте щеточки 2—S; левая катушка реле А оживляется то- ком и притягивает свой якорек (клеммы 1—б замкнуты). Таким образом до того, как щеточки (а—б) сеточного реле достигнут своего сегмента, замкнутся (при включенной кноп- ке НК) щеточки 1—S, а затем 2—S. При замыкании этой пары щеточек ток сеточного трансфор- матора идет через контакты 1—6 и 3—4 к сегменту на комму- таторе через щеточки а—б и дальше в цепь трансформатора. Как только цепь сеточного трансформатора разомкнется на коммутаторе, мгновенно замкнутся контакты 3—S, постоянный ток направится через обмотку В и контакты 7—9 обратно к источнику (клемма t). В реле В якорек замкнет контакты 3—5 и останется в таком положении, т. е. разомкнет сеточную цепь. При повторном за- мыкании (щеточек а—б на сегментах, а также при замкнутой 159-
кнопке НК, импульс не повторится, так как в реле В якорек замкнут на холостой контакт 5. Повторение сварочного импуль- са возможно только тогда, когда зарядная кнопка НК вновь будет замкнута; поэтому случайных импульсов тока этот пре- рыватель не допускает. Трансформатор ТП питает: нити накала тиратронов, купрокс- ные выпрямители и сеточные трансформаторы. В связи с этим чрезвычайно важно, чтобы трансформатор питания был пра- вильно сфазирован с напряжением сети, питающей сварочную машину. Первичная обмотка 777 должна быть присоединена к тем же фазам (7—2), что и сварочный трансформатор. К этой же си- стеме напряжения надо присоединить и синхронный моторчик коммутатора. До начала сварки нажимают пусковую кнопку ПК, вклю- чающую одновременно синхронный моторчик и анодные цепи тиратронов. Когда деталь зажата между электродами свароч- ной машины, включают ножную кнопку НК. Сварочный про- цесс начинается с -момента соприкосновения щеточки а с вы- -бранным заранее сегментом. Точечная сварка начинается после переключения реле, про- исходящего благодаря соответствующей коммутации .на z-образ- ном сегменте. Время сварки и процент продолжительности включения по отношению к сварочному циклу регулируются изменением числа оборотов коммутатора и перемещением щеточки а в одно из гнезд, расположенных против соответствующих сегментов. В по- следней конструкции прерывателя заводского изготовления во всех гнездах установлены щеточки, а переключение производит- ся на панели. Конструкция редуктора такова, что при перемене скорости вращения нет углового сдвига коммутатора относительно ротора синхронного двигателя. Это обеспечивает возможность ведения сварки в определенной точке волны напряжения сети. В табл. 21 приведено время сварочного импульса и свароч- ного цикла, а также процент продолжительности включения, по- лучаемые на универсальном токопрерывателе при работе на то- чечной или роликовой машинах. Перевод прерывателя на то- чечную или роликовую сварку производится размыканием или замыканием контакта Дж. Магнитным 'фазовращателем смещается фаза зажигания игнитронов в пределах одного периода тока. Это позволяет ре- гулировать эффективную силу тока при одной и той же про- должительности токопрохождения без изменения ступени мощ- ности сварочной машины. В первичную цепь сварочного трансформатора включен галь- ванометр Г с шунтом. Назначение его — показать наличие сла- 160
Таблица 21 Время сварки пауз о. о Е О Время прохож- ; дения тока сек. I " Сварочный цикл сек. Продолжитель- ность включе- ния в % к пол- ному циклу о. о Е О Е 2 Время прохож- дения тока сек. Сварочный цикл сек. । п 0. S 3 ч с и о с С ность включе- ния в % к пол- ному циклу 1 0,02 0,20 10 10 0,08 0,20 40 2 0,02 0,04 50 и 0,10 0,20 50 3 0,04 0,40 10 12 0,12 0,40 30 4 0,04 0,10 40 13 0,12 0,30 40 5 0,04 0,08 50 14 0,12 0,20 60 6 0,06 0,60 10 15 0,18 0,60 30 7 0,06 0,20 зе 16 0,18 0,30 60 8 0,06 ’ 0,12 50 17 0,20 0,40 50 9 0,06 0,10 60 18 0,30 0,60 50 гающей постоянного тока при неодинаковой нагрузке игнитро- нов одного относительно другого. Мощность рассматриваемого токопрерывателн зависит исклю- чительно от мощности включаемых игнитронов. Аппарат приме- ним для работы с отпаянными стеклянными или металлическими игнитронами. Для работы со стеклянными игнитронами может быть предусмотрен вентилятор, который приводится в действие тем же синхронным моторчиком. Испытания прерывателя в эксплоатацйи на авиационных за- водах показали правильность подобранных параметров и доста- точную плавность регулирования сварочных процессов. Основным преимуществом этого прерывателя являются простота его кон- струкции, универсальность, т. е. возможность управлять точеч- ной и роликовой сваркой без каких-либо дополнительных пере- делок в схеме и легкость в эксплоатации. Аппарат изготовляется исключительно из отечественных материалов и приборов мас- сового производства. 161
§ 45. Применение модулятора для регулирования процесса роликовой сварки Наряду с ионными прерывателями в некоторых случаях для управления процессом контактной сварки успешно применяют модуляторы. В СССР модуляторы применяются главным образом при ро- ликовой сварке сталей. Модулятор представляет собой однофазный индукционный регулятор. Индукционные регуляторы применяются обычно для регулирования напряжения переменного тока. В обычном виде они представляют собой заторможенный асинхронный двигатель. Если ротор повернут таким образом, что оси обмоток ротора и статора совпадают, то в первом приближении имеем случай нор- мального трансформатора. Индуктируемое во вторичной обмотке напряжение U3 будет зависеть от коэффициента трансформа- ции k между обмотками: 2 1 UZj 1 Поворотом ротора на некоторый угол смещаем оси обмоток одну относительно другой. Через вторичную обмотку проходит только часть потока, поэтому напряжение на зажимах вторичной обмотки будет изменяться в зависимости от фазового угла р, равного пространственному углу поворота: U3—Uxk cos р, где — напряжение сети, приложенное к первичной обмотке; Ut— напряжение во вторичной обмотке; k — коэффициент трансформации. Эффективное значение напряжения U, может плавно регу- лироваться путем поворота ротора относительно статора от наи- большего значения U2 до наименьшего значения U2 При Р-90’, Схема включения модулятора к сварочной машине показана на фиг. 108. Первичная обмотка модулятора присоединена к сети, а вто- ричная включена последовательно со сварочным трансформа- тором. В отличие от индукционного регулятора ротор модулятора в зависимости от режима сварки должен вращаться принуди- тельно с различным числом оборотов. В тот момент, когда на клеммах вторичной обмотки И72 ре- гулятора напряжение имеет максимальное значение, подведен- ное к сварочному трансформатору напряжение будет также наи- высшим, так как напряжение этих обмоток суммируется. Наоборот, если напряжение вторичной обмотки W2 равно ми- нимальному значению или нулю, то включенная последователь- 162
но с первичной обмоткой сварочного трансформатора вторичная обмотка представляет собой большое индуктивное сопротивле- ние, поглощающее значительную часть напряжения сети. Если вращать якорь модулятора, то эффективное напряже- ние на клеммах сварочной машины будет повышаться и пони- жаться за время каждого оборота. Следовательно, повышение и понижение напряжения на вто- ричной обмотке модулятора будет соответствовать периодам включения и выключения при роликовой сварке. Для увеличения периода выключения или паузы предусмотрен контактор. Вклю- чение и выключение сварочной машины контактором производят- ся во время паузы между импульсами сварочного тока. Это обе- спечивает безискровую коммутацию сварочного процесса. Фиг. 108. Электрическая (принципиальная) схема включения модулятора к сварочной машине. Продолжительность сварочного импульса регулируется ско- ростью вращения ротора и лежит в диапазоне от одного до 15 периодов. Отношение продолжительности сварочного импуль- са к паузе может регулироваться в пределах от 4 до 50%. На фиг. 109 показана машина для роликовой сварки А мощ- ностью 50—75 ква, управляемая с помощью модулятора Б. По- следний приводится во вращение двигателем В через ременную передачу Г. Практически можно считать, что степень модуляции являет- ся функцией коэффициента трансформации между обмотка- ми и Уравнение, характеризующее зависимость напряжения пер- вичной обмотки сварочного трансформатора от напряжения се- ти при включении модулятора, имеет по Ритчу следующий вид: (7cK.-U(l+^cos f), (15) где (Усм— напряжение, подведенное к сварочной машине; Uc— напряжение питающей сета. При В—90—'180° значение cos {? будет отрицательным. Это вовсе не означает, что и напряжение будет иметь отрицатель- 'ный знак. В действительности мы получим при этих углах лишь опережение на полпериода. 165
При быстром вращении обмотки 1Г8 в ней индуктируется собственная электродвижущая сила, которая не учитывается Фиг. 109. Общий вид установки для роликовой сварки с при- менением модулятора. уравнением 15. Уравнение напряжения UW2 обмотки W2 имеет вид: £7tr,= {/C[cos + Л cos-г/)] —kp sin <»t sin vt. (16) Здесь v—скорость вращения обмотки W2, выраженная в рад, сек; V Р =--------скорость вращения модулятора, отнесенная к ча- О) стоте сети, где ш — Возникает вопрос, влияет ли на степень модуляции электро- движущая сила вращения обмотки Wt. 164
Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к уравнению (16)_ Максимальная или минимальная величина модулированного напряжения получается в тот момент, когда cosc»/==l; при этом sin vt неизбежно равен нулю. Следовательно, максимальная и минимальная величина мо- дулированного напряжения не зависят от электродвижущей си- Фиг. ПО. Кривая напряжения холостого хода уста- новки для роликовой сварки с применением модулятора (Ритч). лы вращения обмотки IV’,, и степень модуляции таким образом сохраняет свое значение. Обычно величины k и р представляют собой небольшие дроби Когда А:—0,25, а р=0,20, то вторым членом уравнения мож- но пренебречь. Кривая модулированного напряжения холостого хода для роликовой сварки показана на фиг. НО. Глава IX УСТАНОВКИ ДЛЯ ИМПУЛЬСНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ (ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ И РАЗРЯДОМ КОНДЕНСАТОРА) § 46. Состояние вопроса В 1934 г. на заводе «Светлана» (Ленинград) была впервые разработана Г. И. Бабатом 1 высоковольтная установка лабора- торного типа для точечной сварки разрядом конденсатора. Эта установка лродолжигольное время демонстрировалась на вы- ставке в Политехническом музее (Москва). Несмотря на бесспорный приоритет Советского Союза на вы- соковольтную точечную сварку разрядом конденсатора, при опи- сании этого метода сварки в иностранной литературе этот факт обходят молчанием. Существуют следующие типы промышленных установок для импульсной точечной сварки разрядом конденсатора. а) Высоковольтные установки (до 4000 в) статического типа, у которых переменный ток преобразуется в постоянный (для зарядки конденсаторов) с помощью ионных выпрямителей. Ком 1 Авторское свидетельство № 41614 от 5/П 1934 г. 165
мутация тока от конденсаторов к сварочной мащнне произво- дится ионными выпрямителями. б) Высоковольтные установки (~4()00 в), у которых преоб- разователями переменного тока в постоянный служат три вы- соковольтных генератора постоянного тока, соединенных между собой последовательно. На общем валу с этими генераторами установлены двигатель и генератор-возбудитель, питающий обмотки возбуждения генераторов. Коммутация тока разряда конденсаторов осуществляется в этой установке по релейно- контакторной схеме. в) Известны также статические установки для точечной сварки разрядом конденсатора низкого напряжения (500 в). Для получения необходимой энергии разряда в этой установке применяются батареи конденсаторов, емкостью примерно 150 000 мкф. Из перечисленных трех типов установок наиболее рацио- нальным является первый. Второй и третий типы неэкономичны. Конструктивной особенностью некоторых машин для им- пульсной точечной сварки является система двойного давления, прилагаемого к электродам при сварке. Ниже приводятся описания схемы и принципа действия не- которых установок, применяемых на различных заводах Совет- ского Союза для электромагнитной точечной сварки и для свар- ки разрядом конденсатора. § 47. Установка для электромагнитной точечной сварки [45]. Электрическая схема электромагнитной сварочной машины показана на фиг. 111. Схема состоит из выпрямительной уста- новки, которая питает сварочный трансформатор и отдельно от сварочного трансформатора подает напряжение 140 в на панель управления. Большая часть схемы цепи управления питается переменным током напряжением 220 в. Другая группа соле- ноидов и контакторов требует для своей работы постоянного тока напряжением 140 'о (нижний правый квадрат схемы). На сварочной машине смонтирован ряд селекторных вы- ключателей SW1—SW6 и др., которые включаются вручную на желаемый режим работы. Выключатели (SI, S2 и т. д.) ра- ботают автоматически и управляются движением отдельных узлов самой машины. Машина снабжена тремя педальными вы- ключателями; из них FS1 начинает каждую сварочную опера- цию, a FS2 и FS3 воздействуют на перемещающуюся вверх и вниз головку сварочной машины и, кроме того, изменяют давле- ние, приложенное к электродам. Работа этой головки обеспе- чивает переменное давление на электроды и является частью основной системы управления. Основная выпрямительная установка питается от трехфазно- го трансформатора; для аккумуляции в сварочном трансформа- торе необходимого количества энергии требуется сила тока в не- 166
сколько сот ампер. К сварочной машине подводится выпрямлен- ное напряжение 155 или 80 ej, в зависимости от толщины сваривае- мых деталей. В качестве выпрямителей применены игнитроны. Выпрямительная установка показана в верхней правой части схемы фиг. 111. Замыканием линейного рубильни- Фиг. 111. Электрическая схема установки для импульсной то- чечной сварки (электромагнитной) (45]. /А—лампочки для освещения на детали места постановки точки; 2А—зеленая лампочка; ЗА — красная; 4А—соленоид водяного реле; 5А —разомкнуто для повторения сварки; 6А - замкнуто для неповтор- ной одноимпульсной сварки; 7А—выключатель давления; 8— реле сварки; РА —реле продолжительности предварительного сдавлива- ния; 10А — реле продолжительности проковки; 11А—реле продол- жительности отключения; 12А —блокировочный контакт дверей аппарата; /ЗА-контакт водяного реле; 14А-переключатель; 15А — соленоид низкого давления; 16Л—соленоид высокого давления; 17А— сварочная машина; М—реле максимального тока. ка СВ/ трехфазный ток подается к анодному трансформато- ру ТЗ. Вторичные обмотки * ТЗВ соединены с анодами отпаян- ных металлических игнитронов. Каждый из игнитронов управ- ляется тиратроном. Контакты реле CR2 замыкают анодную цепь, каждого тиратрона. * Первичные обмотки каждого трансформатора обозначены на схемах ТП, а вторичные обмотки — ТВ. 167
При замыкании силовой сети включается автотрансформа- тор Т4 и возбуждает реле выдержки времени TR1. После пяти- минутного накала катодов ламп замыкается контакт TR1, вклю- чая катушку реле CR1. Один из контактов CR1 включает анод- ный трансформатор Т5 с двумя маломощными газотронами. Выпрямленное пульсирующее напряжение (140 в) вполне при- годно для питания индуктивной нагрузки в виде катушек кон- такторов. Второй контакт CR1 замыкает цепь катушки реле CR2. При достаточном количестве охлаждающей воды, протекающей через игнитроны, реле CR2 замыкает свои контакты, включая игнитроны к сварочной машине. тока зависит от напряжения в мотке ТЗВ. Чтобы изменять об- на- Напряжение постоянного СЬарочный трансфоо мотор Фиг. 112. Схема регулирования напряжения изменением утла зажигания игнитрона. пряжение выпрямителя от 155 в до 80 в, применяется система сме- щения фаз сеток тиратронов Л1, Л2 и ЛЗ. Цепь управления сет- кой одного из тиратронов пока- зана отдельно на фиг. 112. Если контакт реле CR2 замкнут, то на- пряжение вторичной обмотки ТЗВ подведено к анодам ламп 1 и 4. Однако лампы не загораются, так как тиратрон 1 заперт отри- цательным потенциалом конден- сатора С1, зависящим в свою очередь от тока, протекающего через переменное сопротивление R1 или R2. Конденсатор С1 не только блокирует участок катод — сетка; в данной схеме емкость С1 равна около 1 мкф и С1 служит одновременно для смеще- ния потенциала сетки лампы /. Для подачи к сварочной ма- шине выпрямленного напряжения 155 в реле CR3 получает возбуждение от переключателя, укрепленного на корпусе сва- рочной машины. Реле CR3, размыкая свой постоянно замкнутый контакт, В1ВОДИТ в цепь сетки лампы 1 сопротивление R1. Для того чтобы выпрямитель подавал только 80 в в сварочную цепь, переключатель ставится в положение, при котором срабатывает реле CR4. При этом размыкается постоянно замкнутый контакт CR4 и в цепь сетки лампы 1 вводится большее сопротивление R2. Одновременно другие контакты этих реле управляют сетками ламп 2 и 3 аналогичным путем. Если же контакты реле CR3 и CR4 замкнуты, то сетки ламп 1, 2 и 3 закорочены с анодом и лампы работают как неуправляемые вентили, как показано на фиг. 113. Рассмотрим, каким образом осуществляются смещение фаз и получение .на выходе 80 в при разомкнутом контакте CR4. Смещение фаз зажигания т р е х л а .м п о в о г о выпрямителя. Напряжение сетки каждой лампы опреде- 168
ляется, как известно, разностью потенциалов между сеткой и ка- тодом лампы. Для лампы / (см. фиг. 112) напряжение сетки является также и напряжением на обкладках конденсатора С1. Это напряжение изменяется в течение каждого периода, как по- казано на фиг. 114. Если контакт CR4 (см. фиг. 112) разомкнут, Фиг. 113. Картина напряжения и тока, когда тиратроны в цепи иг- нитронов работают как газотроны (сетки закорочены с анодами), /—ток в лампе Л4 (нагрузка ак- тивная); 2— напряжение фазы ВА; 3—напряжение фазы СА; 4—ток в лампе Л5\ 5—напряжение фазы DA; 6—ток в лампе JJ6 (нагрузка актив- ная); 7—напряжение на выходе вы- прямителя; 8—анодный ток. Емкостной ток 3 Сеточное напоя-» жение соЬгкюа-\/ ет по (разе с 1 анодным Е КантактыСЯЗи QR4 Замкнуты пряже- ^<ние сет- КонтоктСНЭ разомкнут разомкнут Фиг. 114. Картина регулирования выпрямленного напряжения сме- щением потенциала сетки тират- ронов. / — напряжение на сварочном транс- форматоре; 2—напряжение на сет- ке Л Г, 3— анодный ток лампы Л1 (нагрузка активная); 4—напряже- ние на сварочном трансформаторе; 5—напряжение сетки; 6— анодный ток. то сопротивление R2 уменьшает величину угла, на которую ток 1 в конденсаторе С1 опережает анодное напряжение Е лампы 1. Напряжение на конденсаторе С1 в этом случае значительно от- стает от анодного напряжения Е. Сетка лампы 1 получает от- рицательное смещение и запирает лампу 1 на некоторую часть периода. Зажигание ламп 2 и 3 задерживается аналогичным по- рядком на некоторый угол. Результат такой работы ламп по- казан на фиг. 115. Как видно из этой фигуры, напряжение на 169
выходе выпрямителя имеет пилообразную форму. Это деформи- рованное напряжение вызывает меньшую величину выпрямлен- ного тока, чем показанное на фиг. 113, Ползунок R2 (см. Фиг. 115. Картина вы- прямленного напряже- ния н тока, величины которых снижены сме- щением фаз зажигания тиратронов. 1—напряжение на на- грузке от лампы 2— сеточное напряжение лампы Л4; 3—ток в лам- пе Л4\ 4—напряжение на нагрузке лампы JJ&, 5-сеточное напряжение лампы 5; 6— ток в лампе Л5 (нагрузка активна^); 7—ток в лампе Л6\ S'- сеточное напряжение лампы Л6\ 9—напряже- ние на выходе выпря- мителя; 10— анодный ток выпрямителя. фиг. 112) позволяет точно регулировать напряжение 80 в на выходе выпрями- теля. Аналогичным путем при размыка- нии контакта CR3 в цепь вводится со- противление /?/; ползунок R1 дает так- же точную регулировку напряжения в 155 в. Выпрямительное устройство позво- ляет одновременно подавать напряжение для последовательной работы двух сва- рочных машин. Соответствующим регу- лированием реле CR3 и CR4 можно до- биться того, чтобы одна из сварочных машин работала при напряжении 155 в. а вторая машина моментом позже будет получать от того же’ выпрямителя напря- жение 80 в. Передвигающаяся свароч- ная головка. Большинство свароч- ных машин, работающих на принципе аккумулирования энергии, оборудовано передвигающейся головкой, в которой крепится верхний электрод. Чтобы избе- жать ударов электрода по изделию, с помощью этой головки перед сваркой за- ранее опускают верхний электрод на- столько, чтобы до свариваемого изделия осталось 10—12 мм. Во время сварки электрод движется в этом промежутке вверх и вниз. При смене электродов или при переходе к снарке более крупных деталей верхний электрод необходимо быстро поднять вверх, чтобы расстояние между электродами достигло 100— 150 мм. Верхний электрод поднимается в новое положение передвигающейся го- ловкой, приводимой в действие переклю- чением сжатого воздуха в цилиндре сва- рочной Мишины. Передвигающаяся го- ловка перемещается только в момент, когда сварка не производится. Путем нажатия педального выключателя го' ловку опускают в рабочее положение до начала сварки; при этом электрод не доходит до свариваемого изделия на 10—12 лил В некоторых сварочных машинах передвигающаяся головка ра- 170
ботает посредством сжатого воздуха или масла, без электриче- ских управляемых цепей. Передвигающаяся головка рассматриваемой сварочной ма- шины (Сияки) работает от электрических цепей, показанных в верхней левой части (см. фиг. Ill), ^варщик, нажимая педаль- ный выключатель FS3, включает катушку SVH (соленоидный клапан головки), которая открывает клапан, опускающий го- ловку. Когда головка приходит в рабочее положение, она замы- кает микровыключатель S3, включающий катушку SVK, ко* торан представляет собой соленоидный клапан, передвигаю- щий стальной кулачок в отверстие перемещающейся головки, и механически запирает головку в ее рабочем положении. Пружина, имеющаяся в головке, стремится вытолкнуть кула- чок обратно; поэтому для того, чтобы головка оставалась в запертом положении, необходимо катушку SVK оставить вклю- ченной. Запирающее движение кулачка приводит в действие два микровыключателя. Выключатель S1 в этот момент не дает никакого импульса, a S2 размыкает верхний контакт и снимает возбуждение с катушки соленоида SVH, устраняя та- ким образом силу, опускавшую головку. Головка остается за- пертой в своем рабочем положении. Выключатель S2 замыкает свой нижний контакт, включая цепь питания к сигнальным лам- почкам 1А—(ЗА. Примечание. На сварочной маДОше смонтированы сигнальные лампочки 1А. Назначением их является отбрасывание на свариваемое изделие луча света, указывающего место очередной сварки. Этот луч помогает сварщику так расположить изделие, чтобы сварка каяСДОЙ точки происходила с заданным шагом. Сигнальные лампочки пита»отся током низкого напряжения от трансформатора Т1. Два заземленных вы- вода замыкают цепь вторичной обмотки Т1 и сигнальных ламп. Когда селекторный ключ SW6 поставлен в положение 6Л «включен», зажигается красная сигнальная лампа ЗА и кла- пан 4А включает воду, подаваемую V- электродам. Цепь педаль- ной кнопки FS1 присоединена к источнику питания, и при за- мыкании FS1 начинается сварка. Система управления отдельными узлами машины. До рассмотрения отдельных элементов схемы про- следим работу реле, контакторов и реле времени. Заметим, что все цепи переменного тока расположены на фиг 111 слева, а все цепи постоянного тока — внизу справа. Каждое из реле рассчитано на регулировку выдержки вре- мени от 3 до 100 периодов, прежде чем сработают его контак- ты. Через 9А обозначено реле предварительного сжатия, ко- торое дает выдержку времени давления на электроды перед на- чалом протекания тока через сварочный трансформатор. 10А — реле выдержки под давлением при проковке. Оно определяет продолжительность проковки шва между электрода- ми, после протекания сварочного тока, а ИА—продолжитель- 171
ность выключения тока между двумя последовательными опе- рациями сварки. При сварке передвигающаяся головка должна быть опуще- на, выключатели SIT6 и SW7 должны быть включены; при этом замыкаются контакты к катушкам реле D и Е. Когда свар- щик нажимает педальный выключатель FS1, включается катуш- ка реле С. В цепи управления постоянного тока контакт С воз- буждает соленоид пневмоклапана I5A, заставляющий электроды зажать изделие с малым усилием. Предположим, что контакты SW7 остаются разомкнутыми. При заданном давлении на электроды указатель давления 7 А замыкает свой контакт и включает реле переменного тока D, которое включает реле выдержки времени 9А. Контакт реле 9 А включает реле Е, пропускающее постоян- ный ток к контакторам сварочного трансформатора. Контакты Е присоединяют цепь управления постоянного тока к катушкам контакторов 1К—8К, которые замыкают свои контакты одно- временно, и выпрямленный ток проходит от игнитронного вы- прямителя в первичную обмотку сварочного трансформатора. Когда величина постоянного тока достигает своего заданного максимума, срабатывает реле максимального тока Л4, контакты которого включают катушку реле переменного тока Е и реле выдержки времени 10А. Реле F выключает реле переменного тока Е, контакты которого размыкают цепь катушек контакто- ров 1К—8К. Размыкаясь, контакты 1К—8К, соединенные меж- ду собой последовательно, мгновенно прекращают протекание постоянного тока через первичную обмотку сварочного транс- форматора. Последний трансформирует накопленную энергию во вторичную обмотку сварочной машины, замкнутую электро- дами на изделие. Тем временем электроды продолжают сдавли- вать свариваемое изделие до тех пор, пока реле 10А не завер- шит период выдержки (проковки). Реле 10А включает реле пе- ременного тока G, отключающее реле D. Если выключа- тель SW8 повернут в положение 8А — «повторная сварка», G от- ключает также и реле С, которое в свою очередь отключает со- леноид сжатого воздуха и разводит электроды. Нормально замкнутый контакт С включает реле времени НА. По истече- нии времени выключения нормально замкнутый контакт НА вы- ключает реле 10А, а 10А выключает реле G. Если сварщик про- должает нажимать педаль FS1, то нормально замкнутый кон- такт G снова включает реле С, сближая электроды для после- дующей операции сварки. Изменение давления электродов во время сварки. В цепи управления постоянного тока (справа на фиг. 111) находятся соленоиды клапанов 15А «низкого давле- ния» и 16А «высокого давления», управляемые тремя селектор- ными ключами SW1, SW2 и SW3. Когда ключ SW1 разомкнут, то на электроды и, следовательно, иа изделие действует только 172
один рабочий цилиндр, производя малое давление. Если же ключ SW1 замкнут, то на электроды действуют совместно два рабочих цилиндра, создавая большое давление. Если же при этом ключ SW2 также замкнут, то большое давление, приме- няемое в начале процесса для обжатия деталей, остается не- изменным, так что изделие во время сварки зажато тем же усилием. Это постоянное высокое давление применяется на этой машине при сварке сталей или других материалов с высоким удельным сопротивлением. Комбинация высокого и низкого давления по седлообразной кривой (фиг. 116) применяется на машинах при сварке боль- шинства материалов с ма- лым удельным сопротивле- нием. Низкое давление ис- пользуется в момент проте- кания сварочного тока, а высокое давление проковы- вает Образовавшийся шов. Для получения переменного давления при замкнуто!м ключе SW1 и при разомкну- тых ключах SW2 и SW3 клапан низкого давления работает только тогда, когда Фиг. 116. Изменение первичного, вторичного токов и давления при электромагнитной точечной свар- ке. /—первичный ток; 2—вторичный ток; 3—давление. замыкается контакт С, до момента отключения реле Е (см. фиг. 111). Максималь- ное реле тока М включает реле F. выключающее ре- ле Е, так что нормально замкнутый контакт реле Е шунтирует контакт SW2 и возбуждает соленоид клапана высо- кого давления 16А. В момент, когда электроды получают высо- кое давление, сварочный ток уже достигает своего максимума и начинает снова уменьшаться. На фиг. 116 показаны также форма кривых тока в первич- ной и сварочной цепях машины и момент их протекаишя отно- сительно графика переменного давления на электродах. Указа- тель давления 7А установлен таким образом, что его контакт замыкается только тогда, когда давление электродов достигает максимального значения (при совместной работе обоих цилинд- ров). Когда сварщик нажимает педальный выключатель FS1 (см. фиг. 111), контакт реле С включает соленоиды клапанов низкого и высокого давления 15А и 16А через замкнутые кон- такты SW1, SW3 и нормально замкнутый контакт реле D. При этом контакт SW2 разомкнут. Когда высокое давление замы- кает контакт указателя давления 7А, контакт реле D отключает соленоид клапана высокого давления (7А снова размыкает свой 173
контакт, но реле D блокировано своим контактом). Реле вре- мени 9А срабатывает с заданной выдержкой времени, при ко- тором давление на электроды уменьшается до нижнего значения графика еще до момента включения тока к сварочному транс- форматору. При этом уменьшенном давлении возрастает кон- тактное сопротивление свариваемого изделия, и сварочный ток развивает большее количество тепла. При убывании сварочного тока давление снова возрастает и проковывает сварной шов. Работа сварочных контакторов постоянно- го тока. Когда электроды сжимают изделие с заданным да- влением, реле £ замыкает свои три контакта в цепи управле- ния постоянного тока (см. фиг. 111), включая контакто- ры 1К—8К. Вначале включается контактор 9К через нормально замкнутый контакт F при замыкании контакта D. Контактор 9К размыкает цепь, шунтирующую первичную обмотку сварочного трансформатора. Контакты 1£—8К замыкаются мгновенно. Для более эффективного использования энергии, накопленной в транс- форматоре, необходимо избежать образования электрической дуги при коммутации и мгновенно отключить контакты 1К—8К. Когда реле Е отпадает, все эти восемь контакторов размыка- ются отдельно один за другим (как описано ниже), однако, это размыкание происходит в такой малый промежуток времени, _что создается впечатление одновременного выключения. Раз- мыкание цепи нельзя Произвести просто путем размыкания лю- бых контактов или 8К. Сперва размыкаются контакты 4К или 5К, за ними ЗК и 6К, а затем 2К и 7К. Следует от- метить, что ни один из этих контактов не разрывает цепь пол- ностью, так как каждый контакт зашунтирован отдельным сопротивлением. С размыканием каждого последующего кон- такта в цепь постоянного тока вводится все большее сопро- тивление. Это увеличенное сопротивление уменьшает протекание тока в цепи до такой малой величины, при которой можно безопасно отключить контакты 1К и 8£. При сварке изделий большой толщины, когда используется максимальная сила тока и в сварочном трансформаторе на- капливается большее количество энергии, включение тока осу- ществляется последовательным размыканием всех восьми кон- тактов. При сварке тонких изделий ток может быть выключен размыканием только четырех контактов. В этом случае ключ SW (в цепи управления постоянного тока на фиг. 111) замыкается, и контакторы ЗК\ 4К\ 5К и 6К остаются все время замкнутыми. Сварка осуществляется размыканием контактов 2К\ 7К\ 1К и 8К. Как упомянуто выше, все восемь контакторов постоянного тока замыкаются одновременно, но отключаются последова- тельно один за другим. Скорость отключения каждого контак- тора постоянного тока может быть отрегулирована путем под- бора соответствующей постоянной времени при помощи допол‘- 174
нительного' переменного сопротивления, включенного параллель- но каждой катушке. Например, для того чтобы контактор 8К оставался дольше замкнутым, чем контактор 7/С, следует уменьшить сопротивле- ние В, перемещая его ползунок влево. При перемещении пол- зунка сопротивления А вправо сопротивление А увеличивается и поэтому контактор 7R отпадает раньше, чем контактор 8К. Во время сварки контакт контактора 9К размыкает цепь, шунтирующую первичную обмотку сварочного трансформатора. Когда реле F отключает реле Е, то происходит размыкание це- пи катушки 9К. Постоянное сопротивление в катушке 9К по- добрано так, чтобы выключение контактора происходило с не- которым замедлением. Если контактор 9К сработает слишком быстро, то его нормально замкнутые контакты зашунтируют об- метку трансформатора раньше, чем окончится сварка, и часть аккумулированной энергии потечет через контактор, а не через свариваемое изделие. Нормально контакт 9R замыкается в мо- мент, когда сварочный ток почти прекращается. В этом случае при раздвигании электродов энергия, оставшаяся в сварочном трансформаторе, разряжается через контакт 9К без образова- ния электрической дуги на сварочных электродах. Постоянство энергии для каждого шва. Для получения равноценных сварных соединений необходимо выклю- чение производить при определенном значении протекающего тока. Реле максимального тока М (см. фиг. 111) производит от- ключение в момент достижения установленной величины тока. Если в процессе работы реле Е по какой-либо причине остает- ся под напряжением и не разомкнет контакторную цепь посто- янного тока, то постоянный ток будет все время протекать через первичную обмотку сварочного трансформатора, а сварки не будет. Для предупреждения аварии параллельно катушке ре- ле Е включено реле CR5. Когда Е срабатывает, одновременно срабатывает реле CR5, включая реле времени TR2 в цепь управ- ления лампового выпрямителя. Если реле Е окажется неразомкну- тым дольше, чем одну секунду, то реле TR2 размыкает свой нормально замкнутый контакт, выключая катушку реле CR2, и прекращает прохождение тока через выпрямитель Т5. Регулировка хода электрода. При правильно от- регулированном ходе головки с верхним электродом между верх- ним электродом и свариваемым изделием должно оставаться примерно 10—12 мм. Для предотвращения удара электрода в случае, когда ход его превышает 10—12 мм, в цепь управления переменного тока (см. фиг. 111) включено реле J. Если верхний электрод имеет слишком большой ход, то он замыкает микро- выключатель S4, который включает реле J, причем загорается красная сигнальная лампа ЗА. Реле С срабатывает при пуске и включает соленоидный кла- пан D, передвигающий электрод. Однако после срабатывания 175
клапана D, во время которого реле 9А производит выдержку времени, левый контакт реле J замыкает цепь катушки реле G. Реле G размыкает свой нормально замкнутый контакт в цепи катушки D, и сварка произойти не может. Другие контакты / блокируют, во-первых, цепь своей катушки и, во-вторых, остав- ляют С включенным; поэтому электроды остаются прижатыми к изделию до тех пор, пока сварщик не отпустит педальный выключатель FS1. Таким образом сварка на этой машине воз- можна только при правильно установленном ходе электродов. Повторная и неповторная сварка. При ра- зомкнутом ключе SU/Й (повторная сварка) реле G выключает реле С и реле D после завершения проковки шва (см. фиг. 111). Нормально замкнутый контакт С включает реле времени ПА, регулирующее продолжительность отключения (или охлажде- ния) между двумя импульсами сварочного тока. Контакт ре- ле НА отключает реле 10А, которое в свою очередь отключает катушку реле G. Нормально замкнутые контакты G снова за- мыкают цепь реле С (при условии, если замкнут выключа- тель FS1), которое включает соленоид клапана давления для следующей очередной сварки. При замкнутом ключе SW (одноимпульсная сварка) реле С блокируется своим же контактом С и SW8‘, при этом реле С удерживает электроды в зажатом положении до тех пор, пока сварщик нажимает выключатель FS1. Работа реле G при за- вершении проковки шва теперь не влияет на С, так как SW8 шунтирует контакт G. Если выключатель SW7 выключен, то сварщик может нажимать педаль FSI и замыкать электроды, но цепи катушек D и Е остаются разомкнутыми и поэтому че- рез сварочный трансформатор ток не протекает. Подъем головки. С размыканием выключателя FS1 отключается реле С и для подъема головки необходимо вклю- чить реле К, замыкая педальный выключатель FS2. Реле К имеет два контакта, один из них отключает SVK и снимает да- вление, посредством которого кулачок двигается в шлиц голов- ки. Несмотря на наличие пружины, выталкивающей кулачок, последний может заклиниться из-за давления, сообщаемого электродам ibo время сварки. Для ослабления кулачка второй контакт включает реле SVH, которое на одно мгновение тол- кает электрод вниз. Как только кулачок освободится и вытолк- нется пружиной, выключатель S1 разомкнется и выключит SVH (S2 (возвращается в свое верхнее положение). Если давление, вызываемое действием реле SVH, отсутствует, го головка может быть поднята с помощью других механических средств. К недостаткам конструкции машины Сияки относятся: ре- лейно-контакторная коммутация и громоздкость внешнего контура. Габариты нижнего плеча ограничивают использование этой машины, допуская сварку только крупных изделий. 176
§ 48. Высоковольтная установка для точечной сварки разрядом конденсатора, работающая от трехфазной сети переменного тока Такие установки [45] выполняются однофазными и трех- фазными. Рассмотрим электрическую схему трехф’азной уста- новки. Для подробного изучения действия этой установки рассмот- рим ее по трем раздельным схемам. На фиг. 117 показаны схе- мы питания трехфазным током обмоток TIB, Т2В и ТЗВ и те- стила мпового выпрямителя для зарядки группы статических конденсаторов. После отключения выпрямителя конденсаторы разряжаются на сварочный трансформатор через цепь, в кото- рую включены реверсивные кон+акторы и два игнитрона. Эта часть, схемы называется силовой цепью. ..* Цепи управления низкого напряжения (фиг. 118) присоеди- нены к напряжению сети и управляют силовой цепью. Эти цепи управления включают предохранительные устройства, вспо- могательные трансформаторы, подающие напряжения на лампы и несколько ламповых реле выдержки времени; последние обе- спечивают последовательность действий сварочной машины. Чтобы не затемнять схему излишними деталями, нафиг. 117 не показаны подробно некоторые ламповые цепи, управляющие работой шестилампового выпрямителя. Эти цепи, обеспечиваю- щие смещение фаз выпрямительных ламп, равно как и цепь постепенной подзарядки конденсаторов, которые показаны на фиг. .119, описаны далее. Даже и без этих деталей схема до- статочно сложна. Действие силовых цепей. Питание всей схемы (см. фиг. 117) от сети переменного тока осуществляется тремя про- водами 1, 2, 3. При замыкании линейного рубильника вклю- чается также вентилятор, охлаждающий панель управления. Линейный контактор L включает силовой трехфазный трансфор- матор, и высокое напряжение подводится к лампам 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Газотроны 1, 2 и 3 пропускают ток только тогда, когда загораются тиратроны 4, 5 или 6, которые управляют током за- рядки конденсаторов. От катодов тиратронов 4, 5 и 6 выпрямленный ток проходит от положительной клеммы 15А к группе конденсаторов и воз- вращается к выпрямителю, проходя через выключающие кон- такты А1—А4 к точке 29, затем через ограничительное сопро- тивление R1 к одной из ламп 1, 2 или 3 и обратно к обмот- кам TIB, Т2В и ТЗВ трансформатора. Конденсаторы заряжа- ются до напряжения, указываемого вольтметром VM. После того, как конденсаторы заряжены, лампы выпрями- теля отключаются с помощью своих сеточных цепей. Один из двух контакторов D1 или D2 должен быть замкнут до сварки; затем загорится игнитрон 14 при помощи тиратрона 15. При этом конденсаторы разряжают накопленную энергию на первич- 177
ос Напряжение сети Фиг. 117. Электрическая схема установки для точечной сварки разрядом конденсаторе [45]. Сварочный — трамссрорматор | Цепь управ- ления к схе- ме сриг. И7 5» • К CRb UVR \б)Включо- 1-ется для TDfiповторной сварки ;'CR3 \р! арядко Разрядка DVR Г SW3 CW-т an i спз Ключ зажи- гания на свалочной MOUIuhp CRt> CR1 Cftl Побгем головки фи ;f ГМ 57< IP5 6—6—6____ Педаль Фнг. 118. Электрическая схема низковольтной цепи управления установки, показанной на фиг. 117 [45]. <0
ную обмотку сварочного трансформатора, вторичная обмотка ко- торого замкнута через электроды на свариваемую деталь. Как было указано ранее, реактанс сварочной машины влияет на про- должительность и на характер разряда. В случае образования колебательного разряда лампы 17 и 16 защищают конденсаторы от обратного напряжения. фиг. 119. Подробная схема управления шестяламповым выпря- мителем схемы 117. Действие цепи управления. Цепи управления (см. фиг. 118) получают питание от трехфазной сети через рубиль- ник SIF/ (см. фиг. 117). Трансформатор Т4 питает напряже- нием 115 в катушки: контактора L, контактора CRS, шунти- рующего конденсаторы и реверсивные контакторы D1 и D2. Трансформатор Т5 получает питание от другой фазы сети и по- дает напряжение 115 в к реле выдержки времени TR1 и к 10 вспомогательным трансформаторам T9—Т18 (см. фиг. 118 и 119). Реле времени TD5 регулирует продолжительность про- ковки, a TD6 — продолжительность выключения между импуль- сами, если 51Г5 поставлено на повторную сварку. Эти два реле являются обычными ламповыми реле времени. Схемы реле TD5 и TD6 на фиг. 118 обведены пунктиром. TD5 начинает отсчиты- вать выдержку времени, когда цепь включается к выводу а. Два верхних вывода предназначены только для питания ламп этого реле переменным током. Реле времени предварительного сжатия здесь отсутствует: на сварочной машине применяется ключ зажигания, контакты которого замыкаются, когда электро- ды находятся под соответствующим давлением. Ключ зажига- 180
ния на фиг. 118 имеет два контакта. Нормально замкнутый кон- такт служит для начала сварки, а нормально открытый контакт препятствует сварке в том случае, если конденсаторы не заря- жены до необходимого напряжения. При замыкании контрольного выключателя SW1 начинают нагреваться катоды всех ламп. После их прогрева пятиминут- ное реле TR1 (см. фиг. 118) замыкает свой контакт. Если кон- такты двери аппарата закрыты, то TR1 полностью замыкает цепь между точками 16 и 26, зажигая зеленую лампу на панели. При нажатии кнопки «зарядка» замыкается цепь контактора L и производится зарядка конденсаторов. Работа выпрямителя, зарядка конденсато- ров. Когда кнопка «зарядка» нажата (см. фиг. 118), то цепь между точками 15 и 16 замыкается, пропуская ток через катуш- ки линейного контактора L и CRS, зажигая при этом сигнальную красную лампу «выпрямитель включен». CRS размыкает свои два нормально замкнутых контакта (см. фиг. 117), разрывая предохранительную цепь, шунтирующую конденсаторы. Обмотка контактора L блокирована своим нормально открытым контак- том и этот контактор приключает к сети трехфазный трансфор- матор выпрямителя. В момент включения выпрямителя на кон- денсаторах нет напряжения; поэтому оно отсутствует также и на потенциометре Р1 делителя напряжения R24, Р1 и R25, со- единенного параллельно конденсаторам. Потенциометром Р1 регулируют напряжение зарядки конденсаторов. Для уяснения метода управления лампами в этой схеме (см. фиг. 117) проследим цепь от сеток тиратронов 4, 5 и 6 точки 27, через Р1 и R25 к точке 15А, к катодам этих ламп. Так как на- пряжение на выводах Р1 и R25 отсутствует в момент включе- ния выпрямителя, то сетки тиратронов имеют тот же потенциал, что и их катоды, и лампы 4, 5 и 6 пропускают ток зарядки кон- денсаторов. Через долю секунды, однако, конденсаторы заря- жаются до напряжения, превышающего 800 в. Часть этого на- пряжения появляется и на выводах Р1. Любая точка Р1 отрицательна по отношению к точке 15А. Это отрицатель- ное напряжение подводится к сеткам ламп 4, 5 и 6 от пол- зунка Р1. Если ползунок повернут по направлению к R24 вверх (малое сопротивление), то точка 27 получает такое отрицатель- ное смещение (когда напряжение на конденсаторах достигает 800 в), которое препятствует загоранию ламп в течение следую- щего периода. Если же Р1 поставлен в нижнее положение по направлению к R25 (большое сопротивление), то конденсаторы заряжаются до 3000 в прежде, чем ползунок получит такое же отрицательное смещение и отключит лампы. С увеличением на- пряжения на конденсаторах напряжение между Р1, ползунком 27 и точкой 15А также увеличивается, и потенциал ползунка 27 постепенно приобретает отрицательное значение по отношению к точке 15А. Сетки ламп, присоединенные к точке 27, получают 181
это же отрицательное смещение. Напряжение между 27 и 15А используется также для включения реле UVR, которое сраба- тывает только IB том случае, когда напряжение достигнет вели- чины, на которую установлен Р1. Как будет показано ниже, реле UVR должно сработать прежде, чем может быть произ- ведена сварка. Выключение выпрямителя. Нормально замкнутый контакт реле CRO^Juon лампой 6, см. фиг. 117), предназначен для отключения ламп выпрямителя в момент сварки; кроме того, этот контакт предотвращает зарядку конденсаторов сразу после окончания сварки. Во время зарядки конденсаторов контакт Грогождение гпока через пампы 1-7 Ъ-7 4-3 5-3 5-1 &-( 6 ? 4-? 4-3 Фиг. 120. Кривая выпрямленного напряже- ния шестилампового выпрямителя. 1—6- лампы; А—В—С—фазы трансформатора. CR3 разомкнут. После нажатия (сварщиком) педального вы- ключателя FS (см. фиг. 118) отключается реле CR3, замыкая свой нормально замкнутый контакт и присоединяя клемму 27 к точке 99. Напряжение между клеммами 27 и 99 равно напря- жению на конденсаторе С//, и составляет 280 в (клемма 99 имеет отрицательный знак). Зарядка СП производится транс- форматором Т14В через лампу 10. При замыкании контакта 27—99 сетки ламп 4, 5 и 6 получают запирающее напряжение 280 в, и лампы гаснут. Основное назначение этого контакта выявляется, однако, в момент, когда конденсаторы разряжаются на сварочный трансформатор. В этот момент напряжение на конденсаторах, а, следовательно, и на Р1 падает почти до нуля, отрицательное напряжение между точками 27 и 15А сни- мается и лампы 4, 5 и 6 могут пропускать ток. Этому, однако, препятствует то обстоятельство, что сетки присоединены кон- тактом CR3 к точке 99, отрицательное напряжение которой достаточно велико для запирания тиратронов. Следовательно, выпрямитель не может начать зарядку конденсаторов до тех лер, пока в определенный заданный момент контакт CR3 не разомкнет свой нормально замкнутый контакт. Лампы \1—6 работают как трехфазный двухполупериодный выпрямитель; форма выпрямленного напряжения в течение од- ного периода показана1 на фиг. 120. 1 Цифры на каждой полуволне показывают, какие лампы выпрямителя работают одновременно, а буквы — соответствующую фазу. 182
Высоковольтный вольтметр и искровой про- межуток. Вольтметр VM присоединен для измерения напря- жения, до которого заряжаются конденсаторы. Напряжение на конденсаторах (между точками 29 и 15А, на фиг. 117) также зажигает лампу 13 и заряжает конденсатор С15. Когда конден- саторы ЗС—НС разряжаются на сварочную машину, лампа 13 удерживает С15 от разряда. Вольтметр показывает напряжение даже после разрядки сварочных конденсаторов. Если при по- мощи потенциометра Р1 изменяется напряжение, до которого заряжаются сварочные конденсаторы, то изменение показания вольтметра достигается нажатием разрядной кнопки (под точ- кой 26, см. фиг. 118). Эта кнопка отключает реле CRS, нор- мально замкнутый контакт которого разряжает С15 (см. ,фиг. 1'17). Когда конденсаторы снова заряжаются меньшим на- пряжением, то оно появляется на обкладках конденсатора G15, и вольтметр начинает показывать истинное напряжение. При нажатии разрядной кнопки другой нормально замкну- тый контакт CRS разряжает основные конденсаторы. Разрядный ток при этом протекает через катушку реле OVR, которое раз- мыкает свой нормально замкнутый контакт (между точками 26 и 16, см. фиг. 118). Таким образом, если даже кнопка и отпу- щена, контакт реле OVR не дает снова сработать реле CRS и разомкнуть свои контакты до тех пор, пока разрядный ток через эти контакты не уменьшится до весьма малой величины, при которой отключается реле OVR. Когда выпрямитель заряжает сварочные конденсаторы, кон- такты CRS разомкнуты. Через реле OVR ток не протекает, так как в этой цепи установлен искровой разрядник. Если же вы- прямитель не прекращает в надлежащий момент зарядку кон- денсаторов и напряжение на конденсаторах превышает 3150 в, то в искровом промежутке разрядника происходит пробой-раз- ряд и заставляет сработать реле OVR, контакт которого отклю- чает контактор L и питание выпрямителя. Выбор количества конденсаторов. Выбор коли- чества конденсаторов, необходимого для сварки материала за- данной толщины, производится с помощью контакторов Al, А2, АЗ и Л4 (см. фиг. 117). Конденсатор ЗС представляет собой блок из трех конденсаторов, каждый из которых имеет емкость в 120 мкф. Каждый блок защищен сопротивлением г в 0,5 ом. Это со- противление не .оказывает большого влияния на величину за- рядного и разрядного тока. Однако при пробое данного кон- денсатора ток короткого замыкания ограничен этим сопротивле- нием и остальные конденсаторы постепенно разряжаются через замкнутый блок. Это сопротивление может также служить плавким предохранителем для отключения пробитого блока конденсаторов. 18*
Когда замыкается Al, в цепь включается дополнительный блок конденсаторов 1С. Контактор А2 включает два блока 2G; АЗ включает 5 блоков 5С; А4 включает 11 блоков ПС. Когда один из контакторов (А1—А4) отключается, то его нормально замкнутый контакт разряжает присоединенные к не- му конденсаторы. Катушки А1—А4, показанные на фиг. 118, получают возбуждение через контакты переключателя SW2 в различных комбинациях. При переключении SW2 размыкается вначале нормально замкнутый контакт SW2 (слева внизу), ко- торый размыкает линейный рубильник L и разряжает конден- саторы. После того, как SW2 поставлено в необходимое положе- ние, нажимают кнопку зарядки, тогда срабатывает реле СХ, которое затем самоблокируется и включает контакторы А—1 ...А—4, которые в данный момент оказываются включен- ными в цепь посредством переключателя SW2. Подготовка схемы к сварке. При нажатии педаль- ного выключателя FS (см. фиг. 118) срабатывает реле CR1, контакт которого включает контактор CR2. Один из контактов CR2 блокирует педальный выключатель, удерживая CR1 замк- нутым, если педальный выключатель разомкнут. Второй кон- такт CR2 включает контактор D1 или D2 через один из кон- тактов GRT. Примечание. Контакты D1 или D2 не замыкают полностью це- пи, через которые происходит разрядка конденсаторов на сварочный трансформатор, а лишь включают часть цепи до момента загорания ламп 14 и 16. Контакторы DI, D2 и CRT работают совместно. Реле CRT является промежуточным, замыкающим левый контакт во время одной сварки, включая катушку D1. При по- следующей сварке левый контакт отключается, а правый кон- такт CRT включает катушку контактора D2. Назначение кон- такторов DI, D2 чередовать направление разрядного тока в первичной обмотке трансформатора во избежание остаточного намагничивания. Параллельно катушкам D1 и D2 включены сигнальные лампы №. Контакт CR2 включает соленоидный пневмоклапан, кото- рый опускает верхний электрод машины на изделие. После то- го, как сварочная головка сообщила электродам необходимое давление, срабатывает ключ зажигания, размыкающий свой нижний, нормально замкнутый контакт и включающий верхний, нормально открытый контакт. Следует отметить, что ниЖний контакт ключа зажигания отключает реле CR3, потому что близлежащие контакты в цепи катушки CR3 .размыкаются до включения ключа зажигания. Контакты D1 и D2 в этой цепи замыкаются не одновременно, а поочередно. Если случайно они все же замкнутся одновременно, то реле CR3 не сможет отклю- читься. Нормально замкнутый контакт CR1 в цепи катушки CR3 размыкается, когда нажимают педальный выключатель. UVR 141
срабатывает, когда конденсаторы заряжаются до необходимого напряжения, поэтому, когда контакты UVR разомкнуты, катуш- ка CR4 тоже разомкнута. Отключение реле CR3 свидетельствует о начале сварки. В этот момент контакты CR3 размыкают цепь, шунтирующую первичную обмотку сварочного трансформатора. Другой нор- мально замкнутый контакт CR3 (см. фиг. 117) соединяет точки 27 и 99, препятствуя прохождению тока через выпрямитель. Следующий контакт реле CR3 замыкает цепь между точками 17 и 57, начиная выдержку времени сжатия (см. фиг. 118)'. Рассмотрим действие двух контактов CR3 (см. фиг. 117). До отключения реле CR3 его нормально открытый контакт соеди- няет конденсатор С14 с точкой 99. Как указывалось выше, точ- ка 99 имеет отрицательное смещение 280 в по отношению к точке 27. Когда основные сварочные конденсаторы полностью заряжены, точка 99 имеет по отношению к точке 15А отрица- тельное смещение в 400 в. Напряжение 400 в заряжает С14. Когда CR3 отключается, то его нормально открытый контакт отключает С14 от напряжения в 400 в, а его нормально замкну- тый контакт соединяет С14 с первичной обмоткой трансформа- тора Т19П. Энергия, накопленная в конденсаторе С14, разря- жается на обмотку Т19П. Во вторичной обмотке Т19В возни- кает пик напряжения для зажигания игнитрона 14 через тира- трон 15 и начинается сварка. Процесс разрядки конденсаторов (см. фиг. 117). Конденсаторы разряжают накопленную в них энергию на сва- рочный трансформатор, заставляя ток течь от положительного вывода конденсаторов 15А через контакты D1 или D2, чер<?з обмотку сварочного трансформатора и обратно через лампу 14 к отрицательному выводу 29. Полное замыкание разрядной цепи происходит при зажигании игнитрона 14 *. При замыкании контактов D1 или D2, но до момента зажи- гания лампы 14, лампы 14 и 15 получают анодное напряжение от основных конденсаторов. Тиратрон 15 может пропускать ток, как только замкнутся контакты D1 или D2, но сетка его заперта отрицательным потенциалом в 200 в. Отрицательное смещение на сетку тиратрона 15 подводится от конденсатора С17. Зарядка последнего осуществляется транс- форматором -IJ5B До напряжения в 200 в через купроксный выпрямитель лТХогда реле С7^.? отключается и конденсатор С14 разряжается через обмотку тТ\)П, то во вторичной обмотке Т19В появляется пик напряжения, превышающий отрицательное смещение С17. Это напряжение на вторичной обмотке Т19В зажигает лампу 15 и она пропускает ток от точки 36 через цре- • Лампы 14 и 16 являются высоковольтными игнитронами с воздушным охлаждением; водяное охлаждение игнитронов с рабочим напряжением в 3000 в нс применяется. 185
дохранитель F4 в игнитрон 14. Лампа 14 замыкает цепь, и кон- денсаторы разряжаются на сварочный трансформатор. На фиг. 121 показано изменение тока и напряжения конденсаторной цепи в момент разряда. Когда разрядный ток достигает макси- мума (точка Б), напряжение конденсатора падает до нуля (точ- ки Г и D). Сила тока не сразу уменьшается до нуля: энергия, накопленная в сварочном трансформаторе, снижается постепен- но в зависимости от параметров (импеданса) этой цепи. Защита против обратной зарядки конденсаторов. Ток, протекающий в цепи после падения на- пряжения на конденсаторах до нулево- го значения (точка D), заряжает кон- денсаторы напряжением обратной по- лярности, как это показано пунктиром D—Е. Конденсаторы высокого напря- жения защищены от обратной зарядки игнитроном 16 (см. фиг. 117). До за- горания .фмпы 14 аноды и катоды ламп 17 и 16 имеют положительный знак. Когда лампа 14 загорается, ано- ды ламп 16 и 17 имеют отрицательный знак по отношению к катоду, и лампы не пропускают ток. Когда же конден- саторы заряжаются в обратном на- правлении примерно на 150 в (точка Р на фиг. 121), анод 36 оказывается положительным по отношению к като- Фиг. 121. Изменение тока и напряжения в цепи кон- денсаторов ^во время Ду загорается газотрон 17 и за- сварки. жигает игнитрон 16. Последний шун- саторах; 2-ток первичной тирует первичную обмотку сварочного цепи сварочного трансфер- трансформатора, поэтому конденсато- матора. ры не могут зарядиться более чем на 150 в обратной полярности. Это на- пряжение (обозначенное на фиг. 121 буквой е) падает до нуля, когда ток исчезает в сварочном трансформаторе. Обратное йа пряжение снимает анодное напряжение с ламп 15 и 14, послед- ние гаснут, а сеточное смещение С17 восстанавливает управляе- мость лампы 15. Продолжительность времени проковки. Ког- да ключ зажигания отключает CR3 для включения сварочного тока, нормально замкнутый контакт GR3 включает (снизу спра- ва на фиг. 118) цепь к реле TD5. Продолжительность времени проковки регулируется таким образом, что после окончания сварки реле TD5 быстро срабатывает. Контакты TD5 управляют многими операциями: один из контактов TD5 замыкает точки 54 и 57, оставляя включенным реле TD5\ другой контакт TD5 186
замыкает цепь реле TD6 (продолжительность выключения); нормально замкнутый контакт TD5 размыкает точки 15 и 54, выключая CR1. Нормально замкнутый контакт GR1 включает точки 17 и 46, включая CR3, контакты которого блокируют пер- вичную обмотку сварочного трансформатора для предотвраще- ния искрообразования при расхождении электродов. Другой контакт CR3 (нормально замкнутый) отключает сетки лампо- вого выпрямителя 27 от отрицательного напряжения 99 (см. фиг. 117), позволяя выпрямителю пропустить ток для зарядки конденсаторов к следующей сварке. Контакт GR1 отключает реле CR2 и соленоид пневматического клапана поднимает верх- ний электрод. CR2 отключает D1 или D2. Нормально замкнутый контакт CR2 включает переключающее реле CRT (середина фиг. 118). Если в течение предыдущей сварки был замкнут D1, то CRT теперь размыкает контакт, соединяющий D1, и замы- кает второй контакт CRT, так что при следующей сварке будет работать D2. Когда CRT отпадает, то контакты его не переклю- чаются. Если 5IF5 разомкнут (справа на фиг. 118) (для одноимпульс- ной сварки),то реле TD5 остается включенным до тех пор, пока замкнут педальный выключатель. Пока электроды разведены, сварщик должен отпустить педальный выключатель (выключая TD5) и для производства следующего шва следует нажать пе- даль вторично. Повторная (многоимпульсная) сварка и про- должительность выключения. Если SW5 замкнуто на повторную сварку и педальный выключатель FS замкнут, то контакт реле TD5 соединяет цепь реле TD6, которое управ- ляет временем перерыва, в течение которого электроды свароч- ной машины остаются разомкнутыми. Когда время выдержки реле TD6 истекает, его нормально замкнутый контакт отклю- чает TD5. Через контакт педального выключателя и нормально замкнутого контакта TD5 снова включается CR1, возбуждает реле CR2 и соленоид пневмоклапана, сближая электроды для следующей сварки. CR2 включает либо D1, либо D2. Если продолжительность выключения установлена настолько малой, что сварочные электроды соприкасаются раньше, чем выпрямитель успевает зарядить конденсаторы до необходимого напряжения, то сработают D1 или D2, причем реле UVR будет включено соответствующим напряжением конденсаторов. Вблизи ключа зажигания на схеме расположена цепь с контактами CR3, DI, D2 и VVR (нормально замкнутым), которая с по- мощью ключа зажигания предотвращает выключение реле CR3. Если контакты UVR остаются замкнутыми, когда ключ за- жигания замыкает свой верхний (нормально открытый) контакт, то замыкается цепь катушки CR4, которая блокируется своим контактом даже тогда, когда VVR сработает и разомкнет свои контакты. Сварка не произойдет, так как CR3 не размыкает 18 7
своих контактов. Однако электроды сжимают изделие, несмотря на то, что педальный выключатель разомкнут. Включая влево кнопку SW4 подъема головки (внизу справа на фиг. 118), размыкается цепь реле CR1, которое отключает CR2 и разводит электроды. Регулировка расстояния между электро- дами. Для сближения электродов без сварки следует ключ SIT3 (см. фиг. 118) поставить в правое положение. Педальный выключатель сближает электроды, но разомкнутый контакт ЖЗ препятствует замыканию цепи между конденсаторами и свароч- ным трансформатором контактором D1 или D2. Ключ зажигания отключает CR3 обычным путем. Контакт SW, поставленный в правое положение, оставляет включенным реле CRT, которое не производит переключений. Сеточное управление шестиламповым вы- прямителем. Схема управления сетками выпрямительных ламп 4, 5 и 6 показана на фиг. 119. Проследим цепь сетки лам- пы 4 выпрямителя. Начиная от сетки 74, цепь идет к точке 78, через С5 к точке 85, вправо через R9 к 90, вверх через R12 и R11 к точке 92, вниз через СЮ к 94, вправо к ползунку Р1, затем вниз через R25 к точке 15А и обратно влево вверх к ка- тоду лампы 4. Аналогично сетка лампы 6 присоединяется К точке 80, через С7 к точке 85, присоединяясь к сеточной цепи лампы 4. Сетка лампы 5 присоединяется к точке 79 и через Сб присоединяется к точке 84, а не 85 и получает переменное напряжение вторичной обмотки Т9В прежде, чем достигнет точки 85. Цепь между точками 85 и Р1 управляет лампами 4, 5 и 6 одновременно; в этой части цепи переменный ток отсут- ствует. Как будет показано ниже, цепь лампы 12 и Р2 является цепью регулирования напряжения, до которого заряжаются кон- денсаторы. Она срабатывает до включения реле UVR и до на- чала сварки. Как указывалось выше, лампы выпрямителя выключаются, когда увеличивающееся напряжение на конденсаторах сообщает ползунку Р1 и сеткам ламп выпрямителя потенциал отрица- тельный по отношению к катодам 15А. Однако тиратроны в схеме фиг. 117 либо полностью включены, либо полностью вы- ключены, пропуская либо весь ток, либо не пропуская его со- вершенно. Схема, показанная на фиА 119, позволяет постепенно увеличивать или уменьшать количество протекающего тока для постоянной подзарядки конденсаторов, после того как они были быстро заряжены в первый раз. Регулировка тока, протекающего через лампы выпря- мителя, осуществляется смещением фаз напряжения сеточного зажигания (фиг. 122 и 124). Для смещения фазы сеточной цепи лампы 4 (см. фиг. 119) используется напряжение конденсатора С5, одновременно на- 188
пряжение конденсатора С6 смещает 'фазы лампы 5, a G7 — лам- пы 6. В цепи лампы 4, например, конденсатор С5 заряжается от обмотки Т6В, напряжение которой выпрямляется левым анодом двуханодного кенотрона 7. Верхняя клемма С5, соеди- ненная с сеткой лампы 4, получает отрицательный потенциал. Трансформатор Т6Т — один из трех трансформаторов Т (в центре фиг. 118), получающих питание от трехфазной сети. Вспомогательные обмотки Т6Т, Т7Т и Т8Т способствуют равно- мерному распределению нагрузки между этими трансформато- Фиг. 122. Пилообразная форма сеточного напря- жения для смещения фа- зы выпрямителя. Фиг. 123. Кривые напряжения при смещении фаз выпрямителя для уменьшения тока зарядки. /-анодное напряжение лампы Л4; 2—напряжение Т6В; 3— сеточное напряжение лампы Л4\ 4—потен- циал катода лампы Л4; 5—напря- жение конденсатора. имеет весьма существенное значение, рами. Это (распределение так как каждая вторичная обмотка трансформатора работает поочередно. На фиг. 122 показано переменное анодное напряжение лам- пы 4 и напряжение в обмотке Т6В (см. фиг. 119), которая за- ряжает С5 до напряжения 285 в. После исчезновения пика на- пряжения Т6В конденсатор С5 разряжается через R5 с такой скоростью, что его напряжение уменьшается примерно до одной четверти своего первоначального значения, прежде чем пик напряжения следующего периода снова произведет зарядку С5. Участок кривой напряжения (см. фиг. 122), обозначенный Л—С, используется для зажигания лампы 4. Само собой разумеется, что напряжение, показанное на фиг. 122, не достигает нулевой линии, поэтому лампа 4 не может зажечься. Однако общее на- пряжение сетки может быть повышено добавлением напряжения постоянного тока (210 в), тогда кривая сеточного напряжения пересечет нулевую линию в точке В и лампа 4 зажжется при- мерно в середине периода анодного напряжения (фиг. 123). В данном случае главные конденсаторы, например, 36 (см. ’фиг. 117), заряжаются приблизительно до требуемого на- 189
пряжения. Все выпрямители сдвинуты по фазе так, что пропу- скают ток только част» каждой волны анодного напряжения. Заметим, что ток протекает до тех пор, пока анодное напряже- ние вентиля больше напряжения, до которого должен быть за- ряжен конденсатор. На фиг. 124 кривая сеточного напряжения лампы 5 распо- ложена ниже кривой напряжения конденсатора С6 (так как наибольший ток протекает через лампу 9), следовательно, лам- па 5 пропускает весьма малый ток в течение каждого периода, а лампы 4 и 6 могут в этом случае совсем не пропускать тока. Фиг. 124. Кривые напряжения при сдвиге фаз выпрямителя во время подзарядки конденсаторов. /—анодное напряжение лампы Л5; 2— напряжение на конденсаторе; 3— напряжение на сетке лампы Л5; •/—напряжение на конденсаторе С6; 5—напряжение трансформатора 77В; 6— напряжение трансформатора Т9В между клеммами 84 н 85 (см. фиг. 119). На схеме фиг. 119 сеточное напряжение повышается на 210 в (падение напряжения на сопротивление /?9). Правый анод лам- пы 8 выпрямляет переменное напряжение обмотки Т9В и заря- жает С8 до 250 в; большая часть этого напряжения подводится к клеммам 85 и 90 (последняя является ползунком R9). Аналогичным образом сетка лампы 6 получает напряжение от конденсатора С7; кривая этого напряжения имеет форму зубьев пилы1 (см. фиг. 122). Так как пик напряжения обмотки Т8В совпадает по фазе с анодным напряжением лампы 6, то последняя зажигается в середине своего периода, как показано на фиг. 123. Как упомянуто выше, к сеточной цепи лампы 5 подведено не только напряжение конденсатора С6, но также и напряжение от обмотки Т9В (22,5 в). При наложении пере- 1 Зубчатая форма кривой напряжения используется для смещения фаз в лампах. 190
менного напряжения Т9В на напряжение конденсатора полу- чаем новую кривую, которая пересекает нулевую линию раньше (см. фиг. 124) и позволяет лампе 5 гореть в течение большей части периода анодного напряжения. Благодаря этому, когда се- точное напряжение всех трех ламп понизилось и лампы 4 и 6 пол- ностью отключились, лампа 5 может еще пропускать небольшую величину тока. Такое действие лампы 5 позволяет осуществить более точное регулирование постоянной подзарядки конденсато- ров малой величиной тока. Действие выпрямителя. Зарядка. С увеличением сеточного напряжения все лампы выпрямителя пропускают максимальное количество тока; это необходимо для быстрой зарядки сварочных конденсаторов. По схеме фиг. 119 можно заметить, что напряжение в точке 90 превышает напряжение в точке 94 на 280 а. Предположим, что контакты CR3 и L между точками 90 и 99 разомкнуты. Тогда на сопротивлениях R11 и R12 в этот момент отсутствует падение напряжения, лампа 9 не пропускает тока, а конденсатор СЮ заряжается до напря- жения в 280 в от обмотки Т14В (выпрямляемого левым анодом лампы 10). Вывод 92 конденсатора С 10 заряжен положительно* а 94 — отрицательно. Поэтому сетки ламп 4, 5 и 6 заряжены положительно, потенциал их сеток на несколько сот вольт пре- вышает напряжение, показанное на фиг. 123. Регулирование смещением фаз в этом случае не оказывает никакого действия* и все лампы пропускают максимальный ток. На фиг. 125 показано изменение напряжения сеток выпря- мителя во время зарядки конденсаторов, начиная с момента, когда положительный потенциал сеток (точка 90) на несколько сот вольт больше потенциала катодов (точка 15 А). Когда на основных конденсаторах появляется напряжение, то часть этого напряжения постепенно создает отрицательное напряжение в. точке 94 (по отношению к 15А). Сетки ламп 4, 5 и 6 (см. фиг. 119) постепенно понижают свой потенциал с той же ско- ростью, пока (в точке В) напряжение на них не снизится до 130 в; однако, лампы продолжают пропускать максимальный ток. Разность потенциалов между точками 94 и 15А составляет теперь 150 в, и конденсаторы оказываются заряженными до на- пряжения, на которое установлен Р1. Во время зарядки через лампу 9 ток не протекает. Заметим, что лампа 9 представляет собой высоковакуумную лампу (пен- тод, две другие сетки не показаны), протекание тока в лампе регулируется потенциалом сетки 96. На фиг. 119 можно проследить цепь управления лампой 9; от сетки 96 к точке 22, через R16 к 21 и через лампу 11 к 94, соединяясь с катодом лампы 9. Постоянное падение напря- жения в лампе 11 смещает сетку лампы 9 и во время зарядки конденсаторов анодный ток не проходит через лампу. 191
Лампа регулировки напряжения. Лампа 11 (см. фиг. 119) является лампой регулировки напряжения, единствен- ное назначение которой поддерживать постоянное напряжение между двумя участками цепи. Падение напряжения неоновой лампы 11 составляет 150 в. Для сравнения напомним, что у 'большинства тиратронов с ртутным наполнением падение на- пряжения равно 15—20 в. и Сеточное напряжение(90) но лампах it, 5, в выпрямителя Потенциал (90) 7 С Рампе 9 пpony с, - /Tf кает ток / t (90) №| I гео6\ срабатывает, катода 1 начало сварку D c’Wl’ Увеличение напря\ 8ключе-\ _. мели я при разря - нце педа - '“’ч. де конденсатора пи '199Г'—._____ -—Убывание тока славы- ением напряжения на ^BbmpMunwmy^^^ff6 fen I, Падение нап- ряженця hqRH Контактов. СЫРОМ*- ‘"-(99) н кнут Фнг. 125. Изменение сеточного напряжения вы- прямителей в процессе зарядки конденсаторов' н сваркн. На схеме фиг. 119 ток, протекающий через лампу 11, прохо- дит также через сопротивление R18. Переменное напряжение обметки трансформатора Т14В (вверху справа) выпрямляется правым анодом лампы 10. Часть тока, проходящего через лам- пу 10, заряжает конденсатор СП до 280 в. Остальной ток лам- пы 10 проходит через лампу 11 к точке 21, через R18 к 99 и Т14В. Когда к точкам 94 и 99 приложено напряжение в 280 в, а падение напряжения на лампе 11 равно 150 в, то на выводах R18 появляется напряжение в 130 в; сопротивление R18 равно 10 000 ом, следовательно, через лампу 11 протекает ток в 13 ма. Предполо- жим, что неожиданное понижение напряжения в линии умень- шает напряжение в Т14В и между точками 94 и 99 имеется на- пряжение только в 250 в. В лампе 11 или между точками 94 и 21 падение напряжения равно 150 в, ток через лампы 11 и R18 уменьшается до 10 ма. Равным образом, если напряже- ние Т14В неожиданно увеличивается и напряжение между точ- ками 94 и 99 составляет, например, 320 в, лампа 11 увеличи- 192
вает протекающий ток до 17 ма, падение напряжения на R18 составляет 170 в, а методу точками 94 и 21 остается попреж- нему 150 в. При помощи рассмотренного регулятора напряже- ния управляют выключением ламп 9 и 12. Напряжение между точками 94 и 21 должно быть постоянным, чтобы лампы могли пропускать ток, когда конденсаторы зарядятся до определенного напряжения. Управляющая лампа 9. На схеме фиг. 126 повто- рена сеточная цепь лампы 9 вместе с лампой регулятора на- Фиг. 126. Сеточная цепь управляющей лампы 9. Нонденсоторы К онденсаторы не заряжаются заряЖены пряжения; схема перестроена таким образом, что точки с по- ложительным напряжением показаны вверху схемы. Перед на- чалом зарядки конденсаторов напряжение на их выводах, а также между Р1 и 15А отсутствует. Поэтому потенциал в точке 15А такой же, как в точке 94. Напряжение между точками 15А и 21 составляет 150 в. Так как сопротивления R16 и R17 оди- наковы, то половина напряжения падает на R16-, отрицательное напряжение точки 22 на 75 в более напряжения точки 15А. Этот потенциал (точки 22) подастся на сетку лампы 9, в то время как потенциал 15А и кЛода лампы одинаков; лампа 9 заперта отрицательным смещением сетки в 75 б. С момента начала проводимости выпрямителя начинается зарядка конденсаторов. Когда напряжение на конденсаторах достигнет двух третей установленного напряжения, положитель- ный потенциал точки 15А оказывается на 100 б выше чем в точке 94 (см. фиг. 126, линия А—Л). Напряжение на точках 15А и 21 увеличилось на 250 в (суммарное напряжение на выводах R16 и R17). Половина этого напряжения падает на сопротивлении R16, поэтому сетка лампы 9 по отношению к ее катоду (точка 94) смещена только на 25 в, но лампа все еще остается запертой. Когда конденсаторы оказываются заряженными до необхо- димого напряжения, на которое установлено Р1, положитель- ный потенциал точки 15А оказывается примерно на 150 б выше 193
потенциала точки 94. Напряжение между точками 15А и 21 составляет 600 в, а напряжение на выводах R16 равно —150 в. Точка 22 (сетка) имеет одинаковый потенциал с катодом, по- этому лампа 9 начинает пропускать ток, который быстро воз- растает по мере того, как напряжение на конденсаторах дости- гает установленной величины. Действие выпрямителя для постоянной под- зарядки. После того, как напряжение на конденсаторах до- стигло заданной величины, необходимо быстро выключить вы- прямитель, чтобы напряжение на конденсаторах более не повы- шалось; одновременно продолжают постепенную подзарядку кон- денсаторов, чтобы в случае утечки напряжение оставалось не- изменным. Как указывалось выше, лампа 9 начинает пропускать ток, когда напряжение на конденсаторах достигает заданной величины. Так как этот ток быстро возрастает, то, проходя от точки 92 (см. фиг. 119) через Rll, R12 и лампу 9 к точке 94, он вызывает такое падение напряжения в R11 и R12, при кото- ром разность потенциалов между точками 90 и 94 составляет примерно 20—50 в. Как видно из фиг. 125, это вызывает паде- ние потенциала на сетках ламп 4, 5 и 6 до величины, соответ- ствующей точке С на фиг. 125. Когда потенциал сеток равен В, выпрямители пропускают полный ток, но в точке С сеточный потенциал настолько мал, что лампы перестают пропускать ток. Когда, же напряжение основных конденсаторов немного умень- шается из-за постоянной утечки, то оно вызывает некоторое сни- жение напряжения сетки лампы 9, уменьшая количество тока» протекающего через эту лампу. При этом повышается потенциал сеток ламп 4, 5 и 6, но, по всей вероятности, одна только лам- па 5 пропускает небольшое количество тока, вполне достаточно- го для постоянной подзарядки конденсаторов, поддерживая на конденсаторах заданное напряжение до момента сварки. Примечание. Условия постоянной подзарядки показаны на* фиг. 124. Следует заметить, что если Р1 (см. фиг. 119) отрегулирован таким образом, что конденсаторы заряжайся до меньшего напряже- ния, ток через лампы может протекать относительно большее время; слишком большой ток протекает в том случае, когда напряжение сетки лампы 5 соответствует кривой фиг. 124. Однако лампа 9 регулирует это условие и пропускает больший ток, понижая потенциал сетки лам- пы 5, и сдвигает момент ее зажигания. Последняя пропускает такую ве- личину тока, которая необходима для постоянной подзарядки конденса- торов при этом пониженном напряжении. Цепь «контроля напряжения». Хотя вышеописан- ные цепи управления и обеспечивают полный контроль напря- жения, до которого заряжаются конденсаторы, все же следует предусмотреть дополнительное устройство в виде отдельной лам- повой цепи, препятствующее сварочной операции, если конден- саторы по какой-либо причине не заряжены до необходимого напряжения. Этот контроль напряжения конденсаторов осуще- ствляется с помощью цепи лампы 12 (см. фиг. ill 9). До начала 194
начинает подзарядку. Об- Я СЮ и § С9 Нсегтан ламп 4,5,6 50000 d вл N 9li 10000С он 5 90 5мкф 94 9 *wLJ 99 Фиг. 127. Сеточное управление выпрямителей в начальный мо- мент зарядки. сварки лампа 12 должна пропустить ток и включить ре- ле UVR. Когда происходит зарядка конденсаторов, то напря- жение последних осуществляет управление лампой 12 таким же образом, каким оно управляет лампой Л9 в схеме фиг. 126, так как катод лампы 12 имеет такой же потенциал, как и точ- ка 94 катода лампы 9\ сетка лампы 12 имеет приблизительно такое же напряжение (в точке Р2), как и сетка лампы 9 [(точ- ка 22). Точной регулировкой Р2 можно добиться зажигания лампы 12 и срабатывания реле UVR при том же напряжении конденсатора, при котором ла: мотка трансформатора Т18В может пропускать ток через UVR и лампу 12 только в одном направлении. Конденса- тор €12 соединен параллельно с катушкой UVR и препят- ствует вибрированию контактов реле (разряжаясь через ка- тушку в течение каждого полу- периода непроводимости л'ам- пы 12). Выключение выпря- мителя. Когда конденсаторы заряжены до полного напря- жения, а реле UVR сработало, то сварка может быть начата (при условии отключения реле CR3, см. фиг. 118). Один нор- мально замкнутый контакт фиг. 119) и выключает выпрямитель, препятствуя лампам 4, 5 к 6 пропускать ток. Этот контакт CR3 соединяет между собой точки 90 и 99, отрицательный потенциал которой на 280 в бо- лее потенциала точки 94 (благодаря напряжению на конденса- торе СИ). Как показано на фиг. 125, потенциал в точке 90 па- дает до Е, но по мере того, как конденсаторы разряжаются на сварочную машину « напряжение их надает, напряжение в точ- ке 90 повышается до F и остается на этом уровне, создавая от- рицательное смещение на сетках ламп выпрямителя. Так как на- пряжение между Р1\ и 15А (см. фиг. 126) исчезает, то лампа 9 получает свое отрицательное смещение в 75 в и больше не за- гораете я В процессе сварки контакт CR3 удерживает выпрямитель от пропускания тока. До тех пор, пока контакт CR3 соединяет точки 90 и 99, на выводах последовательно соединенных сопро- тивлений R11 и R12 имеется падение напряжения в 560 в (фиг. 127). Постепенное включение зарядного тока. После окончания времени выдержки GR3 размыкает свой нор- 195
мально замкнутый контакт; в ветви от клеммы 92, через /?// и R12 до точки 90 тока нет, поэтому точка 90 может достичь потенциала точки 92, как это показано на фиг. 125 точкой G. В этом случае сетки ламп 4, 5 и 6 становятся мгновенно заря- женными положительно, и выпрямитель начнет пропускать пол- ный ток *, как это показано пунктиром Я на той же фигуре. Для предотвращения внезапного нарастания тока между точ- ками 91—94 (см. фиг. 119) включен конденсатор С9. Следует заметить, что сопротивление /?// равно 50 000 ом, a R/2=10 000 ом и при замкнутом контакте CR3 падение на- пряжения 560 в распределяется следующим образом: 467 в на R11 и 93 в на Rl\2. Потенциал точки 91 на 93 в выше потенциала точки 99; потенциал точки 94 на 280 в выше точки 99; таким образом потенциал точки 94 на 187 в выше, чем у точки 91. Конденса- тор С9 заряжается напряжением 187 в, причем отрицательный вывод соединен с точкой 91. При включенном конденсаторе С9, согласно фиг. 127, размыкание контакта CR3 прекращает про- текание тока через R12. На выводах R12 нет падения напряжения, и потенциал точки 90 мгновенно увеличивается с 93 в до потенциала точки 91 (см. фиг. 125, точка /). Благодаря наличию конденсато- ра С9 (емкостью 5 мкф) падение напряжения на R11 (467 в) не может быстро измениться до полного заряда конденсатора С9. По мере зарядки С9 напряжением между точками 92 и 94 (поло- жительный потенциал в точке 91) ток через R11 уменьшается, а потенциал точки 90 постепенно возрастает до точки К. При этой величине напряжения выпрямитель пропускает малую ве- личину зарядного тока, равную току постоянной подзарядки. Ток выпрямителя плавно увеличивается (кривая L на фиг. 125) до тех пор, пока через лампы 4, 5 и 6 не пойдет полный ток. Время выдержки до полного нарастания тока выпрямителя со- ставляет всего 3—6 периодов, но этого времени достаточно для снижения (пика) тока каждый раз, когда происходит переза- рядка конденсаторов для очередной сварки. Такое же постепенное увеличение силы тока происходит и при первоначальной зарядке конденсаторов. В течение пяти- минутной выдержки после замыкания SW1 реле CR3 получает возбуждение и размыкает свой контакт между точками 90 и 99. Из фиг. 119 видно, что между этими же точками включен нор- мально замкнутый контакт контактора L. Этот контакт остается замкнутым во время накала ламп, сохраняя в точке 90 отри- цательный потенциал. После нажатия кнопки «зарядка» сраба- тывает контактор L и присоединяет силовую сеть к выпрями- телю; нормально замкнутый контакт L размыкает точки 90 и 1 Если в силовую цепь включены только одни нли два конденсаторных блока, то они заряжаются так быстро, что не позволяют осуществить точный контроль напряжения зарядки. 196
99, но конденсатор С9 задерживает повышение напряжения на сетках ламп выпрямителя, так что ток через выпрямитель уве- личивается постепенно. Очередность включения цепей установки. Как видно из рассмотренных схем (фиг. 117—119), очеред- ность срабатывания отдельных цепей такова: при помощи нож- ной кнопки FS возбуждается реле CR1, которое включает реле CR2. Последнее включает контактор D1 или D2 и возбуж- дает соленоид пневмоклапана, сближая сварочные электроды между собой. Как только электроды сдавливают изделие, ключ зажигания (на сварочной машине) отключает CR3 (если над- лежащее напряжение конденсатора препятствует лампе 12 вы- ключать реле UVR). При отключении CR3 оно запирает выпря- митель, размыкает коротко замкнутую цепь параллельно пер- вичной обмотке сварочного трансформатора и включает реле выдержки TD5. Отключение CR3 вызывает также начало про- хождения сва;рочного тока путем включения С14 к трансформа- тору Т19П, вторичная обмотка которого зажигает лампы 15 и 14, замыкающие в свою очередь цепь разрядки конденсаторов на сварочную машину. Как только напряжение конденсаторов в процессе разряда достигает нулевого значения и затем ревер- сирует, лампы 15 и 14 прекращают прохождение тока, но лампы 17 и 16 пропускают остаточный сварочный ток. По истечении времени выдержки сжатия после сварки ((про- ковка) реле JD5 отключает CR1, которое включает CR3. По- следнее замыкает накоротко первичную обмотку сварочного трансформатора и позволяет выпрямителю вновь заряжать кон- денсаторы для следующей сварки. Одновременно CR1 отклю- чает CR2, которое в свою очередь отключает контактор D1 или D2 и соленоид пневмоклапана, раздвигая электроды.
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ ТЕХНОЛОГИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ СТАЛЕЙ Подготовка стальных изделий к сварке Как уже указывалось выше (глава II), состояние поверх- ности свариваемых деталей оказывает большое влияние на прочность и плотность шва. Ржавчина, окалина и грязь явля- ются плохими проводниками электричества. Под действием сжа- тия при сварке эти покрытия частично разрушаются под элек- тродами только в отдельных элементарных точках. В этих точ- ках образуется повышенная концентрация тока, что приводит к перегреву и образованию подгара в контактах между поверх- ностями детали и электродами. Грязь и жир, не счищенные с поверхности свариваемых деталей, образуют при высокой тем- пературе газы, и шов получается пористым; при точечной сварке образуются выплески. Для очистки поверхности стальных дета- лей перед сваркой после обезжиривания можно применять: 1) пескоструйную очистку деталей по всей поверхности; 2): очистку кромок у крупных деталей наждачным кругом, пастой или стальными щетками; 3) химическое правление. Заготовки для стыковой сварки должны быть хорошо очи- щены в местах соприкосновения с зажимами машины, чтобы избежать потери мощности и образования местных подгаров. Листовые детали, свариваемые точечной и роликовой сваркой, требуют кроме чистоты поверхности, хорошей подгонки, чтобы по возможности исключить влияние начальной кривизны на де- формацию деталей при сварке. Детали после пескоструйной очистки должны быть обдуты сухим воздухом или вытерты су- хими и чистыми тряпками. Глава X ТЕХНОЛОГИЯ СТЫКОВОЙ СВАРКИ § 49. Технологические особенности стыковой сварки Преимущества стыковой сварки о п л а в л е- н и е м. Стыковой сваркой можно соединять металлические за- готовки квадратного или круглого сечения размером от 0,1 до 198
300 000 мм1 и более, а также детали фасонного сечения (рель- сы, уголки, трубы, тавровые балки и т. д). Стыковая сварка без оплавления используется главным образом для соединения деталей малых сечений. Стыковая сварка оплавлением широко применяется благодаря следующим преимуществам: 1. Шов получается прочнее, чем при других способах сварки. 2. Нс требуется особой механической обработки сваривае- мых поверхностей. 3. Потребная электрическая мощность сварочной машины меньше. 4. Расход электроэнергии при сварке также меньше. 5. Сварка деталей большого сечения может быть выполнена быстрее, чем любой другой вид соединения. 6. Нагрев концентрируется главным образом у сварочного -контакта. 7. Детали вокруг шва нагреваются меньше. 8. Осадка металла меньше, чем при сварке без оплавления. 9. Можно сваривать два разных металла, если оплавление «производить до тех пор, пока оба металла не нагреются до тем- пературы сварки. Однако в некоторых случаях, когда нежелательны потери металла в процессе оплавления и образование грата в местах сварки, где уда;юние его затруднитеЛыю или когда требуется симметричное утолщение в стыке, стыковая сварка без оплав- ления предпочтительна. Благодаря большему распространению сварки оплавлением практически все стыковые машины мощностью больше 100 ква рассчитаны только на сварку оплавлением. Максимальная мощ- ность некоторых уникальных машин в настоящее время достиг- ла 10 000 ква. Такие машины позволяют сваривать изделия встык с максимальной площадью стыка порядка 300 000 мм* '(трубы длиной 12 м с толщиной стенки приблизительно 25 мм). Для сварки оплавлением никакой специальной подготовки поверхности стыков не требуется, так как во время оплавления неровности в стыке, выгорая сглаживаются, а всевозможные посторонние вещества выбрасываются вместе с жидким ме- таллом. Производительность при стыков ой сварке оплавлением. Производительность стыковой сварки оплав- лением определяется больше характером производства, чем чистым временем сварки. При сварке однотипных изделий производительность гораздо выше, чем при сварке различ- ных изделий, требующих частых изменений режима и наладки машины. Производительность сварки оплавлением можно считать до- вольно высокой, если, например, при сварке легких деталей вы- полнять два шва в минуту и при сварке крупных деталей 15— 20 швов 1в час. 199
Данные о производительности сварки оплавлением и бе» оплавления, наиболее характерные для массового производства, приведены в табл. 22. Таблица 22 Данные производительности при стыковой сварке [44] Сваривае- мое сече- ние, ммг Вид сварки Тип машины Количество сварок в час До 100 Без оплавления С пружинным оса- дочным устройством и эксцентриковыми за- жимами До 300 100-1000 Непрерывным оплав- лением С осадкой от мото- ра н с пневматически- ми зажимами До 500 500-1 500 Непрерывным или прерывистым оплав- лением С ручной рычажной и гидравлической осад- кой До 120 Дальнейшую экономию времени можно получить, оборудовав стыковые машины точными приспособлениями в виде упоров, препятствующих проскальзыванию деталей в зажимах. Конструкция применяемых фиксирующих упоров должна обеспечивать установку их в минимальный срок. В то же время прочность упоров должна быть достаточной, чтобы выдерживать усилие при осадке. Производительность стыковой контактной сварки и других видов соединений характеризуется для различных узлов данны- ми, приведенными в табл. 22а. Отдельные примеры применения стыковой сварки оплавлением. Стыковая сварка методом оплав- ления является в ряде отраслей промышленности основным ме- тодом соединения металлов, освоенным уже в течение ряда лет. В качестве примера достаточно указать на автомобильную про- мышленность, где сваркой встык изготовляются такие ответ- ственные узлы, как карданный вал, ободья колес, глушитель, присоединение противовесов к коленчатому валу, детали, штам- пованные из листа (крылья, двери, окна, чясги кузова), свари- вающиеся по узкому ребру. При производстве металлорежущего инструмента для экономии дорогостоящих сталей широко при- меняется стыковая сварка инструментальной стали с поделоч- ной. На железнодорожном тралспорте за годы Отечественной войны внедрена стыковая сварка рельсов. б л н ц а 22а * Стыковая контактная сварка О е< см ю Та способами1 кэптивное), с Скоростная автомати- ческая свар- ка под сло- ем флюса 120 <£> 30 09 различными мое время (1 Автомати- ческая свар- ка открытой дугой 180 26 55 06 арки деталей <V <Q z XT «а ь- <0 СП Ручная дуговая сварка 450 1 65 125 240 г » сек. для св Газовая сварка § 120 225 480 Сравнительные затраты времени (машинного) i Свариваемые детали t Сварка встык листов для кузова и пола автомобиля. Длина стыка 2000 мм, толщина лнстов_1,5 мм Сварка встык обода колеса автомобиля Ml. Длина стыка 185 мм, толщина 3 мм Сварка карданного вала автомобиля Ml. Периметр кольцевого сечения 450 мм. Толщина 2 мм Сварка встык продольных швов на трубах с толщи- ной стенки 1,8 мм (на 1 м длины трубы) I. J). К а г а н о в. Сборник Монитомаш «Скоростные -методы обработки металлов» Ю4Й т. 200 201
Втулки четырехлопастпых воздушных винтов самолета из- готовляются обычно из целой болванки путем сложной механи- ческой обработки. Более рационально изготовлять втулки вин- та из листовой стали. Заготовки втулок предварительно штам- пуют из двух половин (фиг. 128) и сваривают одновременно в четырех стыках /—4 методом оплавлении. Сечение шва дости- гает 12 000 мм2. Переход на сварку втулок дает значительную Фиг. 128. Втулка винта, выполненная силковой свар- кой оплавлением. 1, 2. 3 и 4—свариваемые поверхности; 4—заготовки до сварки; Б—после сварки. экономию металла и рабочей силы. В авиационной промышлен- ности широко применяются стальные трубчатые конструкции, причем основным методом соединения элементов конструкции является дуговая электрическая- сварка. Между тем внедрение стыковой контактной сварки вместо дуговой электросварки весь- ма целесообразно как с точки зрения улучшения качества свар- ных соединений, так и в отношении возможности повышения производительности и удешевления производства. Приводим для иллюстрации некоторые примеры успешного использования стыковой сварки оплавлением для изготовления трубчатых конструкций (фиг. 129). 202
В большинстве случаев узлы после сварки термически не обрабатываются, хотя некоторые из них подвергаются норма- лизации для облегчения последующей механической обработку. Фиг. 129. Соединение концевых фитингов с трубами. а—заготовки перед сваркой; б— после стыковой сварки оплавлением. На фиг. 130 показано шасси, состоящее из семи деталей, сваренных встык оплавлением. Все элементы этого узла под- вергались после сварки термической обработке, а затем чисто- вой механической обработке. Фиг. 130. Шасси самолета с семью стыками, выпол- ненными сваркой методом оплавления |60|. При стыковой сварке стальных заготовок 1—2 кронштейна, показанного на фиг. 131, для обеспечения соосности сваривае- мых частей применяется особая опразка 3 из медного сплаца, по которой ток подводится от губки машины к опорной плите 2T3
кронштейна 1. Оправка снабжена затяжным болтом для удли- нения ес после установки в отверстие опорной плиты крон- штейна. Точность размеров изделий, выполненных сваркой оплавлением. Размер по длине и соосность де- талей, выполненных стыковой сваркой, могут быть выдержаны достаточно точно. Точность зависит от; а) состояния поверхности заготовок свариваемых деталей; а б Фнг. 131. Стыковая сварка стального кронштейна, выполненная при помощи Дополнительной медной оправки 3. а~заготовки (/ и 2) кронштейна до сварки; б—готовый кронштейн. [GOJ б) устойчивости режима сварки и точности работы механиз- мов зажимных устройств, подачи и осадки сварочной ма- шины; в) ухода за сварочными электродами; г) тщательности крепления свариваемых заготовок в элек- тродах зажимов. Для деталей с шлифованными поверхностями эксцентриси- тет может быть доведен до ± 0,1 лгм, а для деталей с грубой обработкой до ±0,5 мм, если диаметр заготовок не превышает 18 alm, и до i 1,5 мм для более крупных стальных заготовок. Примером, характеризующим допуски размеров при стыко- вой сварке оплавлением, может служить сварка шлифованных стержней клапанов поршневого двигателя. Стержень клапана диаметром 9,5 мм выполняется с допуском в пределах 0,15 мм, т. е. с эксцентриситетом, равным 0,075 мм при отклонении по длине 0,125 мм. Вторым примером является сварка труб. Трубы больших диаметров (порядка 150 мм) с толщиной стенок 20 мм, начерно обработанные, могут быть сварены с эксцентриситетом, равным 0,4—0,8 льч при максимальном отклонении по длине в 1,5—2,5 лед*. 204
§ 50. Конструирование соединений под стыковую сварку оплавлением и выбор режима сварки На фиг. 132 показаны типовые элементы соединения деталей из одинаковых металлов сваркой оплавлением. При сварке заготовок неодинаковых размеров необходимо соединяемые торцы подготовить, как показано на фиг. 132. Фиг. 132. Иллюстрация правиль- ных (справа) и неправильных (слева) соединений при стыко- вой сварке оплавлением. /—сварка стержней различного диаметра; 2—сварка трубы со стержнем; 3— сварка труб раз- личных диаметров и сечения; -/—соединение трубы с пластиной; 5—приварка стержня к массив- , ной плите. Для правильного конструирования сварных соединений не- обходимо выбирать соотношение между толщиной детали и дли- ной швов или между диаметром сварных труб и толщиной стенок. Таблица 23 Длина соединения листовых деталей при сварке встык оплавлением в зависимости от толщины заготовок Толщина листа мм 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,50 Наибольшая длина соеди- нения мм 25 130 250 380 G30 900 1 150 1450 2200 В табл. 23 и 24 приведены ориентировочные длины соедине- ния листов в зависимости от толщины, а также диаметры труб в зависимости от толщины стенки; указанные в таблицах зна- чения обеспечивают удовлетворительное качество соединений при стыковой сварке оплавлением. 2.5
Таблица 24 Диаметр труб, свариваемых встык оплавлением в зависимости от толщины стенок Толщина стенки трубы мм 0.5 0,75 1,5 2,0 2,5 3,0 4,50 6,5 9,5 12,5 Наиболь- ший диа- метр трубы мм 12 20 38 50 75 100 150 230 380 5Г0 На уникальных сварочных машинах удается сваривать тон- кие листы или тонкостенные детали с длиной шва, превышаю- щей данные табл. 23 и 24. Например, на автомобильном заводе им. Сталина сваривают на листосварочной машине листы тол- щиной примерно 1,5 мм и длиной 2,2 мм. В табл. 25 и 26 приведены необходимые при проектирова- нии сварки конструкций встык методом оплавления припуски на длину заготовок с учетом оплавления и осадки и минимальная длина заготовки для зажатия в зажимах машины. Таблица 25 Припуски заготовок по длине на оплавление и осадку при стыковой сварке труб и листового материала толщиной, равной толщине стенки трубы из малоуглеродистой и низколегированной стали & мм А мм В мм С мм d мм Н мм мм L=M мм D ММ 5 мм (с фикси- рующим упором) 5 мм (без фик- сирующего упора) 1,0 8,0 4,5 3,0 3,0 1,5 2,25 4,0 10 10 25 1,5 16,0 9,5| 6,5 8,0 1,5 4,75 8,0 12 10 25 206
г мм А мм В мм С мм d мм Н мм Е=К мм L=M мм D мм S мм (с фикси- рующим упором) •$1 мм (без фик- сирующего" упора) 23,0 13,е 10,0 11,0 2,0 6,5 11,5 20 13 40 3,0 29,0 16,0 13,0 13,0 3,0 8,0 14,5 25 20 50 4,0 32,0 17,5 14,5 14,5 3,0 8,75 16,0 38 25 65 5,0 37,0 20,0 17,0 16,0 4,0 10,0 18,5 50 32 75 6,0 42,0 22,0 21,0 17,0 5,0 11,0 21,0 60 40 75 10 50,0 24,5 25,5 19,0 5,5 12,25 25,0 75 45 Применяет- ся упорное приспо- собление Обозначения к эскизу и табл. 25 н 26 Ь — толщина стенки труб или листа; А —первоначальное расстояние между зажимами; В—общий суммарный припуск; С—расстояние между зажимами в конце сварки; d — суммарный припуск на оплавление; Н — суммарный припуск на осадку; Е—К — общий припуск на одну заготовку; £ = Л! — выпуск из зажимов; D — наружный диаметр трубы или размер профиля; 8 и Si — минимальная необходимая длина контакта (в зажиме). Примечание. Данные таблицы 26 являются приближенными и от- носятся к сварке оплавлением без предварительного подогрева. Если процесс ведется с предварительным подогревом, то припуск на оплавле- ние и осадку следует уменьшить на 2Б—35®/с. 207
Таблица 26 Припуск на оплавление и осадку при стыковой сварке круглых, квадратных, шестигранных и прямоугольных стержней и профилей из малоуглеродистой • низколегированной стали при соотношении наибольшего размера сечения заготовки к наименьшему не более 1,5:1 А В С d Н Е^К D $1 мм мм мм мм мм мм мм мм мм мм 16,0 6,5 9,5 5,0 1.5 3,00 8,0 6,0 6,5 19 23,0 9,0 14,0 6.50 2,5 4,5 11,5 10,0 10 25 41,0 16,0 25,0 13,0 3,0 8,0 20,5 20,0 13 38 61,0 23,0 38,0 17,5 5,5 11,5 30,5 30,0 22 54 82,0 31,0 51,0 25,0 6,0 16,0 41,0 40,0 25 64 95,0 38,0 57,0 28,0 10,0 19,0 47,5 50,0 32 7G 120,0 51,0 70,0 38.0 13,0 25.5 60,0 75,0 50 90 152,0 64,0 88,0 48,0 16,0 32,0 76,0 100,0 76 128 Таблица 27 Припуск на оплавление и осадку при стыковой сварке быстрорежущей стали с углеродистой Диаметр заготовок мм Выпуск из зажимов, мм Припуск на сварку, мм Распределение при- пуск он на сварку, мм для бы- строрежу- щей стали для угле- I родистой стали общий для бы- 1 строрежу- щей стали для угле- родистой стали общий подогрев и оплавление Осадка под то- ком без токз От 5 до 10 10 15 25 3 2 5 3 0,5 1,5 10 . 20 10 15 25 4 2 6 3,5 0,5 2.0 20 , 25 15 20 35 4 2 6 3,5 0,5 2,0 25 , 30 15 20 35 4 2 6 3,0 1,0 2,0 30 * 40 20 30 50 4 3 7 4,0 1.0 2,0 40 , 50 20 30 50 5 3 8 4,5 1,0 2,5 » 50 , 60 25 40 65 6 4 10 6,0 1,0 3,0 Минимальная длина закрепления свариваемых заготовок, ха- рактеризуемая размером S, выбирается таким образом, чтобы получить: а) достаточную опорную поверхность, обеспечивающую со- осность деталей при сварке; б) достаточную поверхность контакта «электрод—заготовка» для подвода тока без значительных джоулевых потерь в этом контакте; 206
в) меньшее удельное давление в зажимах во избежание де- формаций последних. В табл. 27 приведены необходимые данные для стыковой сварки оплавлением металлорежущего инструмента [6]. Величина припуска заготовок при сварке оплавлением. При сварке деталей встык существенное зна- чение имеет величина выступающих из зажимов машины концов свариваемых заготовок, так называемая установочная длина. Часть установочной длины заготовки расходуется в процессе сварки на оплавление и осадку. Если установочная длина заготовок слишком велика и сва- рочный стык значительно удален от медных зажимов (охлаж- даемых водой), то температурный градиент уменьшается и об- щая зона нагретого металла заготовок увеличивается. Это не- благоприятно отражается на процессе осадки. При высоком температурном градиенте легче выдавливаются из шва шлаки и жидкий металл во время осадки. При малой установочной длине заготовок шов получается часто хрупким. Если при сварке закаленной детали требуется сохранить за- данную твердость в определенной части соединения, то это мо- жет быть достигнуто соответствующим регулированием устано- вочной длины каждой заготовки. Установочная длина двух за- готовок берется одинаковой величины при сварке деталей из однородного металла и одинаковой геометрической формы. Неодинаковая установочная , изменения условий нагре- вания двух заготовок с не- одинаковыми теплюэлектро- физическими свойствами или с различными геомет- рическими1 формами. Об- щий припуск на обе заго- товки, за'висящий от свари- ваемого металла, равен примерно от одно- до ше- стикратной толщины заго- товки и уменьшается по мере увеличения ее толщины. Припуск на осадку составляет примерно 0,25—0,30 от об- щего припуска. Соосность крепления свариваемых загото- вок в зажимах машины. Для получения удовлетвори- тельных швов необходимо, чтобы свариваемые заготовки были укреплены в зажимах соосно. Соосность нарушается иногда в момент приложения усилия осадки, вследствие перекоса в на- правляющих устройствах зажимов, что приводит к неудовлетво- рительному шву (фиг. 133). 1С9 служит для искусственного Плохо до сворно после сворно Хорошо Фиг. 133. Влияние нарушения со- осности заготовок в сварочной машине на качество соединения.
Выбор величины сварочного тока, мощ- ности и продолжительности оплавления. При стыковой сварке сталей сила тока в процессе оплавления ха- рактеризуется допускаемой плотностью тока, которая может меняться от 3 до 40 а!мм\ а во время осадки до 80 а/мм2. Си- ла тока во время оплавления и в момент осадки зависит от выбранной ступени регулирования сварочного трансформатора. Это совершенно не означает, что трансформатор для сварки оплавлением должен иметь весьма широкую регулировку или особую характеристику для образования пика мощности во время осадки. Обычный трансформатор для контактной сварки обеспечивает достаточную регулировку для стыковой сварки оплавлением. При сварке деталей, имеющих форму кольца или другого замкнутого профиля, у которых отношение диаметра детали к толщине ее составляет примерно 50, силу тока следует вслед- ствие эффекта шунтирования тока в замкнутом контуре детали выбирать примерно на 25—30% большей, чем при сварке не- замкнутых деталей. Если же соотношение между диаметром и толщиной металла кольцеобразной детали меньше 50, то потери энергии возрастут. Наконец, если это соотношение очень мало (например, в звеньях цепи малого размера), то потери на шун- тирование тока становятся настолько большими, что весьма труд- но вести сварку оплавлением, и во многих случаях детали при- ходится сваривать без оплавления. Для ориентировочного определения необходимой мощности сварочной машины в зависимости от величины свариваемого се- чения могут быть приняты во внимание указанные ® табл. 28 данные для стыковой сварки малоуглеродистой стали нефорси- рованным режимом. Для форсированной сварки необходимая кратковременная электрическая мощность на каждый см2 сече- ния сварного стыка составляет 8—10 ква для деталей компакт- ного сечения. Для деталей замкнутого контура и компактного сечения потребление мощности при сварке возрастает на 25— 50%. Детали с развитым сечением (трубчатые, листовые и т. д.) требуют большей мощности, чем детали сплошного сечения (12— 15 ква на 1 см2). Наконец, детали с замкнутым контуром и раз- витого сечения требуют 18—*22 ква на I см2. При стыковой сварке без оплавления удельная мощность со- ставляет примерно 10—15 ква на I см2 сечения стыка. Напряжение холостого хода вторичной (разомкнутой) цепи машины лежит в пределах от 0,5 до 5 0 при стыковой сварке без оплавления и от 3 до 20 в при сварке оплавлением. Необ- ходимая величина напряжения зависит от мощности машины и конструкции ее вторичного контура. На сварочных машинах ручного действия сварщик регули- рует скорость оплавления более быстрым или более медленным движением рычага. На стыковых машинах гидравлического дей- 210
. Табл и ца 28 Характеристики режима стыковой сварки малоуглеродистой стали Сваривае- мые сечения мм* Потребляе- мая при сварке мощность ква Рекомен- дуемое вре- мя оплав- ления сек. Сваривае- мые сечения .мл* Потребляе- мая при сварке мощность кет Рекомен- дуемое вре- мя оплав- ления сек. 30 2 3,0 450 12 17 50 3 4,5 500 12 18 70 4 6,0 650 16 20 100 5 6,5 800 19 25 125 6 7,0 1000 25 30 150 7 7,5 1250 30 35 200 8 8,0 1350 40 37 250 9 9,0 1 500 45 40 300 10 10,0 1 800 50 45 350 11 12,0 2000 60 45 400 12 15,0 ствия обычно предусмотрены клапаны для переменного пита- ния, а на машинах с кулачковым управлением предусмотрена переменная скорость перемещения подвижного зажима с заго- товкой. Скорость оплавления зависит от свариваемого сечения и составляет 1—5 мм/сек. В процессе оплавления заготовка может перемещаться с по- стоянной скоростью или с переменным ускорением. Необходимое давление в зажимах машины. По возможности следует применять упоры, т. е. располагать сва- риваемые заготовки в зажимах таким образом, чтобы их внеш- ние концы упирались в неподвижные упоры, имеющиеся на плитах сварочной машины; тогда давление в момент осадки передается детали через эти неподвижные упоры. В случае при- менения упоров давление зажима, действующее на электроды, должно быть достаточно только для получения надежного элек- трического контакта, характеризующегося отсутствием подгара при сварке, и сохранения детали в соответствующем положении. Для детали, ^установленной на машине с упором, давление, достаточное для образования хорошего контакта в зажиме гу- 211
бок, равно 2—3 кг1мм* (отнесенное к площади свариваемого сечения, а не к площади контакта электрода с заготовкой). Если установить упоры практически невозможно (например, в случае сварки колец, длинных труб и т. д-)> то зажимы долж- ны охватывать деталь с достаточным усилием, чтобы предотвра- тить скольжение детали в момент приложения давления осадки. Это давление значительно больше требуемого для образования хорошего контакта и определяется: 1) величиной давления осад- ки; 2) материалом свариваемых заготовок; 3) состоянием по- верхности; 4) материалом зажимов электродов; 5) площадью контакта «электрод—заготовка»; 6) давленном зажима, отнесен- ным к единице площади контакта. Фиг. 134. Стыковая сварка кОл0Ц или цилиндров. а—нерациональная технология; б—рациональ- ная; /—электроды; 2—стальные колонки зажимов. Коэффициент трения между свариваемыми деталями и зажи- мами изменяется в зависимости от характера свариваемых ма- териалов, состояния соприкасающихся поверхностей, твердости поверхности заготовок и удельного давления; поэтому труд- но точно определить величину давления, необходимого для предотвращения скольжения. При расчете сварочных машин обычно принимают зажимное давление в 2,5—3 раза больше, чем давление осадки; в боль- шинстве случаев такое давление дает удовлетворительные ре- зультаты1. Если зажимы изготовлены из стали и небольшие царапины на детали допустимы, то на зажимы наносится насечка, чтобы увеличить удельное давление. При сварке круглых колец или цилиндров большого сечения требуется, кроме давления осадки, также (в зависимости от диаметра кольца) большое давление при предварительном на- греве этих колец. Кроме того, давление должно быть достаточ- ным для предотвращения деформации скольжения выступающих концов детали в направлении О' (фиг. 134,а). Более рационально проектировать заготовки кольца или ци- линдра так, чтобы выступающие концы были параллельны уси- 212
лию осадки Р (фиг. 134,6). После сварки можно придать детали любую форму. Для образования лучшего контакта при сварке деталей из нержавеющей стали зажимное давление должно быть прибли- зительно на 40—50% больше давления, требующегося для дру- гих материалов, так как нержавеющая сталь покрыта тонкой пленкой окиси хрома, обладающей высоким сопротивлением; при недостаточном зажимном давлении получается лишь мест- ное разрушение пленки и в отдельных точках образуется подгар. Выбор давления осадки. Давление осадки выра- жается в кг на 1 мм2 площади свариваемого сечения. При сты- ковой сварке без оплавления давление осадки изменяется в пре- делах 1,75—5,5 кг!мм2, а при сварке оплавлением — от 3,5 до 15 кг!мм- и выше в зависимости от свариваемого материала. При сварке оплавлением должно быть приложено достаточ- ное давление осадки для закрытия всех кратеров, образующих- ся в сварном стыке во время оплавления и выдавливания из стыка расплавленного металла вместе со шлаком и другими примесями в виде грата. Если сечение свариваемых стыков имеет компактную форму (приближающуюся к сечению круга), то требуемое давление осадки увеличивается вследствие увеличения сопротивления вы- давливанию частиц жидкого металла из более отдаленных от периферии участков стыка. Швы, полученные при недостаточном осадочном давлении, характеризуются пористостью, обилием неметаллических включе- ний, низкой вибрационной прочностью и малым сопротивлением удару; статический разрыв может быть удовлетворительным. Очень высокое давление осадки также ухудшает качество швов, так как весь металл или часть его выдавливается в пла- стичной зоне стыка наружу и соединение образуется в зоне тем- ператур, меньших пластического состояния, где пластичность ме- талла мала для образования хорошего шва. В случае очень большого давления осадки шов отличается обычно удовлетвори- тельным сопротивлением разрыву, но малым сопротивлением удару и усталости. Большое давление осадки приводит к значи- тельному изгибу волокон в сварном соединении. Волокна изде- лия должны быть расположены так, чтобы в местах концентра- ции напряжений они были параллельны поверхности изделия, иначе сопротивление усталости понижается. С экономической точки зрения применение избыточного уси- лия осадки невыгодно, так как оно вызывает большой расход металла и увеличивает затраты на удаление утолщения стыка после сварки. Чем короче путь передвижения жидких частиц к периферий шва, тем легче они удаляются из шва. Это означает, что чем больше соотношение между периметром и площадью сечения детали, тем удобнее вести стыковую сварку оплавлением. 210
Установить, в каких случаях сварочная машина обеспечивает достаточную силу осадки в процессе сварки данного изделия, можно с помощью датчика осциллографическим путем или весь- ма приближенно по визуальному наблюдению за движением пли- ты сварочной машины во время осадки. Если движение совер- шается в течение нескольких сотых секунды (что производит впечатление мгновенного действия), то усилие осадки является достаточным. Если же движение плиты совершается относитель- но медленно, примерно за 0,5 сек., то это означает, что усилие осадки недостаточно или свариваемый металл в койце оплавле- ния недостаточно нагрет по всему сечению. Усилие осадки зави- сит от температуры металла в зоне осадки, а также от сопро- тивления сжатию данного металла при этой температуре. Зависимость усилия осадки от характера свариваемого ме- талла характеризуется табл. 29. Таблица 29 Рекомендуемое удельное давление осадки в зависимости от свариваемого материала Свариваемый металл Предел прочно- сти основного металла кг/мм1 Удельное дав- ление осадки кг/мм* Малоуглеродистые и низколегиро- ванные стали до 50 4-7 Углеродистые и легированные стали от 50 до 100 7—12 Быстрорежущая инструменталь- ная сталь, сталь для штампов и др. свыше 100 12—16 Жароупорные нержавеющие ста- ли до 100 до 20 Данные, приведенные в табл. 29, применимы для случаев сты- ковой сварки без предварительного подогрева (когда процесс сварки начинается непосредственно с фазы оплавления). Если же свариваемые детали перед оплавлением подогреваются (на этой же машине), то приведенные в табл. 29 величины усилия осадки могут быть снижены на 5О°/о. Различия в усилии осадки, примененной при стыковой сварке оплавлением, меньше влияют на результаты статических испытаний сварных деталей. Резуль- таты испытаний сварных образцов на изгиб и динамический удар получаются различными в зависимости от изменений усилий 211
осадки при сварке. Однако более чувствительно изменение уси- лия осадки при сварке сказывается на вибрационной прочности сварных деталей. Подогрев свариваемых заготовок до нача- ла оплавления. Если свариваемые заготовки имеют неоди- наковую площадь поперечного сечения, то заготовка с большим сечением требует большего количества тепла для достижения температуры сварки. Для более равномерного нагрева приме- няют подогрев этой заготовки перед оплавлением. При сварке деталей из разнородных металлов с различными физическими свойствами одна из заготовок оплавляется значи- тельно быстрее другой. В результате во время осадки одна заготовка имеет большую пластическую зону, а другая — незна- чительную, и качество шва получается неудовлетворительным. Например, при сварке малоуглеродистой стали с высококрем- нистой предварительному подогреву должна подвергаться мало- углеродистая сталь. Стали, воспринимающие закалку на воздухе, склонны к об- разованию трещин при сварке. Для предотвращения появления трещин часто подогревают такие стали перед оплавлением. Не- которые закаливающиеся на воздухе стали требуют подогрева перед сваркой оплавлением и медленного охлаждения после сварки (в песке, извести или асбесте); другие стали, восприни- мающие закалку на воздухе более интенсивно, требуют следую- щего порядка операций: подогрев, сварка оплавлением и термо- обработка в печи непосредственно после сварки. Предварительное нагревание заготовок можно производить с помощью той же сварочной машины, кислородно-ацетилено- вого пламени, индукционным методом, надевая индуктор на за- готовки, с помощью отдельной печи и т. д. Техника предварительного подогрева в сварочной машине представляет собой ту же операцию нагревания, что и при сты- ковой сварке без оплавления. В некоторых случаях для равно- мерного (распределения температурного поля в металле подогрев производят прерывисто, периодически включая и выключая ток. Из двух методов сварки оплавлением с предварительным по- догревом до начала оплавления и без предварительного подо- грева расход электроэнергии для первого случая будет большим, однако, во многих случаях металлургические и технологические преимущества сварки с предварительным подогревом заготовок до оплавления очевидны. Например, подогрев облегчает начало процесса оплавления заготовок больших сечений, выходящих даже за пределы сечений, соответствующих номинальной мощ- ности данной сварочной машины. Предварительный подогрев позволяет получать сварной шов с меньшей потерей металла на оплавление, чем при сварке оплавлением без подогрева. Это преимущество приобретает существенное значение при сварке 215
Фиг. 135. Предварительный по- догрев только одной заготовки током сварочной машины путем шунтирования второй заго- товки. 1—электроды-губки; 2—сваривае- мые заготовки; 3-шунтирующая скоба. деталей из дорогостоющих металлов, например, из быстрорежу- щей стали (сверла, развертки, метчики и т. д.). • Предварительный нагрев одной только заготовки можно про- водить на сварочной машине методом шунтирования второй за- готовки, не требующей подогрева (фиг. 135). По мере напрева заготовки до температуры ВСЮ—1000° шунт удаляют и начинают процесс оплавления. Осадка под током. В течение короткого промежутка времени, когда процесс оплавления прекращается и между оплавленными выступами и кратерами на противоположных сты- ках детали имеется еще некото- рое расстояние, последние под- вержены окислительному дей- ствию воздушной (среды. Чтобы уменьшить Окисление Нагретого металла, следует указанный про- межуток времени доводить до минимума. Как показывает опыт, при прохождении тока через де- таль в начальный момент осадки количество посторонних включе- ний в шве значительно сни- жается. Продолжительность протека- ния тока в момент осадки огра- ничивается началом перегрева. Момент выключения тока зави- сит от мощности машины. При сварке форсированным режимом (с большим запасом мощности машины) время прохождения тока при осадке должно быть минимальным (порядка 0,02— 0,06 сек. с начала осадки). Если же мощность машины позво- ляет производить сварку данного сечения детали только нсфор- сированным режимом, то продолжительность прохождения тока при осадке может быть увеличена до 0,4—0,5 сек. после начала осадки. При сварке малоуглеродистой стали допускаются значитель- ные отклонения от заданного режима сварки. Режим сварки ле- гированной стали имеет очень ограниченные пределы и сохра- няется постоянным только при работе на машинах автоматиче- ского действия. Скорость осадки является очень важным фактором для по- лучения удовлетворительных швов. Во время процесса оплавле- ния шов защищен от загрязнения, по, как только начинается осадка, оплавление прекращается, и при любой незначительной задержке времени между прекращением оплавления и на- чалом осадки может начаться окисление поверхностей сварного стыка. 216
Скорость осадки нельзя недооценивать. Качество многих швов может быть плохим вследствие малой скорости осадки, в то время как все другие условия сварки удовлетворительны. Нормальная скорость осадки составляет 15—30 мм/сек. Порядок операций при стыковой сварке оплавлением 1. Подготовить сварочную машину. 2. Зажать заготовки в зажимах, отрегулировать установоч- ную длину заготовок и их соосность. 3. Включить контактор сварочного тока. 4. Приблизить заготовки одну к другой и в случае приме- нения предварительного подогрева создать надежный контакт и нагреть стык до темнокрасного цвета; при сварке без предва- рительного подогрева следует создать слабый контакт между за- готовками и начать оплавление металла. 5. Осуществить оплавление. 6. Произвести осадку. 7. Выключить сварочный ток во время осадки. 8. Снять давление с зажимов. 9. Снять сварную деталь. Если ток выключен до начала осадки, то во многих случаях это вызывает появление таких дефектов швов, которые затруд- няют на первый взгляд определение причины их возникновения. Непродолжительная задержка в выключении тока при осадке не вредит; она вызывает только несколько увеличенную высадку (утолщение). Удаление грата производится различными способами, в зависимости от материала и условий работы сварной детали. Удаление грата с деталей, материал которых воспринимает при сварке закалку на воздухе, обычно выполняется наждачными кругами. В котлостроении при стыковой сварке труб оплавле- нием грат удаляют с наружной и внутренней стороны трубы. Внутрь горячей трубы пускают при помощи сжатого воздуха приспособление в виде «снаряда» для обивки грата. Удалить прат с детали можно механической обработкой, обсечкой на обрезном штампе и другими способами, в зависи- мости от конфигурации изделия и необходимой точности обра- ботки наружной поверхности. Кстати заметим, что при сварке стальных труб в элементах конструкций (например, в самоле- тостроении) грат с внутренней стороны трубы не снимают. С наружной стороны трубы грат следует удалять, оставляя на шве утолщение высотой примерно 0,25 мм, чтобы не повредить трубу в процессе черновой обдирки. Технологический контроль необходимого тепла при сварке оплавлением. Признаки недоста- точного количества тепла, генерируемого при стыковой сварке оплавлением, могут быть обнаружены после снятия грата со 217
шва. Если в утолщении, образующемся в результате осадки, по- являются продольные трещины (фиг. 136), то это означает, что в момент осадки температура была недостаточно высока. Эти трещины, так же как и трещины при ковке, получаются вслед- ствие того, что осадка произведена раньше, чем металл достиг соответствующей степени пластичности. Фиг. !36. Ха- рактерные тре- щины в ре- зультате свар- ки при недо- статочном на- греве. Теплота, развивающаяся в процессе оплавле- ния без предварительного подогрева, сконцен- трирована в стыке и температура заготовок рез- ко падает по мере удаления аг контакта (т. е. температурный градиент весьма высок). В слу- чае применения предварительного подогрева за- готовок температурный градиент оказывается менее резким. В большинстве случаев сварки малоуглеро- дистой стали температурный градиент не имеет существенного значения, но при сварке легиро- ванных сталей его следует контролировать, так как высокий температурный градиент часто сни- жает механические свойства соединения. § 51. Механические свойства сварного соединения Структура металла в шве и в переходной зоне изменяется в процессе нагрева при сварке. Последующая после сварки тер- мическая обработка обеспечивает достаточную однородность структуры. Сварной шов и зона влияния закаливаются во многих слу- чаях вследствие быстрого охлаждения нагретой стальной детали (теплопроводностью от шва к противоположным концам дета- ли, температура которых равна температуре окружающей сре- ды). Даже швы малоуглеродистой стали получают после сварки несколько повышенную твердость. Если основной металл ото- жженный, то при статических испытаниях прочность его полу- чается меньше прочности сварного соединения, а его пластич- ность оказывается выше. Если же основной металл твердый, то в переходной зоне окажется участок, который под действием температуры при сварке будет мягче шва и основного металла. Этот участок будет обладать наибольшей пластичностью и наи- меньшей прочностью. Швы, выполненные стыковой сваркой оплавлением при нор- мальном режиме, обладают прочностью при статическом и ди- намическом нагружении, близко совпадающей с прочностью исходного материала. Испытания на разрыв. Образцы, испытываемые в состоянии после сварки, разрушаются либо по основному метал- лу, либо в зоне термического влияния. 218
В табл. 30 приведена статическая прочность сварных соеди- нений из малоуглеродистой стали, выполненных методом оплав- ления. Таблица 30 Статическая прочность соединений плоских образцов из малоуглеродистой стали, выполненных стыковой сваркой оплавлением (средние данные из пяти испытаний) Сечение плоского образца мм2 Предел текучести кг/мм2 Предел прочности кг/мм2 Удлинение образца на длине 45 мм % Расстояние от излома до стыка мм 34,5 28 37,2 15,2 28 75,0 26,5 34,0 16,3 36,8 После термической обработки соединение обладает такой же прочностью, как и основной металл, и разрушение при испы- тании на разрыв происходит либо в шве, либо в основном ме- талле. Если причиной разрушения шва является его понижен- ная прочность, то это может быть вызвано двумя факторами: Во-первых, волокна металла под действием усадки могут быть искривлены вблизи стыка, что понижает прочность металла. Во-вторых, в процессе сварки происходит, по мнению неко- торых исследователей, обеднение углеродом оплавляемых по- верхностей сварного стыка, вследствие чего образуется узкая обезуглероженная зона, также понижающая прочность. Исследование содержания углерода в шве. выполненном ме- тодом оплавления, в зависимости от расстояния до центра стыка показало, что количество углерода в стыке меньше, чем в основ- ном металле (табл. 31) [по данным Бабкока]. Таблица 31 Расстояние от стыка мм 0,00 0,25 0,62 2,5 Содержание углерода % 0,07—0,14 0,12—0,23 0,2—0,25 0,2-0,25 219
Устранить эту разницу в содержании углерода обычной тер- мической обработкой невозможно. Для устранения обезуглеро- женной зоны может оказаться необходимым провести гомогени- зацию (обработку при высокой температуре) до закалки и от- пуска деталей, особенно из легированных сталей. Механические свойства легированных сталей, сваренных встык оплавлением и термически обработанных, приведены в табл. 32 [40]. Таблица 32 Механические свойства некоторых легированных сталей, сваренных методом оплавления Химический состав стали % Термообработка после сварки Твердость по Бринел- лю после термообра- ботки Прочность на разрыв Сужение площади по- перечного сечения % предел текуче- сти, кг/мм* предел проч- ности, кг',мм* удлинение об- разца на длине 100 мм, % 0,25 С 2,5 Ni Закалка в масло при 850°С и отпуск при 6С0°С 294 86 97 8,3 41 0,8 Сг Отжиг при 850°С (охлаждение вместе с печью) 197 46 73 11,8 43 0,35 С 3,75 ьа Воздушное охлаж- дение с 850°С и от- пуск при 300°С 440 138 158 7,5 47 Отпуск в течение по- лучаса при 650е (охлаж- дение вместе с печью) 208 57 77,0 17,3 58 0,3 с 2,5—2,8 Ni Закалка в масло при 850°С и отпуск при 625°С 290 86,5 86,5 4,2 60 0,6—0,8 Сг 0,25-0,35 Мо Отпуск в течение получаса при 650° (охлаждение вместе с печью) 230 56 74,0 16,6 67 Примеры, указанные в табл. 32, иллюстрируют возможность получения высоких механических свойств сварного соединения путем термической обработки после сварки. 220
Можно достигнуть высокой прочности при сва>рке некоторых легированных сталей в термообработанном состоянии до свар- ки и без последующей после сварки термообработки. Испытания труб из хромомолибденовой стали после сварки показывают, что прочность получается равной прочности нор- мализованной трубы. Это можно объяснить тем, что хромо- молибденовая сталь воспринимает закалку на воздухе, в резуль- тате чего по обеим сторонам шва возникают эоны закалки. Стальные узлы, состоящие из термически обработанных (с от- пуском) и нормализованных деталей, сваренных методом оплав- ления, как правило, не должны термически обрабатываться после сварки, при условии, что крепость узла в нормализован- ном состоянии достаточна. Если же требуется прочность, превы- шающая прочность нормализованного металла, рекомендуется после сварки производить термическую обработку. Испытание на изгиб. Образцы из малоуглеродистой стали, сваренные стыковой сваркой оплавлением, должны при испытании изгибаться до 180° без излома, так как твердость шва незначительно выше твердости основного металла. Стали с повышенной твердостью в переходной зоне обладают меньшей пластичностью и при загибе дают излом в хрупкой зоне. При испытании сталей, склонных к закалке, увеличение твер- дости в зоне шва вызывает появление трещин, перпендикуляр- ных стыку, при несколько меньшей нагрузке, чем при испытании основного металла. Образец для испытания на изгиб должен иметь очень глад- кую поверхность. Если грат не снят или поверхность шва недо- статочно гладкая, то при испытании получаются более низкие данные. Для характеристики предела выносливости сварных швов, полученных методом оплавле- ния на малоуглеродистой стали, представляют интерес следую- щие цифры. Образцы из основного металла имели предел выносливости 16,5 кг/мм* в состоянии после проката, а в полированном виде— 19,75 кг[мм\ Образцы, сваренные встык оплавлением, при всех испытаниях разрушались по основному металлу. Сварной обра- зец с обычной грубой зачисткой грата имел такой же предел выносливости, как и образец из основного металла в состоянии после проката, т. е. 16,5 кг/мм*. У сварных образцов, полностью очищенных от грата с последующей полировкой, предел вынос- ливости равен 16,7—18,5 кг!мм*. Как видно из приведенных цифр, чистота обработки поверх- ности образца оказывает ббльшее влияние на предел выносли- вости, чем наличие шва в этом образце. Выше было отмечено влияние давления осадки на процесс стыковой сварки оплавлением. Необходимо подчеркнуть, что !Малое давление осадки сказывается в большей степени при 221
динамической нагрузке, чем при статической. Как видно из фиг. 137, при изменении удельного давления с 0,75 до 3,5 кг!мм2 предел прочности соединения из малоуглеродистой стали остал- Фиг. 137. Статическая и динамическая прочность соединения из малоуглеро- дистой стали в зависимости от давле- ния осадки при стыковой сварке оплавлением (Кильгер). ся неизменным и равным 42 кг!мм2, в то время как ударная вязкость и предел выносливости резко возрастают с увеличе- нием усилия осадки. При испытании рельсовой стали пульсирующей нагрузкой (по опытам С. Е. Сииадского [38] был получен предел уста- Фнг. 138. Результаты испытаний сварных соединений глубоконасосных штанг на усталость при знакопере- менном растяжении. лости основного металла: о «=34,7 кг!мм1, а стыка в состоянии , а' после сварки оплавлением: ow=30,0 кг!мм2, или —=87°/о. 222
Для сравнения отметим, что при испытании образцов, сва- ренных термитной сваркой, получено <з^=22 кг/лои2, а при ду- говой электросварке толстопокрытыми электродами — а&— = 19 кг!мм2. Результаты проведенного инж Б. Н. Васильевым (при знакопеременном 'растяжении) испытания на выносливость глубоконасосных штанг из стали 45, сваренных встык оплавле- нием, показаны на фиг. 138. Испытания проведены на пульса- торе при асимметричном цикле с минимальным напряжением 10 кг/мм2. Как видно из этого графика, предел выносливости сварного соединения совпадает с пределом выносливости основного ме- талла. Структура и твердость сварного соединения до и после термической обработки В соответствии с изменением градиента температур в свар- ном стыке (при сварке оплавлением) наблюдаются изменения структуры как шва, так и основного металла вокруг шва. Зона термического влияния простирается по обе стороны шва на рас- стояние, зависящее от состояния металла до сварки. Части сва- риваемых заготовок, закрепленные в электродах, остаются отно- сительно холодными. Они отводят теплоту от шва и охлаждают его значительно быстрее, чем при охлаждении на воздухе; при этом происходит закалка шва, особенно при сварке деталей не- больших сечений. Одновременно микроструктура и твердость из- меняются в большей или меньшей степени, в зависимости от склонности данной стали к закалке на воздухе. На фиг. 139 показано протравленное (в 4в/о-ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте) сечение шва малоуглеро- дистой холоднокатаной стали; здесь даны структуры вблизи зо- ны нагрева В, в шве Сив основном металле D. В стыке А структура крупнозернистая с присутствием феррита и перлита. Крупнозернистость свидетельствует о нагреве стыка до высокой температуры. Изменение твердости сечения шва на образце из малоуглеро- дистой стали диаметром 25 мм представлено на фиг. 140. Твер- дость малоуглеродистой холоднокатаной стали составляет 189 но Виккерсу и она выше твердости шва благодаря влиянию хо- лодной прокатки. Как видно по кривой твердости, с каждой стороны шва имеется зона а, несколько более мягкая, чем шов. Можно предполагать, что при испытании на разрыв в этой зоне произойдет разрушение. При стыковой сварке оплавлением образцов из горячеката- ной стали твердость основного металла оказывается ниже твер- дости шва, поэтому при испытании сварных образцов из горяче- катаной стали разрушение происходит по основному металлу. 223
22 4
Структурные изменения сварного соединения хромоникелево- молибденовой стали, содержащей: 0,25—0,28% С; 0,6—0,8% Сг; 0,8—1,0% Ni и 0,5—0,6% Мо, показаны на фиг. 141. Перед сваркой образец был закален и отпущен до твердости 260 по Виккерсу. На макрофотографии (увеличение 2,5) виден узкий белый обезуглероженный участок в середине шва; этот участок, Расстояние от центра шва, ям Фиг. 140. График твердости сечения соединения стержней из малоуглеродистой холоднокатаной стали cf=25 мм |46]. повидимому, также содержит некоторое количество остатков ли- того металла, не выдавленного в процессе осадки. Структура в середине шва G представляет собой крупнозернистый мартен- сит, образовавшийся вследствие высокого содержания углерода в стали. Дальше от стыка мартенсит становится все более мелкозер- нистым вследствие того, что достигнутые на этих участках ма- ксимальные значения температур были ниже, чем в сварном 225
226
стыке. Еще дальше от линии шва расположены зоны В, которые подвергались действию температуры, находящейся между двумя критическими точками. В этой зоне видна структура неполной закалки — феррит плюс мелкоигольчатый мартенсит. Структура основного металла D представляет собой отпущенный мартен- сит, типичный для термической обработки, которой был подверг- нут образец перед сваркой. Изменение твердости сечения сварного образца из хромо- никелево-молибденовой стали в состоянии после стыковой свар- ки оплавлением показано на фиг. 142. В сечении К, примы- кающем к закаленной зоне основного металла, наблюдает- ся небольшое падение твердости вследствие отпуска из-за на- грева до температуры несколько ниже температуры критиче- ской точки Act и несколько выше температуры отпуска основ- ного металла (650е С). Далее кривая твердости круто идет вверх и достигает максимума твердости (примерно 500 единиц по Виккерсу) в мелкомартенситной структуре вблизи линии сты- ка М. Эти участки подвергались действию температуры достаточно высокой, чтобы вызвать полную закалку при охлаждении. Сни- жение твердости начинается в более крупномартенситовой зоне, подвергшейся действию температуры, превышающей верхнюю критическую точку, и резко снижается в самом шве. В случае стыковой сварки двух металлов, различных по электрическим, физическим и механическим свойствам, график твердости свар- ного соединения будет асимметричным. На фиг. 143 показан гра- фик твердости сечения шва для случая стыковой сварки стерж- ней неоднородных металлов: левый из малоуглеродистой стали, а правый — хромомолибденовый. Термообработка после сварки. Термической об- работки деталей из холоднокатаной малоуглеродистой стали после сварки обычно не производят, так как в этом случае твер- дость основного металла, подвергавшегося холодной прокатке, снизится. Однако в случае сварки оплавлением закаливаемых сталей наблюдаются, как видно из фиг. 142, большие различия в твердости и для выравнивания последней необходима термо- обработка после сварки. Например, сварные образцы из той же хромоникелево-молибденовой стали были подвергнуты для вы- равнивания твердости следующей термической обработке после сварки: 1) нагреванию в течение 1 часа при 900° С с последующим охлаждением на воздухе; 2) нагреванию в течение 1 часа при 845° С с охлаждением в воде; 3) отпуску в течение 1,5 часа при 650° С. При этом была получена твердость сечения шва, как показывает кривая б фиг. 142. Микроструктура шва после такой термической обрг- 227
Фиг. 142. Графики твердости сечения соединения из хромоникелево-молнбденовой стали. а—в состоянии после сварки и б—после соответствующей термической обработки [46]. 228
Фиг. 143. График изменения твердости сечения стыка в состоянии после сварки при сварке неоднородных металлов. 7—малоуглеродистая сталь; 2— хромомолибденовая [46]. 229
'ботки становится однородной и линия шва обнаруживается лишь по прерывистости волокон в этом месте. Если деталь после сварки подвергнуть только отпуску, до- ведя твердость ее’ до первоначальной величины, то твердость основного металла не изменится, а полностью закаленные части шва будут доведены отпуском до твердости основного металла. Однако вблизи зоны нагрева (фиг. 142, точка /Q, где после сварки не происходит полной закалки, в результате отпуска сни- зтгтся твердость материала. В процессе отпуска детали на самой сварочной машине, путем пропускания через сварную деталь определенной силы тока для нагрева ее до соответствующей температуры, не удается получить равномерную температуру на всем участке детали между двумя зажимами (электродами). Если при этом участки, расположенные у границы зоны нагре- ва, подвергнутся соответствующему отпуску, то участки вблизи шва, где температура окажется наивысшей, получают чрезмер- ный отпуск, и твердость их значительно уменьшается. Пластичность сварного соединения для некоторых сталей за- висит также от режима сварки методом оплавления. Если про- цесс сварки ведется на форсированном режиме, то зоны терми- ческого влияния будут весьма ограничены, и пластичность со- единения снизится. При более продолжительном оплавлении (нефорсированный режим сварки) зоны термического влияния окажутся менее ограниченными, и пластичность возрастет. В табл. 33 приведены данные механических испытаний сталь- ных образцов следующего химического состава: 0,38% С; 1,59% Мп; 0,54% Мо, сваренных стыковой сваркой оплавлением при двух различных режимах: форсированном и нефорсирован- ном. Испытание проводилось на образцах d=13 мм, выточен- ных из прутков большого диаметра после сварки и термической обработки последних. Термическая обработка после сварки была одна и та же для тех и других образцов. Из табл. 33 видно, что при нефор- сированном режиме сварки пластичность образцов с менее огра- ниченной зоной термического влияния приближается к пластич- ности основного металла. § 52. Причины образования дефектов в швах при стыковой сварке оплавлением и меры устранения их Непровар. Непровар не всегда может быть обнаружен внешним осмотром, однако, основные признаки его таковы: ма- лое количество выдавленного в виде грата металла, заметное расслоение соединяемых деталей в стыке и малая зона нагрева. Причиной образования непровара является недостаточный нагрев заготовок (в процессе предварительного нагрева или при оплавлении) или малое усилие осадки. Непровар свидетель- ствует о нарушении технологического режима сварки. 230
Таблица 33 Влияние режима сварки на механические свойства сварного соединения в сравнении со свойствами исходного металла [46] Вил сварки Термообра- ботка после сварки Твердость по Бринел- лю после термообра- ботки Результаты механических испытаний предел теку- чести, кг]мм1 предел прочно- сти, кг/мм* удлинение об- разца на длине 200 мм, % сужение площа- ди поперечного сечения, % испытание на удар по Изоду кгм Форсированный режим сварки с Закалка в мас- ло при 845° С • 283 79 88 9 15 — ограниченной зо- ной нагрева и отпуск при 650Р С 288 89 10 17 Режим сварки нефорсированный Закалка в мас- ло при 845° С 305 86 94 20 44 6,2 с менее ограни- ченной зоной на- грева и отпуск при 650° С 307 87 96 23 64 6,5 • Нес варенный пруток, анало- гично термообработанный 288 75,5 90 24 60 — Механические свойства дан- ной стали по техническим условиям — — 88 до 104 18 мини- мум — 5,5 мини- мум Включения литого металла в шве. Расплав- ленный металл выдавливается обычно из шва наружу во время осадки. Однако иногда частицы расплавленного металла, оки- слов или шлака остаются в шве и обнаруживаются под микро- скопом или по макроструктуре в виде отдельных участков ли- того металла. Известно, что литой металл может содержать небольшие усадочные трещины и не обладает достаточной вязкостью; по- этому количество включений литого металла в шве должно быть минимальным. При стыковой сварке оплавлением хромомолибденовой ста- ли с жароупорной сталью наблюдалось появление в шве вклю- 231
чений литой нержавеющей стали. Причиной этого может быть то обстоятельство, что хромомолибденовая сталь обладает в го- рячем виде меньшим сопротивлением сжатию и при осадке она деформируется в большей степени, чем жароупорная сталь. Кроме того, удельное сопротивление жароупорной стали боль- ше; поэтому при прохождении электрического тока в завершаю- щий момент сварки в шве могло образоваться небольшое вклю- чение расплавленной стали, которое не удалось выдавить нару- жу при осадке, особенно, если включение образовалось во вре- мя осадки. Пустоты. Пустоты в шве возникают обычно при стыковой сварке оплавлением на машине, мощность которой мала для данного сечения стальной детали, или в случаях, когда усилие осадки недостаточно для сжатия и, следовательно, заполнения металлом всех кратеров, образовавшихся в стыке в процессе оплавления. Трещины. Наиболее характерными дефектами при стыко- вой сварке методом оплавления являются трещины и поры. Они наблюдаются на некотором расстоянии от стыка с обеих сторон шва и имеют строчечное расположение. Их можно наблюдать на сварных деталях как из нелегированных, так и из различных легированных сталей. Происхождение этих дефектов еще не вполне ясно. Однако появление трещин и пор лишь на некотором расстоянии от сты- ка может служить исходным моментом для объяснения причин их возникновения. Практически в большинстве случаев удается избежать образования дефектов путем применения большого осадочного давления при сварке. Это, однако, не всегда воз- можно, особенно при сварке деталей большого сечения на ма- шинах ограниченной мощности. Металлографические исследования стыковой сварки сталей методом оплавления, проведенные различными исследователями, приводят к следующим гипотезам о происхождени трещин и пу- стот. При сварке возникает область температур, в которой про- исходит только частичное расплавление. Благодаря ликвации в стали это расплавление ограничивается краевой зоной зерна, богатой легирующими элементами. Таким образом кристаллиты, которые в основной массе остаются твердыми, отделяются один от другого. При осадке в конце сварки происходит сдвиг одних кристаллитов по отношению к другим. Можно предполагать, что следствием сдвига оплавленных кристаллитов и усадки при за- твердевании является возникновение трещин. Кроме того, умень- шение объема при застывании расплавленного металла вызы- вает появление пор. Наиболее сильные деформации появляются при осадке в утолщении шва и близлежащей к нему зоне; здесь дефектная область наиболее широка, а отдельные дефекты достигают ма- ксимальных размеров. 232
Если не происходит расплавления кромки кристаллитов или общего расплавления зерна, то, согласно приведенному толко- ванию, отсутствуют и причины, обусловливающие образование трещин и пустот. Такое толкование механизма образования де- фектов, основанное на учете совместного действия кристалли- ческой ликвации, температуры и деформации при сварке, по- ясняет и причины образования дефектов на некотором расстоя- нии от шва. Если данное толкование правильно, то с помощью мероприятий, препятствующих ликвации, можно ограничить или совсем устранить образование дефектов. При незначительной кристаллической ликвации наличие лишь небольшого количества расплавленного металла между кристаллитами должно благоприятствовать устранению причин, вызывающих дефекты. Появление микропустот удается устра- нить путем выбора соответствующего режима сварки и в осо- бенности нужного давления осадки. Стали с большим содержанием углерода склонны к образо- ванию закалочных трещин при охлаждении после стыковой сварки оплавлением. В таких случаях рекомендуется замедлить цроцесс охлаждения после сварки. Это может быть достигнуто, если поместить детали сразу после окончания сварки в печь, нагретую до температуры 650—815° С. После равномерного на- гревания до этой температуры детали следует погрузить в песок для медленного охлаждения. В некоторых случаях (при отсут- ствии печи) можно производить нагревание сварной детали на той же сварочной машине, но другим режимом, нагревая деталь до слабокрасного цвета. После нагревания выключают ток и быстро погружают деталь в песок. У сварных деталей, не подвергавшихся после сварки мед- ленному охлаждению, а охлажденных непосредственно на воз- духе, в зоне нагрева наблюдаются отдельные закалочные тре- щины, перпендикулярные к стыку в направлении волокна. Появление трещин наблюдается при стыковой сварке сверл из быстрорежущей стали и прутков из среднеуглеродистой или легированной стали, если изделия после сварки не подвер- гаются медленному охлаждению. Трещины в этом случае обра- зуются на быстрорежущей стали. При изготовлении подобным способом новых сверл следует термическую обработку после сварки производить в печи. В случае ремонта сверл или их наращивания невозможно вторично закаливать их после сварки, следовательно, медлен- ное охлаждение после сварки в песке необходимо не только для предотвращения образования трещин, но и для доведения хрупкости в области шва до минимума. Окисли и шлаковые включения остаются в шве, если уси- лие осадки мало. Эти явления наиболее отчетливо наблюдались при стыковой сварке труб из хромомолибденовой стали (d— —1152 мм и толщина стенки 6,4 мм). Электроды-зажимы сва- 233
>рочной машины были в этом случае такими, что при зажатии трубчатых заготовок губки электродов не сомкнулись полно- стью и остался зазор около 25 мм. Оказалось, что в промежутке между губками электродов каждого зажима металл детали на- гревался сильнее, так как в этом месте медные зажимы не охлаждали заготовку. В результате осадка более нагретых про- межутков заготовок получилась слабее, так как эти части труб легко деформировались при осадке, и именно в этих местах остались различные включения. Трубы после сварки подвергались термической обработке. При испытании такого сварного соединения со включениями на растяжение шов оказался ослабленным. Образцы для испыта- ния были вырезаны из различных участков шва, в том числе и из участков, расположенных в промежутке между губками не- сомкнувшихся электродов. Первые образцы разрушались при испытании вне шва, обнаруживая большую прочность и пластич- ность; вторы1е разрушались в шве при небольших прочности и пластичности. Визуальным осмотром можно было обнаружить в шве шлаковые неметаллические включения. Окисление и пережог. Случаи пережога металла в результате неправильного ведения процесса сварки оплавлением весьма редки. Визуальные признаки пережога: большая зона нагрева, об- наруживаемая по цветам побежалости; много трещин в выдав- ленном металле после осадки, внутри которых виден окислен- ный (почерневший) металл; при разрушении соединения по стыку обнаруживаются раковины, резко укрупненная зерни- стость, часто трещины. Пережог стали представляет собой окисление по границам зерен, вызванное высокой температурой. Такой пережог наблюдался при стыковой сварке оплавлением деталей из разнородных сталей, например, хромомолибденовой с быстрорежущей, а также при неправильном выборе соотно- шения длин выпуска соединяемых заготовок из зажимов ма- шины 1. При этом заготовка из быстрорежущей стали оказалась более нагретой. Это подтвердилось тем фактом, что при осадке быстрорежущая сталь образовала наплыв, в то время как хро- момолибденовая сталь совсем не деформировалась (фиг. 144.) Более того, вследствие неправильного выбора установочной дли- ны заготовок центр генерирования тепла оказался не в стыке а, но сместился в область заготовки быстрорежущей стали б. Большое количество тепла, выделившееся в смещенном центре нагрева (вне стыка), вызвало окисление быстрорежущей стали вне шва. Окисление происходило настолько энергично, что де- таль после сварки распалась на две части. Чтобы избежать явления пережога, в данном случае следовало бы в соответ- 1 В рассматриваемом случае на неравномерность нагрева заготовок по- влияло также различие в их диаметрах. 234
ствни с электрическими и физическими свойствами этих метал- лов вызвать искусственно повышенное нагревание хромомолиб- деновой заготовки путем увеличения длины выпуска из зажима и уменьшения длины выпуска заготовки быстрорежущей стали. Методы контроля качества стыковых соединений даны ниже (глава XVI). Фиг. 144. Характерное перемещение центра генери- рования тепла из сварочного контакта в заготовку при неправильном выборе установочной длины (46). § 53. Стыковая сварка рельсов методом оплавления В СССР железнодорожные рельсы соединяются стыковой электросваркой в большом количестве. Сварка производится оплавлением с прерывистым подогревом на советских мощных машинах типа РСКМ-200 и РСКМ-320. Ниже рассмотрены ре- жимы сварки, зафиксированные осциллографической записью и разработанные рельсосварочным трестом Министерства путей сообщения для следующих трех типов рельсов (табл. 34 и 35). Таблица 3-1 Тип рельсов Площадь сече- ния. мм* Химический состав I-A 5564 С-0,53-0,7% Мп-0,6—0,9% SI—0,15—0,3% П-А 4906 То же III-A 3348 С-0,5-0,67%; Мп—0,6—0,9% S1-0,15-0,3% 235
Таблица 35 Режимы стыковой сварки рельсов Типы рельсов I-A П-А 111 А Первичное напряжение, в 430 430 430 Первичный ток (холостого хода) « 29 29 29 Вторичное напряжение (холосто- го хода) t/go в 8 7,5 6,5 Начальный подогрев Л, а 720 600 455 /г- а 35 000 31 400 25500 U* в 4 3,5 3 Время одного цикла подогрева, сек. 1,1 1,3 1,3 Паузы между циклами подогрева, сек. 1 1 1,1 Число циклов подогрева 60 50 42 Непрерывное оплавление h, а 120 ПО 100 а 6000 5700 5600 U* в 7 6 6 Время оплавления, сек. 7 6 7,15 Длина оплавляемых концов, мм 20 18 7 Осадка под током-. h, а 540 500 375 /2. а 26400 26 000 21 000 Время осадки под током, сек. 0,26 0,18 0,2 Полное время осадки, сек. 1,35 1,15 1,3 Величина осадки, мм 7 6 6 236
Продолжение Типы рельсов I-A П-А Ш-А Полное время сварки, сек. 150 120 105 Зажимное давление, т 204-25 204-25 204-25 Давление при осадке, т 16 16 16 Удельное давление осадки, кг/мм* 2,9 3,26 4,8 Ориентировочный расход электроэнергии на один стык со- ставляет: Для рельсбв типа I-A................ 4 квт-ч » П-А.................. 3 , » . . Ш-А................... 2 , Согласно техническим условиям Министерства путей сооб- щения, испытание на прочность сварного стыка рельса произ- водится на прессе методом статического изгиба. Образец длиной 1200—1300 мм со стыком в середине, при расчетном пролете в 1000 мм, нагружается сосредоточенным грузом посредине головки. Наименьшая прочность сварного стыка для трех типов рель- сов дана в табл. 36. Таблица 36 Прочность сварных рельсов Тип рельсов Разрушающая нагрузка т Наименьший пре- дел прочности кг/мм* I-A 65 117 П-А 55 112 Ш-А 48 143 Прочность сварного стыка при заданном режиме сварки составляет 0,94-0,95 от прочности основного металла. Для рель- сов типа Ш-А с меньшим сечением удается повысить удельное давление осадки (на машине РСКМ-200 до 4,8 кг/мм1) \ поэтому возрастает и предел прочности сварного стыка (см. табдр 36). 237
§ 54. Стыковая сварка оплавлением жароупорных сталей и сплавов На стыковой машине РСКМ-201 В. И. Коровкиным [28] бы- ли сварены кольца из стали Я1Т сечением 65X 35 мм, диамет- ром 1170/1280 мм, составленные из двух половин. Осадка про- изводилась приложением усилия 16 т, а давление в зажимах было равно 24 т. Для сравнения приводим также условия сварки колец из сгал!и ЗОХГСА диаметром 740/880 мм и сечением 75X 60 мм. Сварка производилась при прерывистом подогреве и непрерыв- ном оплавлении. Сперва сваривался первый стык при зазоре 5—6 мм во втором стыке. Из-за шунтирования тока в замкну- том контуре сварка второго стыка каждого кольца произво- дилась при большей ступени мощности. Для преодоления упругости кольца оказалось целесообраз- ным перед сваркой второго стыка подогреть все кольцо. Кольца из стали ЗОХГСА подогревались в сварочной машине перед сваркой второго стыка в течение 1,5—2 мин. отдельными импуль- сами тока (токапрохождение 5 сек., перерыв 2 сек.) до светло- красного каления. В табл. 37 приведены основные параметры процесса сварки колец. Таблица 37 Режимы стыковой сварки колец а С5 Ж ф <0 х л £•* пень сва- ного нсформа- а )вичное ряжение днее вре> сварки • ичина 10ЧН0Г0 ЛИЯ ичииа авления стояние ду губ- и, мм дка ” га Р-> Я сз р. *" О 0.0 О о.*- S— Е Ф «< «у м ГТ м л ! СО 5 g * О Ж S СО — О О С я О X и . _ n и О о ко». CU S Я 6 Ч ЗОХГСА 2 430 100-120 16 000 20-22 120 ЗОХГСА 3 380 120-130 16000 20-22 120 4-5 ЭЯ1Т 4 250 45-60 16 000 12 90 5 ЭЯ1Т 5 220 50-70 16 000 12 90 5 Производство больших фланцев диаметром примерно 1 м и более из сплошной заготовки требует уникального оборудо- вания и больших затрат рабочей силы и связано с потерей ме- талла. Наиболее целесообразным методом изготовления флан- цев является прокатка соответствующего профиля с последую- щей сваркой стыка методом оплавления и окончательной меха- нической обработкой фланца после сварки. Для иллюстрации 238
экономии металла, достигаемой при сварке фланцев, приведена фиг. 145, на которой изображены кольцевая заготовка и выто- ченный из нее фланец. При сварке фланцев или колец из материала, воспринимаю- щего закалку на воздухе, необходима последующая термообра- Фиг. 145. Иллюстрация неэкономного расходования металла при изготовлении фасонных фланцев нз коль- цевой заготовки. ботка. Механические свойства образцов из фланцев, изготовлен- ных стыковой сваркой оплавлением, не уступают механическим свойствам основного металла. В табл. 38 указаны ориентировочные данные сварки оплав- лением горячекатаных прутков из никелевых сплавов диамет- ром 10 мм без подогрева. Таблица 3S Стыковая сварка оплавлением стержней никелевых сплавов диаметром 10 мм Материал Величина оплавления мм Величина осадки мм Продолжи- тельность оплавления сек. Предел прочности кг)мм? сварного соединения основного материала- Никель 11 3,5 2,5 44 44,5 Моиель 11 3,5 2,5 57,5 59 Инконель 11 3,5 2,5 72 74 Примечания. 1. Стержень в стыке заточен на коиус 110°. 2. Выключение тока через 0,04 сек. (2 периода) после начала осадки.
Глава XI ТЕХНОЛОГИЯ ТОЧЕЧНОЙ И РОЛИКОВОЙ СВАРКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ § 55. Точечная сварка малоуглеродистой стали Точечная сварка малоуглеродистой стали может быть произ- ведена как форсированным режимом (малое время сварки и большие силы тока и большое давление), так и нефорсирован- ным режимом (большое время сварки и меньшие сила тока и давление). При малосерийном производстве, где капиталовло- жения на оборудование и электрическая мощность сети ограни- чены, применяют маломощные сварочные машины, на которых работают нефорсированным режимом. На передовых машиностроительных заводах Советского Союза предпочитают работать на сварочных машинах автомати- ческого действия с применением форсированных режимов сварки. Как было показано ранее (уравнение 8), одним из парамет- ров сварочного процесса является поверхность рабочего торца электрода d; чем больше поверхность торца электрода, тем большая сила тока необходима для сварки деталей из одного и того же материала. При неизменной мощности сварочной ма- шины изменение одного лишь размера торца каждого электрода влияет на сварочный процесс. Чем больше будет эта поверхность, тем меньшей оказывается плотность тока для данной ступени мощности машины и тем интенсивнее происходит теплопередача от сварочного контакта к холодной части электрода. В этом случае получается непро- вар шва. Если диаметр торца электрода слишком мал для деталей данной толщины, то при соответствующей мощности машины, допускающей сварку без пережога, размер ядра сварной точки также мал, а с ним, естественно, снижается и прочность точки. Таким образом размер рабочего торца электрода влияет на величину сварной точки при неизменных остальных параметрах. Размер рабочего торца электрода для точечной сварки ма- лоуглеродистой стали можно определить, в качестве первого приближения, по следующей эмпирической формуле: d9J, =3.4:23, где 8 — толщина более тонкого листа из двух свариваемых. Размер ядра точки в зависимости от того, какой режим сварки выбран (форсированный или нефорсированный), равен (0,9—l,2)dM. Получение высококачественной сварной точки немыслимо без правильно подобранного давления на электроды- При малом давлении и заданной величине тока металл внутрен- него сварочного контакта перегревается до возникновения вы- плеска расплавленного металла в месте контакта (внутреннего или одновременно внутреннего и наружного). В случае приме- 240
Нения чрезмерно большого давления ранее заданная величина тока оказывается недостаточной для образования качественной точки, так (как сопротивление сварочного контакта при этом значительно уменьшается. Выбор режима сварки Если сварной узел является силовым, то режим сварки должен обеспечить минимальную, но гарантированную проч- ность соединения. Для сварки таких узлов рекомендуется вы- брать форсированный режим по табл. 39, хотя удовлетворитель- ный шов можно получить также и на нефорсированном режиме. Указанные в табл. 39 значения прочности сварной точки дости- гаются также и при сварке нефорсированным режимом на ма- шинах типа АТЛ-20 и АТА-40. Таблица 39 Режим точечной сварки малоуглеродистой стали Толщина наи- более тонкого листа, мм Диаметр тор- 1 : ца электрода мм Сила тока 1“ S X Си *3 S с: * * Си о « S Минимальное давление на электроды кг Приблизитель- ный диаметр ядра точки, мм к «3 5 г rt * S | 2 1 прочность свар- ной точки на 1 срез, «г на точку I Шаг точек, мм 1 Размер нахлест- ки, мм 0,25 3 2000 0,2 40 2,5 50 6 10 0,50 4 4 000 0,3 60 3,0 145 10 11 1,00 5 5000 0,4 150 4,0 400 18 12 1,50 6 6000 0,4—0,5 250 5,0 800 25 15 2,00 8 7 500 0,4-0,5 300 7,0 1200 30 18 2,50 8 10 000 0 »6—0,8 400 7,5 1600 38 20 3,00 9 14 000 1—1,5 500 8,0 2000 42 22 5,00 12 16 000 2-3 1000 п.о — 50 28 Как видно из табл. 39, с увеличением толщины свариваемых деталей возрастает необходимая мощность сварочной машины. Прочность точки зависит от механических свойств материала деталей и размеров ее ядра. Размеры ядра точки возрастают с увеличением толщины свариваемых листов. Для повышения прочности имеет большое значение проков- ка точки с применением либо высокого давления на электроды 241
в процессе сварки, либо проковочного давления в момент ее завершения. За последние годы получены удовлетворительные результаты при точечной сварке деталей больших толщин как в СССР (ЦНИИТМАШ), так и в других странах. Детали большой толщины рациональнее соединять пульси- рующей точечной сваркой, режимы которой приведены ниже. Размеры торцов электродов, указанные в табл. 39, соответ- ствуют размерам непосредственно после заточки. В процессе работы электроды срабатываются, поэтому допустимое увеличе- ние диаметра торца электрода- составляет 1 мм при толщи- не листа до 1,2 мм и 2 мм — для больших толщин листов (до 3 мм). Недостатком плоской заточки электродов является трудность сохранения параллельности контактных поверхностей верхнего и нижнего электродов. При сферической заточке электродов контактная поверх- ность получается более устойчивой. § 56. Применение контактной сварки для изготовления арматурных сеток и каркасов Сварка (взамен вязки)' разрешает задачу получения жест- ких арматурных сеток, устанавливаемых в опалубке или фер- мах, с наименьшими затратами времени и средств. Крестообразное соединение двух соприкасающихся стержней (расположенных перпендикулярно один к другому) наиболее удобно производить на точечной машине, где вместо обычно принятых острых электродов следует применять массивные стержни с полукруглыми канавками. Сварка сеток может быть произведена также и на стыковой машине. Сварочный контакт для рассматриваемых круглых стержней представляет собой точку касания двух окружностей; сварка происходит в одной точке (аналогично рельефной сварке). М. М. Бетерев [3] исследовал контактную сварку арматур- ных стержней d=10 и 20 мм на точечной машине АТА-40 и стыковой машине АСН-40 с приспособлением. При давлении Р=300 кг, времени сварки, равном 2-4-3 сек., и ступени регу- лирования 4—6 соединения получаются равнопрочными с исход- ным металлом. В случае сварки стержней из немаркированной стали, среди которой могут оказаться стержни с повышенным содержанием углерода, рекомендуется применять непосредствен- но после сварки нормализацию. Последняя осуществляется в сварочной маядине. Через 1—3 сек. после выключения свароч- ного тока следует вновь включить ток. При этом сварное соеди- нение нагревают до красного каления с последующим охлажде- нием, на воздухе. 242
§ Б7. Технологические особенности точечной сварки стали с антикоррозионными и жароупорными покрытиями Для антикоррозионной защиты стальных деталей существует много различных металлических покрытий. Точечная сварка стальных деталей с тем или иным покрытием должна быть вы- полнена таким образом, чтобы покрытие осталось неповрежден- ным. Трудности решения этой задачи заключаются в том, что по тепловым и физическим свойствам материал покрытия резко отличается от основной стали и, если применять режимы сварки, соответствующие этой стали, то покрытия на отпечатках точки окажутся поврежденными. Внешний вид изделий с покрытием из хрома или никеля, поверхность которых имеет изящную полированную отделку, ухудшается после сварки в местах отпечатка точки. , Режим сварки хромированных деталей не отличается поэто- му от режима сварки стали без покрытия, так как покрытие при сварке все равно разрушается. Точечная сварка никелированной стали связана с теми же трудностями, как и сварка хромированной стали. Точечная сварка оцинкованной или луженой стали требует более форсированного режима, чем сварка непокрытой стали той же толщины. Во внутреннем контакте покрытие из ’ олова или цинка частично смешивается при сварке с основным ме- таллом шва. С наружной же стороны шва покрытие должно сохраниться. Удовлетворительная сварка может получиться при силе тока и давлении на электродах, превышающих на 25—5О°/о те же величины при сварке непокрытой стали. Продолжитель- ность прохождения тока должна быть доведена до '—'0,1 сек. Выдержку давления на электродах следует увеличить '(к концу сварки) до такой величины, при которой контакты электрод— лист не охладятся ниже температуры плавления олова или цин- ка. Для образования минимальной вмятины необходимо при- менять электроды со сферическими торцами. Опыты автора книги над выбором режима точечной сварки металлизированной и алитированной малоуглеродистой стали дали следующие результаты. 1) Малоуглеродистая металлизированная алюминием листо- вая сталь толщиной 1 4-1 мм хорошо сваривается точками при dM = 4 — 5 мм\ /2 —6000 а; Р=150 кг и £=^0,5 сек. Прочность точки на срез, исследованная на ряде образцов, получилась равной = Кг\ Л:ре* = 500 Кг\ Ли«С=560 К2' 2) Листы малоуглеродистой алитированной стали толщи- ной 1,24-1,2 мм удовлетворительно свариваются точками 243
при мм\ 10000 a; t^0,14 сек.; Р—300 кг. Прочность точки на срез Рмии~340 кг; Р^к=375 кг; Рм>кс = 390 кг. В случае лакокрасочных покрытий деталей после сварки внутренняя поверхность шва вод нахлесткой теряет антикорро- зионную защиту и при соответствующих атмосферных условиях под нахлесткой образуется очаг коррозий. Для защиты от кор- розии внутренних поверхностей соединения рекомендуем в этих случаях применять лакокрасочное покрытие типа АЛ Г-1, а тех- нологию сварки — рекомендованную для применения в специаль- ных случаях точечной или роликовой сварки легких спла- вов (§ 87). § 58. Точечная сварка высокоуглеродистых и низколегированных сталей Условия сварки этих сталей отличаются от условий сварки малоуглеродистой стали соответственно их физико-электриче- ским свойствам (пониженная теплопроводность, низкоплавкость, Повышенное удельное сопротивление, склонность к закалке на воздухе и др.). Если применять при точечной сварке высоко- углеродистых н низколегированных сталей такой же форсиро- ванный режим, как для малоуглеродистой стали (см. табл. 39), то швы получаются хрупкими с внутренними трещинами и при ударе легко разрушаются. Для получения качественных соеди- нений на деталях из высокоуглеродистой и низколегированной стали Необходимо соблюдать следующий режим сварки: вели- чина сварочного тока должна быть на 10—меньше, чем при сварке малоуглеродистой стали; продолжительность сварки каж- дой точки должна быть в 3—4 раза больше; давление на элек- троды следует выбирать на 20—бО’/о больше, чем при форсиро- ванном режиме. Продолжительное время сварки приводит к увеличению раз- мера зоны термического влияния, предотвращает хрупкость точки и одновременно увеличивает пластичность соединения. Хорошие результаты при точечной сварке рассматриваемых сталей получаются также при пульсирующем методе сварки. При сварке низколегированных сталей в нормализованном состоянии прочность точки выше, чем прочность точки, под- вергнутой нормализации после сварки (табл. 40). Последую- щая нормализация сварных соединений хотя снижает несколько прочность, но значительно повышает пластичность. Закалка сварных деталей с отпуском значительно повышает прочность сварных точек. Сопротивление сварных точек отрыву значительно меньше, чем сопротивление срезу. 244
Таблина 40 Усилие среза точечных соедяненяй из хромомолибденовой стали ЗОХМА Толщина листов мм Среднее разрушающее усилие па 1 точку кг при нормализации до сварки при нормализации □осле сварки 1 + 1 — ' 800 1,5+1,5 1950 1300 2,0+2,0 2870 1760 2,5+2,5 3600 — 3,0+3,0 — 2 560 Таблица 41 Усилия среза и отрыва сварных соединений для стали ЗОХМА Толщина листов мм 4 Диаметр торца электрода мм Разрушающее усилие на 1 точку, кг Ротрыве р *срезх Ротрыва Гсрем 1+1 5 450 250 0,55 2+2 7 | 1700 550 0,32 з+з 7 2100 1300 0,62 В табл. 41 приведены опытные величины, полученные при испытании образцов из стали ЗОХМА на срез и отрыв. Режим сварки отличается от режима сварки образцов, приведенных в табл. 40. Прочность точечных соединений при сварке хромомолибде- новой стали близка к прочности соединений стали хроман- силь ЗОХГСА. Как показывают опыты, твердость точки в состоянии после сварки гораздо выше твердости основного металла. Па фиг. 146 приведен график твердости сварного соединения и основного металла для стали хромансиль. После отжига или высокого отпуска твердость сварного соединения понижается и становится равной твердости основного металла. Изменение прочности сварных точек на стали хромансиль в зависимости от режима последующей термической обработки (в печи) для различных толщин листов показано на фиг. 147. 245
основного металла (сталь хроманснль) в со- стоянии после сварки. Фиг. 147. Графики прочности (на срез) листовых соединений в зависимости от режима термической обработки после точечной сварки (Н. Н. Мануйлов). 246
Сварка произведена нефорсированным режимом. Прочность сварных точек в состоянии после сварки составляла: Толщина листа мм 1 1.8 2 Срезывающая нагрузка, кг 600 1400 1500 Термическую обработку узлов из высокоуглеродистой и низ- колегированной стали, которую обычно производят после точеч- ной сварки в печах, рациональнее производить непосредственно на точечной машине после сварки. § 59. Упрочнение точечных соединений повторным нагревом на сварочной машине Опытом установлено, что отпуск сварных точек на деталях из многих металлов и сплавов повторным нагревом на той же сварочной машине непосредственно после сварки повышает ме- ханические свойства соединения. Техника повторного нагрева заключается в том, что после окончания сварки точки и выключения тока через заданный промежуток времени, в течение которого частично охлаждается шов между электродами, вновь пропускают ток через готовую точку, не снимая при этом давления с электродов. Следует отметить, что точечная сварка с повторным нагре- вом должна производиться при строгом соблюдении режимов сварки, охлаждения и повторного прохождения тока при от- пуске. В ЦНИИТМАШе '[8] было исследовано влияние термической обработки на точку после сварки низколегированной стали СХЛФ (табл. 42) непосредственно между электродами свароч- ной машины. Исследованию подвергались листы толщиной 4 и 8 мм. Таблица 42 Состав стали СХЛФ Толщина листа мм С S1 Мп S Р Сг N1 Си 4 0,12 0,31 0,52 0,030 0,10 0,55 0,45 0,68 8 0,13 0,37 0,58 0,025 0,11 0,56 0,31 0,50 247
Сталь СХЛФ обладает следующими механическими свой- ствами: предел прочности — 48 кг/мм*\ предел текучести — 35 кг/мм2 при относительном удлинении не ниже 19®/о. Исследователями установлены оптимальные режимы сварки, указанные в табл. 43. Таблица 43 При точечной сварке образцов толщиной 4 мм нефорси- рованным режимом (/„ = 11000 а; /„ = 4,8 сек; Рм=1200 кг) и без последующего отпуска в машине среднее усилие среза на точку было равно 7 900 кг, а среднее усилие отрыва 1 420кг или />отрыва =0,18. Твереза При сварке стали толщиной 8 мм нефорсированным режи- мом (/„=13250 а; Рм = 2500«г; /„ = 4,8 сек) и без последую- щей термообработки получены следующие результаты: ^,. = 11000 кг; /’„ры„=3500кг; -^=-=0,31. * среза По приведенным цифрам видно, что точечная сварка листов толщиной 4 мм с последующей термообработкой в машине не- посредственно после сварки повышает механические свойства сварного соединения. Для листов толщиной 8 мм эффективность термообработки после сварки оказалась (в пределах рассматри- ваемого исследования) значительно меньше; в этом случае свар- ка нефорсированным режимом имеет существенное преимуще- ство в отношении производительности процесса. Рассмотрим исследование влияния повторного нагрева на механические свойства сварных соединений, проведенное дру- гими исследователями [53] на низколегированной стали А, среднелегированной Б и легированной высокоуглеродистой В (табл. 44). Химический состав этих сталей приведен в табл. 45. 248
Таблаца 44 Механические свойства Тип стали • Предел прочности кг/мм* Предел текучести кг/мм2 Удлинение (образца на длине 50 лм) % Твердость по Роквеллу В А 55 41,5 23,0 87 Б 70 56 17,0 95 В 70 55 22,0 94 Таблица 45 Состав рассматриваемых сталей Состав химический С тал и А Б 1 в Углерод 0,155 0.295 0,38 Марганец 0,82 0,77 0,60 Фосфор 0,017 0,018 0,016 Сера 0,03 0,02 0,018 Кремний 0,25 0,25 0,22 Никель 0,51 0,65 1,77 Хром 0,46 0,50 0,77 Молибден 0,20 0,22 0,23 Режимы точечной сварки и последующего отпуска для лн- стовой стали толщиной 1,5 мм приведены в табл. 46. Механические свойства сварных точек без последующего отпуска и с отпуском для указанных трех марок стали при тол- щине листа 1,5 мм приведены в табл. 47 [53]. Отпуск точечных соединений до удаления изделия из сва- рочной машины весьма удобен для повышения механических свойств. У стали А усилие отрыва точки после отпуска воз- росло более чем в два раза, а усилие среза при ударном на- гружении возросло на 50*7®. 249
Таблица 46 Режимы точечной сварки листов высокопрочной стали толщиною 1,5 мм [53] Сварочный режим Сталь А Сталь Б Сталь В Давление на электроды, кг 700 800 900 Продолжительность сварки, сек. 0,20 0,20 0,20 Время между окончанием сварки и началом отпуска, сек. 0,56 0,8 0,9 Продолжительность отпуска, сек. 0,20 0,20 0,20 Сила сварочного тока, а 12 250 12800 13 900 Сила тока при отпуске в % сварочного тока 80 88 81-85 74-80 Диаметр сварной точки, мм 6,5-7 6,5-7 6,5-7 Диаметр торца электрода, мм 8 8 8 Таблица 47 Без отпуска С отпуском после сварки Тип стали Усилие среза на точку' кг Усилие отрыва на точку кг Ударное усилие среза на точку кгм Усилие среза на точку кг Усилие отрыва кг Ударное усилие среза на точку кгм А 1 837-1 900 385-521 326-400 952-1088 470- 550 Б 1927-1995 249-295 180-218 2 381-2426 1 179-1315 350 -362 В 997-1065 113-136 72-108 2 086-2 267 544—1088 326-390 У стали Б усилие среза точечных соединений после отпуска •возросло на 25°/о, усилие отрыва возросло в пять раз, а усилие ударного среза — почти в два раза. У стали В усилие среза сварных точек возросло после от- пуска более чем в два раза. Усилие отрыва и ударного среза возросло более чем в четыре раза. Увеличение усилия отрыва .свидетельствует об увеличении пластичности металла шва. Опытом установлено, что минимальное время охлаждения после сварки до начала отпуска должно быть увеличено с по- 250
вышением твердости свариваемой стали и зависит также от толщины свариваемых листов. § 60. Повышение прочности сварных соединений азотизацией и наклепом Как известно, поверхностное упрочнение стальных узлов и деталей путем азотизации или наклепа дробью применяется в машиностроении [35] для повышения выносливости. В точеч- ном соединении наружные слои металла более нагружены. По- этому автор книги считал достаточным проверить влияние по- верхностного упрочнения сварных точечных соединений на ста- тический разрыв. Одноточечные плоские образцы из стали 10, а также из ста- ли хромансиль были подвергнуты после сварки азотизации |( 1-я серия) и наклепу дробью (2-я серия) и затем разрушались в разрывной машине на срез. Азотизация производилась при температуре 500—5Ю° С и выдержке в течение 12 час. Толщина азотированного слоя со- ставляла 0,2 мм. Упрочнение наклепом дробью производилось с обеих сторон образца при следующем режиме: 1) диаметр стального шарика — ’/ц*; 2) высота падения дроби — 4 м; 3) продолжительность упрочнения дробью — 30 мин. Следует заметить, что образцы толщиной 1 мм после упроч- нения дробью были значительно деформированы. В табл. 48 приведены результаты испытаний сварных точеч- ных соединений в состоянии после сварки и после упрочнения. Таблица 48 Марка стали и толщина листов мм Разрушающая нагрузка, кг на точку в состоянии после сварки азотированные наклепанные дробью Сталь 10 1,0+1,0 540 (миним.) 600 (макс.) 584 (миним.) 632 (макс.) 600 (миним.) 610 (макс.) Сталь 10 1,5+1,5 815 (макс.) 750 (миним.) 900 (макс.) 816 (миним.) 875 (макс.) 850 (миним.) Хромансиль 2,0+2,0 1100 (миним.) 1225 (макс.) 1290 (миним.) 1380 (макс.) Из табл. 48 видно, что для листов толщиной около 1 мм лучшие результаты упрочнения сварных соединений дает азоти- 251
рование. Для листов большей толщины степень упрочнения примерно одинакова как при азотировании, так и при наклепе. Эти методы упрочнения могут быть рекомендованы для повы- шения прочности сварных соединений, особенно подвергающих- ся вибрационным нагрузкам. Исследованное автором книги влияние обкатки между сталь- ными роликами 1 герметичных роликовых швов на деталях из малоуглеродистой стали в пределах деформации от 1 до 23% показало, что при величине деформации околошовных зон, рав- ной 2,5—3%, достигается наивысшая вибрационная прочность соединения. § 61. Рельефная сварка Преимущества рельефной сварки Г. Увеличение производительности каждого хода машины, так как несколько точек может быть сварено одновременно. 2. Малый износ электродов, так как при рельефной сварке применяются электроды в виде массивных плит с большой кон- тактной поверхностью. Усилие и концентрация сварочного тока сосредоточены в выступе заготовки. 3. В некоторых случаях никакие методы контактной сварки, кроме рельефной, совершенно неприменимы. Примером служат штампованные детали криволинейной конфигурации. Рельефная сварка обеспечивает высокую производительность и применяется в серийно-массовом производстве, главным обра- зом для стальных изделий. На автомобильных заводах Совет- ского Союза применяют рельефную сварку для изготовления тормозных колодок и т. п. В производстве металлических ра- диоламп рельефную сварку применяют для герметичного со- единения оболочки с цоколем. Выступы или рельефы имеют обычно круглую форму, но могут быть и другой любой конфигурации^ Круглая форма вы- ступа имеет, однако, преимущества как при сварке и штампов- ке, так и при изготовлении самих штампов. Существуют специфические области применения рельефной сварки, например, приварка к конструктивному элементу бол- тов, гаек и т. д. Размеры и форма выступов. Оптимальные размеры и формы выступов установлены продолжительной практикой. Выступы, показанные на фиг. 148 для листов от 1,3 до 2,5 мм, являются удовлетворительными для большинства плоских дета- лей или штампованных. Выступы могут быть не только круг- лыми, но и продолговатыми, квадратными, овальными или лю- бой другой формы, наиболее удобней в каждом конкретном случае. 1 См. фиг. 182 252
Однако следует иметь в виду, что при рельефной сварке шов формируется от вершины выступа к его периферии и для равномерного шва желателен круглый выступ. Если выступы нужно выполнить на штампованных заготов- ках (круглых или овальных) и в месте соприкосновения высту- па с другой заготовкой получается недостаточный контакт, то такому выступу желательно придать продолговатую форму. Для соединения точеных цилиндрических деталей с пло- скими или штампованными заготовками рациональны выступы кольцевого типа. Необходимая мощность сварочной ма- шины для рельефной сварки выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и равна 15—30 ква при давле- нии 200—ООО кг на каждый высгуп. Для рельефной сварки применяют специаль- ные сварочные машины типа АРС-250 и АРС-400 завода «Электрик» и другие мощные машины с вертикальным пере- мещением верхнего элекгрододержателя. Болес широкое применение рельефной сварки на машинах ограниченной мощ- ности окажется возможным при внедре- нии прерывателей для многоимпульсной пульсирующей сварки. Медные плиты-электроды должны иметь ту же конфигурацию, что и свари- ваемая деталь. Для лучшей локализации тепла и давления часто применяют пли- ты с дополнительными вставкам^. Металлы, поддающиеся fl Б В Г Д V 1,9г /тз 4,6 1,65 1,92 1.3 4,6 7,65 7,9? 1,15 4,4 1,4 /,4 7,4 1.0 4t0 1,15 7/ 1,27 1,0 3,2 OfiO 1,27 0,76 3,2 0,7 0,5 1,77 0,60 2.В 0.6 Фиг. 148. Форма и размеры выступов gupH рельефной сварке. рельефной сварке. Не все металлы успешно сваривают- ся рельефной сваркой; необходимо, чтобы выступ не разрушал- ся в начальный момент сварки; хорошие результаты получают- ся при рельефной сварке стальных деталей. Алюминий, медь и латунь мало пригодны для рельефной сварки. Покрытые металлические заготовки, например, железо оцин- кованное или луженое и т. д., свариваются удовлетворительно. Разнородные металлы, например, сталь с латунью и сталь с бронзой, также удастся в некоторых случаях сваривать этим методом. Однако режим их сварки совершенно отличается от режима сварки стали. Эти материалы требуют большой силы тока при меньшей длительности сварки. § 62. Пульсирующая точечная сварка Современная тенденция применения точечной сварки для соединения деталей из листа большой толщины привела к внед- рению так называемой пульсирующей сварки. Под этой сваркой 25з
следует понимать одноточечную или многоточечную сварку, при которой сварочный ток прерывается один или несколько раз без снятия давления с электродов или передвижения их по де- тали. Другими словами, это такой метод, при котором для по- лучения одной или одновременно нескольких точек на узле, зажатом между электродами, недостаточно одного импульса сварочного тока; поэтому такой импульс повторяют несколько раз с определенными паузами (фиг. 149). Пульсирующая сварка имеет следующие преимущества: 1. Можно осуществлять точечную сварку листов толщиной 25 +25 мм, что до последнего времени было невыполнимо нй обычных точечных машинах. Фиг. 149. График энергетического процесса при пульси- рующей сварке. I—предварительное сжатие; 2—сварка; 5—проковке давлением на электроды; 4—отключение; 5—нагрев; 6'—охлаждение; 7—элек- троды разведены; 8— деталь зажата между электродами. 2. На сварочных машинах определенной мощности можно сваривать узлы большей толщины, чем при одноимпульсной то- чечной сварке. 3. Срок службы электродов значительно увеличивается, особенно при сварке толстых листов благодаря более длитель- ному охлаждению между импульсами. 4. Уменьшается склонность к образованию выплесков жидкого металла шва благодаря прерывистости тока. 5. Можно соединять точками в одном пакете большое коли- чество листов. Пульсирующая сварка применима не только для точечных соединений, но и для рельефной и стыковой сварки. Пульсирующим методом можно пользоваться для шаговой роликовой сварки. Вращение роликов в этом случае производит- ся после сварки каждой точки. Шаг точек определяется продол- жительностью вращения роликов между двумя точками. Пуль- сирующей роликовой сваркой можно сваривать стальные листы толщиной до 6—10 мм, т. е. значительно толще листов (3 мм), освоенных пока для обычной роликовой сварки. Стыковой пульсирующей сваркой (без оплавления) можно, без опасности нарушения допуска на длину готового узла, со- 254
единить детали, прошедшие трудоемкую механическую обра- ботку. Вполне очевидно, что давление на электроды машины для пульсирующей точечной сварки или для пульсирующей рельеф- ной сварки должно сохраняться продолжительное время, в соот- ветствии с длительностью всех импульсов и перерывов для свар- ки каждой точки. Для машин автоматического действия, рабо- тающих при помощи электродвигателя и кулачкового механиз1- ма, лучше останавливать мотор каждый раз, но с таким расче- том, чтобы кулак обеспечил необходимое усилие на электроды. Машины пневматического или гидравлического действия легко отрегулировать на заданную продолжительность давления. При постановке сварных точек близко от края заготовки при обычной точечной сварке часто получаются надрывы, тре- щины кромки или глубокие вмятины, а при пульсирующей то- чечной сварке этих дефектов можно избежать. Продолжительность пульсирующей сварки несколько больше одноточечной, но время, необходимое для закрепления, уста- новки и снятия детали, всегда больше времени чистой сварки, поэтому общего снижения скорости производства не получается. Маневренность в выборе режима сварки гораздо больше при пульсирующей сварке, чем при обычной одноимпульсной точечной сварке. Зато конструкция прерывателя сложнее — аналогично прерывателю для роликовой сварки, позволяющему устанавливать различные соотношения продолжительности им- пульсов включения и выключения. В табл. 49 приведены режимы пульсирующей точечной свар- ки для различных металлов [40]. При выборе режима пульсирующей сварки необходимо иметь в виду, что качество швов, полученных этим методом, может быть гарантировано при условии строгого соблюдения числа и продолжительности импульсов. Продолжительность включения одного импульса ^к*(п должна быть выбрана в зависимости от тепловых и физических свойств свариваемого металла. Например, чем больше теплопровод- ность, тем меньше должна быть продолжительность паузы. При этом, конечно, необходимо принимать во внимание и толщину детали. Для листовой стали толщиной 6—10 мм лучше приме- нять одинаковую длительность включения и выключения. При этом рекомендуется меньшая продолжительность выключения (паузы) для более тонких листов и большая для более толстых листов. Для алюминиевых сплавов продолжительность паузы ta меж- ду импульсами тока должна быть значительно меньше, чем для стали: *о=0,в-Ч),6 U- 255
Таблвцa 49 Режимы пульсирующей точечной сварки Свариваемый металл и размеры мм Диаметр торцов электро- дов мм Дав- ление кг Свароч- ный ток а Число пульса- ций на шов Продолжитель- ность прохож- дения тока сек. пере- рыва сек. Листовая сталь з+з 10 1200 16000 8 0,08 0,04 Стальные полосы 6x50 20 1200 37 000 10 0,10 0,10 Стальные полосы 10X60 20 1 800 42000 17 0,14 0,14 Стальные полосы 25X75 25 5000 73000 4X8 0,4 1,0 Стальные уголки 6X50X50 13 450 20 000 13 0;2 0,18 Три стальных пла- стины (3+25+3) 20 1800 45 000 6 0,4 1,0 Пластина 6 мм и стальная полоса 20X75 22 и 50 3000 70000 зхю 0,18 0,4 Стальные листы толщиной 3+6+12 + +25+6 и полоса 3x50 мм 16 1800 36 000 10 0,22 0,16 Пакет из 117 сталь- ных листов толщиной по 1 мм 16 2500 64000 7 0,22 0,10 19 стальных листов по 3 мм 20 1500 58000 5 0,26 0,62 Дуралюминовые листы 3+3 37 (конус 8° и 15°) 550 35 000 6 0,08 0,04 Дуралюминовые листы 6+6 1 000 56 000 12 0,10 < 0,04 256
§ 63. Роликовая сварка малоуглеродистой стали В Советском Союзе пользуются двумя способами роликовой сварки сталей: а) прерывистой и б) непрерывной. Прерывистой роликовой с в а р к о й считается та- кая, при которой вращение роликов и, следовательно, переме- щение свариваемой детали происходит непрерывно, и только сварочный ток подводится прерывисто, т. е. отдельными импуль- сами той или иной длительности с определенными паузами меж- ду ними. При каждом импульсе сварочного тока происходит сварка одной точки. В зависимости ст желаемой частоты нало- жения этих точек выбирают продолжительность пауз между импульсами и соответствующую скорость вращения роликов. Если точки удалены одна от другой на расстояние мм, то сварка ведется на роликовой машине точечно-шаговым швом. Если же шаг точек мал (3—1 мм) и они перекрывают одна другую на 30—70%, то получается герметичный шф (1см. фиг. 16). Для регулирования длительности каждого импульса тока, а также продолжительности паузы необходим, кроме сварочной машины, прерыватель. При прерывистой подаче сварочного тока можно успешно производить роликовую сварку деталей из быстроокисляющихся металлов (специальные стали, цветные металлы). В этом случае сварка осуществляется кратковременными импульсами тока большой силы. Токоведущие части машины не перегреваются, так как они все время охлаждаются водой. Каждый импульс длится обычно несколько сотых долей се- кунды, и зоны металла впереди шва (подлежащие сварке) не успевают сильно нагреться теплом предыдущей горячей точ- ки; поэтому сварка каждой последующей точки шва происхо- дит почти на холодном металле. Скорость сварки зависит от свойств металла. Для малоуглеродистой стали она ограничи- вается1 только удобством перемещения изделия во время сварки. Прерывистая роликовая сварка обеспечивает надежный плотно^ прочный шов и применяется для сварки ответственных кон- струкций. Непрерывную роликовую сварку без прерыва- теля применяют для тонкого листового материала. Такая сварка основана на принципе использования естественного периодиче- ского убывания переменного тока до нулевого значения в конце каждого полупериода. Если деталь, зажатая между роликами, перемещается вращением последних со скоростью 3 м/мин, то за каждый полупериод тока должна осуществиться сварка с шагом 0,5 мм и на погонный сантиметр шва укладывается 20 точек. В действительности скорость вращения роликов не синхронна с частотой тока, поэтому, строго говоря, иет основа- ния утверждать, что. отдельные точки возникают аналогич- но точкам прерывистого шва. При непрерывной роликовой свар- 257
ке получается сплошной проплав шва, но благодаря относитель- но небольшой величине тока (примерно 2—5 тыс. ампер) можно достичь при заданном давлении на ролики приемлемой комму- тации (в отношении отсутствия искрообра&ования) между ро- ликами. Непрерывная роликовая сварка дает удовлетворительные ре- зультаты при сварке тонких стальных листов толщиной до одного миллиметра. При большей толщине материала и, следо- вательно, большей силе тока безискровая коммутация возмож- на только при большом давлении на роликах. Кроме того, при непрерывном прохождении тока ролики пе- регреваются и быстро сминаются, причем первоначальный раз- мер заточки рабочей поверхности изменяется. Сила тока сни- жается из-за сильного перегрева роликов и всех токоведущих частей вторичного контура и* вдобавок, плотность тока в кон- такте уменьшается из-за увеличения размера контактной по- верхности роликов. Этим, а также перегревом детали в про- цессе сварки объясняется наблюдаемое нами явление уменьше- ния к концу сварки ширины шва на одной и той же детали. В другом случае отмечены пережоги, хотя поверхность свароч- ного контакта была достаточно чистой. По перечисленным причинам, а также из-за неудобств, свя- занных с большой скоростью перемещения деталей, особенно криволинейных, непрерывная роликовая сварка применяется только для нссиловых конструкций изделий из малоуглероди- стой стали. На крупносерийных заводах Советского Союза применяют для герметичных швов изделий из малоуглеродистой и другой стали только прерывистую роликовую сварку, управляемую со- вершенными прерывателями. В настоящее время роликовая сварка применяется для со- единения деталей из листов толщиной до 3 мм>„ Сварка более толстого материала ограничивается необходимостью иметь боль- шое давление и, соответственно, большую мощность машин. Аналогично электродам при точечной сварке, электроды- рслики также являются своеобразным инструментом. Их раз- меры зависят от размеров свариваемой детали. Во всяком слу- чае следует иметь в виду, что срок службы ролика данного ма- териала при заданном режиме сварки зависит от его диаметра. Чем больше диаметр, тем ролик меньше изнашивается (благо- даря лучшему охлаждению). Поэтому один из роликов на со- временных машинах делаюг диаметром 250—350 мм. Второй ролик может иметь тот же или любой меньший размер, необхо- димый по соображениям удобства подхода к свариваемому узлу. Толщина ролика составляет 6—15 мм, а ширина рабочей поверхности зависит от толщины свариваемой заготовки и кон- структивно допустимой для данной детали ширины отбортовки или нахлестки; ширина рабочей части ролика равна 2ч-6 мм. 258
Особого внимания при роликовой сварке требует подготовка контактной поверхности заготовок. Последние должны быть очищены до металлического блеска указанными ранее спосо- бами. Кроме того, свариваемые поверхности заготовок должны быть подогнаны без зазоров с тем, чтобы использовать прило- женное давление только для сварки, а не на преодоление боль- ших зазоров. Допустимым зазором для ответственных узлов следует считать ’/10 толщины наиболее тонкого листа соедине- ния. В отличие от точечной роликовая сварка прерывистым швом характеризуется дополнительными параметрами: шагом точек, взаимно связанной продолжительностью импульсов тока и па- узы, скоростью сварки и диаметром каждого ролика. В табл. 50 приведены ориентировочные характеристики ре- жима роликовой сварки малоуглеродистой стали, принятые на передовых машиностроительных заводах СССР. Таблица 50 Ориентировочные параметры режимов роликовой сварки малоуглеродистой стали на мощном оборудовании с применением игнитронного прерывателя Толщина наибо- лее тонкого ли- ста соединения мм Ширина роли- ка D и рабочей части d, мм Давление на ро- лик, кг Продолжитель- ность Наибольшая ско- рость сварки м/мин Число точек на 1 пог. см Приблизительная величина тока, а Нахлестка или 1 отбортовка, мм 1 d Р включе- ния сек. паузы сек. 0,25 5 8,0 180 0,04 0,02 2,0 6 8 000 8,0 0,50 5 8-10 250 0,04 0,04 2,0 5 11 000 10,0 0,75 6 12,0 300 0,06 0,04 1,75 4 13000 10,0 1,00 6 12-15 400 0,06 0,06 1,75 3,5 15 000 10,0 1,50 8 15,0 550 0,08 0,08 1,50 3,0 17 500 12,0 2,00 10 15 650 0,12 0,10 1,50 2,5 19 000 14,0 2,50 10 15 800 0,14 0,12 1,25 2,0 20 000 16,0 2,75 13 20 900 0,18 0,12 1,20 2,0 21 000 18,0 3,00 13 20 1000 0,22 0,14 1,0 1,75 22 000 20,0 Примечание. Если сваривается больше двух листов, то длину нахлестки можно увеличить на 10—30%. Примером применения роликовой сварки в серийно-массовом производстве является изготовление бензобака современного ав- 259
томобиля. Конструкция этого бака состоит из двух штампован- ных половинок с внешней отбортовкой. Сварка производится в одной плоскости только по контуру отбортовки. На фиг. 150 показан пример пооперационной технологии из- готовления металлического сосуда полностью роликовой свар- кой. В этом случае применена в равной степени как продольная, так и поперечная сварка. При первой операции (Л) изгоговляет- Фиг. 150. Технология изготовления бидона роликовой сваркой ся продольный щов обечайки. Вторая операция (не показанная на фигуре) состоит в изготовлении кольца горловины. Следую- щая операция (Б)—соединение усеченного конуса на машине для продольной сварки. Остальные три операции производятся на машине для поперечной сварки. Сперва сваривается кольцо с конусом (В), затем горловина и обечайка (Г) и, наконец, днище с обечайкой (Д). При роликовой сварке узлов или при точечной сварке боль- ших швов производят сперва прихватку, а затем сварку. Такой порядок обеспечивает сохранение заданных размеров узла. Детали перед прихваткой собирают: в серийном производ- стве в приспособлениях, а в мелкосерийном или опытном — с помощью струбцинок или монтажных винтов. Прихваточные точки ставят на расстоянии 30—150 мм *. Перед роликовой сваркой необходимо после прихватки точ- ки зачистить. В противном случае при прохождении ролика по 1 Если прихваточные точки выступают (даже на 0,5 d) за границы роли- кового шва, то они являются местом концентрации наибольших напряжений и началом разрушения, особенно при вибрационных нагрузках. 260
этим' точкам получится прожог. Режим сварки прихваточных точек должен быть ниже (на одну-две ступени), чем при обыч- ной точечной сварке с образованием наименьшей глубины вмя- тины. При образовании набега на одной из заготовок между при- хваточными точками следует увеличить число прихваток с рав- номерным разгоном набега материала. Стальные сварные конструкции, деформировавшиеся в ре- зультате сварки, могут подвергаться правке. Если в сварном цилиндрическом узле пересеваются про- дольный и поперечный швы, то во избежание нарушения гер- метичности в месте нахлестки одного шва на другой следует конец продольного шва обработать раждачным камнем или пи- лой на-ус в месте наложения поперечного шва, чтобы суммар- ная толщина шва в этом месте была равна толщине одного листа. ; I Предел прочности роликовых соединений (в условиях среза)' совпадает обычно с пределом прочности исходного материала и поэтому эти величины здесь не приведены. Интерес представ- ляют значения вибрационной прочности сварных соединений, т. е. предел (выносливости (усталости). Выносливость сварных соединений Результат исследования предела выносливости а„ соедине- ний, выполненных точечной и роликовой сваркой, и основного Фиг. 151. Предел выносливости сварных соеди- нений и исходного материала (сталь 105=1 мм) [27]. металла, проведенного автором книги при участии С. Л. Жу- кова на образцах из стали 10 толщиной 1 мм при двустороннем изгибе, показан на фиг. 151. Анализируя кривые, можно сделать вывод, что выносливость точечных и роликовых соединений (в пределах данного иссле- 261
дования) весьма высока и близка к пределу выносливости основ- ного металла. У точечных соединений пределы выносливости ниже, чем у роликовых. Предел выносливости роликовых соеди- нений со скосом нахлестки (§ 93) выше, чем у роликового со- единения с нормальной нахлесткой. Образцы разрушались во время испытания главным образом в переходной зоне или вблизи шва. Отношение предела выносли- вости сварных соединений a'w и исходного материала ow равно: а) при точечной сварке................ _^=91,5% б) при роликовом соединении с нормальной нахлесткой ........................... — = 92,5% cw в) при роликовом соединении со скосом на- ' хлестки (фиг. 199) ..................—го-—94,5% cw Роликовая сварка низколегированных ста- лей. Благодаря явлению шунтирования тока (о чем речь была ранее, § 12) в соседних точках при роликовой сварке, вызываю- щего дополнительное нагревание и термообработку шва, удает- ся применять роликовую сварку, но нефорсированным режимом для низколегированных сталей '(ХРОМанснль> хромомолибден и др.). Например, при точечной сварке стали ЗОХГСА время про- хождения тока /=2-т-3 сек., а при роликовой сварке герметич- ным швом наилучшие результаты достигаются при /Св=0,20-?- 0,25 сек. и /1ГаУ*4=0,20-е-0,3 сек. Необходимая сила сварочного тока должна быть на 10—15% меньше, чем при роликовой сварке малоуглеродистой стали. § 64. Причины дефектов шва при точечной и роликовой сварке Дефекты возникают из-за нарушения одного из параметров сварочного режима, а также из-за неправильной заготовки деталей перед сваркой, например, неправильной отбортовки (фиг. 152) и нахлестки (а, б, в) или неодинакового радиуса закругления двух свариваемых заготовок криволинейной формы (фиг. 152,г). Кроме того, при неправильной сборке получаются зазоры между заготовками или даже гофры между двумя со- седними точками (фиг. 152,д). Во всех этих случаях часть дав- ления, приложенного к электродам, расходуется из-за неплот- ного прилегания, а истинное сварочное давление оказывается гораздо меньше установленного при подборе режима на образ- цах. Чем жестче соединяемые заготовки, тем труднее их дефор- мировать при сварке. Таким образом сопротивление сварочного контакта значительно возрастает из-за сниженного давления Р 262
(см. уравнение 1|, § 2), что существенно понижает силу тока (согласно уравнению 8, § 7) и размер ядра точки. Заготовки для точечной и роликовой сварки требуют по- этому тщательной подгонки, а сложные детали — и предвари- тельной сборки в специальных приспособлениях. Для сварки жестких штампованных деталей приходится иногда снижать допустимую величину зазора до 0,1—0,15 мм, хотя в листовых Фиг. 152. Влияние дефектов заготовок деталей ив качество шва. а. б, в, г, д—неправильная подготовка деталей "под сварку; е—правильная. конструкциях наибольший допустимый зазор равен примерно 0,5—0,8 мм. Причинами деформации при точечной и роликовой сварке могут быть: а) неравномерность нагревания свариваемых за- готовок по толщине и б) различное тепловое расширение двух заготовок с разными- тепловыми и физическими свойствами и неодинаковое сокращение при охлаждении. Для уменьшения деформации деталей следует применять форсированный режим сварки при малой длительности проте- кания тока. Кроме форсированного режима сварки и жесткой фиксации необходимо в ряде случаев (глава XII) для умень- шения деформации детали либо применять сварку в холодной воде, либо обильно поливать электроды и детали при сварке (фиг. 153). Наряду с охлаждением холодной водой хорошие результаты показал предложенный кафедрой сварки МВТУ [36] метод воздушно-водяного охлаждения. Он осуществляется водой, но распыленной сжатым воздухом. 263
Фиг. 153. Схема роликовой свар- ки с врименением наружного во- дяного охлаждения электродов и сварной детали. ся также из-за неправильной мента (электродов или роликов) (фиг. 154). Этот метод охлаждения обеспечивает наиболее интенсивный отвод тепла от нагретых зон шва. Соприкосновение охлаждаю- щей струи с горячей поверх- ностью вызывает интенсивное испарение влаги, и отвод теп- ла осуществляется, повидимо- му, не только конвекцией, но и в а счет скрытой теплоты паро- образования. Воздушно-водяное охлажде- ние имеет еще то практическое Преимущество, что рабочее ме- сто и сварные детали остают- ся почти сухими. При водяном же охлажде- нии швов детали и рабочие места значительно увлажняют- ся, ухудшая условия труда. Чтобы избежать образова- ния коррозии при охлаждении швов, рекомендуется прибавить к воде 0,25% нитрита натрия 1 (NaNOJ или осушать сварные детали горячим воздухом не- посредственно после сварки. Неудовлетворительное ка- чество сварных швов получает- подготовки сварочного инстру- I 2 3 Фиг. 154. Неправильная подготовка сварочных электродов, /—перекос верхнего электрода или ролика; 2—не соосность электродов; 3—перекос электродов при сварке громоздких деталей без поддерживающей оснастки. Громоздкие детали вызывают при сварке без приспособлений перекос электродов или роликов (фиг. 154,3), в результате чего снижается качество шва. 1 Или окунать деталь после сварки в этот раствор.
Глава XII ТОЧЕЧНАЯ И РОЛИКОВАЯ СВАРКА НЕРЖАВЕЮЩИХ И ЖАРОУПОРНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ § 65. Условия сварки хромоникелевых сталей и сплавов Для современных тяжелых самолетов н авиационных реак- тивных двигателей широко применяются нержавеющие, жаро- упорные и хромоникелевые стали и сплавы. В отличие от малоуглеродистой стали эти материалы обла- дают более 'высокими электрическим сопротивлением и коэффи- циентом линейного расширения, а также более низкой тепло- проводностью. Электрические, физические и механические свой- ства некоторых таких материалов приведены в табл. 51*. Таблица 51 Электрические, физические и механические свойства материалов (в отожженном состоянии), подвергающихся контактной сварке Материал Химический состав % Темпера- тура плавления °C Удельное сопротив- ление, мком/см* Электропровод, ность в % к Меди Теплопроводность вт'см °C Коэффициент ли- нейного расшире- ния | Предел прочности кг/мм* Малоуглеро- дистая сталь СО,1—0,150 1520 11,5 15 0,6 12-10~в 30-U40* Аустенитная нержавеющая сталь Я1Т 18Сг; 8N1 (присутст- вие титана или ниобия) 1430-1470 75 2,36 0,16 18-10е 55-470 Сталь 25-20 25Сг; 20N1. 55Fe 1390-1420 87 — 0,18 18-10-6 65 Сплав инко- нель 80Ni; 14 Сг, 6Fe 1395 98 1,75 0,15 14 55-466 Хромонике- левый сплав (20-80) 20Cr; 80Ni 1375 110 1.5 0,126 15 65-480 Предел прочности жароупорных сталей и сплавов в зави- симости от температуры испытания (кратковременного) пока- зан на фиг. 154а. Для сравнения приведена малоуглеродистая сталь. 265
Фиг. 154а. Предел кратковре- менно* прочности жароупор- ных материалов при различных температурах. Вследствие малой теплопроводности хромоникелевых ст'алей и сплавов температурный градиент при сварке получается более высоким, чем, например, для малоуглеродистой стали, поэтому хромоникелевые стали более чувствительны к изменению ре- жима сварки: силы тока, продолжительности протекания, давле- ния и размера торца электрода. Эти стали особенно чувстви- тельны к продолжительности нагревания каждого шва. Чтобы избежать выпадения карбидов при нагревании не- ржавеющей стали необходимо, чтобы количество энергии при сварке было строго дозировано и процесс сварки протекал в короткий промежуток времени. Малое время сварки необхо- димо для того, чтобы зона тепла ёыла резко локализована, а стывание расплавленного метал- ла и переход через область кри- тических температур происходи- ли возможно быстрее, в то время •как окружающие зоны металла (вокруг сварной точки) не успе- ли еще получить отжиг и поте- рять аустенитную структуру. Такая точная дозировка сва- рочного , импульса оказывается возможной при работе с быстро- действующими безинерционными прерывателями, допускающими сварку в течение нескольких со- тых долей секунды. Точечная сварка хромоникелевых сплавов должна отвечать следующим требованиям: 1. Величина сварочного тока должна оставаться постоянной для всех сварных швов на данном изделии. 2. Время сварки каждой точки (при условии работы с асин- хронным прерывателем) должно быть порядка 0,1 сек. При сварке весьма тонких листов время сварки, как видно будет из дальнейшего, не должно превышать 0,1 сек., но должно быть не меньше 0,02 сек. Такая продолжительность сварки мо- жет быть надежно обеспечена при условии применения син- хронно-ионных прерывателей. 3. Давление на электроды должно быть вдвое выше, чем при сварке малоуглеродистой стали (р = 20—22 кг/лсм2). 4. Поверхность изделия, подлежащая сварке, должна быть очищена от окалины, окислов, грязи, жира, краски и т. д. 5. Электроды должны быть изготовлены из специального медного сплава с твердостью не ниже чем 120 по Бринеллю. Для электродов могут быть рекомендованы сплавы кадмиевой бронзы или хромоцинковой бронзы ЭВ. 266
Ориентировочные технологические режимы для точечной сварки нержавеющих жароупорных сталей даны в табл. 52. Таблица 52 Ориентировочный режим точечной сварки двух листов нержавеющей стали Толщина наиболее тонкого внешнего листа мм Электроды Давление на элект- роды кг Свароч- ный ток а Время сварки сек. диаметр, мм радиус заточки сфериче- ского торца мм торец плоский конус- ный торец сфери- ческий 0,15 2,0 15 45 1750 0,04 0,25 3 15 — 80 3 000 0,04 0,50 4 15 25 150 5500 0,08 0,75 5 15 50 225 7000 0,08 1,00 5 15 100 350 8500 0,10 1,25 6 15 100 450 9000 0,16 1,50 6 15 150 600 10000 0,16 2,00 8 20 150 800 11000 0,24 2,50 8 20 150 1000 11 500 0,24 3,00 9 25 200 1300 13500 0,30 4,00 10 25 200 2000 14500 0,40 5,00 12 30 250 2500 16000 0,50 В табл. 53 приведены режимы точечной сварки сплавов: монеля, никеля и инконеля [40]. Как видно из предыдущего, при точечной сварке происхо- дит местный нагрев весьма ограниченного объема металла, ко- торый при: этом стремится расширяться. Вследствие тепловых и физических особенностей нержавеющих и жароупорных ма- териалов и малой длительности сварочного процесса образует- ся высокий температурный градиент у границ ядра и зоны, окружающие ядро точки, имеют более низкую температуру и препятствуют расширению расплавленного металла ядра. При последующем охлаждении шва возникают остаточные напряже- ния. Остывание ядра точки сопровождается усадкой металла, часто вызывающей образование усадочных раковин и трещин. 267
Таблица 53 Ориентировочные условия точечной сварки листов из монеля, никеля и инконеля Толщина листа мм Диаметр торца электрода мм Давление на электрод кг Продолжи- тельность сварки сек. Сила тока а Прочность точки кг Листовой монель1 0.5 3 80 0,24 6 000 250 0.8 5 300 0,24 10000 580 1.5 6.5 900 0,24 15000 1450 2,5 10 1250 0,40 23000 2850 3.0 9,5 1750 0,60 21500 3500 Листовой никель 0.5 3 100 0,08 7700 200 0.8 5 375 0,08 15000 430 1.5 6 750 0,12 22 000 1 290 2.5 8 1000 0,24 26500 2270 3,0 10 1500 0,40 30 000 3960 Листовой инконель 0.5 3 100 0,24 4 000 300 0,8 5 300 0.24 6 700 670 0,8 3 150 0,24 3700 470 1.5 6.5 900 0,40 6000 1520 2,5 8 1400 0,40 13000 2880 3.0 11,0 2400 0,60 20000 4 759 Усадочные деформации и коробление можно значительно снизить искусственным охлаждением шва, а также путем умень- шения размера каждой дтдельной точки. Для уменьшения 1 Состав: 60-70% N1; 2% Fe; 2.4%А!; 1% Мп; 0.25% С; 0,5% Si. 268
усадки предпочтительно в некоторых случаях применять боль- шее количество точек с меньшим диаметром (для равнопроч- ности соединения), чем меньшее количество точек, но большего диаметра. Роликовая сварка герметичных швов нержавеющих и жароупорных материалов возможна при условии применения синхронных прерывателей. В табл. 54 даны ориентировочные параметры сварочного режима для нержавеющей стали, кото- рые можно рекомендовать также для роликовой сварки неко- торых жароупорных сталей и сплавов. Для получения герметичных швов удовлетворительного ка- чества на материалах толщиной от 0,4 до 0,8 мм можно при- менять скорость сварки порядка 1—1,5 м/мин. Листы, толщина которых более 0,8 мм, следует сваривать при скорости <1 м/мин. При роликовой сварке часто наблюдается коробление де- талей. Обильного наружного водяного охлаждения шва в про- цессе сварки обычно достаточно для устранения коробления. Интересно отметить, что роликовой сваркой можно соеди- нять литые детали с листовыми *. Точечную и роликовую сварку деталей из нержавеющих и кислотоупорных сталей и сплавов, предназначенных для работы в агрессивных средах, рекомендуется производить по тем же технологическим режимам, как и указанные в табл. 52 и 54. Однако контроль качества должен быть более строгим. При этом необходимо избежать образования цветов побежалости на наружной поверхности швов. Контролируя степень провара (на образцах) по макрострук- туре, следует уточнить режим сварки так, чтобы толщина ме- таллического слоя от вершин ядра точки до наружной поверх- ности каждого листа была примерно равна 0,4 8, где 8 — тол- щина одного Л!иста. Степень перекрытия точек для герметичных швов должна быть не менее 60%. Непрерывная точечная сварка Если конструкция свариваемой детали малых размеров из жароупорной или другой стали не позволяет получить герме- тичное соединение на нормальной роликовой машине, то такой герметичный шов может быть выполнен на точечной машине по методу «непрерывной» точечной сварки (см. § 1). Как ука- зывает название, этот метод является технологическим приемом, позволяющим получать герметичные швы на точечной машине взамен сварки на роликовой в виде ряда сварных точек, пере- крывающих одна другую и образующих сплошной герметичный шов (см. фиг. 9). 1 Дефекты литья (поры, усадочные раковины) являются также причиной дефектов шва. 269
Таблица 54 Ориентировочные данные по роликовой сварке нержавеющей стали Толщина наиболее тонкого листа мм Ъ Толщина ролика D и радиус заточки /? Давление на электро- ды Время сварки каждого импуль- са Рекомендуемые интервалы между импульсами тока для максимальной скорости сварки в сек. Приблизи- тельная сила тока а мм R, мм D, мм кг сек. 2 листа 4 листа а 0,15 40 5 135 0,04 0,02 0,02 4 000 0,20 40 5 150 0,04 0,02 0,04 4500 0,30 40 6 200 0,06 0,04 0,04 5500 0,40 40 6 270 0,06 0,04 0,06 6500 0,50 40 6 300 0,06 0,04 0,06 8000 0,75 75 10 450 0,06 0,06 0,08 10000 1,0 75 10 600 0,06 0,08 0,10 13000 1,50 75 15 850 0,08 0,10 0,14 15000 2,00 75 15 1000 0,08 0,10 0,14 16500 2,50 75 20 1 150 0,10 0,10 0,16 16500 3,0 75 20 1350 0,10 0,12 0,18 17 000 У современных точечных машин автоматически перемещает- ся верхний электрод, что позволяет осуществить непрерывную точечную сварку со скоростью 30—50 точек в минуту; поэтому применение непрерывной точечной сварки даже в особых спе- цифических случаях не окажется мало производительным, если применять приспособление для перемещения детали с заданным шагом. Непрерывную точечную сварку жароупорных и нержа- веющих сталей рекомендуется также производить с обильным наружным водяным охлаждением. Форму торцов электродов следует выбрать сферической. При непрерывной точечной сварке степень перекрытия мож- но рекомендовать равной 0,5—0,6 d, где d — диаметр точки. При непрерывной точечной сварке жароупорных сталей и сплавов следует выбирать менее форсированный режим по ве- личине тока и времени, чем при обычной точечной сварке. 270
§ 66. Экспериментальное исследование точечной и роликовой сварки жароупорных сталей и сплавов Качество сварки зависит от большого числа факторов, и при- веденные в табл. 52 и 54 значения сварочного режима нужно рассматривать только как. ориентировочные. Условия сварки должны быть уточнены для каждого сорта стали и сплава и для каждой конкретной сварной детали. Критерием для уточнения режима сварки могут служить усилие среза, диаметр ядра сварной точки и отсутствие пор и. трещин в шве. Наши исследования [2У], позволили установить режимы точечной и роликовой сварки для различных жароупорных сталей и сплавов на отечественном оборудовании средней мощности, а также получить значения прочности сварных со- единений при повышенных температурах для сталей Я1Т, 25-20 и нихрома ЭИ-435. Сталь Я IT обладает отличной свариваемостью. Режимы то- чечной сварки стали Я1Т на оборудовании средней мощности представлены в табл. 55. Таблица 55- Параметры режима точечной сварки стали Я1Т Толщина листов мм Диаметр торца электрода мм Приблизи- тельная сила тока а Давление на элект- роды кг Время сварки сек. 0,64-0,6 4-5 7000 320 0,12 0,84-0,8 4-5 7000 350 0,15 1,04-1,0 4-5 7 500 350 0,20 1,24-1.2 5 k 8000 350 0,20 1.54-1,5 5-6 8 000 400 0,35 Прочность сварных точечных соединений листов различной толщины при кратковременном испытании в зависимости от тем- пературы дана в сводной табл. 56. При испытании на срез сварных точек характерны вырыв точек из листа толщиной до 1,2 мм и срез точек при толщине листа 1,5 мм и более. Оптимальные параметры процесса роликовой сварки стали Я IT приведены ниже в табл. 59. 271
Таблица 56 Средняя прочность сварной точки на срез отрыв при различной температуре Толщина материала в мм Темпера- тура испытания °C Усилие отрыва кг на точку Усилие среза кг на точку Отношение прочности отрыва к срезу в % Материал 0,8+0,8 20 460 518 88 0,8+0,8 500 325 411 78 0,8+0,8 800 47,2 157 30 Сталь 25-20 1,5+1,5 20 952 974 100 1,5+1,5 500 730 . 784 93 1.5+1,5 800 100 251 40 0,6+0,6 20 165,5 232 71 0,6+0,6 . 500 107 196 55 0.6+0.6 800 21,6 72 32 Сталь ЯП 1,2+1,2 20 888,5 980 91,5 1.2+1,2 5U0 552,5 570 92 1.2+1,2 800 72,4 224 32 1,0+1,0 20 644,5 826 78 1,0+1,0 500 330 696 47,5 1,0+1,0 800 76 164 46 Нихром ЭИ-435 1,4+1,4 20 1 130 1 130 100 1,4+1,4 500 498,5 9>4 54,5 1.4+1,4 800 62 251 25 272
При испытании на разрыв образцов из стали Я1Т, выполнен- ных роликовой сваркой, при температурах 20° и 400° разрушал- ся основной материал, а при 800° С образец разрушался в пе- реходной зоне. Сталь 25-20, которая по электрическим, тепловым и физи- ческим свойствам близка к стали Я1Т, обладает хорошей сва- риваемостью при форсированном режиме, применяемом для Я1Т, только при соединении тонких листов не свыше 0,8 мм. При сварке форсированными режимами листов толщиной [-т-2 мм образуются внутренние радиальные трещины и поры. Это явление еще мало исследовано. Ойо может быть, одна- ко, объяснено тем, что благодаря различию в химическом составе этих сталей пластичность стали 25-20 при высоких тем- пературах гораздо ниже, чем стали Я1Т. По этой причине усилие сжатия, приложенное к электродам (3004-400 кг), яв- ляется критическим для листов толщиной не более 0,8 jwjw. Зо- ны металла вокруг ядра точки не деформируются под действием заданного усилия на электроды; поэтому & расплавленном ядре (из-за высоких линейного расширения и градиента температур, а также низкой электро- и теплопроводности) при сварке фор- сированным режимом получаются выплески и трещины. Устранить трещины оказалось возможным путем нефорсиро- ванного режима сварки. Этого же, вероятно, можно достичь применением давления на электроды в 5—10 раз большим, чем при сварке листов из стали Я1Т той же толщины. В табл. 57, приведены разработанные нами режимы точечной сварки ста- ли 25-20. Таблица 57 Параметры режима точечной сварки Стали 25-20 Толщина листов мм Диаметр торца электрода мм Сила тока a Время сварки сек. Давление на элект- роды кг 0,8-Ю,8 4—5 7000 0,3 300 1,24-1,2 4,5-5,5 7 000 1,0 350 1,54-1,5 5-6 7 500 1,2 400 Изменение прочности сварных точечных соединений на стали 25-20 в зависимости от температуры испытания (кратковремен- ного) дано в сводной табл. 56. Сплав ЭИ-435 обладает хорошей свариваемостью. Режим точечной сварки должен быть нефорсированным [(табл. 58). 273
При форсированном режиме сварки деталей из сплава ЭИ-435 образуются выплески и усадочные раковины в ядре точки, легко обнаруживаемые рентгеном и визуально при скручивании точки (поворотом одной заготовки образца по узкому ребру при за- Фиг. 155. Внутренний выплеск а при точечной сварке. жатой в тисках второй заготовке). На фиг. 155 показан сварен- ный при форсированном режиме образец из сплава ЭИ-435 толщиной 1,4 мм после разрушения. На пластине а видны ме- талл выплеска, оставшийся внутри пакета, и усадочная рако- вина в центре точки. Таблица 58 Режим точечной сварки нихрома ЭИ-435 Толщина листов мм Диаметр торца электрода мм Сила тока а Время сварки сек. Давление на элект- роды кг 1,04-1,0 4-5 7 200 0,3 350 1,4 + 1,4 5-6 7500 1,0 400 1,7 + 1,7 5.6 8 000 1,2 400 274
Разрушающая нагрузка на срез для сварных точек на листах из сплава ЭИ-435 в зависимости от температуры дана выше в табл. 56. Вполне вероятно, что в случае давления на электроды при сварке хромоникелевых сплавов большего, чем указано в табл. 55, 57, 58 и 59, прочностные характеристики окажутся еще более высокими. Ориентировочные режимы роликовой сварки жароупорных сталей и сплавов даны в табл. 59. Там же приведен для сравне- ния режим сварки стали 10А. Таблица 59 Материал Толщина листов мм Сила свароч- ного тока а Давле- ние на ролики кг Время сварки сек. Скорость сварки м/мин включе- ния тока паузы Сталь Я1Т 1,0+1,0 9 000 350 0,04 0,08 0,5 Я1Т 1.5 + 1,5 И 000 400 0,04 0,08 0,5 , 25-20 1,0+1,0 11 000 500 0,04 0,08 0,5 . 25-20 1,5+1,5 11000 500 0,04 0,08 0,5 Нихром ЭИ-435 1,0+1,0 10 000 550 0,04 0,08 0,5 . ЭИ-435 1,7+ 1,7 11 000 550 0,04 0,08 0,5 Сталь 10А 1.0 + 1,0 15000 350 0,04 0,08 0,5 Роликовая сварка сплава ЭИ-435 и стали 25-20 форсированным режимом, протекающая при импульсе тока, рав- ном 0,02—0,06 сек., и давлении на электроды 3004-500 кг (см. табл. 59), обеспечивает хорошее качество швов благодаря до- полнительному подогреву шва шунтирующим током, но вызы- вает иногда образование умеренного количества внутренних пор или усадочных раковин, не влияющих на прочность соеди- нения. Кратковременные испытания сварных роликовых соединений деталей из сплава ЭИ-435 и стали 25-20 при различных темпе- ратурах показали, что предел прочности их аналогичен роли- ковым соединениям из стали Я1Т и совпадает с пределом проч- ности основного материала, а разрушения происходят вне шва. При высоких температурах разрушение происходит в переход- ной зоне шва (на границе с ядром). Испытания непрерывно -точечной сварки гер- метичных швов на жароупорных сплавах показали, что швы обладают такими же механическими свойствами, как и при ро- ликовой сварке этих сплавов. 275
Прочность сварных точек при растяжении (отрыве) при повышенных температурах Как известно, нагрузка перпендикулярно плоскости точки создаст наилучшие условия для отрыва точки и прочность по- лучается значительно ниже, чем при действии срезывающих усилий. Результаты испытания (J-образных образцов, полученные автором при различных температурах, даны выше в табл. 56. Фиг. 156. Макроструктура сгарных точечных соединений. Диаметр верхнего электрода при сварке был равен 5 мм, а нижнего 10 мм. а—сталь Я1Т (1,24-1,2 ллг); б— сталь Я1Т (1,54-1,5 мм); в—сталь 25-20 (1,54-1,5мм); г—нихром ЭИ-435 (1.4 +1,4 мм). Как видно из этой таблицы, при 20° С средняя разрушаю- щая нагрузка почти совпадает с нагрузкой при срезе. Исклю- чение составляют образцы, толщина которых меньше 1 мм. При температуре 500° С отношение прочности отрыва к прочности точек при срезе составляет 0,8-+1 для сталей Я1Т и 25-20 и 0.5-+0.55 — для ЭИ-435; при температуре 800° С оно состав- ляет 0,25-+0,4 для всех трех материалов. Резкое падение прочности на отрыв при 7=800° С можно объяснить том, что при этой температуре происходят сперва деформация и вытя- гивание основания каждой заготовки образца, несмотря на при- менение жесткого вкладыша из жароупорного сплава. Это вы- зывает перекос образца, а разрушение происходит в результате отрыва точки, без образования отверстия в одной из заготовок образца. Макроструктура сварных швов (фиг. 156) и полученные ха- рактеристики прочности для исследованных материалов под- тверждают правильность выбранных режимов сварки. 276
Длительная прочность сварных соединений из жароупорных сплавов, испытанных при повышенных температурах, согла- суется с длительной прочностью исходного материала. Эти исследования, не являющиеся исчерпывающими, свиде- тельствуют, однако, что соединения, выполненные из рассматри- ваемых жароупорных материалов (в состоянии поставки) роли- 6к. кг/w* цикгов Фиг. 157. Предел выносливости роликовых и точечных соедине- ний (1^-1 мм) жароупорных сплавов. а—сталь Я1Т; б—сталь 25-20; в—нихром ЭИ-435. ковой сваркой и без обработки после сварки, обладают мень- шей длительной прочностью, чем точечные соединения. Исследование предела выносливости сварных соединений листовых жароупорных материалов при нормальной темпера- туре, проведенное (аналогично § 63) на консольных плоских образцах (3=1 jam) при условии двустороннего изгиба, пред- ставлено на фиг. 157. Кривые построены для жароупорных материалов Я1Т, 25-20 и ЭИ-435. 277
Как видно из этих кривых предел выносливости исходных материалов ою лежит в диапазоне 264-28 кг/лш’, что состав- ляет примерно 0,5 оя. Предел выносливости точечных соедине- ний ниже, чем у роликовых соединений. У сплава ЭИ-435 предел выносливости роликовых соедине- ний совпадает с пределом выносливости исходного материала. Наиболее низкий предел выносливости получен (в пределах рассматриваемого исследования) для стали Я1Т. Отношение предела выносливости сварных соединений о'«, к пределу' выносливости исходного материала приведено в табл. 60. Таблица 60 Материал, толщина соединения мм Вид сварки в % cw Сталь Я1Т Точечная 60 1+1 мл То же Роликовая 64 Сталь 25-20 Точечная 64 1+1 мм То же Роликовая 73,5 Сплав ЭИ-435 Точечная 74,5 1+1 мм • То же Роликовая 96 Сварка разнородных сталей и сплавов Выше» (§ 9) были проанализированы явления, вызывающие необходимость искусственного смещения центра генерирования тепла в сварочном контакте. Это явление следует также учесть при сварке, например, высокоуглеродистой стали или стали Я1Т с малоуглеродистой. Искусственное перемещение центра генерирования тепла дости- гается в рассматриваемом случае изменением размера торца одного электрода или ширины1 одного ролика по отношению к противоположному электроду или ролику сварочной машины. Вследствие большей электро- и теплопроводности малоуглеро- 278
диетой стали по сравнению с жароупорной, размер торца элек- трода или рабочей части ролика должен быть меньшим со сто- роны малоуглеродистой стали (фиг. 158). Удовлетворительная роликовая сварка гофрированного от- ражателя из малоуглеродистой стали с цилиндром из жаро- упорной стали была получена только благодаря применению Фиг. 158. Соотношение диаметров торцов электродов или ро- ликов при сварке разнородных и однородных металлов. схемы фиг. 158,г. Здесь уместно напомнить, что при Точечной или роликовой сварке листов одинаковой толщины и из одина- ковых материалов изменение размера торца одного электрода или ширины ролика' до двойной величины не вызывает заметной асимметрии ядра шва (см. фнг. 156). В целях экономии мате- риала электродов и времени на зачистку их можно применять при сварке одинаковых материалов и одинаковых толщин (для 8=1—2 мм) один электрод или ролик с рабочей поверхностью на 50—ЗО’/о больше нормального. § 67. Применение контактной сварки в производстве реактивных двигателей В отличие от ранних конструкций реактивных двигателей, для которых применялись четыре вида сварки (газовая, дуго- вая, точечная и роликовая), для деталей двигателей последних конструкций применяется почти исключительно роликовая и то- чечная сварка. Примером использования контактной сварки в производстве реактивных двигателей могут служить двигатели НИН или Дервент *, у которых камеры сгорания и система выхлопа из- готовлены полностью из листового материала контактной свар- кой. На двигателе имеется около 140 м герметичных роликовых швов и более 3000 точек, не считая прихваточных точек. Рассмотрим некоторые сварные агрегаты этого реактивного двигателя. 1. Камера сгорания (фиг. 159) состоит из двух основ- ных частей: 1) головки, состоящей в свою очередь из еетки, 1 См. Aircraft Production, 1946, № 9. 279
280
завихрителя и раструба, закрытых куполом, и 2)’ корпуса, со- стоящего из цилиндрической части и двух конических частей. На корпусе камеры сгорания имеется семь цилиндрических швов (внахлестку), придающих дополнительную жесткость кон- струкции. Камера сгорания изготовляется из листов жароупор- ного сплава Ni-Cr толщиной 1,2 мм. Каждая камера имеет внешний кожух. Внешний кожух камеры, не подвергающийся воздействию высоких температур, изготовляется из малоугле- родистой листовой стали. Одной из наиболее сложных деталей камеры сгорания и в то же время небольшой по габаритам является завихритель (фиг. 160), расположенный в передней части камеры. За исключением внутреннего кольца А, изготовленного из точеной трубки стали Я1Т, весь завихритель выполнен из ли- стового нихрома. Завихритель собирается в приспособлении, указанном на фиг. 161. Внутреннее кольцо устанавливают на центрирующей оправке О. Каждую лопатку укрепляют в диа- гональном лазе, вырезанном в торце четырехугольного плунже- ра, и прижимают к внутреннему кольцу прижимным винтом. На фиг. 162 показана сварка (в приспособлении) лопаток к внутреннему кольцу. Приварка лопаток к внешнему кольцу производится аналогичным образом, но без приспособления. Сварка носка с куполом производится в приспособлении, указанном на фиг. 163. Для облегчения приспособление можно изготовить из алюминиевого сплава. Далее, приваривают точ- ками завихритель к внутренней цилиндрической поверхности раструба камеры сгорания. Сборочное зажимное приспособление для присоединения ку- пола и носка к раструбу и сетке показано на фиг. 164. Па фиг. 165 показана прихватка в приспособлении двух конических частей камеры сгорания и соединительного кольца между ними. - Роликовая сварка камеры производится без приспособлений после прихватки монтажными точками (фиг. 166). 2. Наружный кожух камеры сгорания состоит из трех секций, продольные и поперечные швы которых выполня- ются герметичной роликовой сваркой. Зажимные приспособле- ния для прихватки отдельных частей кожуха показаны на фиг. 167. Левое приспособление применяется для прихватки ко- зырьков А к цилиндрической части кожуха; правое — для креп- ления центральной конической части к цилиндрической, а третье, нижнее приспособление, служит для крепления двух соединен- ных секций с третьей. 3. Выхлопная система состоит из реактивной трубы и внутреннего конуса. Внутренний конус центрируется в реак- тивной трубе на четырех обтекателях. Реактивная труба изго- товляется полностью герметичной роликовой сваркой. К верх- ней и нижней частям реактивной трубы приваривают (фланцы Детальное литье) на роликовой машине. Для упрочнения реак- ISt
Фиг. 160. Завихритель, выпол- ненный точечной сваркой. Л—внутреннее кольцо; Б— лопат- ка; В—наружное кольцо. Фиг. 161. Зажимное приспособ- ление для фиксации лопаток с внутренним кольцом завихри- теля. Д —внутреннее кольцо в рабочем положении; Б—лопатка; В—че- тырехугольный плунжер для ус- тановки лопатки; Г—прижимной винт; Д—дисковый шаблон для проверки расположения лопаток после сварки; О—центрирующая оправка. Фиг. 162. Приварка лопа- ток к внутреннему кольцу. Фиг. 163. Сварка носка с куполом. 282
Фиг. 164. Зажимное приспо- собление, применяемое при сварке купола и носка с рас- трубом и сеткой. Л—плита; Б—центрирующая оправка; Б—фиксатор; Г —при- жимное кольцо; Д — шарнир- ный болт. Фиг. 165. Прихватка сое- динительного кольца к ко- ническим частям камеры сгорания. Фиг. 166. Роликовая сварка камеры сгорания. 2*3
тивной трубы к ее обечайке приварены роликовой сваркой коль- ца z-образного сечения. При этом применяется приспособление (фиг. 168), с помощью которого сварка осуществляется одним сварщиком без подсобного рабочего. Фиг. 167. Зажимное приспособление для прихватки отдельных частей кожуха камеры. 4. Обтекатели (фиг. 169) изготовлены из листа жаро- упорного сплава. Обшивка обтекателя приваривается точка- ми к ребрам жесткости. Прихватка каждого обтекателя произ- водится в приспособлении в две операции. Средние ребра жесткости одеваются на две стойки, обеспечиваю- щие необходимую точность сборки. Ряд деталей двигателя выполняется непрерывно-то- чечной сваркой. Следует отмстить, что Фиг. (68. Приспособление Б, укреп- ленное на нижнем ролике А свароч- ной машины для сварки наружного конуса. В — верхний ролик машины. кожух камеры сгорания при работе двигателя сильно вибрирует, и разрушения возникали обычно в про- дольных герметичных швах кожуха (см. фиг. 167). 284
Исследование вибрации кожуха камеры сгорания при работе двигателя, проведенное при помощи осциллографической за- писи, показало, что вибрация кожуха достигает 50—60 кило- циклов в минуту. При усталостном нагружении сварных роли- Фиг. 169. Свариваемые детали обтекателя. новых соединений кожуха разрушения их возникают видимо из-за резкого изменения сечения в нахлестке. Местом разруше- ния является обычно переходная зона соединения, где концен- трация напряжения наиболее высока. Избежать разрушения кожуха удалось путем изменения формы сварных соединений.
РАЗДЕЛ ЧЕТВЕРТЫЙ ТЕХНОЛОГИЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ Глава Х111 ТЕХН ИКО-ЭКОНОМ И Ч ЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ И НЕОБХОДИМЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЯ § 68. Технико-экономические преимущества точечной и роликовой сварки легких сплавов перед клепкой Контактная сварка легких сплавов в настоящее время при- меняется и самолетостроении — отрасли промышленности, в ко- торой легкие сплавы (наШли широкое применение и где закле- почные соединения заменяются точечной сваркой. Одним из важных преимуществ точечной сварки легких сплавов перед клепкой является возможность получения более гладкой поверхности изделия, необходимой для уменьшения аэродинамического сопротивления агрегатов современных ско- ростных самолетов. Технико-экономические преимущества точечной сварки лег- ких сплавов можно характеризовать следующим образом: 11 Уменьшается (по сравнению с клепкой) количество при- способлений и стапелей, необходимых для сборки узлов перед свайкой. 2. Уменьшается в связи с этим потребная производственная площадь. 3. Производительность при точечной сварке легких сплавов повышается в три-четыре раза по сравнению с клепкой. 4. Отпадают операции, необходимые при клепке: сверление, зенковка, клепка, производство заклепок. 5. Пе требуется термической обработки заклепок и хранения их в холодильниках для сохранения нужных свойств. 286
При серийной работе каждый сварщик легко сваривает 30—40 точек в минуту, в то время как в течение одной минуты двое клепальщиков поставят не более пяти заклепок. В качестве примера можно привести производство стабилизатора самолета, которое требовало 30 часов для изготовления клепкой и только 3 часов при точечной сварке. Средние данные расчета сравнительной стоимости сварки и клепки алюминиевых сплавов показывают, что стоимость одной заклепки в конструкции в 5—10 раз превышает стоимость одной сварной точки при том же материале. Вес самолета при точечной сварке снижается главным обра- зом благодаря отсутствию в этом случае головок заклепок (средний вес обеих головок заклепки 0 2,5—3 мм составляет примерно 225—250 мг). Еще до войны, а также в годы войны авиационная промыш- ленность СССР и зарубежных стран применяла точечную свар- ку взамен клепки для ряда самолетных узлов и агрегатов из легких сплавов. Например, в конструкции довоенного самолета Ильюшина имеется свыше 20 000 сварных точек. В основном точечной сваркой в довоенные годы сваривались, капоты моторов, гофрированное днище самолета, бензобаки, за- крылки, двери люков, воздухотрубопроводы и т. д. Современные тяжелые самолеты имеют примерно 250 000 то- чечных соединений на силовых и несиловых агрегатах из алю- миниевых сплавов и нержавеющей стали. В Германии точечная и роликовая сварка получила большой размах при массовом изготовлении (в годы войны) самолетов- снарядов типа ФАУ. Основным видом соединения корпуса этих, самолетов-снарядов была точечная и роликовая сварка. Организационно-технические вопросы с в а р к в легких сплавов Для контактной сварки легких сплавов требуются более усо- вершенствованное и мощное сварочное оборудование и более квалифицированный обслуживающий персонал, чем для контакт- ной сварки сталей. Требования, предъявляемые к качеству сварных швов легких сплавов, более строгие, чем при сварке сталей. Поэтому уместно будет здесь остановиться на некоторых организационно-техниче- ских вопросах, играющих чрезвычайно важную роль. При установке нового сварочного оборудования необходимо обеспечить мощность питающей подстанции, чтобы максималь- ное отклонение напряжения в общей сети переменного тока но превышало +5%. Напряжение на зажимах машины в момент сварки, незави- симо от числа работающих машин, не должно быть ниже 85% номинального напряжения. Давление воды, охлаждающей элек- 287
троды, должно быть не ниже 4 ата (при входе в машину). Тем- пература входящей воды примерно 15° С. Давление сжатого воздуха, подводимого к машине, должно быть не меньше 5,0 ата. Сварочные электроды являются инструментом сварочной машины, требующим быстрой замены; для нормальной работы машины требуется не менее пяти пар электродов в смену. Ре- комендуется применять электроды стандартной формы. Точечной сваркой чаше всего пользуются в массовом произ- водстве. При средней производительности машины от 30 до 60 точек в минуту и интенсивной работе за восемь часов работы сваривают 10 000—15 000 точек. Для обеспечения Такой производительности необходимо правильно организовать по- дачу свариваемых деталей к машине. Детали, поступающие на сварку, долж- ны быть очищены от оксидной пленки, хорошо пригнаны одна к другой и со- браны на фиксаторах в быстродействую- щих зажимных приспособлениях. Реко- мендуется каждую сварочную машину специализировать на сварке одной дета- Фиг. 170. Прозрачный дц иди группы ИХ С ОДИНЗКОВОЙ ТОЛЩИ* ’уиток Ал" предохране- |Ю1~{ листов чтобы время, необходимое ния лица сварщика при * J работе на контактных Д^я настройки режима, было наимень- маыинах. шим. Все сварочные операции рацио- нально производить в одном цехе под единым контролем и руководством. Сварочное оборудование для этого должно быть сконцентрировано в одном месте, так как установка машин или агрегатов в разных цехах в одиночку или группами не оправдывает средств, затрачиваемых на подготов- ку поверхности заготовок к сварке, уход и регулирование ма- шин и т. д., хотя стоимость транспортировки деталей возрастает. При организации сварочных работ необходимо принимать меры для зашиты лица сварщика от металлических брызг, часто возникающих при сварке. Защитным средство.м могут служить очки, но лучше применять прозрачный щиток из плексигласа, показанный на фиг. 170. § 69. Экспериментальное сравнение производительности при точечной сварке и автоматической клепке листов из легких сплавов Скорость клепки листов из легких сплавов возросла за по- следние годы благодаря применению высокопроизводительных машин для автоматической клепки. Для выяснения вопроса о том, имеет ли точечная сварка какие-либо преимущества по сравнению с автоматической клепкой на новейших машинах в отношении скорости производства и прочности шва, были вы- 2&S
©раны для экспериментальной проверки заготовки из дуралю- мина толщиной 0,9 мм. Ширина нахлестки 25 мм, а шаг точек или заклепок 19 мм. На каждой панели была поставле- на 21 сварная точка или 21 заклепка. Диаметр заклепки 3,175 мм. Для сверловки и клепки одной панели потребовалось 120 сек., а для сварки лишь 39 сек. После клепки панели оказались сильно деформированными. Прочность швов при столь высокой производительности бы- ла проверена испытанием 10 образцов, вырезанных из каждой панели с двумя точками или двумя заклепками на каждом об- разце. ' Средняя из десяти испытаний разрушающая нагрузка на срез оказалась равной 421,5 кг на две сварные точки и 362 кг на две заклепки. Результаты этих испытаний показывают, что точечная сварка имеет преимущества перед современной автоматической клеп- кой как по скорости производства, так и по прочности швов на срез. При сварке конструкций из листов толщиной >1,5 мм пре- имущества точечной сварки в отношении скорости производства еще более возрастают. § 70. Необходимые условия сварки алюминиевых сплавов Алюминиевые сплавы обладают относительно высокой элек- тро- и теплопроводностью. Сварка этих сплавов происходит в очень ыраниченном интервале температур. Кроме того, алюминиевые сплавы обычно покрыты естественной оксидной пленкой, обла- дающей большим электрическим сопротивлением и неодинаковой по толщине на поверхности листа. Для нормальной точечной или роликовой сварки алюминие- вых сплавов, температура плавления которых в два с половиной раза меньше, чем у сталей, необходимо, из-за электрических и физических особенностей этих сплавов, применять силу тока, равную десяткам тысяч ампер при кратковременном протека- нии каждого импульса. Материал применяемых электродов и форма их рабочих торцов также влияют на качество сварного шва. Перечисленные обстоятельства чрезвычайно осложняют процесс сварки алюминиевых сплавов. Требования к оборудованию для точечной сварки легких сплавов Дополнительным фактором, влияющим также на выбор кон- струкции машины для точечной сварки алюминиевых сплавов, является скорость размягчения материала (при сварочной тем- пературе), равная примерно 0,002—0,005 сек. Как было указано выше .(§ 29), такая скорость размягчения требует легкого пере- 289
мощения (верхнего электрода сварочной машины. Продолжи- тельность движения верхнего электрода в момент расплавления металла внутреннего контакта должна -быть поэтому весьма ма- лой. Для обеспечения нужной скорости перемещения и сохране- ния заданного давления требуется значительное ускорение пере- мещения верхнего плеча машины. Подвижная система верхнего плеча должна обладать по- этому малой инерцией. В противном случае неизбежны внутрен- ние выплески металла, снижающие качество сварных швов. Усилие, приложенное к электродам, должно быть достаточ- ным, чтобы разрушить поверхностные естественные слон окиси и препятствовать образованию выплеска. В связи с этим машины для точечной сварки легких сплавов имеют более сложную конструкцию, чем для сварки сталей. Для регулирования продолжительности сварки каждого шва приме- няют ионные синхронные токопрерыватели или машины для импульсной сварки. Электроды для точечной сварки легких сплавов При сварке легких сплавов в качестве материала для элек- тродов применяют твердотянутую красную медь или специаль- ные твердые медные сплавы. Эти материалы должны иметь электропроводность не ниже 85% электропроводности чистой меди, твердость по Бринеллю не ниже 100 и высокое сопротив- ление деформации при повышенной температуре. Хорошие ре- зультаты показали электроды из кадмиевой бронзы. Рабочая часть электродов для точечной сварки должна иметь форму, указанную на фиг. 171. Для машин мощностью до 350 ква диаметр электрода 15 мм\ свыше 350 ква 20 лея. Не следует применять два электрода с плоскими торцами. Реко- мендуемая конструкция и размеры электродов показаны на фиг. 172. Наилучшие результаты обеспечивают простые нефигурные электроды со сферической поверхностью торца радиусом при- близительно 50—100 мм. Они лучше конусных с плоскими тор- цами поддаются зачистке наждачным полотном и у них лучше сохраняется контур, изменяющийся под одновременным дей- ствием давления и нагревания при сварке. Из двух электродов применяют один плоский только в случае, когда нежелательно появление вмятины на лицевой поверхности изделия. У электродов с коническими торцами вписанный угол рабо- чего торца равен 7—10°. Посадочный конус следует выбирать соответственно конусу электрододержателя данной сварочной машины. Вместо кону- са а можно применять радиус заточки г=50—100 мм. 290
Уход за электродами Поверхность торцов электродов должна быть всегда чистой и соответствовать заданному размеру; зачищать их хорошо мелкой наж’дачной бумагой 00-000. Чтобы одновременно зачи- щать весь торец, применяют резиновую прокладку толщиной 10—-15 мм. В этом случае Фиг. 171. Формы сферических или ко- нусных электродов, применяемых при точечной сварке легких сплавов, а—конусность торца, равная?—10’. форма электродов сохра- няется более длительное время. Крупнозернистый абразив не следует применять, так как шероховатая поверх- ность торца электрода спо- собствует переносу меди на поверхность шва. Фиг. 172. Размеры электро- дов для точечной сварки легких сплавов. Очистку электродов производят после сварки 20—100 точек, в зависимости от подготовки поверхностей заготовок к сварке и от материала электродов. Чтобы получить однородные свар- ные точки, заточку электродов производят на станке. В случае применения электродов с большим радиусом сферы торцов точ- ность заточки не так влияет на качество сварки, как при сварке электродами с коническими торцами. Во всех случаях электро- ды должны интенсивно охлаждаться воДой. Нагрев электродов не только увеличивает электрическое сопротивление контакта, но вызывает также перенос металла и прилипание металла торца к поверхности изделия. Перенос металла электрода на изделие из легких сплавов ослабляет стойкость сварных швов против коррозии. Кстати за- метим, что если перенос металла (меди) с электродов на свар- ные швы возник по тем или иным причинам, то для удаления следов меди поверхность швов можно аккуратно зачистить мелкой наждачной бумагой. 291
Условия роликовой сварки алюминиевых сплавов и требуемое оборудование Оборудование для роликовой сварки алюминиевых сплавов питается только переменным током. Применяемые сварочные ролики имеют толщину примерно 5—15 мм и диаметр от 100 до 400 мм. Для концентрации тока и локального нагрева при свар- ке затачивают поверхность ролика, соприкасающуюся с изде- лием под углом 160—170° или радиусом 25—50 мм. Ролики и свариваемую деталь часто охлаждают струей воды, направляе- мой снаружи на поверхность ролика (см. фиг. 153). Коммутация тока производится с помощью ионного преры- вателя. Скорость движения ролика, а также продолжительность включения и выключения, регулируются в зависимости от числа точек или заданной степени перекрытия точек для герметичных швов. Можно применять ряд режимов с различной длительно- стью включения и выключения тока. Отношение времени вклю- чения к времени выключения зависит от скорости сварки и шага между точками. Давление при сварке и сварочный ток выбирают таким об- разом, чтобы получить нормальную поверхность по глубине вмятины и чистоте и требуемую ширину шва. Последняя равна приблизительно 2,5+23, где 8 — толщина наиболее тонкого из соединяемых листов. Если изделие не требует герметичного шва, то машину для роликовой сварки можно использовать также для точечной сварки с любым расстоянием между точками, начиная от 10 до 50 мм. В этом случае продолжительность времени сварки плюс паузы устанавливается равной 0,4-=-1 сек., а время включения тока составляет приблизительно половину времени, рекомендуе- мого для точечной сварки. При негерметичных швах ско- рость движения ролика регулируется в соответствии с требуемым расстоянием между точками. Полученные таким образом швы равноценны точечным швам такой же площади. При роликовой сварке отдельными точками скорость сварки составляет 60-=-180 точек в минуту. Так же как и при точечной сварке, алюминий прилипает к роликам и его счищают наждачным полотном после каждых 3—6 оборотов ролика. При герметичной роликовой сварке ролики чистят после каждых двух-трех оборотов. Типовые условия для роликовой, сварки алюминиевого спла- ва АМц приведены ниже в табл. 63. Эту таблицу можно так- же использовать для роликовой сварки других сплавов, при- чем для получения требуемой ширины шва нужно соответственно уточнить величины давления и силы тока. 292
§ 71. Свариваемость алюминиевых сплавов Алюминиевые сплавы обладают различной свариваемостью, но все они поддаются точечной сварке, хотя при одних сочета- ниях сплавов сварка связана с большими трудностями, чем при других. 1 Точечная сварка неплакированных листов из дуралюмина требует особой осторожности, так как сопротивление коррозии шва неплакирснзанного дуралюмина ниже сопротивления основ- ного металла. Алюминиевые сплавы с высоким пределом прочности легче свариваются, чем сплавы с низким пределом прочности, так как электрические, тепловые и физические свойства легированных сплавов облегчают генерирование и локализацию тепла в сва- рочном контакте. Прочность точек высокопрочных сплавов бо- лее постоянна. Однако более црочные сплавы также более склонны к образованию трещин и пор. Образование усадочных трещин ограничивается почти исключительно сплавами типа дур- алюмин, содержащими медь. Плакированные сплавы несколько труднее свариваются, чем неплакированные. Плакированный слой (алюминий) обладает малым электрическим сопротивлением и повышенной точкой плавления и поэтому прочность точек менее однородна. Однако сварка плакированных сплавов связана с меньшими трудностями в отношении переноса металла с электрода на шов. При точечной сварке листов из разнородных алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что сплавы с почти одинаковыми электрическим сопротивлением и точкой плавления свариваются легче, чем еплавы с различными характеристиками. Деформи- рованные и термически обработанные сплавы свариваются лег- ко, а сварка мягких отожженных сплавов с термически обра- ботанными сплавами связана с большими трудностями. При сварке различных сплавов необходимо принимать во внимание, наряду со свойствами материала, также толщину листов. В случае сварки листов различной толщины тепло от более толстого листа отводится в электрод медленнее, обеспе- чивая таким образом большую глубину проникновения тепла в лист. Если толстый лист имеет также более высокое электриче- ское сопротивление, то в нем генерируется большая часть тепла. Ядро точки располагается асимметрично и находится почти полностью в этом листе. Если лист меньшей толщины имеет бо- лее высокое электросопротивление, то большая часть тепла ге- нерируется в тонком листе и ядро точки более равномерно рас- полагается между тонким и толстым листами. Действительно, сварить толстый лист с низким электрическим сопротивлением с тонким листом, обладающим повышенным электрическим сопротивлением, легче, чем сварить два толстых листа из одинакового сплава. 283
Хорошее соединение листов различной толщины точечной или роликовой сваркой получается, если максимальное отноше- ние толщин листов не превышает 2,5:1; в исключительных случаях допускается отношение 3:1. Точечная сварка применяется для сварки двух или трех листов из легких сплавов в одном пакете, хотя при благоприят- ных условиях точечной сваркой можно соединять до четырех листов. Роликовая сварка сплавов типа дуралюмин не приме- няется из-за перегрева и нарушения плакированного слоя. Свариваемость алюминиевых сплавов Таблица 61 Сплав Электро- проводность в % к меди ’ Твердость Теплопровод- ность Лист, соприкасающийся ним плоским электродом с ниж- машины м кал вт AM АМцМ , Д1М |'АМцП АМгМ АМцН АМгП АМгН Д1Т Д16БТ 1 Д16Т 1 см сек °C см°С Я AM 59 25 0,54 2,26 А Д А д А д Д Д Д Д Д с о АН 57 32 0,52 2,18 А А А А А А А А Д Д Д с = о. ф АМцМ 50 30 0,45 1,88 А А А А А А Д Д Д Д Д с е- Д1М 45 45 0,41 1,72 В В А А А А А А Д Д Д Д ЗЕ Ж W АМцП 42 40 0,38 1,50 В в А А А А А А Д Д Д Д «О АМгМ 40 45 0,37 1,55 В В В А А А А • А А А А А О О АМцН 40 55 0,37 1,55 в В В А А А А А А А А А о « « £ АМгП 40 60 0,37 1,55 в в В А А А А А А А А А а 2 я АМгН 40 0,37 1,55 в в В А А А А А А А А А со Ж Д1Т 30 100 0,28 1,17 с с С В В А А А А А А А о. В о Д16БТ 30 105 0,28 1,17 с с С В В В В В В А А А Д16Т 30 105 0,28 1,17 с с с В в А В А А А А А Д16М 50 42 0,45 1,88 с с с в в В В В В А А А Примечания. 1. Толщина свариваемых листов одинаковая. 2. М — отожженный; Н — нагартованиый; П — полуиагартованный; Т закаленный и естественно состаренный; Б — неплакированпый. 3. Обозначение свариваемости: А — хорошая, В — удовлетворительная; С — плохая; Д — мало удовлетворительная, может иметь место большой выход точки на поверхности листов. 4. Твердость по Бринеллю, нагрузка — 500 кг, шарик —10 лил. 294
В табл. 61 приведены ориентировочные характеристики сва- риваемости алюминиевых сплавов одинаковых и неодинаковых по химическому составу при условии, что торец верхнего элек- трода имеет сферическую форму или заточен на конус с углом 7—11 °, а нижний электрод — плоский. Высокопрочный сплав В-95 не отличается по свариваемости от дуралюминовых сплавов Д-З и Д16 и поэтому подробно здесь не рассматривается. Глава XIV ТЕХНОЛОГИЯ контактной сварки легких сплавов И ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ § 72. Подготовка поверхности заготовок из алюминиевых сплавов к контактной сварке Заготовки из алюминиевых сплавов, подлежащих контактной сварке, необходимо до сварки очищать от оксидной пленки по всей линии предполагаемого шва. Лучшим методом подготовки поверхности под сварку являет- ся химическое травление, при котором пленки снимаются без повреждения основного материала или плакированного слоя. Прежде чем очищать от оксидной пленки листы, необходимо удалить краску и жир с их поверхности. Без обезжиривания невозможно удалить оксидную пленку, так как в этом случае материал не смачивается реактивом. Краска и жир удаляются с поверхности алюминиевого спла- ва протиркой бензином, ацетоном, спиртом или с помощью па- ровых обезжиривателей и химических ванн. Существуют два основных метода снятия оксидной пленки с поверхности заготовок из алюминиевых сплавов: механиче- ский и химический. Механическая очистка поверхности заготовок из алюминиевых сплавов Оксидная пленка легко снимается проволочной вращающей- ся щеткой или наждачной бумагой с мелким абразивом. Механическая очистка применяется в случаях: а) когда свариваемые детали не могут быть погружены в химический раствор вследствие того, что некоторые конструк- тивные элементы, закрепленные заранее на этой детали, не должны подвергаться травлению; б) когда нет специального цеха для химического травле- ния; 295
в)1 ремонта изделий контактной сваркой; г) опытного и мелкосерийного производства. Обычно очищают только наружные поверхности заготовок, соприкасающиеся с электродами. Конструкция проволочной щетки должна быть такой, чтобы после очистки на заготовке не было крупных царапин. Вращающаяся щетка имеет вид диска диаметром до 100 мм, закрепленного на валу пневматической дрели. Fla боковую по- верхность диска насажена стальная проволочная щетина. Диа- метр каждой стальной проволочки 0,07—0,1 мм при длине не менее 30 мм. Скорость вращения щетки 1500—3000 оборотов в минуту. Можно также сконструировать щетку, закрепленную на не- подвижном станочке с перемещением детали относительно вра- щающейся щетки. При механической очистке сила нажатия должна быть ничтожно малой. Механическая очистка поверхности обладает следующими преимуществами: 1. Незначительная стоимость оборудования. 2. Возможность полного удаления оксидной пленки (без опасности появления другой пленки с большим электрическим сопротивлением, что может случиться при неправильном хими- ческом травлении). 3. Возможность удаления пленки с любой части поверхности детали без обработки всей поверхности. Для деталей из плакированного дуралюмина механическая очистка не рекомендуется. К недостаткам этого метода относятся: 1. Высокая трудоемкость процесса. 2. Некоторое нарушение плакированного слоя. 3. Повторное 'нарастание новой пленки, вызывающее раз- личную прочность сварных точек на закаленном дуралюмине. Химическая обработка поверхности заготовок из алюминиевых сплавов Существует большое количество реактивов для химического- травления оксидной пленки на поверхности алюминиевых спла- вов, но большинство из них может при этом повредить основной металл. Г. Наиболее эффективным реактивом является трехпроцент- ный раствор фтористоводородной кислоты. Этот реактив нужно применять с большой осторожностью, так как он разрушает не только оксидную пленку, но и основной металл. 2. Каустическая сода тоже сильно действующий реактив. Ее недостатком является то, что она разрушает основной мате- риал быстрее, чем оксидную пленку, и оставляет на поверхности 29б
налет, обладающий большим электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление поверхности металла в результате травления каустической содой получается часто на различных участках неоднородным. Растворы серной кислоты обладают тем преимуществом, что продолжительность травления не играет значительной роли. Эффективные результаты достигнуты при травлении раство- ром кремнефтористоводородной кислоты (H2SiFe). Этот раствор показал хорошие результаты травления при комнатной температуре. Он применяется в виде 3%-ного (по объему) водного раствора кремнефтористоводородной кислоты H2SiFe, имеющей концентрацию 27—30% с добавкой двухромо- кислого калия KtCr,O7 в количестве 0,1% (по весу). Продолжительность обработки поверхности этой кислотой — 6—10 мин. При химическом способе очистки процесс травления должен проводиться особенно тщательно; большую роль при этом играет время выдержки деталей в растворах. Необходим также тщательный и систематический контроль, не только растворов, но и процесса промывки. Увеличение продолжительности промывки в воде сильно влияет на увеличение контактного сопротивления поверхности. Несмотря на хорошие результаты трав