Технология контактной сварки: сущность процесса и виды оборудования

Контактная сварка (далее по тексту – КС) является одной из наиболее распространенных сварочных технологий, используемых для образования неразъемных соединений металлических деталей. Согласно статистическим данным, не менее 30% от общего количества сварных соединений выполнены различными способами КС.

Как правило, КС применяется в крупносерийном производстве, поскольку процесс сварки легко автоматизируется с адаптацией под создание роботизированных конвейерных линий.  Область применения КС необычайно широка – от изготовления крупногабаритных изделий авиапрома и автомобилестроения до миниатюрных микросхем и полупроводниковых устройств.

Технология

Что это такое? В соответствии с ГОСТ 19521-74 «Сварка металлов. Классификация» контактная сварка — это разновидность  сварки термомеханического класса, к которому стандарт относит  все виды сварки, осуществляемые совместным воздействием:

  • тепловой энергии, используемой для нагрева сварочной зоны в целях обеспечения необходимой пластичности материалов соединяемых заготовок;
  • приложенного давления, которое при сдавливании нагретых участков объединяет соединяемые части в монолитную структуру.

Термомеханическую сварку, называемую также термопрессовой, классифицируют по типу источника теплоты, используемой для локального нагрева зоны сварки. Наиболее распространенным видом термомеханической сварки является электроконтактная сварка, для которой источником энергии служит электрический ток, проходящий через поверхность соприкосновения соединяемых деталей.  По сравнению с электродуговой сваркой, также использующей нагрев электротоком, электроконтактная сварка имеет следующие отличительные признаки:

  1. Электродуговая сварка относится к сварке плавлением. Кромки свариваемых заготовок при прохождении электрического тока нагреваются до расплавленного состояния, после чего жидкий металл самопроизвольно сливается в сварочную ванну. При этом сдавливание свариваемых деталей не производится.
  2. Электроконтактная сварка, которую обычно просто называют контактной сваркой, является сваркой давлением. Для ее реализации при формировании сварного шва требуется обязательное сближение способом сдавливания элементов, подлежащих свариванию. Зажим обеспечивается либо самими электродами, подводящими электроток, либо специальными приспособлениями.

Физико-механические аспекты

Сущность КС заключается в последовательной реализации физико-механических процессов, способствующих образованию неразъемного сварного соединения. Для этого технологическую схему КС разбивают на следующие стадии:

  1. Механическое поджатие свариваемых деталей между электродами – для обеспечения плотного контакта между стыкуемыми поверхностями.
Сопрягаемые  поверхности в силу своей шероховатости не являются идеально гладкими, поэтому физический контакт двух заготовок осуществляется по многочисленным площадкам микроскопических размеров (так называемые микроконтакты).
  1. Пропускание электрического тока через границу контакта сопрягаемых элементов – для нагрева до оплавления соединяемых поверхностей. На этой стадии КС начинается межатомное взаимодействие материалов деталей, способствующее формированию сварного соединения.

В соответствии с законом Джоуля – Ленца при прохождении электротока через поверхности сопрягаемых деталей происходит выделение тепла, количество которого возрастает при увеличении силы сварочного тока Iсв и омического сопротивления R  участка прохождения тока.

Особенностью зоны контакта сопрягаемых металлов является ее высокое электрическое  сопротивление Rк, значительно превышающее сопротивления других участков сварочной цепи – сопротивления Rдет свариваемых деталей и  сопротивления прижимающих электродов Rэлек .

При прохождении тока через микроконтакты происходят сотни тысяч микрооплавлений, способствующих расплавлению всей контактирующей поверхности. При этом в процессе КС сами  свариваемые заготовки практически не нагреваются, поскольку их сопротивление небольшое.

Для скорого нагрева зоны контакта необходимы мощные токи, сила которых достигает нескольких тысяч ампер. С учетом большой величины сопротивления Rк  микрорасплавления происходят в течение десятых или даже сотых долей секунды, что обуславливает высокую скорость КС.

На рис. ниже показаны схемы КС, иллюстрирующие особенности сопряжения поверхностей двух свариваемых деталей:

  • (а) – схема КС;
  • (б) – схема непосредственного (физического) контакта деталей в процессе сварки.

  1. Осадку свариваемых частей, представляющую собой поджатие нарастающим усилием, — для создания местной пластической деформации и образования пространственных межатомных связей.

При локальном нагреве сопряженных деталей повышается пластичность металла в зоне контакта. Под действием сжимающего усилия микронеровности на границах микроконтактов сминаются, после  чего начинается взаимное диффузное проникновение атомов до расстояний, соизмеримых с параметрами кристаллических решеток. Образуются новые структурные связи, в зоне контакта формируется сварное соединение.

  1. Отключение подачи электротока, охлаждение расплавленного металла в зоне контакта до его окончательной кристаллизации. В ходе процесса кристаллизации сжимающее воздействие электродов сохраняется в целях предотвращения дефектов усадочного характера – рыхлот, пор и трещин.

Разновидности

В зависимости от технологической методики, условий и характера образования сварного соединения различают следующие виды контактной сварки:

  • точечную КС;
  • рельефную КС;
  • шовную КС;
  • стыковую КС.

Точечная

Точечная контактная сварка представляет собой соединение деталей контактным способом в отдельных ограниченных зонах контакта, называемых сварными точками. Точечную сварку используют в работах с тонкими листами металлов, чаще всего стали и ее сплавов, а также листовым прокатом титана и алюминия, сварке пластин из магниевых и медных сплавов, применяемых в авиа- и судостроении, приборостроении, в автомобильной промышленности, производстве изделий бытового предназначения и т.п.

Для точечного способа соединений ГОСТ 15878-79 «Контактная сварка…» допускает небольшие толщины соединяемых заготовок – от 0,3 до 6,0 мм. Однако при использовании специального оборудования может выполняться монтаж стальной стержневой конструкции из арматуры диаметром стержней от 16 до 22 мм.

Точечный метод  является наиболее распространенным способом КС, на его долю приходится порядка 80% всех соединений, выполненных контактной сваркой.

На рис. ниже приведена принципиальная схема точечной сварки и показан сварочный аппарат для выполнения сварочных операций точечным методом.

При точечной КС свариваемые детали (поз. 2 на рис. 4) соединяются внахлест. Детали размещаются между двумя медными электродами, один из которых выполняет функцию прижимного электрода (поз. 1), другой – опорного электрода (поз. 3). После поджатия электродов усилием Р через них пропускается электроток от трансформатора (поз. 4) или другого источника электроэнергии. Образовавшаяся сварная точка по характеру аналогична механической заклепке и не уступает ей в надежности соединения.

В зависимости от схемы расположения электродов различают следующие виды точечной КС (см. рис. ниже):

  • поз. (а) — двустороннюю точечную сварку, при которой обе детали (1 и2 на схеме а) прижаты между вертикальными электродами;
  • поз. (б) – одностороннюю точечную сварку, характеризующуюся фиксацией обоих электродов на верхней детали 3, уложенной поверх детали 4. Медная подкладка 5 предусмотрена для увеличения силы тока, нагревающего зону контакта.

Схемы односторонней и двусторонней точечной КС.

Рельефная

Рельефная сварка представляет собой разновидность контактной сварки, в которой первоначальный контакт стыкуемых поверхностей осуществляется по предварительно сформированным выступам – рельефам. Рельефы заранее формируют штамповкой, прокаткой  или другим способом. Допускается наличие рельефных выступов на обеих деталях.

На рис. ниже показаны схемы рельефной КС:

  • схема (а) – для соединения плоских деталей;
  • схема (б) – для сварки плоской и объемной деталей.

На схемах обозначены следующие позиции:

  • поз. 1 – электрод верхний;
  • поз. 2 – плоская деталь со штампованным рельефом;
  • поз. 3 – гладкая деталь, не имеющая рельефов;
  • поз. 4 – электрод нижний;
  • поз. 5 – объемная деталь с рельефом.

При прохождении тока через места соприкосновения рельефной поверхности деталей поз. 2 (схема а) или поз. 5 (схема б) с гладкой деталью (поз. 3)  рельефы начинают плавиться. При воздействии давления рельефы деформируются, создавая плотный контакт по всей номинальной поверхности расплющенной детали.

По своей сути рельефная сварка это аналог точечной КС, главное  отличие между ними состоит в следующем – контакт деталей в рельефной сварке зависит от формы из поверхности, тогда как в точечной сварке степень контактирования определяется формой рабочей части электродов.

Рельефная КС применяется в производстве автомобилей для фиксации объемных деталей (крепежа, кронштейнов, скоб) на плоских листовых изделиях (крышке капота, дверках и т.п.). В приборостроении рельефную КС используют для приварки проволоки к деталям малой толщины.

Шовная

Шовной сваркой называют способ образования сварного шва из ряда сварных точек, последовательно перекрывающих друг друга. На рис. ниже показана схема шовной сварки, согласно которой поджатие свариваемых деталей (поз. 1), их перемещение и подведение тока к месту контакта деталей осуществляется вращающимися роликовыми электродами (поз. 2).

По аналогии с точечной сваркой детали собираются внахлест и нагреваются кратковременными импульсами электрического тока. Результатом каждого импульса является сварная точка. Для получения плотного либо герметичного шва выбирается соответствующий режим паузы между импульсами тока и необходимая скорость вращения роликовых электродов.

Шовная сварка, называемая также роликовой сваркой, рекомендуется для изготовления герметичных емкостей типа бочек или баков. Оптимальная толщина листов для шовной сварки составляет 0,2-3,0 мм.

Стыковая

Стыковой сваркой называется способ КС, характеризующийся соединением свариваемых изделий по всей площади их контакта. По стыковой методике свариваются изделия стержневого типа, прутки, проволока, полосы, трубы, прокат сложного профиля.

На рис. ниже приведена схема контактной стыковой сварки.

В производственной практике применяются два вида стыковой КС:

  1. Стыковая сварка сопротивлением, выполняемая в следующей последовательности:
  • заготовки плотно прижимаются друг к другу свариваемыми поверхностями;
  • через сжатые заготовки пропускается электрический ток;
  • после разогрева стыкуемых поверхностей до возникновения пластического состояния детали осаживаются с одновременным отключением подачи тока.

Сварку сопротивлением используют для деталей небольшого размера (площадью сечения не более 200 кв. мм) и простым сечением в форме круга или квадрата.

  1. Стыковая сварка оплавлением, при выполнении которой свариваемые детали сближаются при включенном источнике сварочного тока. В этом случае соприкосновение поверхностей происходит через микроконтакты, суммарная площадь которых по факту много меньше номинальной расчетной площади сопряжения стыков. Из-за этого сила тока, проходящего через микроконтакты, достаточно велика, чтобы практически мгновенно оплавлять металл микроконтактов с созданием жидких перемычек. Нагрев стыков заготовок сопровождается непрерывным образованием и разрушением контактов-перемычек, в результате чего на стыках возникают сплошные слои расплавленного металла. После осадки с повышенной скоростью сближения торцы деталей смыкаются, а основная часть жидкого металла выдавливается из сварочной зоны и после остывания и кристаллизации образует утолщение, называемое гратом.

Сварку оплавлением используют для деталей площадью сечения до 100 000 кв. мм различной конфигурации сечения.

Обозначение на чертеже

При обозначении КС на чертежах или схемах руководствуются двумя  стандартами:

  • ГОСТ 2.312-72, в котором изложены требования ЕСКД к нанесению условных изображений и обозначений сварных швов и одиночных сварных точек;
  • ГОСТ 15878-79, регламентирующим основные параметры элементов сварных соединений КС.

Согласно ЕСКД видимые одиночные сварные точки обозначают символом «+», скрытые вовсе не отмечают. Видимые швы помечают основной линией, скрытые швы КС обозначаются штриховыми линиями. Всю информацию о параметрах КС подают на линии выноске (для шва на лицевой стороне) или под ней (шов на оборотной стороне). Необходимую информацию о шве берут из ГОСТ 15878-79. В обозначении типа КС используются следующие обозначения:

  • Кт — для точечной КС;
  • Кр — для рельефной КС;
  • Кш — для шовной КС.

На рис. ниже показано условное обозначение точечной КС с указанием диаметра сварной точки

Подготовка поверхностей

Состояние сопрягаемых поверхностей деталей (степень шероховатости, наличие механических загрязнений и окисных пленок), подлежащих КС, существенно влияет на качество сварного соединения и срок эксплуатации электродов. В общем случае к сопрягаемым поверхностям деталей, свариваемых по любой из методик КС, предъявляются следующие требования:

  • поверхности не должны иметь выпуклостей, впадин и заусенцев;
  • плоскости зоны контакта стыкуемых заготовок должны совпадать;
  • электрическое сопротивление контакта «деталь-электрод» должно быть минимальным;
  • сопротивление контакта «деталь-деталь» должно быть практически одинаковым по всей площади контакта.

Для реализации этих требований выполняются следующие подготовительные мероприятия:

  • зачистка поверхностей от загрязнений;
  • обезжиривание;
  • удаление окалины и оксидной пленки;
  • пассирование с целью замедления нарастания оксидной пленки.

Выбор технологии подготовки поверхностей под КС зависит от материала деталей и характера производства. Для КС в условиях мелкосерийного производства предусматривают мехобработку, рихтовку, обезжиривание и травление поверхностей. В крупносерийном производстве подготовку поверхностей обычно не выполняют, поскольку там применяются исходные материалы высокого качества.

Машины

Контактная сварка является достаточно универсальным способом создания неразъемных соединений металлических изделий. С ее помощью можно даже осуществлять наплавку металла электродной проволоки на детали ответственных агрегатов, используя импульсные электрические разряды. Основным признаком классификации оборудования для контактной сварки является разновидность выполняемых соединений, согласно которой контактные агрегаты подразделяют следующим образом:

  • для точечной КС;
  • для шовно-стыковой сварки (в основном тонкостенных труб);
  • для стыковой сварки;
  • для шовной и
  • рельефной КС.

Машины для КС должны выполнять следующие функции:

  • обеспечения требуемого давления прижатия свариваемых заготовок;
  • формирования тока достаточной силы, необходимой для реализации данного вида КС;
  • точного дозирования времени воздействия электрода на заготовки.

Для реализации этих требований установки для КС оснащаются двумя взаимосвязанными функциональными системами:

  • электрической, «ответственной» за протекание тока необходимой силы, частоты и амплитуды, заданной длительности протекания;
  • механической, составленной из конструктивных элементов, формирующих условия сжатия, перемещения, осадки свариваемых деталей.

Машины КС являются высокотехнологичным оборудованием заводского исполнения. К ним прилагаются пошаговые технические инструкции с подробным описанием выполняемых приемов сварки в зависимости от того, какой тип заготовок подлежит сварке. В настоящее время многим домашним умельцам удается собирать своими руками устройства для выполнения КС в бытовых условиях.

Логика мастеров проста – для выполнения разовых технических задач проще собственноручно создать несложный аппарат, используя автомобильный «б/у-шный» аккумулятор или трансформатор микроволновки, чем тратиться на приобретение профессионального дорогостоящего оборудования.

Широкую популярность приобрели инверторные споттеры (от англ. spot – точка, пятно, место), используемые для односторонней точечной КС в рихтовочных автомобильных работах.

Дефекты КС

Дефекты КС подразделяются на внешние и внутренние.

К внешним дефектам относят следующие недостатки и погрешности:

  • трещины, приводящие к отрыву основного металла от сварной точки;
  • пережоги и прожоги, внешними признаками которых являются глубокие вмятины, участки цветов побежалости, сквозные свищи;
  • выплески металла, представляющие собой выбрасывание части расплава из зоны сварки;
  • вырывы точек;
  • потемнения сварных точек;
  • глубокие вмятины от электродов, неправильная форма вмятины;
  • гофрированные участки поверхности сваренных деталей;
  • выдавливание металла на поверхность точки или шва.

К внутренним дефектам КС относят следующие:

  • непровары, характеризующиеся отсутствием литого ядра в зоне сварной точки либо его малым размером. В итоге детали в этом месте соединены непрочно, что приведет к разрушению изделия при его использовании (для точечного соединения) или к нарушению герметичности в случае шовного соединения;
  • внутренние выплески, поры и раковины

На рис. ниже показаны типовые дефекты КС и причины, их вызывающие

Контроль качества готовых сварных соединений

Оценку качества сварных узлов, полученных различными способами КС, проводят с целью определения их соответствия техническим требованиям, предъявляемым к производимым изделиям. Для выявления дефектов КС используются методы разрушающего и неразрушающего контроля.

К основным методам неразрушающего контроля относят следующие:

  1. Внешний осмотр сварного контактного соединения. Особенностью этого метода применительно к КС является осложнение контроля качества из-за плотного прижатия деталей друг к другу, скрывающего некоторые недостатки соединения.
При оценке результатов сварки при внешнем осмотре партии однотипных изделий рекомендуется иметь образец-эталон сварного узла.
  1. Пневматические испытания для проверки герметичности швов, выполненных шовной сваркой. Готовое изделие заполняется сжатым воздухом небольшого давления и погружается в воду, чтобы выходящие пузырьки воздуха указали возможные места нарушения герметичности.
  2. Рентгеновское просвечивание, используемое для контроля ответственных изделий, работающих в условиях динамических нагрузок (оси, тяги и т.п.).
  3. Ультразвуковой контроль или УЗК, получивший широкое распространение благодаря промышленному выпуску простых в употреблении компактных приборов УЗК.

На рис. ниже показан рабочий момент УЗК с использованием ультразвукового дефектоскопа А1212 Мастер для поиска трещин, непроваров и других внутренних дефектов.

Методики разрушающего контроля основываются на отборе части изготовленной продукции (так называемые технологические пробы) и выполнении разрезов деталей по шву для определения дефектов. К основным методам разрушающего контроля относятся:

  • механические испытания, в ходе которых сварные соединения испытываются на прочность и пластичность;
  • металлографические испытания, в ходе которых определяют глубину проплавления металла, выявляются раковины, трещины, непровар и другие внутренние дефекты.

Расходные и дополнительные элементы машин

В сварочном производстве к категории расходных материалов относят штучные электроды и сварочную проволоку, присадочные прутки и керамические подкладки, то есть, те материалы и изделия, запас которых необходимо пополнять по мере того, как они расходуются в процессе применения. В случае КС расходными материалами являются только электроды, поскольку из-за локализации сварочной ванны не требуются присадки и нет нужды в газовой защите зоны сварки.

В отличие от электродуговой сварки в процессе КС плавятся не сами электроды, а соединяемые детали.

Функции электродов, применяемых в машинах КС, более разноплановые, чем у электродов традиционной дуговой сварки. К числу главных «обязанностей» электродов КС относят следующие:

  • замыкание электрического контура с целью подачи тока к сопрягаемым деталям;
  • расплавление деталей в месте соприкосновения;
  • передача механического усилия для поджатия деталей;
  • отвод тепла от сварного узла;
  • участие в передвижении свариваемых заготовок при шовной сварке.

Интенсивные термодеформационные воздействия на электроды приводят к быстрому износу их рабочей поверхности, поэтому к материалам электродов для КС предъявляются повышенные требования к прочности, износостойкости и устойчивости к химической агрессии со стороны атмосферного воздуха и материала деталей.

Электроды должны эффективно отводить тепловую энергию от места контактной сварки. Практика показала, что для оказания необходимого сжимающего усилия и оптимального режима проводки электрического тока в зоне контакта, электроды должны иметь определенную геометрическую форму рабочей поверхности, контактирующей с заготовками.

В зависимости от химического состава изделий, свариваемых по технологии КС, рекомендуются следующая геометрия  рабочей поверхности электрода:

  • для КС низкоуглеродистых сталей – плоская поверхность;
  • для сварки легированных и высокоуглеродистых сталей, меди и алюминия – сферическая поверхность.

Использовать чистую медь не эффективно, поскольку она является пластичным материалом и не восстанавливает свою геометрическую форму между сварными циклами. К тому же стоимость чистой меди достаточно высока, чтобы ее использовать в расходных материалах, требующих регулярной замены. Чаще используют медные сплавы, в которых легирующими элементами служат хром, цинк, кадмий, цирконий, бериллий, магний.

Электроды могут быть прямыми и фигурными, сложной изогнутой формы. Для шовной сварки электроды имеют форму ролика.

Дополнительные элементы

Базовая комплектация оборудования для сварки контактным способом представлена исполнительными механизмами электрической и механической систем, обеспечивающими работу сварочной техники в штатных режимах. В качестве дополнительных элементов в комплектации сварочной техники могут присутствовать детали и механизмы, предназначенные для расширения функциональных возможностей данного агрегата, а также для облегчения работы сварщика-оператора. Наиболее востребованными являются:

  • цилиндры подачи с регулируемым ходом перемещения;
  • устройства управления опусканием электрода;
  • пневматические клещи;
  • ручные клещи для точечной сварки;
  • сверла для точечной сварки;
  • аксессуары серии споттер;
  • консоли прямые и фигурные для фиксации электродов;
  • плечи для машин точечной сварки.

Заключение

Методики контактной сварки выгодно отличаются от других технологий электросварки. При использовании КС сохраняется привлекательность внешнего вида готовой продукции, например, изделий для  вагоностроения или авиапрома.

Для проведения работ с аппаратурой КС не требуется высокий уровень квалификация исполнителей, при этом следует отметить повышенную безопасность для оператора в процессе сварки, высокую культуру производства и санитарно-гигиенические условия труда, соответствующие современным требованиям.

Возможность автоматизации и роботизации позволяет получать сварные узлы стабильно высокого качества без влияния человеческого фактора, что позитивно сказывается на  снижении себестоимости изделий при крупносерийном производстве.

2 комментария
  • Здравствуйте!! До прочтения вашей статьи не знал о таком способе сварки. Так как сварочными работами занимаюсь от случая к случаю в быту, хотелось бы развиваться в этом ремесле поэтому ищу подходящую информацию в интернете, ваша статья удовлетворила мое любопытство. На счет содержания статьи, изложенная в ней информация обширная и понятная, радует что проиллюстрирована, единственное замечание хотелось бы наличия видеоролика или хотя бы ссылки. А так огромное вам спасибо !!!!!

  • Добрый день, очень полезная для меня статья. Хотелось бы побольше узнать про безопасность, так я являюсь новичком в этом деле, для меня сейчас техника безопасности гораздо важнее чем качество или скорость сварки. И еще, как вы считаете стоит ли начинать пробовать варить изделия, именно этим способом, если ранее похожего опыта не было совершенно?

Оставить комментарий

Оцените статью*