Режимы контактной точечной сварки. Оборудование для контактной точечной сварки. Возможные дефекты и их причины

Основные сведения об изделии и технические данные.
Регуляторы контактной сварки РКС-502 и РКС-801, в дальнейшем именуемые "регуляторы", предназначены для комплектации контактных электросварочных машин.
Регуляторы обеспечивают:

Управление последовательностью действий однофазных машин точечной сварки, имеющих контактор и клапан (для регулятора РКС-801 - два клапана) постоянного тока;

Регулирование длительности позиций сварочного цикла с цифровым отсчетом;

Управление тиристорным контактором и регулирование величины сварочного тока;

Автоматическую настройку на коэффициент мощности cosφ с изменением полярности включения первой полуволны сварочного тока;

Стабилизацию действующего значения сварочного тока при колебаниях напряжения питающей сети.

Управление регулятором проводится путем замыкания и размыкания контактов педали сварочной машины.

Принцип работы регулятора

Рассмотрим работу регуляторов в режиме "Одиночная сварка".

При подаче на регулятор напряжения питания зажигается индикатор " " на передней панели. Счетчики и триггеры блоков цикла и счета устанавливаются в ноль с помощью цепочки на транзисторах VT7, VT8 на блоке счета. С помощью схемы собранной на элементах VT1, VT2, D2, VT3, VT4, VT5, VT6, D3, вырабатываются и формируются тактовые импульсы.

При замыкании контактов педали сварочной машины инвертор на VT9 опрокидывается и сигнал подается на блок цикла на D10.3, запускается триггер D3.8 "Предварительное сжатие". Одновременно, на блоке счета счетчик D6 вырабатывает импульсы счета для позиций "XI", a D8 для "XI0". При совпадении количества импульсов на дешифраторах D7 (для "XI") и D9 (для "Х10") с количеством периодов, установленных на переключателе позиций "Предварительное сжатие", в блок цикла поступает сигнал, запускающий счет позиции "Сжатие". Аналогичным образом работают остальные режимы схемы.

При постоянно замкнутых контактах педали автоматически повторяется сварочный цикл, если переключатель "Режим работы" регулятора установлен в положении "Серия сварок", и дает только один цикл в положении "Одиночная сварка". В режиме "Серия сварок" выдержка "Предварительное сжатие" исключается после прохождения первого сварочного цикла. При размыкании педали после прохождения выдержки "Сжатие" обеспечивается прохождение полного сварочного цикла. В случае размыкания педали на выдержке "Сжатие" сварочный цикл прекращается, сварочная машина возвращается в состояние ожидания.

Индикация прохождения сварочного цикла осуществляется с помощью индикаторов, установленных на лицевой панели.

Для регулятора РКС-502 на блоке счета имеется схема на элементах D5.1, D4.3, D3.6, которая с помощью переключателя "Х4" позволяет увеличить длительность одновременно всех позиций цикла в 4 раза. (Для регулятора РКС-801 элементы D1.2, D4.1, D4.2, переключатель "Х2" и увеличение длительности позиций в 2 раза соответственно)

Для работы регулятора по циклу длительность каждой выдержки должна быть не менее "01" (1 периода). Длительность "00" является запрещенной.

Схема блока стабилизаторов является типовой, ее принцип работы приведен в справочниках и специального описания не требует.

Блок регулировки тока обеспечивает формирование импульсов управления тиристорным контактором, автоматическую регулировку cosφ и стабилизацию сварочного тока. Сигнал с первичной цепи силового трансформатора контактной машины через промежуточный трансформатор попадает на диодный мост VD17-VD20, формируется на элементах VT12, D4.6, D5.4, Dl.l, D2.1, сдвигается по фазе на необходимую величину на элементах С6, VT9, VT10 и импульсы управления с элементов D7, VT11 подаются на блок усилителей.

Регулировка нижних пределов действующего значения сварочного тока производится схемой на элементе D8 у изготовителя и дополнительной подстройки не требует. Стабилизация сварочного тока осуществляется при установке переключателя в положение "Включено" на лицевой панели.

Блок усилителей предназначен для усиления импульсов управления тиристорными контакторами (схема на VT1, VT2) и включения клапана (VT3) для РКС-502 или клапанов (VT3, VT6) (для РКС-801).

В блоке предусмотрена электронная защита цепей питания клапана от перегрузок по току (VT7, VT8, VT9, VT10). Индикация срабатывания защиты производится с помощью индикатора на лицевой панели.

Элементы D1, D3, D4, D5 (дополнительно D2 для РКС-801) служат для управления регулятором с помощью внешних сигналов. Схема подключения цепей внешнего управления регуляторами приведена в приложении 11.


Переключателем "Компенсация" можно отключить стабилизацию, что увеличивает величину тока на 15%.

Сварочный ток можно отключить переключателем "Ток включен". Такой режим необходим при наладке машины.

Регулятор РКС-801 выполняет также следующие дополнительные функции:

Регулировку величины сварочного тока для позиций "Сварка 1" и "Сварка 2", задаваемой переключателями "Нагрев 1" и "Нагрев 2" соответственно. Нулевое положение переключателя соответствует минимальной величине сварочного тока (50%), положение "9" - максимальное;

В режиме импульсной сварки позиции "Охлаждение" и "Сварка 1" могут отрабатываться до 9 раз в одном цикле. Количество импульсов задается переключателем "Число импульсов";

Первый импульс сварочного тока позиции "Сварка 1" может быть промодулирован. Суть модуляции состоит в том, что первая полуволна сварочного тока имеет значение минимальной величины и за десять периодов нарастает до максимального значения (которое должно быть установлено переключателем "Нагрев 1"). При установке переключателя "Нарастание" в положение "9", время модуляции наибольшее, и составляет 0,2 сек. При установке переключателя в положение "0" первый импульс сварочного тока импульс не модулируется;

Клапан 2, управляемый регулятором, осуществляет дополнительное обжатие заготовки на позициях "Сжатие" ("Повышенное усилие 12) и на позициях "Проковка 1", "Сварка 2", "Проковка 2" ("Повышенное усилие 2"). Повышенные усилия могут быть отключены соответствующими переключателями. Сигнализация работы клапана 2 на повышенном усилии 2 осуществляется индикатором. Срабатывание клапана 2 на повышенном усилии 2 можно задержать на 1...9 периодов с момента окончания позиции "Сварка 1" при помощи соответствующего переключателя (длительность позиции "Проковка 1" должна быть не меньше значения задержки).

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

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

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

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

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

Оборудование контактной сварки состоит из следующих узлов:

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

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

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

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

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

Способом контактной точечной сварки соединяют следующие металлы:

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

Особенности применения разных способов контактной сварки

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

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

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

Устанавливается следующими основными параметрами: силой или плотностью тока, временем нагрева, давлением, диаметром рабочей части электрода. Кроме того, часто задается время предварительного сжатия электродов t сж, время проковки t np форма рабочей части электрода и материал для его изготовления. Режимы специальных видов точечной сварки имеют еще некоторые дополнительные параметры.

Точечная сварка малоуглеродистой стали, как и , может производиться в очень широком диапазоне изменения параметров, однако каждому варианту режимов соответствует свое определенное соотношение параметров между собой.

Мягкие режимы характеризуются малой силой тока и большим временем нагрева, для жестких режимов сила тока большая, время нагрева - с варианта режима должен производиться с учетом конкретных условий производства и требований к сварочному соединению.

Сваривание точечной сваркой

Особенности названных вариантов точечной сварки

1. Мягкие режимы

Сварка на мягких режимах сопровождается образованием широкой зоны разогрева, что облегчает деформирование металла и позволяет ограничиться не очень высокими требованиями к точности правки заготовок, как при жестких режимах.

• Так как время нагрева повышено, степень влияния теплоты от быстро исчезающего контактного сопротивления на общий нагрев здесь несколько снижается.
• Поэтому могут быть снижены н требования к тщательности подготовки поверхности заготовок.
• Мощность электрическая я механическая при сварке на мягких режимах требуется более умеренная, чем при сварке на жестких режимах.

Точ. сварка

1. Жесткие режимы

Жесткие режимы обеспечивают более высокую производительность и меньший расход энергии. Ввиду того, что поверхность деталей под электродами при жестких режимах нагревается сравнительно меньше, электроды нагреваются слабее в, несмотря на рост давления, расход их снижается. Заметно уменьшается глубин2 вмятая в месте сварки и коробление изделия. В целом жесткие режимы целесообразны, прежде всего, в массовом производстве, где выигрыш в производительности и расходе энергии полностью окупит дополнительные расходы, связанные с приобретением, эксплуатацией и питанием более мощного оборудования.

Сила и плотность тока.

С увеличением толщины свариваемых листов сила тока должна повышаться. Для сварки низкоуглеродистых сталей средней толщины на серийных машинах ориентировочный выбор силы тока l может осуществляться по следующему соотношению:

l =6500qa ,

Где q толщина свариваемых листов в мм.

При сварке листов различной толщины выбор параметро производится во условию достаточности нагрева и деформации более тонкого листа. Потому а приведенном соотношении и в последующих величина q отнесена к более тонкому листу.

Плотность тока I для жестких режимов выбирается в пределах 120 — 360 д/Лм*, для мягких 80- 160 а мм2.

С увеличением толщины листов плотность то/? снижается. Когда металл свариваемых деталей обладает повышенной тепло- и электропроводностью, плотность тока должна увеличиваться. Так, при сварке алюминия или его сплавов плотность тока иногда достигает 1000 а/мм2 и выше. Как упоминалось ранее, плотность тока должна выбираться большей, когда по каким-нибудь соображениям давление принимается повышенным.

Контактная точечная сварка

Время нагрева

Как и сила тока, время нагрева (tcs) возрастает с увеличением толщины деталей. Ориентировочно для сварки малоуглеродистой стали на жестких режимах время нагрева может выбираться по соотношению

tce - (0,1 -f-0.2) q сек.,

где q - толщина более тонкого листа в мм.

Для сварки листов толщиной до 3 мм на мягких режимах подбор времени нагрева может производиться пo соотношению.

I = (0.8×1) q сек.

Слишком длительный нагрев может вызвать перегрев металла в зоне сварки.

Для сварки металлов с высокой теплопроводностью время сварки принимается малым (при большой силе тока), при сварке закаливающихся сталей, наоборот, во избежание образования закалочных трещин при быстром охлаждения время нагрева часто приходится увеличивать (при соответствующем снижении тока).

Ход точечной сварки

Давление

Выбор давления (P) производится в зависимости от толщины, состояния и материала заготовок, а также от характера принятого режима нагрева.

Для сварки малоуглеродистой стали давление в зависимости от толщины выбирается do формуле

P=(60×200)q кг.

где q -толщина в мм.

Удельное давление имеет предел Зх10 кг/мм2.

Мягкую горячекатаную сталь возможно спаривать при меньших давлениях. Холоднокатаная сталь, получившую повышенную твердость наклепа, требует некоторого повышения давления (на 20-30%). Когда заготовки плохо выправлены и имеют коробления, то, прежде чем плотно сдавить листы на участке сиамки, приходится произвести правку под электродами. Общее требуемое усилие а этом случае должно быть увеличено, особенно при больших толщинах. Так, для листов толщиной 3-6 мм только это дополнительное усилие составляет 100-400 ке. По этой же причине усилие должно возрастать и тогда, когда точки располагаются о тех местах свариваемого узла, где сдавливание листов затруднено (вблизи ребер и других элементов жесткости, а местах сопряжения деталей но радиусу и т. д.).

Удельное давление возрастает вместе с прочностью свариваемого металла. При сварке низколегированных сталей оно может составить 120-160% к удельному давлению для малоуглеродистой стали, при сварке аустенитно и жаропрочных сталей и сплавов но повышается в 2-3 раза.

• Диаметр электрода. Диаметр электрода (d) определяет плотность тока, удельное давление и степень интенсивности охлаждения поверхности детали.
• На элек­трическое сопротивление зоны сварки диаметр электрода влияет относительно мало, лишь в конечной стадии на- грела, когда достигается полное соприкосновению поверхностей электрода и детали.
• Поэтому яри длительном нагреве влияние диаметра электрода сказывается сильнее. Диаметр электрода возрастает с толщиной деталей.
• Для толщины до 3 мм диаметр электрода рассчитывается но следующей формуле:

D=2 q+3мм,

где q - толщина более топкого листа.

Для деталей с большей толщиной расчет ведется по формуле

Изменением диаметра электрода часто пользуются для выравнивания нагрева отри сварке деталей, неодина­ковых по толщине или по роду металла.

В ходе процесса сварки под влиянием сильного нагрева и большой механической нагрузки рабочая часть электрода меняется с образованием грибовидною утолщения, а поверхность загрязняется окислами металла. Увеличение фактического диаметру электрода при неизменных силе тока и усилии сжатия означает снижение плотности тока и удельного давления. Вследствие этого интенсивность нагрева в сварочном контакте сильно уменьшается, а уплотнение металла затрудняется и сварка может оказаться некачественной. Кроме того, загрязнение поверхности электродов может вызвать увеличение переходного сопротивления, перегрев и даже оплавление поверхности листов. Обычно считают, что связанное с износом возрастание диаметра более чем на 10% уже недопустимо. Такие электроды должны зачищаться напильником, специальным приспособлением или перетачиваться.

Время предварительного сжатия

Пол временем предварительного сжатия понимается от начала приложения давления до начала нагрева. Оно должно быть достаточным, чтобы механизм сжатия успел свести электроды и развить давление до заданной величины. Этот параметр непосредственного влияния на тепловые процессы при сварке не имеет. Для повышения производительности данный параметр следует сокращать, насколько позволяет скорость работы механизма сжатия.

Время проковки

Время проковки (tnp) определяется длительностью нахождения уже сваренной точки под сжимающим воздействием электродов. Этот параметр влияет на скорость охлаждения металла после сварки, так как после нагрева, в условиях плотного соприкосновения электродов и детали, тепло от зоны сварки особенно быстро отводится в электроды.

При сварке закаливающихся сталей ускоренное охлаждение может вызвать появление трещин и время проковки поэтому следует уменьшать.

Однако во всех случаях давление не должно сниматься ранее некоторого времени, необходимого для полного затвердевания и упрочнения ядра. В противном случае деформированные при сварке листы, стремясь упруго возвратиться в начальное положение, могут разрушить еще не остывшее ядро, С повышением толщины время проковки возрастает, так как объем нагретого металла и время охлаждения увеличиваются.

В.Г. Квачев (Институт кибернетики АН УССР)

Контактная точечная сварка - один из самых производительных способов соединения металлов. В связи с широким использованием ее в массовом производстве и отсутствием совершенных методов неразрушающего контроля особое значение приобретает строгое соблюдение требований, предъявляемых к технологическому процессу на этапах подбора режима, подготовки материалов под сварку, сборки деталей и т.д. При этом подбор оптимального режима сварки определяет воспроизводимость заданного качества соединений. Нетрудно показать, что при прочих равных условиях и постоянной колеблемости основных параметров режима функция стабильности качества y = f ( x 1, x 2… x n ) - параметры режима, зависит от соотношения этих параметров и имеет максимум в области оптимальных режимов сварки.

При точечной сварке материала определенной толщины режим задается временными зависимостями сварочного тока I св (t) и усилия сжатия F c ж ( t ), а также размерами и формой контактной поверхности электродов.

Рядом исследователей предложены формулы для расчета тока, как основного параметра, обусловливающего выделение тепла при сварке . Однако попытки их практического использования сопряжены с известными трудностями, вызванными сложностью расчетов и несовпадением полученных данных с практическими результатами . В последнее время для определения режимов сварки применяют теорию подобия или метод обобщенных переменных .

Однако существующие аналитические методы позволяют лишь предварительно оценить область изменения параметров режима, окончательный выбор которых требует существенного экспериментального корректирования.

Результаты корректирования расчетных и табличных значений параметров практически всецело зависят от квалификации технолога- сварщика, его опыта и методики, используемой при подборе режима. Естественно, такой подход привносит субъективный фактор, что зачастую приводит к непроизводительным затратам времени и материалов.

Выбор и корректирование режимов сварки - типичная задача оптимизации, т.е. нахождения наилучших в определенном смысле значений параметров режима. При заданном критерии качества (обычно это диаметр ядра (d я или разрывное усилие) задача оптимизации заключается в определении параметров, принадлежащих некоторой области допустимых значений и обеспечивающих экстремум выбранного критерия.

При наличии аналитической зависимости между управляющими параметрами режима и критерием качества решение этой задачи не составляет особого труда. Однако недостаточная изученность процесса сварки, большое количество параметров и случайный характер возмущений не позволяют получить достаточно точного аналитического описания. Поэтому оптимальные параметры режима могут быть определены с помощью методов математического планирования экспериментов, основанных на обработке данных, которые получены непосредственно на действующем объекте. При этом в отличие от аналитического исследования осуществляется локальное изучение поверхности отклика по результатам некоторого набора экспериментов, В результате ряда последовательных процедур изучения поверхности отклика получают его экстремальное значение, причем эксперименты планируются таким образом, чтобы минимизировать количество опытов и время, затрачиваемое на поиск экстремума. Обычно наиболее эффективно использование факторных методов планирования, получивших в последнее время широкое распространение при исследовании технологических процессов.

Для решения поставленной задачи был применен метод последовательного симплекс-планирования . Основная идея его заключается в том, что поверхность отклика в некоторой области аппроксимируется линейным приближением с помощью минимального числа экспериментальных точек, образующих симплекс, и движение по этой поверхности в поисках оптимального значения осуществляется путем отбрасывания вершины симплекса с меньшим откликом и построения новой, являющейся зеркальным отображением отброшенной. Это позволяет совместить процесс из учения поверхности отклика с перемещением по ней. Достигнув области экстремума, симплекс начинает вращение вокруг вершины максимальным откликом. Это свидетельствует о том, что все остальные вершины, определяемые соотношением исходных параметров, дают меньший по сравнению с дентальной выход и используются для определения окончания процесса оптимизации.

Более подробное описание алгоритма метода симплекс-планирования будет рассмотрено ниже. Здесь же необходимо отметить основные достоинства, обусловившие выбор этого метода для решения задачи:

1) использование его не требует специальных математических знаний. Вычисления крайне просты, все приемы формализованы, поэтому метод пригоден как для ручной, так для машинной реализации;

2) направление движения определяется не точными количественными значениями отклика, а лишь соотношением между ними. Это особенно важно в случае затруднений при измерении показателя качества сварки;

3) ввиду того, что перемещение симплекса основывается на качественной информации не нужно предъявлять слишком высокие требования к точности поддержания и измерения значений параметров, соответствующих координатам вершин. Это позволяет использовать метод непосредственно в производственных условиях, где измерение и поддержание значений параметров с высокой точностью затруднены.

Ниже на примере выбора оптимального режима точечной сварки материала Д16АМ мм на низкочастотной машине показана методика применения симплекс-планирования. Эксперимент планировался для двух независимых переменных режима: максимального значения импульса сварочного тока I св max и усилия сжатия электродов F сж . Остальные параметры (время сварки, диаметр электро да d э радиус его заточки R з и т.д.) поддерживались на заданном уровне.

На основании данных таблиц рекомендованных режимов выбирались диапазон изменения каждой из переменных: 25 кА I св max 35 кА, 280 кг сж 400 кг – интервал варьирования ; величина кА, кг.

В качестве критерия оптимизации принимали диаметр ядра сварной точки. Переменные режима измерялись с помощью специализированной аппаратуры .

Симплексом, как известно, называется простейшая выпуклая геометрическая фигура, обладающая минимальным количеством вершин n +1, где n - число исследуемых переменных. В рассматриваемом случае при n =2 регулярный симплекс представляет собой равносторонний треугольник, координаты вершин которого в пространстве исследуемых переменных определяют план опытов.

Начальный симплекс строился для режима I св max = 175. F сж = 120 . Ввиду того что предварительная оценка направления движения затруднена, ориентация первоначального симплекса произвольна. Поэтому расположим его сторону А 1 – А 2 параллельно оси тока (рисунок, а). Учитывая выбранные интервалы варьирования параметров и пользуясь матрицей планирования , строим начальный симплекс A 1 A 2 A 3 . Результаты опытов в вершинах симплекса (табл. 1) показали, что минимальное значение диаметра ядра дает режим, определяемый точкой А 2 . Поэтому для осуществления движения в направлении увеличения отклика необходимо отбросить точку А 2 и на оставшейся стороне А 1 –А 3 достроить новый симплекс путем добавления точки А 4 .

Координаты новой точки определяются следующим соотношением:

A ji =2/n (A 1i + A 2i + …+ A ji + …+ A k +1. i ) - A ji

i =1, 2, 3,…, k .

Здесь первый индекс обозначает номер вершины симплекса, а второй - ее координату: j - номер вершины с минимальным откликом. Для рассматриваемого случая координаты точки А 4 вычисляются так:

A 4 (F сж )=2/2 [ A 1 (F сж )+ A 3 (F сж )]– A 2 (F сж );

A 4 (I св max )=2/2 –A 2 (I св max ).

После проведения эксперимента в точке A 4 производится сравнительная оценка диаметра ядра для режимов A 1 , A 3 , A 4 . Точка симплекса с минимальным выходом отбрасывается и описанная процедура повторяется.

Рис. Траектория движения симплекса при определении оптимального режима сварки (d э =20мм, R з =75мм)

А - сплава Д16АМ; б – сплава АМг6; в – нержавеющей стали 1Х18Н9Т

Как видно из рисунка и табл. 1, после достижения симплексом точки А 8 поступательное движение прекратилось.

Таблица 1

№ опыта	Симплекс	Точка, в которой проводится опыт	Координаты вершин		d я , мм
			I св max	F сж
	A 1 A 2 A 3
	A 1 A 2 A 3
	A 1 A 2 A 3
	A 1 A 3 A 4
	A 3 A 4 A 5
	A 4 A 5 A 6
	A 5 A 6 A 7
	A 6 A 7 A 8
	A 6 A 8 A 9
	A 8 A 9 A 10	A 10
	A 8 A 10 A 11	A 11
	A 8 A 11 A 12	A 12
Примечание. В опытах № 10, 11 произошел выплеск.

При сварке на режиме, определяемом точкой А 10 , диаметр ядра увеличился, но при этом произошел выплеск. Следующий симплекс был построен на стороне А 8 …А 10 , и эксперимент, проведенный в точке А 11 , также привел к выплеску. Завершающий опыт в вершине А 12 дал существенно меньшие размеры диаметра ядра по сравнению с режимом, определяемым точкой А 8 .

После завершения цикла вращения симплекса вокруг вершины А 8 оказалось, что режимы A 9 , A 10 , A 11 , A 12 дают меньший диаметр ядра либо приводят к выплескам.

Для уточнения координат оптимального режима в точке А 8 был проведен ряд опытов, которые дали хорошую воспроизводимость результатов. Таким образом, в качестве оптимального был определен режим, соответствующий вершине А 8 с координатами I св max =190, F сж =104.

Аналогичный эксперимент по выбору оптимального режима сварки был проведен также для материалов АМг6 и 1Х18Н9Т мм . Траектории движения симплексов для них приведены на рис. б и в. В табл. 2 указаны оптимальные режимы в натуральных единицах.

Таблица 2

Свариваемый материал	I св max , к А	F сж , кг
Д16АМ	31,2
АМг6	17,6
1Х18Н9Т

Литература

1. А.С. Гельман, Технология и оборудование контактной сварки, Машгиз, М., 1960.

2. К.А. Кочергин, Вопросы теории контактной сварки, Машгиз, М, - Л., 1950.

2. Г.Ф. Скакун, А.А. Чакалаев, К вопросу расчета некоторых параметров режима точечной сварки легких сплавов, сб. «Надежность сварных соединений и конструкций», «Машиностроение», М, 1967.

3. В.К . Лебедев, Ю.Д. Яворский, Применение критериев подобия для определения режимов сварки, «Автоматическая сварка», № 8, 1960.

4. В.В. Налимов, Н.А. Чернова, Статистические методы планирования экстремальных экспериментов, «Наука», М., 1965.

5. Б.Е. Патон и др., Автоматизация экспериментальных исследований сварочных процессов, «Автоматическая сварка», № 6, 1970.

6. П.В. Ермуратский, Симплексный метод оптимизации, «Труды МЭИ», вып. 67, 1966.

ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ТОЧЕЧНАЯ СВАРКА

Цель работы: изучить технологический процесс электроконтактной точечной сварки; определить его отличия; ознакомиться с устройством машины МТ-1606; выполнить сварку образцов с целью определения оптимального режима.

Общая схема образования соединения

Весь процесс образования соединения условно состоит из отдельных физических процессов, которые в зависимости от роли в формировании соединения разделяют на основные и сопутствующие.

При точечной сварке детали 1 собирают внахлест или с отбортовкой, плотно зажимают между электродами 2 сварочной машины, нагревают кратковременным (0,01...0,5 с) импульсом электрического тока большой силы (до десятка кило-ампер) при незначительном напряжении (3...12 В), вследствие чего создается соединение на отдельных участках контакта, которые называются точками. Создание соединения происходит по схеме, что состоит из этапов I-III.

Первый этап начинается с момента сжатия деталей силой Fсв, что вызывает пластическую деформацию микрорельефа в контактах электрод - деталь и деталь - деталь.

Следующее включение тока I и нагрев металла облегчают процессы выравнивания микрорельефа, разрушение поверхностей пленок и формирование электрического контакта.

Тепловое расширение при точечной сварке происходит в условиях сжатия и сопровождается возникновением неравномерного распределения внутренних напряжений, которые вместе с постоянно действующими внешними силами Fсв вызывают необратимые объемные пластические деформации (направление максимальной деформации 3).

Тепловое расширение металла в области контакта деталь - деталь является причиной образования зазора между деталями.

До расплавления металла уменьшение σд и излишек металла за счет дилатометрического эффекта компенсируются незначительным разведением электродов, а также вытеснением частей металла в зазор, что обеспечивает на внутреннем контакте рельеф - уплотнительный поясок 4, который ограничивает растекания сварочного тока.

На первом этапе сопутствующие процессы из-за относительно малой деформации и низкой температуры зоны сварки не получают большого развития.

Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра 5. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров - по высоте hя и диаметру dя (размеры ядра или шва регламентируются ГОСТ 15878-79, ГОСТ 14098-85 и определяются из условий обеспечения требуемого уровня прочности свариваемых конструкций). При этом происходит перемешивание металла 6, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Ядро возникает в зоне, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей мере влияет теплообмен с электродами.

При расплавлении в замкнутом объеме резко увеличивается объем металла ядра, возникают электромагнитные силы и, как следствие, возникает гидростатическое давление, которое определяется общим балансом напряжений в зоне сварки. Дилатометрический эффект и общее уменьшение σд компенсируется дальнейшим раздвижением электродов и вытеснением в зазор деформированного металла. Это способствует созданию не только рельефа, который ограничивает растекание тока, но и герметизацию литого ядра, предотвращая разбрызгивание металла и его контакт с атмосферой.

Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение σд; соответственно, температура внешней границы ниже, а σд больше. Метал пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом напряжения стремятся увеличить зазор между деталями. Такой характер деформации приконтактной области деталей вызывает "оседание" металла и возникновение вмятин 8 (размер с) на поверхности от электродов.

С появлением расплавленного ядра появляется опасность разбрызгивания, вследствие теплопроводности нагревается шовная зона, изменяется выходная структура металла, наблюдается массоперенос в контакте электрод - деталь (сопутствующие процессы).

Третий этап начинается после выключения сварочного тока -происходит интенсивная кристаллизация ядра (hя, dя), которая оканчивает создание неразъемного соединения деталей в месте соприкосновения. Металл точек имеет дендритную структуру.

Во время кристаллизации продолжается теплопередача в околошовную зону и изменение структуры металла в ней, происходит усадка металла, вследствие чего в нем создаются усадочные полости и раковины; в ядре возникают растягивающие напряжения, которые являются причиной возникновения трещин и под влиянием которых возможно разрушение непрочной точки.

Для снижения уровня остаточных напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин нужны значительные усилия Fков. Высокое качество сварки и максимальная продуктивность процесса для данной толщины, формы и материала изделий определяются правильностью избранного режима сварки.

Качество соединений также зависит от техники сварки, формы электродов, качества сборки и подготовки поверхности, сварочного оборудования, системы контроля и других конструктивно-технологических факторов.

Параметры режима точечной сварки

Основными параметрами режима точечной сварки являются сварочный ток Iсв (амплитудный или действующее значение), продолжительность или время прохождения тока tсв, усилие сжатия деталей электродами Fсв, усилия и продолжительность проковки Fпр, tпр, диаметр рабочей поверхности электрода dэ или радиус сферической поверхности электрода Rэ.

Выходными данными для определения перечисленных пара-метров есть физико-механические свойства металла и толщина свариваемых деталей.

Режимы можно установить расчетно-экспериментальным методом или экспериментально. В зависимости от свойств мате-риалов для точечной сварки рекомендуют так называемые мягкие или жесткие режимы. Мягкие режимы - небольшой ток сварки и большое время сварки; жесткий режим - большой ток сварки, небольшое время сварки.

Есть много рекомендаций по поводу режимов (в виде таблиц, номограмм, графиков). Эти режимы ориентировочны и нуждаются в проверке перед сваркой и часто корректируются с учетом условий подготовки поверхности, сборки, состава оборудования и др.

Корректировку проводят на образцах-свидетелях с использованием зависимости параметров литого ядра от параметров режима. Например, если диаметр недостаточный, увеличивают сварочный ток Iсв.

Во избежание выплесков увеличивают Fпр, dэ, Rэ. Если ядро имеет трещины, увеличивают Fпр приближая его увеличение по времени к моменту выключения тока, а также замедляют кристаллизацию, модулируя задний фронт тока. Усилия прикладывают до прохождения сплава через ТИК; tпр увеличивают при увеличении толщины и уменьшении теплопроводности свариваемых металлов (на жестких режимах и высоких скоростях кристаллизации его уменьшают).

Качество и, в частности, прочность сварочного соединения зависят от размеров литого ядра (hя, dя), а также состояния металла, степени снижения его прочности в шве и зоне термического влияния, вида нагрузок, уровня дефектов.

Параметры режима имеют разное влияние на диаметр ядра и, соответственно, на прочность. С увеличением Iсв или tсв, когда другие параметры постоянны, прочность увеличивается сначала быстро, потом медленнее, с образованием ядра. Но при чрезмерных Iсв и tсв размеры ядра начинают уменьшаться вследствие усиления внутренних выплесков, появления разных дефектов. С увеличением Fсв и dэ прочность также сначала увеличивается в связи с увеличением диаметра ядра, а потом начинает уменьшаться из-за резкого увеличения площади контактов, уменьшения плотности тока.

С уменьшением толщин деталей плотность сварочного тока увеличивается. Для материалов с низким удельным сопротивлением требуется ток больше, чем для материалов с высоким удельным сопротивлением. При высокой теплопроводности и температуропроводности металла сварку проводят на жестких режимах, то есть уменьшают время прохождения сварочного тока и увеличивают его силу.

Если сваривают детали разной толщины, рабочие параметры режима выбирают по самой тонкой из них. Сварка деталей с разной толщиной (при соотношении толщин >1:3) затруднена (рис.а) из-за отсутствия надежного проплавления более тонкой детали (s1

Чтобы избежать этого, рекомендуются жесткие режимы сварки или со стороны тонкой детали использовать электроды с меньшим сечением или эти электроды изготавливают из металла с меньшей теплопроводностью, чем со стороны толстой детали.

При сварке деталей из различных материалов из-за неодинакового выделения тепла диаметр ядра и глубина проплавления увеличиваются в деталях с более высоким удельным сопротивлением и меньшим коэффициентом теплопроводности (деталь 2).

При сварке деталей с применением электродов различных размеров и формы контактирующих поверхностей ядро смещается к электроду с меньшей контактной поверхностью (электрод 2), где больше плотность тока.

Состояние поверхности (контактное сопротивление) деталей существенно влияет на распределение тепла при сварке и, как следствие, на размеры и прочность точек.

Для обеспечения стабильности контактного сопротивления детали перед сваркой обычно зачищают (травлением или механической обработкой) или покрывают тонкой пленкой оксидов с небольшим и постоянным по величине сопротивлением.

Типовой технологический процесс производства сварочных узлов и изготовления точечной сварки состоит с таких операций: изготовления деталей-заготовок, подготовка их поверхностей к сварке, сборка, прихватка, сварка, исправление, механическая обработка и антикоррозионная защита.

Для точечной сварки применяют разные типы машин: переменного тока, низкочастотные, постоянного тока, конденсаторные. Мощность машин - от 5 до 1000 кВт.

Машины переменного тока наиболее распространены во всех областях машиностроения, они проще и дешевле других машин.

Строение машины МТ-1606

Машина переменного тока МТ-1606 предназначена для точечной сварки конструкционных и высоколегированных сталей, титановых сплавов толщиной от 0.8 до 6.5 мм. Возможна также сварка некоторых цветных медных сплавов (латуни, бронзы и др.) толщиной до 1.2 мм. Максимальная мощность машины - 95 кВт, номинальный сварочный ток - 16 кА, максимальное число точек в минуту - 200.

Пневматическая система обеспечивает сжатие и удержание свариваемых деталей 1, в сжатом состоянии во время всего цикла сварки.

Воздух из сети через воздушный фильтр 13, регулятор давления 12, маслораспылитель 11 и электромагнитный пневмоклапан 10 проходит в зависимости от положения золотника клапана через дроссель (10-6,10-4), которые регулируют скорость подачи воздуха в полости цилиндра:
- в нижнюю полость цилиндра 4, совершая подъем нижнего поршня до упора в верхней поршень 7;
- в среднюю полость 6 (через верхний шланг и шток верхнего поршня), совершая опускание нижнего поршня и сжатие деталей.

Рабочее давление воздуха устанавливают при помощи регулятора 12, контролируют - по манометру.

Верхний поршень служит для настройки хода нижнего. Настраивание хода осуществляется при помощи регулировочной гайки 9 на штоке верхнего поршня. Для установки рабочего хода верхнего электрода в пневмоцилиндр (над верхним электродом) нужно подать воздух, открыв кран управления 14. Верхний поршень опустится до упора в верхнюю крышку цилиндра регулировочной гайки.

Кран управления положением верхнего поршня 5 служит для подачи и сброса воздуха из верхней полости цилиндра. При сбросе воздуха верхний поршень поднимается вверх до упора в крышку цилиндра и электроды разойдутся на максимальное расстояние.

С нижним поршнем через шток связан верхний электрододержатель 2, на котором закреплен верхний электрод 2. Нижний электрододержатель и электрод неподвижны.

Маслораспылитель 11 смазывает подвижные части. Масло с маслораспылителя захватывается проходящим воздухом и смазывает клапан, пневмоцлиндр и поршни.

Электрическая схема машины. Источником питания МТ-1606 является трансформатор ТР, который состоит из магнитопровода броневого типа, первичной и вторичной обмоток. Вторичная обмотка имеет один виток из толстой медной шины. Меняя переключателем ступеней ПС число секций первичных катушек, включеных в электрическую сеть, ступенчато регулируют мощность машины.

Автоматический выключатель АВ выключает машину, если в сети машины есть короткое замыкание или она перегреется.

Тиристорный включатель КТ имеет два тиристора, которые включены встречно-параллельно, что дает возможность пропустить на первичную обмотку трансформатора переменный ток. Тиристоры открываются тогда, когда на их управляющие электроды подаются импульсы управления от регулятора цикла сварки.

На машинах такого типа есть возможность плавной регулировки мощности машины за счет синхронного смещения по фазе импульсов управления относительно волн полупериодов переменного тока.

Регулятор цикла РЦ обеспечивает автоматическое управление машиной. Он представляет собой электронно-релейное устройство, которое включает и выключает в определенной последовательности электромагнитный пневмоклапан и тиристорный контактор, благодаря чему в нужный момент совершается сжатие деталей, включение и выключение тока, подъем верхнего электрода.

В машине МТ-1606 электрододержатели, электроды и тиристорный контактор охлаждаются проточной водой. Вода, подаваемая на охлаждение тиристоров, проходит через гидроклапан. Если подача воды прекращается, гидроклапан размыкает управляющую цепь тиристора и сварочный ток не включается.

Порядок работы машины

Общий цикл сварки одной точки tц состоит из сжатия деталей tсж, сварки tсв, проковки tпр и паузы tп.

Сжатие деталей происходит при нажатии на педальную кнопку КП. Сжатый воздух через электромагнитный пневмоклапан подается в среднюю полость цилиндра, опуская вниз нижний поршень, связанный с верхним электрододержателем и электродом.

После стабилизации усилия сжатия (заданный промежуток времени tсж) регулятор цикла подает сигнал на управляющие электроды тиристоров, включается сварочный ток, цепь замыкается через столбик металла, зажатого между электродами. По окончании tсв ток выключается.

После этого для кристаллизации расплавленного металла сварной точки (с целью уменьшения сварочных напряжений и деформаций) детали некоторое время оставляют под давлением (проковка).

По окончании проковки регулятор цикла размыкает цепь питания электромагнитного пневмоклапана, золотник меняет свое положение и воздух подают в нижнюю полость цилиндра. Нижний поршень поднимается вверх, освобождая сваренные детали. Электроды во время паузы, необходимой для замены деталей, будут разведены, а потом цикл сварки повторяется.

Для выполнения сварки одной точки нужно: переключатель рода работы установить в положение "Одиночный цикл", один раз нажать и отпустить педаль.

Для выполнения большого количества точек можно работать в режиме "Автоматическая работа". Педаль управления при этом нужно держать все время в нажатом положении.

Подготовка к работе

1. Подать воздух в машину, для чего включить компрессор, поднять давление в ресивере до 5 атм и открыть входной вентиль машины.
2. Настроить машину на требуемый режим сварки:
   1. ход верхнего электрода - выбирается в зависимости от конфигурации свариваемых узлов и деталей, и устанавливается при помощи гайки, накручивающейся на шток верхнего поршня (при настройке хода пользуются краном управления, который после настройки нужно установить в правое положение);
   2. силу сжатия деталей - выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого материала, настраивается винтом воздушного регулятора и контролируется манометром. Она должна быть такой, чтобы обеспечить хороший контакт между деталями и электродами (зависимость усилия сжатия на электродах от давления по манометру приведена в таблице на машине);
   3. ступень мощности (определяет величину тока) - выбирают в зависимости от толщины и рода свариваемого материала. Она устанавливается при помощи трех ножевых переключателей, которые находятся внутри машины - справа (зависимость ступени мощности от положения переключателей указана в таблице машины);
   4. времена сжатия, сварки, проковки, паузы - устанавливаются при помощи переключателей регулятора цикла, расположенного в нижней части машины. Время каждой операции регулируется в пределах 1-198 периодов, то есть в пределах 0.02-3.96 с, через 0.02 с (период переменного тока частотой 50 Гц), на переключателях расположенных слева устанавливаются единицы периодов - десятки.
      Ступень мощности и сила сжатия выбираются в зависимости от толщины и рода свариваемого материала.
3. Включить рубильник сети и автоматический выключатель.
4. Опробовать работу машины без сварочного тока, для чего выключить тумблер "Сварочный ток", нажать на педаль управления и после верно отработанного цикла сварки включить тумблер.

Методика работы

1. Ознакомится с сущностью контактной точечной сварки.
2. Установить особенности формирования ядра сварочной точки.
3. Установить влияние параметров режима на параметры сварного соединения.
4. Ознакомиться со строением машины МТ-1606.
5. Провести тренировочную сварку соответственно "Порядку работы машины".
6. Установить режим сварки (по указанию преподавателю), выполнить сварку образцов, проверить на прочность сварочные соединения.
7. Составить отчет, сделать анализ полученных результатов.

Таблица 1 - Протокол режима сварки и испытания образцов

Оборудование и материалы

1. Пост для контактной сварки.
2. Машина для контактной точечной сварки МТ-1606.
3. Разрывная машина.
4. Сварочные материалы: листовые образцы из углеродистой и низколегированной стали толщиной 0,5...1,2 мм.

1. Схема контактной точечной сварки.
2. Особенности формирования ядра точки, параметры режима и их влияние на параметры сварочного соединения.
3. Принципиальная схема машины МТ-1606. Технические данные, спецификация основных узлов.
4. Результаты исследований (табл.1).
5. График зависимости F = f(tсв).
6. Анализ полученных результатов. Выводы (обоснование оптимального режима сварки).

Контрольные вопросы

1. Где выделяется тепло при точечной сварке?
2. Опишите цикл сварки одной точки, ее характерные размеры?
3. Назовите основные параметры режима точечной сварки?
4. Как влияют параметры режима на качество соединения?
5. Как избежать выплеска металла, не снижая прочности точки?
6. Как изменить параметры режима сварки, если толщина свариваемых деталей: -увеличилась, -уменьшилась?
7. Для чего нужна проковка?
8. Расскажите назначение узлов электрической схемы, пневмосхемы?
9. Как настроить точечную машину на максимальный сварочный ток (сделать это практически)?