Точечная контактная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей свариваемых деталей.

Применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм) электронных приборов, для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности.

В процессе сварки ток проходит от одного электрода к другому через металл заготовок. Электроды для контактной точечной сварки изготовляются из сплавов с высокой электропроводностью, чтобы сопротивление в контакте электрод-деталь было минимальным. Поэтому в местах контактов деталь-деталь происходит наибольший нагрев за счет наибольшей величины электрического сопротивления. Разогрев и расплавление металла под действием электрического тока приводит к образованию литого ядра сварной точки, диаметр которой обычно составляет 4—12 мм.

Различают мягкий и жесткий режимы точечной сварки.

Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью времени сварки и плавным нагревом заготовок умеренными силами тока, с плотностью тока на рабочей поверхности электрода обычно не превышающей 100 А/мм². Время протекания тока обычно 0,5 – 3 секунды. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.

Жесткий режим точечной сварки характеризуется малой продолжительностью времени сварки, большими, чем при мягком режиме, значениями силы тока и значительным сжимающим давлением электродов. Плотности тока достигают 120 – 300 А/мм². Время протекания тока обычно 0,1 — 1,5 секунды. Давление электродов обычно принимают в пределах 3 – 8 кг/мм². Жесткие режимы применяют при сварке алюминиевых и медных сплавов, с высокой теплопроводностью, деталей неравной толщины и разноименных деталей, а также высоколегированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости.

Особенности сварки алюминия

Сварку алюминия и его сплавов любыми способами осложняет несколько его физических и химических качеств:

Пленка окиси, образующаяся на поверхности заготовки, имеет температуру плавления более 2000 градусов. Окислы алюминия являются стойкими химическими соединения, имеющими нейтральные качества. Поэтому получающаяся пленка практически не поддается воздействию флюсов. Кроме того, ее тугоплавкость может привести к перегреву металла в месте сварки, а алюминий в таком состоянии отличается хрупкостью.

Причиной перегрева может также служить и высокая электропроводность материала, в этом случае возможно приваривание электрода (залипание) и заготовки.

Подготовка алюминия к точечной сварке.

Перед тем как сварить алюминий точечной сваркой, необходимо подготовить его поверхность. Подготовка поверхности алюминия перед сваркой является ответственным этапом, направленным на удаление с нее окиси. Для качественной сварки точечным методом достаточно обработать полосу шириной в 20 – 30 мм. Может выполняться механическим или химическим способом.

Механическая очистка может выполняться вручную или при помощи специальных устройств, что более эффективно. Очистка в основном осуществляется при помощи вращающихся металлических щеток, при зачистке вручную чаще всего применяют наждачную бумагу.

Химическая очистка является наиболее эффективным методом. Травление алюминия может осуществляться в растворах каустической соды или ортофосфорной кислоты. Перед обработкой заготовки должны быть обезжирены.

При контактной точечной сварке деталей из алюминиевых сплавов типов АМг, АМц, Д16 применяются электроды из медных сплавов марок «МК», «МСр» или «БрХЦр 0,3-0,9» (ГОСТ 14111-77).

Выбор и расчет основных параметров режима сварки

Расчет основных параметров точечной сварки заключается в определении:

времени (длительности импульса) сварки (t_св),

усилия сжатия свариваемых деталей (F_св),

сварочного тока (I_св).

Исходными данными для определения режима сварки служат:

а) толщина каждой из деталей;

б) механические и теплофизические свойства свариваемых материалов,

в) чувствительность металла к воздействию термомеханического цикла при нагреве, плавлении и кристаллизации литого ядра и околошовной зоны.

При ТКС в зависимости от наименьшей толщины свариваемых деталей выбирается согласно ГОСТ 15878-79 минимально-допустимый диаметр литого ядра (d), ширина нахлестки (В) и минимальный шаг между точками (t_ш). Для легких сплавов принимается диаметр контакта «электрод — деталь» равным d_эд = 1,25·d_{я ном}.

d_эд= d_э.ном

 При этом d_э.ном для всех материалов находится из следующей зависимости:

d_э.ном. = 2,5·s +3, мм;

d_э.ном =2,5·0,6+3=4,5, d_эд = d_э.ном

принимаем d_э.ном = 5 мм.

При ТКС продолжительность импульса сварочного тока и сила сжатия деталей могут рассчитываться по следующим эмпирическим зависимостям:

t_св = k_t·s = 0,112 с,

F_св = k_f ·s = 4400 Н

где k_{t —} коэффициент, зависящий от сопротивления пластической деформации свариваемого сплава; s — наименьшая толщина свариваемой детали, м; k_f — коэффициент, зависящий от механических свойств сплава, Н/м.

Расчетным путем определяют действующее значение сварочного тока по закону Джоуля-Ленца.

I_СВ = [Q_ЭЭ/ (m·R_ЭЭ·t_СВ)]^0,5

Общее количество теплоты, выделяющейся в процессе сварки, между электродами рассчитывается из уравнения теплового баланса:

Q_ээ = Q₁ + Q₂ + Q₃

где: Q₁ — Энергия, затрачиваемая на нагрев до ΔТ_пл столбика металла высотой (δ₁ + δ₂) и диаметром основания d, Дж; Q₂ — теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х₂, окружающего ядро; среднюю температуру кольца принимают равной 0,25ΔТ_пл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте деталей; Q₃ — потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х₃ до средней.

Энергия Q₁ может быть рассчитана по формуле:

где: с — удельная теплоемкость свариваемого материала.

С учетом того, что для алюминиевых сплавов:

с =1176 Дж/(кг ^оС)                     γ = 2700 кг/м³

Энергия Q₂ равна:

где: К_{1 —} коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева кольца вокруг расплавленного металла.

Потери теплоты в электроды Q₃ можно вычислить по следующей формуле:

где: К₂ = 2 — коэффициент, учитывающий форму электрода (сферический); С_М۰γ — удельная теплоемкость сплава, из которого изготовлены электроды.

Высота условного цилиндра электрода:

где: a_m — коэффициент температуропроводности электродного материала (медь, бронза), a_Э = 0,24 см²/с

Тогда для электрода со сферической рабочей поверхностью потери теплоты будут равны:

В итоге, полное количество теплоты Q выделяющейся между электродами за время сварки, будет равна:

Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 125,7 + 644 + 78,4 = 848,1 Дж

Тогда сила сварочного тока будет равна:

I_СВ=[Q/(m۰R۰t_СВ)]^0,5=[848,1/(1,15۰20.9۰10^-6۰0,112)]^0,5 = 15,8 кА

Сварочное усилие F св = (200…250)∙S = 250∙(0,6+0,8) = 350 кгс

Диаметр литого ядра точки d_я = 4 мм

Ширина нахлёстки b = 14 мм

Диаметр рабочей части электрода d = 5 мм

Сварочное усилие сжатия F св = 350кгс = 3,43 кН

Сварочный ток I_св = 18 кА

Время сварки (длительность импульса) t_св = 0,112 с

Исходя из расчетных данных принимаем установку PMP 2-1/25.

Технические характеристики

Толщина листов, мм                                                                                    2+2

Номинальная мощность (ПВ 50%), кВА                                          25

Максимальный сварочный ток, кА                                                        18

Усилие сжатия (при 6 бар), daN                                                        200

Вылет электрода, мм                                                                                    400 — 800

Ход электрода, мм                                                                                    6 — 50

Контроль сварного соединения.

Внешний осмотр соединений проводят невооруженным глазом или через лупу 7-10 — кратного увеличения. При осмотре проверяют расположение сварных точек и швов, форму и размеры вмятины от электродов (роликов), наличие наружных дефектов, зазоры между деталями.

Внешним осмотром соединений стыковой сварки выявляют дефекты геометрической формы (перекосы, смещения, укорочения), подгар поверхности, пережог металла стыка. После снятия заподлицо грата и усиления шва, полирования и травления могут быть выявлены трещины, окисные включения и местный непровар.

При контроле точечной сварки с помощью ультразвуковых колебаний (УЗК) в одном из электродов машины установлен излучатель, в другом — приемник УЗК. В процессе образования зоны расплавления изменяется интенсивность прохождения УЗК через свариваемые детали. Степень затухания УЗК зависит от площади зоны расплавления металла (диаметра ядра). При достаточно большой зоне расплавления происходит почти полное затухание УЗК, при ядре малых размеров — частичное. Степень изменения прохождения УЗК через зону сварки контролируется соответствующей аппаратурой.

Рентгеновское просвечивание применяют для выявления внутренних дефектов сварных соединений: пор, раковин, трещин, выплесков. Возможность их обнаружения объясняется тем, что несплошности металла лучше пропускают рентгеновские лучи, чем сплошной металл, дефекты выявляются на снимке как более темные места.

Контролю ответственных сварных соединений подвергают технологические образцы и готовые сварные узлы.

Алюминий и его сплавы легко свариваются точечной сваркой. Свойства алюминия и его сплавов окисляться с поверхности при комнатной температуре является предпосылкой к тому, что для этого металла можно успешно применить контактную сварку, так как пленка окиси создает большое сопротивление для прохождения электрического тока.

Поскольку алюминиевые сплавы обладают большой теплопроводностью, ток должен проходить в очень короткий и точно установленный срок (от 0,1 до 0,25 сек.) в зависимости от свариваемых толщин металла.

С другой стороны, хорошая электропроводность и легкоплавкость алюминиевых сплавов требуют использования тока большой силы. При той же толщине свариваемых листов алюминиевые сплавы требуют в два раза большую мощность, чем при сварке малоуглеродистых сталей.

Наконец, поскольку сопротивление контактной поверхности имеет здесь особенное значение, то необходимо, чтобы она была однородной. Следовательно, поверхности должны быть чистыми. Вследствие большой электропроводности алюминиевых сплавов давление между электродами должно быть меньше, чем при сварке стали.

При подготовке поверхностей к контактной сварке должны выполняться три основных требования: в контактах электрод — деталь должно быть обеспечено как можно меньшее электрическое сопротивление, в контакте деталь — деталь сопротивление должно быть одинаковым по всей площади контакта. Сопрягаемые поверхности деталей должны быть ровными, плоскости их стыка при сварке должны совпадать.

Критерием качества подготовки поверхности является величина контактных сопротивлений. Для их измерения детали зажимают между электродами сварочной машины, но сварочный ток не включают. Сопротивление измеряют микроомметром при помощи щупов. Для сталей сопротивление более 200 мкОм свидетельствует о плохом качестве поверхности. Высокое R3.n приводит к перегреву электродов и подплавлению поверхности деталей, вследствие чего происходит наружный и внутренний выплеск металла и образуется чрезмерная вмятина под электродами.

Чтобы обеспечить точность, сборку деталей производят в приспособлениях: универсальных — в единичном и мелкосерийном производстве и специальных — в крупносерийном и массовом. Для фиксации деталей используют их технологические отверстия, выступы, рельефы. Детали прихватывают в приспособлениях и окончательно сваривают в свободном состоянии. Иногда в приспособлениях выполняют весь процесс сварки. Приспособления должны обеспечивать свободный доступ электродов к месту прихватки и сварки, быстрое и надежное закрепление деталей, точность сборки и неизменность режима сварки. Первые прихватки следует располагать в местах большой жесткости, остальные — от середины к краям.

Режим сварки:

сварочное усилие — 700 кг,

ковочное усилие — 3500 кг,

ступень сварочного трансформатора – 15 (70 кА),

 длительность импульса сварочного тока — 0,3 сек.

диаметр ядра 12-12,5 мм,

величина проплавления 50-60 %.