Электроды для контактной сварки

Оборудование для контактной сварки

Все агрегаты для сварки контактным методом условно классифицируются по следующим признакам:

• назначение;
• источник питания;
• расположение электродов;
• способ перемещения;
• способ автоматизации.

По назначению сварное оборудование делят на модели общего назначения и специализированные агрегаты, применяемые для конкретных работ.

Прецизионное оборудование для точечной сварки широкого назначения подойдет для сваривания разного рода микроэлектронных устройств, металлических изделий, в зависимости от особенностей их конструкции и актуальных требований.

Сварочный аппарат для точечной сварки.

Но в случае большинства металлических изделий и сплавов нужно применить специализированные агрегаты для контактной точечной сварки:

• установки, функционирующие по принципу одностороннего контактного сваривания;
• агрегаты для сварки проводников в изоляционном материале.

В оборудовании для контактной стыковой сварки на производстве применяются разные виды источников питания

• конденсаторы, в т. ч. с поддержанием напряжения и регулированием режима работы в процессе сварки автоматически;
• источники питания с переменным током, в т. ч. повышенной частоты с возможностью автоматического регулирования тока или напряжения.

Схема стыковой сварки оплавлением должна описывать вид применяемого оборудования, что упростит сварщику задачу и позволит добиться максимально высокого качества сварных соединений.

Электроды для контактной сварки могут располагаться по-разному:

• друг напротив друга;
• параллельно.

В первом варианте электроды одновременно сжимают детали с двух сторон. Во втором – сварная проволока опирается на детали с одной стороны.

Контактная стыковая сварка оплавлением подразумевает использование разных видов сварочных головок:

• для двустороннего точечного сваривания;
• для сварки и пайки разрезными и V-образными электродами;
• головки для односторонней сварки и пайки с возможностью раздельного регулирования усилия на каждом электроде.

Устройство машины контактной стыковой сварки.

По способу передвижения сварочные агрегаты для контактного метода соединения металлических изделий в единую конструкцию могут быть:

• стационарными;
• подвесными;
• мобильными.

В первом случае сварные детали перемещают под конкретный агрегат, а во втором и третьем ‒ осуществляется монтаж аппарата в положение сваривания.

По способу автоматизации сварочные агрегаты бывают:

• ручными;
• автоматическими.

Ручные агрегаты более доступны по стоимости, однако, требуют большего мастерства со стороны сварщика: абсолютно все операции должны осуществляться вручную под четким контролем человека.

Автоматизированное оборудование для точечной сварки лишает мастера необходимости осуществлять ряд процессов, поэтому облегчает работу для малоопытного сварщика.

Основные параметры при выборе сварной машины ‒ сила сварочного тока, а также длина рычагов со сварными электродами. Они определят возможную толщину деталей для сваривания, вид металла и габариты конструкций, с которыми можно работать.

Зачастую производители указывают их в паспорте конкретной модели аппарата. Простой сварочный аппарат своими руками для точеной технологии можно изготовить своими руками.

Расходные материалы

Наибольшему износу в сварочных аппаратах подвергаются электроды, которые постоянно испытывают механические и термические нагрузки. Изготавливаются они из чистой меди, либо из медных сплавов с алюминием, цинком, кадмием и другими металлами, повышающими прочность и упругость изделия. Подобные сплавы делятся на несколько типов:

• Для работы при высокой температуре (около 500 градусов по Цельсию) и непрерывной подаче тока – такие электроды изготавливают из бронзы с добавлением никеля, кремния, циркония или хрома;
• Для работы при температуре до 300 градусов, сварки цветных сплавов, низколегированных сталей применяются сплавы МС (легированные серебром) и МК;
• Для работы при малых (до 200 градусов по Цельсию) температурах подходят сплавы бронзы с хромом и кадмием.

Быстрее всего изнашиваются электроды конической и цилиндрической формы, медленнее всего – плоские и широкие, применяемые в машинах для рельефной сварки.

Контроль качества сварных соединений

Контроль качества сварки при шовной и точечной контактной сварке имеет особо важное значение, поскольку процесс протекает очень быстро и характер формирования соединения скрыт от внешнего наблюдения. К образованию таких дефектов в сварном шве, как непровары, могут приводить различные факторы

Это и состояние поверхностей деталей и электродов, качество сборки, непостоянство режимов сварки. Кроме непроваров, при сварке могут возникать горячие трещины, выплески металла и раковины.

Наибольшую опасность представляют непровары, они существенно снижают эксплуатационные характеристики соединения, такие как прочность и герметичность. Наружные и внутренние выплески металла ухудшают внешний вид изделия и могут засорять магистрали. Трещины и раковины могут влиять, в основном, на герметичность и, в меньшей степени на прочность, поскольку находятся вне зоны наибольших рабочих напряжений.

При контактной сварке обычно применяют комплексный контроль соединений, начиная с контроля оборудования, приспособлений, состояния поверхностей деталей и электродов, проверки качества сборки и заканчивая контролем самого сварного соединения.

Контроль готового сварного соединения достаточно сложная задача при контактной сварке. Для этого применяется радиографический метод контроля рентгеновскими лучами. С помощью этого метода неразрушающего контроля хорошо выявляются трещины, раковины, выплески.

Общая информация

Контактная шовная сварка — метод соединения металлов, разновидность контактной сварки. Суть метода заключается в использовании двух вращающихся роликов-электродов. Они формируют неразъемное соединение, состоящее из множества сварных точек. Точки могут частично перекрывать друг друга для большей герметизации шва.

Возможно, вы слышали также термин «контактная роликовая сварка». Многие новички часто спрашивают, чем роликовая сварка отличается от шовной. Ответ: ничем. Это одна и та же технология, которая имеет два названия. Поэтому допускаются оба. Можете называть такой метод как роликовым, так и шовным. Суть от этого не меняется.

Также существует конденсаторная контактная сварка, которую порой называют импульсной. Она считается разновидностью шовной (или роликовой) сварки. Выше мы упомянули, что при шовной сварке используются вращающиеся ролики-электроды. Это действительно так, но оборудование состоит не только из роликов, а еще из целого комплекса механизмов и систем. Поэтому такой аппарат принято называть станком для роликовой сварки.

Суть технологии крайне проста: металлическую деталь устанавливают между двумя роликами, которые затем прокатываются по металлу. При этом они не только сжимают, но и сваривают обе детали. Сварка осуществляется за счет прохождения тока через ролики и нагрева металла. Все это происходит одновременно. Как вы понимаете, с помощью такой технологии можно сварить только очень тонкие листы металла. Максимальная толщина, с которой справится станок — 3 миллиметра.

Читать также: Опрессовка витой пары 8 проводов

Выбор

В процессе выбора подходящих электродов для точечной сварки следует обратить особое внимание на размеры и форму рабочего элемента изделия. Также следует учитывать характеристики обрабатываемого материала, его толщину, форму сварочных узлов и режим сварки. У инструмента для контактной сварки бывают разные рабочие поверхности:

У инструмента для контактной сварки бывают разные рабочие поверхности:

1. Плоская;
2. Сферическая.

Изделия, имеющие сферическую рабочую поверхность, не особо чувствительны к скосам, потому они нередко используются на подвесных и радиальных установках, а также для фигурных электродов с прогибом. Изготовители из РФ советуют для обработки легких сплавов именно эту разновидность электродов, так как они позволяют предотвратить появление подрезов и вмятин при точечной сварке. Однако предотвратить эту проблему можно и в том случае, если пользоваться плоскими электродами, торец которых увеличен. А электроды, оснащенные шарнирами, могут даже заменить электроды сферического типа, но они рекомендованы для сварки металлических листов, толщина которых не превышает полутора миллиметров.

Габариты рабочего элемента инструмента подбираются в соответствии с типом и толщиной обрабатываемых материалов. Результаты исследования, которое было проведено экспертами французской компании «ARO» показали, что рассчитать необходимый диаметр можно, воспользовавшись следующей формулой:

dэл = 3 мм + 2t, где «t» — толщина листов, которые подлежат сварке.

Сложнее подсчитать необходимый диаметр инструмента при неодинаковой толщине листов, сварке материалов разного типа и сварке целого «пакета» элементов. Понятно, что для работы с деталями разной толщины, диаметр изделия нужно подбирать относительно самого тонкого металлического листа.

При сварке комплекта элементов диаметр следует подбирать, руководствуясь толщиной внешних элементов. Для сварки материалов различного типа наименьшее проплавление имеет металлический сплав с минимальным удельным электросопротивлением. В таком случае следует применять приспособление, сделанное из материала повышенной теплопроводности.

Виды покрытий

Электроды для сварки подбираются так, чтобы материал стержня максимально точно совпадал со свариваемым металлом. Только так можно получить качественный шов с равномерной структурой, повышающей его прочность

Не менее важной является обмазка, которая должна обеспечить стабильную дугу, равномерное плавление сварочной ванны и защитить ее от внешних факторов. Некоторые составы даже позволяют варить по ржавой или масляной поверхности без предварительной подготовки

Различают несколько видов:

Различают несколько видов:

1. Кислое маркируется буквой А. Композиция состоит из кремния, марганца, титана, оксидов железа и других элементов. Преимущество обмазки – отсутствие порообразования в шве даже на ржавых заготовках или при наличии окалины. Основной недостаток покрытия – высокий риск появления горячих трещин при сваривании. Электроды с кислой обмазкой хорошо работают на постоянном и переменном токе, применяются для нижних швов. Такой тип используется для марок Э-42 и Э-38.
2. Основное, или флористо-кальциевое, которое обозначается буквой Б. Используется для ручной дуговой сварки. Состоит из шлаковой основы с добавлением карбоната кальция, фтористого калия и минералов, которые выделяют защитный газ. Основная обмазка отличается высоким процентом шлакообразования, а наплавленный металл содержит малую часть водорода, потому что отсутствуют органические соединения-поставщики. Наплавляемый металл окисляется слабо, что снижает риск образования трещин. По сравнению с рутиловым покрытием обеспечивается высокое сопротивление сероводородному растрескиванию, поэтому электроды с такой обмазкой успешно применяют для соединения трубопроводов. Работают от постоянного тока обратной полярности.
3. Рутиловое маркируется буквой Р. Считается универсальным и самым распространенным. В составе обмазки около половины занимает рутил (двуокись титана), а также ферромарганец, карбонаты и жидкое стекло. Небольшой процент кремния и кислорода снижает риск образования горячих трещин. Наплавленный металл имеет высокий показатель ударной вязкости. Газ от сгорания карбонатов и органических материалов защищает сварочную ванну. Наплавленный металл склонен к образованию окислов под воздействием пара или углекислого газа. При соблюдении режимов содержание водорода минимальное, что исключает появление пор. Сварные швы получаются качественными.

Электроды с рутиловым покрытием перед началом работы необходимо прокаливать, что повысит качество шва. Такие расходные материалы позволяют накладывать шов по ржавчине. Отличаются чувствительностью к температуре и повышенным режимам, что приводит к браку.

Технические характеристики рутилового слоя превосходят основной и кислый. Стержни легко поджигаются и работают во всех пространственных положениях.

1. Целлюлозное с маркировкой Ц. Характеризуется самым высоким содержанием органических компонентов: целлюлозы, талька, рутила и ферромарганца. Готовый шов по химическому составу соответствует спокойным (с) и полуспокойным сталям (пс). Отмечается большое количество выделяемого водорода и разбрызгивание металла. При односторонней сварке наплавляемый валик ложится равномерно. Обмазка используется в марках Э-46 и Э-50. Электроды отличаются производительностью и позволяют сваривать в вертикальном пространственном положении. Применяются для сварки трубопроводов.
2. Смешанные и прочие покрытия П: кисло-рутиловое (АР), рутилово-целлюлозное (РЦ), рутиловое с железным порошком (РЖ), рутилово-основное (РБ).

Несмотря на отличие свойств и составов, у электродов есть общие характеристики:

1. Толщина наносимого покрытия должна составлять 1/3 общей толщины.
2. Степень влагопоглощения, от которого зависит необходимость в предварительной просушке.
3. Температура горения, влияющая на легкость поджига дуги.

Как наносится покрытие

Технология нанесения одинакова для всех видов. Толщина покрытия зависит от сечения стержня электрода. Работы ведутся на специальном станке в автоматическом цикле, что обеспечивает высокую производительность. Твердые фрагменты подсушиваются и измельчаются. Компоненты просевают для отделения однородной фракции нужного размера. Смесь обжигают, чтобы вышла сера. Потом она поступает в смеситель, где соединяется с жидкими компонентами. На завершающей стадии стержни погружаются в готовую смесь.

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 I_св и омического сопротивления R  участка прохождения тока.

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

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 R_к  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.

Конструкции электродов

Для работы с электродуговой сваркой также используются электроды, но они кардинально отличаются от токопроводящих элементов для контактной сварки, и не подходят для данного вида работ. Поскольку в момент сварки детали сдавливаются контактными частями сварочного аппарата, то электроды для контактной сварки способны проводить электрический ток, выдерживать нагрузку на сжатие и отводить тепло.

Свариваемый металл определяет форму применяемого электрода. Данные элементы, имеющие плоскую рабочую поверхность, используют для сварки обычных сталей. Сферическая форма идеально подходит для соединения меди, алюминия, высокоуглеродистых и легированных сталей.

Сферическая форма наиболее устойчива к сгоранию. Благодаря своей форме они способны выполнить большее количество сварных швов до заточки. Кроме того, применение такой формы позволяет варить любой металл. В то же время, если сваривать алюминий или магний плоской поверхностью, то будут образовываться вмятины.

Схема электрода для сварки

Посадочное место электрода часто выполнено в форме конуса или с резьбой. Данная конструкция позволяет избежать потерь тока и эффективно выполнить сжатие деталей. Посадочный конус может быть коротким, однако их применяют при малых усилиях и низких токах. Если используется крепление с резьбой, то зачастую через накидную гайку. Резьбовое крепление особенно актуально в специальных многоточечных машинах, так как необходим одинаковый зазор между клешнями.

Для выполнения сварки в глубине детали, применяются электроды искривленной конфигурации. Существует разнообразие изогнутых форм, поэтому при постоянной работе в таких условиях, необходимо иметь подборку различных форм. Однако пользоваться ими неудобно, и они имеют более низкую стойкость, в сравнении с прямыми, поэтому к ним прибегают в последнюю очередь.

Поскольку давление на фигурный электрод приходится не по его оси, во время нагрева он подвержен изгибанию, и об этом нужно помнить при выборе его формы. Кроме того, в такие моменты, возможно смещение рабочей поверхности искривленного электрода, по отношении к ровному. Поэтому в таких ситуациях обычно применяется сферическая рабочая поверхность. Не осевая нагрузка сказывается также на посадочном месте электрододержателя. Поэтому при чрезмерной нагрузке, нужно использовать электроды с увеличенным диаметром конуса.

Выполняя сварку в глубине детали можно использовать прямой электрод, если наклонить его по вертикали. Однако угол наклона должен быть не больше 30о, так как при большем градусе наклона происходит деформация электрододержателя. В таких ситуациях применяют два изогнутых токопроводящих элемента.

Внешний вид электродов

Использование хомута в месте крепления фигурного электрода позволяет снизить нагрузку на конус и продлить срок службы посадочного места сварочного аппарата. При разработке фигурного электрода, необходимо вначале выполнить чертеж, затем изготовить из пластилина или дерева пробную модель, и только после этого приступать к его изготовлению.

В промышленной сварке применяется охлаждение контактной части. Зачастую такое охлаждение происходит через внутренний канал, но если электрод небольшого диаметра или происходит увеличенный нагрев, то охлаждающую жидкость подают снаружи. Однако наружное охлаждение допускается при условии, что свариваемые детали не поддаются коррозии.

Труднее всего охладить фигурный электрод из-за его конструкции. Для его охлаждения применяют тонкие медные трубки, которые располагаются по боковым частям. Однако даже при таких условиях он недостаточно хорошо охлаждается, поэтому не может варить в том же темпе, что и прямой электрод. В противном случае происходит его перегрев и срок эксплуатации сокращается.

Во время контактной сварки ось двух электродов должна быть 90о по отношению к поверхности детали. Поэтому когда свариваются крупногабаритные детали с уклоном, используются поворотные, самоустанавливающиеся держатели, а сварка выполняется сферической рабочей поверхностью.

Стальная сетка диаметром до 5 мм сваривается пластинчатым электродом. Равномерное распределение нагрузки достигается путем свободного вращения вокруг своей оси верхнего токопроводящего контакта.

Хотя сферическая форма рабочей поверхности является самой устойчивой из остальных форм, все же она, вследствие тепловых и силовых нагрузок, теряет свою первоначальную форму. Если рабочая поверхность контакта увеличивается на 20 % от первоначального размера, то он считается непригодным, и его нужно затачивать. Заточка электродов контактной сварки производится в согласии ГОСТом 14111.

Материалы электродов

Согласно ГОСТ 2601, критерием качества готового шва является его прочность на разрыв или сдвиг. Она зависит от интенсивности тепловой мощности в зоне электрического разряда, а потому связывается в первую очередь с теплофизическими характеристиками материала электродов.

Использование медных электродов малоэффективно по двум причинам. Во-первых, медь, являясь высокопластичным металлом, не обладает достаточной упругостью, чтобы в период между рабочими циклами полностью восстановить геометрическую форму электродов. Во-вторых, медь весьма дефицитна, а частая замена электродов обуславливает и высокие финансовые затраты.

Попытки использовать более твёрдую, упрочнённую медь успеха не имеют: для нагартованного материала параллельно с повышением твёрдости снижается температура рекристаллизации, поэтому с каждым рабочим циклом износ рабочего торца электрода для контактной сварки будет возрастать. Поэтому практическое применение получили медные сплавы с добавлением ряда других металлов. В частности, введение в медный сплав кадмия, бериллия, магния, цинка и алюминия мало изменяет показатель теплопроводности, зато улучшает твёрдость при нагреве. Стойкость электрода от динамических тепловых нагрузок увеличивают железо, никель, хром и кремний.

При подборе оптимального материала сварочных электродов для контактной сварки ориентируются на показатель удельной электропроводности сплава. Чем меньше он будет отличаться (в меньшую сторону) от электропроводности чистой меди – 0,0172 Ом·мм2/м, тем лучше.

Наиболее эффективную стойкость против износа и деформации показывают сплавы, в состав которых входят кадмий (0,9…1,2%), магний (0,1…0,9%) и бор (0,02…0,03%).

Выбор материала для электродов точечной сварки зависит также и от конкретных задач процесса. Можно выделить три группы:

1. Электроды, предназначенные для проведения контактной сварки в жёстких условиях (непрерывное чередование циклов, поверхностные температуры до 450…500ºС). Их изготавливают из бронз, содержащих хром и цирконий (Бр.Х, Бр.ХЦр 0,6-0,05. В эту же группу включают никель- кремнистые бронзы (Бр.КН1-4), а также бронзы, дополнительно легированные титаном и бериллием (Бр.НТБ), используемые для точечной сварки нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов.
2. Электроды, применяемые при контактных температурах на поверхности до 250…300ºС (сварка обычных углеродистых и низколегированных сталей, медных и алюминиевых изделий). Их производят из медных сплавов марок МС и МК.
3. Электроды для относительно лёгких режимов эксплуатации (поверхностные температуры до 120…200ºС). В качестве материалов применяется кадмиевая бронза Бр.Кд1, хромистая бронза Бр.Х08, кремненикелевая бронза Бр.НК и др. Такие электроды могут использоваться также и для роликовой контактной электросварки.

Следует отметить, что по убыванию удельной электропроводности (по отношению к чистой меди) эти материалы располагаются в следующей последовательности: Бр.ХЦр 0,6-0,05→МС→МК→Бр.Х→Бр.Х08→Бр.НТБ→Бр.НК →Бр.Кд1→Бр.КН1-4. В частности, разогрев до требуемой температуры электрода, изготовленного из бронзы Бр.ХЦр 0,6-0,05 произойдёт примерно вдвое быстрее, чем полученного из бронзы Бр.КН1-4.

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.