Саратов 2006

Саратовский государственный технический университет

Ю.Н. Казаков

КОНТАКТНАЯ СВАРКА

Методические указания

к выполнения учебно-лабораторной работы

по курсу «Технологические процессы в машиностроении»

для студентов машиностроительных специальностей

 

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

 

 

Саратов 2006

 

Лабораторная работа

«КОНТАКТНАЯ СВАРКА»

 

Цель работы: Изучить оборудование контактной сварки и исследовать влияние ее технологических параметров на качество формообразования сварного соединения и механические свойства.

 

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Контактная сварка относится к способам сварки давлением с кратковременным нагревом места соединения без оплавления или с оплавлением.

Сварка давлением – это сварка, осуществляемая приложением давления за счет пластической деформации соединяемых частей при температуре меньше температуры плавления.

Контактная сварка – это сварка давлением, при которой происходит нагрев теплом, выделяющимся при прохождение электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части (ГОСТ 60307-82).

Качество сварного соединения определяется характером взаимодействия свариваемых поверхностей в контактных зонах. Контакт свариваемых поверхностей зависит от действия межатомных сил связей, которые начинают проявляться при сближении поверхностей на расстояние (3..5)10^-7 мм. При механической обработке шероховатость превышает это значение и составляет (0,3…1,0)10^-3 мм. Простое соприкосновение позволяет получать межатомное взаимодействие лишь на отдельных вершинах микронеровностей, рис.1.

Если сварку давлением применять без тока, то сила Р, действующая на контакт, будет равна:

Р=3 А_сВ,

 

где - сближение поверхностей; - предел текучести свариваемого материала; А_С - контурная площадь контакта; В - опытный коэффициент, учитывающий класс шероховатости свариваемых поверхностей (изменяется от 1 до 10); - коэффициент, зависящий от способа обработки поверхностей (изменяется от 1,5 до 3).

Возможно несколько схем контакта свариваемых поверхностей, рис. 2.

Фактическая площадь контакта A_r равна сумме n элементарных микроконтактов А_э:

A_r=n А_э

 

Прочность межатомных связей зависит от усилия и температуры, действующих в зоне контакта поверхностей, рис.3.

При сварке происходит целый комплекс металлофизических процессов: диффузия, движение дислокаций, смятие микрогребешков (пластическая деформация), образование окисных пленок. Все эти явления вызывают структурные изменения в металле и влияют на прочность сварного соединения.

При пропускании электрического тока через свариваемые детали выделяется теплота, общее количество которой подсчитывается по формуле:

Q=0,24J ² R t,

 

где R – суммарное сопротивление сварочной цепи, Ом; J – сила тока, А; t – время протекания тока, с.

 

R = R_Д +R_К + R_ЭЛ,

 

где R_Д - сопротивление нагреваемых участков детали;

R_К – сопротивление сварочного контакта между деталями;

R_ЭЛ,– сопротивление между электродами и деталями.

Так как сопротивление в различных участках сварочной цепи неодинаково, то различно и выделяемое в этих участках тепло. В месте сварочного контакта деталей, где сопротивление максимально, выделяется наибольшее количество теплоты. Температура в различные моменты сварки в зоне контакта распределяется согласно, рис. 4.

В промышленности применяются следующие виды контактной сварки: стыковая, точечная, шовная и прессовая по методу Игнатьева.

Стыковая сварка применяется при изготовлении заготовок режущего инструмента, арматуры для железобетона, стыков рельсов и труб, и других деталей машин.

Точечная сварка применяется при изготовлении оборудования из тонкого листового металла: кузова автомобилей, корпуса железнодорожных вагонов и других деталей массового производства.

Шовная сварка применяется при изготовлении различных сосудов и емкостей из тонкой листовой стали или цветных металлов, дутых строительных конструкций.

Прессовая сварка позволяет приваривать тонкие листы к толстым по всей площади соприкосновения и применяется при изготовлении

специального режущего инструмента и многослойного металла.

Установка для контактной сварки состоит из двух основных частей: электрической, служащей для разогрева свариваемых деталей, и механической, создающей нужное давление для получения сварного соединения.

Электрическая часть контактных машин состоит из трансформатора, прерывателя тока и регулятора переключателя нагрева. Обычно для сварки используется однофазный трансформатор. Трансформаторы понижают напряжение с 220/380 В до 1,5-12 В. Контактная сварка требует величины сварочного тока от 1000 до 100 000 А и более.

Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым деталям может быть двухсторонней и односторонней. При двухсторонней сварке (рис. 5) две и более деталей сжимаются между электродами точечной машины. Электроды изготовлены из меди и выполняются пустотелыми (для охлаждения водой). При односторонней сварке (рис. 6) ток распределяется между верхним и нижним листами, причем нагрев осуществляется частью тока, проходящего через нижний лист. Для того, чтобы увеличить ток, проходящий через нижний лист, применяется медная прокладка, в результате чего сварка происходит одновременно в двух точках. По данному принципу работают машины, имеющие до 50 пар электродов. Цикл сварки состоит из 4 стадий:

1. Сжатие свариваемых деталей электродами.

2. Включение тока и разогрев места контакта с электродом.

3. Выключение тока и обжатие.

4. Снятие усилия с электродов.

Точечная сварка применяется при изготовлении изделий из малоуглеродистой, низколегированных, конструкционных и нержавеющих сталей, алюминия, меди и их сплавов. Пределы толщин свариваемых пластин – от 0,5 до 5 мм.

Стыковая сварка (рис. 6) проводится двумя способами: сопротивлением и оплавлением.

Сварка сопротивлением заключается в следующем: точно обработанные поверхности деталей приводятся в плотное соприкосновение, затем включается ток и, поверхности разогреваются до сварочных температур. После нагрева производится осадка при выключенном токе.

Сварка оплавлением разделяется на сварку с прерывистым и непрерывистым оплавлением.

Прерывистое оплавление применяется при наличии машин малой и средней мощности. В процессе сварки создаётся ряд коротких замыканий для разогрева, кромки оплавляются, затем следует сжатие и осадка (при выключенном токе). Метод оплавления имеет ряд преимуществ перед сваркой сопротивлением, основные из которых

следующие: поверхность стыка не требует особой подготовки, можно проводить сварку деталей сложной формы и с различными сечениями, легко свариваются разнородные металлы (быстрорежущая и углеродистая сталь, медь и алюминий).

Шовная сварка (рис.7) по существу является разновидностью точечной сварки, при которой точки перекрывают одна другую и создают сплошной геометрический шов.

Различаются два способа шовной сварки: сварка при непрерывном и прерывистом пропускании тока.

В первом случае при сжатии роликов ток между ними подается непрерывно. Этот способ не получил большого распространения, так как не всегда обеспечивает хорошее качество сварки. Поэтому его можно использовать лишь для сварки неответственных изделий из малоуглеродистой стали. При небольших изменениях класса шероховатости поверхности, толщины листа, химического состава металла могут образоваться прожоги и непровары.

При сварке с прерывателем полностью как бы повторяется процесс точечной сварки для случая, когда точки перекрывают друг друга. Это способ обеспечивает высокое качество сварного соединения при малой зоне термического влияния; он применяется для сварки нержавеющих сталей, алюминиевых и медных сплавов. Шовная сварка нашла применение в массовом производстве при изготовлении различных сосудов с толщиной свариваемых листов от 0,3 до 3 мм.

 

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

2.1. Контактная точечная сварка

2.1.1. Ознакомиться с содержанием работы и законспектировать основные ее положения.

2.1.2. Ознакомиться с оборудованием для контактной точечной сварки (электрической и механической частью установки). Электрическая часть состоит из понижающего трансформатора, медных подпружиненных контактов и двух водоохлаждаемых электродов. Механизм нагружения представляет собой систему рычагов с ножным приводом.

2.1.3. Исследовать влияния режима сварного цикла на степень разупрочнения основного металла. Для этого взять у лаборанта две пластины марки ст. 3 кп. длиной 125 мм, шириной 10 мм и толщиной не более 0,5 мм и одну пластину длиной 250 мм. Затем под его руководством сварить в одной или двух точках на разных режимах: при времени контакта 0,5…1,0 с и при 2..3 с. Замерить диаметр свариваемого ядра с помощью штангенциркуля с точностью до 0,1 мм. Затем провести испытание на растяжение на разрывной машине МР-5 и по формуле

 

, МПа. (1)

 

Определить временное сопротивление на разрыв (), где Р _в – разрывное усилие, Н, которое снимается по показателю стрелки циферблата машины МР-5; F – площадь поперечного сечения, мм², которая вычисляется по формуле

 

F=H×l,мм² (2)

 

где Н – толщина пластины, мм; l – длина сварки, мм, которая определяется как произведение nd, где n – количество сварных точек; d – диаметр ядра сварки, мм.

В заключении сравнить прочность исходного материала (ст-3кп) с прочностью металла после сварки и определить степень разупрочнения:

Кр = (3)

 

Все замеры на испытания проводятся при трехкратной повторяемости, а расчеты проводятся по среднеарифметическим значениям.

 

2.1.4. Сравнить прочность сварного соединения после контактной сварки с прочностью заклепочного соединения. Для этого необходимо:

· Приготовить заготовки с одинаковыми размерами для проведения заклёпочного и сварного соединения.

· Сделать заклепочное соединение в одной или двух точках.

· Провести испытание образцов на разрыв на разрывной машине МР-5 и записать данные в таблицу 1.

· Сравнить полученные данные () для пластин с заклепочным соединением с данными для пластин, сваренных контактной сваркой по критерию прочности на разрыв.

· Сделать вывод о качестве формообразования сварного соединения (наличие прожога, степени разупрочнения, величине диаметра ядра сварки).

 

Таблица

Результаты испытаний на разрыв образцов

Исследуемые материалы соединения	Среднее значение	Качество формообразования
прочности на разрыв, , МПа	коэффициента удлинения, ,%	коэффициента разупрочнения
Точечная сварка (время контакта 0,5с)
Точечная сварка (время контакта 2 с.)
Заклепочное соединение
Основной металл пластин
а - – ст. 3
б а – СВО8Г2С
в – ст.5
Основной металл

 

2.2. Контактная стыковая сварка

2.2.1. Ознакомиться с оборудованием для контактной сварки.

2.2.2. Исследовать влияние сварочного цикла на степень разупрочнения основного металла. Для этого взять у лаборанта две проволоки диаметром 4 мм, марки 08Г2С и под его наблюдением

произвести сварку, для чего соосно установить проволоки в зажимных

губках-контактах и зажать их. Затем медленно с помощью винта приложить нагрузку к подвижной части зажимного устройства и снять нагрузку до появления искры в зоне сварки. Свободный вылет проволок (стержней) должен составить не менее 15-10 мм. Затем измерить длину сваренного стержня и провести испытание на растяжение.

2.2.3. Определить временное сопротивление на разрыв по формуле (1) и коэффициент удлинения сварного стержня по формуле

 

 

где l_k и l₀ – соответственно конечная и исходная длины образцов, мм, замеренные штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Далее провести аналогичное испытание проволоки длиной 250 мм и того же химического состава, что сварной стержень. Полученные результаты временного сопротивления и коэффициента удлинения для основного и сварного металла стержня занести в таблицу 1:

Сравнить результаты испытаний между собой и определить коэффициент разупрочнения по формуле (3). Все измерения длины и диаметра образца и сам опыт проводить при трехкратной повторяемости.

3. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

3.1. К работе допускается студент, изучивший конструкцию установки для контактной и стыковой сварки.

3.2. Все работы по сварке проводить под руководством или наблюдением преподавателя или лаборанта.

3.3. Перед включением установок в сеть убедиться в исправности и надежности изоляции токопроводящих проводов, вилки и розетки.

3.4. Не включать в сеть установку для точечной сварки, не убедившись в том, что кран для охлаждения электродов проточной водой открыт.

3.5. Пред включением крана системы охлаждения электродов убедитесь в исправности шланга.

3.6. При включенной в сеть установке не касаться голыми руками одновременно двух электродов.

3.7. Сварку проводить в защитных очках.

3.8. Не располагать пальцы рук между электродами.

3.9. После окончания работы установку отключить от сети.

3.10. При испытании образцов на растяжение перед включением разрывной машины убедитесь в безопасности токопроводящих проводов к электрическому двигателю и магнитным пускателям.

 

4. СОДЕРЖАНИЕ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

В отчет входит:

· краткое содержание работы (описание сущности и схем контактных способов сварки, технологической последовательности контактной стыковой и точечной сварки);

· последовательность и методика проведения экспериментов и объяснение результатов экспериментов.

Результаты экспериментов оформляются в виде таблицы (см. табл.).

В заключение привести выводы по работе.

 

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. Дать определение сварки давлением. В чем заключается ее сущность?

2. Что называется контактной сваркой?

3. В чем заключается роль контакта свариваемых поверхностей при сварке давлением?

4. Схема и сущность контактной стыковой сварки.

5. Схема и сущность контактной точечной сварки.

6. Разновидности контактных способов сварки.

7. Каким образом проводится оценка качества сварного

соединения в данной работе?

8. Какие факторы контактной сварки оказывают влияние на качество сварного соединения?

9. Назвать основные условия возникновения неразъёмного соединения при сварке давлением.

 

6. ВРЕМЯ, ОТВЕДЕННОЕ НА РАБОТУ

 

Подготовка к работе – 0,5 акад. часа;

Выполнение работы – 1 акад. час;

Обработка результатов эксперимента и оформление отчета –

0,5 акад. часа.

 

7. ЛИТЕРАТУРА

Основная:

 

1. Дальский А. М. Технология конструкционных материалов - М.: Высшая школа, 1991

Дополнительная:

 

1. Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова. М.: Машиностроение, 1982

2. Сварка и свариваемые материалы / Под. общ. ред. В.Н. Волченко. М.: Металлургия, 1994

 

 

 

Рис. 1. Схема контактной сварки

 

Рис. 2. Возможные схемы контактирования поверхностей:

1) плоскость и волнистая поверхность; плоскость с разными высотами микронеровностей;

2) плоскости с одинаково шероховатостью;

3) то же, что и 1, но с большей волной;

4) обе волнистые поверхности;

5) то же, что и 3, но с большей высотой микронеровностей.

 

 

Электрод

1500 изотерма

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость усилия от температуры при сварке: 1) холодная сварка давлением; 2) контактная сварка давлением с нагревом; 3) сварка плавлением.

Рис. 4. Характер распределения температуры в зоне контакта при точечной сварке: 1) момент сдавливания перед включением тока; 2) начало плавления ядра; 3) расплавленное ядро в момент выключения тока; 4) кристаллизация при остывании сварной зоны.

 

 

Тр

U = 1…12В 1

Тр

Р

Н₂О

2 Р Р

Н₂О

Р

U = 1…12В

 

 

 

 

Рис. 5. Контактная точечная сварка (двусторонняя): 1) водоохлаждаемый электрод; 2) свариваемые детали.

Рис. 6. Контактная точечная сварка (односторонняя): 1) водоохлаждаемый электрод; 2) свариваемые детали; 3) медная прокладка.

 

2 2 1

Тр

 

1 1

 

Рис. 7. Контактная стыковая сварка 1) электроды; 2) свариваемые детали.

Рис. 8. Контактная шовная сварка. 1) роликовые электроды; 2) свариваемые детали.