Типовые конструкции для применения точечной и рельефной сварки

Если содержание этого параграфа подчинить буквальному смыслу его названия, то вместо него следовало бы создать очень большой атлас современных точечно и рельефно-сварных соединений и конструкций. Какова же амплитуда свариваемых толщин? В области электроники — это микросварка с толщиной детали от 4 мкм, до десятых долей миллиметра; в области автомобиле-вагоно-, самолето- и ракетостроения — от долей миллиметра до

2-6 мм, реже 8 мм; в строительных конструкциях — свыше 8 мм и до 30 мм. Что касается свариваемых металлов, то для точечной сварки понятие свариваемости значительно более широкое чем для процессов сварки дуговой и плазменной. Вряд ли вообще можно говорить о неприменимости точечной сварки даже для самых сложных современных сталей и сплавов.

Здесь рассмотрены только некоторые точечно-сварные соединения и конструкции: не просто конструктивные формы (их может быть бесчисленное множество [10, 14]), а изделия, на примере которых технолог может создавать наиболее рациональную и производственно доступную технологическую оснастку или даже решать задачу о специализации оборудования.

Единичные точечно-сварные соединения характерны, главным образом, для мелких изделий приборо- и машиностроения. Для крупных деталей единичные точки, как редкость, встречаются в конструкции типа ферм из прокатного или штампованного сортамента. Для листовых конструкций характерны многоточечные сварные элементы, показанные на рис. 4.17. Характерно, что при растяжении соединения с силой Р максимальные нагрузки испытывают крайние точки.

Весьма распространены крупногабаритные многоточечные соединения листов со штампованными ребрами жесткости (рис. 4.18). Конструкции такого рода, значительно превышая по своим размерам рабочий сварочный контур машин, заставляют переходить на схемы односторонней двухточечной сварки (рис. 4.19, б, левая схема). Ниже на этом рисунке в укрупненном масштабе показана электрическая схема распределения токов по свариваемым деталям, которые обычно укладываются на столы с медными шинами в зоне действия токов (рис. 4.19, в). Как видно, сварочный ток здесь суммируется из трех слагаемых: 1) тока шунтирования I_1ш в верхнем листе и потому не только бесполезного, но даже и вредного (из-за того, что немалый по своей величине он добавляет ненужную долю тепловыделения в переходных контактах электрод—деталь); 2) тока шунтирования I_2ш во втором листе, сваривающего точку, и, следовательно, тока полезного; 3) тока I_м в медной прокладке, составляющего часть тока сваривающего.

Все эти токи могут быть рассчитаны с использованием той же методики, какая была показана для токов шунтирования вообще. Для более наглядного представления соотношений перечисленных токов на рис. 4.20 показаны результаты опытных измерений этих токов для листов толщиной 2 + 2 мм (рис. 4.20, а) и 4 + 4 мм (рис. 4.20, б). В обоих случаях металл — СтЗ. Расстояние между центрами точек 240 мм, ширина пластины h = 150 мм.

При одном и том же напряжении на электродах, вычитая из общего тока I_м + I_2ш + I_1ш сумму I_1ш + I_2ш , можно видеть, что отводимая в медные прокладки доля вторичного тока все же невелика при сварке листов относительно большой толщины. При толщине 4 + 4 мм она меньше шунтирующего тока, протекающего в верхнем листе. Однако при сварке листов толщиной 2 + 2 мм медная подкладка заметно увеличивает эффективность нагрева металла. Для того чтобы практически полностью исключить бесполезное шунтирование, созданы хотя и немногочисленные, но специальные многоэлектродные машины двустороннего действия (правая схема на рис. 4.19, б и схема на рис. 4.19, г). В этом случае токи шунтирования I_1ш и I_2ш , направленные встречно, создают почти равные, но взаимно противоположно направленные падения напряжения на деталях. Происходит почти полная компенсация потенциалов. Токов шунтирования почти нет. Остаются и действуют небольшие уравнительные токи из-за неполного равенства падений напряжения. Для двустороннего действия многоточечные машины хороши как многократно повторяемые трехфазные сварочные трансформаторы: во вторичных контурах действует по три открытых фазы, обеспечивающих одновременную сварку шести точек.

До сих пор шла речь о точечной сварке таких открытых конструкций, когда ничто не препятствовало осуществлению рабочего хода верхнего электрода. Однако, как видно из конструкций, приведенных на рис. 4.18, такое технологическое благополучие удается не всегда. Для примера на рис. 4.21, а показано применение косого электрода, который может ставить точку, если его рабочий ход по крайней мере на 20—30 мм меньше высоты профиля. Если же такой разницы нет, то сваривание возможно при перевернутом положении деталей, согласно схеме рис. 4.21, б. В обеих этих схемах показаны реальные кривые электроды той действительной формы, какую в некоторых условиях приходится видеть на производстве. На этом следует остановиться подробнее.

Условия работы электродного наконечника очень тяжелые, если идет нормальный процесс точечной сварки, а не ставятся единичные точки, по одной за несколько минут. Кривые электроды без внутреннего водяного охлаждения (рис. 4.21, а) лучше всего вообще не применять. Остается только один выход для всех конструкций, по виду сходных с рис. 4.18, г и д и им подобных. Нормальный процесс точечной сварки надо организовывать с электродами, конструкции которых показаны на схемах рис. 4.21, в—д. В этих системах обеспечивается и надежное охлаждение электродных наконечников, и возможность их использования в стесненных пространствах. В некоторых случах пространство может быть стеснено так, что даже и об электроде, как таковом, не может идти речь. Так, в частности, нижняя схема рис. 4.21, д советует проектировать сплошной плоский или сплошной цилиндрический электрод. Для них благодаря их массивности, необязательно стремиться подвести водяное охлаждение непосредственно к контакту электрод — деталь. В некоторых конструкциях (см. рис. 4.18, д) может оказаться рациональной одновременная сварка двух последовательно расположенных точек с использованием медной холостой вставки. Известны случаи, когда такая вставка делалась третьей фазой вторичного контура. Своеобразными конструкциями являются различные трубчатые или трубообразные сочетания. В этой области точечная или рельефная сварки могут оказаться или окончательными для готовой детали, или только сборочными для последующего завершения плотнопрочного соединения посредством шовной сварки. Схемы токоподводящих систем для трубчатых элементов рассмотрены в разделе шовной сварки.

Остановимся на некоторых типовых рельефно-сварных соединениях. Особое место среди них занимает приварка шпилек, стержней, болтов, гаек и других мелких элементов к крупногабаритным деталям. На рис. 4.22 приведено несколько типовых конструкций такого рода. Полезно вернуться к соединению, показанному на рис. 2.27, а. Речь обычно идет о приварке к стенкам различного рода шпилек, стерженьков и проволок, служащих крепежным элементом различных неметаллических наслоений, к металлическим поверхностям. Для такого рода крепежных элементов разрабатывались специальные установки дуговой сварки и искровой сварки разрядом конденсаторов. На основании многолетнего опыта можно сделать твердое заключение о том, что для проволочек диаметром от 1 до 5 мм наиболее рациональным является процесс электрической рельефной сварки по схеме рис. 2.27, а. Особенно важен факт полной возможности вести приварку проволок диаметром от 1 до 2,5 мм от передвижных трансформаторов пистолетами на гибком проводе с давлением от руки сварщика. Обязательная подготовка концов в виде полусферы обеспечивает прочнейшую приварку к поверхностям, не только покрытым ржавчиной и окалиной, но даже не весьма засохшим судостроительным суриком. На рис. 4.22 показаны дополнительные варианты подготовки проволок для приваривания их к плоскостям (рис. 4.22, а). В некоторых случаях достаточно успешно привариваются стальные гвозди (рис. 4.22, б). Своеобразно привариваются ушки крепления к корпусам кокард и звездочек (рис. 4.22, в). Давление электродов и инерция системы давления должны быть малыми, не способными деформировать заготовку 1—2—3. Поскольку инерция механизма сжатия мала, верхний электрод опускается с той же скоростью, с какой в первый момент деформируется дужка 1—2—3. В следующий момент дужка вскипает, металл из области 1—2—3 выбрасывается и верхний электрод придавливает оставшиеся концы шплинта к изделию. Соответствующим образом необходимо подобрать импульс сварочного тока.

Приварку крепежных деталей более крупных размеров производят с использованием (рис. 4.22, г, д), как правило, кольцевых рельефов. В некоторых случаях рациональны прокладки в виде кольцевых шайбочек (рис. 4.22, е). Большой ассортимент возможных рельефно-сварных соединений рассмотрен в книгах [2, 10, 19].

Книжная, периодическая и каталожная литература хранит огромный рецептурный материал по размерам рельефов, по конструкции рельефных сочетаний и режимам сварки. Для рельефной сварки справедливы такие общие выводы.

1. Какими бы ни были форма и размеры рельефов для сочетания плоских листов, рельеф должен дать сварную точку с расплав ленным ядром диаметром dт: именно по этому размеру и должны подбираться все режимные характеристики.

2. Различного рода торцевые или трубчатые соединения в большинстве случаев весьма отличаются от формы и размера сварной точки. Это лишает возможности вести расчеты, пользуясь формулой (1.85). Приближенные расчеты можно производить на основе формул типа (4.21), (4.23) и им подобных, которые определяются законом (4.19).

3. Режим сварки рельефов по току независимо от того, о каких рельефах идет речь, как и для точечной сварки, будет иметь допустимый минимум и предельный максимум, при котором, рельеф будет склонен не к плавлению, а к выплеску перегретого металла.

Известна весьма своеобразная технология создания различного рода рельефов, утолщений и вообще формоизменений на стержневых заготовках (рис. 4.22, ж). Если стержень, зажатый в подвижную губку 1 и свободно контактирующий с неподвижной деталью 2, сжимать под током, то при известном соотношении Р, I и времени их действия на конце стержней можно формировать различные фигуры. Медная охлаждаемая губка создает на конце цилиндрический выступ (вторая позиция по рис. 4.22, ж). Не-охлаждаемая губка из жаропрочного чугуна (кривая фигура) создает сферическую или эллипсоидальную бульбу. Подбирая материал и конструкцию губок, удается (нижняя фигура на рис. 4.22, ж) получать довольно разнообразные формы рельефов и утолщений на концах стержней. Известны примеры электровысадки не только торцевых, но и серединных зон круглых стержней.

За последние годы точечно-сварные конструкции стали создавать из биметаллических листов и профилей. Биметалл, в частности, создается из алюминиевых сплавов с титановой прокладкой. На рис. 4.23, а показана схема биметаллического точечно-сварного соединения. Структура его несколько своеобразна. Как видно, в расплавленном ядре алюминиевого сплава полностью сохраняется нетронутой титановая прослойка (рис. 4.23, а). С помощью рис. 4.23, б можно рассмотреть электротепловой баланс всей многослойной системы. Как было показано ранее, для зоны контакта исследовалась формула (1.39)

В данном случае в зоне свариваемого контакта действует энергия q_t из двух источников: тепловыделения за счет электрического сопротивления титановой прослойки и сопротивления контакта листов из алюминиевого сплава.

Для упрощения сравнительных расчетов примем, что ток между электродами проходит по свариваемым деталям, по цилиндрическому каналу диаметром d_т (рис. 4.23, б). Соответственно этому

где r_А1 — это та же самая величина r_т из формулы (1.85), в которой значение удельного сопротивления р_т в момент расплава обозначаем через р_А1 . Тогда, обозначая удельное сопротивление горячего титана при температуре около 650 °С через рт1 можем написать для q_t

Соотношение этих двух слагаемых сопротивлений к моменту выключения тока при p_т1 = 150 мкОм.см и р_А1 = 10 мкОм.см таково:

Все зависит от соотношения толщин. Практически делают h_А1 ≈ 5h_T1 . Следовательно, титановый источник теплоты даже при одной прослойке оказывается по крайней мере в 3 раза более интенсивным, чем источник теплоты свариваемого контакта. В связи с этим становится понятной структура сварного соединения, характеризуемая тем, что алюминиевый сплав доводится до точки плавления за пределом титановой прослойки, близко подходя к плоскости контакта электрод — деталь. Имея в виду изложенные соображения для сварки биметаллических листов рассматриваемого типа, технологический критерий подобия по формулам (1.47) и (2.84) приходится записывать в следующем виде:

где p_A1 — удельное сопротивление алюминиевого сплава в момент плавления; h_A1 — высота расплавленного ядра алюминиевого сплава; p_тi — удельное сопротивление титана при температуре плавления алюминиевого сплава; h_тi — толщина (одной или двух титановых прослоек; σ_А1 — предел текучести холодного алюминиевого сплава; (λγc)_A1 — коэффициент аккумуляции теплоты алюминиевого сплава; δ_A1 — толщина листа алюминиевого сплава.

Формула (4.28) дает понятие о том, как строить критериальную связь для различных биметаллических сочетаний и разных сочетаемых пластин.