Стыковая сварка

Стыковая сварка, это один из процессов сварки давлением. Она является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу её технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля — Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. Частным случаем стыковой сварки является стыковая конденсаторная сварка.

Основные способы контактной стыковой сварки разработаны в конце XIX века. В 1877 году в США Э. Томсон предложил стыковую сварку сопротивлением. В 1887 году русский изобретатель Н. Н. Бенардос запатентовал способы точечной и позднее шовной контактной сварки между угольными электродами. Позднее эти способы, усовершенствованные применением электродов из меди и её сплавов, стали наиболее широко распространёнными способами контактной сварки. Современные способы контактной сварки весьма разнообразны. Основными из них являются: точечная, рельефная, шовная, стыковая сварка сопротивлением и стыковая сварка оплавлением. Контактная сварка — термомеханический процесс образования неразъёмного соединения металлов вследствие сцепления их атомов, при котором локальный нагрев свариваемых деталей протекающим электрическим током в зоне соединения сопровождается пластической деформацией, развивающейся под действием сжимающего усилия. Межатомные связи при этом возникают в твёрдой фазе или через жидкую прослойку расплавленного металла и сохраняются после охлаждения и кристаллизации. Стыковая сварка — способ контактной сварки, когда детали соединяются в процессе совместной пластической деформации нагретых электрическим током торцов деталей при осадке по всей площади сечения. Детали 1 (рис.1) устанавливают в токоподводящих зажимах 2 и 3, один из которых, например, зажим 3 подвижный и соединён с приводом усилия сжатия машины. Сварка состоит из двух этапов — нагрева торцов деталей и их осадки.

Нагрев деталей при стыковой сварке происходит благодаря тому, что через них проходит электрический ток Iсв и на общем электрическом сопротивлении деталей R выделяется тепло Q (закон Джоуля — Ленца):

Q = Iсв2R/t, (1)

где: t — время сварки. Общее сопротивление деталей определяется выражением:

R = 2Rд+Rк, (2)

где: Rд — сопротивление деталей (вылетов деталей из электродов машины);

Rk — контактное сопротивление между деталями (при сварке оплавлением Rk — электрическое сопротивление искрового зазора).

Сопротивление деталей 2Rд зависит от удельного электрического сопротивления металла ρ, длины их вылетов из электродов машины (установочной длины под сварку) Lсв и площади поперечного сечения деталей S:

2Rд = Kп ρLсв/S , (3)

где: Кп — коэффициент поверхностного эффекта (заметно растёт до температуры ферромагнитного превращения).

По методу нагрева различают два способа сварки — контактная стыковая сварка сопротивлением и контактная стыковая сварка оплавлением. По состоянию металла в зоне сварки они относятся к сварке в твёрдой фазе, хотя в отдельных случаях, особенно при сварке оплавлением, сварное соединение формируется в твёрдо — жидком состоянии.

В зависимости от марки металла, площади сечения соединяемых деталей и требований к качеству соединения, стыковую сварку можно выполнять двумя способами: сопротивлением (с разогревом стыка до пластического состояния) и оплавлением (с разогревом стыка до оплавления).

Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм²^[1]. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений^[2]. Осуществляется следующим образом: закреплённые в зажимах сварочной машины детали плотно прижимают друг к другу свариваемыми поверхностями, а затем пропускают через них электрический ток. После нагрева стыкуемых поверхностей до пластического состояния производится осадка (сжатие) деталей с одновременным отключением тока.

Для обеспечения равномерного нагрева контактирующие торцы свариваемых заготовок должны быть тщательно подготовлены. Необходимо удалить неровности, загрязнения и окислы, так как неравномерность нагрева и окисление металла на торцах понижают качество сварки сопротивлением. Чем больше сечение свариваемых поверхностей, тем ниже качество сварного соединения, главным образом из-за образования окислов в стыке^[3]. Этим объясняется ограниченное применение сварки сопротивлением, которая используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 мм²^[1]. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений^[2], также сварка сопротивлением даёт хорошие результаты для металлов, обладающих хорошей свариваемостью в пластическом состоянии — малоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей, алюминиевых и медных сплавов^[3].

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100 000 мм²^[1], таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали.

При сварке оплавлением вначале на детали подают напряжение от сварочного трансформатора, а затем их сближают с заданной скоростью. При соприкосновении деталей в образующихся отдельных контактах вследствие большой плотности тока металл контактов быстро нагревается и взрывообразно разрушается. Часть выделившегося при этом тепла безвозвратно теряется в атмосфере с брызгами металла, другая часть благодаря теплопроводности накапливается в стыке. Накопление тепла в процессе непрерывного образования и разрушения контактов — перемычек обеспечивает нагрев торцов деталей. К концу процесса нагрева на торцах образуется сплошной слой жидкого металла. В этот момент резко увеличивается скорость сближения деталей. Торцы соединяются, большая часть жидкого металла вместе с поверхностными плёнками и частью твёрдого металла выдавливается из зоны сварки, образуя утолщение — грат. Сварочный ток выключается во время осадки деталей. Основная технологическая роль оплавления заключается в нагреве деталей до образования на торцах слоя расплавленного металла и в получении соответствующего распределения температур в околошовной зоне для проведения последующей осадки и удаления расплава и оксидов.

Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинноразмерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали)^[1][2].

Контактная стыковая сварка имеет свои особенности, связанные с геометрической формой поперечного сечения (ширина значительно больше толщины). При сварке сопротивлением случайный характер расположения участков контактирования в стыке и обусловленная этим неравномерность нагрева таких сечений является большой проблемой. Тепло, выделяемое на участках контактирования, вызывает в них быстрое повышение температуры, которая сохраняется и после исчезновения контактного сопротивления до конца цикла сварки. Это приводит к перегреву металла на данных участках со всеми вытекающими последствиями — ростом зёрен, скоплением примесей по границам зёрен и др. Пластические и прочностные свойства металла данной зоны снижаются и улучшить их высоким отпуском, применяемым в контактных машинах, невозможно. Кроме того, большая плотность тока, необходимая для нагрева сопротивлением (значительно большая, чем при нагреве оплавлением) приводит к выплескам металла при нагреве и образованию оксидов в зоне соединения.

Поэтому сварные соединения, полученные контактной стыковой сваркой сопротивлением, не имеют высокого, а главное, стабильного качества. При сварке оплавлением единичные контакты в зоне оплавления равномерно распределены по всему поперечному сечению стыка, что обеспечивает его равномерный нагрев и получение более стабильных свойств сварных соединений .