Контактная сварка

Федеральное агентство по образованию  Российской Федерации

 «МАТИ»  - Российский государственный  технологический  университет

 им. К. Э. Циолковского

Высшая инженерная школа экологии и безопасности

 
 
 
 
 
 
   КУРСОВАЯ  РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ»

 
 
 
 
 
Тема: Контактная сварка.

 
 
 
 
 
Студент: Сусленко О.В.

Руководитель: Сердюк Н.И.

Отметка о допуске  к защите 

 
 
 
 
 
Москва 2009 г.

             Содержание. 

    Введение          3

    Глава I

    Описание  процесса контактной точечной сварки. 

    Общие сведения о контактной сварке ……………………………………4-7

Технология  контактной точечной сварки………………………………...7-11

Специальные виды точечной сварки …………………………………….11-13

Оборудование  для точечной контактной сварки………………………...13-15 

    Глава II

Реализации  исследуемого технологического процесса.

Планировка цеха контактной точечной сварки………………………….16-19

    Организация рабочего места на участке………………………………….20

Анализ  опасных производственных факторов…………………………...20

    Воздух  рабочей зоны………………………………………………………21

    Шум и вибрации…………………………………………………………...22

    Опасность механических повреждений………………………………….22

    Электроопасность………………………………………………………….23-26

    Электромагнитное  поле…………………………………………………...26-28

    Ультрафиолетовое излучение……………………………………………..28-30

    Расчет  интегральной балльной оценки тяжести  труда………………….30-32 

    Глава III

    Технические методы и средства защиты человека

    на  производстве.

         Меры защиты от механических повреждений…………………………...32

         Меры защиты от различных примесей  в воздухе рабочей зоны………..33

         Меры защиты от поражения электрическим током ……………………..34-36

Меры  защиты от шума и вибрации……………………………………….37

Меры  защиты от воздействия электромагнитных полей………………..37-40

Меры  защиты от воздействия ультрафиолетовых излучений…………...40 

Глава VІ

Результаты  инженерно-технических  расчетов по защите работающих от  вредного воздействия

Расчет  вентиляции………………………………………………………….40

Расчет  заземления…………………………………………………………..41-47

Расчет  освещения сварочного цеха………………………………………..47 

         Заключение………………………………………………………………….48 

Литература…………………………………………………………………...49 

Введение. 

     В решение задач научно-технического  прогресса важное место принадлежит сварке. Сварка является технологическим процессом, широко применяемая практически  во всех отраслях народного хозяйства. С применением сварки создаются серийные и уникальные машины. Сварка внесла коренные изменения в  конструкцию и технологию производства многих изделий. При изготовлении металлоконструкций, прокладке трубопроводов, установке технологического оборудования, на сварку  приходится четвертая часть всех строительно-монтажных работ.

     Контактная  сварка как один из способов получения  неразъемных соединений известна с  конца прошлого века. В 1887 г. Русский изобретатель Н.Н. Бенардос запатентовал точечную сварку. Несколько позже Томсон(США) изобрел стыковую сварку сопротивлением. Стыковая сварка оплавлением была предложена в 1903г. Широкое использование контактной сварки в нашей стране началось в 30-х годах после создания индустриальной базы.

      В настоящее время контактная сварка - один из ведущих способов неразъемного соединения деталей в различных отраслях техники. Она отличается очень высокой степенью механизации, роботизации, автоматизации и, как следствие, высокой производительностью.

     Область применения контактной сварки чрезвычайно  широка — от космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. Видное место занимает этот способ и в самолетостроении. На современных лайнерах насчитывается до нескольких миллионов сварных точек и несколько сотен метров швов, выполненных шовной сваркой.

     Весьма  широко применяется многоточечная  и рельефная сварка в автомобилестроении. Например, в конструкции автомобиля «Москвич-412» количество точек достигает 5000. Контактную сварку используют в  вагоностроении, судостроении, строительстве.

     Стыковая  сварка оплавлением нашла применение при монтаже трубопроводов и  укладке железнодорожных рельсов  в полевых условиях, в котлостроении  при шиповке трубных досок, при  изготовлении силовых элементов (шпангоутов) и инструмента.

     Различные легированные стали и сплавы со специальными свойствами, конструкционные стали, сплавы на основе титана и меди, алюминиевые и магниевые сплавы, тугоплавкие сплавы и порошковые композиции типа САП — вот далеко неполный перечень конструкционных материалов, которые с успехом соединяют контактной сваркой. Благодаря совершенствованию технологического процесса и модернизации оборудования области ее использования непрерывно расширяются. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава I. Описание процесса контактной точечной сварки.

Общие сведения о контактной сварке.

     Контактная  сварка представляет собой процесс  образования неразъемного соединения, возникающего в результате нагрева  металла протекающим через детали электрическим током и пластической деформации зоны соединения. Под термином «контактная» сварка подразумевается нагрев деталей электрическим током (существование электрического контакта) и определенная роль контактных (переходных) сопротивлений. Контактная сварка объединяет большую группу способов, многие из которых широко применяют в промышленности. Основные отличительные особенности этих методов — надежность соединений, высокий уровень механизации и автоматизации, высокая производительность процесса. Около 30% всех сварных соединений выполняют контактной сваркой.

     Образование соединений при контактной сварке происходит в условиях сложных быстроменяющихся электрических и температурных полей. Высокие скорости нагрева и деформации, своеобразная конфигурация соединений — эти особенности создают значительные трудности при исследовании процессов сварки. Для изучения указанных явлений широко привлекают достижения смежных наук—теплофизики, математики, металловедения и др.

     Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество  теплоты  выделяется в месте сварочного контакта.

     На  поверхности свариваемого металла  имеются пленки оксидов и загрязнения  с малой электропроводимостью, которые  также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл  нагревается до термопластического состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок образуются новые точки соприкосновения, пока не произойдет полное сближение до межатомных расстояний, т. е. сварка поверхностей.

     Способы контактной сварки весьма разнообразны; их можно классифицировать по ряду признаков (рис. 1): 1) методу получения соединения, определяемого фазовым состоянием металла в зоне сварки (соединение в твердой или жидкой фазах); 2) конструкции соединений (на-хлесточное или стыковое); 3) технологическому способу получения соединений (например, стыковая сварка сопротивлением и оплавлением, точечная, шовная); 4) виду атмосферы (сварка на воздухе или в защитной среде); 5) способу подвода тока и форме импульса тока (контактный и индукционный подвод, сварка переменным током различной частоты, постоянный ток); 6) количеству одновременно выполняемых соединений (одноточечная и многоточечная сварка, одиночный и непрерывный рельеф и т. д.); 7) характеру перемещения деталей или электродов во время пропускания импульса тока (сварка неподвижных или подвижных деталей, например непрерывная и шаговая шовная сварка); 8) наличию дополнительных связующих компонентов (клея, грунта, припоя и др.)

     Кроме того, различают область контактной микросварки, относящуюся к соединению указанными выше способами миниатюрных деталей малой толщины (до нескольких микрометров) и малых сечений. Простейшие схемы основных способов контактной сварки представлены на рис. 2. В твердой фазе соединения в основном выполняются стыковой сваркой.

Стыковая сварка.

    Стыковая сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Через стык соединяемых деталей приблизительно одинакового сечения пропускается ток  (рис.2, а); после разогрева  зоны сварки производится осадка.

    Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах  стыковой машины. Зажим 1 установлен на подвижной плите, перемещающийся в  направляющих, зажим 2  укреплен на неподвижной  плите. Сварочный трансформатор  соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети через  включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием усилия, развиваемого механизмом осадки.

    Стыковую  сварку с разогревом стыка до пластического  состояния и последующей осадкой  называют – сваркой оплавлением.

    Сварка  оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуются особой подготовки места соединения. Можно сваривать заготовки с сечением, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т.д.).

    Наиболее  распространенными изделиями, изготовляемые  стыковой сваркой, служат элементы трубчатых  конструкций, колеса и кольца, инструмент, рельсы, железобетонная арматура.

Точечная сварка.

    Точечная  сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки  соединяются в отдельных точках. При точечной сварке заготовки собирают внахлестку и зажимают между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими форму усеченного конуса (рис.2, б). Соприкасающиеся с медным электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Нагрев продолжается до пластического состояния внешних слоев и до расплавления внутренних слоев. Затем выключают ток и снимают давление. В результате образуется литая сварная точка, диаметром в несколько миллиметров.

    Точечная  сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым  заготовкам может быть двусторонней и односторонней. В первом случае электроды подводят к каждой из деталей, а во втором к каждой из деталей.

    Чаще  всего за цикл сварки получают одну точку (одноточечная сварка) и реже одновременно две и более точек (многоточечная сварка).  Многоточечная контактная сварка – разновидность контактной сварки, когда за один цикл свариваются несколько точек. Многоточечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной сварки. Многоточечные машины могут иметь от одной пары до 100 пар электродов, соответственно сваривать 2 –200 точек одновременно. Многоточечной сваркой сваривают одновременно и последовательно. В первом случае все электроды сразу прижимают к изделию, что обеспечивает меньшее коробление и большую точность сборки. Ток распределяется между прижатыми электродами специальным токораспределителем, включающим электроды попарно. Во втором случае пары электродов опускают поочередно или одновременно, а ток подключают поочередно к каждой паре электродов от сварочного трансформатора. Многоточечную сварку применяют в основном в массовом производстве, где требуется большое число сварных точек на заготовке.

Шовная сварка.

    Шовная  сварка – разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми заготовки  образуется прочное и  плотное соединение. Электроды, подводящие ток к изделию и производящие осадку, имеют форму плоских роликов, между которыми пропускают свариваемые заготовки( рис.2, в).

    В процессе шовной сварки листовые заготовки  соединяют внахлестку, зажимают между  электродами и пропускают ток. При  движении роликов по заготовкам образуются перекрывающие друг друга сварные точки, в результате чего получается сплошной непрерывный плотный шов. Шовную точку, так же как и точечную, можно выполнить при двустороннем и одностороннем расположениях электродов.

    Шовную  сварку применяют в массовом производстве при изготовлении различных сосудов. Толщина свариваемых листов составляет 0,3 – 3 мм. Шовной сваркой выполняют те же типы сварных соединений, что и точечной, но используют для получения герметичного шва.

    Рис.2. Виды контактной сварки: 1-свариваемый металл, 2- токоподводящие электроды, 3- трансформатор.  

Технология  контактной точечной сварки.

Разновидности точечной сварки. 

    Точечной  сваркой обычно соединяют листовые конструкция из однородных и разнородных черных и цветных металлов одинаковой и разной толщины или листы с катаными, прессованными, коваными и обработанными резанием заготовками и, в частности, детали автомобилей и тракторов, узлов сельскохозяйственных машин, кондиционеров, холодильников, железнодорожных вагонов, предметов домашнего обихода и др.

    Точечная  сварка подразделяется на одно (ряс  3, а)-, двух (рис. 3, г)- и многоточечную (рис. 3, б), с односторонним (рис. 3, б, в), двусторонним (рис. 3, а, г) и косвенным (рис. 3, д) подводом тока. Она может быть одно-, двух- и многоимпульсной.

Рис. 3: Схемы точечной сварки. 

    В зависимости от материала и толщины  деталей требуемого качества и производительности используют синусоидальный ток без  изменения или с изменением его амплитуды или фазы (рис. 4, а,б,в), а также импульсы непрерывного (униполярного) низкочастотного, разрядного или выпрямленного токов (рис. 4, г, д, е).

Рис. 4: Графики токов применяемые при точечной сварке.

     Форма тока существенно влияет на формирование соединения и его качество. Так, переменный ток при точечной сварке металлов толщиной 1 мм с высокой теплопроводностью может приводить к выплескам и резкому снижению стойкости электродов, а импульс униполярного тока лишен этих недостатков. Токоведущие части электроустановок является одной из причин поражения током при соприкосновении с ними. Также опасность поражения электрическим током создают источники сварочного тока, электрический привод (включая пускорегулирующую аппаратуру), электро-оборудование подъёмно-транспортных устройств, электрифицированный транспорт, высокочастотные и осветительные установки, электрические ручные машины и т.д.

     После включения ток проходит от одного электрода к другому через  металл деталей и разогревает  металл больше всего в месте соприкосновения  деталей. Разогрев поверхности металла  под электродами при правильно проводимом процессе незначителен, так как контакт электрод - изделие имеет сравнительно небольшое сопротивление вследствие мягкости и высокой электропроводности электродного металла, а сам электрод интенсивно охлаждается проточной водой. Прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки, имеющее чечевицеобразную форму (рис. 5). Диаметр ядра сварной точки в обычных случаях имеет величину 4-12 мм.

                             Рис.5. Макроструктура сварной точки.      

       Точечная  сварка без расплавления металла  ядра точки хотя и возможна (на низкоуглеродистой  стали), но недостаточно надежна и  потому на практике почти не применяется. Сварка металлов, обладающих плохой свариваемостью в пластическом состоянии, возможна только при достаточном расплавлении металла в ядре точки.

       Точечная  сварка представляет собой своеобразный процесс, в котором сочетается расплавление металла и получение литой  структуры сварного соединения с использованием значительного осадочного давления. Давление должно быть достаточным для преодоления жесткости изделия и осуществления необходимой пластической деформации, обеспечивающей соответствующую прочность сварной точки. Необходимое давление быстро возрастает с увеличением толщины свариваемого металла. Давление осадки полностью передается электродами, имеющими небольшую рабочую поверхность, несущую значительную тепловую и электрическую нагрузку. При значительной толщине основного металла нагрузка электродов настолько велика, что срок их службы быстро сокращается. Поэтому точечная сварка применяется главным образом для металла небольшой толщины, не свыше 5-6 мм. Диаметр ядра определяет в основном прочность точки и зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного плавления металла и точка получится непроваренной. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии, плотно сжимаемая давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластичного металла, удерживающее жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра и происходит внутренний выплеск металла в зазор между листами.

       С увеличением времени прохождения  тока диаметр и высота ядра растут. Чрезмерное увеличение размеров ядра ослабляет его оболочку из нагретого  твердого металла и происходит сильное вмятие металла под электродами, ведущее к наружному выплеску жидкого металла и снижению прочности точки. После выключения тока начинается охлаждение и затвердевание расплавленного ядра точки. Процесс остывания металла может являться источником шума. Могут иметь место ожоги сварщика отскакивающими от шва частицами шлака, например, во время осмотра шва, при случайном прикосновении руками к неостывшему изделию.

       Кристаллизация  жидкого металла происходит от поверхности  ядра к его середине. В результате ядро имеет столбчатую дендритную структуру.

       При охлаждении и затвердевании объем  расплавленного металла ядра уменьшается. В результате в центральной части  ядра может образоваться усадочная  раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки и тем больше вероятность образования дефектов. Наиболее надежным способом борьбы с ними является повышение рабочего давления, а также переход на циклы сварки с проковкой.

     Обычно  в сварном соединении располагается  несколько точек, поэтому при сварке приходится считаться с утечкой тока через ранее сваренные точки, шунтирующие точку, подлежащую сварке. Наличие ранее сваренных точек вызывает также уменьшение полезного давления электродов на свариваемую точку, так как часть этого давления воспринимается ранее сваренными точками. Поэтому при сварке нескольких близко расположенных точек средняя прочность точки получается ниже, чем при сварке отдельной точки. Самой прочной точкой в узле обычно является первая.

     Ожоги и поражения глаз наиболее часто наблюдаются при сварке, причиной является выброс большого количества искр и брызг расплавленного металла. Опасность ожогов возрастает при сварке ржавой, загрязненной, замасленной или окрашенной поверхности, а также при использовании загрязненного флюса. Для точечной сварки загрязнения поверхности металла в зоне сварки должны быть предварительно тщательно удалены щетками, травлением в кислотах и т. д. Сборка под точечную сварку должна как можно точнее обеспечивать плотное прилегание деталей до сварки. Наличие зазора между деталями поглощает значительную часть давления электродов на деформацию деталей до плотного соприкосновения, действительное осадочное давление на точку становится недостаточным и получается разброс прочности точек. Требования к точности сборки повышаются с увеличением толщины листов.

     Различают так называемые мягкие и жесткие  режимы точечной сварки. Режим сварки определяется в основном свойствами свариваемого металла, типом сварочного оборудования, а иногда и конструкцией (формой) свариваемых деталей. Под режимом сварки следует понимать совокупность параметров процесса, устанавливаемых соответствующими органами управления сварочной машины, а также форму и размеры используемых электродов (роликов, губок), обеспечивающих получение сварных соединений требуемых размеров и качества.

     Основные  параметры режимов контактной сварки: сила тока I_св, длительность его протекания t_св и усилие сжатия (осадки F_ос) деталей. Сила тока измеряется в амперах (А) или кило-амперах (кА), длительность в секундах (с) и усилие в деканьютонах (даН).За основные параметры режима принимают плотность тока (А/мм²) и давление (МПа) — усилие сжатия, отнесенное к сечению свариваемых заготовок.

     Режимы  разделяют на жесткие и мягкие. Жесткие режимы сварки характеризуются малой длительностью t_св протекания тока I_св, а следовательно, и кратковременным нагревом свариваемого метала: мягкие режимы - сравнительно большой длительностью t_св. Жесткость режима зависит также от толщины и температуропроводности (и теплопроводности) свариваемого металла. При одинаковой t_св более жестким будет режим для сварки металла большей толщины или металла с меньшей температуропроводностью. Например, при одной и той же t_св режим сварки низкоуглеродистой стали будет более жестким, чем режим для алюминиевого сплава. При мягких режимах пользуются умеренными силами тока, плотность тока на рабочей поверхности электрода обычно не превышает 100 а/мм². Для жестких режимов плотности тока доходят при сварке стали до 120-300 а/мм2.

     Мягкие  режимы характеризуются большей продолжительностью времени сварки, более плавным нагревом, уменьшенной мощностью сварки. К преимуществам мягких режимов относятся уменьшение мощности, потребляемой из сети, уменьшение нагрузки сети, понижение мощности и стоимости необходимых контактных машин, уменьшение закалки зоны сварки. Жесткие режимы требуют машин повышенной мощности, увеличивают максимальную загрузку сети. К преимуществам жестких режимов сварки относятся уменьшение времени сварки, повышение производительности. Давление электродов обычно принимают в пределах 3-8 кГ/мм².

     Неправильно установленный режим сварки или  нарушение технологических требований может привести к разнообразным  дефектам точечной сварки. Наиболее опасным  дефектом является непровар, характеризующийся  отсутствием литого ядра точки или малыми его размерами. Опасность непровара увеличивается тем, что он не всегда надежно обнаруживается внешним осмотром изделий при приемке. Могут встречаться также такие дефекты, как подплавление поверхности и прожог металла, глубокие вмятины на поверхности металла, раковины и пористость литого ядра.

     Точечной  сваркой соединяются главным  образом детали из низкоуглеродистой  стали, обладающей отличной свариваемостью. Легированные стали, склонные к закалке, а также стали с повышенным содержанием углерода следует сваривать на мягких режимах. При сварке на жестких режимах ядро точки и окружающая зона влияния сильно закаливаются и обнаруживают повышенную склонность к образованию трещин. Стали повышенной прочности требуют увеличения рабочего давления при сварке. При контактной сварке выделяется много металлической пыли, загрязняющей воздух. Пыль, образующаяся при сварке, может быть причиной заболевания пневмокониозом. А также при сварочных работах воздушная среда производственных помещений загрязняется сварочным аэрозолем и окислами газов (углерода, азота), озоном и др.

     После сварки иногда необходима термообработка изделия для снятия внутренних напряжений, создаваемых процессом сварки, или  для улучшения структуры металла, главным образом для уничтожения особенно опасной структуры мартенсита. Обычно термообработка сводится к высокому отпуску. Часто последующая термообработка повторным пропусканием тока возможна непосредственно в точечной машине тотчас после окончания сварки точки.

Специальные виды точечной сварки.

     Для увеличения производительности применяется  многоточечная сварка, при которой  за один цикл работы машины сваривается  несколько точек. Электроды прижимаются  к изделию, лежащему на токопроводящей медной подкладке. Ток идет по цепи электрод - изделие - медная подкладка - изделие - второй электрод. Свариваются одновременно две точки. Такой способ называется односторонней двухточечной сваркой. Многоточечные машины обычно имеют гидравлический привод и работают по принципу односторонней двухточечной сварки.

     Маслораспределитель распределяет масло, находящееся под  высоким давлением, по цилиндрам  отдельных электродов и прижимает  к изделию по два соответственных  электрода, подавая ток на них; затем  ток выключается, электроды отодвигаются, масло подается в следующую пару цилиндров и т. д., пока не будет закончена сварка всего узла. Подобные машины могут иметь до 100 и более электродов.

     В некоторых многоточечных машинах  все электроды сразу прижимаются  к изделию, что обеспечивает меньшее  коробление и большую точность изделия. Ток распределяется между прижатыми электродами специальным токораспределителем, имеющим довольно сложное устройство и включающим электроды попарно, осуществляя процесс односторонней двухточечной сварки. Оба типа машин применимы лишь в массовом производстве, причем для каждой детали требуется изготовление достаточно сложного приспособления с соответствующим размещением электродов и гидравлических цилиндров. При контактной сварке во время установки деталей на электроды сварочной машины рука  сварщика может попасть  между электродом и деталью или между сварочными роликами.