Преимущество и недостатки рельефной сварки

 

Содержание

 

1. Введение………………………………………………………………………………………….2
2. Сущность процесса рельефной сварки…………………………………………..3
3. Используемые сварочные материалы……………………………………………4
4. Используемое оборудование…………………………………………………………11
5. Преимущество и недостатки рельефной сварки…………………………..12
6. Область применения………………………………………………………………….….13
7. Список литературы………………………………………………………………………..18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Сварка является одним из технологических процессов, как в области машиностроения, так и в строительной индустрии.

Контактная сварка -это один из наиболее эффективных, экономичных, высокомеханизированных и автоматизированных способов сварки, обеспечивающих высокую прочность, качество и надежность сварного соединения и широко используемых в строительстве для сварки арматуры, трубопроводов, рельсов и т.д. Изготовление наиболее дорогих и сложных узлов легковых и грузовых автомобилей - кузовов и кабин тоже основывается на электроконтактной сварке. Многие конструктивно сложные детали в машиностроении изготовляются путем точечной сварки штампованных из листового проката заготовок.

Способы электроконтактной сварки подразделяются на три группы: стыковая сварка,точечная сварка и шовная сварка.

Разновидность точечной сварки — рельефная сварка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Сущность процесса рельефной сварки.

 

Рельефная сварка- контактная сварка, при которой сварное соединение получается на отдельных участках, обусловленных их геометрической формой, в том число по выступам.

На поверхности одной или обеих свариваемых заготовок заранее выштамповываются выступы (рельефы) круглой, кольцевой, продолговатой или другой формы. Затем детали зажимаются между  электродами, обычно имеющими форму плиты, с приложением к ним усилия Fсв, и включается сварочный ток.

Рисунок. Схема рельефной сварки

Металл выступа начинает интенсивно нагреваться и постепенно деформируется. На определенной стадии в месте контакта заготовок образуется зона расплавления как при точечной сварке. По мере протекания сварочного тока возрастает объем зоны расплавления, а металл выступа, деформируясь, выходит на наружную поверхность заготовки. После выключения тока расплав охлаждается и кристаллизуется с образованием ядра, окруженного уплотняющим пояском пластически деформированного металла, по которому соединение сформировалось без расплавления.

Рисунок. Образование соединения при рельефной сварке

Основное отличие рельефной сварки от точечной заключается в том, что контакт между заготовками и сварное соединение определяются формой и размерами выступа, а не формой рабочей поверхности электродов, как при обычной точечной сварке. Таким образом, при заранее подготовленных выступах за один ход машины рельефной сварки можно произвести до нескольких десятков сварных точек. [1]

 

2.Используемые сварочные материалы.

 

Электроды для рельефной сварки (рис. 1) состоят из тех же составных частей, что и электроды для точечной сварки — рабочей, центральной и посадочной. Однако форма как электрода в целом, так и его составных частей не всегда соответствует приведенной на рис. 1. Форма электрода для рельефной сварки в значительном мере зависит от геометрии свариваемых деталей. Контактная же поверхность электрода в случае рельефной сварки определяется не столько формой рабочей части электрода, сколько формой выступов (рельефов) на свариваемом изделии. Кроме этого, электроды при рельефной сварке иногда являются и фиксирующими приспособлениями. При рельефной сварке верхний и нижний электроды, как правило, различны. Конструкция электродов для рельефной сварки сложнее конструкции электродов для точечной сварки.

 

 

 

 

Рис. 1. Элементы конструкции электрода для рельефной сварки:

1 — рабочая часть; 2 — центральная часть; 3 — посадочная  часть.

 

 

На рис.2 показаны основные разновидности электродов для рельефной сварки.

В зависимости от формы электроды можно разделить на две основные группы. К первой группе относятся электроды, предназначенные для сварки одного рельефа, называемые электродами для индивидуальной рельефной сварки. По конструктивному выполнению электроды этой группы сходны с электродами для точечной сварки. Разновидностью электродов первой группы являются также электроды для рельефной сварки труб или пластин с отверстиями. В этом случае кольцевое рельефное сварное соединение образуется при применении электродов с рабочей частью конической или трубчатой формы.

Вторую группу составляют электроды, применяемые для сварки нескольких рельефов одновременно, называемые электродами для групповой рельефной сварки.

Формы рабочей части электродов обеих групп различны. В качестве электродов первой группы могут быть использованы электроды с увеличенной или обычной плоской контактной поверхностью. Если размеры привариваемой детали невелики, один из электродов может являться одновременно и приспособлением для установки детали в положение перед сваркой. Электроды такой формы находят широкое применение при рельефной сварке крепежных изделий с листовым материалом и называются электродами с выемками. Другой разновидностью таких электродов являются электроды для сварки перекрещивающихся деталей — прутков, труб и т.п. по одному и по нескольким рельефам. Иногда для подобной рельефной сварки, например при соединении арматурных сеток, успешно могут быть использованы электроды с плоской поверхностью без выемок. Однако такое упрощение конструкции электрода возможно лишь в случае, когда не требуется точной фиксации свариваемых стержней по отношению друг к другу.

 

 

 

 

Рис. 2. Разновидности электродов для рельефной сварки:

1—6 — электроды  для индивидуальной рельефной  сварки; 7—9 — простые электроды  для групповой рельефной сварки; 10—12 — составные электроды для  групповой рельефной сварки.

 

 

Если свариваемая деталь, контактирующаяся с одним электродом, располагается внутри второго электрода, то во избежание шунтирования сварочного тока второй электрод делается сложным, и в его конструкцию вводятся изолирующие втулки или прокладки (рис. 3).

Размеры рабочей части и контактной поверхности электродов первой группы в случае рельефной сварки по плоской поверхности выбираются из условия достижения тех же удельных плотностей тока и удельного давления, что и при точечной сварке.

При рельефной сварке пересекающихся стержней выбор размеров рабочей части электродов с плоской контактной поверхностью целесообразно производить, исходя из следующей формулы:

 

 

d=(1,5…2,5)dст

 

 

где d - диаметр плоской контактной поверхности электрода; dст - диаметр меньшего стержня соединения.

 

 

 

 

Рис. 3. Электрод для рельефной сварки с изолирующей втулкой:

1 — верхний электрод; 2 — нижний электрод; 3 — изолирующая  втулка.

 

 

При подсчете по этой формуле большие значения коэффициента следует выбирать в случае сварки стержней малых и средних диаметров на жестких режимах. Так, например, при сварке стержней диаметром 3…24 мм целесообразно использовать электроды с контактной поверхностью диаметром до 40 мм. При мягких режимах сварки диаметр электрода может быть уменьшен до величины диаметра меньшего из свариваемых стержней. Высота цилиндрической рабочей части электрода, обеспечивающая удовлетворительный отвод тепла, должна быть примерно равна ее диаметру.

Электроды для рельефной сварки одновременно по нескольким рельефным поверхностям имеют более сложную конструкцию и являются часто составными.

Применение простых электродов для сварки по нескольким рельефам практически осуществимо лишь в случае плоской контактной поверхности, интенсивного охлаждения и применения качественных электродных материалов. Но даже и при соблюдении этих условий в местах рельефов на поверхности электродов по мере их износа появляются углубления. Это явление, иногда называемое бринелированием, приводит к уменьшению плотности тока на рельефах, ухудшению проковки сварного соединения и появлению вмятин на свариваемых деталях. При неравномерном износе электродов у различных рельефов наблюдается также перераспределение сварочного тока между отдельными рельефами. Во избежание этого для сварки по нескольким рельефам применяют составные электроды, состоящие из основания и электродных вставок (рис. 4). Основание изготовляется из высокоэлектропроводной термически обрабатываемой бронзы (реже из меди) и имеет интенсивное охлаждение, причем охлаждающие каналы подводятся по возможности ближе к электродным вставкам. Электродные вставки изготовляются из менее электропроводного, но более твердого материала, чаще всего из вольфрамомедного сплава. Электродные вставки непосредственно проточной жидкостью не охлаждаются. Отвод тепла от них осуществляется только за счет теплопередачи в массивное охлаждаемое основание.

Диаметр рабочей части электродных вставок должен в 2 раза превышать диаметр рельефа и быть не менее 10 мм. При меньшем диаметре происходит выдавливание свариваемого металла в месте рельефа, которое приводит к перегреву поверхностей вставок и способно вызвать схватывание вставок выдавленным металлом, в результате чего после сварки изделие трудно отделить от электрода. Для сварки изделий с рельефами обычной формы высота вставок выбирается не менее 5…6 мм. Для их монтажа в основании электрода предусматриваются посадочные места.

 

 

 

 

Рис. 4. Электроды для групповой рельефной сварки со вставками различных размеров:

А — высокие глубоко посаженные вставки; Б — вставки рекомендуемых размеров.

 

 

Посадка электродных вставок в основание может осуществляться различными способами: при помощи резьбы, оканчивающейся заплечиками, конической и цилиндрической посадок, посадки типа ласточкина хвоста и т.п. Однако при изготовлении электродов рельефной сварки наиболее распространенным способом является припаивание электродных вставок к основанию твердым припоем. Глубина выемок под вставки в этом случае не должна превышать 0,7…0,8 мм, так как металлокерамика, применяемая для вставок, стоит дорого. Поэтому ту часть вставки, которая остается в электроде после сошлифовывания вставки в процессе эксплуатации, не следует брать чрезмерно большой, так как это приводит к заметному возрастанию стоимости составного электрода в целом.

Высоту электродной вставки следует выбирать не слишком большой — в пределах 1/2…1/3 диаметра. Большая высота нецелесообразна, потому что металлокерамика представляет собой хрупкий материал и при большой высоте возникает опасность поломки электродной вставки. Кроме того, чрезмерная высота вставок приводит к их перегреву и прилипанию свариваемых деталей. На рис. 4 показаны два электрода-штампа; один из них (А) является примером неудовлетворительной конструкции, другой (Б) более удачной.

Вставки для сварки нескольких рельефов не рекомендуется монтировать таким образом, чтобы их контактные поверхности были заподлицо с поверхностью основания электрода, так как в случае зачистки и заправки электродов приходится подвергать этим операциям и вставки, и основание. Кроме того, при выступающих вставках получаются более благоприятные условия сварки, потому что незначительное коробление свариваемых деталей не препятствует плотному контакту между поверхностью вставок и деталей. Уменьшается также возможность шунтирования тока между заусенцами и выступающими участками свариваемых деталей.

Закрепление электродных вставок в основании электрода производится серебряным припоем с достаточно низкой температурой плавления. Высокоплавкие припои для твердой пайки в этом случае не рекомендуются, так как это сопряжено с нагревом основания до таких температур, при которых может происходить коробление, окисление и снижение свойств материала основания.

Припаивание электродных вставок к основанию электрода имеет следующие недостатки. На прогрев массивного основания до температуры твердой пайки уходит много времени. Коробление и окисление имеют место и при низкотемпературной твердой пайке. Технологические пробки, впаянные твердой пайкой в охлаждающие каналы, могут смещаться при нагреве под пайку вставок.

Перечисленные недостатки приводят к усложнению конструкции электродов-штампов для рельефной сварки, при котором впаянные вставки являются легко сменяемыми частями. В этом случае можно повысить экономичность, делая изнашивающиеся части такого сложного электрода предельно малыми. На рис. 5 показан электрод-штамп усложненной конструкции. Здесь электродные вставки припаяны твердым припоем к бронзовым переходникам, которые с помощью винтов крепятся к основанию сложного электрода. Когда возникает необходимость зачистки электродов, переходники демонтируются и заменяются запасными, что не требует больших перерывов в работе сварочной машины. Недостатком такой усложненной конструкции является ухудшение условий отвода тепла от электродных вставок.

 

 

 

 

Рис. 5. Электрод-штамп с бронзовыми переходниками для групповой рельефной сварки:

А — бронзовые переходники; Б — медновольфрамовые вставки; В — отверстия охлаждающих каналов; Г — основание штампа; Д — винты.

 

 

Применение резьбовой, цилиндрической или конической посадки в основания электродов для сварки по нескольким рельефам ограничивается тем, что вставки в этом случае расшатываются и трудно соблюдать равную высоту контактной поверхности нескольких вставок по отношению к основанию электрода.

Конструкция электродов для рельефной сварки криволинейных деталей более сложна, чем для сварки плоских деталей, и для сварки каждой детали необходимо проектировать отдельный электрод-штамп. Так как вставки должны быть выровнены с большой точностью, рекомендуется предусматривать возможность индивидуальной регулировки высоты каждой из вставок.

На рис. 6 показан типовой сварной узел, состоящий из криволинейных деталей, соединенных при помощи рельефной сварки. Верхний и нижний электроды для сварки рассматриваемого узла сходны по конструкции, а поэтому на фигуре дано лишь детальное изображение нижнего электрода-штампа. Он состоит из двух частей: верхняя, охлаждаемая часть является сменной; на ней монтируются резьбовые вставки со шлицами под отвертку. После установки вставок в надлежащее положение они контрятся посредством упорных винтов из стали. В этом случае необходимость постоянной регулировки высоты электродных вставок, неравномерно изменяющейся в силу разницы в износе отдельных вставок, не позволяет применять какую-либо посадку вставок, кроме резьбовой по типу, указанному на рис. 6. Применение посадки на резьбе с наружной контргайкой в этом случае не оправдывает себя, так как медная или бронзовая контргайка имеет недостаточную прочность, а стальная гайка подвергается индукционному нагреву в сильном переменном поле, создаваемом протеканием сварочного тока. [2]

 

 

 

 

Рис. 6. Электрод-штамп для групповой рельефной сварки криволинейных деталей:

А — свариваемые детали; Б — отверстия охлаждающих каналов; В — медновольврамовые пластины; Г — резьбовые вставки; Д — стальные упорные винты.

 

 

 

 

 

3.Используемое оборудование

Рельефная машина (машина рельефной сварки)переменного тока отличается от точечных машин конструкцией электродной части и более жестким корпусом. Рельефные машины низкочастотной контактной сварки предназначены для сварки током низкой частоты деталей ответственного назначения из коррозионно-стойких, низкоуглеродистых, жаропрочных сталей и сплавов.

Типичная машина рельефной сварки МРН-24001 имеет следующую конструкцию (рис 4). На верхнем кронштейне 9 корпуса 10 установлен пневмопривод 8, на ползуне которого закреплена верхняя контактная плита 5, соединенная с выводными колодками силового сварочного трансформатора жесткими 4 и гибкими 7шинами. Нижняя контактная плита 3, установленная на столе 2, соединена с выводными колодками сварочного трансформатора жесткими шинами /, допускающими при отпущенных болтах подъем или опускание стола 2 с целью изменения величины раствора. В рельефных машинах нового поколения выверка параллельности верхней и нижней электродных плит осуществляется не прокладками, как было в машинах прежних выпусков, а с помощью четырех резьбовых втулок <5, при вращении которых при отпущенных контргайках верхняя плита устанавливается параллельно нижней. Внутри корпуса машины расположен сварочный трансформатор, переключатель ступеней 12, рукоятки 11 которого выведены наружу, и другие элементы электрооборудования. Рельефная машина комплектуется шкафом типа ШУ-439.

 

 

Рис 4. Сварочное оборудование рельефной сварки                              [3]                             

 

4.Преимущество и недостатки рельефной сварки

рельефная сварка обладает рядом достоинств, главными из которых являются:

высокая производительность , поскольку число одно временно свариваемых точек одним импульсом тока достигает 15. ..20 и более;

компактность сварных узлов, так как шаг между точкам и при рельефной сварке может быть меньше, чем при точечной, а сами рельефы могут располагаться ближе к кромке деталей;

возможность сварки окисленного металла, поскольку при штамповке рельефа оксидная пленка частично разрушается, чему также способствует высокое удельное давление, развиваемое на стадии сжатия;

возможность сварки деталей весьма различных толщин и сечения и из материалов с очень разными теплофизическими свойствами;

возможность легирования металла литого ядра при рельефной сварке через вставки или прокладки;

повышенная стойкость электродов при рельефной сварке по сравнению с точечной;

машины для рельефной сварки по конструкции проще, чем многоэлектродные.

В то же время рельефной сварке присущи некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при разработке технологии сварки, элементов сварочного оборудования и при оценке технико-экономической целесообразности ее применения.

К таким недостаткам следует отнести :

более высокую вероятность возникновения выплесков металла в момент включения сварочного тока, для предупреждения которых целесообразно применять импульсы тока с плавным нарастанием, увеличивать начальную силу сжатия, использовать машины с малой массой подвижных частей и направляющими, снабженными подшипниками качения;

сложность конструкции сварочной головки и механизма сжатия пpи одновременной сварке нескольких рельефов;

усложнение конструкции электродов и их эксплуатации особенно при многорельефной сварке;

необходимость создания рельефов штамповкой, высадкой или точением, что связано с дополни- тельными затратами, окупающимися лишь в условиях массового производства.                          [4;2]

 

 

5.Область применения

 

Рельефная сварка применяется для соединения деталей из сталей, титановых сплавов, цветных металлов высокой твердости, a также в приборостроении пpи соединении деталей малых сечений и толщин из разноименных металлов (сплавов), в т.ч. с покрытиями.

В зависимости от конструкции и взаиморасположения свариваемых деталей различают три группы рельефных соединений (рис. 2): нахлесточные, тавровые и крестообразные.

Наиболее широко применяют сварку листов внахлестку со штампованными рельефами (cм. рис. 2, a - в ). Для сварки листов из сталей,  титановых сплавов используют одиночный круглый рельеф сферической формы (а).

При малой длине нахлестки применяют рельефы удлиненной формы (6), что позволяет получить необходимую площадь, а следовательно, и прочность соединения. Для сварки металла тoлщинoй 0,4. .. 0,6 мм рекомендуются кольцевые рельефы (в), которые обладают повышенной прочностью и мало сминаются под действием силы сжатия до включения тока.

При сварке алюминиевых и других сплавов (например, медно-цинковых и медноникелевых) с малой жаропрочностью хорошо использовать сплошные рельефы, создаваемые горячей высадкой в процессе формообразования детали (см . рис. 2, г) . Такие рельефы характеризуются повышенной стойкостью и позволяют получать сварные соединения с формированием литого ядра. При рельефной сварке деталей различной толщины (например, специальных гаек с листом) компактные рельефы разнообразных формы и высоты получают холодной высадкой, располагая их у края гайки для облегчения закрытия зазора между деталями (см. рис. 2, д ). Для миниатюрных деталей из разноименных металлов малой толщины <0,3 ...0,4 мм ) целесообразно изготовлять рельефы в виде пирамид треугольного (е) или трапецеидального сечения , размещая их на детали с более высокой тепло- , электропроводностью. При этом общая площадь свариваемой поверхности с рельефами может составлять ≤1мм2.

Рельефную сварку пластин толщиной 10. ..25 мм и более, когда штамповка рельефов затруднительна, имеет смысл осуществлять с применением вставок (см. рис. 2, ж) из листа круглой или продолговатой формы диаметром (0,5.. .0,6)s и тoлщинoй (0,12...0,15)s.

Пpи необходимости вставка может быть из другого пo составу металла, что позволяет улучшить свариваемость и легировать металл литого ядра. Иногда рельефы -вставки изготовляют в виде проволочных колец (p), шариков и шайб (и).

Широкое применение нашла рельефная сварка тавровых соединений (см . риc. 2, к- с) , когдa одна из деталей своей торцовой поверхностью приваривается к развитой поверхности другой детали. Различают два вида тавровых соединений : торцовые и соединения с острой гранью. У торцовых соединений рельеф имеет сферическую (к) или конусную форму (л) . С помощью кольцевых рельефов можно сваривать втулки и трубы с листом с образованием герметичного соединения (см. риc. 2, м , Н ) . Герметичные тавровые соединения можно получить и при вваривании деталей в отверстие листа или трубы методом острой грани (о - с).

Еще одной до вольно распространенной разновидностью рельефной сварки является сварка вкрест проволоки, стрежней и труб (см. риc. 2, т, у, ф). Рельеф в этом случае создается естественной формой свариваемых деталей.

Сварка нахлесточных соединений. Основными параметрами нахлесточных соединений со щтампованными круглыми рельефами сферической формы (рис. 3 , а), согласно ГОСТ 15878- 79 являются диаметр литой зоны d, величина проплавлeния h и hl , величинa нахлестки B и расстояние oт центра рельефа до края нахлестки. Этот стандарт регламентирует основные размеры для двух групп сварных рельефных соединений : А и Б. Соединения группы A имеют больший диаметр литого ядра, большую величину нахлестки и обладают более высокой прочностью пo сравнению c соединениями группы Б.

Подготовка поверхности деталей под рельефную сварку включает в себя такие же операции, как при точечной сварке. Применительно к листовым нахлесточным соединениям травление или механическую обработку поверхности проводят дештамповки рельефов.

Изготовление рельефов целесообразно совмещать с формовкой детали при eе штамповке или вырубке. Это позволяет повысить точность штамповки рельефов и одновременно снизить трудоемкость изготовления детали.

При изготовлении штамповкой круглых рельефов сферической формы (см. рис. 3, а; для металла толщинoй 0,4 ... 6 мм при меняют сменные матрицы и пуансоны (штампы). Инструмент для штамповки изготовляют из сталей У10А, Х12М с термообработкой, обеспечивающей твердость 58...60 HRC. Для металла толщиной дo 1,2 мм допуск на диаметр рельефа ±0, 1 мм и высоту ±0,05 мм, для больших толщин соответственно ±0,15 и ±0, 12 мм. Размеры рельефов, разработанных в разных организациях, существенно разнятся.

Однако, как показали исследования, прочность сварных соединений при этом практически одинакова. Штамповку выполняют пуансонами в форме усеченного конуса (угол α =45 . .. 90°) или конуса (угол α =30°) со сферической вершиной (r = 0,75s + 0,2мм). Диаметр рельефа dp и его высота hp зависят от толщины детали s или диаметра литого ядра d и для соединений гpуппы А пo ГОСТ 15878-79 могут быть ориентировочно определены из соотношений:

dp =(1,8 2)s + 1 мм; hр =(0,37 0,4)s + 0,3 мм;

dр = (0,6 0,8)d; hp = (0,2 0,3)dp

Для получения соединений группы Б размеры рельефа уточняют. Следует иметь в виду, чтo диаметр литого ядра зависит oт параметров режима сварки и обычно на 20...50% больше dp с учетом требуемой прочности соединения.

К недостаткам штампованных рельефов нужно отнести их относительно невысокую стойкость (жесткость) при использовании для сварки пластичных металлов и сплавов с малой жаропрочностью. В этих случаях применяют более жесткие сплошные рельефы без лунки (см. рис. 3, 6). Поскольку металл рельефа при его смятии остается между деталями, резко увеличиваются диаметр контакта и зазор между деталями. Поэтому рекомендуется размеры сплошных рельефов уменьшать на 20 ...30 % пo сравнению со штампованными.

 

 

Рис. 2. Основные группы рельефных соединений.

 

 

 

 

Рис. 3. Типичные формы рельефов.                      [5;1]                                                               

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. http://www.osvarke.com/reljefnaya-svarka.html.

2. Гилевич В.А. «Технология и оборудование рельефной сварки» -Л. 1978г.

3. Кабанов Н. С. «Сварка на контактных машинах» — М.: Высш. школа, 1979.— 215 с.

4. Гуляев А.И. «Технология  и оборудование контактной сварки», Машиностроение 1985г.

5. Орлов Б.Д., Машет М. «Технология, оборудование  контактной сварки» - учебник для вузов 1986г.