Развитие технологии точечной контактнй сварки в нашей стране
Послевоенное развитие и современное состояние теории и технологии наиболее широко применяемого вида контактной сварки — точечной — определялись следующими основными тенденциями:
а) расширением диапазона свариваемых деталей по толщине и маркам материалов;
б) систематическим повышением производительности труда;
в) разработкой более совершенных в энергетическом и технологическом отношении схем питания точечных машин;
г) повышением стабильности качества, работоспособности и эксплуатационной надежности точечных соединений.
Создана технология и разработаны промышленно-апробированные режимы точечной сварки закаливающихся сталей, а также жаропрочных сталей и сплавов на никелевой основе с использованием рациональных двухимпульсных циклов нагрева — с применением отпуска в электродах машины для интенсивно закаливающихся сталей или дополнительного импульса нагрева пониженной мощности, уменьшающего скорость охлаждения для материалов, склонных к образованию горячих трещин [1…7]. В ряде случаев успешно применено модулирование сварочного импульса тока, уменьшающее вероятность образования выплесков и облегчающее получение соединений с минимальными дефектами усадочного происхождения в литом ядре точки.
Освоена и широко внедрена точечная сварка деталей из алюминиевых и магниевых сплавов [5] с применением рациональных схем питания сварочной цепи; в частности, для сварки деталей из легких сплавов толщиной 3…7 мм применены машины низкой частоты [5]. Созданы эффективные способы химической подготовки поверхности свариваемых деталей из этих сплавов, обеспечивающие стабильность контактного сопротивления. Разработана технология точечной сварки никеля, титана и ряда медных сплавов.
Разработана технология точечной сварки деталей из конструкционных сталей толщиной 10…12 мм и более (ЦНИИТМАШ, Институт электросварки им. Е.О. Патона, ВНИИЭСО), не получившая, однако, и до настоящего времени существенного применения ни в отечественной промышленности, ни за рубежом главным образом из-за отсутствия практически приемлемых методов неразрушающей дефектоскопии точечных соединений.
Применение в стальных конструкциях точечной сварки деталей с предварительно очищенной поверхностью иногда экономически неоправданно. Поэтому предложены способы сварки неочищенной горячекатаной стали с уменьшением неблагоприятного влияния окалины на процесс сварки путем изменения его параметров по специальной программе (Институт электросварки, Научно-исследовательский институт технологии тракторного и сельскохозяйственного машиностроения) или с образованием на одной из соединяемых деталей местных выштампованных выступов (рельефно-точечная сварка, предложенная ЦНИИТМАШ), разрушающих окалину и локализующих как зону сварочного контакта, так п место действия усилия сжатия электродов [2, 3, 8-13]. Второй способ как более надежный внедрен при участии Научно-исследовательского института технологии автомобильной промышленности в производстве самосвалов п автоприцепов, а также на Уральском заводе тяжелого машиностроения для приварки обшивки кабин экскаваторов.
Разработаны основы технологии точечной сварки деталей, резко отличающихся по толщине, и деталей из разнородных материалов с неодинаковыми теплофизическими характеристиками за счет управления температурным полем при сварке с помощью теплоизолирующих прокладок [1] или путем применения электродов из материалов с заметно отличающимися показателями тепло- и электропроводности. Показано влияние электромагнитных процессов (перемешивания металлов в расплавленном ядре точки) на формирование сварного соединения.
Систематическое исследование односторонней двухточечной сварки [11] позволило установить пределы рационального применения этого процесса, ограничиваемые значительным шунтированием тока.
Особенно большое развитие получила точечная сварка особо тонких деталей с использованием разряда конденсаторов (МВТУ им. Н. Э. Баумана, Институт электросварки) и импульсов переменного тока, а также их сочетания (отраслевые институты), что позволило не только обеспечить необходимую прочность соединений широкой гаммы материалов, но и практически исключить образование выплесков, недопустимых в ряде изделий радиоэлектронной техники [14-19].
Разработана и оснащена необходимым многоэлектродным оборудованием высокопроизводительная точечная сварка вкрест каркасов и сеток арматуры железобетона, включая каркасы со стержнями большого диаметра (40…50 мм).
Наряду с разработкой, усовершенствованием и внедрением прогрессивной технологии точечной сварки проведены теоретические исследования особенностей сварочного контакта и влияющих на него факторов, тепловых процессов (в частности, особенностей нагрева при сварке вкрест круглых стержней [20-22]), а также исследования по разработке и применению принципов подобия [23-25] и многие другие. Все это позволило существенно расширить диапазон эффективного применения точечной сварки как в отношении используемых материалов, так и в части конструктивного оформления сварных соединений и узлов.
Значительное повышение производительности труда при точечной сварке достигнуто в первую очередь за счет широкого применения в условиях крупносерийного и массового производства многоэлектродных машин (вагоностроение, автомобильная промышленность, сельскохозяйственное машиностроение, производство сборного железобетона). Использование схем с двухсторонним расположением сварочных трансформаторов, снижающих неблагоприятный эффект шунтирования тока, позволило успешно осуществить многоточечную сварку деталей повышенной толщины, например люков грузовых полувагонов на Уралвагонзаводе [26]. Этому также способствовала разработка с широким экспериментальным обоснованием «жестких» режимов точечной сварки [4], которые особенно эффективны при сварке тонкой холоднокатаной незакаливающейся низкоуглеродистой стали, применяемой в автомобилестроении.
Точечная сварка крупногабаритных изделий, в особенности деталей большой толщины из легких сплавов, выдвинула на первый план выбор рациональной схемы питания сварочной цепи. Переменный ток промышленной частоты в этом случае неудовлетворителен из-за очень большой потребляемой мощности при неравномерной нагрузке трехфазной сети.
Еще в конце 40-х и начале 50-х годов были проведены теоретические и экспериментальные исследования по сварке импульсом энергии, запасенной в магнитном поле (МВТУ им. Н. Э. Баумана) [27], конденсаторах (ВНИИЭСО, НИАТ и др.) [14] и в маховике специального генератора (ЛПИ) [7, 28]. Эти схемы должны были наряду со снижением нагрузки на силовую сеть обеспечить использование дозированной порции энергии. Однако в первоначальном виде ни одна из этих схем не получила практического применения из-за дороговизны, громоздкости, недостаточной стабильности импульса (при сварке энергией, запасенной в магнитном поле), а также вследствие значительной крутизны его переднего фронта, неприемлемой, как показали специальные исследования, при точечной сварке легких сплавов. Проблема была более успешно решена после освоения ВНИИЭСО и НИАТ схемы питания низкочастотным импульсом тока, полученным при выпрямлении с высокой стороны трехфазного тока промышленной частоты [5].
В связи с применением точечной сварки в конструкциях все более ответственного назначения особенно острой становится проблема повышения стабильности качества, работоспособности и эксплуатационной надежности точечных сварных соединений. Изыскание путей повышения стабильности качества сварных точек систематически проводилось во многих направлениях, важнейшими из которых являются следующие:
1. Разработка рациональных режимов сварки (ВНИИЭСО [22], НИАТ [1, 5], Горьковский автомобильный завод [4], Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. А. В. Кучеренко [20] и др.). Оптимальными в отношении стабильности качества являются режимы, основные параметры которых либо соответствуют области экстремальных значений качественных показателей соединения, либо области, где эти показатели асимптотически приближаются к устойчивым значениям и в минимальной степени зависят от колебаний выбранных параметров. Однако часто такие режимы практически неприемлемы либо из-за длительности цикла и малой производительности, либо при «жестких» режимах точечной сварки из-за большой чувствительности к изменению длительности сварочного импульса, колебаний напряжения сети и некоторых других возмущающих факторов. Поэтому только подбором режима сварки не удается получить высокую стабильность результатов.
2. Обеспечение стабильных условий осуществления сварочного процесса, включающих однородную подготовку поверхности свариваемых деталей с применением химической очистки по жестко регламентированной программе (особенно деталей из легких сплавов [1, 5, 6, 29]), стабилизацию питающего напряжения, совершенствование схем и аппаратуры управления процессом с целью устранения возможных искажений сварочного цикла (завод «Электрик», ВНИИЭСО, Институт электросварки, НИАТ) [30-46] путем перехода к бесконтактным схемам с использованием современной полупроводниковой техники, логических элементов и др., а также создание комплекса приборов для контроля основных параметров процесса (НИАТ [6], ГАЗ [4] и др.), таких, как сварочный ток, время его включения, усилие сжатия электродов.
3. Разработка методов активного контроля и автоматического управления процессом, наиболее перспективным из которых в настоящее время является дилатометрический контроль (НИАТ [47], Институт электросварки [42]).
Экспериментально обоснована возможность эффективного использования дилатометрического контроля как при точечной сварке сталей, так и при сварке деталей из легких сплавов. Следует отметить, что практически предложенные и экспериментально изученные методы автоматического управления точечной сваркой (включая и дилатометрический) — контроль по комплексному энергетическому параметру, по температуре в контакте электрод — деталь (тепловой контроль), по падению напряжения на электродах, по прохождению и отражению ультразвуковых колебаний в зоне сварки в момент образования расплавленного ядра точек и др. [2, 41] — имеют те или иные ограничения, сказывающиеся на эффективности их применения. Однако дилатометрический метод в этом отношении, по-видимому, наиболее совершенный, так как он основан на критерии, прямо связанном с формированием соединений. В перспективе, очевидно, найдут наибольшее применение самонастраивающиеся системы управления, которые будут не только контролировать конечные результаты процесса, но и автоматически устанавливать и поддерживать оптимальные его параметры. Созданию таких систем будет способствовать использование принципов подобия, разработанных в Институте электросварки [24, 25].
Обычные точечные соединения внахлестку обладают двумя органическими недостатками. Это, во-первых, значительные концентраторы напряжений по периметру ядра точки и, во-вторых, наличие узкого зазора между свариваемыми деталями, в котором возможно интенсивное развитие коррозии.
Наряду с конструктивными мероприятиями (рациональным шагом и размещением сварных точек в соединении, обеспечивающими более благоприятные условия их нагружения) [48] разработаны два основных технологических приема повышения циклической прочности точечных соединений: интенсивное обжатие периферийной зоны литого ядра с созданием в этой наиболее опасной зоне благоприятных остаточных напряжений сжатия и применение клеесварных конструкций [49], в которых резко понижается степень концентрации рабочих напряжений.
Для повышения коррозионной стойкости конструкций из сталей и легких сплавов разработаны и широко применяются специальные электропроводные лаки с введением алюминиевой пудры [29], которыми покрывают сопрягаемые поверхности перед сваркой. Разработана также технология точечной сварки сталей с металлическими и неметаллическими защитными покрытиями.
Некоторые дополнительные перспективы повышения надежности точечных соединений дает разработанный несколько лет назад [50] и успешно внедряемый в промышленности оригинальный метод неразрушающей дефектоскопии — метод контроля с помощью так называемых материалов-свидетелей, наносимых на соединяемые поверхности перед сваркой.
Литература
1. Балковец Д.С., Орлов Б.Д., Чулошников П.Л. Точечная и роликовая сварка специальных сталей и сплавов. М.: Оборонгиз, 1957. 430 с.
2. Гельман А.С. Технология и оборудование контактной электросварки. М.: Машгиз. 1966. 367 с.
3. Горожанинов Н.Е., Михалев М.С. Особенности соединения сталей Ст. 5, 35ГС и Ст. 3 двухимпульсной точечной сварки без предварительной зачистки.— Автомат. сварка, 1962, № 12, с. 47-50.
4. Гуляев А.И. Технология точечной и рельефной сварки в массовом производстве. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1978. 246 с.
5. Зайчик Л.В., Орлов Б.Д., Чулошников П.Л. Контактная электросварка легких сплавов. М.: Машгиз, 1963. 219 с.
6. Чулошников П.Л. Точечная и роликовая электросварка легированных сталей и сплавов. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1968. 231 с.
7. Шаблыгин С.В., Журавлев Б. В. Точечная сварка алюминиевых сплавов на машинах, использующих запасенную кинетическую энергию.— Автоген, дело, 1952, № 10, с. 12—14.
8. Гельман А.С. Точечная сварка стальных листов толщиной 8—10 мм.— Автоген, дело, 1941, № 4, с. 1—7.
9. Гельман А.С., Слепак Э.С., Лащивер С.Ж. и др. Рельефно-точечная сварка горячекатаной стали.— Свароч. пр-во, 1959, №7. с. 19—22.
10. Папандопуло Л.С., Карташян К.В., Казакевич Г.П. Полуавтоматическая установка для точечной сварки с программным управлением,— Свароч. пр-во, 1964, № 4, с. 21—23.
11.Яворский Ю.Д., Лебедев В.К. Режимы точечной сварки малоуглеродистой стали,— Автомат, сварка, 1963, № 8, с. 38— 46.
12. Яворский Ю.Д., Поповский О.В. Контактная точечная сварка стали, покрытой окалиной.— Автомат, сварка, 1965, № 9, с. 13—16.
13. Яворский Ю.Д., Толдин А.А., Васильев В.Г. Двухточечная сварка горячекатаного металла с окалиной.— Автомат, сварка, 1966, № 8, с. 57—59.
14. Зотов В.П. Сварка аккумулированной энергией.— Электричество, 1948, № 11, с. 55—58.
15. Каганов Н.Л. Новые конденсаторные машины МВТУ для точечной и роликовой сварки.— Свароч. пр-во, 1959, № 7, с. 31— 34.
16. Кочановский Н.Я. Машины для контактной электросварки. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1954. 408 с.
17. Моравский В.Э. Конденсаторная сварка металлов малых толщин. Москва; Киев: Машгиз, 1960. 148 с.
18. Моравский В.Э. Сварка аккумулированной энергией. Киев: Гостехиздат УССР, 1963. 298 с.
19. Пентегов И. В. Схема резонансно-импульсной конденсаторной машины для шовной сварки металлов малых толщин.— Автомат сварка, 1961, № 5, с. 43—48.
20. Бродский А.Я. Сварка арматуры железобетонных конструкций. М.: Госстройиздат, 1961. 379 с.
21. Рыкалин П.П., Пугин А.И. Тепловые процессы при контактной сварке. М.: Изд-во АН СССР, 1959. 315 с.
22. Тазьба С.М. О режимах контактной сварки пересекающихся стержней арматуры железобетона,— Автомат, сварка, 1958, № 10, с. 60—66.
23. Веников В.А. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электроэнергетики. М.: Высш. школа, 1966. 487 с.
24. Лебедев В.К., Яворский Ю.Д. Применение критериев подобия для определения режимов контактной сварки,— Автомат, сварка, 1960, № 8, с. 37—44.
25. Яворский Ю.Д. Физическое моделирование контактной сварки непрерывным оплавлением.— Автомат, сварка, 1965, № И, с. 40—43.
26. Портной Н.Д. Точечная сварка большегрузных железнодорожных вагонов.— Свароч. пр-во, 1961, № 3, с. 19—22.
27. Браткова О.Н. Рабочий процесс контактных машин с накоплением энергии в магнитном поле.— Электричество, 1957, № 2, с. 43—49.
28. Шинлов Е.И., Солодовников С.А. Использование кинетической энергии маховика для осадки в стыкосварочных машинах.— Автомат, сварка, 1965, № 12, с. 66—67.
29. Портной Н.Д., Гейнрихсдорф Н.Г., Гафаров Н.Д. и др. Характеристика некоторых защитных покрытий при контактной точечной сварке. — Свароч. пр-во, 1970, № 10, с. 43—45.
30. Зайцев М П. Об электрических схемах машин для контактной сварки металла малой толщины.— Автомат, сварка, 1958, № 8, с. 84—88.
31. Кривонос В.П., Кривенко В.Г., Галигузов А.А. Устройство для контроля процесса оплавления при контактной стыковой сварке.— Автомат, сварка, 1968, № 5, с. 71—72.
32. Кривонос В.П., Подола Н.В., Лифшиц В.С., Андрианов В.Р. Система автоматического управления стыковыми машинами с вычислительными устройствами.— Автомат, сварка, 1971, № 7, с. 43—44.
33. Ланкин Ю.Н. Автоматическое регулирование режима точечной сварки по электрическим параметрам.— Автомат, сварка, 1963, № 5, с. 16—19.
34. Ланкин Ю. Н., Мищенко В.П. Автоматический регулятор УРТ-3 для контактных точечных машин.— Автомат. сварка, 1966, № 3, с. 61—63.
35. Патон Б.Е. Некоторые задачи в области автоматического регулирования сварочных процессов. — Автомат, сварка, 1958. № 4, с. 3—9.
36. Патон Б.Е. Дальнейшее развитие систем автоматического управления и регулирования сварочных процессов.— Автомат сварка, 1963, № 5, с. 1—6.
37. Патон Б.Е., Гавриш В.С. Оптимальная система регулирования энергетических параметров точечной и шовной сварки.— Автомат, сварка, 1961, № 4, с. 18—24.
38. Патон Б.Е., Гавриш В.С., Гродецкий Ю.С. Программирующее устройство на декатронах.— Автомат, сварка, 1962, № 5. с. 1-4.
39. Патон Б. Е., Завадский В. А. Некоторы-особенности систем регулирования сварочного тока с игнитронными прерывателями.— Автомат, сварка, 1959, № 11 с. 22—27.
40. Патон Б.Е., Кучук-Яценко С.И., Поповский О.В. Игнитронные регуляторы стыковой сварки.— Автомат, сварка, 1957. № 1, с. 55-61.
41. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для контактной сварки. Элементы теории. М.: Машиностроение, 1970. 440 с.
42. Паченцев Ю.А. Аппаратура для автоматического управления контактной точечной машиной по величине теплового расширения металла.— Автомат, сварка, 1954, № 4, с. 53—59.
43. Подола II.В. Коэффициент мощности контактных машин с игнитронным управлением.— Автомат, сварка, 1960, № 3, с. 31—36.
44. Подола Н.В., Кривонос В.П. Самонастраивающаяся система регулирования режима контактной стыковой сварки оплавлением,— Автомат, сварка, 1964, № 3, с. 1—8.
45. Подола Н.В., Масалов Ю.А. Цифровые системы управления контактными машинами на основе коммутаторных декатронов.— Автомат. сварка, 1963, № 5, с. 20— 27.
46. Глебов Л.В., Пескарев Н.А., Файгенбаум Д.Е. и др. Расчет и конструирование машин контактной сварки. Л.: Энергия, 1968. 410 с.
47. Балковец Д.С. Методы контроля точечной сварки,— Автоген, дело, 1947, № 12, с. 9—14.
48. Николаев Г.А. Сварные конструкции. 2-е изд. М.; Л.: Машгиз, 1953. 552 с.
49. Кантор Г.Т., Шавырин В.Н. Клеесварные соединения в машиностроении. Киев: Техника, 1964. 200 с.
50. Технология и оборудование контактной сварки / Б.Д. Орлов, Ю.В. Дмитриев, А.А. Чакалев и др. М.: Машиностроение, 1975. 535 с.