Контактная сварка это

Что такое контактная сварка

Контактная сварка основана на физическом явлении нагрева металла при прохождении через него электрического тока большой силы в сочетании с пластической деформацией зоны соединения под действием сжимающего усилия. Процесс реализуется при кратковременном прохождении тока силой от нескольких сотен до десятков тысяч ампер через свариваемые детали, прижатые друг к другу с определенным усилием.

Физический принцип работы метода базируется на законе Джоуля-Ленца. В точке контакта свариваемых деталей возникает наибольшее электрическое сопротивление, что приводит к интенсивному выделению тепла. Температура в зоне сварки достигает точки плавления металла, образуя литое ядро соединения. Одновременное механическое давление обеспечивает пластическую деформацию нагретого металла и формирование прочного соединения.

Принцип работы и основные параметры

Механизм формирования соединения

Процесс контактной сварки проходит в три основные стадии. На первой стадии происходит физическое сближение поверхностей свариваемых деталей и удаление поверхностных пленок под действием давления. Вторая стадия характеризуется нагревом металла проходящим током до температуры плавления и образованием жидкого ядра. На третьей стадии происходит кристаллизация расплавленного металла с формированием прочного соединения.

Качество сварного соединения определяется тремя ключевыми параметрами процесса. Сила сварочного тока влияет на количество выделяемого тепла и размер зоны расплавления. Время прохождения тока определяет глубину прогрева металла и размер сварной точки. Усилие сжатия обеспечивает необходимый контакт между деталями и предотвращает выплеск расплавленного металла.

Технические характеристики процесса

Контактная сварка характеризуется низким рабочим напряжением в диапазоне от 1 до 15 вольт и высокой силой тока, достигающей тысяч ампер. Время выполнения одного сварного соединения составляет от нескольких сотых долей секунды до 3 секунд в зависимости от толщины и материала деталей. Усилие сжатия варьируется от десятков килограммов до нескольких тонн в зависимости от типа сварки и размеров деталей.

Виды контактной сварки

Точечная контактная сварка

Точечная сварка является наиболее распространенным видом контактной сварки и применяется для соединения листовых материалов внахлест. Детали зажимаются между двумя медными электродами, через которые пропускается импульс тока. В месте контакта образуется литое ядро диаметром от 4 до 12 миллиметров, формирующее прочную сварную точку после кристаллизации.

Метод подразделяется на двустороннюю и одностороннюю точечную сварку. При двусторонней сварке электроды подводятся с обеих сторон соединяемых деталей, обеспечивая равномерный нагрев и высокое качество соединения. Односторонняя сварка применяется в труднодоступных местах, где невозможно расположить электроды с двух сторон. Производительность точечной сварки достигает 600 соединений в минуту на автоматизированных линиях.

Стыковая контактная сварка

Стыковая сварка используется для соединения деталей по всей площади их торцевого контакта. Заготовки закрепляются в специальных зажимах-электродах, сжимаются осевым усилием, после чего через них пропускается электрический ток. Метод эффективен для соединения проволоки, стержней, труб и профильных элементов сечением до 100000 квадратных миллиметров.

Существует два основных способа стыковой сварки. Сварка сопротивлением применяется для деталей простого компактного сечения площадью до 200 квадратных миллиметров. Детали сжимаются, через них пропускается ток, происходит равномерный нагрев всего сечения, после чего выполняется осадка. Сварка оплавлением подходит для деталей большого сечения и сложной формы. Детали сближаются при включенном токе, происходит оплавление торцов с образованием жидкого металла, который выдавливается при осадке с формированием грата.

Шовная контактная сварка

Шовная или роликовая сварка обеспечивает создание непрерывного герметичного шва между листовыми деталями. Вместо точечных электродов используются вращающиеся дисковые электроды-ролики, между которыми пропускаются свариваемые листы. Ток может подаваться непрерывно или импульсно, формируя перекрывающиеся сварные точки вдоль линии шва.

Метод реализуется в двух вариантах. При двусторонней шовной сварке листы пропускаются между двумя роликами, что обеспечивает равномерный прогрев и высокую герметичность шва. Односторонняя шовная сварка выполняется одним роликом, перемещаемым по поверхности деталей, размещенных на опорной плите. Скорость сварки достигает нескольких метров в минуту.

Рельефная контактная сварка

Рельефная сварка представляет собой разновидность точечной сварки с предварительной подготовкой специальных выступов-рельефов на поверхности одной или обеих свариваемых деталей. Рельефы формируются штамповкой и концентрируют протекание тока в определенных точках, обеспечивая локальный нагрев и образование сварных соединений.

Преимущество метода заключается в возможности одновременного создания нескольких сварных точек за один цикл работы оборудования. Форма и размеры рельефов определяют параметры будущего соединения, при этом форма электродов не влияет на результат. Метод широко применяется в автомобилестроении для крепления кронштейнов, установки петель и соединения крепежных деталей с несущими элементами конструкций.

Сравнительная таблица видов контактной сварки

Оборудование для контактной сварки

Конструкция сварочных машин

Машины контактной сварки состоят из электрической и механической частей, дополненных системами охлаждения и управления. Электрическая часть включает сварочный трансформатор, понижающий сетевое напряжение до рабочих значений и обеспечивающий необходимую силу тока. Вторичный контур трансформатора выполняется из материалов с высокой электропроводностью для минимизации потерь.

Механическая часть машины реализует функции сжатия и перемещения свариваемых деталей. Привод сжатия может быть ручным, пневматическим, гидравлическим или электромеханическим. Пневматические и гидравлические системы обеспечивают более стабильное усилие сжатия и применяются в автоматизированном производстве. Система водяного охлаждения предохраняет электроды и трансформатор от перегрева при интенсивной работе.

Классификация оборудования

По конструктивному исполнению различают стационарные, подвесные и передвижные машины. Стационарные машины устанавливаются на производственных линиях для серийного изготовления однотипных изделий. Подвесные клещи с встроенным или отдельным трансформатором обеспечивают доступ к труднодоступным местам при сборке крупногабаритных конструкций. Передвижные установки применяются для монтажных и ремонтных работ.

По роду тока оборудование подразделяется на машины переменного тока, низкочастотные установки, машины постоянного тока и конденсаторные системы. Машины переменного тока наиболее распространены благодаря простоте конструкции. Установки постоянного тока обеспечивают более стабильные параметры процесса и применяются для сварки цветных металлов и высоколегированных сталей.

Электроды для контактной сварки

Электроды служат для подвода тока к свариваемым деталям и передачи усилия сжатия. Материал электродов должен обладать высокой электропроводностью, теплопроводностью и механической прочностью. Наиболее распространены электроды из медных сплавов с добавлением хрома, циркония или кадмия, обеспечивающие необходимую стойкость при температурах до 600 градусов.

Форма электродов определяется типом сварки и конфигурацией деталей. Для точечной сварки применяются электроды со сферической или плоской рабочей поверхностью диаметром от 3 до 20 миллиметров. Электроды для рельефной сварки изготавливаются с плоской поверхностью, повторяющей форму свариваемых изделий. В шовных машинах используются дисковые электроды-ролики диаметром от 100 до 400 миллиметров.

Режимы контактной сварки

Параметры сварочного процесса

Режим сварки определяется совокупностью электрических, механических и временных параметров. Основными параметрами являются сила сварочного тока, время его прохождения и усилие сжатия деталей. Правильный выбор этих параметров обеспечивает формирование качественного соединения с требуемыми механическими свойствами.

Сила сварочного тока выбирается в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей. Для низкоуглеродистой стали толщиной 1-2 миллиметра требуется ток от 5000 до 8000 ампер. При увеличении толщины до 4-5 миллиметров сила тока возрастает до 12000-15000 ампер. Цветные металлы с высокой теплопроводностью требуют более высоких токов при тех же толщинах.

Жесткие и мягкие режимы

Различают жесткие и мягкие режимы контактной сварки, отличающиеся соотношением силы тока и времени его прохождения. Жесткий режим характеризуется большой силой тока при минимальном времени нагрева. Плотность тока достигает 160-400 ампер на квадратный миллиметр, усилие сжатия составляет 400-1200 мегапаскалей, время сварки не превышает 0,1-1,0 секунды.

Мягкий режим применяет меньшую силу тока при увеличенном времени нагрева. Плотность тока составляет 80-160 ампер на квадратный миллиметр, усилие сжатия 150-400 мегапаскалей, время сварки 0,5-3 секунды. Жесткие режимы используются для легированных сталей и цветных металлов, склонных к образованию закалочных структур. Мягкие режимы применяются для углеродистых сталей, менее чувствительных к термическому воздействию.

Циклограмма сварочного процесса

Полный цикл контактной сварки включает несколько последовательных операций. Сначала происходит сжатие деталей с нарастанием усилия до рабочего значения. Затем подается импульс сварочного тока заданной длительности. После отключения тока усилие сжатия сохраняется в течение времени проковки для завершения кристаллизации металла. Заключительная стадия включает снятие усилия и извлечение деталей из зоны сварки.

Свариваемые металлы и сплавы

Низкоуглеродистые и легированные стали

Низкоуглеродистые стали являются наиболее благоприятным материалом для контактной сварки благодаря оптимальному соотношению электрического сопротивления и теплопроводности. Стали с содержанием углерода до 0,25 процента хорошо свариваются без специальных мероприятий. Для сталей с содержанием углерода более 0,4 процента необходимо применение жестких режимов для предотвращения образования закалочных структур и трещин.

Высоколегированные нержавеющие стали требуют корректировки параметров сварки из-за пониженной электропроводности и теплопроводности. Сила тока увеличивается на 15-25 процентов по сравнению с углеродистыми сталями той же толщины. Усилие сжатия также повышается для обеспечения стабильного контакта. Применение жестких режимов позволяет сохранить коррозионную стойкость сварных соединений.

Алюминий и его сплавы

Алюминий представляет определенные трудности для контактной сварки из-за высокой теплопроводности и наличия тугоплавкой оксидной пленки на поверхности. Требуется применение токов в 2-3 раза превышающих значения для стали аналогичной толщины. Необходима тщательная подготовка поверхности механической зачисткой или химическим травлением непосредственно перед сваркой.

Усилие сжатия для алюминиевых сплавов выбирается на 30-50 процентов выше, чем для стали, что обеспечивает разрушение оксидной пленки. Время сварки сокращается до минимума для предотвращения чрезмерного растекания жидкого металла. Электроды из специальных медных сплавов с повышенной твердостью обеспечивают необходимую стойкость при работе с алюминием.

Медь и медные сплавы

Высокая электропроводность и теплопроводность меди требуют применения максимальных значений сварочного тока. Сила тока для меди в 3-4 раза превышает значения для стали. Время сварки также увеличивается для обеспечения достаточного прогрева зоны соединения. Используются электроды из вольфрама или молибдена, обладающие высокой твердостью и температурной стойкостью.

Применение контактной сварки

Автомобилестроение

Автомобильная промышленность является крупнейшим потребителем технологий контактной сварки. Точечная сварка применяется для сборки кузовов легковых и грузовых автомобилей. Современный автомобильный кузов содержит от 3000 до 5000 сварных точек, выполняемых на автоматизированных линиях с использованием промышленных роботов. Это обеспечивает высокую производительность и стабильное качество соединений.

Рельефная сварка используется для крепления различных кронштейнов, скоб, петель и других элементов к панелям кузова. Стыковая сварка применяется для изготовления рам, соединения элементов подвески и выхлопных систем. Высокая степень автоматизации процессов контактной сварки в автомобилестроении обеспечивает конкурентоспособность производства.

Авиационная промышленность

В авиастроении контактная сварка применяется для изготовления топливных баков, гермоотсеков и силовых элементов конструкций из алюминиевых и титановых сплавов. Шовная сварка обеспечивает создание герметичных соединений, выдерживающих перепады давления и температуры в условиях эксплуатации. Точечная сварка используется для сборки обшивки фюзеляжа и крыльев.

Высокие требования к качеству соединений в авиастроении обусловливают применение прецизионного оборудования с программным управлением параметрами процесса. Каждое сварное соединение проходит неразрушающий контроль ультразвуковыми или радиографическими методами. Применение контактной сварки позволяет снизить массу конструкций при сохранении необходимой прочности.

Другие области применения

В машиностроении контактная сварка используется для производства металлоконструкций, сельскохозяйственной техники, станков и оборудования. Электротехническая промышленность применяет точечную и рельефную сварку для изготовления электродвигателей, трансформаторов, контактных систем. Строительная отрасль использует стыковую сварку для соединения арматуры, сварных сеток и металлических профилей.

Производство бытовой техники широко применяет контактную сварку при изготовлении холодильников, стиральных машин, микроволновых печей. Мебельная промышленность использует точечную сварку для производства металлической мебели и офисного оборудования. Упаковочная отрасль применяет шовную сварку для изготовления металлических емкостей и тары.

Преимущества и ограничения метода

Основные преимущества

• Высокая производительность процесса с временем выполнения одного соединения от сотых долей секунды до нескольких секунд
• Отсутствие необходимости в присадочных материалах и защитных газах, что снижает себестоимость производства
• Легкость автоматизации и роботизации процесса благодаря стабильности параметров и повторяемости результатов
• Высокое качество соединений при минимальных требованиях к квалификации оператора
• Экологическая чистота процесса благодаря отсутствию вредных выделений и открытого пламени
• Концентрированный нагрев с минимальной деформацией деталей и узкой зоной термического влияния
• Возможность сварки деталей с защитными покрытиями без предварительного удаления покрытия

Технологические ограничения

• Ограничение по толщине свариваемых деталей в зависимости от мощности оборудования
• Необходимость обеспечения двустороннего доступа к зоне сварки для большинства методов
• Высокая стоимость специализированного оборудования и оснастки
• Требование мощного электроснабжения с пиковым потреблением до сотен киловатт
• Герметичность шовных соединений уступает соединениям, выполненным дуговой сваркой
• Быстрый износ электродов при работе с некоторыми материалами, требующий регулярной замены
• Сложность контроля качества скрытых соединений без применения специальных методов неразрушающего контроля