Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

2.2.4. Контрольные вопросы

1. Что представляет собой электрохимическая обработка материалов

и в каких целях она применяется?

2. Что представляет собой ряд напряжений металлов?

3. Что такое катодное осаждение металлов?

4. В чем заключается физическая сущность процесса катодного оса-

ждения металлов?

5. От каких факторов зависит скорость электрохимической обработки

материалов?

2.3. Литература

1. Коваленко В.С. Технология и оборудование электрофизических и

электрохимических методов обработки материалов.- Киев: Вища школа,

1983,- 176 с.

Попилов Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка

материалов: справочник.- М.: Машиностроение, 1982.- 400 с.

Артамонов Б.А., Волков Ю.С., Дрожасова В.И. и др. Электрофи-

зические и электрохимические методы обработки материалов.- М.:

Высшая школа, 1983.- 245 с.

Гулевич А.И., Киреев А.П. Производство силовых конденсато-

ров.- М.: Высшая школа, 1969.- 439 с.

Электротехнологические промышленные установки: Учебник для

вузов/ Под ред. А.Д. Свенчанского.- М.: Энергоиздат, 1982.- 400 с.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОНТАКТНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Физические основы сварки

Сварка - это технологический процесс получения неразъёмного со-

единения металлов за счёт образования между ними атомной связи.

Процесс образования сварного соединения протекает в две стадии.

На первой стадии за счёт расплавления кромок или за счёт пластиче-

ских деформаций, возникающих в результате прикладываемого давле-

ния, происходит образование физического контакта между соединяе-

мыми

кромками. На второй стадии образуется химическая связь между

атомами соединяемых поверхностей. В результате поверхность раздела

между соединяемыми деталями исчезает и образуется либо атомная

металлическая связь (свариваются металлы), либо ковалентная связь

(при сварке пластмасс).

Исходя из физической сущности процесса образования сварного со-

единения и источника нагрева используемой энергии, применяемой при

сварке, различают сварку давлением и сварку плавлением (рис. 1).

Электрическая сварка

Сва

плавлением

шлаковая Электрон-

нолучевая

Плазмен-

ная

дуговая

Плавящимся

электродом

Неплавящимся

электродом

Сва

давлением

контактная Диффузии-

онная

стыковая точечная роликовая

УЗ-ая

Без

оплавле-

ния

оплавле-

нием

обычная

Рельеф-

ная

Рис. 1 Классификация электрической сварки

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

К сварке плавлением относятся виды сварки, осуществляемой плав-

лением без приложенного давления, т.е. местным расплавлением со-

единяемых частей с использованием тепловой энергии. Основными ис-

точниками теплоты при сварке плавлением являются сварочная дуга,

газовое пламя, лучевые источник энергии и теплота, выделяемая при

электрошлаковом процессе. В этом случае расплавы соединяемых ме-

таллов объединяются в

общую сварочную ванну, а при охлаждении

происходит кристаллизация расплава в литой сварочный шов.

К сварке давлением относятся виды сварки, которые характеризуют-

ся приложением механической энергии и давления. Давление, прила-

гаемое к соединяемым частям, создает пластическую деформацию ме-

талла, который начинает течь подобно жидкости. Металл перемещается

вдоль поверхности раздела, унося с собой

загрязненный слой. Таким

образом, в непосредственное соприкосновение вступают свежие слои

материала, которые и вступают в химическое взаимодействие.

1.2. Виды сварки

1.2.1. Электродуговая сварка

Электрическая дуговая сварка в настоящее время является важней-

шим видом сварки металлов. Источником тепла в данном случае служит

электрическая дуга между двумя электродами, одним из которых явля-

ется свариваемая заготовка.

Электрическая дуга является мощным электрическим разрядом в га-

зовой среде. Процесс зажигания дуги состоит из трех стадий: короткое

замыкание электрода на

заготовку, отвод электрода на 3-5 мм и возник-

новение устойчивого дугового разряда.

Короткое замыкание производится с целью разогрева электрода (ка-

тода) до температуры интенсивной экзоэмиссии электронов.

На второй стадии эмитированные электродом электроны ускоряются

в электрическом поле и вызывают ионизацию газового промежутка «ка-

тод-анод», что приводит к возникновению устойчивого дугового разря-

да. Электрическая дуга является концентрированным источником тепла

с температурой до 6000

С. Сварочные токи достигают 2-3 кА при на-

пряжении дуги (10-50) В.

1.2.2. Электрошлаковая сварка

Свариваемые детали покрываются шлаком, нагреваемом до темпера-

туры, превышающей температуру плавления основного металла.

На первой стадии процесс идет так же, как и при дуговой сварке под

флюсом.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

После образования ванны из жидкого шлака горение дуги прекраща-

ется и оплавление кромок изделия происходит за счет тепла, выделяю-

щегося при прохождении тока через расплав. Электрошлаковая сварка

позволяет сваривать большие толщи металла за один проход, обеспе-

чивает большую производительность, высокое качество шва.

1.2.3. Электроннолучевая сварка

Источником тепла является мощный пучок электронов с энергией в

десятки килоэлектронвольт.

Быстрые электроны, внедряясь в заготовку, передают свою энергию

электронам и атомам, вызывая интенсивный разогрев свариваемого ма-

териала до температуры плавления. Процесс сварки осуществляется в

вакууме, что обеспечивает высокое качество шва. Ввиду того, что элек-

тронный луч можно сфокусировать до очень

малых размеров (менее

микрона в диаметре), данная технология является монопольной при

сварке микродеталей.

1.2.4. Плазменная сварка

При плазменной сварке источником энергии для нагрева материала

служит плазма - ионизованный газ.

Главным преимуществом плазменной сварки является возможность

получения экстремально высоких температур, вплоть до 20-30 тыс. гра-

дусов.

Наиболее перспективно получение плазмы в индукторе токами высо-

кой частоты. В данном случае, ввиду отсутствия электродов, плазма не

содержит примесей, вредно влияющих на процесс

сварки.

1.2.5. Диффузионная сварка

Способ основан на взаимной диффузии атомов в поверхностных сло-

ях контактирующих материалов при высоком вакууме.

Высокая диффузионная способность атомов обеспечивается электри-

ческим нагревом материала до температуры, близкой к температуре

плавления. Отсутствие воздуха в камере предотвращает образование

оксидной пленки, которая смогла бы препятствовать диффузии.

Надежный контакт между свариваемыми поверхностями обеспечива-

ется механической

обработкой до высокого класса чистоты. Сжимаю-

щее усилие, необходимое для увеличения площади действительного

контакта, составляет (10-20) МПа.

Технология диффузионной сварки состоит в следующем. Сваривае-

мые заготовки помещают в вакуумную камеру и сдавливают небольшим

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

усилием. Затем заготовки нагревают током и выдерживают некоторое

время при заданной температуре.

Диффузионную сварку применяют для соединения плохосовмести-

мых материалов: сталь с чугуном, титаном, вольфрамом, керамикой и

др.

1.2.6. Контактная электрическая сварка

Наиболее распространённым видом сварки с давлением является

электрическая контактная сварка, которая обеспечивает высокую про-

изводительность, малые деформации сварных конструкций, хорошие

условия для механизации и автоматизации процесса. Контактная сварка

– основной вид сварки давлением термомеханического класса.

Контактная сварка – процесс образования соединения в результате

нагрева металла проходящим через него электрическим током и

пласти-

ческой деформации зоны соединения под действием сжимающего уси-

лия.

В зависимости от профиля свариваемых материалов (лист, профиль-

ный прокат, труба), типа сварного соединения, толщины и марки метал-

ла применяют стыковую, шовную и точечную контактную сварку.

1.2.6.1. Стыковая контактная сварка

Это вид контактной сварки, при которой соединение свариваемых

частей происходит по поверхности стыкуемых торцов. Детали зажи-

мают в электродах-губках, затем прижимают друг к другу соединяе-

мыми поверхностями и пропускают сварочный ток. Стыковой сваркой

соединяют проволоку, стержни, трубы, полосы, рельсы, цепи и др. дета-

ли по всей площади их торцов

Существует два способа стыковой сварки:

Без оплавления (сопротивлением): в стыке происходит пластиче-

ская деформация и соединение образуется без расплавления металла

(температура стыков 0,8-0,9 от температуры плавления).

Оплавлением: детали соприкасаются в начале по отдельным не-

большим контактным точкам, через которые проходит ток высокой

плотности, вызывающий оплавление деталей. В результате оплавления

на торце образуется слой жидкого металла, который при осадке вместе

с загрязнениями и окисными плёнками выдавливается из стыка.

1.2.6.2. Шовная контактная сварка

Разновидность контактной сварки, при которой соединение элемен-

тов выполняется внахлёстку вращающимися дисковыми электродами в

виде непрерывного или прерывистого шва. При шовной сварке образо-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

вание непрерывного соединения (шва) происходит последовательным

перекрытием точек друг за другом, для получения герметичного шва

точки перекрывают друг друга не менее чем на половину их диаметра.

На практике применяется шовная сварка:

Непрерывная;

прерывистая с непрерывным вращением роликов;

прерывистая с периодическим вращением.

1.2.6.3. Точечная контактная сварка

Контактная сварка, при которой соединение элементов происхо-

дит на участках, ограниченных площадью нагрева электродов, прово-

дящих ток и передающих усилие сжатия.

При точеной сварке соединяемые детали обычно располагаются ме-

жду двумя электродами. Под действием нажимного механизма электро-

ды плотно сжимают свариваемые детали, после чего включается ток. За

счёт прохождения тока

, свариваемые детали быстро нагреваются до

температуры сварки, причём наибольшее выделение теплоты имеет

место на соединяемых поверхностях, где температура может превышать

температуру плавления свариваемых деталей. Диаметр расплавленного

ядра определяет диаметр сварной точки, обычно равный диаметру кон-

тактной поверхности электрода. Поверхность соприкосновения свари-

ваемой детали с электродом нагревается до сравнительно невысокой

температуры.

По количеству одновременно свариваемых точек точечная сварка

может быть одно-, двух- и многоточечной.

В зависимости от расположения электродов по отношению к свари-

ваемым деталям точечная сварка может быть двусторонней и односто-

ронней.

При точечной сварке деталей разной толщины образующееся не-

симметричное ядро смещается в сторону более толстой детали и при

большом различии в толщине не захватывает тонкой детали. Поэтому

применяют различные технологические приёмы, обеспечивающие

смещение ядра к стыкуемым поверхностям, усиливают нагрев тонкого

листа за счёт накладок, создают рельеф на тонком листе, применяют

бо-

лее массивные электроды со стороны толстой детали и др.

Для разноимённых материалов для более симметричного расположе-

ния ядра усиливают нагрев и уменьшают теплоотвод в теплопроводный

материал за счёт уменьшения диаметра и теплопроводности электродов.

Разновидностью точечной сварки является рельефная сварка, когда

первоначальный контакт деталей происходит по заранее подготовлен-

ным выступам (рельефам). Ток, проходя через место касания всех рель-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ефов с нижней деталью, нагревает их и частично расплавляет. Под дав-

лением рельефы деформируются, и верхняя деталь становится плоской.

Этот способ применяют для сварки деталей небольших размеров.

1.2.6.4. Конденсаторная сварка

Одним из распространенных видов контактной сварки является кон-

денсаторная сварка или сварка запасённой энергией, накопленной в

электрических конденсаторах. Энергия в конденсаторах накапливается

при их зарядке от источника постоянного напряжения (генератора или

выпрямителя), а затем в процессе разрядки преобразуется в теплоту,

используемую для сварки. Накопленную в конденсаторах энергию

можно регулировать изменением

ёмкости конденсатора (С) и напряже-

ния зарядки (U).

Существует два вида конденсаторной сварки:

бестрансформаторная (конденсаторы разряжаются непосредст-

венно на свариваемые детали (стыковая сварка));

трансформаторная (конденсатор разряжается на первичную об-

мотку сварочного трансформатора, во вторичной цепи которого нахо-

дятся предварительно сжатые свариваемые детали (точечная и шовная

сварки)).

Принципиальная схема конденсаторной сварки приведена на рис.2.

Рис.2. Принципиальная схема устройства для конденсаторной сварки:

Т1- повышающий трансформатор; В-выпрямитель; С-конденсатор емкостью 500

мкФ; R

- сопротивление свариваемых деталей; К- ключ-переключатель.

В положении переключателя 1 конденсатор заряжается до напряже-

ния U

. При переводе переключателя в позиции 2 конденсатор разряжа-

ется через контактное сопротивление свариваемых деталей. При этом

возникает мощный импульс тока, длительность которого определяется

постоянной времени цепи разряда:

τ = R

С. (1)

Тр В

1 2

С R

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Напряжение с конденсатора подается на заготовку через точечные

контакты площадью ~ 2 мм

. Возникающий при этом импульс тока в

соответствии с законом Джоуля-Ленца разогревает область контакта до

рабочей температуры сварки. Для обеспечения надежного прижимания

свариваемых поверхностей через точечные электроды на детали переда-

ется механическое напряжение порядка 100 МПа.

Основное применение конденсаторной сварки состоит в соединении

металлов и сплавов малых толщин. Преимуществом конденсаторной

сварки

является незначительная потребляемая мощность.

Для определения эффективности сварки оценим максимальную тем-

пературу в области контакта свариваемых деталей (Т

max

Ввиду того, что длительность импульса разрядного тока (τ

имп

) не

превышает 10

-6

с, расчет проведен в адиабатическом приближении, то

есть пренебрегая теплоотводом из области протекания тока.

Принцип контактного нагрева деталей представлен на рис. 3.

Рис.3. Принцип контактной сварки:

1- свариваемые детали толщиной d = 5 10

-2

см

2- электроды площадью S= 3

-2

см

С- конденсатор емкостью 500 мкФ;

- контактное сопротивление.

Максимальная температура контактной области определяется из вы-

ражения:

уд

max

T = , (2)

где Q - количество тепловой энергии, выделившейся в 1 г вещества

при прохождении тока;

уд

- удельная теплоемкость свариваемых металлов.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца имеем:

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

импk

⋅

⋅⋅

, (3)

где I

ср

- средний ток разряда конденсатора,

- сопротивление контактной области,

имп

- длительность импульса тока,

λ - плотность металла,

V= S

d - объем металла, ограничивающий тепловыделение.

Найдем средний ток (I

ср

) при разряде конденсатора на контактное со-

противление (R

Напряжение на обкладках конденсатора при разряде изменяется по

закону:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅=

expUU

. (4)

Для тока разряда конденсатора имеем:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

−⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=⋅==

exp

, (5)

где q - заряд конденсатора.

Оценим контактное сопротивление для различных свариваемых ме-

таллов.

Величина R

определяется удельным объемным сопротивлением ма-

териала (ρ), качеством контакта и объемом металла (V), по которому

течет ток.

Для одиночного контакта R

выражается формулой:

2/1

8,1

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

, (6)

где Е- модуль упругости металла,

r - радиус кривизны контакта,

р - внешнее прижимное усилие.

Определим постоянную времени разряда конденсатора для контакта

сталь-сталь:

τ = R

С = 7,6

-4.

500

-6

= 3,8

-7

с.

В соответствии с (5) ток разряда уменьшается по экспоненциальному

закону и при τ > 3τ

имп

можно пренебречь. На этом основании принима-

ем длительность импульса тока τ

имп

= 3τ ~ 1

-6

Найдем средний ток за импульс из основного соотношения:

q = С

= I

ср

имп

, (7)

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

имп

⋅

= , (8)

Подставим (3) и (8) в (2), получим

уд

имп

max

)UC(

⋅

λτ

. (9)

Здесь С = 500 мкФ;

= 100 - 300 В;

имп

= 1

-6

с;

V = S

d - объем металла, нагреваемый током, см

;

λ - плотность металла, г/см

;

уд

- удельная теплоемкость свариваемых деталей,

Дж/гр

град.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Цель и задачи работы

- Познакомиться с основными способами сварки металлов.

- Освоить технологию контактной сварки.

- Получить навыки соединения металлов методом конденсаторной

сварки.

- Установить зависимость эффективности конденсаторной сварки от

свойств материалов и технологических параметров (U

- Овладеть методом расчета максимальной температуры конденса-

торной сварки.

2.2. Экспериментальное оборудование

Конденсаторная сварка осуществляется с помощью аппарата ППК.

Схема установки и физические основы точечной сварки описаны в раз-

делах 1.3.6. и 1.3.7.

2.3. Порядок работы

2.3.1. Подготовка сварочного аппарата к работе

Включить тумблер «Сеть».

Переключателем «Режим сварки» установить требуемое напряжение

на конденсаторе.

Зажать меду точечными электродами свариваемые детали.

Нажатием ножной педали осуществить точечную сварку.