Материалы и конструкции электродов для контактной сварки. Соединение деталей контактной точечной сваркой

Точечная сварка является разновидностью контактной сварки. При этом способе, нагрев металла до температуры его плавления осуществляется теплом, которое образуется при прохождении большого электрического тока от одной детали к другой через место их контакта. Одновременно с пропусканием тока и некоторое время спустя после него производится сжатие деталей, в результате чего происходит взаимное проникновение и сплавление нагретых участков металла.

Особенностями контактной точечной сварки являются: малое время сварки (от 0,1 до нескольких секунд), большой сварочный ток (более 1000А), малое напряжение в сварочной цепи (1-10В, обычно 2-3В), значительное усилие сжимающее место сварки (от нескольких десятков до сотен кг), небольшая зона расплавления.

Точечную сварку чаще всего применяют для соединения листовых заготовок внахлестку, реже - для сварки стержневых материалов. Диапазон толщин, свариваемых ею, составляет от нескольких микрометров до 2-3 см, однако чаще всего толщина свариваемого металла варьируется от десятых долей до 5-6 мм.

Кроме точечной, существуют и другие виды контактной сварки (стыковая, шовная и пр.), однако точечная сварка является наиболее распространенной. Она применятся в автомобилестроении, строительстве, радиоэлектронике, авиастроении и многих других отраслях. При строительстве современных лайнеров, в частности, производится несколько миллионов сварных точек.

Заслуженная популярность

Большая востребованность точечной сварки обусловлена целым рядом достоинств, которыми она обладает. В их числе: отсутствие необходимости в сварочных материалах (электродах, присадочных материалах, флюсах и пр.), незначительные остаточные деформации, простота и удобство работы со сварочными аппаратами, аккуратность соединения (практическое отсутствие сварного шва), экологичность, экономичность, подверженность легкой механизации и автоматизации, высокая производительность. Автоматы точечной сварки способны выполнять до нескольких сотен сварочных циклов (сварных точек) в минуту.

К недостаткам можно отнести отсутствие герметичности шва и концентрацию напряжений в точке сварки. Причем последние могут быть значительно уменьшены или вообще устранены особыми технологическими приемами.

Последовательность процессов при контактной точечной сварке

Весь процесс точечной сварки можно условно разделить на 3 этапа.

Сжатие деталей, вызывающее пластическую деформацию микронеровностей в цепочке электрод-деталь-деталь-электрод.
Включение импульса электрического тока, приводящего к нагреву металла, его расплавлению в зоне соединения и образованию жидкого ядра. По мере прохождения тока ядро увеличивается по высоте и диаметру до максимальных размеров. Происходит образование связей в жидкой фазе металла. При этом продолжается пластическая осадка контактной зоны до окончательного размера. Сжатие деталей обеспечивает образование уплотняющего пояса вокруг расплавленного ядра, который препятствует выплеску металла из зоны сварки.
Выключение тока, охлаждение и кристаллизация металла, заканчивающаяся образованием литого ядра. При охлаждении объем металла уменьшается, и возникают остаточные напряжения. Последние являются нежелательным явлением, с которым борются различными способами. Усилие, сжимающее электроды, снимается с некоторой задержкой после отключения тока. Это обеспечивает необходимые условия для лучшей кристаллизации металла. В некоторых случаях в заключительной стадии контактной точечной сварки рекомендуется даже увеличивать усилие прижима. Оно обеспечивает проковывание металла, устраняющее неоднородности шва и снимающее напряжения.

При следующем цикле все повторяется снова.

Основные параметры контактной точечной сварки

К основным параметрам контактной точечной сварки относятся: сила сварочного тока (I СВ), длительность его импульса (t СВ), усилие сжатия электродов (F СВ), размеры и форма рабочих поверхностей электродов (R - при сферической, d Э - при плоской форме). Для лучшей наглядности процесса эти параметры представляются в виде циклограммы, отражающей их изменение во времени.

Различают жесткий и мягкий режимы сварки. Первый характеризуется большим током, малой продолжительностью токового импульса (0,08-0,5 секунд в зависимости от толщины металла) и большой силой сжатия электродов. Его применяют для сварки медных и алюминиевых сплавов, обладающих большой теплопроводностью, а также высоколегированных сталей для сохранения их коррозионной стойкости.

При мягком режиме производится более плавный нагрев заготовок относительно небольшим током. Продолжительность сварочного импульса составляет от десятых долей до нескольких секунд. Мягкие режимы показаны для сталей, склонных к закалке. В основном именно мягкие режимы используются для контактной точечной сварки в домашних условиях, поскольку мощность аппаратов в этом случае может быть ниже, чем при жесткой сварке.

Размеры и форма электродов . С помощью электродов осуществляется непосредственный контакт сварочного аппарата с деталями, подвергаемыми сварке. Они не только подводят ток в зону сварки, но и передают сжимающее усилие и отводят тепло. Форма, размеры и материал электродов являются важнейшими параметрами аппаратов для точечной сварки.

В зависимости от их формы электроды подразделяются на прямые и фигурные. Наиболее распространены первые, они применяются для сварки деталей, допускающих свободный доступ электродов в свариваемую зону. Их размеры стандартизованы ГОСТом 14111-90, который устанавливает такие диаметры электродных стержней: 10, 13, 16, 20, 25, 32 и 40 мм.

По форме рабочей поверхности существуют электроды с плоскими и сферическими наконечниками, характеризуемыми соответственно значениями диаметра (d) и радиуса (R). От величины d и R зависит площадь контакта электрода с деталью, влияющая на плотность тока, давление и величину ядра. Электроды со сферической поверхностью имеют большую стойкость (способны сделать больше точек до переточки) и менее чувствительны к перекосам при установке, чем электроды с плоской поверхностью. Поэтому со сферической поверхностью рекомендуется изготовлять электроды, используемые в клещах, а также фигурные электроды, работающие с большими прогибами. При сварке легких сплавов (например, алюминия, магния) применяют только электроды со сферической поверхностью. Использование для этой цели электродов с плоской поверхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверхности точек и повышенным зазорам между деталями после сварки. Размеры рабочей поверхности электродов выбирают в зависимости от толщины свариваемых металлов. Следует отметить, что электроды со сферической поверхностью могут быть использованы практически во всех случаях точечной сварки, электроды же с плоской поверхностью очень часто неприменимы.

* - в новом ГОСТе вместо диаметра 12 мм, введено 10 и 13 мм.

Посадочные части электродов (места соединяемые с электродержателем) должны обеспечивать надежную передачу электрического импульса и усилие прижима. Часто они выполняются в виде конуса, хотя существуют и другие виды соединений - по цилиндрической поверхности или резьбе.

Очень важное значение имеет материал электродов, определяющий их электрическое сопротивление, теплопроводность, термостойкость и механическую прочность при высоких температурах. В процессе работы электроды нагреваются до больших температур. Термоциклический режим работы, совместно с механической переменной нагрузкой, вызывает повышенный износ рабочих частей электродов, результатом чего становится ухудшение качества соединений. Чтобы электроды были в состоянии противостоять тяжелым условиям работы, их делают из специальных медных сплавов, обладающих жаропрочностью и высокой электро- и теплопроводностью. Чистая медь также способна работать в качестве электродов, однако она обладает низкой стойкостью и требует частых переточек рабочей части.

Сила сварочного тока . Сила сварочного тока (I СВ) - один из основных параметров точечной сварки. От нее зависит не только количество тепла, выделяющегося в зоне сварки, но и градиент его увеличения по времени, т.е. скорость нагрева. Напрямую зависят от I СВ и размеры сварного ядра (d, h и h 1), увеличивающиеся пропорционально увеличению I СВ.

Необходимо отметить, что ток, который протекает через зону сварки (I СВ), и ток, протекающий во вторичном контуре сварочной машины (I 2), различаются между собой - и тем больше, чем меньше расстояние между сварными точками. Причиной этого является ток шунтирования (I ш), протекающий вне зоны сварки - в том числе и через ранее выполненные точки. Таким образом, ток в сварочной цепи аппарата должен быть больше сварочного тока на величину тока шунтирования:

I 2 = I СВ + I ш

Для определения силы сварочного тока можно пользоваться разными формулами, которые содержат различные эмпирические коэффициенты, полученные опытным путем. В случаях, когда точное определение сварочного тока не требуется (что и бывает чаще всего), его значение принимают по таблицам, составленным для разных режимов сварки и различных материалов.

Увеличение времени сварки позволяет сваривать токами намного меньшими, чем приведенные в таблице для промышленных аппаратов.

Время сварки . Под временем сварки (t СВ) понимают продолжительность импульса тока при выполнении одной сварной точки. Вместе с силой тока, оно определяет количество теплоты, которое выделяется в зоне соединения при прохождении через нее электрического тока.

При увеличении t СВ повышается проплавление деталей и растут размеры ядра расплавленного металла (d, h и h 1). Одновременно с этим увеличивается и теплоотвод из зоны плавления, разогреваются детали и электроды, происходит рассеивание тепла в атмосферу. При достижении определенного времени может наступить состояние равновесия, при котором вся подводимая энергия отводится из зоны сварки, не увеличивая проплавление деталей и размер ядра. Поэтому увеличение t СВ целесообразно только до определенного момента.

При точном расчете продолжительности сварочного импульса должны учитываться многие факторы - толщина деталей и размер сварной точки, температура плавления свариваемого металла, его предел текучести, коэффициент аккумуляции тепла и пр. Есть сложные формулы с эмпирическими зависимостями, по которым при необходимости осуществляют расчет.

На практике чаще всего время сварки принимают по таблицам, корректируя при необходимости принятые значения в ту или иную сторону в зависимости от полученных результатов.

Усилие сжатия . Усилие сжатия (F СВ) оказывает влияние на многие процессы контактной точечной сварки: на пластические деформации, происходящие в соединении, на выделение и перераспределение тепла, на охлаждение металла и его кристаллизацию в ядре. С увеличением F СВ увеличивается деформация металла в зоне сварки, уменьшается плотность тока, снижается и стабилизируется электрическое сопротивление на участке электрод-детали-электрод. При условии сохранения размеров ядра неизменными, прочность сварных точек с ростом усилия сжатия возрастает.

При сварке на жестких режимах применяют более высокие значения F СВ, чем при мягкой сварке. Это связано с тем, что при увеличении жесткости возрастает мощность источников тока и проплавление деталей, что может приводить к образованию выплесков расплавленного металла. Большое усилие сжатия как раз и призвано воспрепятствовать этому.

Как уже отмечалось, для проковки сварной точки с целью снятия напряжений и повышения плотности ядра, технология контактной точечной сварки в некоторых случаях предусматривает кратковременное увеличение силы сжатия после отключения электрического импульса. Циклограмма в этом случае выглядит следующим образом.

При изготовлении простейших аппаратов контактной сварки для домашнего пользования нет большого резона заниматься точными расчетами параметров. Ориентировочные значения диаметра электродов, сварочного тока, времени сварки и усилия сжатия можно взять из таблиц, имеющихся во многих источниках. Нужно только понимать, что данные в таблицах являются несколько завышенными (или заниженными, если иметь в виду время сварки) по сравнению с теми, которые подойдут для домашних аппаратов, где обычно используются мягкие режимы.

Подготовка деталей к сварке

Поверхность деталей в зоне контакта деталей между собой и в месте контакта с электродами зачищают от окислов и других загрязнений. При плохой зачистке возрастают потери мощности, ухудшается качество соединений и увеличивается износ электродов. В технологии контактной точечной сварки, для зачистки поверхности используют пескоструйную обработку, наждачные круги и металлические щетки, а также травление в специальных растворах.

Высокие требования предъявляются к качеству поверхности деталей из алюминиевых и магниевых сплавов. Целью подготовки поверхности под сварку является удаление без повреждения металла относительно толстой пленки окислов с высоким и неравномерным электрическим сопротивлением.

Оборудование для точечной сварки

Различия между существующими видами аппаратов для точечной сварки определяются в основном родом сварочного тока и формой его импульса, которые производятся их силовыми электрическими контурами. По этим параметрам оборудование контактной точечной сварки подразделяется на следующие виды:

машины для сварки переменным током;
аппараты низкочастотной точечной сварки;
машины конденсаторного типа;
машины сварки постоянным током.

Каждый из этих типов машин имеет свои преимущества и недостатки в технологическом, техническом и экономическом аспектах. Наибольшее распространение получили машины для сварки переменным током.

Машины контактной точечной сварки переменного тока . Принципиальная схема машин для точечной сварки переменным током представлена на рисунке ниже.

Напряжение, при котором осуществляется сварка, формируется из напряжения сети (220/380В) с помощью сварочного трансформатора (ТС). Тиристорный модуль (КТ) обеспечивает подключение первичной обмотки трансформатора к питающему напряжению на необходимое время для формирования сварочного импульса. С помощью модуля можно не только управлять продолжительностью времени сварки, но и осуществлять регулирование формы подаваемого импульса за счет изменения угла открытия тиристоров.

Если первичную обмотку выполнить не из одной, а нескольких обмоток, то, подключая их в различном сочетании друг с другом, можно менять коэффициент трансформации, получая различные значения выходного напряжения и сварочного тока на вторичной обмотке.

Кроме силового трансформатора и тиристорного модуля, машины контактной точечной сварки переменного тока имеют набор управляющего оборудования - источник питания для системы управления (понижающий трансформатор), реле, логические контроллеры, панели управления и пр.

Конденсаторная сварка . Сущность конденсаторной сварки заключается в том, что сначала электрическая энергия относительно медленно накапливается в конденсаторе при его зарядке, а затем очень быстро расходуется, генерируя токовый импульс большой величины. Это позволяет производить сварку, потребляя из сети меньшую мощность по сравнению с обычными аппаратами для точечной сварки.

Кроме этого основного преимущества, конденсаторная сварка имеет и другие. При ней происходит постоянное контролируемое расходование энергии (той, которая накопилась в конденсаторе) на одно сварное соединение, что обеспечивает стабильность результата.

Сварка происходит за очень короткое время (сотые и даже тысячные доли секунды). Это дает концентрированное выделение тепла и минимизирует зону термического влияния. Последнее достоинство позволяет использовать её для сварки металлов с высокой электро- и теплопроводностью (медных и алюминиевых сплавов, серебра и др.), а также материалов с резко различающимися теплофизическими свойствами.

Жесткая конденсаторная микросварка используется в радиоэлектронной промышленности.

Количество энергии, накопленное в конденсаторах, можно рассчитать по формуле:

W = C U 2 /2

где С - емкость конденсатора, Ф; W - энергия, Вт; U - зарядное напряжение, В. Изменяя величину сопротивления в зарядной цепи, регулируют время зарядки, зарядный ток и потребляемую из сети мощность.

Дефекты контактной точечной сварки

При качественном исполнении, точечная сварка обладает высокой прочностью и способна обеспечить эксплуатацию изделия в течение длительного срока службы. При разрушениях конструкций, соединенных многоточечной многорядной точечной сваркой, разрушение происходит, как правило, по основному металлу, а не по сварным точкам.

Качество сварки зависит от приобретенного опыта, который сводится в основном к выдерживанию необходимой продолжительности токового импульса на основании визуального наблюдения (по цвету) за сварной точкой.

Правильно выполненная сварная точка расположена по центру стыка, имеет оптимальный размер литого ядра, не содержит пор и включений, не имеет наружных и внутренних выплесков и трещин, не создает больших концентраций напряжения. При приложении усилия на разрыв, разрушение конструкции происходит не по литому ядру, а по основному металлу.

Дефекты точечной сварки подразделяются на три типа:

отклонения размеров литой зоны от оптимальных, смещение ядра относительно стыка деталей или положения электродов;
нарушение сплошности металла в зоне соединения;
изменение свойств (механических, антикоррозионных и др.) металла сварной точки или прилегающих к ней областей.

Наиболее опасным дефектом считается отсутствие литой зоны (непровар в виде "склейки"), при котором изделие может выдерживать нагрузку при невысокой статической нагрузке, но разрушается при действии переменной нагрузки и колебаниях температуры.

Прочность соединения оказывается сниженной и при больших вмятинах от электродов, разрывах и трещинах кромки нахлестки, выплеске металла. В результате выхода литой зоны на поверхность, снижаются антикоррозионные свойства изделий (если они были).

Непровар полный или частичный, недостаточные размеры литого ядра . Возможные причины: мал сварочный ток, слишком велико усилие сжатия, изношена рабочая поверхность электродов. Недостаточность сварочного тока может вызываться не только его малым значением во вторичном контуре машины, но и касанием электрода вертикальных стенок профиля или слишком близким расстоянием между сварными точками, приводящим к большому шунтирующему току.

Дефект обнаруживается внешним осмотром, приподниманием кромки деталей пробойником, ультразвуковыми и радиационными приборами для контроля качества сварки.

Наружные трещины . Причины: слишком большой сварочный ток, недостаточная сила сжатия, отсутствие усилия проковки, загрязненная поверхность деталей и/или электродов, приводящая к увеличению контактного сопротивления деталей и нарушению температурного режима сварки.

Дефект можно обнаружить невооруженным глазом или с помощью лупы. Эффективна капиллярная диагностика.

Разрывы у кромок нахлестки . Причина этого дефекта обычно одна - сварная точка расположена слишком близко от края детали (недостаточна нахлестка).

Обнаруживается внешним осмотром - через лупу или невооруженным глазом.

Глубокие вмятины от электрода . Возможные причины: слишком малый размер (диаметр или радиус) рабочей части электрода, чрезмерно большое ковочное усилие, неправильно установленные электроды, слишком большие размеры литой зоны. Последнее может являться следствием превышения сварочного тока или длительности импульса.

Внутренний выплеск (выход расплавленного металла в зазор между деталями) . Причины: превышены допустимые значения тока или длительности сварочного импульса - образовалась слишком большая зона расплавленного металла. Мало усилие сжатия - не создался надежный уплотняющий пояс вокруг ядра или образовалась воздушная раковина в ядре, вызвавшая вытекание расплавленного металла в зазор. Неправильно (несоосно или с перекосом) установлены электроды.

Определяется методами ультразвукового или рентгенографического контроля или внешним осмотром (из-за выплеска может образоваться зазор между деталями).

Наружный выплеск (выход металла на поверхность детали) . Возможные причины: включение токового импульса при несжатых электродах, слишком большое значение сварочного тока или продолжительности импульса, недостаточное усилие сжатия, перекос электродов относительно деталей, загрязнение поверхности металла. Две последние причины приводят к неравномерной плотности тока и расплавлению поверхности детали.

Определяется внешним осмотром.

Внутренние трещины и раковины . Причины: слишком велики ток или продолжительность импульса. Загрязнена поверхность электродов или деталей. Мала сила сжатия. Отсутствует, опаздывает или недостаточно ковочное усилие.

Усадочные раковины могут возникать во время охлаждения и кристаллизации металла. Чтобы воспрепятствовать их возникновению, необходимо повышать силу сжатия и применять проковывающее сжатие в момент охлаждения ядра. Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Смещение литого ядра или его неправильная форма . Возможные причины: неправильно установлены электроды, не очищена поверхность деталей.

Дефекты обнаруживаются методами рентгенографического или ультразвукового контроля.

Прожог . Причины: наличие зазора в собранных деталях, загрязнение поверхности деталей или электродов, отсутствие или малое усилие сжатия электродов во время токового импульса. Во избежание прожогов ток должен подаваться только после приложения полного усилия сжатия. Определяется внешним осмотром.

Исправление дефектов . Способ исправления дефектов зависит от их характера. Самым простым является повторная точечная или иная сварка. Дефектное место рекомендуется вырезать или высверлить.

При невозможности сварки (из-за нежелательности или недопустимости нагрева детали), вместо дефектной сварной точки можно поставить заклепку, высверлив место сварки. Применяются и другие способы исправления - зачистка поверхности в случае наружных выплесков, термическая обработка для снятия напряжений, правка и проковка при деформации всего изделия.

При использовании содержания данного сайта, нужно ставить активные ссылки на этот сайт, видимые пользователями и поисковыми роботами.

Электроды, предназначенные для контактной сварки, производятся из металлических прутков, диаметр которых находится в промежутке от 12 до 40 мм. У них рабочая поверхность бывает либо плоской, либо в форме сферы. Чтобы соединить между собой заготовки в довольно сложную конструкцию, пользуются электродами, которые обладают смещенной поверхностью – так называемые сапожковые изделия. Подобная продукция закрепляется при помощи специального хвостовика, имеющего конус 1:10 либо 1:5.

Также в продаже можно встретить электроды, имеющие цилиндрическую поверхность, благодаря которой они будут закрепляться для работы в особых конструкциях с конусной резьбой. Кроме них, выпускается продукция со сменной рабочей частью – ее устанавливают на конус с помощью стандартной накидной гайки или попросту припрессовывают.

Электроды для контактной сварки рельефного типа по своей форме будут напрямую зависеть от способа соединения и конечной формы продукции. В большинстве случаев величина рабочей поверхности у данного электрода особой роли не играет. Это связано с тем, что площадь контакта и выбранный сварочный ток напрямую зависит от того, какую форму будут иметь заготовки в точках соприкосновения.

Существуют также электроды для соединения элементов, обладающих весьма сложным рельефом. Шовное оборудование использует продукцию, представляющую собой диск, имеющий плоскую рабочую поверхность. При этом данные изделия могут обладать даже несимметричными скосами. Такие диски закрепляются на оборудовании за счет шпонирования или прессовки.

Внутри самих электродов имеются определенные полости, по которым будет циркулировать охлаждающая жидкость в процессе проведения сварных работ. Электроды для контактной сварки точечного типа бывают сплошными, поэтому в данном случае используют так называемое охлаждение наружного типа.

Чтобы материал электрода расходовался по минимуму, ролик делается сменным. Сам электрод производится из специального сплава, сделанного на основе такого металла, как медь. В результате получается продукция, практически не обладающая сопротивлением электрическому току, превосходно проводящая тепло, устойчивая к воздействию даже довольно высоких температур. Кроме того, в горячем виде данный электрод будет сохранять свою первоначальную твердость, взаимодействие с металлом заготовки будет минимальным.

Разновидности оборудования для контактной сварки

Главной особенностью данной технологии является соединение заготовок по всей площади. Оптимальный нагрев производится за счет оплавления с помощью сварочной установки. Однако, в некоторых случаях прибегают к нагреву за счет сопротивления детали прохождению электрического тока.

Контактная точечная сварка может происходить как с расплавлением металла, так и без данной технологической особенности процесса. Контактной сваркой можно соединять металлические элементы, сечение которых находится в пределах от 1 до 19 мм, причем в большинстве случаев пользуются сваркой сопротивлением, так как расход электродного материала будет значительно ниже, а итоговое соединение получается значительно более прочным. Используется данная сварка при выполнении довольно точных работ, например, в процессе производства рельсов для создания железнодорожного полотна.

Особенности точечной контактной сварки

Подобная технология прекрасно подходит для того, чтобы соединить между собой металлические элементы, причем присоединение осуществляется как в одной, так и в нескольких точках данных заготовок. Она пользуется огромной популярностью не только в промышленности (в частности, ее часто применяют в сельском хозяйстве, при строительстве самолетов, автомобильного транспорта и так далее), но и в бытовых условиях.

Принцип действия данного метода довольно простой: электрический ток при прохождении через детали, находящиеся в непосредственном контакте друг с другом, очень сильно разогревает их кромки. Нагрев получается настолько сильным, что металл начинает быстро плавиться, сразу заготовки быстро сдавливают со значительным усилием. В результате этого и осуществляется формирование сварного соединения.

Оборудование, разработанное для использования такой технологии, предназначено для соединения между собой листов, прутьев и других металлических изделий. Ключевыми преимуществами данного метода являются следующие:

Отсутствие сварного соединения в традиционном его понимании;
Нет необходимости использовать присадочный материал, газовую среду или же флюс;
Оборудование очень легко в использовании;
Скорость выполнения работ довольно высокая.

Главным и единственным недостатком подобного способа является то, что шов получается абсолютно не герметичным.

Из чего делают электроды для контактных сварных работ?

Материал, из которого будут производиться электроды, выбирается в зависимости от того, какие требования будут предъявляться к условиям работы продукции. Стоит отметить, что электроды должны прекрасно выдерживать сжатие, температурные перепады, воздействие высоких температур, напряжения, которые будут образовываться внутри самого электрода, находящегося под серьезной нагрузкой.

Чтобы изделия получились максимально качественными, следует, чтобы электрод сохранял первоначальную форму своей рабочей поверхности, которая будет находиться в непосредственном контакте с соединяемыми деталями. Подплавление данного расходного материала ускоряет его изнашивание.

Обычно в качестве основного элемента берется медь, в нее добавляют другие элементы – магний, кадмий, серебро, бор и так далее. В результате получается материал, превосходно сопротивляющийся даже очень серьезным физическим нагрузкам. Электроды с вольфрамовым или молибденовым покрытием практически не изнашиваются в процессе эксплуатации, поэтому они в последнее время приобрели наибольшую популярность. Однако их нельзя использовать для сварки продукции из алюминия и других материалов, обладающих мягкой структурой.

Электроды для контактной сварки предназначены для подвода тока к элементам, их сжатия и отвода выделяющегося тепла. Эта деталь является одной из самых важных в оборудовании, так как от ее формы зависит возможность обработки узла. Устойчивость же электрода определяет уровень качества сварки и длительность беспрерывной работы. Электроды бывают фигурными и прямыми. Производство элементов прямого типа регламентировано в стандарте ГОСТ 14111–77 .

Фигурные детали характеризуются тем, что их ось смещена относительно конуса (посадочной поверхности). Они используются для сварки узлов и элементов непростой формы, до которых трудно добраться.

Особенности конструкции

Электроды, предназначенные для контактной сварки, включают в свой состав цилиндрическую часть, рабочую и посадочную части. Во внутренней полости элемента находится специальный канал, который предназначен для подачи воды, охлаждающей электродержатель.

Рабочая часть обладает сферической или плоской поверхностью. Ее диметр подбирается в соответствии с толщиной обрабатываемых изделий и используемого материала. Прочность же электрода обеспечивается средней частью.

Часть посадочная должна иметь конусную форму, чтобы деталь надежно фиксировалась в электродержателе. Ее обработка должна происходить с чистотой не менее 7 класса.

На пользовательские свойства детали влияет расстояние от самого дна охлаждающего канала до рабочего края: срок службы, устойчивость и т. д. Если это расстояние будет небольшим, то охлаждение элемента будет происходить гораздо эффективнее, однако он при этом сможет выдержать гораздо меньшее количество переточек.

Вставки на основе молибдена и вольфрама помещаются внутрь медных деталей. Изделия, сделанные таким способом, используются для сварки анодированной или оцинкованной стали.

Материалы производства

Устойчивость электродов представляет собой способность элементов не терять свою форму и размеры, а также противостоять переносу материала свариваемых элементов и электродов. Данный показатель определяется материалом и конструкцией сварочного электрода, а также условиями и режимом работы. Износ деталей находится в зависимости от особенностей рабочего инструмента (угол рабочей поверхности, диаметр, материал и т. д.). Оплавление, чрезмерный нагрев, окисление во время эксплуатации электрода в коррозионной и/или влажной среде, смещение или перекос, деформация при сжатии и прочие факторы значительно повышают износ рабочих элементов.

Материал инструмента должен подбираться в соответствии со следующими правилами:

Его уровень электропроводности должен быть сравним с чистой медью;
Эффективная теплопроводность;
Высокая степень механической стойкости;
Простота обработки резанием или высоким давлением;
Устойчивость к циклическим нагревам.

В сравнении со стопроцентной медью ее сплавы обладают большей устойчивостью к нагрузкам механического плана, потому для таких изделий используются именно медные сплавы. Легирование изделия цинком, бериллием, хромом, магнием, цирконием не уменьшает показатели электропроводности, но существенно увеличивает прочность, а кремний, железо и никель увеличивают его твердость.

Выбор

В процессе выбора подходящих электродов для точечной сварки следует обратить особое внимание на размеры и форму рабочего элемента изделия. Также следует учитывать характеристики обрабатываемого материала, его толщину, форму сварочных узлов и режим сварки.

У инструмента для контактной сварки бывают разные рабочие поверхности:

Плоская;
Сферическая.

Изделия, имеющие сферическую рабочую поверхность, не особо чувствительны к скосам, потому они нередко используются на подвесных и радиальных установках, а также для фигурных электродов с прогибом. Изготовители из РФ советуют для обработки легких сплавов именно эту разновидность электродов, так как они позволяют предотвратить появление подрезов и вмятин при точечной сварке. Однако предотвратить эту проблему можно и в том случае, если пользоваться плоскими электродами, торец которых увеличен. А электроды, оснащенные шарнирами, могут даже заменить электроды сферического типа, но они рекомендованы для сварки металлических листов, толщина которых не превышает полутора миллиметров.

Габариты рабочего элемента инструмента подбираются в соответствии с типом и толщиной обрабатываемых материалов. Результаты исследования, которое было проведено экспертами французской компании «ARO» показали, что рассчитать необходимый диаметр можно, воспользовавшись следующей формулой:

dэл = 3 мм + 2t, где «t» - толщина листов, которые подлежат сварке.

Сложнее подсчитать необходимый диаметр инструмента при неодинаковой толщине листов, сварке материалов разного типа и сварке целого «пакета» элементов. Понятно, что для работы с деталями разной толщины, диаметр изделия нужно подбирать относительно самого тонкого металлического листа.

При сварке комплекта элементов диаметр следует подбирать, руководствуясь толщиной внешних элементов. Для сварки материалов различного типа наименьшее проплавление имеет металлический сплав с минимальным удельным электросопротивлением. В таком случае следует применять приспособление, сделанное из материала повышенной теплопроводности.

Высокая стойкость электрода и надлежащее качество сварного точечного соединения невозможны без правильного ухода за электродами. От 3 до 10% рабочего времени сварщика уходит на обслуживание электрода. Правильный уход за электродами позволяет одной парой электродов выполнить 30…100 тыс. сварных точек, при этом расход электродного сплава составляет всего лишь 5…20 г на тысячу сваренных точек.

Уход за электродами точечных машин состоит из двух операций - зачистки электродов непосредственно на машине и заправки снятого электрода на токарном или специальном станке.

Периодичность зачистки зависит главным образом от свариваемого материала. При сварке стали с хорошо подготовленной поверхностью в одних случаях можно обходиться без зачистки, в других требующаяся зачистка выполняется после сварки нескольких сот точек. При сварке алюминиевых сплавов требуется зачистка электродов через 30…60 точек, иначе начинается прилипание электродного металла к свариваемому, что нарушает процесс сварки, а также ухудшает коррозионную стойкость сварного соединения. Это же явление наблюдается и при сварке других материалов с пониженной температурой плавления, таких, например, как магний.

Зачистку следует осуществлять таким образом, чтобы, не снимая большого количества металла, получить чистую поверхность электрода. Для упрощения этой операции и облегчения условий труда при зачистке электродов применяются специальные приспособления.

Наиболее простое приспособление показано на рис. 1. Оно представляет собой лопаточку с двусторонними углублениями, в которые вкладывается наждачная бумага. Лопаточка вставляется между сжатыми электродами, и при поворачивании вокруг оси электродов зачищает их контактные поверхности.

Рис. 1. Приспособление для ручной зачистки электродов:

1 - шкурка; 2 - сферическая выемка.

Вместо такой лопаточки можно пользоваться стальной пластиной для зачистки электродов с плоской контактной поверхностью или куском резины - для зачистки электродов со сферической рабочей поверхностью. Электроды с плоской контактной поверхностью зачищаются одновременно или поочередно, со сферической - одновременно, при небольшом сжимающем усилии. После зачистки следы абразивной пыли удаляются сухой ветошью.

Стремление механизировать процесс зачистки контактной поверхности электродов привело к созданию приспособлений с электрическим или пневматическим приводом. На рис. 2 показана пневматическая машинка для зачистки электродов.

Рис. 2. Угловая пневматическая машинка для зачистки электродов

Необходимость в зачистке контактной поверхности определяется визуально, по состоянию поверхности свариваемого изделия, но известны попытки определения момента зачистки при помощи специальных приспособлений.

С помощью программного управления осуществляются не только установка свариваемого узла, сварочного тока и времени сварки, но и подается сигнал о необходимости зачистки электродов.

Предлагается момент зачистки электродов определять по сравнению яркости светового луча, отраженного от контактной поверхности электрода, с яркостью луча, отраженного от поверхности эталона. Этот способ позволяет также прекращать процесс сварки под действием сигнала, величина которого возрастает при загрязнении рабочей поверхности электрода.

Заправка рабочей части изношенного электрода с целью восстановления первоначальной формы может производиться несколькими способами. Наименее качественным является заправка мелким напильником. Рекомендуется для указанных целей применять специальные заправники. Пример ручного заправника приводится на рис. 3.

Рис. 3. Ручной заправник электродов:

1 - корпус; 2 - винты. 3 - резцы; 4 - ручка.

Также рекомендуется применение специальных пневматических заправников, оснащенных торцовой фрезой, профиль режущей части которой соответствует профилю рабочей части электрода. Специальная фреза вставляется в патрон обычной ручной дрели и позволяет одновременно обрабатывать коническую и плоскую поверхность рабочей части электрода.

Хорошим способом заправки электродов является заправка на токарных станках с проверкой размеров по шаблону.

При большом количестве заправляемых электродов целесообразно применять специальные станки типа.

Для быстрой смены электродов без повреждения рекомендуется применять электроды с лысками под ключ или пользоваться специальными съемниками.

Простейший съемник (рис. 4) представляет собой винтовой зажим специальной конструкции.

Рис. 4. Съемник простейшей конструкции:

1 - корпус; 2 - плашки; 3 - зажимной винт.

Восстановление изношенных электродов для точечной сварки ранее не практиковалось. За последнее время разработана технологию восстановления электродов точечных сварочных машин дуговой наплавкой. Твердость, электропроводность и стойкость восстановленных электродов соответствуют свойствам электродов, изготовленных из прутков. Применение метода восстановления электрода наплавкой только для одной многоточечной машины позволяет экономить до 500 кг бронзы в год.

Сварка, выполняемая в среде защитного газа (гелия или аргона), требует наличия вольфрамовых электродов, которые относятся к категории неплавящихся. За счет своей тугоплавкости вольфрамовый электрод выдерживает большие температуры и длительный беспрерывный срок работы. В настоящее время этот сварочный материал имеет достаточно обширную классификацию, где присутствует довольно большое количество типов, разделенных по маркам.

Маркировка и характеристики вольфрамовых электродов

Маркировка вольфрамовых электродов оговорена международными стандартами. Поэтому их легко выбрать по необходимому назначению в любой стране, в какой бы вы не находились. Именно маркировка отражает и тип выбранного электрода, и его химический состав.

Маркировка начинается с буквы «W», которая обозначает сам вольфрам. В чистом виде металл в изделии присутствует, но характеристики такого электрода не очень высокие, потому что это слишком тугоплавкий элемент. Улучшить сварные качества ему помогают легирующие добавки.

Пруток из чистого вольфрама обозначается «WP». Наконечник прутка зеленого цвета. Можно говорить, что относится он к категории вольфрамовых электродов для сварки алюминия и меди переменным током. Содержание вольфрама в сплаве – не менее 99,5%. Недостаток – ограничения в тепловой нагрузке. Поэтому заточка вольфрамового электрода (его окончания) «WP» производится в виде шарика.
«C» - это оксид церия. Пруток с серым наконечником. Именно эта добавка позволяет использовать электрод при работе с любым видом тока (постоянным или переменным), поддерживает стабильную дугу даже при небольшом токе. Содержание – 2%. Кстати, церий единственный нерадиоактивный материал из серии редкоземельных металлов.
«Т» - диоксид тория. Пруток с красным наконечником. Такие электроды используются для сварки цветных металлов, низколегированные и углеродистых сталей, нержавейки. Это часто используемый электрод при проведении сварочных работ аргоновой сваркой. У него есть один минус – радиоактивность тория, поэтому рекомендуется сварку проводить в открытых зонах и в хорошо вентилируемых помещениях. Сварщик должен соблюдать меры безопасности. Отметим, что торированные вольфрамовые электроды для аргонодуговой сварки хорошо держат свою форму при самых высоких токах. С такими нагрузками не справляется даже «WP» марка (чистый вольфрам). Содержание – 2%.
«Y» - диоксид иттрия. Пруток с темно-синим наконечником. С его помощью обычно варят ответственные конструкции из разных металлов: титан, медь, нержавейка, углеродистые и низколегированные стали. Работа проводится только на постоянном токе (полярность прямая). Иттриевая добавка увеличивает такой показатель, как стабильность катодного пятна на конце самого электрода. Именно это является причиной того, что он может работать в достаточно широких пределах сварочного тока. Содержание – 2%.
«Z» - оксид циркония. Пруток с белым наконечником. Используется для аргонной сварки алюминия и меди переменным током. Этот тип электродов обеспечивает очень стабильную дугу. При этом элемент достаточно требователен к чистоте сварочного стыка. Содержание – 0,8%.
«L» - оксид лантана. Здесь две позиции: WL-15 и WL-20. Первый пруток с золотистым наконечником, второй с синим. Сварка вольфрамовым электродом с добавлением оксида лантана – это возможность использовать как переменный ток, так и постоянный. Приплюсуем сюда легкость запуска дуги (первоначальную и при повторном зажигании), у этого вида самый малый износ конца прутка, стабильная дуга при самых больших показателя тока, низкая склонность к прожогам, несущая способность в два раза выше, чем у чистого вольфрамового прутка. Содержание оксида лантана в WL-15 – 1,5% и в WL-20 – 2%.

Классификация по цифровой маркировке следующая. Первые после букв цифры обозначают содержание в сплаве легирующих добавок. Вторая группа цифр, отделенная от первых дефисом, это длина вольфрамового прутка. Самый распространенный размер – 175 мм. Но на рынке можно встретить и 50-миллимтровую длину, 75 и 150. К примеру, WL-15-75 – это электрод с оксидом лантана, в котором содержится 1,5% добавки. Длина прутка – 75 мм. Его наконечник – золотистый.

Способы заточки вольфрамовых электродов

Заточка вольфрамовых электродов – наиважнейшая составляющая правильно проведенного сварочного процесса. Поэтому все сварщики, занимающиеся сваркой в среде аргона, очень тщательно проводят эту операцию. Именно от формы наконечника зависит, как правильно будет распределяться энергия, передаваемая от электрода двум свариваемым металлам, каково будет давление дуги. А от этих двух параметров уже будет зависеть форма и размеры зоны проплавки шва, а соответственно его ширина и глубина.

Внимание! Параметры и форма заточки выбирается от вида используемого электрода и от параметров двух свариваемых металлических заготовок.

Рабочий конец электродов марки WP, WL – это сфера (шарик).
На WT также делают выпуклость, но небольшого радиуса. Скорее, просто обозначают скругленность электрода.
Остальные виды затачиваются под конус.

Когда варится алюминиевый стык, на электроде сфера образуется сама. Поэтому, проводя сварку алюминия, нет необходимости проводить заточку электрода.

Какие ошибки заточки к чему могут привести.

Ширина заточки сильно отличается от нормы, то есть, может быть очень широкой или очень узкой. В этом случае вероятность непроплавления шва сильно увеличивается.
Если проведена несимметричная заточка, то это гарантия отклонения сварочной дуги в одну из сторон.
Угол заточки слишком острый – снижается срок эксплуатации электрода.
Угол заточки слишком тупой – уменьшается глубина проплавки шва.
Риски, оставленные от абразивного инструмента, расположены не вдоль оси прутка. Получите такой эффект, как блуждание дуги. То есть, нарушается стабильное и равномерное горение сварной дуги.

Кстати, существует простая формула, определяющая длину затачиваемого участка. Она равна диаметру прутка, умноженного на постоянный коэффициент – 2,5. Существует и таблица, в которой обозначается соотношение диаметра электродов с длиною затачиваемого конца.

Точить конец вольфрамового прутка надо поперек, как карандаш. Можно точить на электрическом наждаке или на болгарке. Чтобы добиться равномерного снятия металла по всей зоне заточки, можно закрепить пруток в патроне дрели. И вращать его на малых оборотах электроинструмента.

В настоящее время производители специального электрического оборудования предлагают станок для заточки неплавящихся вольфрамовых электродов. Удобный и точный вариант сделать заточку качественной. В состав станка входит:

Алмазный диск.
Фильтр для сбора пыли.
Настройка оборотов рабочего вала.
Настройка угла заточки. Этот параметр варьируется в пределах 15-180°.

Исследования, найти оптимальный угол заточки, проводятся постоянно. В одном НИИ был проведен тест, где электрод из вольфрама марки WL проверялся на качество сварного шва путем его заточки под разные углы. Были выбраны сразу несколько угловых размеров: от 17 до 60°.

Были определены точные параметры сварочного процесса:

Сваривались два металлических листа из коррозионностойкой стали толщиною 4 мм.
Ток сварки – 120 ампер.
Скорость – 10 м/ч.
Положение сварки – нижнее.
Расход инертного газа – 6 л/мин.

Результаты эксперимента таковы. Идеальный шов получился, когда использовался пруток с углом заточки в 30°. При угле в 17° форма шва была конусной. При этом сам процесс сварки проходил нестабильно. Ресурс электрода резки уменьшался. При больших углах заточки менялась и картина сварного процесса. При 60° увеличивалась ширина шва, но уменьшалась его глубина. И хотя сам процесс сварки стабилизировался, назвать его высококачественным нельзя.

Как видите, угол заточки играет важную роль в сварочном процессе. И неважно, используются электроды по нержавейке, стали или меди. При любых вариантах нужно правильно заточить пруток, ведь последствия могут быть крайне отрицательными. Описание прутков по цветам и химическим характеристикам помогает правильно сделать выбор, а заодно и выбрать форму заточки.