Контактная стыковая сварка: принципы и преимущества

Что это такое? Контактная стыковая сварка – метод, при котором соединение деталей идет по всей площади соприкосновения. Данный способ относят к высокотехнологичным, однако именно это часто мешает его применять в бытовых целях.

На что обратить внимание? Контактная стыковая сварка может осуществляться двумя методами: оплавлением и сопротивлением. Несмотря на различия в процессе, общая технология будет едина для каждого из этих подходов.

Виды стыковой сварки

Стыковая сварка сопротивлением

При использовании данного метода соединяемые заготовки сжимаются с большим усилием, которое может достигать 3-5 кН. После этого при помощи сварочного трансформатора поверхность детали нагревается до температуры, составляющей 80-90 % от температуры ликвидуса, или до расплавления металла на стыке. По данному признаку различают, соответственно, сварку с локальным расплавлением металла и без такового.

После нагрева заготовки сварочный ток выключают, а затем резко надавливают на участок расплава с усилием, соответствующим усилию осадки. В результате твердый металл выдавливается на краях детали, при этом убирается оксидная пленка, либо удаляется жидкий и частично твердый металл. На месте шва формируется утолщение, отличающееся повышенной прочностью, которое называется «гарт».

Стыковая сварка оплавлением

При использовании контактной стыковой сварки оплавлением на заготовку подается напряжение от сварочного трансформатора около 6-8 В. Детали совмещаются, на их края оказывается взаимное давление силой в несколько деканьютонов. В результате повышается плотность тока, которая на отельных участках может достигать 3-5 кА на один квадратный сантиметр. На этих участках металл интенсивно расплавляется, на торцах заготовки образуются перемычки из жидкого металла. Далее перемычки взрывообразно разрушаются под действием значительного нагрева.

Читайте также: «Контроль сварных швов: разбираемся в методах оценки»

Торцы нагреваются в процессе непрерывного образования и разрушения новых жидких перемычек, то есть торцы оплавляются. В результате по всей поверхности края детали формируется слой жидкого металла. В этот момент детали прижимаются друг к другу со значительным усилием. Жидкий металл и часть твердого металла выходят из стыка, формируется гарт. При осадке ток отключается.

На практике также используется сварка с двумя стыками, нагрев высокочастотными токами, постоянным током, иные виды контактной стыковой сварки.

Стыковая сварка оплавлением используется наиболее часто. Она позволяет соединять детали небольшого сечения, например, металлические прутья сечением не более 10 см² для малоуглеродистой стали и чуть большей толщины при использовании металлических листов и труб. Для деталей большего размера желательно использовать сварку оплавлением с программным управлением при быстром перемещении зажимов. При помощи импульсного оплавления удается соединять стальные заготовки, имеющие сечение до 20 дм², для алюминиевых изделий – до 2,2 дм².

Контактная стыковая сварка позволяет получить шов, прочность которого сравнима с основным металлом.

Порядок работ при стыковой контактной сварке

Для любой контактной стыковой сварки применяются специальные аппараты, технология работ на которых основывается на одних и тех же принципах. Основным устройством, необходимым для выполнения работ подобного рода, является машина контактно-стыковой сварки.

Ток на соединяемые детали должен подаваться через зажимы, которые имеют низкое сопротивление и плотно обхватывают металл. Несоблюдение данного условия приводит к подгоранию и расплавлению металла в месте контакта зажима и детали. По завершении сварки соединенные поверхности обезжириваются, удаляется оксидная пленка, выполняется шлифовка.

При использовании сварки сопротивлением дополнительно необходимо выполнить ряд шлифовальных действий, чтобы минимизировать неровности металла, удалить поверхностные дефекты, исключить образование зазоров.

Выполнять кромкование детали нет необходимости, поскольку излишки металла выдавливаются не внутрь, а наружу. Применение электродов не требуется.

Читайте также: «Уровень качества сварного шва: методы контроля»

Стыковая сварка может выполняться механизированным или автоматизированным способом. Далее рассматривается алгоритм механизированной сварки, которая отличается от автоматической лишь отсутствием программного управления.

1. Заготовки фиксируются в станине сварочного аппарата.
2. К деталям присоединяются зажимы сварочного трансформатора, на них подается ток.
3. Производится нагрев металла и прижимание краев заготовок. Интенсивность тока и сила давления рассчитываются заранее.
4. После оплавления и кристаллизации металла зажимы отключаются, изделие вынимается из фиксаторов.
5. Сформировавшийся при сварке гарт счищается напильником.

Даная технология позволяет обеспечить высокую скорость работы. Полученный шов при этом имеет высокую прочность.

Плюсы и минусы контактной стыковой сварки

Контактная стыковая сварка имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими технологиями:

• Поверхности обрабатываемых деталей не требуют тщательной обработки до сварки.
• Нет необходимости в предварительном нагреве поверхности, без которой на участках металла, прилегающих к зоне расплава, прочностные характеристики могут значительно различаться.
• Большая прочность сварного шва, которая сопоставима с прочностью металла на участках, не подвергавшихся обработке.
• Технология доступна даже сварщикам без достаточного опыта.
• В результате температурного механического воздействия металл становится однородным, что обеспечивает высокую прочность соединения.
• Процесс сварки легко поддается автоматизации.
• Высокая скорость выполнения работ.

Все эти особенности обеспечили технологии контактной стыковой сварки широкое распространение в промышленности.

Однако есть у данной технологии и значительные недостатки, которые не позволяют считать ее универсальным способом соединения металлических деталей.

• Большой расход электроэнергии, который обусловлен необходимостью долговременного поддержания высокого напряжения для расплавления металлической детали.
• Соединяемые заготовки должны иметь определенный размер.
• Машины для контактно-стыковой сварки стоят дорого, из-за чего возможность использования данной технологии в домашних условиях ограничена.

Оборудование для контактной стыковой сварки

Традиционно для контактной стыковой сварки использовались клещи и угольные электроды. Технология при этом включала в себя следующие действия:

• Поверхности двух металлических заготовок накладывались друг на друга.
• Листы металла захватывались клещами.
• К заготовкам прикладывались угольные электроды.
• На электроды подавался ток высокой мощности, достаточный для плавления металла.

При нагреве металл заготовок переходил в жидкое состояние, между листами формировались сварные точки. Таким образом детали соединялись по всей плоскости, чего нельзя было добиться посредством обычной дуговой сварки.

Читайте также: «Сварка плавлением: используемые методы»

Сегодня эта технология значительно изменилась. Для контактной стыковой сварки используются специальные аппараты, которые делятся на несколько видов:

• передвижные;
• стационарные;
• подвесные.

Сила сварного тока в таких аппаратах регулируется при помощи трансформатора, понижающего обычное напряжение сети с 220 В до 1-15 В. Мощность самого устройства при этом достигает 50 кВт, хотя минимальная мощность составляет лишь 0,5 кВт. В результате при выходном напряжении не более 15 В сила тока может доходить до 3333 ампер. Давление на свариваемые детали достигает 1 тонны на каждый квадратный сантиметр. Для прижимания изделий, как правило, применяется регулируемое пневматическое устройство.

Каждая машина контактно-стыковой сварки включает в себя ряд элементов, набор которых характерен только для данного вида сварочного оборудования.

• Гидравлическая либо пневматическая система прижима деталей. В нее входит устройство подачи смазочных компонентов для обработки подвижных участков, фильтры, необходимые для подготовки металла к сварке, контролирующие узлы – редукторы, манометры, клапаны, средство для подачи сжатого газа, вентили, краны.
• Система охлаждения, включающая в себя гребенку со штуцерами, трансформаторный водяной контур, реле, арматуру.
• Механические приводы (привод сжатия у точечных устройств и стыковых машин, привод вращения барабанов у шовных моделей, привод для осадки свариваемых заготовок).

Повышенные требования предъявляются к присадкам. Через них в процессе сварки протекает электрический ток огромной мощности, поэтому электроды нагреваются до критических температур и служат недолго.

В этой связи электроды для контактной стыковой сварки должны обладать следующими характеристиками:

• Способность сохранять форму при высоких температурах (тугоплавкость).
• Устойчивость к давлению. Надежный сварной шов при использовании данной технологии можно получить лишь при давлении около 5 килограмм на каждый квадратный сантиметр, и электрод должен его выдерживать.

Чаще всего для изготовления электродов, обладающих указанными качествами, используется бронза. Наконечники сменные и имеют форму, приближенную к очертаниям соединяемых заготовок. У шовных машин электроды выполнены в виде плоских дисков, что позволяет нагревать большую площадь поверхности металла.

Читайте также: «Оборудование для сварочных работ: разбираемся в инструментах сварщика»

При выборе оборудования для контактной стыковой сварки необходимо учитывать несколько условий:

• Толщина металла на краях деталей, подвергающихся расплавлению.
• Условия выполнения сварки (например, на результат сильно влияет предварительное соединение деталей друг с другом).
• Метод соединения деталей (точечный, шовный или какой-либо другой).

Выполнение контактной стыковой сварки значительно осложняется необходимостью точного подбора мощности оборудования. Если силу тока установить с запасом, то буквально за несколько секунд электрод способен прожечь дыру даже в толстом материале. Кроме того, более мощный аппарат окажется дороже, так как в нем для нормальной работы также устанавливаются пневматический привод, трехфазная система питания, система охлаждения.

Однако даже при условии соответствия сварочной машины выполняемым работам точная настройка оборудования может вызывать сложности. Без опыта выполнить эту процедуру вряд ли удастся. При недостаточной мощности металл не расплавится в нужной мере, а при ее превышении заготовка может сгореть. В этой связи в домашних условиях данная технология используется крайне редко, основная сфера ее применения – промышленные сварочные работы в специализированных цехах.

Сферы применения контактной стыковой сварки

В промышленном производстве контактная стыковая сварка используется для выполнения широкого перечня работ, а именно:

• Изготовление при постройке зданий и сооружений цельных металлических конструкций, которые будут подвергаться критическим нагрузкам.
• В металлургической промышленности – сварка проволочного проката с листовым. При использовании стыковой технологии формируется сварная плоскость высокой прочности.
• При строительстве железнодорожных путей контактная стыковая сварка позволяет соединять рельсы без стыков, что дает возможность поездам развивать значительно более высокую скорость без риска схода колес с полотна и разрушения колеи.
• В автомобильной промышленности данный метод применяется для изготовления корпусных изделий, имеющих сложную форму.
• При изготовлении режущих изделий из легированной стали контактная стыковая сварка позволяет сохранять остроту кромки при резке твердых материалов.
• Сварка стальных и пластиковых труб. В этом случае требуется исключительно точная настройка оборудования, поскольку при превышении оптимальной мощности пластик расплавится слишком сильно, а изделие деформируется.

Также данная технология широко используется при прокладке газовых и нефтяных трубопроводов. Контактная стыковая сварка дает возможность соединять прокат диаметром до 1420 мм. Мощные промышленные машины обеспечивают получение прочного шва не более чем за 5 минут.

Во многих случаях данная технология является единственно возможным способом сварки, так как иные методы не позволяют получить требуемые характеристики соединения. Расплавление происходит на ограниченном участке, что исключает формирование обширных зон напряженности металла. Именно поэтому контактная стыковая сварка особенно часто используется для решения задач, в которых к прочности соединения предъявляются повышенные требования.