а - сферическая со сферической РП; 5 - коническая с плоской РП; в - цилиндрическая с плоской РП; е - сферическая с радиусной РП; д - коническая с цилиндрической РП; с - прямоугольная с цилиндрической РП

2.5. Механизмы машин контактной сварки

Машины общего назначения имеют различные механизмы: сжатия, вращения деталей, зажатия, осадки. В специализированных машинах, кроме того, могут быть механизмы перемещения, формообразования, закрепления, съема деталей и др. Механизм - это совокупность силового привода (например, пневмоцилиндра, электродвигателя) и исполнительных элементов (ползуна, направляющих рычагов, муфт, редуктора и др.).

2.5.1. Механизмы сжатия деталей и типы приводов машин

Такие механизмы должны обеспечивать подъем, опускание, перемещение подвижного зажима и сжатие деталей с заданной программой по усилию и длительности. В машинах точечной сварки этот механизм осуществляет два перемещения электродов: рабочее (2s + 3÷5 мм), при котором детали передвигаются на шаг, и дополнительное (увеличенное) для зачистки, смены электродов, установки и съема деталей. В машинах с рычажным, педально-грузовым, пружинным приводами перемещение электродов является одновременно рабочим и дополнительным. Оба типа перемещения обычно совпадают в машинах шовной и рельефной сварки, а для машин стыковой сварки понятие о рабочем и дополнительном перемещениях вообще отсутствует.

В машинах точечной, рельефной и шовной сварки применяют следующие типы приводов: ручной, грузовой, пружинный, пневматический, гидравлический, иногда электромагнитный.

Рычажный (ручной) механизм применяют в небольших точечных машинах, клещах, пинцетах при микросварке, а также в переносных пистолетах для сварки и прихватки. Усилия сжатия при простейшей циклограмме а (рис. 2.8) прикладывают к деталям либо через систему рычагов, либо непосредственно вручную. Такой механизм создает небольшое усилие (до 30 даН), достаточное для соединения деталей толщиной до 0,1 мм. Непостоянство усилия, утомляемость сварщика — серьезные недостатки этого механизма.

Рис. 2.8. Наиболее распространенные циклограммы усилия и тока при точечной.

Педально-грузовой механизм - простой и надежный, с постоянным усилием сжатия (циклограмма а, рис. 2.8). Точность усилия зависит от точности установки груза, а также от сил трения в направляющих рычагах. Значительные усилия на педали вызывают сильное утомление сварщика. Поэтому такой механизм используют в машинах мощностью до 10 кВА и при усилиях до 100 даН (в небольших конденсаторных машинах, монтажных столах для микросварки).

Пружинный механизм сжатия с педальным приводом также весьма прост и надежен. Как и предыдущий, он создает лишь циклограмму а (см. рис. 2.8).

Зависимость силы сжатия от состояния пружины и раствора между электродами, большое усилие на педали и быстрая утомляемость сварщика ограничивают применение этого механизма лишь небольшими машинами переменного тока мощностью до 20 кВ-А и сварочным усилием до 250 даН. В некоторых машинах пружину сжимают с помощью электромагнита, пневмопоршня. Это облегчает работу оператора и повышает темп сварки.

Пневматический механизм сжатия наиболее распространен особенно в машинах средней и большой мощности (до 1000 кВА) прохватывает широкий интервал усилий (30—25 000 даН). Быстродействующий, легко управляемый, глубоко регулируемый, этот механизм работает обычно в автоматическом режиме, чаще в сочетании с синхронным прерывателем. Такой механизм весьма универсален. Он может обеспечивать любую циклограмму (см. рис. 2.8) и широкую регулировку усилий (F_min/F_max до 1/45). Силовые элементы этого механизма - поршни и гибкие диафрагмы.

Поршневой привод имеет увеличенный ход. Он отличается высокой надежностью, но большими размерами камер, невысоким быстродействием и значительными силами трения.

Диафрагменный привод имеет малый ход (до 20 мм), поэтому для дополнительного хода электродов необходимо особое пневматическое или электромеханическое устройство. Кроме того, при перемещении (изгибе) диафрагмы усилие остается постоянным лишь в определенных пределах (около ее нейтрального положения). Резиновые диафрагмы стареют. Однако большое преимущество привода - простота конструкции, отсутствие смазки, минимальное трение, малые размеры камер, быстрое их заполнение, а поэтому высокое быстродействие, т. е. отличные динамические характеристики. Как и пневмоцилиндр, такая камера может работать в двух диапазонах усилий.

2.6 Электрическая часть машины

Электрическая часть машины должна развивать при сварке требуемую мощность с достаточно высоким КПД и без недопустимого нагрева ее элементов; иметь соответствующую нагрузочную характеристику и обеспечивать безопасность работы. При этом важными показателями машины являются потребляемая мощность из сети при заданном сварочном токе, коэффициент мощности машины и другие параметры.

Основными параметрами электрической части машины контактной сварки установлены (ГОСТ 297—80): максимальный ток короткого замыкания I_2Кmax во вторичном контуре машины, номинальный длительный вторичный ток I_2ДЛ.Н и наибольшая длительность t_св прохождения сварочного тока.

Указанные токи, а также необходимое значение и форму сварочного тока I_св, протекающего через детали, получают путем преобразования или аккумулирования электрической энергии сети промышленной частоты 50 Гц, напряжением 380 В (или 220 В в машинах с наибольшей мощностью короткого замыкания менее 60 кВ-А) с помощью сварочных трансформаторов СТр, выпрямителей В или аккумуляторов Ак энергии (рис. 2.9). Для подвода сварочного тока к деталям Д служит вторичный контур ВК.

Рис. 2.9. Структурные схемы электрической части основных типов машин: а - однофазной переменного тока; б - трехфазной низкочастотной; в — трехфазной с выпрямлением тока во вторичном контуре; г – конденсаторной.

Сварочный трансформатор СТр, предназначенный для получения больших токов (до 300 кА) при пониженном (0,2—25 В) напряжении, включается в сеть или к аккумулятору энергии контактором К; в низкочастотных машинах трансформатор СТр подключается к трехфазному выпрямителю В. Необходимая чередующаяся полярность тока в трансформаторе СТр обеспечивается коммутатором полярности КП.

Вторичное напряжение (сварочный ток) регулируют путем изменения коэффициента трансформации трансформатора СТр (ступенчатое регулирование) с помощью секционного переключателя ступеней ПС, или путем фазового регулирования (плавное регулирование), или тем и другим (смешанное регулирование). В машинах с аккумулированием энергии в конденсаторах сварочный ток регулируют, изменяя напряжение или емкость батареи конденсаторов.

Фазовое регулирование сварочного тока осуществляется аппаратурой управления АУ (на рис. 2.9 показана штриховой линией).

Этой же аппаратурой обеспечивается включение и выключение контактора или выпрямителей, коммутатора полярности, заданная последовательность и продолжительность всех или части операций сварочного цикла. В данной главе рассмотрены режимы работы, основные энергетические показатели, нагрузочные и внешние характеристики машин контактной сварки; принципиальные электрические схемы получения сварочного тока, их преимущества и недостатки, рациональные области применения; расчет вторичного контура; устройство сварочных трансформаторов; методика и пример расчета однофазного трансформатора и отличия в расчете трансформаторов других типов машин.

3. Технология сварки на машине

Высокое качество сварных изделий обеспечивается совокупностью всех конструктивных и технологических решений, начиная от эскизного проектирования деталей и кончая контролем технологического процесса. Новый технологический процесс создается на основе чертежа деталей (с указанием материала, размеров и формы, типов соединений); технических условий на изготовление узла (с требованиями, предъявляемыми к материалу, оборудованию, технологическому процессу); программы выпуска (с указанием количества изделий в год).

3.1. Выбор рациональной конструкции деталей и элементов соединений

Тщательная отработка технологичности спроектированного узла — обязательное требование современного производства. Она включает правильный выбор материала, размеров и формы деталей, рациональные способы изготовления, сборки, сварки узла, а также ряд других операций с установлением качества и точности выполнения и основное оборудование, приспособления и т. п.

Правильный выбор материала оказывает непосредственное влияние на качество и экономичность сварного узла. Наряду с высокими эксплуатационными характеристиками материал должен иметь хорошие технологические свойства: штампуемость, свариваемость и др.

Рис. 3.1. Примеры узлов, соединяемых точечной и шовной сваркой

При проектировании сварной конструкции важно обеспечить удобный подход электродов к месту сварки, чтобы детали могли быть сварены на стандартном оборудовании прямыми электродами. Форма и размеры узлов для точечной, шовной и рельефной сварки весьма разнообразны: от простых плоских панелей до сложных пространственных конструкций (рис. 3.1). Наиболее технологичны узлы открытого типа (а). Менее технологичны узлы полузакрытого типа (б), ухудшающие доступ одного из электродов. Наименее технологичны узлы закрытого типа (в): узлы коробчатой формы с внутренними швами, закрытые панели малой высоты и т.п. Детали для точечной и шовной сварки обычно изготовляют из листов и профилей. Выбор способа сварки обусловлен толщиной и материалом деталей, конструкцией узла, требованиями к качеству соединений, характером конкретного производства.

Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют детали толщиной 0,5—6 мм. Однако нижний предел (в микросварке) может доходить до 2 мкм, а верхний — до 30 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или различной (при соотношении толщин до 1:5, а в микросварке до 1:100 и более). Материал деталей может быть одноименным и разноименным (особенно в микросварке). Если герметичность не требуется, то применяют точечную сварку. Прочноплотные соединения выполняют шовной сваркой. При изготовлении емкости внутренние ребра' выбирают тоньше обшивки для предупреждения разгерметизации при случайном разрушении точки.

Чаще применяют двустороннюю- сварку, однако при ограниченном доступе к месту сварки — одностороннюю. Для повышения производительности и уменьшения коробления используют многоточечную сварку. Для создания слоев со специальными свойствами или ремонта изношенных деталей применяют электроконтактную приварку присадочного металла.

В понятие «оптимальные размеры соединения» входит несколько измеряемых величин, называемых конструктивными элементами соединения (рис. 3.2). Они стандартизованы по ГОСТ 15878—79 для соединений двух групп А и Б. Группу устанавливают при проектировании узла в зависимости от требований, предъявляемых к сварной конструкции и исходя из особенностей технологического процесса.

3.2. Общая схема технологического процесса производства сварных узлов

Точечной и шовной сваркой обычно соединяют детали в узлы (секции), затем их собирают между собой различными способами. Такая организация производства позволяет эффективно использовать высокопроизводительные способы сборки и сварки, повышать уровень механизации и автоматизации, качество соединений, расширять фронт работы и снижать себестоимость продукции.

Разработку технологического процесса начинают еще на стадиях проектирования новой конструкции созданием директивной технологии, а затем рабочего технологического процесса (маршрутной технологии и операционных карт).

Типовой технологический процесс производства сварных узлов состоит из ряда основных операций в определенной последовательности: изготовление деталей, подготовка свариваемых поверхностей, сборка, прихватка, сварка, правка и механическая обработка, антикоррозионная защита, контроль Этот процесс корректируют в зависимости от масштаба производства, степени взаимозаменяемости деталей, материала, размеров, формы и ответственности узлов, а также особенностей производства: исключают, добавляют или меняют последовательность операций.

3.2.1. Изготовление деталей

Качество изготовляемых деталей непосредственно влияет на трудоемкость и качество сборки, прихватки, сварки. В большинстве случаев увеличенные зазоры и плохое сопряжение деталей возникают именно из-за низкой точности их изготовления.

Заготовки из листа вырезают на гильотинных, дисковых, вибрационных ножницах, в штампах, газовым пламенем, плазменной струей. Для автоматического раскроя листов из титановых сплавов, жаропрочных сталей применяют лазеры. Профили разрезают на пресс-ножницах, пилами.

Формообразование деталей выполняют обычно холодной деформацией: гибкой во вращающихся валках, свободной гибкой, обтяжкой, вытяжкой, выдавливанием, штамповкой. Хрупкие металлы деформируют с подогревом. Особо крупные тонкостенные детали (днища, оболочки) изготовляют высокоскоростной обработкой, например, взрывом.

3.2.2. Подготовка поверхности

Цель этой операции — удаление исходных толстых, неравномерных по свойствам поверхностных пленок. В результате повторного окисления возникают новые, тонкие с малым и стабильным контактным сопротивлением, пленки.

Способы подготовки поверхности различны. В наиболее полном виде они включают несколько последовательных операций: обезжиривание, удаление исходных, в основном оксидных, пленок, пассивирование, нейтрализацию, промывку, сушку, контроль.

Обезжиривание служит для удаления загрязнений, масла, маркировочной краски протиркой растворителями либо в ваннах различного состава: содовых растворах (для легированных сталей и титановых сплавов), щелочных растворах (для алюминиевых и магниевых сплавов). С целью ускорения процесса в ванну иногда вводят ультразвуковые колебания. В автомобильной промышленности холоднокатаную сталь сваривают часто вообще без подготовки поверхности (тонкий слой масла мало влияет на формирование точек); латуни — после обезжиривания.

Удаление оксидных пленок — трудоемкая операция, так как оксиды химически связаны с металлом. Обычно их удаляют механической обработкой или химическим травлением.

Механическую подготовку проводят дробеструйной обработкой или металлическими щетками. Дробеструйную обработку применяют главным образом для стальных деталей с толстой оксидной пленкой (после термообработки, горячей деформации и т. д.) или с особыми поверхностными слоями; для титановых сплавов — с окалиной TiO₂, реже для других металлов. Дробь изготовляют в виде частиц отбеленного чугуна, мелконарезанной стальной проволоки, а для алюминиевых сплавов — стеклянных шариков.