Контактная стыковая сварка с применением сварочных полуавтоматов оборудования Kemppi

Контактная стыковая сварка относится к высокопроизводительному методу получения качественных соединений, с хорошей перспективой автоматизации и роботизации производственных процессов. Если принять весь мировой объем контактной сварки за 100 %, то доля стыковой разновидности составляет порядка 10-12 % и имеет тенденцию к росту. В отличие от шовного и точечного сварочных методов, при контактном стыковом способе возможно достаточно стойкое соединение без расплавления, благодаря глубокой пластической деформации обрабатываемого металла.
При контактно-стыковом методе изделия провариваются по всей площади поверхности соприкосновения. По характеру нагрева можно выделить такие разновидности работ:

• Стыковая сварка сопротивлением, без локального расплава в термически активной зоне. Предусматривает использование мощного трансформатора или сварочного полуавтомата и больших зажимных усилий, до 5-6 кН. Сила механического воздействия имеет сложный график. После нагрева металла до значения 0.8-0.9 TL (TL – температура ликвидуса, точка полного плавления твердой фазы материала) прекращается подача сварочного тока и одновременно резко увеличивается прижимное усилие на заготовки. Происходит интенсивная деформация металла, который не расплавился, но размягчился – вплоть до выдавливания пластических масс из зоны стыка вместе с поверхностными окисными пленками. Метод был опробован у различных брендовых производителей достаточно давно, фирма Kemppi аппарат сварочный с таким принципом работы запатентовала еще в 80-ых годах прошлого века.
• Стыковая сварка сопротивлением с расплавом активной ЗТВ. Имеет сходство с предыдущим пунктом по графику механического усилия прижима, которое возрастает после прекращения подачи тока. Заготовки нагревают до температур плавления металла (с учетом прилагаемого давления Tплав несколько ниже номинального значения) При больших прижимных усилиях из зоны контакта удаляется излишек расплавленного металла. Любопытно, что прочность стыков и швов при расплавлении ЗТВ и без расплава сравнима и в обоих случаях имеет высокие показатели. Другим сходством методов является появление на свариваемых деталях грата – небольшого утолщения в зоне шва (швов, стыков) характерного вида.
• Стыковая сварка оплавлением технологически реализована несколько иначе. Используя специализированный Kemppi аппарат сварочный или другое оборудование с возможностью длительной генерации небольших напряжений, на сближаемые заготовки подается сварочный ток и небольшое зажимное усилие – не более 50-70 Н. В отдельных местах свариваемых изделий между ними образуются перемычки из расплавленного металла, которые взрывообразно разрушаются ввиду перегрева. Достаточно быстро весь торец превращается в сплошной слой активного нестабильного расплава. Детектирование момента прекращения подачи тока происходит за счет автоматизированных датчиков, имеются достаточно совершенные конструкции сварочного полуавтомата с такой аппаратурой. Одновременно с обрывом тока расплавленные торцы сжимаются с большим усилием. Дальнейшее образование стыка аналогично стыковой сварке с локальным расплавом – из соединяемой зоны выдавливаются излишки жидкого металла вместе с поверхностными окисными пленками, образуется грат и надежный физический контакт между деталями.

Имеются и другие разновидности контактной стыковой сварки специализированного характера – с использованием токов сверхвысокой частоты (СВЧ-метод), создание сразу нескольких стыков на одной установке, работа оборудования на постоянном токе и др. Как и другие технологии, сварка контактно-стыковым методом должна обеспечить образование качественного и прочного физического контакта между заготовками, надежное удаление пленок из ЗТВ и получение стойких к внешним воздействиям стыков. Основой для решения этих задач является нагрев стыкуемых изделий – до состояния пластической деформации либо до перехода в фазу расплава.

1. Нагрев свариваемых деталей. Обеспечивает необходимую температуру в свариваемой и прилегающей (околошовной) зонах. Уровень прогрева должен быть достаточным для создания необходимой деформации или расплава. При реализации сварки сопротивлением теплота выделяется за счет активного электрического сопротивления металлов (закон Джоуля-Ленца). При использовании импульсов сварочного тока повышенной длительности интенсивность прогрева возрастает, что считается хорошим способом повысить эффективную мощность без дополнительных энергетических затрат. Метод длительных импульсов реализован в различном оборудовании для контактно-стыковой сварки, в том числе в kemppi аппаратах сварочных и других мощных промышленных установках премиальных брендов. При сварке оплавлением значимой характеристикой является скорость процесса. На практике хорошие результаты дает повышение скорости оплавления по мере развития сварочного процесса – это способствует устойчивости теплопередачи. Если площадь свариваемого сечения равна от 50 см2 до 100 см2, рекомендован предварительный подогрев деталей для облегчения оплавления и устранения температурных неравномерностей. Сечения большего размера сваривают посредством сварочного полуавтомата или автомата с программным регулированием рабочих параметров и/или функцией импульсного оплавления. Оборудование с возможностями импульсного оплавления сочетает поступательное движение давящей плиты с колебательным движением небольшой амплитуды (порядка 0.2 – 0.8 мм). Периодическое изменение величины зазора увеличивает температуру в ЗТВ всего на 15-20%, а расход энергии и время рабочего цикла сокращается в несколько раз.


2. Пластическая деформация стыкуемых изделий. Данный процесс обеспечивает: образование электрического контакта при начальной стадии сварочного процесса; удаление паразитных поверхностных пленок; создание физического контакта при финишном сжатии деталей; обеспечение равномерной прочности на значительных площадях в стадии осадки. Задачи достаточно сложные, особенно с учетом тонкости прогретого слоя металла в зоне стыка. В центральной области соединения сжатие изделий более эффективно, чем ближе к поверхности или торцам, тем значительнее силы температурного растяжения. Степень пластической деформации характеризуется наглядным параметром Кпл – коэффициентом площади: Кпл = Sконеч/Sнач Здесь Sконеч – конечная (послесварочная) площадь сечения торцов, Sнач – тот же параметр перед сваркой. При контактно-стыковой сварке сопротивлением Кпл может достигать четырех, при оплавлении – не более двух (что тоже немало, сечение ЗТВ возрастает в два раза) Для оценки пластической деформации можно использовать относительное линейное изменение заготовок. Это изменение должно обеспечить перекрытие зазора, вытеснение (выдавливание) размягченного металла из сварочной зоны и надежную деформацию (то есть смятие) образующихся кратеров. Линейное изменение напрямую зависит от конфигурации обрабатываемых поверхностей – например, с увеличением сечения изделий оно возрастает. Важной фазой всего процесса пластической деформации является цикл осадки (затвердевания и охлаждения). Усилие при осадке обозначается Fос и с ростом жаропрочности свариваемых материалов и увеличением площади стыков оно должно быть увеличено. Скорость осадки (соответственно Vос ) призвана обеспечить удаление окисных пленок, что в большей степени актуально при сварке без расплава – оплавление характеризуется надежной защитой стыков за счет высокотемпературных процессов в активной зоне. Для каждой конкретной сварочной установки, типов и состава соединяемых деталей Fос и Vос рассчитываются индивидуально и могут иметь довольно сложный график. Общим правилом является лишь возможность значительно снизить усилие сжатия в случае технологической допустимости предварительного прогрева перед оплавлением заготовок