Контактно-термическая сварка¶
Контактно-термическая сварка (КТС) — технологический процесс соединения деталей, при котором нагрев металла в зоне стыка осуществляется теплом, выделяющимся в контакте между свариваемыми заготовками и электродом (или между самими заготовками) при прохождении электрического тока. Метод относится к классу сварки давлением: после нагрева до пластического состояния или расплавления кромки соединяются сжатием. Термин «КТС» может также расшифровываться как «контактная термическая сварка».
¶Принцип работы
Основа контактно-термической сварки — явление Джоуля — Ленца. При прохождении электрического тока через точку контакта двух проводников сопротивление в этой зоне максимальное, поэтому выделяется наибольшее количество теплоты по формуле Q = I²Rt. Зона контакта нагревается до температуры, достаточной для пластической деформации (около 0,8–0,9 от температуры плавления) или полного расплавления металла, после чего заготовки сжимаются усилием, формируя сварное соединение.
Ключевые параметры процесса:
- сила сварочного тока;
- время нагрева (продолжительность импульса);
- усилие сжатия (кующее усилие);
- площадь и форма контактов.
¶Виды контактно-термической сварки
По характеру нагрева и способу формирования соединения различают несколько разновидностей КТС:
¶Контактная стыковая сварка
Свариваемые заготовки зажимаются в держателях и сближаются до касания, затем подаётся ток. Разделяют два режима:
- оплавление — кромки разогреваются до расплавления, формируется жидкая плёнка, после чего заготовки сжимаются;
- сопротивление (прессование) — нагрев и сжатие происходят одновременно, металл не расплавляется полностью.
Стыковая КТС широко применяется для сварки стержней, труб, прутков, рельсов и проволоки.
¶Контактная точечная сварка
Заготовки укладываются внахлёст и сжимаются двумя электродами, через которые подаётся кратковременный импульс тока. В месте контакта формируется сварное «точечное» ядро. Метод получил наибольшее распространение в автомобильной промышленности для соединения листового металла.
¶Контактная шовная сварка
Электроды-ролики перемещаются вдоль соединения, создавая последовательность перекрывающихся точек — сплошной шов. Используется для изготовления герметичных конструкций: баков, труб, цилиндров.
¶Контактная рельсовая сварка
Отдельный вид стыковой КТС, применяемый для сварки железнодорожных рельсов непосредственно на путях. Специальные передвижные сварочные машины (например, серий АРС — автоматические рельсосварочные) обеспечивают сварку рельсов типов Р50, Р65 и других в полевых условиях.
¶Оборудование
Аппарат контактно-термической сварки состоит из:
- сварочного трансформатора, понижающего напряжение сети и увеличивающего силу тока до нескольких тысяч ампер;
- системы сжатия (пневматической, гидравлической или механической), создающей усилие от нескольких килоньютонов до меганьютонов;
- электродов из медных сплавов (бронза, хромциркониевая медь), обладающих высокой электропроводностью и твёрдостью;
- блока управления, задающего последовательность «сжатие — ток — выдержка — отпуск».
¶Материалы и области применения
КТС эффективна для сварки низкоуглеродистых и легированных сталей, а также меди, алюминия и их сплавов. Для алюминия и медных сплавов из-за высокой электропроводности и оксидной плёнки требуется повышенная сила тока и специальная подготовка поверхности.
Основные отрасли применения:
- автомобилестроение (точечная сварка кузовных панелей — до 3000–5000 точек на один кузов);
- железнодорожное хозяйство (стыковая сварка рельсов);
- трубопроизводство (шовная сварка труб);
- приборостроение и электротехника.
¶Преимущества и ограничения
К достоинствам КТС относятся высокая производительность, отсутствие необходимости в присадочных материалах и защитных газах, лёгкая автоматизация, малые энергозатраты на единицу сварного соединения.
Ограничения метода: сложность сварки тонких и толстых заготовок одновременно, трудности при соединении разнородных металлов, необходимость жёсткого контроля параметров процесса, износ электродов.
¶Историческая справка
Контактная сварка была открыта в 1885 году русским инженером Николаем Николаевичем Бенардосом и практически реализована в 1886–1887 годах. В 1887 году русский инженер Виктор Доливо-Добровольский разработал способ сварки оплавлением. В 1892 году русский инженер Николай Славянов предложил метод контактной сварки сопротивлением. Развитие КТС в СССР тесно связано с работами ВНИИЭС (Всесоюзного научно-исследовательского института электросварки), где под руководством Евгения Патона разрабатывались автоматические линии контактной сварки для авиационной и автомобильной промышленности.
Источники:
- Патон Б. Е. «Сварка в космосе и на земле»
- Голубев А. Н. «Сварка и сварные конструкции»
- Кучеренко В. И. «Контактная сварка в машиностроении»
- Справочник «Технология сварки металлов» под ред. П. О. Марушко