Ремонт кузовов легковых автомобилей

6. Пайка, сварка и склеивание кузовных деталей

6.2.5. Контактная сварка

Контактная сварка — это сварка давлением с кратковременным нагревом места соединения, с оплавлением или без него, и с осадкой разогретых заготовок.

Суть контактной сварки заключается в следующем. Соединяемые заготовки прижимают друг к другу и пропускают через них электрический ток. Сопротивление электрическому току, которое обычно бывает максимальным в зоне контакта, приводит к местному нагреву заготовок. В зоне максимальных температур, часто превышающих температуру плавления материалов заготовок, образуется волна жидкого металла. При отключении электрического тока жидкий металл быстро затвердевает. В процессе сварки на заготовку воздействуют прижимающим усилием, поэтому контактную сварку относят к термомеханическому классу.

Область применения контактной сварки чрезвычайно широка: от крупногабаритных строительных конструкций до миниатюрных пленочных микросхем. В настоящее время около 30 % всех сварных соединений выполняют именно контактной сваркой. Сваркой этого вида можно соединять практически все известные конструкционные материалы, в том числе коррозионно-стойкие сплавы, сплавы на основе алюминия, титана.

Имеются следующие разновидности контактной сварки: точечная, стыковая и шовная.

Точечная сварка — наиболее распространенный способ. На ее долю приходится до 80 % всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ широко используют в автомобиле- и тракторостроении. Например, в конструкциях легковых автомобилей имеется до 5000 сварных точек.

Доля стыковой сварки (преимущественно оплавлением) составляет около 10 % общего объема работ, выполняемых контактной сваркой. Она успешно используется для соединения трубопроводов, железнодорожных рельсов, заготовок металлорежущего инструмента из быстрорежущих и конструкционных сталей.

Шовная сварка (до 7 % объема работ, выполняемых контактной сваркой) применяется при изготовлении герметичных емкостей из листового металла, в том числе топливных баков автомобилей и тракторов.

При точечной сварке сварное соединение получается между торцами электродов, передающих усилие сжатия. Точечная сварка (рис. 6.16) используется для соединения листовых заготовок толщиной от нескольких микрометров до 5...6 мм. Единственный тип сварного соединения — нахлесточный.

Рис. 6.16. Схема точечной сварки:
1 — свариваемые заготовки; 2 — медные электроды; 3 — электрододер-жатель; 4 — сварочный трансформатор; 5 — переключатель ступеней трансформатора; 6 — ядро

Точечная сварка включает три процесса: сжатие (рис. 6.17, а), подача электрического тока (рис. 6.17, б), удерживание (рис. 6.17, в).

Рис. 6.17. Принцип точечной сварки:
1, 3 — наконечники электрода; 2 — соединяемые металлические детали; 4 — сварная точка

При сварке такого вида свариваемые детали собирают внахлестку и зажимают между двумя электродами, подводящими ток большой силы (до нескольких десятков тысяч ампер) к месту сварки от трансформаторного источника переменного тока невысокого напряжения (3...8 В).

Детали нагреваются кратковременным импульсом тока до появления расплавленного металла в зоне контакта. Нагрев сопровождается пластической деформацией металла и образованием литого ядра (сварной точки). Количество теплоты, используемой при сварке, зависит от сопротивления между электродами и выделяется при прохождении тока непосредственно в деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Сопротивления самих электродов должны быть незначительными, так как выделяющаяся в них теплота не участвует в процессе сварки. В связи с этим сечение электродов выполняется относительно большим, а материал электрода обладает высокой тепло-и электропроводностью.

Сжатие и токоподвод осуществляются электродами либо с двух сторон соединения (двухсторонняя сварка), либо со стороны одной из деталей (односторонняя сварка). Односторонняя сварка используется редко, в основном тогда, когда затруднен доступ к одной из сторон соединения. При этом для увеличения плотности тока в зоне сварки под соединяемые детали подкла-дывают токоподводящую медную пластину.

При точечной сварке заготовки сваривают не по всей поверхности соединения, а в отдельных точках, соответствующих контактам с деталями стержней-электродов.

Теплота расходуется:

на образование расплавленного ядра точки;
потери в электроде;
общие потери в металл свариваемых заготовок;
потери в окружающую среду.

Во время сварки металл начинает плавится спустя 0,3...0,5 с с начала прохождения тока. Ядро возникает в области контакта заготовка — заготовка, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. Максимальная температура в ядре лишь на 15...20 % превышает температуру ликвидуса сплава. Температура в контакте электрод — заготовка быстро повышается и может достигать температуры плавления материала электрода. Поэтому прохождение тока осуществляется импульсами. Время сварки, т.е. продолжительность включения тока (t_св), — один из основных параметров режима точечной сварки. Значительное увеличение продолжительности непрерывного включения тока может вызвать перегрев металла и даже его выплеск.

Во время перерывов между включениями (_tп) вся зона сварки быстро охлаждается. Это позволяет удерживать температуру контакта электрод — заготовка на уровне 300...400 °С.

В зависимости от температуры плавления свариваемого материала (а значит, и общего количества необходимой теплоты), теплопроводности (отвод теплоты), электропроводности и других физико-механических свойств используются мягкие и жесткие режимы.

Мягкие режимы характеризуются значительной длительностью прохождения тока (t_ов > 0,1s, где s — толщина свариваемых заготовок, мм) при плотности тока 80...160 А/мм² контактной поверхности электрода при сварке низкоуглеродистой стали. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами. Скорость нагрева и охлаждения меньше, чем на жестких режимах.

Жесткие режимы характеризуются кратковременным мощным импульсом тока (t_ов < 0,02s) при плотности тока 160...400 А/мм². Температурное поле определяется преимущественно тепловыделением. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, при этом обычно увеличивается склонность к выплеску металла.

Силу сварочного тока при сварке низкоуглеродистой стали толщиной 1...3 мм ориентировочно можно вычислить по эмпирическому соотношению

Iсв = 6500s.

Режим точечной сварки определяется следующими параметрами: силой тока, длительностью его прохождения, усилием сжатия заготовок, диаметром контактной поверхности электродов. Ориентировочные режимы точечной сварки низкоуглеродистой стали приведены в табл. 6.3.

Механизм сжатия электродов выбирают в зависимости от мощности машины.

Таблица 6.3

Режимы точечной сварки низкоуглеродистой стали

Педальный привод механизма сжатия (рис. 6.18, а) применяется в машинах малой мощности. Давление педали 1 на электроды 2 передается с помощью системы рычагов и буферной пружины 3. Давление регулируют натягом пружины гайкой 4.

Рис. 6.18. Схемы механизмов сжатия точечных машин

Электромеханический привод (рис. 6.18, б) используется в машинах средней мощности. Электродвигатель 1 через редуктор 4 приводит во вращение кулачок 3 осадки, который, нажимая на буферную пружину 2, обеспечивает давление между электродами. Усилие сжатия регулируется пружиной.

Пневматический привод (рис. 6.18, в) применяется в машинах средней и большой мощности. Сжатый воздух, подаваемый в верхнюю часть цилиндра 1, давит на поршень 2 и опускает электрод 3. Для поднятия электрода воздух подается в нижнюю часть цилиндра.

Пневмогидравлический привод (рис. 6.18, г) обычно используется в сварочных клещах. Давление на электродах 5 создается с помощью воздушного цилиндра 2 и гидравлического (масляного) цилиндра 1. Для восполнения объема масла устанавливают маслонакопитель 3. Разжимаются электроды после снятия давления возвратной пружиной 4.

Точечную сварку можно осуществлять, используя односторонний подвод тока (односторонняя сварка).

Для точечного соединения тонколистовых кузовных панелей внахлестку применяются ручные аппараты контактной сварки, за характерный внешний вид получившие название «сварочные клещи» (рис. 6.19). Их можно использовать также для временной прихватки панелей кузова и сварки тонких прутков крест-накрест.

Рис. 6.19. Сварочные клещи

Конструктивно сварочные клещи представляют собой компактный сварочный трансформатор, снабженный рукояткой. Вторичная обмотка трансформатора заканчивается консольными держателями, в которых закрепляются электроды. Один из держателей обычно неподвижный, а другой имеет возможность перемещаться. Усилие сжатия создается рычажным механизмом.