Разработка процесса контактной электросварки

Контактная сварка - это процесс образования соединения в результате нагрева металла проходящим через него электрическим током и пластической деформации зоны соединения под действием сжимающего усилия.

Родоначальник контактной сварки - английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон самостоятельно разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н.Н.Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки.

Сущность способа точечной контактной электросварки заключалась в том, что к двум стальным пластинам, помещённым одна на другую, подводился ток с помощью специальных клещей (рис. 1), в которые были вставлены угольные электроды. Ток проходил через электроды, между которыми зажимались пластины, и выделившейся теплоты было достаточно для образования сварной точки.

Рис. 1. Клещи Бернадоса для контактной сварки

Одна из проблем в конце XIX в. - соединение телеграфных проводов. Эта проблема была решена с помощью стыковой контактной сварки. К 1884 г. Э. Томсоном созданы необходимые для контактной стыковой сварки элементы оборудования: коммутирующая аппаратура, динамо-машина для генерирования переменного тока, подаваемого на трансформатор большой удельной мощности, специальные токоподводящие зажимы. В 1885 г. он отрабатывает технику сварки, доводит до безотказной работы сварочную аппаратуру и в начале 1886 г. подаёт заявку на патент, защищающий принципиально новый способ электрической сварки.

Способ Томсона описывается так: «свариваемые предметы приводятся в соприкосновение местами, которые должны быть сварены, и через них пропускается ток громадной силы -до 200000 ампер при низком напряжении - 1-2 вольт. Место соприкосновения представит току наибольшее сопротивление и потому сильно нагреется. Если в этот момент начать сжимать свариваемые части и проковывать место сварки, то после охлаждения предметы окажутся хорошо сваренными». Проковка была не просто данью моде, не остатком прежней технологии, а приёмом, обеспечивающим повышение качества металла шва. Поскольку кроме нагрева применялось и механическое сдавливание, первоначально способ называли «электрической ковкой» или «безогненным методом сварки».

Первое устройство, выполняющее нагрев и сжатие двух проводов, состояло из двух рычагов, на одном конце соединённых шарниром из изоляционного материала, а с другого конца связанных пружиной через изоляционные втулки (рис. 2). В этих рычагах посередине зажимались свариваемые детали - провода, стержни и т. п.

Рис. 2. Схема первой установки для контактной сварки:
1 - шарнир; 2 - рычаги; 3 - зажим; 4 - свариваемые детали; 5 - стык; 6 - стопорный винт; 7 - пружина

В следующей установке был применен трансформатор с замкнутым контуром (рис. 3). На его первичную обмотку подавалось напряжение 600 В, и по ней протекал ток силой 20 А. Эта обмотка наматывалась на катушку диаметром 305 мм. Катушку охватывал и виток вторичной обмотки, концы которой подключались через зажимы к свариваемым деталям. По сварочной цепи протекал ток 12000 А при напряжении 1 В.

5
Рис. 3. Схема установки для контактной сварки, снабжённой трансформатором с замкнутым контуром:
1 - сердечник; 2 - первичная обмотка; 3 - виток вторичной обмотки; 4 - свариваемые детали; 5 - стык; 6 - пружина; 7 - стопорный винт

Э. Томсон сконструировал установку, в которой ток прерывался синхронно с прикладываемым усилием сжатия. Для развития больших усилий сжатия изобретатель разработал аппарат с гидравлической системой (следует напомнить, что механические и гидравлические системы широко применялись ещё в древних цивилизациях - китайской, вавилонской, египетской, греческой). Следующим шагом в развитии стыковой контактной сварки было применение импульсов тока и давления. По мере расширения сферы применения стыковой сварки совершенствовалась её технология и разрабатывались новые схемы нагрева. Были предложены несколько способов комбинированной (дуговой и контактной) сварки.

Ч. А. Коффин применил сварку стержней большого сечения с предварительным нагревом вибрирующей короткой дугой. Им же разработана технология сварки с промежуточной угольной пластиной - электродом, подключаемой ко вторичной обмотке и вставляемой на время разогрева между стыкуемыми деталями. В других устройствах между свариваемыми деталями помещали металлическую пластину, а ток подводили к концам деталей через угольные контакты. Пластину выбирали из материала с большим удельным электросопротивлением, чем у свариваемого металла, благодаря чему ускорялся нагрев. Перед сжатием вставку удаляли. Коффин предложил также пропускать магнитное поле через свариваемый участок, считая, что это вызовет структурные изменения, приводящие к уменьшению проводимости свариваемого металла, а следовательно, к ускорению нагрева.

Установки для контактной стыковой сварки часто называли «электрическими горнами». В 1892 г. Э. Райе использовал принцип контактной сварки в «кузнечном горне для ювелиров». Он предложил пластины, к которым нужно было приварить орнамент из проволоки, помещать на металлическую плиту, подводя к ней ток от вторичной обмотки сварочной машины. К началу XX в. относятся сообщения о применении фирмой «Фиат» контактной сварки для изготовления самолётных двигателей.

В 1928 г. фирма «Стаут метл эйрплэйн» (отделение фирмы «Форд мотор») использовала контактную сварку на линиях изготовления конструкций из дюралюмина. В начале 1930-х гг. в Америке была проведена серия статических и усталостных испытаний на образцах, а затем и на натурных моделях для определения возможностей применения контактной сварки конструкций из легких сплавов. Разработаны технология и оборудование, которые приняли в производство фирмы «Дуглас», «Боинг» и «Сикорски». В 1935 г. в США изготовлен монолитный цельносварной балочный фюзеляж.

Источник: В.А. Фролов, В.В. Пешков, А.Б. Коломенский, В.А. Казаков. "Сварка. Введение в специальность". - М.: 2004