/
Автор: Чулошников П.Л. Слиозберг С.К.
Теги: электротехника электроника сварка инженерия электросварка издательство машиностроение
Год: 1972
Текст
С. К. СЛИОЗБЕРГ
П. Л. ЧУЛОШНИКОВ
ЭЛЕКТРОДЫ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ
СВАРКИ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
ЛЕНИНГРАД 1972
УДК 621.359.482+ 621.791.76
Электроды для контактной сварки. Слиозберг С.К.,
Ч у л о ш н и к о в П. Л., Л., «Машиностроение». 1972 г.
96 стр. Табл. 16. Илл. 51. Библ. 30 назв.
В книге рассматриваются условия работы и требования,
предъявляемые к электродам точечных и роликовых
сварочных машин; разбирается влияние конструкции и
материала электродов на процесс формирования сварных
соединений и качество сварки; приводятся данные по раз-
работке сплавов для электродов и их свойства; дано опи-
сание различных конструкций электродов для точечных
и роликовых машин и рекомендации по технологии их
изготовления, эксплуатации, стойкости, контролю и
организации электродного хозяйства на предприятиях.
Книга рассчитана на широкий круг инженерно-тех-
нических работников сварочного производства, опа также
может быть полезна студентам сварочных специальностей
высших и средних учебных заведений.
3—12—6
73-72
Рецензент инж. Ю. Я- Дымкин
ПРЕДИСЛОВИЕ
Контактная электросварка в современном машиностроении ши-
роко используется в основном для соединения деталей и узлов тонко-
листовых конструкций различного назначения. Большое значение
для повышения производительности процесса и улучшения качества
и надежности сварных соединений имеют электроды, являющиеся
рабочим инструментом, осуществляющим непосредственную связь
машины со свариваемыми деталями. Поэтому вопросы, связанные
с влиянием электродов на процесс сварки, конструкцию, эксплуата-
цию и изготовление электродов, а также выбора наиболее стойких
материалов, представляют несомненный интерес для работников
сварочного производства. В промышленности до сих пор еще при-
меняются электроды из меди и малостойких сплавов, изготовляемые
непосредственно потребителями, что удорожает изготовление элек-
тродов и приводит к излишнему расходу меди и медных сплавов.
Однако, несмотря на очевидную важность указанных вопросов,
они не нашли должного освещения в литературе. В опубликованных
работах и главах различных монографий по контактной сварке нашли
отражение лишь отдельные стороны общей проблемы применения
электродов.
В настоящей книге сделана попытка комплексного рассмотрения
вопросов электродных сплавов, конструкции, технологии изготовле-
ния и эксплуатации электродов. Особое внимание уделено влиянию
электродов на формирование сварных соединений и их качество.
В книге рассматривается использование электродов при точечной
и роликовой сварке и не приводятся сведения об электродах рельеф-
ной и стыковой сварки, так как эти электроды по условиям их ра-
боты существенно отличаются от электродов точечных и роликовых
машин. В данной работе изложены в основном результаты работы
авторов в области электродов для контактной сварки.
1* з
Авторы выражают благодарность Э. М. Михайловой, предоста-
вившей для использования в настоящей книге ряд своих эксперимен-
тальных данных.
В книге использована система единиц МКГСС. Для перевода уси-
лий и напряжений в международную систему единиц СИ следует
кГ
обратиться к соотношениям: 1 кГ ««10 Н; «« 107 Па — 10 МПа.
I. ЭЛЕКТРОДЫ — РАБОЧИЙ ИНСТРУМЕНТ
СВАРОЧНОЙ МАШИНЫ
Условия работы электродов
Электроды и ролики являются инструментом, осуществляющим
непосредственный контакт машины со свариваемыми деталями.
Электроды в процессе точечной и роликовой сварки выполняют сле-
дующие основные функции: сжимают детали, подводят ток, отво-
дят тепло, выделяющееся в деталях при сварке, и перемещают де-
тали (при роликовой сварке). Форма и размеры рабочей поверхности,
контактирующей с деталями, и вся конструкция электродов в целом
оказывают значительное влияние на качество сварных соединений и
производительность процесса.
При точечной и роликовой сварке электроды нагреваются до вы-
соких температур за счет тепла, выделяющегося непосредственно
в них при протекании тока, и за счет передачи тепла от свариваемых
деталей. Расчеты показывают, что при точечной сварке алюминие-
вых сплавов в каждом из электродов выделяется 10—15% общего
тепла, расходуемого на сварку.
Многочисленные исследования показали, что в контакте элек-
трод—деталь на рабочей поверхности электродов могут развиваться
температуры до 750° С при точечной сварке сталей и до 400° С при
сварке легких сплавов (при роликовой сварке эти температуры еще
выше), а удельные давления могут достигать 40 кПмм? (при сварке
жаропрочных и проковке легких сплавов).
Характерной особенностью условий работы электродов является
циклический характер действия температур и давлений (рис. 1).
При точечной сварке на относительно жестких режимах с малым
темпом (25—30 течек!мин) за время паузы электрод обычно охлаж-
дается до исходной температуры. При сварке с большим темпом
(100—150 точек!мин), а также при использовании мягких режимов
температура на рабочей поверхности электродов за время пауз
лишь снижается до некоторого значения. Максимальные рабочие
температуры в электродах значительно превосходят температуру ре-
кристаллизации сплавов, применяемых для изготовления электродов,
а иногда при сварке некоторых металлов (молибден, тантал) дости-
гают температуры плавления. Циклические нагревы и охлаждения
электродов при протекании тока усугубляются их водяным охлажде-
Б
нием (внутренним или наружным), что вызывает образование до-
полнительных термических напряжений.
Напряжения, возникающие под действием усилия сжатия, мо-
гут значительно превышать предел текучести металла электродов.
Электроды подвергаются также и действию нагрузок изгиба, воз-
никающих при использовании фигурных электродов, неправильной
установке и сдвиге электродов, вследствие деформации элементов
механического контура сварочной машины. Металл рабочей части
роликов кроме напряжений сжатия испытывает напряжения сдвига,
возникающие при передвижении свариваемых деталей.
Под действием усилия и высокой температуры в металле рабочей
части электродов возникает неравномерная пластическая деформа-
Рис. 1. Характер изменений^, то-
ка Ice, усилия Fcg и температуры
рабочей поверхности электродов 7°
в процессе точечной сварки с боль-
шим темпом
ция, которая приводит к его нерав-
номерному разупрочнению. Металл
рабочей части подвержен сложному
воздействию ползучести, термической
усталости и динамических нагрузок
низкой частоты (малоцикловой уста-
лости). В металле электродов могут
также иметь место упругая и пласти-
ческая деформации при переменном
нагружении, отдых и рекристалли-
зация, коагуляция избыточных фаз,
окисление поверхности и, наконец,
разрушение. Эти явления, протекая одновременно, влияют друг
на друга и усложняют оценку поведения металла.
Цикличность изменения нагрузки и температуры, ускоряя ре-
кристаллизацию металла и коагуляцию упрочняющей фазы, также
обычно увеличивает скорости ползучести и, кроме того, вызывает
усталость металла, в том числе и термическую. Поскольку рабочие
напряжения сжатия в электродах при- высоких температурах пре-
восходят предел текучести материала, циклическое нагружение про-
исходит в области малых долговечностей. Окисление рабочей поверх-
ности электродов, увеличивая сопротивление контактов электрод—•
деталь, приводит к еще большему нагреву металла при прохождении
тока. В результате периодического нагружения при ползучести в ме-
талле электродов могут образовываться микротрещины. Наличие
микротрещин ползучести, вызывая концентрацию напряжений, ус-
коряет образование усталостных трещин, а те, в свою очередь, спо-
собствуют разрушению при ползучести, а именно: быстрому износу
и увеличению исходного диаметра рабочей поверхности электродов
(в случае электродов с плоской поверхностью).
При использовании жестких режимов сварки, когда максимальные
температуры не превосходят 0,4ТЛЛ (где Тпл — температура плав-
ления металла электродов), на отдельных участках рабочей по-
верхности электродов сначала наблюдаются следы скольжения,
а затем'При продолжении сварки — образование трещин как вну-
тридеренных, так главным образом и межзеренных.
6?
При сварке на мягких режимах, а также в случае большого темпа
сварки, когда максимальная температура достигает 0,7Т„л, после
сравнительно небольшого количества сварок (2—3 тыс.) появляются
межзеренные трещины, которые по мере увеличения числа свари-
ваемых точек значительно развиваются и углубляются (рис. 2, а).
В процессе эксплуатации электродов имеет место измельчение и ре-
кристаллизация исходного зерна металла около рабочей поверх-
ности (рис. 2, б).
Чем менее теплопроводен материал электрода, тем больше пере-
пад температуры и неравномерное распределение напряжений по
сечению электродов и тем вероятнее, образование трещин на рабочей
Рис. 2 Структура металла рабочей части электродов после эксплуа-
тации: с — бронза .Бр.НБТ; б — бронза Бр.Х
поверхности. Ряд опытов показал, что сопротивление образованию
трещин выше у более пластичных металлов, несмотря ра ид понижен-
ные прочностные характеристики.
Следует отметить, что трещины в электродах, как правило, обра-
зуются после увеличения диаметра контактной поверхности элект-
рода при сварке более чем на 20%, т. е. после сварки 1,5—2 тыс. то-
чек, и поэтому при правильной эксплуатации электродов (своевре-
менной переточке) не отражаются на их стойкости.
Измерение твердости металла рабочей поверхности электродов
после сварки 10 000 точек показывает, что в центральной ее части
разупрочнение проявляется в большей степени, чем на периферии
(рис. 3, а). Это объясняется более низкой температурой в периферий-
ной зоне, а также возможным повышением твердости металла за счет
наклепа при пластической деформации. Разупрочнение металла ра-
бочей части электрода распространяется на относительно большую
глубину (рис. 3, б), что свидетельствует о наличии некоторого разу-
прочнения рабочей поверхности даже после переточки электродов.
Специфической особенностью работы электродов при сварке лег-
ких сплавов является налипание свариваемого металла на рабочую
поверхность электродов и потемнение поверхности деталей в резуль-
тате интенсивного перехода металла электрода на деталь. Как пра-
вило, при точечной и роликовой сварке алюминиевых и магниевых
7
Электрод
Рис. 3. Изменение твердости металла "рабо-
чей части электрода после эксплуатации:
а — на рабочей поверхности электрода из
Бр.Х; 6—по оси электрода на расстоянии I
от рабочей поверхности:
1 — Бр.Х; 2 — сплав Си— Cr—Zr—Ti
сплавов взаимное загрязнение поверхностей электродов и сваривае-
мых деталей происходит раньше, чем увеличение исходных (началь-
ных) размеров рабочей поверхности электродов и роликов.
Указанные эксплуатационные условия работы электродов служат
основой требований к электродным сплавам.
Одним из основных требований, предъявляемых к электродным
сплавам, является их высокая прочность при повышенных темпера-
турах. Через электроды контактных машин протекают токи большой
величины, например при то-
чечной; сварке алюминиевых
сплавов плотность тока в сред-
ней части электродов может
достигать 250—300 а!мм\
Поэтому от материала, ис-
пользуемого для электродов
и роликов, требуется также
высокая электропроводность
(особенно при сварке легких
сплавов). При сварке некото-
рых легких сплавов с низкой
коррозионной ^стойкостью
(магниевые сплавы) следы
меди по поверхности точек и
роликовых щвов вообще не
допускаются. В таких слу-
чаях металл электродов должен обладать низкой способностью к диф-
фузии и схватыванию с металлом свариваемых деталей.
При выборе электродных сплавов в каждом отдельном случае
следует решать, какому свойству необходимо отдавать предпочте-
ние или каково должно быть соотношение этих свойств. При сварке,
например, нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов решающее
значение имеет жаропрочность и жаростойкость материала; в слу-
чаях сварки легких сплавов —электропроводность и низкая способ-
ность взаимного переноса металла; при сварке углеродистых и низ-
колегированных сталей — удачное их соотношение. В табл. 1 при-
ведены требования к основным свойствам сплавов для электродов
различного назначения, определяемые ГОСТом 14111—69, норма-
лями машиностроения МН 116—60 и международными стандартами.
Однако, как показывает опыт, указанные общие требования к ма-
териалами электродов еще не позволяют в большинстве конкретных
случаев выбрать лучшие материалы или дать обоснованные реко|-
меидации для их разработки. I
Исследования, а также практика эксплуатации показали, что
стойкость электродов, под которой понимается способность сохра-
нять размеры и форму рабочей поверхности, а при сварке легких
сплавов, кроме того, — противостоять переносу металла электро-
дов на свариваемые детали и загрязнению поверхности электродов,
зависит от режима и темпа сварки, свойств и толщины свариваемых
Таблица 1. Требования к основным свойствам электродных сплавов
Класс сплавов Наименьшая электро- проводность сплава по отношению к электро- проводности стандарт- ной отожженной меди в % Наименьшая твердость НВ 1 Рекомендуемое применение электродов
I 80 95 Для сварки легких сплавов
II 75 120 Для сварки углеродистых и низколегированных сталей
щ 45 180 Для сварки нержавеющих и жаропрочных сталей
металлов, структуры и свойств металла электродов, а также от их
конструкции и условий охлаждения.
Оценить влияние режимов и условий сварки на стойкость электро-
дов наиболее удобно, выбрав «обобщенный» параметр—температуру,
которая устанавливается на рабочей поверхности электродов в ис-
следуемых условиях.
При температурах (0,6-^-0,7) Тпл, т. е. при сварке, например,
нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, применении мяг-
ких режимов или при высоких темпах сварки доминирующим про-
цессом, определяющим стойкость электродов, по-видимому, будет
ползучесть, контролируемая диффузией. При более низких темпера-
турах — (0,4ч-0,5) Тпл, — развивающихся на рабочей поверхности
электродов, при сварке на жестких режимах, легких сплавов или
отдельными точками при длительных перегревах наряду с ползу-
честью большую роль играют процессы термической и малоцикловой
усталости. Поэтому к материалу электродов, предназначенных для
работы при высоких температурах, предъявляются повышенные
требования по сопротивлению ползучести, т. е. более высокой жаро-
прочности, в частности одночасовой горячей твердости и длитель-
ной прочности. В связи с этим для изготовления электродов жела-
тельно иметь металл с.более крупным зерном, так как при высоких
температурах более стойким против ползучести будет крупнозерни-
стый материал с повышенной жаропрочностью. Так как при цикли-
ческих нагревах образуются внутризеренные и главным образом,
межзеренные трещины металл должен обладать высокой пластич-
ностью при повышенных температурах, как л^чше сопротивляю-
щийся термической усталости. При точечной сварке легких сплавов
более высокая стойкость наблюдается у электродов с мелким зер-
ном, высокой электропроводностью и не содержащих в своем составе
поверхностно-активных элементов, взаимодействующих со сваривае-
мыми материалами путем диффузии и схватывания.
9 -
Основные типы электродов
Рис. 4. Элементы конструкции
электродов и роликов
э
Электроды и ролики состоят из следующих частей: рабочая часть,
часть, обеспечивающая соединение с машиной, и средняя (основная)
часть. Каждая часть электродов в процессе работы выполняет вполне
определенные функции.
Рабочая часть обеспечивает непосредственный контакт (электри-
ческий и механический) электрода со свариваемыми деталями и
имеет рабочую поверхность 1 (рис. 4), форма и размеры которой яв-
ляются важной технологической характеристикой электрода (ро-
лика). В настоящее время наиболее распространены две формы ра-
бочей поверхности: плоская (цилин-
дрическая у роликов) и сферическая.
Плоская рабочая поверхность у элек-
тродов определяется диаметром da,
цилиндрическая у роликов — шири-
ной f, сферическая — радиусом /?,
(рис. 4). Необходимо также отметить,
что, так как площадь контакта ро-
лик—деталь зависит кроме / и R3
от диаметра ролика, значение Dp
(или радиус ролика /?р) также яв-
ляется характеристикой рабочей
поверхности.
Средняя часть электродов как бы соединяет рабочую и посадоч-
ную части и определяется диаметром Ds (у роликов толщиной а).
ГОСТом 14111—69 на прямые электроды установлены следующие раз-
меры D3‘. 12, 16, 20, 25, 32 и 40 мм. В зависимости от максимального
усилия электродов машины Fg (в кГ) диаметр средней части может
быть определен из соотношения D3 = (0,4-^0,6) Fg. Средняя часть
обычно используется для закрепления соответствующих инструмен-
тов, применяемых при съеме электродов.
Части электродов и роликов, обеспечивающие их соединение
с элементами вторичного контура машины, должны удовлетворять
требованиям надежной передачи сварочного тока и усилия сжатия
У электродов для точечной сварки эти функции в подавляющем боль-
шинстве случаев выполняет конусная посадочная часть 3 (рис. 4, о),
хотя не исключаются и другие виды соединений (на резьбе, по цилин-
дрической поверхности и т. п.). У роликов указанные выше функции
обычно выполняют различные их части: основной электрический кон-
такт с машиной обеспечивается поверхностью 3 (рис. 4, б),
а передачу усилия сжатия выполняет внутренняя поверхность 4.
Однако могут встречаться случаи, особенно в машинах с малыми
токами, когда передачу усилия сжатия и подвод тока осуществ-
ляет внутренняя цилиндрическая поверхность ролика, который
является неприводным.
В целях получения хорошего электрического контакта (низкое
сопротивление), а в электродах также герметичного соединения, со-
10
Рис. 5. Основные типы прямых
электродов
единительные поверхности должны быть обработаны не ниже V7
и не должны иметь механических повреждений, следов окислов и
других загрязнений. х
Так как конусная посадочная часть электродов является продол-
жением их средней (основной) части, то конусность прямых электро-
дов назначается исходя из их диаметра. По ГОСТу 14111—69 для
диаметров электродов 12, 16, 20, 25 мм принята конусность 1 : 10,
а для диаметров 32 и 40 мм в целях удобства съема электродов —
1 : 5. Указанные размеры конусов следует применять и при изго-
товлении непрямых (фигурных) электродов, так как посадочные от-
верстия электрододержателей сварочных машин имеют аналогичные
размеры (см. табл. 14).
Внутренняя частьбольшинства элек-
тродов для точечной сварки имеет ка-
нал (рис. 4, а) для подачи охлажда-
ющей воды. Внутри охлаждающего
канала находится трубка, по которой
поступает вода. Диаметр охлаждающего
канала d0 определяется необходимым
для охлаждения расходом воды (при
заданном давлении в сети) и достаточ-
ной прочностью электрода. В зависи-
мости от диаметра электрода диаметр
канала d0 = (0,5—0,6)Г)Э. Расстояние h
от рабочей поверхности до дна охла-
ждающего канала оказывает значительное влияние на эксплуата-
ционные характеристики электродов (стойкость, число точек
до полного износа). По опытным данным следует выполнять h =
- (0,75-0,8)
В зависимости от конфигурации средней части электроды для то-
чечной сварки подразделяются на прямые и фигурные. Прямые элек-
троды выполняются с симметричным расположением рабочей поверх-
ности (типы 1—6, 11, рис. 5) и со смещенной или скошенной рабочей
поверхностью (типы 7—10, рис. 5). Прямые электроды типов 1—8
и И) изготавливаются в соответствии с ГОСТом 14111—69, который
предусматривает два исполнения средней части: гладкое без лыски
и с лыской под ключ съема электродов.
К фигурным относятся электроды, у которых ось, проходящая
через центр рабочей поверхности, значительно смещена относительно
оси посадочной части. Наибольшее распространение имеют прямые
электроды, которые используются при сварке деталей, имеющих сво-
бодные подходы для электродов. Однако в ряде сложных конструк-
ций с применением фигурных электродов выполняется до 60%
сварных точек.
Наконец, при точечной и роликовой сварке используется еще один
вид электродов — специальные, к которым относятся: самоустанав-
ливающиеся (качающиеся) электроды — электроды, выполняющие
роль .промежуточных токопроводящих вставок, электроды-цанги,
11
применяемые при роликовой сварке мелких деталей, и некоторые
Другие.
Следует отметить, что высокое качество и надежность соединений
и требуемая производительность процесса точечной и роликовой
сварки могут быть достигнуты только при условии оптимального
сочетания свойств металла электродов, конструкции, формы и раз-
меров их рабочей поверхности, а также правильной эксплуатации.
II. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОДОВ КОНТАКТНЫХ МАШИН
Принципы легирования сплавов для электродов
Условия работы электродов контактных сварочных машин опре-
деляют требования, предъявляемые к их материалам. Электроды
в сварочных машинах являются токоподводящими деталями и по-
этому должны изготавливаться из материалов с высокой электро-
проводностью. Вместе с тем к электродам предъявляются требования
обеспечения и достаточной прочности, особенно при повышенных тем-
пературах. Однако достаточные прочностные свойства в сочетании
с высокой электропроводностью обеспечивает далеко не каждый ма-
териал.
Основу современных сплавов для электродов контактных машин
составляет медь. Но медь, имея высокую электропроводность, обла-
дает недостаточной прочностью уже при температуре 150—200° С.
Это делает нецелесообразным применение чистой меди для электро-
дов.
Характер и процесс деформирования металла при комнатной и
высоких температурах существенно отличаются друг от друга.
При нормальных и умеренно повышенных температурах пластиче-
ская деформация обычно происходит путем сдвига, и поэтому все
искажения кристаллической решетки, особенно по границам зерен
и блоков, препятствуют сдвигам и способствуют упрочнению сплавов.
При пониженных температурах искажение строения кристалли-
ческой решетки и особенно по границам зерен ведет к упрочнению
сплавов, при высоких же температурах границы зерен, блоков и
кристаллов часто являются очагами разупрочнения сплавов. В меж-
кристаллитных зонах потенциальная энергия атомов больше, чем
в самой решетке, и именно здесь при высоких температурах уси-
ленно начинают развиваться диффузионные процессы разупрочнения,
и разрушение металла происходит по границам зерен. При высоких
температурах так называемые диффузионные механизмы пластич-
ности приобретают решающее значение, и в этом случае наряду со
структурными особенностями сплава большую роль начинает играть
прочность межатомных связей в кристаллических решетках отдель-
ных фаз сплава.
L Способом повышения твердости и прочности медных сплавов
могут служить: холодная деформация, легирование элементами,
12
дающими с основным металлом, твердый раствор, упрочнение сплава
при старении за счет выделения из пересыщенного твердого раствора
мелкодисперсной фазы, а также введение в сплав элементов, образую-
щих по границам зерен тугоплавкие включения в виде сетчатого или
скелетообразного каркаса.
Упрочнение путем холодной деформации и легирования металла
элементами, входящими в твердый раствор, связано с искажениями
кристаллической решетки основного металла и повышением сопротив-
ления сдвигам при пластической деформации. Термомеханическая
обработка 1 упрочняет сплав за счет гетерогенизации структуры и
выделения избыточных дисперсных фаз. Введение в сплав элемен-
тов, образующих по границам зерен сетку твердых включений, за-
трудняет течение металла по границам зерен и существенно повышает
жаропрочность сплавов.
При невысоких температурах эксплуатации (до 0,3—0,4 абсо-
лютной температуры плавления сплава) действуют все перечисленные
факторы упрочнения. При температурах порядка , (0,3-^-0,5) ТПА
в сплавах начинают развиваться диффузионные процессы, и действие
механического упрочнения (холодная деформация — наклеп) почти
исчезает. Упрочнение от образования твердого раствора также за-
метно ослабевает при повышении температуры, хотя и медленнее,
чем механическое упрочнение. Особенно резко упрочнение от обра-
зования твердого раствора уменьшается при нагреве до температуры
порядка (0,5-:-0,6) Тпл.
Для получения жаропрочных сплавов наиболее перспективным
является легирование основного металла элементами, обладающими
переменной и весьма ограниченной растворимостью в нем, уменьшаю-
щейся при понижении температуры. При отпуске из пересыщенного
твердого раствора, полученного в результате закалки легированного
такими элементами металла, выделяется в мелкодисперсном состоя-
нии избыточная фаза, упрочняющая сплав. Максимальной жаро-
прочностью обладают сплавы, где упрочнение вызывается наличием
на границах зерен твердых включений второй фазы, в которой не
развиваются диффузионные процессы и не идут процессы обмена
атомами с основным металлом. Эти условия достигаются, если из-
быточной фазой является химическое соединение и особенно в трех-,
четырех компонентных системах, когда второй фазой будет тугоплав-
кое сложное соединение, не содержащее металла растворителя.
Наиболее благоприятной формой выделения второй фазы для
повышения жаропрочности при высоких температурах является
сетчатый или скелетообразный характер ее расположения по гра-
ницам зерен. Такие фазы обычно выделяются при кристаллизации
у литых сплавов, и поэтому эти сплавы обладают высокой жаропроч-
ностью. Сетчатый характер выделений в литых сплавах уничтожается
1 Под термомеханической обработкой понимается сочетание операций пласти-
ческой деформации и термообработки в одном технологическом процессе, причем
пластическая деформация является промежуточной операцией и влияет на кинетику
или механизм фазовых и структурных изменений при последующем старении.
13
при деформации сплава; при этом образуются изолированные вклю-
чения, которые даже облегчают течение основного металла. Литые
материалы ооладают способностью сохранять свою прочность при
нагреве и особенно при длительной нагрузке. Однако литые сплавы
с гетерогенной структурой при низких температурах имеют пони-
женные значения прочности и пластичности, поэтому их применение
для электродов ограничивается.
Как уже было ранее отмечено, особенностью условий работы элек-
тродов является циклический характер воздействия на них темпера-
тур и усилий. В металле на рабочем торце электродов проходят про-
цессы ползучести, термической и малоцикловой усталости, которые
приводят к ускоренному износу контактной поверхности, образова-
нию внутризеренных и главным образом межзеренных трещин.
Естественно, что эти процессы, в свою очередь, приводят к неко-
торому уточнению и дополнению требований, предъявляемых к ма-
териалам электродов.
Исследования поведения металла электродов при сварке и вы-
полненные расчеты показывают, что при высоких температурах —
(0,6-r-G,7) Тпл — доминирующим процессом, определяющим износ
торцов электродов при сварке, является ползучесть, причем дефор-
мация от ползучести составляет до 80% общей деформации кон-
тактной поверхности электродов.
Между ползучестью р некоторыми физико-механическими свойст-
вами чистых металлов имеется качественная связь. Установлена,
например, зависимость жаропрочности металла от таких свойств,
как температура плавления, начала и конца рекристаллизации,
модуля упругости, коэффициента линейного расширения, энергии
активации самодиффузии и др. Чем выше перечисленные свойства
(за исключением коэффициента линейного расширения, здесь об-
ратная зависимость), тем обычно прочнее межатомные силы связи
в решетке и тем выше жаропрочность металла.
Многие исследователи указывают на влияние величины зерна
на сопротивление ползучести различных металлов и сплавов. Это
связывается в первую очередь с ролью границ зерен, которые при
низких температурах представляют препятствия для пластической
деформации, а при высоких, наоборот, способствуют деформации и
разупрочнению металла пограничных зон. Поэтому при повышенных
температурах более высокое сопротивление ползучести имеют ма-
териалы-с крупным зерном, а при низких температурах—мелко-
зернистые.
При циклических нагревах в связи с резким перепадом темпера-
тур создается неравномерное распределение напряжений по сече-
нию электрода, которое' при малопластичном материале может при-
вести к образованию трещин. Перепад температур увеличивается
интенсивным охлаждением электродов проточной водой. Чем менее
теплопроводен материал, тем естественно больше перепад темпера-
тур и вероятнее образование трещин на контактной поверхности.
Исследования показали, что сопротивление термической усталости
14
выше у более пластичных металлов, даже при их пониженных проч-
ностных характеристиках. На крупнозернистом металле наблюдается
более раннее появление трещин, свидетельствующее о его пониженном,
сопротивлении пластическим деформациям при высоких темпера-
турах.
В условиях малоцикловой усталости 1 механизм разрушения не-
сколько отличается от усталостного разрушения для больших долго-
вечностей: разрушения пр и малых циклах нагрузки сходны с разруше-
ниями статического разрушения и отличаются от типичных усталост-
ных разрушений. Было найдено, что для долговечностей менее 5000
циклов сопротивление переменной деформации хорошо соответствует
пластичности металла, характеризуемой удлинением при испыта-
ниях на статическое растяжение. Эта закономерность применима для
меди и других пластичных металлов. У меди в области малоцикло-
вой усталости трещины зарождаются по границам зерен; наличие
включений усиливает тенденцию к межзеренному зарождению тре-
щин.
В условиях быстрого нагрева и нагружения материал может вы-
держать за одинаковый промежуток времени более высокое макси-
мальное напряжение или достигнуть без разрушения более высокой
максимальной температуры, чем образец, находящийся под действием
стационарной нагрузки и постоянной температуры. При быстрых
нагревах и нагружениях большее значение, по-видимому, имеют
инерционные эффекты механического или металлургического проис-
хождения .
На процесс пластической деформации при ползучести большое
влияние оказывают возврат и рекристаллизация. Рекристаллизация
ускоряет ползучесть вследствие уменьшения внутренних напряжений.
При циклическом нагружении процессы рекристаллизации еще более
ускоряются.
В связи с этим одним из факторов, определяющих стойкость ма-
териалов для электродов, является температура их рекристаллиза-
ции и поэтому введение в сплавы легирующих добавок, повышающих
эту температуру, оказывает весьма благоприятное влияние. Так, на-
пример, установлено, что добавка 0,1—0,2% серебра повышает тем-
пературу рекристаллизации меди на 100—150° С при снижении элек-
тропроводности всего лишь на 1%. Поэтому серебро добавляется
в медь, когда от материала требуется высокое сопротивление разу-
прочнению при повышенных температурах в сочетании с высокой
электропроводностью.
Простейшим способом повышения сопротивления ползучести
поликристаллических материалов является введение в основу раст-
воримых добавок. Добавление, растворимых элементов в матрицу
может увеличить стабильность выделившихся частиц, затрудняя их 1
1 Под малоцикловой усталостью принято понимать разрушение металлов при
высоких напряжениях и малых циклах нагружения, что характерно для условий
работы электродов контактных машин.
15
Рис. Электронномикроскопическая
структура сплава Бр.НБТ после закалки
и старения. X 11 000
растворение и замедляя диффузию элементов, содержащихся в мат-
рице. Растворимые примеси могут адсорбироваться преимущественно
по границам зерен и снижать энергию межзеренных границ, увеличи-
вая склонность к межзеренному разрушению. Однофазные сплавы
обычно не обладают достаточной прочностью при сложных условиях
работы, и высокая прочность в большинстве случаев обеспечивается
применением многофазных систем, содержащих хотя бы вторую фазу,
выделившуюся во время старения.
На сопротивление ползучести сильно влияет размер выделившихся
частиц, их распределение, степень когерентности и объемная доля
второй фазы. При повышенных температурах влияние дисперсной
фазы связано также со стабиль-
ностью ее размеров и состава.
Для получения оптимальной
структуры, обеспечивающей
высокое сопротивление ползу-
чести, необходимо подобрать
сочетание состава частиц дис-
персной фазы и матрицы таким
образом, чтобы соблюдались
не только оптимальные размеры
и распределение частиц, но и
максимальная степень стабиль-
ности структуры.
Относительно крупные ок-
ругленные частицы нерастворен-
ного при закалке или скоагулированного при высоких температурах
упрочнителя, расположенные на границах зерен, по-видимому,
могут явиться очагами зарождения межзеренных трещин (рис. 6).
Более интенсивное выделение второй фазы в областях, претерпев-
ших значительную деформацию, вызывает у дисперсионно твердею-
щих сплавов появление хрупкости и преждевременное разрушение.
В литературе, особенно зарубежной, отмечается, что малые до-
бавки легирующих элементов оказывают благоприятное влияние
на свойства сплавов. А. Келли и Р. Никлсон, например, рассматри-
вают влияние на свойства бинарных сплавов очень малых добавок
этих элементов (0,01—0,1%). На основе работ Харди с сотрудни-
ками, исследовавших влияние малых добавок на свойства алюминие-
вых сплавов, результаты которых авторы считают возможным приме-
нять и для других сплавов, делаются выводы о зависимости числа
мелкодисперсных выделений от присутствия малых добавок. Они
считают, что влияние малых количеств примесей может сильно
понизить скорость диффузии растворенного элемента и способство-
вать зарождению выделений промежуточных типов. На алюминие-
вых сплавах было показано, что при введении малых добавок можно
получить заметное улучшение прочностных и пластических характе-
ристик металла. Поскольку частицы выделяющихся фаз становятся
более дисперсными, свободные от выделений области, расположенные
16
у границ зерен, исчезают. Эти же выводы справедливы и для медных
сплавов.
Проводившиеся исследования показали, что на сопротивление
ползучести благоприятное влияние оказывают малые добавки ле-
гирующих элементов, которые повышают температуру рекристалли-
зации и механические свойства сплавов. Они увеличивают стабиль-
ность выделившихся частиц, затрудняя их растворение и замедляя
прохождение диффузионных процессов. Было отмечено, что первые
малые добавки оказывают значительно большее воздействие на умень-
шение скорости диффузии, чем последующие, а комбинации несколь-
ких легирующих элементов повышают воздействие каждого из них.
Таким образом, учитывая все вышеизложенное, можно сформу-
лировать принципы выбора материалов для электродов точечных и
шовных контактных машин.
1. В соответствии с ранее установленными положениями и имею-
щимися стандартами в зависимости от материала свариваемых
изделий сплавы для электродов должны обладать определенными
соотношениями электропроводности и твердости.
2. Повышенной электропроводностью, как правило, обладают
медные сплавы, упрочняемые холодной деформацией и содержащие
небольшое (до 1%) количество таких легирующих элементов, как
серебро, кадмий, в незначительной степени снижающих электро-
проводность меди.
3. Высокую жаропрочность имеют медные сплавы, в которых
избыточная фаза тугоплавка, имеет сложный состав и строение кри-
сталлической решетки, не содержит металла-растворителя.
4. При сварке жаропрочных материалов или на режимах, сопро-
вождающихся большим тепловыделением, желательно иметь ма-
териалы с более крупным зерном, так как при высоких температурах
более стойким против ползучести будет крупнозернистый материал
с повышенной жаропрочностью. При более низких температурах,
наоборот, более стойкими окажутся материалы с мелким зерном.
5. Температура рекристаллизации сплавов служит одним из
показателей стойкости электродов. Чем выше температура рекри-
сталлизации, тем при прочих равных условиях будет выше и стой-
кость электродов при сварке.
6. В связи с образованием при циклических нагревах внутри-
зеренных и главным образом межзеренных трещин для электродов
следует по возможности выбирать металл с высокой пластичностью
при повышенных температурах, как лучше сопротивляющийся тер-
мической усталости.
7. Установлено, что повышению жаропрочности и сопротивлению
ползучести способствует введение в металл малых легирующих
добавок различных элементов.
8. Наибольший эффект на упрочнение сплавов оказывает введе-
ние легирующих элементов, имеющих малую и переменную раство-
римость в основе, причем влияние легирующих элементов на свойства
сплава увеличивается при комплексном легировании.
17
Влияние легирующих элементов на свойства
медных сплавов
С целью повышения свойств меди ее легируют различными эле-
ментами и в качестве электродных материалов применяют сплавы,
которые по способу достижения необходимых свойств можно раздет
лить на две группы:
1) материалы, у которых повышение прочностных свойств дости-
гается только за счет холодной деформации;
2) дисперсионно твердеющие сплавы, свойства которых обеспе-
чиваются за счет термической и механической обработок.
Рис. 7. Влияние примесей и доба-
вок на электропроводность меди
(А. П. Смирягин):
а — влияние примесей; б — влия-
ние добавок
Примеси ряда элементов как попадающие при плавке, так и
специально вводимые в качестве легирующих добавок в сплавы,
в той или иной мере сказываются на физико-механических и техноло-
гических свойствах меди и ее сплавов и, в первую очередь, на пони-
жении электропроводности (рис. 7). f
Незначительно снижают электропроводность меди малые до-
бавки только некоторых элементов, например серебра, кадмия,
магния, хрома, циркония и др. Эти же добавки, образуя с медью
ограниченные твердые растворы, повышают ее прочность и твер-
дость. Серебро, кадмий и магний дают с медью твердые растворы со
сравнительно высокой предельной концентрацией (при температуре
эвтектики предельная растворимость серебра в меди — 8,8%, кад-
мия — 2,7%, магния — 2,8%). Сплавы меди с небольшим содержа-
нием серебра, кадмия и магния (до 1,0%) принадлежит к термически
необрабатываемым и упрочняются только за счет холодной дефор-
мации.
В наименьшей степени снижают электропроводность меди малые
добавки серебра, но по пределу прочности и твердости при комнат-
ной и повышенных температурах сплавы меди с серебром уступают
медным сплавам с другими элементами.
18
Серебро заметно повышает температуру рекристаллизации меди
и сопротивление ползучести и поэтому является весьма ценным леги-
рующим элементом высокоэлектропроводных медных сплавов.
Значительное распространение как легирующий элемент провод-
никовой меди получил кадмий, который незначительно снижает
электропроводность меди, но повышает ее прочностные свойства.
Заменителем кадмия может быть магний, но так как магний снижает
электропроводность меди в большей степени по сравнению с сереб-
ром и кадмием, то его вводят в сплав не более 0,3%. Исследования
медно-магниевых сплавов показали, что сплав, содержащий 0,1 —
0,3% магния, равноценен по свойствам стандартной кадмиевой бронзе
с 0,9—1,2% кадмия. Весьма эффективной оказалась присадка к медно-
магниевому сплаву бора. Бор способствует размельчению зерна;
малые добавки бора (до 0,02%) в двойные медные сплавы увеличи-
вают прочность металла при сохранении пластичности. В качестве
материала для электродов был предложен сплав меди с магнием и
бором, содержащий магния до 0,3% и бора до 0,1%.
Практически используемые как проводниковые и жаропрочные
сплавы меди с серебром, кадмием и магнием относятся к материалам,
у которых необходимые свойства достигаются только за счет холод-
ной деформации. Более высокие механические свойства и, в част-
ности, жаропрочность могут быть достигнуты у дисперсионно
твердеющих сплавов, упрочняемых термомеханической обработкой.
За характеристику жаропрочности может быть принята длитель-
ная одночасовая твердость при повышенной температуре, предложен-
ная А. А. Бочваром, как простой и быстрый способ оценки свойств
металлов при высоких температурах и, притом, дающий хорошую
корреляцию с испытаниями на ползучесть.
На рис. 8 по данным М. В. Захарова показано влияние добавок
ряда элементов на твердость меди для температур 20, 500 и 800° С.
При комнатной и умеренных температурах большая часть добавок
увеличивает твердость меди, при повышенных температурах характер
влияния отдельных элементов несколько изменяется.
При высоких температурах (свыше 0,5—0,6 Тпл) только неболь-
шое число добавок повышает жаропрочность растворителя. К ним
относятся такие добавки: 1) которые имеют высокую температуру
плавления, незначительно понижают температуру плавления раство-
рителя; 2) делают твердый раствор более диффузионно устойчивым,
т. е. повышают температуру рекристаллизации и модуль упругости
сплава; 3) образуют тугоплавкие и сложно построенные жаропроч-
ные избыточные фазы, обычно не содержащие металла растворителя.
К этим положительно действующим добавкам относятся переходные
элементы периодической системы Менделеева с недостроенными
внутренними электронными оболочками. Применительно к электрод-
ным сплавам такими элементами являются цирконий, кобальт,
хром, титан и др.
В качестве материалов для электродов контактных машин приме-
няются сплавы меди с хромом, цирконием, хромом и кадмием,
2* - 19
хромом и алюминием, хромом и магнием и с различными добавками
малых количеств элементов к этим системам.
Необходимые механические свойства, жаропрочность и высокая
электропроводность в этих сплавах достигаются термомеханической
обработкой: закалкой, холодной деформацией и отпуском. В резуль-
тате старения (отпуска) в металле выделяется мелкодисперсная из-
быточная фаза, упрочняющая сплав.
Рис. 8. Влияние добавок на твердость меди
(М. В. Захаров): а — влияние добавок на
твердость меди при температуре 20° С; б —
влияние добавок на длительную твердость
меди при температуре 500е С; в — влияние
добавок на длительную твердость меди при
температуре 800° С
Особенно характерным^ элементами, упрочняющими сплав в ре-
зультате термомеханической обработки, являются хром и цирконий.
Хром и цирконий образуют с медью системы с очень ограниченной
растворимостью элементов (рис. 9). Предельная растворимость хрома
при температуре эвтектики составляет около 0,65%, а циркония около
0,11—0,15%.
С понижением температуры растворимость хрома и циркония
в меди уменьшается, что является основой для термической обра-
ботки сплава и последующего увеличения его твердости через дис-
персионное твердение. Для перевода этих элементов в твердый рас-
твор сплав нагревается до температуры, близкой к эвтектической и
затем резко охлаждается. При этом будет зафиксирован метаста-
бильный пересыщенный твердый раствор. Выделение хрома и цир-
20
• \
кония из пересыщенного твердого раствора в дисперсном состоянии
значительно увеличивает твердость и электропроводность сплава.
Это выделение происходит в процессе отпуска. Обработка закален-
ного сплава давлением увеличивает нестабильность твердого раствора
и способствует более полному распаду его при отпуске, поэтому твер-
дость сплава повышается, если до отпуска материал подвергнуть
холодной деформации на 40—50%.
В системе медь—цирконий упрочняющей фазой, выделяющейся
при пониженной температуре, является тугоплавкое соединение
Cu3Zr (температура плавления 1115° С).
а)
Рис. 9. Угол диаграммы состояния сплавов: а — Си—Сг; б—Си—Cr—Zr
При невысоких температурах мелкодисперсные метастабильные
фазы могут сохраняться длительное время и медленно переходить
в стабильную фазу, отвечающую равновесному состоянию. Степень
устойчивого состояния и медленный процесс коагуляции мелко-
дисперсной избыточной фазы являются признаком длительного
сохранения высокой жаропрочности сплава. Чем сложнее химиче-
ский состав твердых растворов и избыточных фаз, тем медленнее
в них протекают реакции коагуляции и, следовательно, тем выше
температурный предел относительно устойчивого их состояния.
Кроме перечисленных элементов в медь для легирования вводят
бериллий, никель, кобальт, алюминий, титан и некоторые другие.
Бериллий образует с медью ограниченные твердые растворы с пере-
менной растворимостью. Сплавы меди с бериллием, называемые
бериллиевыми бронзами, упрочняемые при термической обработке,
обладают высокими прочностными свойствами, но очень ограничен-
ной электропроводностью. Обычно в двойные медно-бериллиевые
сплавы добавляют кобальт, никель и за счет снижения содержания
бериллия добиваются более высокой электропроводности. Кобальт
и никель с бериллием образуют соединения типа СоВе и NiBe.
Алюминий в небольшом количестве существенного влияния на
механические свойства и обработку меди не оказывает, однако он
сильно понижает электропроводность и теплопроводность меди.
21
Алюминий резко уменьшает окисляемость меди при комнатной и по-
вышенных температурах. В электропроводные медные сплавы он
вводится в небольших количествах и как самостоятельный легирую-
щий элемент значения в этом случае не имеет.
Титан также вводится в электродные сплавы в очень небольшом
количестве. Он резко понижает электропроводность сплава. Однако,
по имеющимся литературным данным, добавки титана в сплав эф-
фективно действуют на торможение ползучести, повышают пласти-
ческие свойства сплава и,
кроме того, титан является в известной
мере модификатором, способствуя
размельчению зерна. Все эти эле-
менты, вводимые в медь, могут обра-
зовать химические соединения, выде-
ляющиеся при термической обработке
в виде дисперсных избыточных фаз.
Тугоплавкие избыточные фазы
сложного состава сильно повышают
жаропрочность сплава. Такими избы-
точными фазами применительно к ме-
ди являются: СоВе; NiBe; NiSi и др.
На рис. 10 показан угол квазибинар-
ного разреза Си—NiBe диаграммы
состояния тройной системы Си—
Ni—Be (штриховой линией показана
предположительная линия раствори-
мости). Упрочняющие фазы в этих
системах, располагаясь по границам
зерен в виде крупных включений
или по всей матрице в виде мелких
включений, существенно увеличивают
особенно при повышенных темпера-
Рис. 10. Угол квазибинарного
разреза Си—NiBe диаграммы со-
стояния системы Си—Ni—Be
прочность и твердость сплава,
турах. Однако следует иметь в виду, что относительно крупные ча-
стицы упрочняющей фазы, расположенные по границам зерен твер-
дого раствора, могут являться и очагами зарождения межзеренных
трещин.
Кроме специальных легирующих элементов в меди в качестве
примесей могут присутствовать попадающие при плавке висмут,
сурьма, мышьяк, железо, свинец, сера и другие элементы, влияние
которых на свойства сплавов необходимо учитывать. В зависимости
от марки меди их содержание несколько изменяется.
Висмут в меди является весьма вредной примесью. При небольших
количествах его медь разрушается при горячей обработке давлением,
а при повышенном содержании медь делается хрупкой и в холод-
ном состоянии. Сурьма отрицательно сказывается на пластичности
металла, понижая электропроводность и теплопроводность его,
Мышьяк не оказывает заметного влияния на механические и техно-
логические. свойства меди, но сильно понижает ее электропровод-
ность и теплопроводность, повышает температуру рекристадлиза-'
22
Ций и жаростойкость меди, а Также парализует вредное влияние вис-
мута, сурьмы и кислорода и поэтому иногда вводится даже как ле-
гирующий "элемент.
Железо измельчает структуру металла, задерживает рекристал-
лизацию, повышает прочность, снижает пластичность, электропро-
водность, теплопроводность и коррозионную устойчивость. Свинец
не растворяется в меди и твердом состоянии и не сказывается на
электропроводности и теплопроводности меди. Он улучшает обраба-
тываемость меди резанием, однако при горячей обработке давлением
медь, содержащая примеси свинца, легко разрушается. Сера заметно
снижает пластичность при горячей
и холодной обработке давлением.
Таким образом, большинство этих
примесей является вредными и их
содержание ограничивается соответ-
ствующими нормами.
Как уже ранее указывалось, повы-
шение свойств сплавов может быть
достигнуто за счет холодной дефор-
мации, термической и термомехани-
ческой обработки. При холодной
деформации за счет наклепа проч-
ность чистой меди, например, может
быть повышена с 20—25 до 40—
45 кГ/jkm2. Термомеханическая обра-
ботка существенно увеличивает проч-
ностные характеристики дисперси-
онно-твердеющих сплавов. Однако
при термомеханической обработке не-
обходимо считаться с возможностью
ускоренной коагуляции выделив-
Рис. 11. Изменение одночасовой
горячей твердости хромовой бронзы
термически необработанной, в со-
стоянии поставки (сплошная кри-
вая) и после термомеханической
обработки (штриховая кривая)
шихся упрочняющих фаз при высоких температурах. Так, широко
применяемая в качестве электродного сплава бронза Бр.Х обычно
подвергается термомеханической обработке, состоящей?из закалки,
холодной деформации и отпуска, после которой структура металла
представляет твердый раствор с равномерно распределенными дис-
персными выделениями хрома. Проведенные измерения одночасовой
горячей твердостисплаваБр.Х с0,61%хромав двух состояниях (после
отжига и термомеханической обработки) показали, что в интервале
300—530° С твердость больше у сплава, прошедшего ТМО, а выше
530° С—'У отожженного (рис. 11). Разница в горячей твердости
связана с различной структурой металла у сплавов в разных со-
стояниях. Дисперсные выделения хрома, равномерно распределен-
ные в матрице сплава, прошедшего ТМО, препятствуют его разупроч-
нению до определенной температуры, когда намечается их заветная
коагуляция, и сопротивление деформации сплава падает. При 5$0° С
сплавы обладают равной твердостью, а выше ее — большая твердость
будет у отожженного сплава с крупным зерном и с заранее.скоагу-
23
9
ЛйрОвайными включениями хрома. Большая прочность крупно-
зернистого металла при высоких температурах характерна для ме-
таллов и при ползучести.
О. С. Мнушкин и М. И. Замоторин вводили в хромовую бронзу
небольшие добавки мишметалла (РЗМ). Ими было установлено, что
редкоземельные металлы, введенные в небольших количествах (до
0,5%), практически не растворяются в меди и не снижают электро-
проводности хромовой бронзы после термической обработки на мак-
симальную твердость, в то же время жаропрочность сплава, содержа-
щего 0,2—0,5% мишметалла, выше, чем двойного сплава Си—Сг.
Повышенная жаропрочность сплава объясняется образованием проч-
Рис. 12. Окисление медных сплавов при
температуре 700° С
С увеличением? плотности окисной
кого каркаса из эвтектики
Си—Сг — РЗМ по границам
зерен.
При высоких температурах
электродные сплавы могут ин-
тенсивно окисляться, образуя
на торце электродов пленку.
Окисление рабочей поверхности
электродов, увеличивая кон-
тактное сопротивление, приво-
дит к еще большему разогреву
металла при прохождении сва-
рочного тока и тем самым к его
разупрочнению. С другой сто-
роны, образующийся на торце
электрода окисел, предохраняет
металл от дальнейшего окисле-
ния в обычной воздушной среде.
пленки повышаются
ее
связь
с металлом и защитные свойства. Поверхностные пленки оказывают
также заметное влияние и на механические свойства и ползучесть
материалов. Их влияние может быть связано с блокированием
источников дислокаций, выходящих на поверхность, или с. сопро-
тивлением выходу дислокаций. Таким образом, поверхностные
пленки могут повышать сопротивление ползучести.
М. В. Захаров изучал влияние небольших количеств добавок
на жаростойкость меди при высоких температурах. Им было показано,
что твердые растворы меди с бериллием, алюминием и магнием окис-
ляются примерно в 1,5—2 раза меньше, чем медь (рис. 12). Защит-
ное действие окислов увеличивается по мере повышения их темпера-
туры плавления, теплоты образования и электросопротивления и
уменьшения упругости диссоциации. Так, температура плавления
и теплота образования окислов магния, циркония, бериллия и алю-
миния соответственно равны >2800J С и 290 ккал/моль, ~2700° С
и 178 ккал/моль, 2550° С и 275 ккал/моль, 2050° С и 252 ккал/моль.
Как видно из приведенного, при создании сплавов для электро-
дов необходимо учитывать и роль элементов, способствующих обра-
24
зованию окисных пленок на металле электродов, и вводить их в ка-
честве легирующих в электродные сплавы для повышения жаро-
стойкости. Особенно важно это для материалов электродов при то-
чечной и роликовой сварке алюминия и его сплавов. Перенос меди
на поверхность деталей вызывает их интенсивную коррозию, а за-
грязнение электродов алюминием приводит к необходимости частых
зачисток, снижению производительности и большому расходу ма-
териала электродов. Ю. И. Симонов объясняет причины взаимного
переноса металла деталей и электродов процессами диффузионного
характера. При сварке легких сплавов наличие неравномерной
пленки окислов на контактирующих поверхностях является и при-
чиной неправильной формы ядра сварных точек, поэтому поверх-
ность деталей при сварке алюминия и его сплавов тщательно зачи-
щают механическим путем или специальной химической очисткой.
Введение в состав электродных сплавов элементов, которые обес-
печивают сравнительно длительную работу без так называемого
прилипания электродов к поверхности деталей весьма существенно.
Опыты показали, что присадка серебра и магния в медь способство-
вали увеличению числа сваренных точек без потемнения поверхности
изделий. В то же время наличие в электродных сплавах присадок
хрома приводило к сравнительно быстрому прилипанию электродов.
Интенсивное развитие порошковой металлургии в СССР и за ру-
бежом привело к значительному расширению номенклатуры при-
меняемых в промышленном масштабе порошков цветных металлов
и изготовлению из них ряда изделий. Материалы, изготовленные
методом порошковой металлургии при повышенных температурах,
обладают несколько более высокими механическими свойствами по
сравнению с компактными металлургическими, что объясняется
микроскопической пористостью спеченных материалов. Считается,
что основной причиной повышения механических свойств является
окисная пленка на поверхности частиц порошка, которая сохраняется
в процессе спекания и затрудняет рекристаллизацию подобно дис-
персным включениям, препятствующих движению дислокаций и
затрудняющих протекание процесса собирательной рекристалли-
зации. Влияние температуры на механические свойства пористых
материалов в общем аналогично компактным материалам.
У пористых образцов по сравнению с компактными наблюдается
несколько повышенная скорость ползучести, что. объясняется не
столько пористостью образцов, сколько возможным неравновесным
состоянием. Однако пористые металлические материалы обладают
высокой термостойкостью, так как поры увеличивают сопротивле-
ние материала тепловым ударам.
По физико-механическим свойствам металлокерамическая медь
близка к монолитной и характеризуется более высокими значениями
предела прочности и твердости при повышенных температурах
(табл. 2).
Исследования микроструктуры монолитной и металлокерамиче-
ской меди показали, что при приблизительно равном размере зерна
25
/
Таблица 2. Свойства монолитной и металлокерамической меди
Медь Плотность в г!см* Удельйое эле- ктросопроти- f вление в ом/ммя/ч Коэфф ИДи С.-1. линейного рас- ширения (20— 100° О 106-1'° Механические свойства при температуре в ° С (<уг{ в кГ[мм* и НВ)
20 120 250 300 350 400
НВ НВ НВ НВ НВ НВ
Металлурги- ческая 8,9 0,018 16,8 30 95 24 80 23 75 22 68 19 40 13 —
Металлокера- мическая 8,8 0,020 16,1 30 75 28 67 28 60 26 57 23 49 21 —
в исходном состоянии после нагрева до 300° С в течение 24 ч размер
зерна в металлургической меди существенно увеличивается, а в ме-
таллокерамической он остается практически без изменения. Это,
по-видимому, связано с отмеченной выше задержкой процессов ре-
кристаллизации.
Сравнение свойств при комнатной и повышенной температурах
кадмиевой бронзы, изготовленной методами обычной металлургии
и порошковой, показали приблизительно одинаковые свойства обоих
материалов (табл. 3) Микроструктура обоих материалов показана
на рис. 13.
Таблица 3. Свойства монолитной и металлокерамической кадмиевой бронзы
Кадмиевая бронза • Электро- провод- ность в % от Си Твер- дость НВ при 20° С Одночасовая горячая твердость НВ при температуре в ° С
300 3S0 400 БОО
Металлургическая 94 118 68 — 18 9
Металлокерамическая 91 101 60 30—32 16 9
Отечественной промышленностью с помощью порошковой метал-
лургии выпускаются медновольфрамовые материалы, содержащие
25% меди и 75% вольфрама. Эти материалы обладают высокой твер-
достью (НВ 200—220) и применяются в качестве вставок в электродах
для точечной и рельефной сварки и для губок стыковых машин.
Иностранными фирмами методом порошковой металлургии из-
готовляются различные материалы—элконайты — продукт спекания
тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена) или их карбидов
с медью. Эти материалы имеют электропроводность от 20 до 45%
от меди, предел прочности до 95 кГ/мм2 и твердость, доходящую до’
490 (для случая спекания меди с карбидом вольфрама). За границей
освоен выпуск специальных материалов на орнове порошков серебра
26
С вольфрамом, молибденом йлй их карбидами. с)ти материалы имеют
сравнительно невысокий предел прочности (25—50 кГ/мм*), электро-
проводность 40—60% от отожженной меди и твердость 150—200.
Комбинации тугоплавких металлов с высокоэлектропроводными
дают плотные твердые материалы, обладающие большой износостой-
костью и высокой прочностью при повышенных температурах в соче-
тании с хорошей тепло- и электропроводностью.
Наряду с дисперсионно-упрочняемыми материалами, в порошко-
вой металлургии начинают применяться новые материалы, упрочняе-
мые металлическими волокнами. Создаются материалы, представ-
Рис. 13. Микроструктура металла кадмиевой бронзы метал-
лургической (а) и металлокерамической (б)
ляющие композицию из мягкой матрицы и высокопрочных волокон,
армирующих матрицу. В композитном материале основную нагрузку '
воспринимают волокна, а матрица передает лишь нагрузку от одного
волокна к другому. В случае возникновения трещины при разруше-
нии волокна, она будет гаситься мягкой матрицей.
Высокая прочность волокнистых материалов связана с исполь-
зованием пластического течения матрицы и нагружением всех во-
локон композиции. Такие материалы должны обладать высокой тер-
мической стойкостью. Основные закономерности поведения металли-
ческих материалов с непрерывными волокнами были установлены на
композиции медь—вольфрам. Первые опыты применения волокнистых
композиционных материалов для электродов контактных машин
не дали пока удовлетворительных результатов. По-видимому, это
было связано с недостаточно удовлетворительным качеством материа-
лов и отработанной технологией их изготовления, представляющей
еще много принципиальных и технологических трудностей. Однако
ожидаемые преимущества от использования таких материалов в не-
далеком будущем несомненно приведут к интенсивным научным по-
искам и созданию стойких материалов па основе высокопрочных во-
локон.
27
III. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ
ЭЛЕКТРОДНЫЕ СПЛАВЫ И ИХ ПРОИЗВОДСТВО
Основные марки электродных сплавов
В промышленности применяется большое количество самых раз-
нообразных материалов, рекомендуемых для электродов контактных
сварочных машин.
В зависимости от назначения электродные сплавы делятся йа три
класса. Для сварки легких сплавов, имеющих высокие электро-
н теплопроводность, необходимы электроды из материалов с повы-
шенной электропроводностью. Для сварки нержавеющих сталей
и жаропрочных сплавов основными требованиями, предъявляемыми
к электродам, являются их высокая твердость при комнатной и
повышенных температурах и жаропрочность. Сварка наиболее ши-
роко применяющихся малоуглеродистых и конструкционных сталей
требует электродных сплавов, обладающих средними значениями
твердости и электропроводности.
Выпускаемые в настоящее время в СССР промышленные сплавы
для электродов приведены в табл. 4.
Исследования и опыт эксплуатации показали, что при сварке
легких сплавов лучшей стойкостью обладают электроды с высокой
электропроводностью и упрочняемые, как правило, холодной де-
формацией. Эти материалы по содержанию легирующих элементов
можно разделить на две подгруппы: с содержанием присадок 0,1—
0,3% и около 1%. Наиболее широкое применение в качестве высоко-
электропроводного материала для электродов точечных и шовных
контактных машин нашла кадмиевая бронза, содержащая 0,9—1,2%
кадмия. Ее физико-механические свойства и технологические харак-
теристики приведены в табл. 5.
Согласно техническим условиям завод гарантирует поставку
прутков со свойствами, не ниже указанных в табл. 6.
Для изготовления электродов кадмиевая бронза должна приме-
няться обязательно в нагартованном (наклепанном) состоянии с твер-
достью не ниже 95. В связи с этим получаемые прессованные прутки
подвергаются холодной деформации со степенью обжатия не менее
40—50%.
Более электропроводным материалом для электродов контактных
машин является сплав меди с малыми присадками серебра (—0,1%).
Этот сплав, предназначенный в основном для изготовления коллек-
торных пластин, содержит серебра от 0,07 до 0,12%, выпускается
в виде квадрата 80x80 мм и круглых тянутых прутков с таким же
содержанием серебра. Твердость прутков НВ должна быть не менее 95.
Некоторые свойства медно-серебряных сплавов приведены в табл. 7.
К высокоэлектропроводным электродным сплавам относится и
отечественный сплав Мц5Б, упрочняемый в результате термомехани-
ческой обработки. Сплав Мц5Б, разработанный М. В. Захаровым,
В. М. Годиным и В. М. Дмитриевым, содержит 0,25—0,45% хрома,
28
Т а б г и ц а 4. Сплавы, выпускаемые для электродов контактных машин
Материал Содержание ле- гирующих эле- ментов Сортамент Основное назна- чение
Кадмиевая бронза Bp.Kgl (МК) 0,9—1,2% Cd Прутки круглые тя- нутые диаметром: 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 26, 30 мм; прессо- ванные диаметром 40, 45, 50,.55, 60, 70, 80, 90, 100, НО, 120 мм Для точечной и шовной сварки легких сплавов
Медь с при- садкой серебра MCI 0,07—0,12% Ag Прутки круглые диа- метром 20, 25, 32, 40 мм Для точечной сварки легких сплавов
Хромовая бронза Бр.Х 0,4—0,7% Cr Прутки круглые, не- термообработанные тя- нутые диаметром 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40 мм; прессованные диаме- тром 45, 50, 55, 60, 70, 80,90, 100, ПО, 125, 160, 170 мм Для точечной сварки углероди- стых, низколеги- рованных сталей и титана >
Хромовая бронза Бр.Х 0,4—1,0% Cr Полосы термообрабо- танные толщиной 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 и шириной от 100 до 400 мм Плиты термообрабо- танные толщиной 25, 26, 35, 38, 45, 48, 55, 60 и диаметром от 400 до 730 мм Для шовной сварки углероди- стых низколеги- рованных сталей и титана Для шовной сварки и диско- вых электродов трубосварочных станов
Никеле-берил- лиевая бронза Бр.НБТ 1,4—1,6% Ni; 0,2—0,4% Be; 0,05—0,15% Ti Плиты термообрабо- танные толщиной 14, 16, 20, 24 , 29 мм цилиндрические заго- товки литые диаметром 100 и 200 мм. Прутки диаметром 16, 20, 25 лш Для точечной и шовной сварки нержавеющих сталей, титана, для губок стыко- вых машин
Никеле-крем- ниевая бронза Бр.НК 1,5- 0,5 Элконайт ВМ 1,2—2,3% Ni; 0,3—0,8% Si 20—30% Cu; 80—70% W Слитки диаметром 200 и 175 мм длиной 1200 мм Цил индр ические прессованные заготовки диаметром 8, 28 и 36 мм, пластины 40 X X 40X50 и 15Х15Х X 15 мм Для хоботов то- чечных и шовных машин, губок сты- ковых машин Вставки в элек- троды для точеч- ных, шовных ма- шин и в губки стыковых машин
29
Таблица 5. Физико-механические свойства и технологические
характеристики кадмиевой бронзы Бр. Ка1
Свойства Значения Примечание
Физические
Верхняя критическая точка в °C 1076
Плотность в е/сл43 8,9
Коэффициент линейного расширения ссео-юо Ю6 17,6
Теплопроводность в кал!см сек° С 0,82
Удельное электрическое сопротивле- ние в ом ммг/м 0,0207
Электропроводность при 20° С в % от Си 85-95
Температура начала рекристаллиза- ции в °C 350
Механические
Модуль нормальной упругости в кГ/мм2, 12 600
Предел прочности при растяжении в кГ!мм2 25—28 40—50 Отожженный Деформированный
Предел текучести в кПмм? 8 35 Отожженный Деформированный
Относительное удлинение в % 40—55 1,5—6 Отожженный Дефор мир ованн ый
Твердость по НВ 60 95—115 Отожженный Деформированный
Т ехнологические характеристики -
Температура литья в °C 1150
Температура горячей обработки в °C 780—800
Таблица 6. Механические свойства прутков из кадмиевой бронзы
Способ изготовления прутков Диаметр прутков в лш Предел проч- ности при растяжении в kF/jwjk2 Относитель- ное удлине- ние в % Твердость НВ
не менее
ь 6—10 40 5
Тянутые ...12—26 40 5 ПО
30 35 6 95
Прессованные 40—120 20 30 50
30
Таблица 7. Некоторые физико-механические свойства меди
с присадками серебра
Свойства Значения Свойства Значения
Плотность в г!см* Удельное электриче- ское сопротивление в ом мм*!м Электр оп роводн ость при 20° С в % от Си Температура начала рекристаллизации в °C * В деформированном с< 8,89 0,0200 97—99 360 □ СТОЯНИИ . Модуль нормальной упругости в кПмм* Предел прочности при растяжении в кПмл? Предел текучести в кПмм2 Относительное удли- нение в % Твердость НВ 12 700 35 * 25 12—15 95—100
0,2—-0,35% кадмия, остальное — медь; обеспечивает электропровод-
ность не менее 85% от стандартной отожженной меди и твердость
не ниже 110 после термомеханической обработки. Для получения
оптимальных свойств сплава Мц5Б рекомендуется закалка с темпера-
туры 940—960° С в воде, холодная деформация 50—60% и отпуск
при температуре 470—490° С в течение 4 ч. Предел прочности этого
сплава при комнатной температуре составляет 40—42 кПмм\ уд-
линение 24%, твердость 110—120; при температуре 600° С — одно-
часовая твердость НВ 25—26. Предел сточасовой прочности о100
при 300° С составляет 30 кГ/мм2, при 500° С — 7 кГ/мм2. Температура
начала рекристаллизации 370° С. Этот сплав, изготовленный в пре-
делах своего химического состава, обеспечивает высокую'стойкость
электродов и хорошее качество сварки. Сплав Мц5Б применяется
при точечной сварке легких сплавов на ряде предприятий, но изгото-
вляется, как правило, самими заводами—потребителями электродов.
Высокоэлектропррводными и также упрочняемыми термомехани-
ческой обработкой являются сплавы меди с добавками 0,1—0,3%
циркония. Сплавы меди с цирконием известны достаточно давно,
они имеют электропроводность до 90—95% от электропроводности
меди, предел прочности 42—50 к77лш2, твердость при комнатной тем-
пературе 125—130, а одночасовую твердость при 600° С — 20—25.
Предел длительной сточасовой прочности при температуре 300° С для
сплава с 0,37% Zr— 31 кПмм\ при 500° С— 12 кГ/мм2. Температура
начала рекристаллизации медно-циркониевого сплава этого состава
480° С, что составляет 0,56 Тпд. Как видно из приведенных данных,
цирконий существенно улучшает свойства меди, особенно при повы-
шенных температурах. Для получения необходимых свойств сплав
должен подвергаться закалке с температуры 960—-980° С в воде, хо-
лодной деформации 40—50% и последующему отпуску при 460—
470° С в течение 4—5 ч. Режимы термической обработки несколько
31
уточняются в зависимости от химического состава сплава. Сплавы
меди с цирконием как электродный материал в СССР распростра-
нения пока не получили, по-видимому, из-за несколько сложной
технологии их изготовления, связанной с плавкой в вакуумных пе-
чах.
Предложенный М. В. Захаровым и другими низколегированный
тройной хромо-циркониевый сплав Мц5А, содержащий 0,2—0,4% Сг,
0,10—0,25% Zr, остальное — медь, можно изготовить методом от-
крытой плавки. После обработки по режиму закалка—наклеп —
отпуск электропроводность сплава с 0,2% Сг, 0,21 % Zr составляет
92% от меди. Его предел прочности 46 кГ/мм?t удлинение 22% и
НВ 114. Предел длительной сточасовой прочности при температурах
300 и 500° С соответственно равен 39 и 14 кГ/мм*. Испытания элек-
тродов из сплава Мц5А, проведенные на отдельных заводах, показали
его высокую стойкость при сварке легких сплавов.
Из высокоэлектропроводных материалов для электродов контакт-
ных машин в зарубежной практике применяются кадмиевая бронза
с содержанием кадмия около 1 %, медь с присадками серебра до 1 %,
теллура 0,6—1%, циркония 0,15—0,25%, гафния, гафния и цир-
кония, циркония и мышьяка. В ряде случаев в кадмиевую бронзу,
а также в сплавы меди с серебром и теллуром дополнительно вводят
малые присадки отдельных элементов, например фосфора, который
несколько повышает температуру рекристаллизации сплава. Пере-
чень сплавов этого класса, выпускаемых и применяемых за г-раницей,
их химический состав и свойства приведены в табл. 8 по данным фир-
менных проспектов и каталогов.
Основным легирующим элементом большинства отечественных и
зарубежных электродных сплавов II класса с более высокими меха-
ническими свойствами является хром.
Хромовая бронза нашла широкое применение как материал для
электродов контактных машин при точечной и шовной сварке угле-
родистых и низколегированных сталей. Свойства- хромовой бронзы,
как, впрочем, и других сплавов, определяются ее химическим соста-
вом, технологией изготовления и термической обработкой. Твер-
дость термически необработанной хромовой бронзы составляет
100—ПО, а электропроводность порядка 70% от стандартной отож-
женной меди. Для повышения свойств сплава проводится термо-
механическая обработка: закалка с температуры 980—1000° С,
охлаждение в воде, холодная деформация 40—50% и отпуск при
температуре 460° С. После такой обработки твердость НВ хромовой
бронзы может быть повышена до 140—150, а электропроводность
до 80—85% от электропроводности меди.
Хромовая бронза промышленностью выпускается в виде прутков,
плит и полос. Плиты и полосы поставляются в термически обработан-
ном состоянии (после закалки, холодной деформации — проката
и отпуска), а прутки — после горячей деформации (волочения или
прессования). В технических условиях на полосы и плиты содержание
хрома ограничивается до 0,4—1%, а на прутки до 0,4—0,7%. Содер-
32
J
Т а’б лица 8. Зарубежные материалы электродов контактных точечных машин
для сварки легких сплавов (по фирменным или литературным данным)
Страна, наименование (тип) сплава Содержание ле- гирующих эле- ментов в % Электро- провод- ность в % от Си Твер- дость НВ Предел проч- ности в кГ/лш2 Темпера- тура ре- кристал- лизации в ° С
США (Меллор и)
Элкалой А 1,0 Cd 90 125 45 350
Электрслой Z 0,15 Zr 90—95 128—140 50 540
Англия
ERM ALW 0,6—1,0 Те; 0,06—0,1 N1 90 90—110 о» 450
ERM 0,75—1,2 Cd, 0,002—0,12 Р 80—95 110—130 350—400
Франция (Ссияки)
Судалокс 100 1,0 Ag
Судалокс 100 Судалокс 100 1,0 Cd • 1,0 Те 83—93 100—120 45 350
ФРГ
Elmet С 1,0 Cd 75 118—140 40—50 250—300
Elmet AL 1,0 Те 93 90 32—40 350—400
Элбродур L 1,0 Ag 95—98 100—140 350
Элбродур С 1,0 Cd 83—93 105—140 350
жание хрома в прутках было уменьшено в результате проведенной
исследовательской работы, показавшей, что более высокой стойкостью
обладают электроды из хромовой бронзы с 0,4—0,7% хрома. Фи-
зико-механические свойства и технологические характеристики хро-
мовой бронзы Бр.Х приведены в табл. 9.
В качестве электродного сплава ранее выпускалась хромо-цин-
ковая бронза ЭВ, содержащая 0,4—1,0% хрома и 0,3—0,6% цинка.
Однако, как показали исследования, хромо-цинковая бронза не
имеет преимуществ перед хромовой (цинк даже ухудшает свойства
бронзы, снижая ее электропроводность), поэтому в настоящее время
выпускается только хромовая бронза, в которой не оговаривается
содержание цинка, а примеси ограничиваются количеством не более
0,5%.
М. В. Захаровым был разработан ряд термически упрочняемых
сплавов для электродов типа Мц. К ним относится сплав Мц4 (0,4—*
0,7% Сг, 0,1—0,25% А1 и 0,1—0,25% Mg, остальное — медь). Этот
3 с. к. Слиозберг 33
Таблица 9. Физико-механические свойства
и технологические характеристики хромовой бронзы Бр.Х
Свойства Значения Примечание
Физические Верхняя критическая точка в °C Плотность в г/см3 Коэффициент линейного расширения Qao-w 10е Теплопроводность в кал!см -сек °C Удельное электрическое сопротивление в ом-мм2/м Электр оприводность при 20° С в % к Си Температура начала рекристаллизации в С Механические Модуль нормальной упругости в кГ/мм2, Предел прочности при растяжении в кГ/мм2 Предел текучести в кПмм2 Относительное удлинение в % Твердость НВ Технологические характеристики Температура литья в °C Температура горячей обработки в °C Температура термической обработки в °C закалка отпуск 1080 8,9 17,6 0,80 0,03 0,019 82—85 365—400 13 800 23 48 40 30 11 50—70 130—150 1120—1150 900—950 960—1000 450—480 Термообработанный Деформированный Термообработанный Отожженный Термообработанный » Отожженный Тер мообр аботанный Отожженный Термообработанный
сплав некоторое время применялся в промышленности, однако опыт
эксплуатации и ряд проведенных исследований показали, что пре-
имуществ по сравнению с термически обработанной хромовой бронзой
он не имеет, уступая ей по электропроводности. Сплав Мц4 в литом
состоянии еще используется на отдельных предприятиях для изготов-
ления в основном фигурных электродов. Снижение содержания
хрома и исключение из состава сплава алюминия позволило улучшить
свойства материала. Сплав Мц4А (0,25—0,45% Сг, 0,1—0,25% Mg,
остальное — медь) имеет предел прочности 40—44 кГ/мм2, НВ ПО—
130, электропроводность 80—85% от меди и температуру рекристал-
лизации 380° С, однако и он пока не нашел широкого применения.
34
Лучшими свойствами по электропроводности, твердости, по дли-
тельной сточасовой прочности и температуре рекристаллизации
обладает хромо-циркониевая бронза типа Мц5, содержащая 0,3—
0,5% хрома, 0,2—0,35% циркония и остальное — медь. В термически
обработанном состоянии этой бронзы НВ 130—145 при относитель-
ной электропроводности около 80—85%. По сравнению с хромовой
бронзой сплав Мц5 обладает более высокой прочностью и твердостью
при повышенных температурах. Так, одночасовая твердость при тем-
пературе 600° С у хромовой бронзы с 0,5—0,8% хрома составляет
7—15 кГ/мм2, а у хромо-циркониевой бронзы — 32 кГ/мм2. Дли-
тельная сточасовая прочность при 500° С соответственно равна 4 и
16 кГ/мм2. Более низкие свойства хромовой бронзы могут быть объ-
яснены тем, что в ней при высоких температурах интенсивнее разви-
ваются диффузионные процессы разупрочнения. Этот сплав оказался
пригодным для сварки нержавеющих сталей. Сплав Мц5 выпускался
промышленностью опытными партиями; в серийном производстве
не освоен.
Сплав меди с 0,25—0,45% хрома и малыми добавками циркония
и титана* (по 0,04—0,08%) в термически обработанном состоянии
обеспечивает твердость НВ 1'40—150 и электропроводность 74—80%
от меди. Он обладает высокими пластическими свойствами при по-
вышенных температурах. Сплав после термомеханической обработки
имеет более крупное зерно, чем серийная хромовая бронза, что может
быть объяснено меньшим содержанием хрома и принятыми режимами
термообработки. Высокие прочностные и пластические свойства
этого сплава, особенно в интервале температур работы электродов,
малые добавки легирующих элементов Zr и Ti, благоприятно влияю-
щие на сопротивление ползучести, по вышеизложенным исследо-
ваниям (см. гл. II) позволяют считать этот сплав одним из лучших
для сварки малоуглеродистых и низколегированных сталей.
Иностранные хромовые бронзы с небольшими добавками (до 0,1 %)
циркония (Меллори 328, CRM16, CRMI6X) рекламируются как
лучшие по стойкости электродов для сварки углеродистых сталей.
Из хромовых бронз за границей распространены сплавы, содержа-
щие хром порядка 0,5% (Меллори 3), а также сплавы с присадками
помимо хрома еще и 0,01—0,1% кремния (CCS — Англия), берил-
лия до 0,1 % (Судалокс 200 — Франция) и др. В некоторых странах
находят применение медные сплавы с присадкой 6—7% серебра (SC—
Англия), 5—7% серебра и 1,2% кадмия (Элмет — ФРГ), 0,8—1,2%
никеля, 0,16—0,25% фосфора и 0,1—0,15% серы (ЗА — Англия).
Проводившиеся исследования не выявили особых преимуществ этих
сплавов перед другими электродными материалами. В США исполь-
зуется сплав Меллори 22, содержащий 1,2% кадмия и 0,3% цирко-
ния. Этот сплав применяется в термически обработанном состоянии.
При комнатной температуре физические и механические свойства
сплава Меллори 22 аналогичны свойствам Меллори 3 (хромовая
бронза). Однако сообщается, что в случаях сварки с большим тепло-
выделением и давлением на электроды, сплав обладает повышенным
3* 35
сроком службы. Применение его особенно рекомендуется при необ-
ходимости сварки без охлаждения электродов и при шовной сварке
оцинкованных сталей с покрытиями, имеющими низкую температуру
плавления. Изготовленный и испытанный на одном из наших авто-
мобильных заводов сплав такого состава не оправдал этих рекомен-
даций.
Изготавливаемые и применяемые за границей сплавы для элек-
тродов этого класса приведены в табл. 10.
Малая теплопроводность и значительное электросопротивление
нержавеющих и жаропрочных сталей приводят к более высокому
Таблица 10. Зарубежные материалы электродов контактных
точечных машин для сварки малоуглеродистых и низколегированных
сталей (по фирменным и литературным данным)
Страна, наименование (тип) сплава Содержание ле- гирующих эле- ментов в % Электро- провод- ность в % от Си Твер- дость НВ Предел проч- ности в Темпера- тура ре- кристал- лизации в ° С
США (Меллор и)
Меллори 3 0,5 Сг 80—85 125—150 38—53 500
Меллори 22 1,2 Cd, 0,3 Zr 80 150 53 500
Меллори 328 0,5—1,0 Сг, 0,05 Zr 80 180 65 550
Англия
Хидурель ERM CCS 0,5 Сг 0,5—1,0 Сг, 0,01—0,1 Si, 0,02—0,05 S 80 80—85 125—150 125—165 — 450 500
ERM SC—65 6-7 Ag 80—85 125—170 450—5Q0
Франция CRM 16 0,4—1,0 Сг, 0,05 Zr 80 120—150 40—45 500—550
CRM 16X 0,04—1,0 Сг, 0,03—0,08 Zr 80 187 70 550
Судалокс 200 (Ссияки) 0,6 Сг или 0,5 Сг, 0,1 Be 75—85 130—160 52 500
ФРГ
Элбродур N Сг 83—92 130—160 475
Элбродур HF Сг, Zr 75—92 130—185 500
Элмедур X 0,5—1,0 Сг, 0,5 Zr 80—83 155—175 50—60 500
36
нагреву места контакта торца электрода с деталью. Наряду с этим
высокая прочность этих сталей при повышенной температуре тре-
бует приложения больших давлений электродов для обеспечения
достаточно хорошего и плотного соединения (точки). Поэтому к ма-
териалу электродов, предназначенных для сварки нержавеющих
и жаропрочных сталей, предъявляются требования обеспечения
высокой твердости (НВ более 180) при электропроводности не менее
45% от электропроводности меди.
Представителями группы медных сплавов, используемых для
электродов при сварке нержавеющих и жаропрочных материалов,
в нашей стране являются тройные сплавы на основе системы медь.—
никель—бериллий, а в иностранной практике: медь — кобальт—
бериллий.
На основе системы Си—NiBe—Т1 был разработан тройной сплав
Бр.НБТ, содержащий небольшое количество титана и изготовляе-
мый из отходов высокобериллиевых бронз. Этот сплав сейчас ши-
роко применяется в качестве электродного материала при точечной
и шовной сварке нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов,
а также для губок стыковых машин. Химический состав этого сплава
приведен в табл. 4, а основные свойства — в табл. 11,
Таблица 11. Некоторые физико-механические свойства
и технологические характеристики сплава Бр.НБТ
Свойства Значения
Физические Теплопроводность в кал!см-сек °C Электропроводность при 20° С в % от Си Температура начала рекристаллизации в °C Механические Предел прочности при растяжении в кГ!мм* Относительное удлинение в % Твердость НВ Предел длительной прочности о100 в кПмм?-. при 300° С » 500° С Технологические характеристики Температура литья в °C Температура горячей обработки в °C Температура термической обработки в °C: закалки отпуска 0,593 50—55 500—510 75—80 14—16 170—240 45 14 1200 850—900 900—950 450—500
37
Несколько ранее М. В. Захаровым было разработано два сплава
Мц2 и МцЗ. Сплав Мц9 содержит 1,5—1,8% Ni, 0,4—0,6% Si, 0,15—
0,3% Mg. Предел прочности этого сплава 55—60 кГГмм*, твердость
НВ 170—1^0, электоопроводность 45—50% и температура рекристал-
лизации 510° С. Сплав МцЗ обеспечивает предел прочности 70—
75 кГ/мм?, НВ 180—220, электропроводность 55—60% и температуру
рекристаллизации 490° С. Он содержит 0,9—1,2% Ni, 0,15—0,3% Be
и 0,1—0,25% Mg. При испытании сплав Мц2 оказался малоудовлет-
ворительным, а сплав МцЗ был заменен сплавом Бр.НБТ, с более
высокими механическими свойствами и лучшей технологичностью.
В результате сплавы Мц2 и МцЗ не получили большого распростра-
нения.*
По техническим условиям электродный сплав Бр.НК 1,5—0,5
содержит 1,2—2,3% Ni, 0,3—0,8% Si, остальное — медь.
Выпускается он в виде слитков диаметром 200 и 175 мм и после
термической обработки (закалка с температуры 860° С и отпуск
при 460° С) обеспечивает предел прочности 55 кПмм*, НВ 200
при электропроводности 40%. Сплав применяется для хоботов кон-
тактных сварочных машин и губок стыковых машин. Для электро-
дов точечных или шовных машин он мало пригоден.
Для сварки нержавеющих и жаропрочных сплавов в иностранной
практике наибольшее распространение нашли сплавы на основе
тройной системы Си—Со—Be. Зарубежные сплавы этой системы
(Меллори 100 — США); Судалокс 300 и СВ4 — Франция; NS —
Англия; Элбродур В — ФРГ и др.) содержат 2,5—2,6% Со,0,3—
0,5% Be, в сплаве NS дополнительно имеется 0,08—0,15% Si,
а содержание кобальта может быть повышено до 3%. Имеются све-
дения и о двух японских сплавах этого класса: Кониэль, содержа-
щего 0,5—2% Ni, 0,15—0,6% Ti и менее 0,06% Сг, и Кондюлой NBC,
содержащего 1,5% Ni, 0,4% Zr, 0,5% Be. Свойства высокопрочных
зарубежных медных’сплавов для сварки нержавеющих сталей при-
ведены в табл. 12. '
Исследования показали, что сплав Бр.НБТ при комнатной тем-
пературе превосходит по прочности все известные отечественные
электродные сплавы и несколько уступает сравнительно дорогим
иностранным сплавам системы медь—кобальт—бериллий, содержа-
щим до 0,5—0,7% Be. При повышенных температурах испытания
сплав Бр.НБТ обладает’ наиболее высокой ; прочностью из всех
известных медных сплавов этого класса.
Высокопрочными 'сплавами, но с малой электропроводностью
являются бериллиевые бронзы: Бр.Б2, Бр.Б2,5 и сплавы Бр.БНТ1,9,
Бр.БНТ1,7, содержащие 1,65—2,15% Be, 0,2—0,5% Ni и 0,1ч-
0,25% Ti. Все эти бронзы имеют твердость НВ 360—400 и предел
прочности в термически обработанном состоянии ов. = 115ч-
ч-130 кПмм^. Аналогичными по свойствам зарубежными сплавами
являются, например, французская бериллиевая бронза Судалокс 400
и сплав меди с молибденом’СудалоксбОО.Эти'материалы используются
как^вставки при рельефной сварке для зажимных губок стыковых
38
Табл и"ц а 12. Зарубежные материалы Электродов контактных машин
для сварки нержавеющих и жаропрочных сталей
(по фирменным и литературные данные)
Страна, наименование (тип) сплава Содержание ле- гирующих эле- ментов в % Электро- провод- ность Б % от Си Твер- дость НВ Предел проч- ности в А'Г /Л£Л1£ Т емпера- тура ре- кристал- лизации в ° С
США (Меллори) Меллори 100 2,5 Со, 0,5 Be 47—50 210—230 63—70 550 -Э
Англия ERM NS 2—3 Со, 0,36—0,7 Be, 0,08—0,15 Si 45—50 240—310 — 500
Франция СВ4 Судалокс 300 (Ссияки) 2,0 Со, 0,5 Be 2,5 Со, 0,5 Be 40 45—52 1 200—260 170—220 50—65 70 * 550 500
Япония Кондюлой NBC 1,5 Ni, 0,4 Zr, 0,25 Be 65 230—250 85—95 550
ФРГ Elmet НА Элбродур В 2,5 Co, 0,5 Be Co, Be 52—35 45—55 220—240 220—270 70—90 450—500 500
машин и, в отдельных случаях, в качестве электродов для приварки
деталей малых толщин из тугоплавких и высокоэлектропроводных
материалов. Бериллиевые бронзы весьма дороги и поэтому имеют
сравнительно небольшое применение для электродов контактных
машин.
Для вставок точечных электродов при сварке меди, латуни и
некоторых других материалов применяются так называемые псевдо-
сплавы — элконайты, изготавливаемые способами порошковой ме-
таллургии.
Узбекский комбинат тугоплавких и жаропрочных металлов
освоил производство высокопрочного материала типа «Элконайт»,
содержащего 20—30% меди и 80—70% вольфрама. Элконайт ВМ
выпускается в виде цилиндрических заготовок диаметром 8,28
и 36 мм, высотой 20—30 мм и пластин размером 40x40x50 и 15 X
X 15X15 мм. Плотность элконайта не менее 14 г/см?, НВ — не менее
200, электропроводность 20—25% от Си. За границей используются
несколько различных типов элконайтов (см. гл. II).
39
Производство сплавов и оборудование
для их изготовления
Производство сплавов для электродов включает ряд операций:
плавку шихты и литье, обработку давлением (проковку, волочение,
прессование) и термическую обработку для упрочняемых сплавов.
Плавка цветных металлов сопровождается сложными металлур-
гическими процессами. Ей сопутствут окисление металлов, погло-
щение газов, взаимодействие расплава со шлаком и футеровкой печи,
раскисление, дегазация и модифицирование сплавов.
Кислород с медью образует при низких температурах окись меди
СиО, которая при повышенных температурах переходит в закись
Си2О, взаимодействующую, как и кислород, с более активными
легирующими компонентами и образующую окислы различных ме-
таллов. Кислород выделяется в виде эвтектики медь—закись меди,
которая располагается по границам кристаллитов. Он является вред-
ной примесью, так как при повышенном содержании кислорода зна-
чительно понижаются механические и коррозионные свойства меди,
затрудняются технологические процессы обработки и, в частности,
пайка.
При использовании, например, хромовых бронз, их качество
во многом зависит от условий раскисления. Хром при высоких тем-
пературах очень быстро окисляется, а окисленный хром практи-
чески нерастворим даже в перегретой меди и в связи с этим сплав не
удается упрочнить путем термической обработки, хотя по среднему
химическому составу он и удовлетворяет требованиям технических
условий.
Водород наиболее опасен для меди и ее сплавов. Он хорошо в них
растворяется, причем его растворимость в меди сильно возрастает
с повышением температуры. Особенно разрушительное действие
водород оказывает на медь, содержащую кислород (вызывая так
называемую водородную болезнь — хрупкость и растрескивание),
углекислый газ, окись углерода; водяной пар и азот в меди практи-
чески не растворимы.
Одним из способов освобождения жидкого металла от раствори-
мых и нерастворимых в нем включений кислорода является раскис-
ление — восстановление окислов специальными раскислителями. При
плавке цветных металлов и сплавов в качестве раскислителей чаще
всего применяются элементы, входящие в состав сплава или допус-
каемые в виде примесей. Частично остающиеся в жидком металле рас-
кислители не должны ухудшать свойства металла. Окислы раскисли-
телей не должны растворяться в металле, они должны легко всплы-
вать в шлак или испаряться. Высоким сродством к кислороду обла-
дает литий. Он образует прочные химические соединения с кислоро-
дом, азотом, водородом и серой. Поэтому литий, добавляемый в рас-
плавленную медь, является одновременно и раскислителем, и де-
газатором. Хорошие результаты как раскислитель дает магний, од-
нако небольшое количество оставшегося после плавки магния или
40
лития приводит к повышению электросопротивления меди. Часто
при раскислении меди и ее сплавов применяют фосфористую медь,
содержащую 10—15% фосфора. Иногда в качестве раскислителей
применяют кремнистую медь или чистый кремний и цинк.
Раскисление сплава можно проводить поверхностными раскисли-
телями. При этом раскислители не вводятся в жидкий металл, а
подаются на его поверхность и не оказывают вредного влияния на
качество металла, так как их избыток не растворяется в металле.
Для защиты металлического расплава от воздействий печной атмо-
сферы, удаления из расплава окислов, сульфидов и других вредных
примесей применяются флюсы, состоящие из* фтористых натрия
или кальция и стекла. Плавка обычно ведется под покровом сухого
древесного угля, также предохраняющего медный сплав от окисле-
ния и охлаждения. В тех случаях, когда непосредственным сплавле-
нием трудно получить сплав определенного химического состава,
применяются промежуточные сплавы — лигатуры. Введение леги-
рующих элементов через лигатуры может с достаточной точностью
обеспечить требуемое содержание заданного компонента. При изго-
товлении электродных сплавов применяются лигатуры медь—хром,
медь—цирконий, медь—магний и др.
Повышения прочности и пластичности медных сплавов можно
достичь модифицированием путем измельчения зерна. С этой целью
в сплав вводят малые добавки тугоплавких элементов титана, цир-
кония, бора. Эти модификаторы искусственно создают в расплаве
дополнительное количество центров кристаллизации.
Наибольший эффект модифицирования был получен от введения
титана, циркония, бора. Так, уже добавки 0,1 Zr, 0,05% Ti вызы-
вают измельчение зерна меди. Модифицирования (измельчения зерна)
можно достичь и технологическими методами, например увеличением
скорости охлаждения металла при его кристаллизации, повышением
температуры литья и переплава. Однако с повышением температуры
литья и переплава может увеличиваться газонасыщенность и пори-
стость металла, а при увеличении скорости охлаждения возникают
большие внутренние напряжения и, как следствие, трещины.
Цветные металлы и сплавы при изготовлении слитков можно
плавить в печах различных конструкций: тигельных, отражательных,
электрических печах сопротивления и в индукционных, в печах
для вакуумной плавки и в электроннолучевых установках, а также
путем электрошлакового переплава.
Для плавки ряда электродных сплавов’, например с цирконием,
необходимо применение вакуумных электропечей. При вакуумной
плавке достигается удаление газов из металлов и восстановление
металлов из окислов. Особенно высокое качество сплавов может быть
получено при электрошлаковом методе переплава металлов и ва-
куумной дуговой плавке расходуемым электродом, но при электро-
шлаковом переплаве электрод плавится теплом, выделяющимся
в расплавленном шлаке, через который проходит электрический ток.
Электрошлаковый переплар расходуемых электродов обычно про-
41
изводится в открытых водоохлаждаемых кристаллизаторах, но в слу-
чае необходимости ванна расплавленного металла может быть за-
щищена от действия воздуха нейтральным или активным газом.
Литье медных сплавов может быть осуществлено двумя основными
способами:
1) литьем в стационарные горизонтальные или вертикальные
изложницы;
2) полунепрерывным и непрерывным литьем.
В зависимости от сортамента готовых изделий из слитков изго-
товляются плиты или листы и круглые прутки.
Заготовку для прокатки обычно берут в литом состоянии. При
малой пластичности металла в литом состоянии производят пред-
варительную проковку слитка или его прессование. Предваритель-
ная проковка или прессование позволяет разрушить малопластич-
ную структуру заготовки в условиях более резко выраженного
объемного сжатия, чем при обычной плоской прокатке. Однако
прокатка является наиболее прозводительным и экономически вы-
годным способом. Технологический процесс изготовления листов,
полос включает кроме прокатки и ряд других операций: механиче-
скую обработку поверхности, различные виды химической и механи-
ческой очистки, термическую обработку, резку, правку и пр. Про-
катка может производиться с предварительным нагревом заготовки
(в горячую), позволяющим значительно уменьшить сопротивление
деформации, и без нагрева.
Цилиндрические заготовки электродных сплавов диаметром более
40 мм обычно получают горячим прессованием на гидравлических
станах, а прутки диаметром менее 40 мм — волочением или про-
тяжкой на волочильных станах. Прутки этих размеров поставляются
потребителям либо горячекатаными, либо холоднодеформирован-
ными.
Как уже ранее указывалось, электродные сплавы используются
в холоднодеформированном (кадмиевая бронза, сплав меди с сереб-
ром) и термически обработанном (Бр.Х, Бр.НБТ и др.) состояниях.
Большинство прокатываемых цветных металлов подвергается пред-
варительному отжигу, который производится для повышения пластич-
ности металла и снижения сопротивления деформации. Отжиг мо-
жет быть промежуточным для смягчения металла после предыдущей
холодной прокатки и возможности дальнейшей обработки и окон-
чательным для полуфабрикатов, выпускаемых в мягком состоянии.
Для отжига применяются различные типы печей: методические,
толкательные или с шагающим подом, садочные или муфельные элек-
тросопротивления, колпаковые и колокольные, а также протяжные
печи. В этих печах нагрев до заданной температуры осуществляется
путем протягивания полуфабрикатов с определенной скоростью
через рабочее пространство печи. Протяжные печи иногда имеют
водяные затворы, которые обеспечивают светлый отжиг металла в ат-
мосфере водяного пара. Печи большей частью выполняются вертикаль-
ными, соединяемыми в один агрегат с травильным устройством.
42
Термическая обработка Дисперсионно-упрочйяемых электродных
сплавов включает операции закалки и отпуска. При нагреве под за-
калку легирующие элементы переходят в твердый раствор. Их
переход в твердый раствор сопровождается резким понижением элек-
тропроводности сплава (почти вдвое ниже электропроводности мед-
ленно охлажденного сплава). Степень изменения электропровод-
ности, контролируемая прибором ИЭ-1, который используется прак-
тически для любых деталей диаметром или размерами более 15 мм
и толщиной более 3—5 мм может служить технологическим средством
контроля качества операций закалки. Для более полного перевода
в твердый раствор легирующих элементов необходима высокая тем-
пература нагрева (850—1000° С), близкая к эвтектической, для со-
здания метастабильного пересыщенного твердого раствора и очень
резкое охлаждение. Замедление охлаждения приводит к преждевре-
менному выпадению растворенных элементов и снижению эффекта
закалки. Выделение упрочняющих фаз из пересыщенного твердого
раствора в дисперсном состоянии значительно увеличивает твердость
и электропроводность сплава. Это выделение происходит в процессе
отпуска, температура которого для медных сплавов обычно нахо-
дится в пределах 400—480° С.
Для закалки могут применяться высокотемпературные печи, спо-
собные обеспечить температуру 1000—1050° С, а для отпуска средне-
температурные. При горячей прокатке, закалке и отжиге поверх-
ность цветных металлов и сплавов окисляется. Окислы в большин-
стве случаев должны удаляться. Иногда (когда окалина хрупкая)
это достигается замочкой в воде, однако наиболее распространенным
является химическое травление. При химическом травлении металл
погружают в травитель, который быстро растворяет окислы на по-
верхности и практически не воздействует на сплав. Большинство
медных сплавов травятся в 10— 15 % -ном растворе серной кислоты.
После травления металл поступает на промывку и сушку.
Ниже приводятся краткие сведения о производственной техно-
логии изготовления наиболее широко применяемых электродных
сплавов: кадмиевой и хромовой бронз, сплава Бр.НБТ^и^некоторых
сплавов типа Мц.
Плавка кадмиевой бронзы производится под покровом древес-
ного угля в индукционной печи с использованием в качестве шихто-
вых материалов катодной меди, кадмия или меднокадмиевой лига-
туры при раскислении сплава кремнием, цинком. Литье ведется при
температуре ИЗО—1210° С в водоохлаждаемые изложницы. Затем
слитки нагреваются до температуры 880—950° С и производится
прессование на гидравлических прессах. После удаления пресс-
утяжки и других дефектов прессованные прутки диаметром 40 мм
и более предъявляются к приемке, а прутки меньших диаметров
подвергаются протяжке в холодном состоянии, травлению в 5—
15%-ном водном растворе серной кислоты и окончательному волоче-
нию с суммарным обжатием порядка 65% для получения требуемых
механических свойств. Заключительными операциями изготовления
43
прутков являются правей, обрезка концов и приемка. Как уже ука*
зывалось, кадмиевая бронза поставляется только в виде прессо-
ванных и тянутых прутков и не подвергается термической обра-
ботке.
Сложность изготовления хромовых бронз связана с трудностью
растворения в меди хрома. Хром обладает высокой степенью сродства
с кислородом и в процессе плавки может легко окисляться. Для
более полного растворения хрома при плавке в печах должна под-
держиваться высокая температура. Для предотвращения окисления
хрома плавку лучше вести в вакуумных индукционных или дуговых
печах, однако практически на отечественных заводах плавку хромо-
вой бронзы ведут в открытых отражательных печах или в электри-
ческих печах с индукционным и дуговым нагревом.
В отражательных печах в расплавленную восстановленную медь
при температуре 1250—1260° С вводится 3—3,5%-ная меднохромо-
вая лигатура. Раскисление сплава ведется магнием. В печах с более
высокой температурой, например высокочастотных или дуговых,
плавка может вестись с введением в шихту металлического хрома.
Плавка проводится под покровом древесного угля. Готовый сплав
отливается при температуре 1200—1300° С в медные изложницы или
графитовый тигель.
Хромовая бронза выпускается в виде термически необработанных
прутков, а также полос и плит, поставляемых заводом в термообра-
ботанном состоянии.
Прессование и волочение прутков из хромовой бронзы ведется
аналогично вышеописанным операциям изготовления прутков из
кадмиевой бронзы.
Изготовление полос и плит ведется по следующей технологиче-
ской схеме. После отливки поверхность слитков обрабатывается на
токарных станках со снятием стружки до чистого металла. Затем
слитки подвергаются горячей прокатке при температуре 900—980е С
до определенной толщины. Прокатанные полосы режутся на листы
и поступают на закалку. Закалка производится при температуре
980° С. В зависимости от толщины листов время выдержки при на-
греве составляет’ 1,0—1,5 ч. Этого времени достаточно, чтобы пере-
вести хром в твердый раствор (грубые включения, образовавшиеся
при плавке, а также окисленный хром практически не растворяются
даже в сильно перегретой меди и бронза не упрочняется при терми-
ческой обработке). Охлаждение после закалки ведется в воде. После
охлаждения для снятия окалины листы травятся. Закаленные листы
затем поступают на холодную прокатку и степень деформации со-
ставляет около 50%. Прокатанные листы режутся на мерные заго-
товки и подаются на отпуск. Отпуск проводится при температуре
450—460° С в течение 4—6 ч.
Для деталей из хромовых бронз, используемых в литом виде,
можно рекомендовать совмещение литья заготовок с закалкой. При
этом температура отливки не должна быть ниже 960° С. Хорошие ре-
зультаты при совмещении литья с закалкой достигаются для заго-
44
тонок и прутков толщиной более 50 мм, так как только в этом случае
удается сохранить достаточную температуру закалки. Следует от-
метить, что литые детали, прошедшие отпуск, разупрочняются при
температуре 300—600° С меньше, чем деформированные.
Сплавы типа Мц4, Мц5А, Мц5 и Мц5Б можно изготавливать
путем плавки в электрических печах и, в частности, в индукционных.
В связи с сильной окисляемостью циркония сплав Мц5 требует
обязательно вакуумной плавки. Сплав Мц5А, содержащий неболь-
шое количество циркония (0,10—0,25% Zr), можно изготавливать и
методом открытой плавки.
Плавка сплава Мц4 производится в индукционных электропечах
с графитовым тиглем. Плавка меди ведется под флюсом, состоящим
из 50% битого стекла и 50% фтористого натрия. После расплавления
металлы перегревают до температуры ~1300° С и раскисляют медно-
магниевой лигатурой, вводя ее до 50% от общей навески. После рас-
творения медномагниевой лигатуры вводят хром в чистом виде или
в виде меднохромовой лигатуры и после его полного растворения —
при температуре 1200° С — алюминий (половину его навески можно
было ввести одновременно с хромом) и оставшуюся медномагниевую
лигатуру.
Для изготовления сплава Мц5Б в перегретую примерно до 1200—
1250° С медь вводят подогретую хромовую лигатуру; после растворе-
ния хрома при выключенной печи вводят кадмиевую лигатуру (это
должно быть выполнено с осторожностью, так как кадмий очень
бурно выгорает, с выбрасыванием из сплава). Отливка производится
при температуре 1140—1170° С.
При изготовлении сплавов Мц5 и Мц5А особенное внимание
должно обращаться на раскисление меди перед введением в нее хро-
мовой и циркониевой лигатуры, так как цирконий, соединяясь с кис-
лородом, образует трудновсплываемые тугоплавкие окислы. Вы-
плавку сплава Мц5 проводят в вакуумной индукционной печи. Рас-
плавленная катодная медь перегревается до температуры ~1350°С
и производится ее дегазация, В плавильной камере вакуум поддер-
живается на уровне 0,25 мм рт. ст. Перед введением в медь леги-
рующих элементов впускают просушенный азот до давления
360 мм рт. ст. Затем медь перегревают до температуры 1450° С и
вводят с помощью лигатуры хром и цирконий. Для быстрого раство-
рения в меди хрома и циркония расплавленный металл интенсивно
перемешивают графитовой мешалкой. После полного растворения
легирующих элементов и 30-минутной выдержки при 1450° С сплав
охлаждается до температуры 1300° С и производится его разливка
в цилиндрическую чугунную изложницу, предварительно покрытую
слоем смазки.
Сплав 3-го класса — бронза Бр.НБТ — также является терми-
чески упрочняемым материалом.
При изготовлении бронзы Бр.НБТв качестве шихты используются
отходы бериллиевых бронз марок Бр.Б2, Бр,Б2,5 и Бр.БНТ1,9 и
Бр.БНТ1,7.
45
В производственных условиях сплав Бр.НБТ плавят на воздухе
в индукционной печи при температуре 1200° С под слоем прокален-
ного древесного угля. Отливку ведут полунепрерывным методом с по-
дачей воды на слиток со скоростью 4—5 м/ч. После резки слитков на
мерные заготовки производят их нагрев под горячую прокатку при
температуре 950—900° С с выдержкой при этой температуре в те-
чение 2 ч. Далее следует горячая прокатка на стане с последователь-
ным изменением диаметров прутков (70—50—46—37—30—25 мм),
закалка в воде после выдержки в течение 2 ч при температуре 900—
950° С и дисперсионное твердение при температуре 480—500° С. При
производстве этого сплава возможно совмещение операций полуне-
прерывного литья слитков с закалкой. Интенсивное охлаждение
слитка водой при полунепрерывном методе литья способствует закал-
ке. Совмещение полунепрерывного литья слитков этих сплавов с их
закалкой исключает две трудоемкие операции: горячую деформацию
и последующую высокотемпературную закалку сплавов. Кроме того,
при этом улучшаются свойства сплавов. В сплавах, подвергнутых
горячей и холодной деформации, ускоряются диффузионные про-
цессы разупрочнения при высоких температурах, поэтому деформи-
рованные сплавы значительно уступают литым по жаропрочности.
После закалки возможны две дальнейшие схемы обработки сплава:
1) холодная деформация на 40—60% и отпуск; 2) отпуск. Промежу-
точная (между закалкой и отпуском) холодная деформация повышает
свойства, однако и в случае ее отсутствия свойства сплава Бр.НБТ
достаточно высоки и обеспечивают необходимые требования к элек-
тродам контактных машин. Весьма эффективно изготовление роликов
для шовных машин и губок стыковых машин по упрощенной техно-
логии, при которой совмещаются операции полунепрерывного литья
и закалки и исключаются горячая деформация и высокотемператур-
ная закалка.
Прутки, листы и литые заготовки из сплавов, технология изго-
товления которых описана выше, служат полуфабрикатами для из-
готовления основных типов электродов для точечных, шовных и
стыковых машин контактной сварки.
Технологический процесс изготовления изделий с помощью Порош-
ковой металлургии включает четыре основных операции: смешение
порошков, прессование, спекание и допрессование. Этим Способом
может изготовляться кадмиевая медь, как было показано выше, по
свойствам, не уступающая металлургической.
Для изготовления металлокерамической кадмиевой бронзы в спе-
циальном смесителе смешиваются порошки металлической меди и
кадмия с фракциями 100—150 мкм. После смешения порошки прес-
суются при комнатной температуре под давлением 4—8 т/см2 и
затем спекаются в течение 1 ч при температуре 1000—1020° С в водо-
родной атмосфере. После спекания проводится последняя опера-
ция — допрессование при давлении 8—12 т/см2.
46
IV. РОЛЬ ЭЛЕКТРОДОВ В ПРОЦЕССЕ СВАРКИ
Влияние электродов на формирование соединений
Электроды точечных и роликовых сварочных машин оказывают
весьма большое влияние на процесс формирования и конечные раз-
меры сварных соединений (размеры литой зоны). Известно, что одни,
и те же размеры литой зоны могут быть получены для большинства
металлов при достаточно большом числе различных сочетаний пара-
метров режима сварки (например, длительность сварки, усилия элек-
тродов). Напротив, необходимые размеры литой зоны можно обеспе-
чить только при вполне определенных форме и размере рабочей по-
верхности электродов или их отклонениях от номинальных значений
в очень незначительных пределах.
Размеры литой зоны (диаметр ядра точки d„, ширина литой зоны
роликового шва dM и проплавление каждой из деталей А), получае-
мые в результате сварки, зависят в основном от плотности тока,
протекающего через контакт в процессе сварки. Так, в общем случае,
с увеличением площади рабочей поверхности электродов падает плот-
ность тока, увеличивается отвод тепла из металла зоны сварки в элек-
троды, и размеры литой зоны соединений уменьшаются.
В дальнейшем при рассмотрении влияния рабочей поверхности
электродов на сварку участок электрод — электрод удобно считать
одним из элементов электрической цепи вторичного контура машины,
имеющим некоторое сопротивление Rg3. Исследованиями установлено,
что величина R33 уменьшается при увеличении рабочей поверхности
электродов (площади контактов электрод—деталь). Например, при
точечной сварке нержавеющей стали толщиной 1,5 + 1,5 лш увели-
чение радиуса сферической поверхности электродов с 75 до 150 мм
снижает среднее значение RS3.cp -на 10—12%. При увеличении ра-
бочей поверхности электродов величина сварочного тока также не
остается неизменной; причем одни и те же изменения R33.ep создают
на разных сварочных машинах неодинаковые изменения тока. По-
этому рассматривать влияние электродов на формирование и размеры
соединений в отрыве от характеристик машины, на которой произ-
водится сварка, нельзя. Влияние R3S.cp на величину тока будет наи-
большим, если 1, где гл, — полное сопротивление машины,
ZM
приведенное ко вторичному контуру. Этому условию близок случай
сварки нержавеющей стали на машине с небольшим размером вторич-
ного контура. Если < 1, например сварка алюминиевых спла-
2м
вов на однофазных машинах переменного тока, то изменение R33,
а следовательно, и площади контакта электрод—деталь практически
не влияет на величину тока.
На рис. 14, а представлена зависимость dR (штриховые кривые)
и А (сплошные кривые) от диаметра плоской рабочей поверхности
электрода d3 при точечной сварке стали Х18Н9Т толщиной 1,5 +
47
+ 1,5 мм. При сварке на машине МТПУ-300 I0,8, кри-
\ гм
вые 1) с увеличением ds d„ вначале не изменяется, затем несколько
увеличивается, после чего уменьшается. Малое изменение d}, и даже
его возрастание объясняется повышением тока за счет снижения ср
из-за увеличения d3. При использовании машины МТП 150/1200
Рис. 14. Зависимость размеров литой зоны соединений от рабочей поверх-
ности электродов
(О \
ээ’„ср 0,3, кривые 2) с увеличением dg d„ непрерывно умень-
Zm I
шается, так как существенно снижается плотность тока в контактах
электр од—дет ал ь.
При использовании металлов, имеющих высокую теплопровод-
ность (алюминиевые, магниевые и медные сплавы), существенную
роль в процессе сварки при увеличении рабочей поверхности элек-
тродов начинает играть теплоотвод в электроды. Причем роль тепло-
отвода возрастет с увеличением длительности протекания тока
(увеличением «мягкости» режима). Поэтому при сварке алюминиевого
сплава АМгб толщиной 1,5 + 1,5 мм на машинах МТПТ-400
(рис. 14, б) увеличение радиуса сферы рабочей поверхности R3 в боль-
шей степени влияет на бя и А, чем при сварке на конденсаторной
машине МТ К-75 (рис, 14, в), имеющей tce в 3—4 раза меньшее, чем
при сварке алюминиевых сплавов такой же толщины на машине
МТПТ-400 (рис. 14, б).
Изменение размеров литой зоны зависит также и от свойств свари-
ваемых алюминиевых сплавов. Так, при сварке более теплопроводного
и пластичного сплава АМцАМ (кривые 2, рис. 14, в) с!я и А при уве-
личении R$ снижаются в большей степени, чем у сплава Д16АТ
(кривые /).
При роликовой сварке характер влияния рабочей поверхности
электродов на размеры литой зоны такой же, как и при точечной
сварке. Однако при роликовой сварке дополнительной характеристи-
кой является длина литой зоны в направлении оси шва е, от которой
зависит перекрытие литых зон шва, а следовательно, и герметичность
сварного соединения. С увеличением ширины цилиндрической рабо-
чей поверхности роликов f (рис. 14, г) ширина литой зоны d,,, вначале
возрастает (за счет увеличения f), а затем резко начинает умень-
шаться. Другие размеры литой зоны (е, А) непрерывно снижаются.
Следует отметить, что вообще при роликовой сварке изменение раз-
меров рабочей поверхности в большей степени сказывается на раз-
мерах литой зоны соединений, чем при точечной. Это объясняется
тем, что на формирование соединения при роликовой сварке су-
щественное влияние оказывают токи шунтирования через ранее
сформированные литые зоны. При изменении размеров рабочей по-
верхности роликов изменяются характер и величина токов шунти-
рования, а следовательно, иээ.
Выше рассматривались случаи сварки металлов равной толщины
или имеющих небольшую разницу в толщине (не более 2:1). При
точечной и роликовой сварке деталей неравной толщины, а также
из разноименных металлов влияние размеров рабочей поверхности
электродов на размеры литой зоны еще более значительно. Кроме
того, это влияние зависит от исходных (номинальных) размеров
литой зоны. Если йя и менее указанных в табл. 13, то влияние d3
и Rs на размеры соединений возрастает.
На формирование литой зоны существенное влияние оказывает
характер плотности тока в контакте электрод—деталь. Распределение
плотности тока в этом контакте в известной степени зависит от формы
рабочей части электрода. Так, для случая электрода с удлиненной
конусной рабочей частью (см. рис. 5, тип 11) плотность тока в кон-
такте электрод—деталь более равномерна, чем у электрода с цилин-
дрической рабочей частью (см. рис. 5, тип 2), и особенно, если рас-
стояние от дна охлаждающего канала до рабочей поверхности су-
щественно уменьшилось в результате переточек в процессе эксплуа-
тации. В сечении электрода, близком ко дну охлаждающего канала,
наблюдается неравномерная плотность тока. Когда расстояние от
дна канала до рабочей поверхности электрода достаточно большое,
линии тока в сечении контакта электрод—деталь успевают вырав-
няться; если это расстояние мало, то в периферийных зонах контакта
электрод—деталь плотность тока значительно выше, чем в его цен-
тральной части. Таким образом, средняя величина тока, протекаю-
щего через центральную часть столбика металла между электродами,
в последнем случае меньше, что и является причиной уменьшения dx
4 О- К- Слиоэб<?рг 49
электрод с плоской поверхностью
Рис. 15. Формирование литой зоны при ис-
пользовании электродов с плоской рабочей
поверхностью
и А. Например, при точечной сварке сплава АМгб толщиной 2 +
+ 2 мм уменьшение расстояния от дна до рабочей поверхности от
15 до 6,5 мм снижает ds и А на 10—15%. Такое же явление наблю-
дается с увеличением диаметра электрода D при условии неизмен-
ного контакта электрод—деталь. Поэтому чрезмерное увеличение D
электрода нежелательно.
Изменяя распределение плотности тока в контакте электрод—де-
таль, можно влиять на величину проплавления деталей. Часто на
поверхности одной из деталей требуется иметь минимальную вмятину
от электрода. Для этого со стороны одной детали устанавливают
1ьшого размера (рис. 15, а),
в результате чего плотность
тока / в контакте электрод—
деталь существенно сни-
жается, а проплавление де-
тали падает. Нормального
проплавления детали и не-
большой вмятины достигают
применением электрода, име-
ющего на рабочей части сталь-
ное кольцо 1 (рис. 15, б).
Наличие кольца повышает
плотность тока в централь-
ной части контакта и не-
сколько снижает отвод тепла из зоны сварки в электрод. Исполь*
зование электрода подобной конструкции позволяет получать
при точечной сварке алюминиевых сплавов глубину вмятины
на поверхности сварных точек, не превышающую 5% толщины де-
тали, со стороны которой установлен электрод.
Интересной также является конструкция электрода, приведен-
ного на рис. 15, в. Повышение j достигается за счет «сужения» линий
тока неэлектропроводным (слюда) кольцом 3 между вставкой 2 и
корпусом электрода. Такой электрод может быть использован при
сварке сталей, в то время как электрод с кольцом (рис. 15, б) при-
меняется только при сварке легких сплавов. При точечной сварке
легких сплавов применение электрода, показанного на рис. 15, б
дает снижение проплавления из-за несколько меньшей плотности
тока и большего теплоотвода, чем у электрода со слюдяным кольцом.
Примером влияния плотности тока в контакте электрод—деталь
на формирование литой зоны является сварка деталей неравной тол-
щины. При точечной сварке на жестких режимах форма и* размер
рабочей поверхности электрода, установленного со стороны толстой
детали, не влияет на проплавление тонкой детали. Однако при за-
мене сферической поверхности (рис. 16, а) на плоскую (рис, 16, б)
для получения такого же проплавления тонкой детали требуется
несколько увеличить величину сварочного тока.
При сварке металлов с резко различными теплофизическими свой-
ствами меньшее проплавление наблюдается в детали, имеющей более
50
ЬысОкую эЛектротеплопроводность (рис. 16, в). РетулйрбЁйййеМ йЛО'Р
кости тока и теплоотвода в электроды удается получить нормальное
проплавление обеих деталей (рис. 16, а). Уменьшение теплоотвода
от зоны сварки детали из стали Х18Н9Т достигается применением
электрода с плоской рабочей поверхностью, изготовленного из хро-
мовой бронзы Бр.Х, имеющей теплопроводность большую, чем бронза
Бр.НБТ.
Рис. 16. Влияние формы и материала электродов на формирование
соединений при сварке деталей неравной толщины (а, б) и их раз-
ноименных металлов (е, г)
Соединение стальных деталей неравной толщины, когда требуется
минимальная вмятина на поверхности тонкой детали, может быть
выполнено с использованием электрода с плоской рабочей поверхно-
стью, который устанавливают со стороны тонкой детали (рис. 17, а).
Зона расплавления (/, 2, 3) образуется сначала в толстой детали,
а затем распространяется в тонкую деталь. Величина проплавления
тонкой детали А возрастает
с понижением электротепло-
проводности медного сплава,
из которого изготовлен элек-
трод (рис. 17, б). Исследова-
ниями установлено, что для
точечной сварки металлов
с высоким сопротивлением
(нержавеющие и жаропроч-
ные стали и сплавы) сниже-
ние электропроводности мате-
риала электрода допускается
При использовании электрода
Рис. 17. Влияние материала электрода на про-
плавление тонкой детали при точечной сварке
стали Б НС-2 толщиной 0,4+ 1,2 мм
до 30% от электропроводности меди,
из материала с более низкой электро-
проводностью имеет место прилипание металла электрода к поверх-
ности тонкой детали из-за значительного тепловыделения в контакте
электрод—деталь.
При точечной сварке деталей неравной толщины иногда приме-
няют электрод с вольфрамовой вставкой (см. рис. 23). Низкая тепло-
электропроводность вольфрама снижает отвод тепла из зоны сварки
и создает дополнительное тепловыделение за счет повышенного со-
противления в контакте электрод—деталь. С увеличением высоты h
выступающей части вольфрамовой вставки до некоторого значения
проплавление тонкой детали А возрастает (рис. 18); дальнейшее
4*
51
увеличение h не повышает Л, а лишь увеличивает нагрев вставки
и вызывает выкрашивание вольфрама.
Электропроводность материала электродов оказывает также су-
щественное влияние на проплавление деталей при сварке легких
сплавов. Причем это влияние возрастает с увеличением длительности
Рис. 18. Зависимость про-
плавления тонкой детали А
от высоты выступающей части
вольфрамовой вставки диа-
метром 5 мм; точечная сварка
стали Х18Н9Т толщиной
1 + 4 мм
Рис. 19. Зависимость про-
плавления деталей при точеч-
ной сварке сплава АМгб тол-
щиной 1,5+ 1,5 мм от элек-
тропроводности материала
электродов; кривые 1—5
соответствуют tce 0,03; 0,06;
0,1; 0,14 и 0,18 сек
протекания сварочного тока tce (рис. 19). При сварке с малыми tca
(жесткий режим) размеры зоны расплавления определяются электри-
ческим полем тока. При мягком режиме интенсивнее протекают про-
цессы теплопередачи внутри зоны сварки и от деталей к электродам,
и проплавление А увеличивается с понижением теплоэлектропровод-
ности электродов.
Рис. 20. Ролики и промежуточные электроды, применяемые при сварке
деталей неравной толщины малого диаметра
При роликовой сварке плоских деталей или деталей, имеющих
большие радиусы кривизны, влияние формы и размеров рабочей
поверхности роликов на формирование литой зоны аналогично слу-
чаям точечной сварки.
Если роликовой сваркой соединяются детали относительно не-
большого диаметра, то на формирование соединений начинает ока-
зывать влияние диаметр роликов. Например, при роликовой сварке
стальных деталей неровной толщины (сильфон и арматура) малого
диаметра (рис. 20, а) вследствие относительно небольшой площади
контакта ролик—деталь литая зона смещается в тонкую деталь и
52
может Даже выходить на Поверхность, отсутствуя в толстой детали.
Для получения нормального проплавления увеличивают диаметр
ролика 1. Эффект смещения литой зоны возрастает, если тонкая де-
таль 2 имеет более низкую теплоэлектропроводность, чем толстая
деталь. В этом случае для получения качественного соединения не-
обходимо еще больше увеличивать площадь контакта ролик—деталь.
Это может быть достигнуто, если вместо ролика применить электрод-
планку 3 (рис. 20, б) или электрод-кольцо 4, имеющий внутреннюю
рабочую поверхность (рис. 20, в). Ролик в таких случаях подводит
ток и передает усилие промежуточному электроду (планке и кольцу),
который обеспечивает получение требуемой площади контакта с тон-
кой деталью.
Выбор электродов при различных случаях сварки
При разработке технологии сварки тех или иных деталей необ-
ходимо правильно выбрать электроды и ролики (материал, форму,
размеры) с тем, чтобы они позволили получить сварные соединения
требуемого качества и заданную производительность процесса. Ос-
новными факторами, обусловливающими выбор материала электро-
дов, являются: нормальные размеры литой зоны соединений/ доста-
точная стойкость электродов и отсутствие взаимного переноса ме-
талла электрода и детали, особенно для металлов деталей, имеющих
низкую коррозионную стойкость (магниевые и алюминиевые сплавы).
Общей закономерностью является то, что с повышением тепло-
электропроводности свариваемых металлов эти же свойства должны
быть повышены у сплавов, из которых выполнены электроды, С умень-
шением длительности протекания тока («ужесточением» режима
сварки) для электродов следует также использовать материалы с бо-
лее высокой теплоэлектропроводностью, достаточной для интенсив-
ного отвода тепла из зоны сварки. Для каждой группы свариваемых
металлов существует некоторое предельное значение теплоэлектро-
проводности; при более низком обычно не удается получать качествен-
ные сварные соединения (см. табл. 1). Ниже приводятся рекомен-
дации по выбору марки сплава для электродов и роликов при
сварке основных групп свариваемых металлов.
Свариваемые металлы Марка сплава для электродов
Алюминиевые и медные сплавд (лату-
ни, бронзы) .................МК, Мц5Б, Бр.Х, МК, Ml,
MCI
Малоуглеродистые стали......... Бр.Х, Бр.НБТ, Мц5Б
Низколегированные стали ....... Бр.НБТ, Мц5Б, Мц4
Нержавеющие жаропрочные стали и
сплавы и титановые сплавы . . . Бр.НБТ, Мц4
Магниевые сплавы............... МК, Ml, MCI
При точечной и роликовой сварке алюминиевых и особенно маг*
ниевых сплавов малой толщины (0,3—0,5 мм) применение электро-
дов из кадмиевой меди МК ведет к быстрому загрязнению рабочей
53
ЙбЁерхнОсФИ эЛектроДов и По1емнейи1о поверхности Точек й твой.
Лучшие результаты в этих случаях дает использование электродов,
изготовленных из нагартованной меди Ml или меди с присадкой
серебра МС (см. стр. 29). Указанные материалы рекомендуются также
при сварке мягких алюминиевых сплавов (АМцМ, АД1), как обеспе-
чивающие достаточно высокую стойкость электродов (отсутствие за-
грязнения рабочей поверхности).
При роликовой сварке кольцевых швов на цилиндрической по-
верхности деталей из алюминиевых сплавов на машинах МШШИ и
МШШТ иногда не удается обеспечить необходимое и стабильное про-
плавление внутренней детали. Использование внутреннего ролика
из хромовой бронзы Бр.Х увеличивает и стабилизирует проплавле-
ние внутренней детали вследствие снижения отвода тепла в ролик.
При использовании жестких режимов сварки сталей и жаропроч-
ных сплавов и особенно деталей малой и неравной толщины (0,05—
0,15 мм) применение электродов и роликов из бронзы Бр.НБТ со-
здает перегрев металла деталей в контактах ролик—деталь из-за
относительно низкой теплопроводности Бр.НБТ, В указанных слу-
чаях следует применять электроды и ролики из Бр.Х и Мц5Б.
Роликовая сварка низколегированных закаливающихся сталей
выполняется без наружного охлаждения роликов. Использование
форсированных режимов в сочетании с недостаточным внутренним
охлаждением роликов приводит к тому, что при использовании
бронзы Бр.НБТ на поверхность шва прилипает металл от роликов.
Это нежелательное явление устраняют применением роликов -из
сплавов Мц4 или Мц5Б.
При сварке деталей с различной теплоэлектропроводностью со
стороны металла с более низкой теплоэлектропроводностью уста-
навливают электрод из медного сплава с большей теплоэлектропро-
водностью, чем со стороны другой детали. Например, при точеч-
ной сварке малоуглеродистой стали 08кп с нержавеющей сталью
Х18Н9Т, со стороны Х18Н9Т применяют электрод из Бр.Х, со сто-
роны стали 08кп — электрод из бронзы Бр.НБТ. При сварке алю-
миниевых сплавов с различными свойствами (АМц и Д16АТ) этот
прием обычно не используется, так как сварка ведется на жестких
режимах, при которых теплоотвод в электроды не играет существен-
ного значения и получение качественных соединений обеспечивается
соответствующим выбором рабочей поверхности электродов.
При точечной сварке стальных деталей неравной толщины .необ-
ходимое проплавление тонкой детали достигается использованием
электродов с вольфрамовой или молибденовой вставками или на-
паянными наконечниками (см. рис. 23).
Для точечной и роликовой сварки находят применение две формы
рабочей поверхности электродов, плоская (цилиндрическая для ро-
ликов) и сферическая. Плоская рабочая поверхность используется
обычно при сварке сталей и других черных металлов, однако это
скорее продиктовано не свойствами свариваемых металлов, а требо-
ваниями конструкции сварного узла. Так, например, когда ограни-
54
чены нахлестки соединяемых деталей, обычно применяют электроды
с плоской рабочей поверхностью, хотя это не значит, что электроды
со сферической поверхностью вовсе не могут использоваться. Следует
также заметить, что электроды со сферической поверхностью могут
быть использованы практически во всех случаях точечной и роли-
ковой сварки; электроды же с плоской рабочей поверхностью очень
часто неприменимы. Электроды со сферической поверхностью при-
меняют при сварке металлов, прочность которых вследствие нагрева
существенно снижается (алюминиевые, магниевые, медные, титано-
вые сплавы). Использование для этой цели электродов с плоской по-
Рис. 21. Выбор диаметра роликов при сварке деталей равной тол-
щины
верхностью приводит к чрезмерным вмятинам и подрезам на поверх-
ности точек и швов и повышенным зазорам между деталями после
сварки.
В случае сварки деталей неравной толщины из любых металлов
со стороны тонкой детали рекомендуется устанавливать электроды
или ролики со сферической рабочей поверхностью, так как послед-
ние обеспечивают стабильное формирование литой зоны и небольшие
вмятины. При сварке электроды со сферической поверхностью не так
чувствительны к перекосам осей электродов, как электроды с пло-
ской поверхностью. Поэтому сферическая поверхность рекомендуется
для электродов в машинах с радиальным ходом и клещах, а также
для фигурных электродов, работающих со значительными прогибами.
Следует также отметить, что электроды со сферической поверхностью
лучше отводят тепло и имеют более высокую стойкость (число точек
до переточки), что делает их применение предпочтительным во всех
случаях точечной и роликовой сварки.
Размеры рабочей поверхности da и Яэ и центральной части D элек-
тродов выбирают в зависимости от необходимых размеров литой зоны
соединений г/я и dllv которые определяются толщиной свариваемых
деталей (табл. 13).
При сварке плоских деталей равной толщины применяются элек-
троды и ролики с одинаковыми рабочими поверхностями; в этом
случае рекомендуется использовать ролики равных диаметров
(рис. 21, а). При роликовой сварке кольцевых швов (обечаек), если
рабочие поверхности роликов имеют одинаковые размеры, внутрен-
ний ролик должен быть меньшего диаметра (рис. 21, б), если диа-
метры роликов одинаковые, то внутренний ролик должен иметь
55
Таблица 13. Размеры рабочей поверхности электродов и роликов в мм
(рекомендуемые минимальные размеры)
1 ядра литой 4 пиково- Углеродистые, нержавеющие. Алюминиевые, магни- евые и медные сплавы
жаропрочные стали и сплавы
Толщин деталей Диаметр тачек Ширина зоны реи го шва i S f Ds S
0,3 2,5 2,5 12 3 15—25 6 3 12 12 25
0,5 3,0 3,0 12 4 25—50 6 4 16 16 50
0,8 3,5 3,5 12 5 50—75 10 5 16 16 50—75
1,0 4,0 4,0 12 5 75—100 10 5 16 16 75
1,2 5,0 5,0 16 6 75—100 12 6 16 16 75
1,5 6,0 6,0 16 7 100—150 12 7 20 20 75—100
2,0 7,0 7,0 20 8 100—150 15 8 20 20 100
2,5 8,0 7,5 20 9 150—200 18 9 25 25 100
3,0 9,0 8,0 25 10 150—200 20 10 25 25 100—150
3,5 10,0 9,0 25 11 200—250 22 II 25 25 15'0
4,0 12,0 10,0 25 12 200—250 24 11 32 32 200
рабочую поверхность меньшего размера (меньшие или [), Если
внутренняя деталь имеет меньшую теплоэлектропроводность
(ВЖ 98), то применяют ролики одинакового диаметра (рис. 21, в).
В случае сварки, когда деталь из сплава ВЖ98 находится снаружи,
а деталь из нержавеющей стали Х18Н9Т — внутри, верхний ролик
должен иметь диаметр значительно больший, чем нижний (рис. 21, г).
При сварке деталей неравной толщины размеры электродов и ро-
ликов (в случае швов на плоскости) устанавливают по табл. 13 соот-
ветственно толщине каждой из деталей; при сварке деталей с отно-
шением толщин более 2 : 1 со стороны тонкой детали рекомендуется
устанавливать электрод (ролик) с меньшими на 25—35% размерами
рабочей поверхности, чем указано в табл. 13. Так, например, при
точечной сварке деталей толщиной 1 4- 1 мм используют электроды
Ra = 75 мм. Сварку деталей из того же металла толщиной 1. -f- 4 мм
следует производить электродом R3 = 50 мм со стороны деталей тол-
щиной 1 мм и Ra = 150 -=-200 мм со стороны деталей толщиной 4 мм'
При сварке разноименных металлов электроды и ролики со стороны
детали из металла, обладающего большей теплоэлектропроводностью,
должны иметь меньшие размеры рабочей поверхности.
56
При роликовой сварке цилиндрических деталей неравной тол-
щины, когда тонкая деталь находится снаружи, могут быть приме-
нены ролики равного диаметра (рис. 22, а). Если тонкая деталь на-
ходится внутри, то для необходимого ее проплавления нижний ролик
должен иметь меньшие размеры, чем верхний (рис. 22, б). При ис-
пользовании кольцевых деталей неравной толщины из разноименных
металлов диаметры роликов выбирают, как показано на рис. 22, в, г.
Рис. 22. Выбор диаметра роликов при сварке деталей неравной толщины
Роликовая сварка деталей неравной толщины малого диаметра,
например сильфонов с арматурой, выполняется при использовании
роликов с радиусом сферы: 3, 5, 10, 15 мм соответственно со стороны
тонких деталей (сильфонов) толщиной 0,15, 0,3, 0,4 и 0,5 мм. Когда
тонкая деталь находится внутри, радиус сферы роликов устанавли-
вают меньшим, чем при наружном расположении (при равных диа-
метрах деталей). В том слу.чае, когда сильфон находится снаружи,
диаметр ролика Dp выбирается в пределах 0,8—1,5 диаметра силь-
фона dc. Если тонкая деталь находится внутри, Dp = (0,4 -4-0,7) dc.
При необходимости увеличить проплавление тонкой детали D и ра-
диус сферы уменьшают, при необходимости уменьшить — увели-
чивают.
V. ЭЛЕКТРОДЫ, ЭЛЕКТРОДОДЕРЖАТЕЛИ
И РОЛИКИ
Электроды, применяемые для точечной сварки
Конструкция электродов должна иметь форму и размеры, обеспе-
чивающие доступ рабочей части электрода к месту сварки деталей,
быть приспособленной для удобной и надежной установки на машине
и иметь высокую стойкость рабочей поверхности.
Наиболее простыми для изготовления и эксплуатации являются
прямые электроды, выполняемые в соответствии с ГОСТом 14111—69
из различных медных электродных сплавов, в зависимости от марки
металла свариваемых дёталей.
Иногда, например при сварке разноименных металлов или дета-
лей с большой разницей в толщине, для получения качественных
соединений электроды должны иметь достаточно низкую электро-
57
I
Теплопроводность (30—40% от меди). Если из такого металла изго-
тавливать весь электрод, то он будет интенсивно нагреваться от сва-
рочного тока за счет своего высокого электросопротивления. В таких
случаях основание электрода выполняют из медного сплава, а рабо-
чую часть из металла со свойствами, необходимыми для нормального
формирования. соединений. Рабочая часть 3 может быть сменной
(рис. 23, а) и закрепляться с помощью гайки 2 на основании 1. Ис-
пользование электродов такой конструкции удобно, так как позво-
ляет при изменении толщины и марки металла свариваемых деталей
устанавливать нужную рабочую часть.
Недостатками электрода со
сменной частью являются
возможность применения
его только при сварке де-
талей с хорошими подхо-
дами и недостаточно интен-
сивное охлаждение. По-
этому подобные электроды
не следует использовать
на тяжелых режимах свар-
ки с большим темпом.
Рабочую часть электро-
дов выполняют также в ви-
де припаянного (рис. 23, б)
или запрессованного нако-
нечника (рис. 23, в). Нако-
нечники изготавливают
s) . 6)
Рис. 23. Электроды с рабочей частью из другого
металла
из вольфрама, молибдена
или их композиций с медью. При запрессовке наконечника из воль-
фрама необходима шлифовка ^его цилиндрической поверхности
с] целью надежного ^контакта с .основанием электрода. При сварке
деталей из нержавеющих сталей толщиной 0,8—1,5 мм диаметр
вольфрамовой вставки 3 (рис. 23, в) составляет 4—7 мм, глубина
запрессованной части 10—12 мм, а выступающей части 1,5—2 мм.
При большей длине выступающей части наблюдаются перегрев и
снижение стойкости электрода. Рабочая поверхность вставки может
быть плоской или сферической.
Особое внимание при конструировании электродов должно уде-
ляться форме и размерам посадочной части. Наиболее распростра-
нена конусная посадочная часть, длина которой должна составлять
не менее 1,25 D3. Электроды с укороченным конусом следует при-
менять только при сварке с использованием малых усилий и токов.
Кроме конусной посадки иногда применяется крепление электродов
на резьбе с помощью накидной гайки. Такое соединение электродов
может быть рекомендовано в многоточечных машинах, когда важно
иметь одинаковое исходное расстояние между электродами, или
в клещах. При использовании фигурных электрододержателей при-
меняются также электроды с цилиндрической посадочной частью
(см. рис. 30, а).
58
При точечной сварке деталей сложного контура и плохими под-
ходами к месту соединения используют самые разнообразные фигур-
ные электроды, которые имеют более сложную конструкцию чем
прямые, менее удобны в эксплуатации и, как правило, обладают по-
ниженной стойкостью. Поэтому фигурные электроды целесообразно
применять тогда, когда без них сварка вообще неосуществима. Раз-
меры и форма фигурных электродов зависят от размеров и конфигу-
рации деталей, а также конструкции электрододержателей и консо-
лей сварочной машины (рис. 24).
Рис. 24. Различные типы фигурных электродов
Фигурные электроды при работе обычно испытывают значитель-
ный изгибающий момент от внеосевого приложения усилия, который
необходимо учитывать при выборе или конструировании электродов.
Изгибающий момент и обычно малое сечение консольной части со-
здают значительные упругие деформации. В связи с этим неизбежно
взаимное смещение рабочих поверхностей электродов, особенно,
если один электрод прямой, а другой фигурный. Поэтому у фигур-
ных электродов предпочтительной является сферическая форма ра-
бочей поверхности. В случае фигурных электродов, испытывающих
большие изгибающие моменты, возможна деформация конусной по-
садочной части и гнезда электрододержателя. Предельно допусти-
мые изгибающие моменты для фигурных электродов из бронзы
Бр.НБТ и электрододержателей из термообработанной бронзы Бр.Х
составляют по опытным данным для конусов электродов диаметром
16, 20, 25 мм соответственно 750, 1500 и 3200 кГ-см. Если конусная
часть фигурного электрода испытывает момент больше допустимого, То
следует увеличить максимальный диаметр конуса.
При конструировании сложных пространственных фигурных элек^
тродов рекомендуется предварительное изготовление их модели из
пластилина, дерева или легко обрабатываемого металла. Это позво-
ляет установить наиболее рациональные размеры и форму фигурного
59
электрода и избежать переделок при его изготовлении сразу из
металла.
На рис. 25 приведены некоторые примеры сварки узлов в местах
с ограниченным доступом. Сварку профиля -с обечайкой выполняют
нижним электродом со смещенной рабочей поверхностью (рис. 25, а).
Рис. 25. Примеры применения фигурных электродов
Пример использования верхнего электрода с косой заточкой и ниж-
него, фигурного, показан на рис. 25, б. Угол отклонения электродо-
держателя от вертикальной оси не должен быть более 30°, в против-
ном случае конусное отверстие электрододержателя деформируется.
Если нельзя установить верхний электрод с наклоном, то он также
Рис. 26. Электроды, воспринимающие " большой изгибающий
момент: а — с подкреплением за наружную поверхность
электрододержателя; б — армированный электрод:
1 — стальная консоль; 2 — электрод; 3 — токоподвод
может быть фигурным. Фигурный электрод изгибают в двух пло-
скостях для достижения труднодоступного места сварки (рис. 25,
в—д). Если на машине отсутствует или ограничено горизонтальное
перемещение консолей для сварки деталей, показанных на рис. 25, е
применяют два фигурных электрода с одинаковыми вылетами.
Иногда фигурные электроды воспринимают очень большие изги-
бающие моменты. Во избежание деформации конусной посадочной
части фигурный электрод дополнительно закрепляют за наружную
поверхность электрододержателя с помощью хомутика и винта
(рис. 26, а). Прочность фигурных электродов с большим вылетом
60
Рис. 27. Способы крепления электродов
в клещах
значительно увеличивается, если выполнять их составными (армиро-
ванными). /Для этого основная часть электрода делается из стали,
а токоведущая из медного сплава (рис. 26, б). Соединение токоведу-
щих частей между собой может быть выполнено с помощью пайки,
а со стальной консолью — на винтах. Возможен вариант конструк-
ции, когда фигурный электрод из медного сплава подкрепляют (арми-
руют) стальными элементами (планками), которые не должны обра-
зовывать вокруг электрода замкнутого кольца, так как в нем будут
индуктироваться токи, увеличивающие нагрев электрода. Крепле-
ние фигурных электродов, испытывающих большие моменты, целе-
сообразно выполнять в виде удлиненной цилиндрической части, для
установки в машине вместо Элек-
тр ододержате л я (см. рис. 26, б).
В большинстве случаев при
точечной сварке используется
внутреннее охлаждение элек-
тродов. Однако, если сварка
выполняется электродами ма-
лого сечения или с большим
нагревом, а свариваемый мате-
риал не подвержен коррозии,
применяют наружное охлажде-
ние. Подвод охлаждающей воды осуществляется либо специальными
трубками, либо через отверстия в рабочей части самого электрода.
Большие трудности возникают при охлаждении фигурных электродов,
так как подвести воду непосредственно к рабочей части не всегда
возможно из-за малого сечения консольной части электрода. Иногда
охлаждение выполняют с помощью тонких медных трубок, припаи-
ваемых к боковым поверхностям консольной части фигурного элек-
трода достаточно большого размера. Учитывая, что фигурные элек-
троды всегда охлаждаются хуже прямых электродов, часто при-
ходится существенно снижать темп сварки, не допуская перегрева
рабочей части фигурного электрода и снижения стойкости.
При использовании для сварки в труднодоступных местах кле-
щей, а также необходимости частой замены электродов применяют
крепление электродов, показанное на рис. 27. Такое крепление обес-
печивает хороший электрический контакт, удобное регулирование
вылета электродов, хорошую устойчивость против боковых смещений,
быстрый и простой съем электродов. Однако из-за отсутствия вну-
треннего охлаждения в таких электродах их применяют при сварке
на малых токах (до 5—-6 ка) и с малым темпом.
Для удобства работы используют электроды, имеющие несколько
рабочих частей. Эти электроды могут быть переставными или пово-
ротными (рис. 28) и значительно упрощают и ускоряют установку
электродов (совмещение рабочих поверхностей).
Электроды устанавливаются в электрододержателях, которые за-
крепляются на консольных частях сварочной машины, передающих
усилие сжатия и ток. "В табл. 14 для справок приведены размеры
прямых электрододержателей основных типов точечных сварочных
машин. Электрододержатели должны изготавливаться из достаточно
прочных медных сплавов с относительно высокой электропровод-
ностью. Чаще всегоэлектрододержатели выполняют из бронзы Бр.Х,
которая должна быть термически обработана для получения необ-
ходимой твердости (НВ не менее ПО). В случае сварки сталей, когда
применяются небольшие токи (5—10 ка), электрододержатели целе-
Рис. 28. Многопозиционные переставной (а) и поверхностный (6) электроды:
1 — электрододержатель; 2 — электрод
сообразно выполнять из бронзы Бр.НБТ или кремне-никелевой
бронзы. Эти металлы обеспечивают длительное сохранение размеров
конусного посадочного отверстия электрододержателя.
Наибольшее распространение имеют прямые электрододержатели
(рис. 29). Внутри полости электрододержателя проходит трубка для
подвода воды, сечение которой должно быть достаточно для интенсив-
ного охлаждения электрода. При толщине стенки трубки 0,5—0,8 лш
ее наружный диаметр должен составлять 0,7—0,75 от диаметра от-
верстия электрода d0. В случае частой смены электродов целе-
сообразно использовать электрододержатели с выталкивателями
Таблица 14. Размеры электрододержателей точечных машин в мм
Размеры электрододер- жателя МТПТ-600 МТПТ-400, МТК-75 мтп-зоо, МТП-400 МТК 6301, МТП-200/1200 О о -«м CD'-- * * L-COCO. 1 ю cin£ г-1 I I I© СССЕ" f-hhhH MT 1607, МТП-75 МТП-100, МТПР-75 (50/25) МТПК-26, MT 1206
Наружной диаметр 70 60 50 50 32 25
Диаметр конуса для электрода 32 32 32 25 20 16
Конусность 1 : 5 1 : 5 I : 5 1 : 10 1 : 10 1 : 10
62
(рис. 29, б). Выталкивание электрода из посадочного Гнезда произ-
водится при ударе деревянным молотком по бойку 5, который со-
единен с трубкой из нержавеющей стали — выталкивателем 1. Воз-
врат выталкивателя и бойка в исходное нижнее положение выпол-
няется пружиной 2. Важно, чтобы торец выталкивателя, ударяющий
по торцу электрода, не имел повреждений на своей поверхности,
Рис. 29. Прямые
"электр ододержате-
ли: а — нормаль-
ный; б — с вытал-
кивателем; в — со
сменной втулкой
в противном случае посадочная часть электрода будет быстро вы-
ходить из строя, заклиниваясь при его удалении из электрододержа-
теля. Удобным для эксплуатации является выполнение конца элек-
трододержателя 1 в виде сменной резьбовой втулки 2, в которой
установлен электрод 3 (рис. 29, в). Такая конструкция позволяет
изготавливать втулку 2 из более стойкого металла и заменять ее
при износе и установке электрода другого диаметра, а также легко
удалять электрод при заклинивании путем выбивания его стальной
выколоткой изнутри втулки.
Если фигурные электроды чаще применяются при сварке деталей,
имеющих малые размеры соединяемых элементов, то при больших
их размерах целесообразно использование специальных фигурных
электрододержателей и простых электродов. Фигурные электродо-
63
Держатели могут быть составными и обеспечивать установку электро-
дов под различным углом к вертикальной оси (рис. 30, а). Достоин-
ством такого электрододержателя является легкая регулировка вы-
лета электрода. В ряде случаев фигурный электрод может быть за-
менен электрододержателем, показанным на рис. 30, б. Интерес
также представляет электрододержатель, наклон которого можно
легко регулировать (рис. 30, в). Конструкция, изогнутого под углом
90° электрододержателя приведена на рис. 30, а, она позволяет за-
Рис. 30. Специальные электрододержатели
крепить электроды с цилиндрической посадочной частью. Специаль-
ный винтовой зажим обеспечивает быстрое закрепление и снятие
электродов. На рис. 31 представлены различные примеры точечной
сварки с использованием фигурных электрододержателей.
При точечной сварке крупногабаритных узлов типа панедей целе-
сообразно использовать четырехэлектродную поворотную головку
(рис. 32). Применение таких головок позволяет в четыре раза уве-
личить время работы электродов до очередной зачистки, не удаляя
свариваемую панель из рабочего пространства машины. Для этого
после загрязнения каждой пары электродов электрододержатель 1
поворачивается на 90° и закрепляется стопором 4. Поворотная го-
ловка позволяет также устанавливать электроды с различной фор-
мой рабочей поверхности для сварки узла с изменяющейся, напри-
мер, ступенчато толщиной деталей, а также обеспечить механизацию
зачистки электродов специальными устройствами. Поворотная го-
ловка может использоваться при точечной сварке деталей с большой
разницей в толщине и устанавливается со стороны тонкой детали. Из-
вестно, что при этом рабочая поверхность электрода, контактирую-
щего с тонкой деталью, быстро изнашивается и заменяется при
64
СП
о
. Слиозберг
Рис. 31. Примеры применения различных
электрододержателей
о
ел
Рис. 32, Поворотная электродная головка:
1 — поворотный электрододержатель; 2 — корпус; 8 — электрод;
4 — стопор
повороте головки на новую. В качестве электрода со стороны толстой
детали удобно использовать ролик.
При точечной сварке оси электродов должны быть перпендику-
лярны поверхностям свариваемых деталей. Для этого сварку дета-
лей, имеющих уклоны (плавно изменяющуюся толщину), или изго-
товляемых с помощью подвесных машин, при наличии крупногаба-
ритных узлов выполняют с использованием самоустанавливающегося
поворотного электрода со сферической опорой (рис. 33, а). Во избе-
жание течи воды электрод имеет уплотнение в виде резинового кольца.
5
Рис. 33. Самоустанавливаю-
щиеся электроды и головки:
а — поворотный электрод с пло-
ской рабочей поверхностью;
б — головка для двухточечной
сварки:
I — корпус; 2 — ось;
в — пластинчатый электрод для
сварки сетки:
1.7 — консоли машины; 2—вилка;
3 — гибкие шины; 4~качающийся
электрод; 5 — свариваемая сетка;
6 — нижний электрод
На обычных точечных машинах
сварка стальных деталей отно-
сительно небольшой толщины может выполняться сразу двумя точ-
ками с применением двухэлектродной головки (рис. 33, б). Равно-
мерное распределение усилий на оба электрода достигается за счет
поворота корпуса 1 относительно оси 2 под действием усилия сжатия
машины.
Для сварки сетки из стальной проволоки диаметром 3—5 мм могут
быть применены пластинчатые электроды (рис. 33, в). Верхний элек-
трод 4 качается на оси для равномерного распределения усилий между
соединениями. Подвод тока в целях его равномерности производится
гибкими шинами 3\ вилка 2 и ось качания изолированы от электрода.
При длине электродов до 150 мм они могут выполняться некачаю-
щимися.
При сварке панелей, состоящих из двух обшивок и ребер жест-
кости, внутри должна находиться электропроводная вставка, вос-
66
принимающая усилие Электродов машины. Конструкция вставки
должна обеспечивать ее плотное прилегание к внутренней поверх-
ности свариваемых деталей без зазора, во избежание глубоких вмя-
тин на внешних поверхностях деталей и возможных прожогов. Для
этой цели может быть использована раздвижная вставка, показанная
на рис. 34. Движение клина 2 относительно неподвижного клина 4,
обеспечивающее их поджатие к свариваемым деталям 3, синхрони-
Рис. 34. Раздвижные клиновые электроды-вставки
зировано с работой машины. Когда электроды 1 и 5 сжаты и проис-
ходит сварка, воздух из пневмосистемы привода машины поступает
в правую полость цилиндра 8, закрепленного на передней стенке
машины и через тягу 7 перемещает клин 2, увеличивая расстояние
между рабочими поверхностями клиньев. При поднятии электрода 1
воздух выходит из правой и начинает поступать в левую полость
цилиндра 8, уменьшая расстояние между поверхностями клиньев,
что позволяет перемещать свариваемую панель относительно элек-
тродов машины. Охлаждение клиновой вставки производится возду-
хом, который поступает по трубке 6. Использование такой вставки
позволяет сваривать детали с внутренним расстоянием между ними
до 10 мм.
Электроды, применяемые для роликовой сварки
Конструкция электродов (роликов) для роликовой сварки за-
висит от размеров и формы свариваемых узлов, способа крепления
роликов на машине, а также
от способа охлаждения. При / Г’""'] А
сварке используют ролики
со следующей формой рабочей
части (рис. 35): 1—- прямой про- LLLJ-Ш Ш LLU U LL-U
филь с двусторонним скосом; 2 3 4-56 7
2—закругленный профиль без Рис. 35. Различная форма рабочей поверх-
скосов; 3 — Прямой профиль КОСТИ роликов
с односторонним скосом; 4 —
закругленный профиль с односторонним скосом; 5 — закруглен-
ный профиль с двусторонним скосом; 6 — прямой профиль без
скосов; 7 — вогнутый профиль.
Охлаждение роликов может быть естественным (воздушным), от
охлаждаемой оси и искусственным (водяным), а также комбиниро-
5* 67
ванным. Охлаждение массивных роликов большого диаметра при
сварке стали с небольшой скоростью и частых перерывах между
операциями может быть естественным. При большой величине тока
и значительной толщине свариваемых деталей применяют водяное
охлаждение роликов. Наиболее простым является наружное водя-
ное охлаждение роликов и зоны сварки. При таком способе исполь-
зуются ролики простой конструкции. Наружное охлаждение при-
меняют в том случае, если назначение узла допускает попадание
в него влаги, а металл является достаточно стойким в коррозионном
отношении.
В большинстве сварочных машин применяют внутреннее водяное
охлаждение оси, через которую отводится тепло от ролика. Более
эффективным является внутреннее охлаждение роликов, но оно тре-
бует установки уплотняющей прокладки между осью и торцом ро-
лика. Конструкция ролика с внутренним охлаждением показана на
рис. 36, а. Вода поступает из оси по каналам в теле ролика 1 в коль-
цевую проточку. Существенной трудностью при изготовлении та-
кого ролика является герметизация проточки кольцом 2. Кольцо
может быть соединено с роликом 1 с помощью пайки; при этом сле-
дует применять припои, температура плавления которых меньше,
чем температура начала разупрочнения металла ролика. Крепление
кольца может быть выполнено на винтах с герметизирующей про-
кладкой. На рис.. 36, б приведена конструкция ролика с внутренним
охлаждением для машин типа МШП. Ролик 1 закреплен на валу 2
с помощью резьбовых шпилек 4 с гайками, которые прижимают к на-
ружному торцу ролика диск 5. Вода поступает по трубке 3 во вну-
треннюю полость диска 5 и затем по радиальным каналам 6 подходит
к торцу ролика и, омывая его, по каналам 7 подается в полость
вала 2. Резиновые кольцевые уплотнения исключают попадание воды
на свариваемые детали.
В настоящее время посадочные части роликов наиболее распро-
страненных конструкций выполняются по нормали МН 113—60.
Установлено три исполнения роликов:
1) с посадочным отверстием диаметром 25 мм и четырьмя отвер-
стиями под шпильки крепления;
2) с посадочным отверстием диаметром 40 или 45 мм и шестью
отверстиями;
3) с посадочным отверстием диаметром 60 льи и восемью отвер-
стиями.
При необходимости интенсифицировать выделение тепла в одной
из деталей, применяют ролики со специальной конструкцией рабочей
части. Для сварки деталей с большой разницей в толщине или очень
теплопроводных металлов используют ролики (рис. 37, а), у которых
основание 1 выполнено из медного сплава, а рабочая часть 2 — из
вольфрама или молибдена, припаянного к основанию. Повышения
интенсивности нагрева также достигают за счет «сужения» тока на
ограниченной площади рабочей поверхности ролика 1 с помощью
двух стальных колец 3 (рис. 37, б) или выполнения на боковых
Рис. 36. Конструкции роликов с внутренним охлаждением
69
поверхностях ролика кольцевых выточек (рис. 37, в), уменьшающих
сечение токоподвода вблизи рабочей поверхности.
При швах большой протяженности на деталях малой толщины
(0,1—0,3 мм) или имеющих какое-либо покрытие рабочая поверх-
ность роликов быстро изнашивается, в связи с чем ухудшается ка-
чество сварки. В таких случаях роль рабочей поверхности роликов
выполняет проволока из холоднотянутой меди (НВ 100) рис. 38.
Ролики имеют канавку, в которой помещена проволока, перематы-
ваемая при
а}
6)
Рис. 37. Ролики со спе-
циальной рабочей частью:
а — из вольфрама; б —
со стальными кольцами;
в — с выточками
вращении роликов с одной катушки на другую. Такой
способ обеспечивает стабильную
форму рабочей поверхности и
многократное использование
проволоки в качестве электро-
дов при роликовой сварке.
Для роликовой приварки
фланцев к листу могут использо-
ваться электроды в виде чашек
(рис. 39). Нижний электрод 5
неподвижен, а верхний 3 обка-
тывается по нахлестке фланца 4.
Обкатка производится при вра-
щении вокруг вертикальной оси
электрододержателя 1, причем
наклонная ось 6 описывает ко-
нус, а рабочая часть электрода 5
с фланцем 4 постоянно переме-
щается по окружности в соответ-
ствии с вращением электродо-
держателя 1. При использовании
электродов «чашка—чашка» свариваемые детали неподвижны. Су-
щественным преимуществом этого способа является отсутствие в цепи
подвода сварочного тока скользящего контакта, так как верхний
электрод не вращается относительно гибкой шины 2.
При роликовой сварке сильфонов с арматурой используют элек-
троды-цанги для зажима арматуры по наружной (рис. 40, а) или
внутренней поверхности (рис. 40, б). Их обычно изготавливают из
латуни под размер каждой из конкретных деталей и крепят при
помощи резьбы на токоведущей оси машины. Вместо цанг могут ис-
пользоваться гладкие оправки с плотной посадкой по отверстию
в арматуре. Часто роликовую сварку выполняют с использованием
промежуточных электродов-проставок. Такой способ применяется
при сварке телескопических соединений трубок 1 в патроне 4 с по-
мощью оправки 2 (рис. 41). Привод вращения осуществляется от
патрона 4, ролики 3, 5 вращаются свободно. Возможно Применение
внутренней токопроводящей оправки для сварки продольного шва
труб малого диаметра на поперечной машине.
70
Рис. 38. Использование
проволоки в качестве
электродов при ролико-
вой сварке:
1 — ролики; 2 — проволока;
3 — детали
Рис. 39. Роликовая сварка
электродами «чашка—чашка»
Рис. 41. Электроды-проставки, исполь-
зуемые при роликовой сварке труб
Рис. 40. Электродьг-цанги, используемые при сварке сильфонов
с арматурой: а — наружная цанга; б — внутренняя цанга;
1 — свариваемые детали; 2 — цанги; 3 — ролик
71
VI. ИЗГОТОВЛЕНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЭЛЕКТРОДОВ
Способы изготовления электродов и роликов
При достаточном объеме сварки и особенно в массовом производ-
стве расходуется большое количество электродов и роликов. По-
этому их изготовление может быть сопряжено со значительными за-
тратами труда и металла, существенно влияющими на себестоимость
процесса сварки. В связи с этим очень важно выбрать наиболее ра-
циональную технологию изготовления в зависимости от металла,
конструкции, размеров и расхода электродов. Учитывая, что от
электродов в большой степени зависит качество и надежность свар-
ных соединений, нельзя рассматривать изготовление электродов как
малоответственную и простую операцию, поручая ее выполнение
рабочим низкой квалификации и используя для этого малопригодное
или изношенное оборудование.
Металл, поступивший для изготовления электродов, должен
иметь сертификат и полностью соответствовать ТУ. Необходимо
хотя бы выборочно определить твердость металла. В сомнительных
случаях рекомендуется производить спектральный или химический
анализ для подтверждения химического состава сплава и измерять
электропроводность, например, прибором ИЭ-1.
Электроды и ролики изготавливаются из круглого и плоского
проката или литых заготовок под прокат, поступающих с металлур-
гических заводов. Для этой цели используются механическая обра-
ботка, штамповка, ковка и литье. Заготовки электродов, поступаю-
щие на окончательную механическую обработку (точение, фрезеро-
вание и т. п.), должны иметь необходимую минимальную твердость
(см. табл. 1). Если требуются упрочняющие термообработка и дефор-
мация, то они выполняются до окончательной обработки.
На большинстве предприятий прямые электроды вытачиваются
из прутков, обычно поступающих с металлургического завода в тер-
мически необработанном (для дисперсионно-упрочняемых сплавов)
или отожженном состоянии. Такой способ изготовления электродов
нерационален вследствие больших отходов металла, так как
в стружку при этом идет до 30—40% дефицитных медных сплавов.
На предприятиях, где расход электродов очень большой, например
на автомобильных заводах, прямые электроды изготовляются спо-
собом холодной высадки из прутков (штамповкой). При этом отходы
металла в стружку сокращаются до 5—7%. Однако часто трудно
организовать выпуск электродов высокого качества из термоупроч-
няемых сплавов, главным образом из-за сложности проведения тер-
мической обработки, например закалки заготовок при температурах
950—1000° С. Как правило, и себестоимость изготовления электро-
дов на заводах-потребителях весьма высока. Значительно более де-
шевые электроды выпускаются при их централизованном произ-
водстве на специализированном предприятии.
72
Ограничение числа применяемых в промышленности типоразмеров
прямых электродов и их стандартизация позволили организовать
централизованное производство. В настоящее время освоено центра-
лизованное производство прямых электродов из прутков хромовой
бронзы, включая операции термической обработки с целью повыше-
ния стойкости электродов. Изготовление электродов для точечной
сварки начинается с рубки на заготовки прутков, поступивших с ме-
таллургического завода. Эту операцию выполняют на кривошипном
прессе, оборудованном устройством для механизированной загрузки
и выгрузки деталей. Далее, после нагрева заготовок в толкательной
печи и закалки, на кривошипных прессах выполняются операции
объемной штамповки электродов. Штамповка включает следующие
операции: формовку рабочей части, обратное выдавливание с обра-
зованием охлаждаемого канала и формирование посадочного конуса.
Высаженные электроды проходят отпуск в электропечи и затем
окончательную механическую обработку, при которой подрезаются
торцы электродов и снимаются заусенцы. После окончания механи-
ческой обработки готовые электроды проходят травление или иной
вид очистки для придания им товарного вида и подаются на упаковку.
Централизованно выпускаются все типы прямых электродов из хро-
мовой бронзы по ГОСТу 14111—69 диаметром от 16 до 40 мм и дли-
ной от 36 до 70 мм в исполнении I без лысок «под ключ». Благодаря
значительной деформации в процессе штамповки электроды после
отпуска имеют высокие механические свойства. Так, электроды из
хромовой бронзы диаметром 16 мм имеют НВ до 135. С использова-
нием штамповки могут быть изготовлены электроды и из других
медных сплавов (МК, Бр.НБТ). Стоимость электрода, изготовлен-
ного штамповкой, в 3—4 раза ниже, чем полученного токарной
обработкой.
Фигурные электроды небольшого размера обычно изготавливают
из плит на токарных и фрезерных станках. Фигурные электроды
больших размеров, а также заготовки для роликов, могут быть из-
готовлены ковкой или литьем. При ковке сплавов для электродов
важно строго выдерживать температурный интервал, так как при
понижении допустимой температуры в металле образуются трещины.
Поэтому ковку электродов сложной формы ведут в несколько прие-
мов, нагревая каждый раз до требуемой температуры. Температур-
ный интервал ковки составляет для Бр.Кд 1 (МК) 800—780° С,
Бр.Х 950 900° С, Бр.НБТ 950—750° С, Мц4 900—750° С и Мц5Б
900—700° С. Нагрев под ковку ведут до верхнего предела темпера-
туры с выдержкой при ее достижении не менее 2 ч. При ковке кад-
миевой меди окончательную обработку ведут в холодном состоянии,
обеспечивая в целях упрочнения деформацию 40—50%. Сплавы,
упрочняемые термической обработкой (закалка и отпуск), проходят
ее после ковки или литья.
Литье заготовок фигурных электродов выполняется в землю при
небольших количествах и в кокиль при массовом производстве.
Литье по выплавляемым моделям может быть применено при изго.
товЛенйи электродов сложной формы и дает уменьшение расхода
металла и сокращает последующую механическую обработку. Литье
термически упрочняемых сплавов удобно совмещать с ^-закалкой
(быстрое охлаждение водой), производя потом лишь один отпуск.
Рабочие части фигурных электродов могут быть изготовлены или
восстановлены после износа методом автоматической наплавки в мед-
ных водоохлаждаемых формах. Наплавка ведется под слоем флюса
АН-20 порошковой проволокой, обеспечивающей получение необ-
ходимого химического состава, например типа хромовой бронзы.
Благодаря использованию водоохлаждаемых медных форм сразу
после окончания наплавки металл закаливается. Наплавка рабочих
Рис. 42. Макроструктура соединений электродных сплавов:
а — наплавка бронзы Бр.НБТ; б—сварка трением Бр.НБТ;
в — сварка трением Бр.НБТ — Бр.Х
частей электродов из хромовой бронзы может быть выполнена и при
использовании разъемных графитовых форм. Перед началом наплавки
форма подогревается до 200—250° С, а в отверстие прямых электро-
дов вводится стальной штырь для предотвращения возможного про-
плава. Наплавка ведется на постоянном токе обратной полярности
(Z = 300-^-350 a, U = 32-н34 б) штучным электродом из Бр.Х диа-
метром 6 мм с покрытием из молотого флюса АН-20 (95%) и металли-
ческого хрома (5%), замешанных на жидком стекле. После наплавки
проводится обычная термообработка (закалка и отпуск). Твердость
металла до термообработки 70—75 после нее 105—110. Стойкость
электродов с наплавкой практически такая же, как и нормальных
электродов. Наплавка бронзы Бр.НБТ может также производиться
в среде аргона. Твердость наплавленного металла Бр.НБТ после
соответствующей термообработки всего на 10—15% ниже, чем термо-
обработанного проката Бр.НБТ. Структура наплавленного металла
достаточно плотная и имеет дендритное строение с крупными зернами
(рис. 42, а). При наплавке бронзы Бр.НБТ должна быть обеспечена
вытяжная вентиляция.
Имеется также опыт восстановления прямых электродов из кад-
миевой меди наплавкой трением. На изношенную рабочую поверх-
ность электрода наплавляется предварительно уплотненная 6 стол-
бик мелкая стружка из того же металла. Наплавка производится
в специальной чугунной форме — вращающейся втулке, прижатой
74
к стружке с определенным усилием пуансоном из жаропрочного
сплава. Результаты испытаний наплавленных электродов показали,
что их стойкость даже превышает стойкость электродов из целого
металла за счет использования высоких усилий при наплавке.
При изготовлении и восстановлении электродов может исполь-
зоваться сварка трением. Основание электрода устанавливают в не-
подвижном зажиме машины, а наращиваемую часть электрода —
в патроне. На рис. 42, б приведена характерная макроструктура со-
единения, выполненного сваркой трением. При диаметре, электро-
дов 20 мм общая протяженность разупрочненной зоны составляет
4—5 мм при снижении твердости металла на 40—45% от исходной.
В результате последующей термообработки сварного соединения
бронзы Бр.НБТ твердость металла в зоне стыка достигала 90% твер-
дости основного металла.
Использование при изготовлении и восстановлении электродов
пайки встречает большие трудности, связанные с разупрочнением
металла вследствие нагрева при пайке. Так, при использовании
серебряных припоев (ГОСТ 8190—56) температура пайки составляет
780—900° С. Последующая упрочняющая термообработка паяных
соединений исключается, так как нагрев под закалку (950—1000° С)
не может быть произведен из-за расплавления и вытекания припоя.
Таким образом, применение пайки возможно при условии, если ее
температура не превышает температуры начала разупрочнения ме-
талла электродов.
Соединение рабочей части с основанием фигурных электродов из
Бр.НБТ при их изготовлении (восстановлении), если нагрев электро-
дов в месте соединения при сварке невысок (150—200° С), может
выполняться пайкой припоем П-425А (ПЦАМ-65). Сборка соединяе-
мых частей электродов производится с помощью центрирующих
выступа и впадины, причем зазоры не должны превышать 0,15 мм.
Пайка осуществляется раздельным погружением основания и рабо-
чей части электрода сначала в ванночку с расплавленным флюсом 34А,
а затем в ванночку с припоем при температуре 450° С. После доста-
точного прогрева и облуживания поверхности обе части электрода
соединяются и охлаждаются до затвердевания припоя. Затем произ-
водится очистка электрода от флюса.
Проведенные исследования показали, что бронза Бр.НБТ может
подвергаться многократному нагреву (длительность 10 мин) до 550° С
без опасности потери твердости ниже 170. Эксплуатация фигурных
электродов с припаянными рабочими частями (при сварке стали
место спая нагревалось до 150° С) показала работоспособность, не
отличающуюся от электродов, выполненных из целого металла. При-
менение пайки позволяет в случае дефицитности электродных спла-
вов выполнять основную и посадочную части прямых электродов.
из менее дефицитных металлов, например из меди М3.
Соединение рабочей и основной части электродов может быть
также произведено с помощью диффузионной сварки с последующей
термообработкой.
7Б
Ролики изготовляют путем вырезки из плит, ковки из литых заго-
товок, круглого проката и литья. Вырезка роликов из плит, постав-
ляемых в термообработанном состоянии (из хромовой бронзы и сплава
Бр.НБТ), — в настоящее время наиболее распространенный способ,
хотя отходы металла при этом составляют 30—40%. Роликовые
электроды из кадмиевой бронзы, как правило, изготовляют путем
ковки из литых заготовок диаметром 350—400 мм или прутков боль-
шого диаметра. С этой целью от цилиндрических заготовок отрезают
диски, осаживают их на прессах или молотах с необходимой сте-
пенью деформации на ролики нужного диаметра и толщины. Необхо-
димые свойства роликам, изготовляемым таким способом из терми-
чески упрочняемых материалов, придаются последующей термиче-
ской обработкой (закалкой и отпуском).
Рис. 43. Шаблоны
для контроля - ра-
бочей поверхности
электродов (а) и ро-
ликов (б)
Более целесообразны способы изготовления роликов с помощью
литья в кокиль или штамповкой из жидкого металла. Весьма эффек-
тивно изготовление роликов полунепрерывной отливкой, совмещен-
ной с закалкой и последующим отпуском.
При изготовлении электродов особое внимание должно быть обра-
щено на обработку рабочей поверхности с тем, чтобы обеспечитр
точное выполнение ее заданной формы и размеров.
Для обработки на токарном станке сферической рабочей поверх-
ности электродов и роликов целесообразно использовать фасонные
резцы, режущая поверхность которых имеет соответствующую ради-
усную заточку. Обработку электродов со смещенной или скошенной
рабочей поверхностью удобно выполнять в специальном приспособле-
нии, устанавливаемом на планшайбе токарного станка.
Сферическая поверхность электродов с небольшим диаметром ра-
бочей части (до 10 мм) может быть получена чеканкой. Для этой
цели используется пневматический клепальный молоток со специаль-
ными бойками. Специальное приспособление обеспечивает необхо-
димую соосность электрода и бойка. Обработка чеканкой обеспечи-
вает идентичность формы и размеров рабочей поверхности электро-
дов и несколько повышает стойкость электродов.
Контроль посадочного конуса электродов производится с помощью
соответствующего калибра-кольца. Окончательную обработку ко-
нусного посадочного отверстия электрододержателя производят ко-
нусной разверткой, а контроль — калибром-пробкой. Контроль
формы и размеров рабочей поверхности электродов и роликов вы-
полняют с помощью шаблонов (рис. 43).
76 .
Эксплуатация электродов и роликов
Правильная эксплуатация электродов и роликов во многом пре-
допределяет качество и стабильность получаемых соединений и про-
изводительность процесса сварки. Важнейшим вопросом эксплуа-
тации является поддержание необходимой формы и размеров рабо-
чей поверхности. Следует различать зачистку и переточку - вос-
становление изношенной рабочей поверхности. Зачистку электродов
обычно производят непосредственно в сварочной машине. Для пере-
точки в подавляющем большинстве случаев электроды со сварочной
машины снимают и обработку поверхности выполняют на токарном
или специальном станке (устройстве).
Заточка заключается в снятии с рабочей поверхности весьма ма-
лого слоя окисленного и загрязненного металла. Зачистка электро-
дов с плоской рабочей поверхностью выполняется личным напиль-
ником и абразивным полотном. При этом необходимо следить за тем,
чтобы сохранить параллельность поверхностей обоих электродов.
Электроды со сферической поверхностью зачищают при помощи ре-
зиновой пластины толщиной 15—20 мм, обернутой абразивным по-
лотном. Для этого резиновую пластину сжимают небольшим усилием
(обычно за счет установки расстояния между электродами несколько
меньшего, чем толщина пластины) и вручную производят вращение
пластины вокруг оси электродов. Вместо резиновой пластины и
абразивного полотна может быть применен абразивный круг на ре-
зиновой основе (зерно 3, 4 ГОСТ 3647—59) той же толщины.
Для зачистки сферической поверхности электродов рекомендуют
использовать специальные притиры — стальные пластины с углуб-
лениями сферической формы, обернутые абразивным полотном. Од-
нако такие притиры не нашли практического применения из-за труд-
ностей создания малых усилий зажатия притира электродами, а также
точной его установки относительно оси электродов. После зачистки
поверхность электродов протирают чистой тканью.
Зачистку рабочей поверхности роликов выполняют абразивным
полотном на резиновой пластине, При использовании наружного
охлаждения роликов применяют водостойкую шкурку на полотне
(ГОСТ 10054—62). При сварке стали используют шкурку с зерном
10—12 мк.
Что касается выбора зернистости шкурки для зачистки электро-
дов при сварке легких сплавов, то имеют место несколько противо-
речивые рекомендации. Установлено, что при хорошем качестве под-
готовки поверхности деталей из алюминиевых сплавов под сварку
(травление в ортофосфорной кислоте с пассивацией) лучшие резуль-
таты (меньшее загрязнение) дает зачистка шкуркой с мелким зерном
(3, 4) и даже шлифовальная шкурка М20, М28. В случае плохого
качества поверхности деталей (травление в щелочи) большая стой-
кость наблюдается у электродов, зачищенных более грубой шкур-
кой с зерном 10, 12. Это явление может быть объяснено тем, что гру-
бая шкурка дает значительную шероховатость рабочей поверхности
77
электрода, которая эффективнее разрушает (продавливает) пленки
окислов на поверхности деталей, обеспечивая более низкое сопро-
тивление контакта электрод—деталь, а следовательно, и меньшее
загрязнение электродов. Необходимо отметить, что выбор зернистости
шкурки для зачистки зависит также от толщины свариваемых-де-
талей; в случае деталей малой толщины (0,3—0,5 мм) используется
шкурка с зерном меньшего размера; применение шкурки с крупным
зерном увеличивает съем металла при зачистке и этим снижает срок
службы электродов.
Необходимость зачистки устанавливается сварщиком визуально
по степени загрязнения поверхности электродов и свариваемых де-
талей. Скорость и характер загрязнения рабочей поверхности элек-
тродов зависит от очень многих факторов. При сварке коррозионно-
стойких металлов (нержавеющие, жаропрочные стали и сплавы, ти-
тан) без зачистки может быть выполнено очень большое число точек
(до 5 тыс.). Сварка же алюминиевых и магниевых сплавов характери-
зуется быстрым загрязнением электродов (от 10—15 точек до несколь-
ких сотен точек). При роликовой сварке алюминиевых и магниевых
сплавов зачистку производят через один—три оборота роликов.
Очень интенсивно идет загрязнение электродов и роликов при сварке
металлов с покрытиями (лужение, цинкование), а также при наличии
на поверхности деталей ржавчины, окалины, масла и других загряз-
нений.
В процессе эксплуатации рабочая поверхность электродов и ро-
ликов изменяет свою форму и размеры. В случае сварки ответствен-
ных узлов допускается увеличение рабочей поверхности: плоской —
до 15%, сферической —до 30%. Износ электродов устанавливается
путем периодического контроля поверхности шаблонами (рис. 43).
Контроль шаблонами рекомендуется производить: для нормальных
электродов и роликов (см. табл. 13) через 2000 точек и 30 м шва;
для электродов с малыми размерами рабочей части — через 500—
100 точек. Контроль плоской рабочей поверхности электродов также
можно выполнить по отпечатку на каком-либо мягком материале
(картоне, свинце), который с небольшим усилием прижимают к по-
верхности электродов. Заточка — восстановление рабочей поверх-
ности электродов — может быть произведена непосредственно в ма-
шине с помощью обычного напильника с вогнутой поверхностью
(для сферических электродов). После обработки напильником по-
верхность зачищают шкуркой и выполняют 3 5 точек для контроля
формы отпечатка. Заточка вручную с использованием напильников
допускается как исключение при сварке неответственных узлов и
для фигурных электродов и должна производиться опытными свар-
щиками. Для заточки плоской рабочей поверхности без съема элек-
тродов могут применяться специальные заправники и механизиро-
ванные устройства (рис. 44).
Для восстановления сферической рабочей поверхности прямых
стандартных электродов применяется специальная фрезерная го-
ловка с пневмоприводом (рис. 45, п). Головка закрепляется на
78
Рис. 44. Приспособления для обработки плоской рабочей поверхности электродов:
а — ручной заправник; 1 — корпус; 2 — резцы; 3 — ручка; б — угловая пневмо-
дрель со специальной фрезой
79
электроде 1 с помощью патрона 2, а фреза 5 приводится в действие от
пневмодрели 6. Ось пневмодрели соединена с вилкой 7, которая вместе
с фрезой 5 вращается вокруг оси электрода. Шестерня 3, сидящая
на одной оси с фрезой при движении вокруг оси электрода, катится
по неподвижной шестерне 4, вращаясь также вокруг своей оси. Слож-
ное вращение фрезы с большой скоростью позволяет получить высо-
кое качество обработки сферической рабочей поверхности электрода.
Головка комплектуется набором фрез с различными радиусами
сферы. Вместо фрезы может быть использована специальная игло-
фреза, режущая поверхность которой образована торцом плотно
сжатых игл из стальной проволоки. Поверхность иглофрезы обра-
батывается по соответствующему радиусу. Иглофреза может быть
также установлена в переносном устройстве, смонтированном на
базе угловой пневмодрели УД-2М (рис. 45, б).
Фрезерные головки эффективно применять в сочетании с поворот-
ными электродными головками (см. рис. 32). Заточка электродов
в этом случае может производиться автоматически после сварки
заданного числа точек и поворота электродной головки. Использо-
вание поворотных головок позволяет производить зачистку рабочей
поверхности электродов, не выводя свариваемые детали из рабочего
пространства машины, что особенно удобно при сварке крупнога-
баритных узлов. Заточку сферической поверхности электродов вы-
полняют также в стационарном устройстве. Специальная фреза при-
водится во вращение от мотора и совершает два движения: вокруг
своей оси и вокруг оси электрода, чем обеспечивается постоянство
скорости фрезерования по всей йоверхности электрода, а следова-
тельно, высокое качество обработки.
В процессе эксплуатации вследствие переточек электродов умень-
шается расстояние от рабочей поверхности до дна охлаждающего
канала. При малой величине этого расстояния возможна деформация
(продавливание) рабочей поверхности от действия усилия электро-
дов и дефекты сварки. Чтобы избежать этого, целесообразно на ра
бочей части электрода иметь контрольную риску, определяющук
конец использования данного электрода. Величина минимально до-
пустимого расстояния от рабочей поверхности до оси определяется
в основном режимом сварки и составляет в среднем 20—25% от на-
чального значения.
Зачистка с одновременным восстановлением рабочей поверхности
роликой производится с помощью абразивного круга на резиновой
основе, приводимого во вращение электродвигателем или пневмоме-
ханизмом (рис. 46). Окружная скорость вращения абразивного круга
составляет 60—80 м!мин. Вместо круга могут быть использованы
стальные вращающиеся щетки диаметром 80—100 мм (диаметр
стальной проволоки не более 0,2 мм, скорость вращения 1500—
2000 об!мин). При сварке сталей с покрытиями для зачистки и вос-
становления формы рабочей поверхности роликов применяются спе-
циальные шарошки, которые одновременно приводят ролики во вра-
щение. Если при сварке используется наружное охлаждение, то
80
после зачистки рабочие поверхности роликов промываются водой;
в других случаях поверхность протирают чистой тканью.
Восстановление поверхности роликов иногда обеспечивают с по-
мощью формовки стальными закаленными роликами, прижимаемыми
пружиной к поверхности вращающихся роликов (рис. 46, б). Фор-
мовка может выполняться так-
же путем установки между вра-
щающимися роликами специ-
ального приспособления с двумя
парами формующих роликов
(рис. 46, в) или стального коль-
ца, форма сечения которого
соответствует форме рабочей по-
верхности роликов (рис. 46, г).
При эксплуатации электро-
дов и роликов особое внимание
должно быть обращено на обес-
печение хорошего электриче-
ского контакта посадочной
поверхности с электр ододер-
жателями и осями роликов.
Рис. 46. Приспособления для обработки рабочей поверхности роликов: а — абразив-
ным кругом; б — стальными роликами; в — в обойме; г — стальным кольцом:
1 — ролик машины; 2 — формующий стальной ролик; 3 — обойма; 4 кольцо
Износ или неправильные размеры мест посадки вызывают нагрев
из-за повышения сопротивления контактов, течи воды, из-за отсут-
ствия герметичности конусного соединения и затрудняют съем элек-
тродов. Посадочные (контактные) поверхности тщательно зачищают,
плотно подгоняют (шабрят и подтягивают для роликов). Не допу-
скается применение каких-либо прокладок в местах посадки. Конус-
ные посадочные поверхности электродов и электрододержателей необ-
6 С. К. Слиозберг 81
ходимо периодически (не реже одного раза в месяц) контролировать
специальными калибрами. Конусные калибры для контроля электро-
додержателеи имеют внутреннее отверстие, что позволяет выполнять
контроль конуса, не удаляя из электрододержателя трубку охлажде-
ния. При износе конуса торец электрододержателя подрезают, а ко-
нусное отверстие после расточки на токарном станке доводят до не-
обходимых размеров и чистоты специальной конусной разверткой
и обязательно контролируют калибром-пробкой. Конусная развертка
также имеет внутреннее отверстие, что позволяет ее применять для
обработки конуса электрододержателя, не снимая последней со сва-
рочной машины.
Важной и часто достаточно трудной операцией является снятие
электродов. Основными способами съема электродов являются:
Рис. 47. Способы съема электродов
использование различных съемников (рис. 47, а}, с помощью гаеч-
ного ключа и лыски на электроде, гайки на электрододержателе
(рис. 47, б), резьбы на электроде и съемника-гайки (рис. 47, в)
и, наконец, применение электрододержателей с выталкивателем
(см. рис. 29, б). В целях увеличения срока службы электрододержа-
телей нельзя допускать снятие электродов ударами молотка, так как
расшатывается посадочное отверстие, ухудшается контакт и появ-
ляется течь воды. Следует помнить, что все затруднения при съеме
электродов возникают в результате плохого качества посадочной по-
верхности электродов и электрододержателей.
Значительное внимание должно быть обращено на установку
электродов, электрододержателей и роликов. После установки на
машине контролируют их расположение относительно друг друга:
центры рабочих поверхностей электродов должны совпадать, а пло-
ские поверхности — быть параллельными друг другу и перпенди-
кулярны оси действия усилия сжатия. Установку электрододержа-
телей рекомендуется производить с помощью призматических за-
жимов, обеспечивающих соосность электрододержателей. При уста-
новке роликов необходимо добиться совпадения плоскостей их вра-
щения, в противном случае оси нахлестки деталей при сварке будут
смещаться. Важно также, Чтобы линия, соединяющая оси вращения
роликов, совпадала с осью действия усилия сжатия.
В процессе работы необходимо следить за наличием и интенсив-
ностью охлаждения электродов и роликов, так как от этого зависит
82
сохранение формы и размеров их рабочей поверхности. Трубка ох-
лаждения электрододержателя должна иметь на выходном конце
скос под 45% и находиться от дна электрода не более чем за 2—5 мм;
при изменении высоты электрода следует заменить или отрегулиро-
вать (при наличии телескопического соединения.) трубку охлаждения.
Увеличение этого расстояния ведет к образованию воздушных и па-
ровых пузырей и резкому ухудшению охлаждения электродов. В ре-
зультате длительной эксплуатации сварочной машины на внутрен-
ней поверхности каналов охлаждения осаждаются соли и ржавчина
и их сечение может значительно уменьшиться, в связи с чем ухуд-
шится охлаждение электродов и роликов, особенно при использо-
вании мягких режимов сварки и большом темпе работы. Поэтому
в случае плохого охлаждения электродов рекомендуется проверить
расход воды, поступающий в электрододержатели и при необходи-
мости произвести очистку системы охлаждения (продуть воздухом
или химическим путем).
От правильной организации электродного хозяйства в значитель-
ной степени зависит качество и себестоимость сварки. Если на пред-
приятии применяется большое число типоразмеров различных элек-
тродов, электрододержателей и роликов, то все они должны быть си-
стематизированы по какому-либо признаку, например фигурные по
величине вылета, и сведены в альбом. При необходимости сварки
новых деталей просматривают альбом, и конструирование и изготов-
ление требуемого электрода начинают лишь тогда, когда убеждаются,
что из существующих не удается выбрать типоразмера. Все элек-
троды, электрододержатели и ролики должны иметь маркировку,
на которой желательно указывать марку металла (если в произ-
водстве применяются различные электродные сплавы). Нельзя до-
пускать использование электродов, не предназначенных для сварки
данных деталей, хотя подходящих по внешним признакам, так как
при этом могут быть применены иные режимы сварки, в результате
чего электрод быстро выйдет из строя и ухудшится качество
сварки.
Снабжение электродами и роликами должно быть централизован-
ным, через инструментальный склад, откуда сварщик перед началом
смены должен получать необходимый комплект электродов (роли-
ков), а в конце смены — сдавать их для контроля и восстановления
рабочей поверхности (если требуется). На том же складе должен
храниться весь инструмент для электродов (шаблоны, калибры,
развертки, съемники т. п.). Электроды, электрододержатели и ролики
нужно хранить в специальной таре, исключающей возможность по-
вреждения рабочих и посадочных (контактных) поверхностей. Ра-
ботники склада обязаны следить за наличием того или иного типо-
размера электродов (роликов) и своевременно заказывать недостаю-
щие. Кроме того, нельзя допускать использование электродов, раз-
меры которых не соответствуют допустимым в результате износа и
переточек.
6*
83
Стойкость электродов
Под стойкостью электродов и роликов понимают их способность
сохранять в определенных пределах исходные размеры и форму ра-
бочей поверхности; при этом качество сварных соединений не должно
быть ниже допустимого, заранее заданного.
Стойкость электродов и роликов определяют очень многими фак-
торами, из которых основными являются:
1) свойства сплава электродов;
2) свойства поверхности металла свариваемых деталей;
3) температура плавления металла деталей;
4) режим и темп сварки (параметры режима и формы тока);
5) конструкция электродов (форма, размеры);
6) охлаждение электродов;
7) размеры литой зоны получаемых сварных соединений.
До настоящего времени еще не имеется общепризнанного объек-
тивного критерия оценки стойкости электродов контактных машин.
Стойкость электродов может оцениваться числом доброкачественных
точек или метров шва, которые могут быть выполнены без зачистки
или смены электродов. Требования к доброкачественности соедине-
ний при заданных условиях эксплуатации могут относиться к проч-
ности и размерам литой зоны соединения, к внешнему виду поверх-
ности точек или швов, чистоте рабочей поверхности электрода и к не-
которым другим факторам. Большое количество факторов, влияю-
щих на стойкость электродов затрудняет установление критерия
оценки качества электродов. Поэтому определение эксплуатацион-
ной стойкости электродов производят опытным путем. Большей
частью стойкость электродов определяется по методике, в основе
которой лежит метод, впервые предложенный В. П. Якушкиным
в 1938 г. при испытании сплавов для электродов.
Сопоставимые фактические данные о стойкости электродов из
различных сплавов можно получить путем точечной сварки различ-
ных металлов испытуемыми электродами с построением графиков за-
висимости изменения размера рабочей поверхности электродов от
числа сваренных точек. Показателем стойкостиiсчитается количество
точек, сваренных до увеличения диаметра исходной рабочей поверх-
ности электрода на 20%, а также общее увеличение этого диаметра
при сварке, например 10 000 точек. В процессе испытания периоди-
чески измеряется диаметр поверхности электродов. При сварке элек-
тродами с плоской поверхностью измерение поверхности произво-
дится по отпечатку электрода на свинцовой пластинке, а при сфери-
ческой поверхности — соответствующими шаблонами на электроде.
Режимы сварки при испытании электродов должны быть выбраны из
условий обеспечения устойчивых минимальных размеров и прочности
сварного соединения. При определениях стойкости электродов через
каждые 500—1000 точек (при сварке сталей) обычно производится
испытание на разрыв сварных образцов или изготавливается макро-
84
шлиф соединения, чтобы убедиться в отсутствии снижения размеров
и прочности соединения.
В ряде работ, преимущественно зарубежных, указывается, что
изменение рабочей поверхности электродов фиксируется с помощью
копировальной бумаги, измерением диаметра рабочего торца с по-
мощью оптического микроскопа и другими способами. Некоторые
исследователи определяют стойкость электродов по изменению его
твердости, веса, длины или объема после сварки определенного
количества точек, по относительным затратам на изготовление элек-
тродов в зависимости от числа сваренных точек. Однако эти спо-
собы несколько усложняют испытания и не дают необходимой
точности.
Имеются также сведения об установлении критерия стойкости
электродов только по изменению прочности сварной точки. Следует
сказать, что этот критерий не является достаточно обоснованным,
так как проведенные исследования показали, что изменение проч-
ности сварных точек является менее чувствительным, чем изменение
диаметра электрода и существенное падение прочности происходит
лишь при значительном увеличении диаметра рабочей поверхности
электрода.
Принятый в работах советских исследователей условный крите-
рий оценки стойкости электродов по увеличению диаметра исходной
плоской рабочей поверхности на 20% достаточно прост и исходит из
возможности снижения стабильной прочности сварного соединения
после достижения указанного изменения диаметра. Аналогичным
образом определяется и стойкость роликов; здесь критерием оценки
стойкости является увеличение ширины рабочей поверхности роли-
ков, а показателем стойкости — число метров шва, сваренных до
увеличения этой ширины на 20%‘ОТ исходной.
На рис. 48 показаны зависимости изменения диаметра поверх-
ности электродов от числа точек при сварке малоуглеродистой и не-
ржавеющей сталей, характеризующие стойкость электродов из ряда
сплавов. Исследование стойкости электродов проводилось на машине
типа МТП-75 при сварке образцов толщиной 1,5 + 1,5 лш отдель-
ными точками. Режимы сварки обеспечивали получение доброка-
чественных соединений, прочность которых определялась периоди-
чески путем испытания на срез контрольных образцов. Форма и раз-
меры использованных электродов принимались в соответствии
с ГОСТом 14111—69 для электрода 0821—0113.
Результаты испытаний показали, что при сварке одиночными точ-
ками малоуглеродистой стали наиболее стойкими оказались элек-
троды из хромовой бронзы и сплавов меди с хромом и цирконием,
а при сварке нержавеющей стали —электроды из бронзы Бр.НБТ,
сплавов меди с кобальтом и бериллием, хромом и цирконием. Эти
данные оказались в полном соответствии со свойствами сплавов при
повышенных температурах.
Критерий оценки стойкости электродов по увеличению диаметра
их плоской рабочей поверхности применим лишь при сварке мало-
85
углеродистых, легированных и нержавеющих сталей, а также не-
которых других металлов.
При сварке легких сплавов изменение размеров и формы рабочей
поверхности электродов не может служить единственным критерием
оценки стойкости, так как еще задолго до изменения размеров элек-
трода (за исключением медных электродов) на поверхности свари-
ваемых деталей начинают наблюдаться потемнения, свидетельствую-
щие об интенсивном переходе материала электрода на деталь и воз-
можности местной коррозии свариваемых изделий. В связи с этим,
за критерий оценки стойкости электродов при сварке легких сплавов
Рис. 48. Изменение диаметра рабочей поверхности электродов от числа сваренных
точек на малоуглеродистой (а) и нержавеющей (б) сталях: .
7 — Си; 2— Си — 1,1% Cd (МК); 3— Си—0,4% Сг (Бр.Х); 4— Си — 0,31% Сг — 0,3% Cd
(Мц5Б); 5 — Си — 0,21% Сг — 0,2% Zr (Мц5А); 6 —Си — 1,5% Ni — 0,35% Be — 0,06% Ti
(Бр.НБТ); 7 — Си — 2,58% Со — 0,5% Be; 8 — Си — 0,75% Сг — 0,28% Be
принимается количество точек, свариваемых на испытуемых электро-
дах до их зачистки. Необходимость зачистки устанавливается по
появлению темного налета на поверхности сварной точки и по при-
липанию электрода к образцам. Степень загрязнения может быть
определена путем смачивания поверхности точки раствором щелочи.
К сварным соединениям из легких сплавов в зависимости от усло-
вий их работы могут быть предъявлены различные требования. В от-
ветственных конструкциях необходима стабильная прочность и не
допускаются следы меди на поверхности деталей во избежание кор-
розии. При сварке конструкций, не несущих расчетных нагрузок
и работающих в условиях, где особая устойчивость против коррозии
несущественна, основным требованием к материалу электродов яв-
ляется сварка максимального числа точек без зачистки и переточки.
Загрязнение рабочей поверхности электродов при сварке алюминие-
вых сплавов обычно начинается по кольцу, соответствующему пери-
ферии литой зоны сварной точки, где имеет место максимальная
плотность тока.
Стойкость электродов при сварке силовых узлов сплава АМгбН
толщиной 3 + 3 мм на машине МТПТ-600 оценивали по числу точек,
86
сваренных до появления потемнения на поверхности деталей. При
сварке неответственных узлов на машине МТПУ-300 — по числу
точек, сваренных до начала прилипания электродов к свариваемым
деталям и сильного износа их контактной поверхности. Исследования
показали, что наибольшее количество точек (500) до потемнения по-
верхности детали удалось сварить на электродах из сплавов меди
с серебром (до 0,1 %) и меди с присадками магния и бора. Электроды
из кадмиевой бронзы несколько уступили по числу точек, сваренных
до потемнения поверхности изделия, а электроды из сплавов меди
с 0,08% хрома, меди с хромом и цирконием прилипали к поверхности
деталей уже после сварки небольшого количества точек (до 50 точек).
На стойкость электродов при точечной и роликовой сварке легких
сплавов очень большое влияние оказывает материал и состояние по-
верхности свариваемых деталей. В зависимости от качества ее под-
готовки электроды зачищают от загрязнений после сварки каждых
100—400 точек (табл. 15). При сварке алюминиевых сплавов с меха-
Таблица 15. Число сварных точек, выполненных без зачистки электродов
из кадмиевой меди в зависимости от способа подготовки поверхности
(сплав Д16АТ, толщина l,2-f-l,2 мм, машина МТК-75)
Спо со б подгото вк и пов ерхн’о сти Контактное сопротивление деталей в мкОм п- Число точек
Зачистка щеткой 20—30 125
Травление 150—250 175
Травление с пассивацией 80—100 285
» с протиркой поверхности спиртом 80—100 360
нически обработанной поверхностью, например зачистка проволочной
щеткой, загрязнение электродов происходит в три—пять раз быстрее,
чем в случае химической подготовки поверхности деталей. Интересно
отметить, что стойкость электродов при сварке высокопрочных алю-
миниевых сплавов, содержащих в своем составе медь (дуралюмин
Д16АТ), значительно ниже, чем при сварке алюминиево-магниевого
сплава АМгб, несмотря на то, что оба сплава плакированы чистым
алюминием. Можно предположить, что снижен нестойкости электродов
при сварке сплава Д16АТ происходит из-за возможной диффузии
меди из основного металла в плакирующий слой алюминия. При точеч-
ной сварке алюминиевых сплавов малой толщины электроды загряз-
няются особенно интенсивно. Иногда с целью улучшения поверх-
ности и повышения стойкости между электродом и деталями (или од-
ной из деталей) помещают фольгу из меди Ml толщиной 0,1—0,2 мм.
Так как каждый раз при сварке используется чистая фольга, элек-
троды практически не загрязняются, и поверхность точек имеет
хороший внешний вид. Увеличение числа точек, выполненных без
87
зачистки, имеет место при протирке поверхности деталей из алюми-
ниевых сплавов перед сваркой спиртом.
Дополнительные исследования подтвердили высокую стойкость
электродов (по числу точек, сваренных до потемнения поверхности
детали) из сплавов меди с серебром при сварке сплавов АМг, АМц
толщиной до 2 + 2 мм. Однако в связи со сравнительно невысокой
жаропрочностью и твердостью сплава меди с серебром (—100) при
сварке высокопрочных алюминиевых сплавов Д16АТ или других
сплавов толщиной более 2 + 2 мм (когда применяются большие уси-
лия электродов) их сферическая контактная поверхность сравни-
тельно быстро теряет свою форму, что и вызывает необходимость пере-
точки электродов.
При сварке алюминиевых сплавов на машинах переменного тока
загрязнение электродов идет быстрее, чем при использовании машин,
осуществляющих сварку так называемым непрерывным током (низко-
частотные, конденсаторные и машины постоянного тока). Это объяс-
няется тем, что даже при использовании плавного нарастания ампли-
тудные значения переменного тока на 40—50% выше, чем амплитуда
непрерывного тока при одинаковых длительностях его протекания
при сварке одного и того же материала. Высокое амплитудное зна-
чение тока вызывает повышенное тепловыделение в контакте элек-
трод—деталь и интенсивное загрязнение рабочей поверхности элек-
тродов.
Стойкость электродов при точечной сварке алюминиевых сплавов
на низкочастотных и конденсаторных машинах может значительно
снижаться вследствие поджога рабочей поверхности электродов из-за
искрения, возникающего при неисправности машины в момент под-
нятия верхнего электрода. Глубина поджогов может быть достаточно
большой и электрод приходится заменять новым.
В некоторых отраслях, например в автомобилестроении, при
массовом производстве, весьма высок темп сварки, который может
доходить до 200 точек!мин. Вследствие неизбежного при этом повы-
шения температуры в контакте электрод—деталь, резкого увеличения
числа циклов нагревов и охлаждений, приложения и снятия усилий
значительно ухудшаются условия работы электродов. Разупрочне-
ние металла наступает быстрее, и электроды требуют более частой
зачистки, переточки и смены. Испытаниями было установлено зна-
чительное понижение стойкости электродов при увеличении темпа
сварки. Так, при сварке электродами из хромовой бронзы малоугле-
родистой стали толщиной 1 + 1 мм (tce = 0,1 сек) с темпом
40 точек!мин стойкость составляет 7500—8000 точек, а при темпе
200 точек!мин — всего 2000—2500 точек.
В промышленности находят применение различные типы свароч-
ных машин, обеспечивающие получение режимов в широком диапа-
зоне и с разной длительностью сварочных циклов. Так, для конден-
саторных машин технологической особенностью являются так назы-
ваемые жесткие режимы сварки, характеризующиеся кратковремен-
ностью импульсов (сотыми секунды) сварочного тока при его отно-
88
сительно большой величине. Машины переменного тока, как правило,
используются при значительно более длительных включениях свароч-
ного тока.
Длительность протекания тока 1са существенно влияет на стой-
кость электродов при точечной сварке алюминиевых сплавов
(рис. 49, а). Так, с ростом tce (смягчением режима) повышается тем-
пература в контакте электрод—деталь и более интенсивно протекают
процессы взаимного переноса металла. При точечной сварке мало-
углеродистой стали толщиной 1 + 1 мм электродами из Бр.Х при
увеличении tce с 0,1 до 0,7 сек (мягкий режим) стойкость электродов
снизилась с 8000 до 400 точек.
Рис. 49. Зависимость стойкости электродов при точечной сварке
алюминиевых сплавов: а—от длительности тока tce; сплав Д19АТ,
толщиной 1 + 1 мм; — 5 мм; 1 — МК; 2 — Бр.Х
(------------^подготовка травлением,----зачистка щеткой);
б — от размеров литой зоны; сплав Д16АТ, толщиной
1,5 -р 1,5 мм, машина МТПТ-400
Кроме того, на стойкость электродов влияют размеры литой зоны
сварных соединений (рис. 49, б). С увеличением объема расплавлен-
ного металла в зоне сварки стойкость падает. Отмечено, что наиболь-
шее влияние на стойкость электродов оказывает величина проплавле-
ния деталей А. Таким образом, если сварные точки имеют одинако-
вые диаметры с1л, но разное А, то стойкость электродов будет ниже
при использовании режимов сварки, обеспечивающих большее про-
плавление А (хотя при равенстве с1я прочность точек одинакова).
С ростом А (растет высота литой зоны) повышается температура на
рабочей поверхности электродов, чем и объясняется снижение стой-
кости.
Влияние режимов сварки на стойкость электродов можно также
оценить «обобщенным» параметром — температурой, которая уста-
навливается на рабочей поверхности электродов при том или ином
режиме. «Мягкие» режимы сварки сопровождаются высокой тем-
пературой в контакте электрод—деталь, «жесткие» — более низкой
(определение температуры на контактной поверхности электродов
производится при осциллографировании процесса сварки с помощью
термопары, закрепленной на торце электрода). На рис. 50 в полуло-
89
Рис. 50. Зависимость стойкости электро-
дов из различных сплавов от температуры
рабочей поверхности
гарифмических координатах показана зависимость числа точек, сва-
ренных до увеличения исходного диаметра электрода на 20%, от
температуры на торце электродов из различных сплавов. Как видно
из графика, при высоких температурах электроды из хромовой
бронзы являются менее стойкими из испытанных сплавов. В то же
время при сравнительно низких температурах (300 С) эти электроды
по стойкости превосходят электроды из сплава Бр.НБТ. Исследован-
ные сплавы отличались друг от друга не только своими физико-
механическими свойствами (электропроводностью, твердостью при
комнатной и повышенной тем-
пературах, прочностью и пла-
стичностью, которые могут
влиять на стойкость электро-
дов), но и величиной зерна.
Наиболее крупным исходным
зерном характеризуется бронза
Бр.НБТ. Известно, что при по-
вышенных температурах более
высоким сопротивлением пол-
зучести обладают материалы
с крупным зерном, а при низ-
ких температурах — мелкозер-
нистые. Так как на торце элек-
тродов, как уже было указано
выше, возможно прохождение
процессов ползучести, то полу-
ченная закономерность измене-
ния стойкости электродов из
сплавов с различной величиной
зерна вполне объяснима.
Исследования стойкости электродов из хромовой бронзы, содер-
жащей 0,3—0,9% Сг, при точечной сварке малоуглеродистой стали
показали более высокую стойкость электродов с содержанием хрома
до 0,4—0,5%, что объясняется оптимальным содержанием достаточно
крупного зерна с большим числом благоприятно распределенных дис-
персных частиц.
Большое влияние на стойкость электродов из широко применяе-
мой в качестве электродного материала хромовой бронзы оказывает
ее термомеханическая обработка (табл. 16). Как видно из таблицы,
наилучшей стойкостью обладают электроды из этой бронзы после за-
калки при 980° С, деформации 40— 50% и отпуске при 460° С в те-
чение 4—5 ч.
Имеющиеся данные по стойкости электродов позволяют давать ре- '
комендации как по материалу электродов, так и по технологии их
изготовления и термической обработке. При изготовлении электро-
дов литьем обычно получается крупное зерно — такие электроды
более стойки на режимах сварки, сопровождающихся повышенным
тепловыделением на рабочей поверхности. Сплавы, свойства которых
00
Таблица 16. Влияние термомеханической обработки на стойкость
электродов из хромовой бронзы
Обработка НВ Число точек, сваренных до увеличения контактной поверхности электрода на 20%
Закалка—дефор маци я—отпуск 125 7000
Деформация (высадка) без термооб- работки 110—130 2000
Закалка—деформация 90—120 3000
Деформаци я—закал ка—отпуск 110—130 4000—5000
могут быть повышены термомеханической обработкой (Бр.Х, Мц5Б,
Бр.НБТ), должны применяться для электродов только в термообра-
ботанном состоянии. Это особенно важно для прутков, обычно вы-
пускаемых заводами цветной металлургии без термообработки.
При сварке легких сплавов стойкость электродов из различных
сплавов, имеющих одинаковые электропроводности, зависит от вза-
имной поверхностной активности контактирующих металлов, причем
могут встретиться случаи, когда электроды из менее электротепло-
проводного сплава показывают более высокую стойкость.
При роликовой сварке значительно больше, чем при точечной,
на стойкости электродов сказывается режим сварки, толщина и ма-
териал свариваемого изделия. Так, если при роликовой сварке не-
ржавеющей стали толщиной 1 4- 1 мм лучшие результаты показали
электроды из бронзы Бр.НБТ (до увеличения ширины рабочей по-
верхности ролика, на 20% было сварено 471 .ц шва, а с роликами из
хромовой бронзы —125 м), то при сварке нержавеющей стали малой
толщины (0J—0,3 мм) электродами из Бр.НБТ наблюдались прожоги
и прилипания электродов из-за более низкой теплопроводности
бронзы. В этом случае необходимо было перейти на сварку электро-
дами из хромовой бронзы.
Крайне низкую стойкость имеют ролики при сварке алюминиевых
сплавов большой толщины (3—4 мм) и особенно наружный ролик
при сварке узлов цилиндрической формы. Верхний ролик в этом слу-
чае приходится зачищать непрерывно, а нижний (внутренний) после
3—5 оборотов, так как площадь его контакта с деталью значительно
больше и плотность тока ниже, чем у верхнего ролика.
Стойкость роликов при сварке узлов небольшого диаметра из
нержавеющих сталей (сильфоны с арматурой) при толщине тонкой
детали 0,15—0,3 мм составляет 750—1000 мм роликового шва (3—
5 оборотов ролика).
Следовательно, при выборе лучшего материала электродов, осо-
бенно при роликовой сварке, не всегда можно руководствоваться
только данными по стойкости, следует также учитывать условия
91
сварки и возможность получения необходимого качества соединения
и внешнего вида поверхности детале i.
На стойкость электродов существенно влияет диаметр рабочей
части D3. На рис. 51, а показано изменение диаметра d3 плоской ра-
бочей поверхности электродов из Бр.НБТ в зависимости от размера Da
при точечной сварке жаропрочного сплава ВЖ98 толщиной 1,2 +
+ 1,2 мм. По этой же причине фигурные электроды с малым диа-
метром рабочей части (6—7 мм) имеют стойкость до заправки 30—
50 точек при сварке нержавеющей стали толщиной 0,5—0,8 мм.
Рис. 51. Стойкость электродов при точечной сварке:
а — зависимость стойкости от диаметра D3 рабочей части электрода из Бр.НБТ
(сварка сплава ВЖ98 толщиной 1,2+ 1,2 мм)\
б—зависимость стойкости от длины рабочей части электрода из Бр.Х (сварка
малоуглеродистой стали):
1 — до полного износа; 2 — от переточки до переточки.
При D& — JMJH (сплошная линия), D& — 25 мм (штриховая линия)
Помимо диаметра рабочей части на стойкость электродов влияет
и расстояние от дна охлаждающего канала до рабочей поверхности
(длина рабочей части электрода). Общее количество точек, сваренных
электродами до их полного износа, возрастает с увеличением длины
рабочей части; стойкость электродов от переточки до переточки уве-
личивается по мере уменьшения ее длины (рис. 51, б). Оптимальное
расстояние от дна охлаждающего канала до контактной поверхности
электродов равно (0,75ч-0,8) Da. В ГОСТе 14111—69 это расстояние
принято равным 15—20 мм.
Как показывают исследования, форма рабочей поверхности (пло-
ская или сферическая) существенного влияния на стойкость электро-
дов как при сварке малоуглеродистой, так и нержавеющей стали, не
оказывает. Однако электроды со сферической контактной поверх-
ностью менее чувствительны к перекосам при установке, чем с пло-
ской поверхностью, поэтому при сварке деталей больших толщин
алюминиевых, медных и титановых сплавов на подвесных машинах
и машинах с радиальным ходом, т. е. в условиях, где рекомендуется
применение электродов со сферической поверхностью, их износ мо-
жет быть меньшим.
92
На стойкость электродов с плоской поверхностью оказывает
влияние их угол заточки. Большую стойкость показали электроды
при угле заточки равном 120°, в связи с чем этот угол и был рекомен-
дован ГОСТом 14111—69 и нормалями машиностроения для прямых
и роликовых электродов.
Стойкость электродов может быть повышена более интенсивным
охлаждением, использованием специальных охладительных смесей,
жидкостей, а также электродов с увеличенной поверхностью каналов
охлаждения, внутренним и наружным оребрением. Однако, как пра-
вило, эти мероприятия усложняют изготовление и эксплуатацию элек-
тродов и поэтому широкого применения не получили.
Как указывалось выше, на стойкость электродов (роликов) ока-
зывает влияние очень большое число факторов, поэтому невозможно
дать какие-либо общие нормы расхода электродных сплавов. Такие
нормы могут быть определены опытным путем лишь в каждом кон-
кретном случае. Следует также отметить, что во вновь установлен-
ном электроде расход металла в 2,5—3 раза больше, чем у электрода,
близкого к полному износу.
При каждой зачистке электродов (роликов) в случае сварки алю-
миниевых сплавов в среднем снимается слой металла 0,02—0,08 мм.
Если расстояние от рабочей поверхности до дна охлаждающего ка-
нала составляет, например 20 мм, то можно выполнить 500—600 за-
чисток электродов. При точечной сварке сплава Д16АТ толщиной
1 + 1 мм электродами из кадмиевой меди при Ds = 16 мм на 1000 то-
чек расходуется 0,2 г электродного сплава; общее число сварных
точек до полного износа — 50 000.
Переточка электродов при сварке алюминиевого сплава АМгб
толщиной 3 + 3 мм производится после 3000 точек и 50 м шва. Число
переточек до полного износа электродов — 20—25, роликов 18—20.
При точечной сварке нержавеющей стали с толщиной 1,5 + 1,5 мм
электродами из Бр.НБТ Ds = 16 мм переточка выполняется через
5000 точек (зачистка через 500 точек); число переточек — 8—10.
При роликовой сварке стали Х18Н9Т толщиной 0,8 + 0,8 мм ро-
лики из сплава Мц4 Dp = 200 мм, S = 20 мм перетачивают после
75 м шва; общее число переточек до полного износа составляет 25—30.
ЛИТЕРАТУРА
1. Альтман М. Б., Лебедев А. А., Чухров М. В. Плавка и
литье цветных металлов. М., Металлургиздат, 1963.
2. Б а л ковец Д. С., Орлов Б. Д., Чулош ников П. Л. Тотеч-
ная и роликовая сварка специальных сталей и сплавов. М., Оборонгнз, 1957.
3. Б о ч в а р А. А. Металловедение. М., Металлургиздат, 1956.
4. Б у л а т о в Э. И. Точечная машина с поворотными электродными голов-
ками для сварки легких сплавов. — «Сварочное производство», 1964, № 4.
5. Гельман А. С. Технология и оборудование контактной электросварки.
М., Машгиз, I960.
6. Г у л я е в А. И. Технология точечной и рельефной сварки сталей, М.,
изд-во «Машиностроение», 1969.
7. 3 а й ч и к Л. В., Орлов Б. Д., Чулош ников П. Л. Контакт-
ная электросварка легких сплавов. М., Машгиз, 1963.
8. Захаров М. В. Принципы легирования жаропрочных цветных спла-
вов. — Прочность металлов. АН СССР, 1956.
9. 3 а х а р о в М. В. Новые высокоэлектропроводные жаропрочные медные
сплавы. Тема 18, ВИНИТИ, 1957.
10. 3 а х а р о в М. В., Чижов С. И., Тихомиров Б. С. и др. Новые
сплавы для электродов контактных машин. — «Сварочное производство», 1967, № 5.
II. Кершенбаум Я- М. и др. Восстановление электродов для контактной
сварки наплавкой трением. — «Сварочное производство»; 1968, № 5.
12. Кочергин К. А. Выбор технологии контактной сварки. Л., Судпром-
гиз, 1952.
13. К у т к о в с к и й С. И. Электроды контактных электросварочных машин.
Л., изд-во «Машиностроение», 1964.
14. Л а в р е н о в Ю. А. Влияние размеров и формы электродов на поле тока
при точечной сварке. — «Сварочное производство», 1965, № 12.
15. Малюков А. Ф. Сварочные ролики с внутренним охлаждением проточ-
ной водой. — «Сварочное производство», 1955, № 7.
16. М а с л о в Г. А., Орлов Б. Д. Технология точечной и роликовой
сварки. М. НТО Машпром, 1963.
17. М и х а й л о в а Э. М. Поведение металла электродов при точечной сварке
малоуглеродистых сталей. — «Сварочное производство», 1970, № 6.
18. Михайлова Э. М., Б у с с е л ь Г. Г., Замятин И. П., Б о -
рисов Н. Н. Стойкость электродов при точечной сварке легких сплавов. — «Сва-
рочное производство», 1969, № 8.
19. Михайлова Э. М., Слиозберг С. К. Процессы разупрочнения
металла электродов точечных контактных машин. — «Физика и химия обработки
материалов», 1970, № 3.
20. Новиков И. И., Захаров М. В. Термическая обработка металлов
и сплавов. М., Металлургиздат, 1967.
21. Розенберг В. М. Ползучесть металлов. М., изд-во «Металлургия»,
1967.
22. Р ы б а к о в Ю. В. Токопроводящее устройство для роликовой сварки
кольцевых швов труб. —«Сварочное производство», 1960, № 3.
23. Симаков В. М. Машинка для зачистки электродов точечных свароч-
ных машиц, — «Сварочное производство», 1970, № 8.
94
24. С и м о н о в Ю. И. Исследование контактного взаимодействия электродов
и деталей при точечной сварке сплавов алюминия. Л., изд-во «Судостроение»,
1965. (Труды ЦНИИТС, вып. 56).
25. Синицын А. И., Бродягин Г. Н. Приставка для заправки роли-
ков шовных машин.—«Сварочное производство», 1962, № 10.
26. С л и о з б е р г С. К. Исследование сплавов для электродов контактных
машин. — «Автоматическая сварка», 1963, № 1.
27. С л и о з б е р г С. К. и др. Хромистая бронза для электродов машин кон-
тактной сварки. — «Автоматическая сварка», 1965, № 5.
28. С м и р н о в А. Г. Специализированный станок для заточки сварочных
электродов и роликов. Тема 4, ВИНИТИ, 1960.
29. Смирягин А. П. и др. Обработка цветных металлов и сплавов, Спра-
вочник. М., Металлургиздат, 1961.
30. Чулошников П. Л. Точечная и роликовая электросварка легирован-
ных сталей и сплавов. М., изд-во «Машиностроение», 1968.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ............................................................ 3
I. Электроды — рабочий инструмент сварочной машины...................... 5
' Условия работы электродов .................................... —
Основные типы электродов .................................... 10
II. Принципы выбора материала для электродов контактных машин .... 12
Принципы легирования сплавов для электродов ................... —
Влияние легирующих элементов на свойства медных сплавов ... 18
III. Современные промышленные электродные сплавы и их производство . . 28
Основные марки электродных сплавов...................., . . —
Производство сплавов и оборудование для их изготовления ... 40
IV. Роль электродов в процессе сварки . ............................... 47
Влияние электродов на формирование соединений ................. —
Выбор электродов при различных случаях сварки................. 53
V. Электроды, электрододержатели и ролики ............................. 57
Электроды, применяемые для точечной сварки..................... —
Электроды, применяемые для роликовой сварки .................. 67
VI. Изготовление и эксплуатация электродов ............................ 72
Способы изготовления электродов и роликов...................... —
Эксплуатация электродов и роликов............................ 77
Стойкость электродов ......................................... 84
Литература f .......................................................... 94
СЛИОЗБЕРГ Самуил Калманович
ЧУЛОШНИКОВ Павел Леонидович
ЭЛЕКТРОДЫ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ
СВАРКИ
’едактор издательства Р. Н. Михеем
Обложка художника Б. П, Седова
Сдано в производство 24/XI 1971 г. Подписано к печати 28/П1 1972 г. М-11805. Печ. л. 6,0
Уч,-изд. л. 6,7, Формат бумаги 60Х90п/1в. Бумага типографская №2 Тираж 18 000 экз.
Зак. № 1384. Цена 35 коп.
Ленинградское отделение издательства «МАШИНОСТРОЕНИЕ»
191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10
Ленинградская типография № 6 Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР
193144, Ленинград, ул. Моисеенко, 10