СВАРКА ШИН ИЗ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ
10- 1. Сварка меди с алюминием и со сталью
Сварка меди с алюминием. Применение цельнометаллических сварных соединений меди с алюминием, как уже отмечалось, весьма целесообразно вследствие известных недостатков болтовых или сжимных соединений.
Однако обычные соединения встык или внахлестку медных шин с алюминиевыми, выполняемые ручной электрической или газо - еой сваркой, несмотря на свои удовлетворительные электрические характеристики, не могут применяться, так как обладают большой хрупкостью. Механические свойства сварных швов при этом определяются свойствами медно-алюминиевых сплавов, весьма хрупких при содержании алюминия или меди больше 12%. Дозировка алюминия и меди в сварном шве, необходимая для получения пластичного шва, при ручной сварке невозможна. Поэтому и попытки применить непосредственную приварку встык или внахлестку медных шин к алюминиевым обычно не приводили к цели.
Рис. 11-1. Микроструктура контактной стыковой сварки меди с алюминием: а — нормальный режим; б — неправильный режим; в — структура капли, выдав* ленной из стыка при сварке в нормальном режиме У «= алюминий; 2 ^ зона диффузии меди в алюминий; 3 — прослойка хрупкого состава; 4 — медь |
Достаточно прочные и пластичные сварные соединения меди с алюминием можно получить только при помощи стыковой контактной электросварки, методом оплавления или холодной сваркой.
Стыковая сварка оплавлением. На стыковых машинах с ручным приводом нельзя достигнуть точного повторения установленных режимов оплавления и осадки, что ведет к большому браку. Например, при сварке медных шин с алюминиевыми сечением 50 X X 50 мм число достаточно пластичных швов (угол загиба не менее 90°) составляет всего 20—30%. Автоматизацией же сварочного процесса обеспечивается соблюдение необходимых условий сварки и получение во всех случаях качественных соединений. Одним из основных условий для этого является быстрота передачи осадочного давления после оплавления и выключение тока в момент начала осадки. Важно также осуществить непрерывное оплавление при определенном графике изменения скоростей подвижной плиты машины. При этом удается достигнуть резко концентрированного тепловыделения на торцах свариваемых шин, необходимого для их оплавления. При создании быстрой (ударной) осадки из зоны шва выдавливается значительная часть образующегося хрупкого сплава и происходит в весьма тонких слоях взаимная диффузия алюминия и меди (рис. 11-1, а), чем обусловливается получение пластичных швов.
Наоборот, при сварке, выполненной с несоблюдением требуемого режима (например, слабая осадка, несвоевременное выключение тока и т. п.), швы получаются хрупкими, ломающимися от легкого удара. Такая сварка характеризуется наличием между медью и алюминием, кроме зон взаимной диффузии, достаточно широкой зоны (рис. 11-1, б) невыдавленного хрупкого сплава с содержанием меди около 33%.
Характерно, что капли металла, выдавленного из зоны шва при нормальной сварке, имеют ту же микроструктуру (рис. 11-1, в), что и зона хрупкого сплава, получающегося при отклонении от заданных режимов. Это еще раз подтверждает, что удаление хрупкого сплава из зоны шва является основным условием получения качественной сварки.
Следует отметить, что непосредственные соединения медных шин с алюминиевыми крайне редки. Поэтому практически стыковая сварка используется только при изготовлении переходных медно-алюминиевых пластин для присоединения алюминиевых шии к медным выводам электрооборудования. В связи с этим в дальнейшем мы будем рассматривать только изготовление пластин, понимая под этим сварку коротких участков шин соответствующего сечения.
При правильно определенных режимах автоматическая стыковая сварка меди с алюминием дает соединения, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым к шинным контактам. Такие соединения механически достаточно прочны, пластичны и устойчивы к динамическим и термическим действиям токов короткого замыкания. Соединения выдерживают загиб на угол 180° без каких - либо нарушений целости швов. При обратном разгибании образцов на 180° разрушение происходит не по шву, а по соседнему с ним слою алюминия. Разрушение образцов при испытании на растяжение также происходит не по сварному шву, а в зоне отжига алюминиевой части пластины. Таким образом, прочность образцов определяется прочностью алюминиевой части и составляет 95% от прочности участков основного металла, не подвергавшихся нагреванию.
Зона отжига при сварке мала вследствие весьма концентрированного тепловыделения, малой продолжительности нагревания и охлаждающего действия зажимных контактных колодок. Так, уже на расстоянии 5 мм от шва твердость алюминиевой и медной частей пластин имеет такое же значение, что и участков, удаленных от сварки.
Существенное значение для обеспечения надежной эксплуатации имеет вибрационная прочность швов медь—алюминий у пластин, так как эти пластины присоединяются в ряде случаев к аппаратам (например, к масляным выключателям), испытывающим значительные вибрации при отключении и включении. Соответствующие испытания знакопеременной изгибающей нагрузкой медно-алюминиевых пластин (при 20-10е перемен нагрузки) показывают следующие пределы выносливости в мегапаскалях (кгс/мм2):
Медио-алюминиевые пластины 45 (4,5)
Целые алюминиевые шины. . 45 (4,5)
Целые медные шины................................ 67 (6,7)
При испытании все образцы обычно разрушаются по алюминию вне зоны сварного шва. Таким образом, соединения меди с алюминием, выполненные контактно-стыковой сваркой, имеют вибрационную прочность, одинаковую с алюминиевыми шинами.
Высокая надежность стыковой контактной сварки меди с алюминием подтверждена многолетней практикой эксплуатации на многочисленных объектах электроснабжения, промышленных установках и в энергосистемах, во время которой не отмечалось выхода из строя медно-алюминиевых пластин.
Отклонение от установленного режима сварки ведет к значительному снижению пластичности швов.
Наиболее важными факторами, определяющими режим сварки, являются: характер перемещения подвижной плиты в процессе оплавления, скорость и давление при осадке, сила сварочного тока (ступень трансформатора), момент отключения тока, установочная длина — вылет свариваемых пластин из контактных колодок.
В качестве примера приведем некоторые данные, характеризующие режим сварки медных пластин с алюминиевыми сечением 100 X 10 мм на машине типа МСМ-150, дооборудованной специальным пневматическим приводом для осадки.-Перемещение подвижной плиты в период оплавления происходит с нарастающей по определенному закону скоростью, составляющей 8 мм/с в начале оплавления и достигающей 35 мм/с перед осадкой. Весь процесс оплавления продолжается 4,2 с. Скорость движения подвижной плиты при осадке 160 мм/с. Осадочное давление 3700—4000 даН и нарастает в сотые доли секунды. Сила тока в сварочной цепи при оплавлении составляет около 20 кА, достигая 50 кА перед осадкой.
Весьма важным условием является включение тока в конце процесса оплавления, что соответствует и моменту начала осадки. Запаздывание и, особенно, упреждение выключения тока по отношению к моменту начала осадки хотя бы на несколько периодов переменного тока ведут к резкому снижению пластичности швов. Это видно из графика на рис. 11-2, полученного экспериментальным путем.
Длина частей свариваемых пластин, выступающих из зажимов машины, — установочная длина — должна выдерживаться с точностью 1,5—2 мм. Большее отклонение от заданной длины ведет к снижению пластичности шва.
При сварке по методу непрерывного оплавления происходит укорочение как алюминиевой, так и медной шины (пластины) за счет самого процесса оплавления и осадки (так называемый угар). Величины укорочения приведены в табл. 11-1 и должны учитываться при заготовке пластин.
Медные и алюминиевые пластины нарезают на прессах или на механических ножницах и с целью повышения мягкости (пластич-
Таблица 11-1 Величины укорочения пластин при стыковой сварке меди с алюминием на машине МСМ-150
|
Рис. 11-2. Пластичность (угол загиба) швов стыковой контактной сварки медных пластин с алюминиевыми в зависимости от разницы между моментами отключения тока и начала осадки (сварка пластин сечением 100Х10 мм) |
ности) подвергают следующей термической обработке: медные пластины нагревают до 650—700? С и охлаждают в воде, а алюминиевые — нагревают до 320—350° С и охлаждают на воздухе. После этого пластины рихтуют под прессом или вручную гладилкой. Кроме того, у алюминиевых пластин на участке оплавления уменьшают толщину (производят осадку) на 1 мм при толщине пластин 6—10 мм и на 0,5 мм при меньшей толщине. Эту операцию выполняют на прессах с помощью штампов с прямоугольной вырезкой в матрице, соответствующей ширине шины. Осадка пластин необходима для предотвращения наползания алюминия на поверхность меди при сварке, что ведет к резкому снижению прочности пластин. Снижение прочности вызывается тем, что при таком на - ползании слоем алюминия закрывается зона стыкового шва и в связи с этим не происходит выдавливания из шва хрупкой медноалюминиевой бронзы. После термообработки, осадки и выравнивания пластин поверхность их на участках, зажимаемых в контактные колодки машины, зачищают до блеска вращающимися
или ручными проволочными щетками для обеспечения хорошего электрического контакта.
На машинах МСМ-150 и МСМУ-150 возможна сварка медно - алюминиевых пластин или непосредственная приварка медных пластин к алюминиевым шинам сечением от 40 X 4 до 100 X 10 мм.
Режимы сварки на машине МСМ-150 приведены в табл. 11-2.
Таблица 11-2 Режимы стыковой сварки медных пластин с алюминиевыми на машине типа МСМ-150
|
Пластины укладывают на контактные колодки (зажимы) по шаблону, обеспечивающему получение необходимой установочной длины. Пластины закрепляют в зажимах нажатием соответствующих кнопок, расположенных на станине машины. Для предотвращения проскальзывания пластин в зажимах их дополнительно закрепляют винтовыми упорами (7 на рис. 3-7).
После зажатия пластин в зажимы опускают кожух, защищающий от искр и брызг металла, и нажимают кнопку «пуск» кнопочной станции 15 (см. рис. 3-7). При этом одновременно включают линейный контактор, подающий сварочный ток, и пускают электродвигатель привода. По окончании сварки зажимы автоматически разжимаются, и сваренные пластины освобождаются. После отведения подвижной плиты в исходное положение при помощи рукоятки 12 (см. рис. 3-7) машину приводят в состояние готовности для последующей сварки. Грат (выплеск металла из шва) на сваренных пластинах сбивают, а при необходимости получения гладкой поверхности пластины в месте шва — удаляют с помощью барабанной фрезы.
Готовые пластины испытывают на удар и на изгибание. Для первого испытания отбирают не менее 2% пластин от партии 1000 шт., но не менее 3 шт., а для второго — 1% от партии и также не менее 3 шт. Для испытания на удар пластины укладывают на лоткообразную жесткую подкладку (рис. 11-3, а) со стрелой лотка 5 мм и затем по стыковому шву медь—алюминий ударяют грузом, падающим с высоты 500 мм. Масса испытательного груза для шин сечением до 50 X 5 мм должна составлять 25 кг и для
пластин большего сечения — 50 кг. После испытания на удар пластины рихтуют под прессом (рис. 11-3, б) или вручную гладилкой. При этом швы не должны иметь трещин и надрывов.
Испытание на изгибание производят в приспособлении (рис. 11-3, б),снабженном тисками с радиусом закругления губок, равным толщине испытываемых пластин. Пластины их алюминиевой частью зажимают в тиски таким образом, чтобы сварной шов
Рис. 11-3. Схемы испытания медно-алюминиевых пластин падающим грузом: а — испытание на удар падающим грузом; б — рихтовка пластины под прессом после испытания на удар; в — испытание на изгибание 1 — медно-алюминиевая пластина (Л — алюминиевая часть пластины); 2 — лоткообразная подкладка; 3 — испытательный груз; 4 — медная обшивка; 5 — правйльный пуансон пресса; 6 — тиски устройства для испытания на изгибание; 7 — упоры; 8 — захват для изгибания пластин |
был на расстоянии 5 мм от поверхности тубок. После этого с помощью захвата отгибают пластину на угол 15° в одну и другую сторону. Угол загиба фиксируют специальными упорами. После такого двойного изгибания не должно быть разрушения пластин по шву.
Наряду с механическими испытаниями все пластины проверяют на соосность медной и алюминиевой частей. При этом несоосность не должна превышать 0,3 мм.
Аналогично медно-алюминиевым пластинам изготовляются переходные детали круглого сечения — штифтовые наконечники и соединительные гильзы.
Сварка деталей трубчатого сечения с деталями со сплошным сечением затруднительна. Поэтому при Изготовлении штифтовых наконечников медный стержень (штифт) на стороне приварки
к алюминиевой гильзе рассверливают для образования трубки. Длину этой трубки делают с учетом обеспечения необходимого вылета, а также угара металла.
При изготовлении трубчатых кабельных наконечников типа ТАМ (ГОСТ 9581—68), имеющих плоскую контактную часть из меди, трубчатую алюминиевую часть предварительно сплющивают и затем сваривают ее с медной контактной пластиной.
Наконечники изготовляются на специальной машине типа МС-2006, а также на машинах МСМ-150 и МСМУ-150 (см. стр. 55).
Холодная сварка. В электромонтажном производстве холодная сварка применяется для соединения алюминиевых шин с медными встык и для армирования алюминиевых шин медными накладками. Как тот, так и другой способ почти исключительно используется для улучшения контакта при присоединении алюминиевых шин к медным выводам электрооборудования. Особенности этих способов и результаты испытаний сварных соединений приведены в § 1-Ю.
Холодную сварку встык используют преимущественно для изготовления переходных медно-алюминиевых пластин и стержней, а способ армирования применяют в случаях, когда на концах шин или на отдельных участках по их длине (например, в местах ответвления) необходимо создать контактные площадки из меди.
Для холодной сварки деталей прямоугольного и круглого сечений ВНИИЭСО разработан ряд машин, которые выпускаются промышленностью (см. табл. 3-4).
В виде примера рассмотрим технологию изготовления медноалюминиевых пластин на машине МСХС-120.
Пластины нарезают на гильотинных ножницах. В случае коробления пластин при резке они должны быть выправлены под прессом или ручной гладилкой. Желательно нарезать пластины на специальных приспособлениях с зажимными губками, предотвращающими коробление при движении ножа гильотины. При таком способе отрезки не требуется последующей обработки и обезжиривания торцов пластин. Длина медных и алюминиевых заготовок должна учитывать укорочение пластин при сварке, происходящее вследствие выдавливания части металла в грат.
Алюминиевую и медную пластины укладывают в зажимы машины и зажимают, нажимая на соответствующие кнопки на кнопочной станции, расположенной на передней части станины машины. При этом • необходимо выдержать требуемые вылеты алюминиевой и медной пластин. Предварительно с помощью регулировочного винта конечного выключателя зажимов устанавливают расстояние между зажимами, равное сумме вылетов пластин. Тогда конечный выключатель остановит движение зажимов после деформации пластин именно на эту величину.
Длина вылетов при сварке круглых стержней и однопроволочных проводов по И. Б. Баранову [1] приведена в табл. 11-3. При сварке пластин прямоугольного сечения рекомендуемый оптимальный вылет в процентах должен быть в 1,2 раза больше вылета круглых стержней соответствующего диаметра (относительный йы - лет — отношение длины вылета к диаметру или толщине образца).
Таблица 11-3 Длина вылета при стыковой холодной сварке меди с алюминием
|
После закрепления пластин приводят в действие привод осадки, нажимая соответствующую кнопку. При этом подвижная плита начинает передвигаться, и весь дальнейший процесс происходит автоматически. В конце хода плиты специальные ножи подрезают грат на пластине, выдавленный из шва. По окончании осадки зажимные губки раскрываются, и готовая пластина может быть удалена. Испытание пластин производят таким же образом, как это описано для стыковой контактной электросварки.
С помощью холодной сварки, кроме пластин, могут изготовляться также различные контактные детали цилиндрического сечения для соединения медных проводников с алюминиевыми, например соединительные гильзы, штифтовые наконечники и тому подобные изделия. Мы не будем приводить здесь технологию сварки этих деталей на той или иной конкретной машине, так как в принципе она одинакова и сводится к закреплению медной и алюминиевой заготовок в зажимы и осуществлению осадки.
Холодная сварка для оконцевания однопроволочных алюминиевых проводов малого сечения медными стержнями, распространенная в электропромышленности, не получила применения в электромонтажной практике.
Соединения, выполненные сваркой встык, характеризуются высоким качеством. Так, при испытании на растяжение разрушение происходит по основному металлу (алюминию); обеспечивается загиб не менее чем на 9СҐ; электрические испытания показывают полную стабильность сопротивления при многократных нагреваниях до 200° С; при микроскопических исследованиях отмечается взаимная диффузия алюминия и меди в тонких слоях (взаимное проникновение зерен алюминия и меди).
Следует отметить, что холодная сварка — более экономичный процесс, чем стыковая контактная сварка. Так, например, при
практически равной производительности мощность машины МСХС-120 для холодной сварки составляет всего 17 кВт, а равно - значной ей по назначению машины МСМУ-150 для стыковой электросварки — 150 кВт. Немаловажным преимуществом является также и то, что машины для холодной сварки можно подключать к сетям небольшой мощности.
CD CD CD |
-................... : |
О О |
/ |
CD CD CD |
|
Qo°o° |
|
О О CD |
CD CD |
|
oo |
|
CD CD |
I |
) h £ |
||
OO |
9° |
|
( <? ъ |
I |
Рис. 11-4. Рабочие выступы пуансонов и примеры расположения сварных точек при армировании алюминиевых частей медью: а, б — поперечное и продольное сечения рабочих выступов пуансонов; в, г, д, с — примеры расположения сварных точек |
Армирование алюминиевых шин и деталей медными накладками [29]. Армирование является наиболее доступным способом улучшения болтовых контактных соединений алюминиевых шин или деталей с медными выводами электрооборудования.
Для армирования используется мягкая холоднокатаная листовая медь по ГОСТ 859—66 или мягкая лента марки МГМ по ГОСТ 434—71 толщиной 1 и 1,5 мм.
Сварка выполняется на специальных машинах типа МХСА-50-3, разработанных во ВНИИЭСО. При отсутствии машины можно пользоваться штампами, представляющими собой две плиты (нижняя и верхняя) с рабочими выступами. Верхняя плита переме
щается по направляющим навстречу нижней. Таким образом, за один ход происходит вдавливание всех рабочих выступов.
Таблица 11-4 Режимы холодной сварки при армировании алюминиевых шин медными накладками
|
Число сварных точек берут из расчета не менее одной точки на 4 см2, армируемой поверхности. Располагать точки надо таким образом, чтобы на контактной поверхности оставались свободные места для сверления отверстий для болтов. Примеры расположения точек показаны на рис. 11-4. Рабочие выступы пуансонов обычно выполняют прямоугольной формы. Высота выступа (табл. 11-4) определяется необходимой степенью деформации алюминиевой и медной частей при сварке. Длина I принимается равной 8—10 мм, а ширина b — 2,5-ьЗ мм.
На рис. 11-4, а, б показана форма поперечного и продольного сечений рабочих выступов.
Подготовка поверхностей для сварки заключается в обезжиривании и зачистке их вращающейся щеткой. Весьма удобно немедленно после зачистки прихватывать медные накладки к армируемым шинам одной сварной точкой диаметром 2,5—3 мм с помощью небольшого настольного пресса. Собственно сварка представляет собой простую операцию и заключается во введении в штамп машины МХСА-50-3 армируемой шины или другой детали и нажатии педали, которая приводит в действие пневмо-гидрав - лическую систему, сдавливающую пуансоны. По окончании рабочего хода пресса давление в гидроцилиндре автоматически снимается, и пружины, имеющиеся в штампе, раскрывают плиты с рабочими выступами, освобождая армируемую деталь. Таким образом, за один ход пресса выполняется приварка медной накладки к армируемой шине (пластине) в местах под пуансонами.
Отверстия для болтов у армируемых деталей должны выполняться (сверление или штамповка) после операции армирования.
Армированные детали удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к контактным соединениям соответствующими стандартами.
Особенности применения сварки меди с алюминием при монтаже электроустановок и электросетей. Как уже отмечалось, для присоединения алюминиевых шин к выводам электрооборудования и для соединения медных шин с алюминиевыми используются
медно-алюминиевые переходные пластины, изготовляемые заводским способом. Эти пластины при монтаже электроустановок привариваются своей алюминиевой частью к алюминиевым шинам одним из распространенных в электромонтажной практике способов ручной сварки.
Таблица 11-5 Переходные медно-алюминиевые пластины (ГОСТ 19357-74)
|
Сортамент медно-алюминиевых переходных пластин приведен в табл. 11-5. Как видно из таблицы, поперечные сечения алюминиевой и медной частей пластин одинаковы - Следовательно, у медной пластины сечение по условиям равной электропроводимости оказывается завышенным по сравнению с алюминиевой. В настоящее время разрабатываются пластины о равной проводимостью обеих частей, что приведет к уменьшению на 30%
сечения медной части по сравнению с данными табл. 11-5 и к соответствующей экономии меди
при изготовлении пла
стин.
Особенностью применения переходных пла
стин является то, что стыковой шов медь—алюминий не допускает длительного нагревания свыше 400°С. При таком нагревании происходит взаимная диффузия меди и алюминия с образованием в шве промежуточного слоя алюминиевой бронзы, обладающей большой хрупкостью. Так, нагревание до 500—550° С в течение 4—5 мин пони
жает прочность и пластичность швов до 40—50% от первоначальных значений. Нагревание до еще больших температур или более
продолжительное приводит к полной потере пластичности, когда
соединение разрушается даже от незначительного удара и практически не допускает приложения изгибающих нагрузок. Для предотвращения недопустимого перегрева стыковых швов алюминиевая часть пластин выполняется такой длины, при которой температура в зоне стыкового шва медь—алюминий не превосходит опасных значений (см табл. 11-5).
Длина медной части переходных пластин меньше допускаемой по условиям приварки. Это вызвано тем, что пластины предназначаются преимущественно для присоединения к выводам электрооборудования и относительно редки случаи приварки их к медным шинам. При необходимости же такой приварки пластин к медным частям ошиновки или когда требуется по конструктивным соображениям уменьшить длину алюминиевой пластины сверх значений, приведенных в табл. 11-5, следует применять искусствен
ное охлаждение стыкового шва медь—алюминий. С этой целью для шин сечением до 60 X 6 мм можно применять массивные медные теплоотводящие колодки, накладываемые на стыковые швы медь—алюминий и плотно затягиваемые, а для пластин больших сечений использовать водяные охладители. Такой охладитель представляет собой две полые медные коробки, прижимаемые с помощью струбцин или специального винтового устройства к охлаждаемому участку. Через коробки пропускается вода из водопроводной сети. Целесообразно такое охлаждающее устройство совмещать с приспособлением для закрепления и выверки шин и пластин при приварке их к шинам. Применяется также охлаждение швов непосредственным поливанием их водой из трубчатых коллекторов.
Необходимость в искусственном охлаждении стыковых швов медь—алюминий возникает также в случаях, когда требуется приваривать к алюминиевым шинам больших сечений пакеты из нескольких переходных пластин, что встречается в тяжелых ошиновках установок электрометаллургии.
При использовании переходных пластин в установках, работающих в сырых помещениях или на открытом воздухе, сварные швы медь—алюминий должны быть надежно защищены от коррозии нанесением влагозащитных покрытий (см. § 2-4).
Сварка меди со сталью. Сварка меди со сталью не имеет особенностей по сравнению со сваркой меди и выполняется чаще всего угольным электродом на постоянном токе прямой полярности. В качестве присадочного материала применяются медные прутки. Техника сварки и ее режимы не отличаются от установленных для сварки меди, за исключением того, что дугу направляют преимущественно на сталь. В качестве флюса может быть использован любой из составов, применяющихся для сварки меди (см. § 3-8). Присадочным прутком при окунании его в сварочную ванну необходимо перемешивать расплавленные медь и сталь.
Возможна сварка меди со сталью и металлическими электродами, например марки «Комсомолец 100», а также стальными электродами любых марок, распространенными в монтажной практике для сварки конструкционных сталей.