Технологическая оснастка сварочных контуров выполняет задачу не только механического закрепления и перемещения де­талей, но также и подвода сварочного тока к ним. Для этого тех­нологическая оснастка должна обеспечивать также два основных действия:

1) подвести к зоне сварки сварочный ток и обеспечить изменение его величины по заданной программе:

2) создать (также по программе) сжатие свариваемых деталей.

Из этих определений выпадают механические системы зажим­ного и сборочно-захватывающего типа, а также особые механиче­ские системы перемещения деталей относительно неподвижных машин или движения машин вокруг крупногабаритных изделий, также не связанные с действием сварочного тока и сварочного давления.

Система подвода сварочного тока к точечно - и шовно-сварным соединениям конструктивно заметно различаются. Электродо­держащая система много проще, чем роликоподвижная, несмотря на то что каждая из них по-своему может создавать и одноточеч­ные, и многоточечные соединения. Оставляя пока в стороне меха­низмы привода роликов, с помощью рис. 4.24 остановим внимание технологов на типовых примерах точечной и шовной сварки труб­чатых конструкций из тонкостенного металла. По схемам, пока­занным на рис. 4.24, а, б, может быть создан лишь ограниченный ассортимент труб или обечаек. Длина их не больше 2L, а диаметр D явно больше конструктивного габаритного размера В токоведу­щей консоли. Двойная длина L при этом может быть обеспечена только посредством сварки всего шва в два приема, с поочередным свариванием от середины к каждому концу. Обе схемы (рис. 4.24, а и б) страдают сильнейшим недостатком, если вспом­нить картины распространения плоского и кольцевого магнитных полей [(см. формулы (2.41) и (2.43) ]. Схема, приведенная на рис. 4.24, в, когда изделие находится вне сварочного контура, устраняет влияние металла изделия на индуктивность. Однако левая фигура относится к сварке с отбортовкой, которая во многих случаях нежелательна. Правая фигура показывает вообще нере­альный вариант, если внутри трубы не располагаются какие - либо упорные вкладыши, способные противостоять деформации трубы и обеспечить необходимое сварочное давление. С этой точки зрения схемы, показанные на рис. 4.25, намечают правиль-

ные пути изготовления труб. Для малых диаметров труб внутрен­ние вставки (рис. 4.25, а) могут быть сплошными медными, для больших — составными облегченными. На рис. 4.25, б показаны расчетные схемы действующих между электродами электрических сопротивлений. Здесь 1,2 — сопротивления переходные, 3 — сопротивление растекания тока. по металлу трубы (7Д — ток, текущий в детали, /м — в медной вставке), 4 — прямое сопро­тивление вставки, если она сплошь электропроводная. Сопротив­ление 3 можно рассчитывать так, как это было показано для вет­вей шунтирования [(см. формулы (2.34), (2.38)].

На рис. 4.25, е показаны особые схемы изготовления тонко­стенных вентиляционых труб. Здесь 1,2 — токоведущие электроды сборочных точечных машин или ролики шовных, сваривающих. Внутри трубы находится медная вставка 3. Особенно рациональна правая схема на рис. 4.25, в. В ней 1,2 — токоведущие ролики, 3, 4 — удерживающие и 5 — изоляционная вставка небольшой массы. Обе схемы, приведенные на рис. 4.25, в, характеризуются тем, что их досварочная сплюснутая форма после сварки внутрен­ним давлением превращается в нормальную цилиндрическую, а в некоторых случаях — в любую другой формы. В зависимости от конструкции свариваемых изделий шовные машины могут соз­давать поперечные швы (рис. 4.26, а) или продольные (рис. 4.26, б). Швы первого типа практически могут быть любой протяженности. Для трубчатых конструкций принципы наложения поперечных круговых (а) и продольных (б) швов иллюстрируются схемами, показанными на рис. 4.27. Особого типа швы с отбортовкой на не­подвижных конструкциях производятся с помощью подвесных
машин (рис. 4.28). Подвод тока к сваривающим роликам обеспечивается здесь гибкими проводами с малой индуктив­ностью. Вращение роликов создается гибким валом.

На рис. 4.29 показан прин­цип наложения точечных и шовных соединений на круп­ногабаритную конструкцию с использованием подвесных машин.

Главными инструментами, обеспечивающими создание точечно-сварных соединений, являются электроды, а шовно­сварных — ролики. Этим де­талям сварочных машин по­священо много книг. Условия работы этих чисто электро­механических инструментов очень тяжелые: сила свароч­ного тока — десятки тысяч ампер; нагревы наконечни­ков — до 400—700 °С, кон­тактные поверхности покры­ваются весьма заметными оксидными наслоениями, пре­имущественно СиО и Си20. Электрофизические процессы в переходных контактах электрод— деталь или ролик—деталь еще более сложны, чем в свариваемых

Рис. 4.26. Основные типы шовных машин

контактах. Электрические параметры свариваемого контакта со­держат много разного рода неопределенностей до включения тока. В переходном же контакте все многообразие электрофи­зических процессов сохраняется в течение полного периода свар­ки. Для стабилизации электротепловых режимов сварки в любых заводских технологических инструкциях предусмотрены обяза­тельные рекомендации периодической механической обработки и электродов, и роликов. Операции этого рода предусматривают восстановление геометрии и зачистку заметных слоев оксидных

пленок на контактных по­верхностях. Пленки могут значительно увеличивать электрические сопротивле­ния переходных контактов. Удельное сопротивление СиО (р, Ом-см), измерен­ное в массе этого вещества, характеризуется такими числами:

При 15 °С. 100—1000

» 700 °С. 5

» 1000 °С. 0,1

Для тонких пленок удельное сопротивление имеет еще большую вели­чину и к тому же довольно неопределенную, посколь­ку способы создания тон­ких пленок весьма разнообразны. Воспользуемся приведенными числами для некоторых вероятностных расчетов. Свежезачищен - ные электроды или ролики после постановки малого числа то­чек сохраняют на плоскостях контактирования цвет меди. Это значит, что оксидные пленки на меди могут считаться оптически прозрачными. Толщина таких пленок не более 300-10~8 см. Определим электрическое сопротивление пленок в контакте с идеально чистым свариваемым металлом при площади контак­та ] см2

R = 300р106/(10М) мкОм.

Тогда сопротивление холодного контакта составляет 300— 3000 мкОм, при температуре 700 °С — 15—150 мкОм, а при 1000 °С —0,3—3 мкОм. Холодный контакт обладает таким вы­соким сопротивлением, что при низком сварочном напряжении вообще невозможно, казалось бы, прохождение тока через этот контакт. Однако ток проходит, и это вполне объяснимо.

Самое главное различие свариваемого и переходных контак­тов — это их динамичность. Давление электродов точечных ма­шин — это фактически ударное давление. Давление роликов шов­ных машин, если и не ударное, то уж во всех случаях сдвиговое. Выше, в п. 1.3, было показано, что ударное или сдвиговое контак­тирование обязательно обеспечивает импульсную вспышку до­вольно высоких температур в отдельных точках. Следовательно, в этих точках электрическое сопротивление оксидной пленки резко падает, причем настолько, что она становится проводящей. К сожалению, этот высокотемпературный импульс очень быстро гаснет, не дождавшись включения сварочного тока. Таким обра - 204

зом, чисто термическая активация оксида ничем не способствует прохождению сварочного тока. Однако напомним о явлении экзоэлектронной эмиссии. Отличительной особенностью ее от весьма изученной термоэлектронной является то, что экзоэлектро­ны после активации поверхности эмиттируют очень долго (минуты и даже десятки минут). Термионная же эмиссия гаснет сразу после охлаждения эмиттирующей поверхности. Практика применения точечной и рельефной сварок показала, что электродные поверх­ности в большинстве случаев зачищают настолько редко, что они покрываются стойкими оксидными пленками толщиной до 0,2— 0,3 мм. Ни о какой оптической и электрической прозрачности в таких условиях не может быть и речи. И тем не менее ударное и сдвиговое контактирование создает экзоэлектронную эмиссию непрерывно. Это значит, что все микропространство по плоскости контакта представляет собой плазменную среду с проводимостью, вполне обеспечивающей прохождение сварочного тока при низком напряжении и по любой его программе. Работа выхода электронов из чистой меди и ее оксидов практически одинакова: для меди это 4,5 эВ, для оксидов СиО и Си20 — от 4,35 до 4,9 эВ. Следова­тельно, в контакте необязательно прорываться «медному» электро­ну через слой оксида. «Оксидные» электроны при той же работе выхода сами обеспечат в зазоре состояние плазмы и проводимость контакта. Рассмотренная картина проводимости говорит о том, что самым важным условием стабильности сварочного режима является стабильность геометрии и размеров электродов и роли­ков шовных машин.

Электродным материалам и конструкциям электродов посвя­щено много работ [2, 19]. Не повторяя в этой книге общеизвест­ных вещей, обратим внимание на основные особенности службы электродов. При плотностях тока через наконечники в сотни ты­сяч ампер на квадратный сантиметр и при нагревах наконечников выше температур рекристаллизации электроды из чистой меди служат плохо, утрачивая заданную форму через один-два десятка точек. В связи с этим для электродов рекомендуются некоторые медные сплавы. Этот ГОСТ не препятствует созданию новых ма­териалов для электродов в целом или только для наконечников, которые могут соединяться с конической частью корпуса различ­ными способами. Исследования Ю. Г. Величко и Б. В. Федотова из ЛПИ им. М. И. Калинина показали, что весьма перспективными электродами являются биметаллические. Рабочая часть из раз­личных бронз, стойких к механическим нагрузкам при повышен­ных температурах, приваривается трением к корпусной части медного электрода. Медный корпус обеспечивает интенсивное ох­лаждение рабочего наконечника, обладающего высокой механи­ческой стойкостью. Система внутреннего водяного охлаждения сохраняется обычной. В целом стойкость биметаллических электро­дов, изготовленных сваркой трением, увеличивается. Сварка тре­нием обеспечивает равнопрочность соединения, равную целому

электроду. Этот факт позволяет использовать многократную за­точку наконечников любыми инструментами.

На рис. 4.30 показана группа типовых свежезаточенных электродов точечных машин. К сожалению, в условиях производ­ства такая идеальная внешность электродов сохраняется недолго. Наконечник невозможно восстанавливать ежеминутно и ежечасно, и он приобретает грибообразную форму и диаметр, превышающий иногда первоначальный более чем в 1,5 раза. В связи с таким фор­моизменением происходит следующая картина. Увеличение кон­тактной площади электрода и изделия снижает механическое дав­ление на свариваемый контакт, в результате чего его сопротивле­ние несколько падает. Сила сварочного тока от этого эффекта не зависит и сохраняется той жесамой. Следовательно, интенсивность тепловыделения все же уменьшается за счет контактного сопро­тивления. Диаметр сварной точки получается за счет контактного сопротивления. Диаметр сварной точки получается меньше за­данного. К счастью, слишком большому понижению активного тепловыделения в значительной мере препятствует эффект магнит­ного сжатия линий сварочного тока. Как бы ни расплющивался электродный наконечник и как бы ни становилась большой пло­щадь его контактирования с металлом, магнитное давление, согла­сно, формуле (2.7), будет оказывать значительное сопротивление растеканию плотности тока по переходной плоскости. Таким об­разом, главной причиной нарушения режима при сварке изно­шенным электродом является снижение механического давления на свариваемый контакт. Следует иметь еще в виду, что изношен­ности электродного наконечника сопутствует и формирование на нем оксидной пленки недопустимо большой толщины.