Форма и размеры рабочей поверхности электродов и роликов

Форма и величина рабочей (контактной) поверхности — параметры, существенно влияющие на размеры и стабильность литого ядра, определяющие выбор остальных параметров режима. Форма рабочей поверхности должна соответствовать конфигурации наружной поверхности деталей.

Температура в контакте электрод—деталь — наиболее важная характеристика условий работы электродов. Она зависит от выделения теплоты и интенсивности теплообмена. Теплота выделяется в электроде и контакте электрод-деталь в зоне нагрева детали. Теплообмен зависит от интенсивности охлаждения электрода и теплопроводности его материала.

Температура контактной поверхности электрода изменяется в пределах 200 °C и более, достигая максимума в момент выключения импульса тока и снижаясь во время паузы. Разность температуры нагрева электродов зависит от многих факторов: способа сварки, режима, темпа сварки, материала электрода, состояния поверхности детали, интенсивности охлаждения и др. В контакте электрод—деталь на рабочей поверхности электродов возможно повышение температуры до 750 °C при точечной сварке сталей и до 400 °C при сварке легких сплавов, а давление при проковке может достигать 400 МПа. Важнейшая характеристика электродов — их стойкость, т. е. способность сохранять исходную форму, размеры и свойства рабочей поверхности.

Электроды для различных способов сварки оценивают по стойкости неодинаково. Например, стойкость электродов для точечной сварки чаше всего оценивают по числу точек до увеличения рабочей поверхности на 20%. При точечной сварке легких сплавов и плакированных сталей стойкость определяют по числу точек до зачистки рабочей поверхности, которая при сварке этих материалов загрязняется значительно быстрее, чем при сварке сталей.

Стойкость электродов для шовной сварки также оценивают по увеличению рабочей поверхности. При рельефной сварке стойкость электродов определяют по образованию углубления в одном из электродов под местом сварки.

Необходимость зачистки электродов при сварке легких сплавов можно установить по скорости нарастания напряжения в начале сварочного импульса. Эта скорость значительно увеличивается при сварке электродами, рабочая поверхность которых окислена или загрязнена.

Электроды контактных машин изготавливают из специальных сплавов на медной основе. Они имеют низкое электросопротивление, высокую теплопроводность и жаропрочность, значительную горячую твердость и малую склонность к взаимодействию с металлом детали.

Чистая электрическая медь в нагартованном состоянии — наиболее электропроводный материал, иногда его применяют для изготовления электродов. Но вследствие низкой температуры рекристаллизации (200 °С) медь быстро разупрочняется, и стойкость таких электродов снижается.

Обычно медь легируют кадмием, хромом, кобальтом, бериллием и другими элементами. Обшее количество легирующих компонентов не превышает 2,5%. Жаропрочность таких материалов повышают дисперсионным твердением и блокировкой границ зерен тугоплавкой фазой, которая слабо взаимодействует с основой при нагреве. Эти сплавы при изготовлении подвергают холодной деформации, термической или термомеханической обработке, что увеличивает их прочность и жаропрочность.

В табл. 4.5 приведены технические характеристики различных сплавов, применяемых для изготовления электродов контактных машин, получивших распространение в промышленности.

Материалы с низким электросопротивлением (холоднотянутую медь и БрКд 1) применяют для сварки легких сплавов.

Для сварки сталей и титановых сплавов целесообразно использовать менее электропроводимые, но более твердые бронзы (сплавы меди с хромом и никелем и с различными легирующими добавками) типа БрХ, БрХЦр, БрНБТ и др. Материалы этой группы принадлежат к дисперсионно-твердеюшим сплавам. Они подвергаются термомеханической обработке (закалке, холодной деформации и отпуску). Первые две марки, обладающие относительно низким электросопротивлением, применяют для сварки сталей и титана. Бронзу БрНБТ используют для сварки жаропрочных и никелевых сплавов и сталей, которые свариваются при высоких давлениях и малых плотностях тока.

Особую группу представляют композитные материалы, изготавливаемые методами порошковой металлургии или пропиткой медью остова, состоящего из тугоплавкого материала.

Таблица 4.5.

Характеристика сплавов на основе меди для изготовления электродов контактных машин.

Окончание табл. 4.5.

Для изготовления вставок электродов для рельефной и стыковой сварки применяют кирит — порошковую композицию, состоящую из 55—80% W и 20−45% Си. Тугоплавкие частицы вольфрама соединяются электропроводной связкой из меди.

Конструкция электродов обусловлена способом контактной сварки, конфигурацией изделий в месте соединения и толщиной деталей. Электроды для точечной сварки имеют разнообразную конструкцию (рис. 4.5).

Наиболее распространены прямые (цилиндрические) электроды простейшей конструкции (рис. 4.5, а). Их изготавливают из прутка диаметром 12, 16, 20, 25, 32 и 40 мм (ГОСТ 14 111—77). Эти электроды более технологичны при производстве (изготавливают холодной штамповкой), а охлаждающий канал близко подходит к рабочей поверхности. Рабочая поверхность электродов может быть плоской, в форме усеченного конуса или сферической. Электроды с поверхностью плоской формы используют при сварке сталей. Диаметр рабочей поверхности выбирают близким к номинальному диаметру литого ядра. Угол, а при вершине конуса должен быть 120°. При уменьшении угла снижается стойкость электродов вследствие интенсивного смятия рабочей поверхности. При увеличении угла усиливается колебание диаметра рабочей поверхности даже при незначительных деформациях. Плоская рабочая поверхность может быть несимметричной относительно оси электрода. Электроды с поверхностью сферической формы применяют при сварке легких сплавов. При этом теплота из зоны сварки лучше отводится в электроды, уменьшается склонность к образованию наружных выплесков, стабилизируются условия сварки при небольших наклонах конструкции, повышается стойкость электродов. Поддержание сферической формы поверхности электродов при эксплуатации усложняется. Радиус сферы (6−250 мм) увеличивается с увеличением толщины металла и зависит от жесткости режима. При более жестких режимах увеличивают радиус сферы для уменьшения опасности выплеска.

Прямые электроды используют различной длины. В целях экономии материала на многоэлектродных машинах целесообразно применять короткие электроды (рис. 4. 5, б). Прямые электроды изготавливают с развитой рабочей частью (рис. 4. 5 г), если они предназначены только для подвода тока к одной из деталей, а концентрация сварочного тока обеспечивается вторым электродом с рабочей поверхностью нормальных размеров (см. рис. 4.5, а).

Сечение в местах расположения охлаждающих канатов подбирают из расчета допустимой плотности тока 50 А/мм². В сплошном сечении эта плотность составляет до 30 А/мм².

Для сварки деталей сложной конструкции используют электроды со смещенной рабочей поверхностью (рис. 4.5, в). Эти электроды хуже охлаждаются вследствие большего удаления охлаждающего канала от рабочей поверхности и имеют меньшую стойкость.

Технология изготовления таких электродов более сложная по сравнению со стандартными, поэтому выше стоимость их производства. Аналогичное назначение имеют и горизонтальные электроды.

Электрод крепится хвостовиком, который обычно имеет форму усеченного конуса, что обеспечивает надежный электрический контакт, хорошую герметичность и быструю замену.

Конусность устанавливают в зависимости от действующего усилия. При диаметре электрода до 25 мм конусность 1:10, а более 25 мм — 1:5. Конусы обычно применяют наружные, реже — внутренние.

Иногда электроды имеют цилиндрические поверхности крепления. В этом случае их зажимают специальными зажимами или крепят конусными резьбовыми соединениями (рис. 4.5, в).

Электроды имеют внутренний канал, по которому охлаждающую воду подводят к рабочей поверхности. Оптимальный диаметр канала d_K = (0,5−0,6) D" а расстояние его от рабочей поверхности И = (0,75−0,8) Д, для новых электродов (Д — наружный диаметр стержня электрода).

Иногда применяют электроды со сменной рабочей частью, которую можно закреплять накидной гайкой, припаивать или запрессовывать. Для подавления внутренних выплесков изредка применяют электроды комбинированной конструкции с наружной обжимной втулкой, которая через тарельчатые пружины сдавливает место сварки. Этим создается искусственное перераспределение общего сварочного усилия для дополнительного обжатия периферии соединения.

Рис. 4.5. Электроды для точечных машин: а — цилиндрические; б — цилиндрические укороченные; в — со смещенной рабочей частью (сапожковые) горизонтальные; г — с развитой рабочей частью Конструкция электродов многоэлектродных точечных машин зависит от принятой схемы подвода тока. При двусторонней нормальной сварке они не отличаются от электродов обычных точечных машин. При одностороннем подводе тока детали для сварки укладывают на токоподводы, на которых и закрепляют электроды. В этом случае их называют контрэлектродами. Токоподводы, кроме восприятия усилия от электродов, должны обеспечить максимальное шунтирование тока. В простейшем случае нижний электрод представляет собой сплошную шину (гокоподвод), изготовленную из меди или бронзы. Целесообразнее использовать контрэлектроды со сменной рабочей частью.