Точечная сварка глубоких корытообразных деталей: Комплексный инженерный расчет и разработка специализированной оснастки

В мире современного машиностроения, где точность и эффективность производства играют ключевую роль, технология контактно-точечной сварки (КТС) занимает одно из центральных мест. Она позволяет быстро и надежно соединять детали, обеспечивая высокую производительность и минимизируя деформации. Однако, когда речь заходит о деталях сложной геометрии, таких как глубокие корытообразные элементы, процесс КТС сталкивается с рядом уникальных технологических вызовов. Эти вызовы не только усложняют доступ к местам сварки, но и существенно влияют на электрические параметры сварочного контура, требуя от инженера глубокого понимания физических процессов и нестандартных конструкторских решений.

Настоящий курсовой проект посвящен разработке детальной технологической и расчетной базы для точечной сварки именно таких глубоких корытообразных деталей. Мы погрузимся в тонкости инженерных расчетов, начиная от обоснования выбора режима сварки и заканчивая проектированием специализированного сборочно-сварочного приспособления. Цель работы – не просто собрать информацию, а создать целостный, научно обоснованный подход, который позволит студенту технического вуза не только понять, но и применить эти знания для решения реальных производственных задач. В рамках проекта будут последовательно рассмотрены теоретические основы КТС, уникальные проблемы сварки глубоких деталей, методика инженерного расчета сварочного трансформатора и вторичного контура, материаловедческие аспекты, особенности конструкции приспособления, а также вопросы охраны труда и технико-экономические показатели, формируя таким образом исчерпывающую основу для успешной реализации подобного технологического процесса.

2. Теоретические основы контактно-точечной сварки (КТС)

Физическая сущность контактно-точечной сварки – это элегантное сочетание электрического и механического воздействия, приводящее к образованию прочного металлического соединения. В основе процесса лежит фундаментальный закон Джоуля-Ленца, который гласит, что количество теплоты (Q), выделяющееся в проводнике при прохождении электрического тока, прямо пропорционально квадрату силы тока (I), электрическому сопротивлению проводника (R) и времени протекания тока (t): Q = I²Rt. В контексте КТС, этот закон реализуется как локальный нагрев металла в зоне контакта электродов, где из-за уменьшенного сечения и контактного сопротивления выделяется максимальное количество тепла. Одновременно с нагревом, свариваемые детали подвергаются сжимающему усилию, что приводит к пластической деформации и формированию литого ядра – сварной точки. Именно этот принцип лежит в основе всех последующих инженерных расчетов, определяя ключевые параметры процесса.

2.1. Параметры режима сварки: Сила тока, время, усилие сжатия

Три кита, на которых держится качество и стабильность точечной сварки, – это сила сварочного тока (I_св), время протекания тока (t_св) и усилие сжатия (F_сж). Взаимодействие этих параметров определяет скорость нагрева, размер литого ядра и формирование структуры сварного соединения.

Различают два основных типа режимов сварки:

• Жесткий режим: Характеризуется большой силой тока, малым временем сварки и высоким усилием сжатия. Такой режим обеспечивает быстрый нагрев и формирование мелкого, но прочного зерна в ядре, минимизируя зону термического влияния и деформации. Он идеально подходит для высокопроизводительных процессов и тонких материалов.
• Мягкий режим: Применяется при меньшей силе тока, большем времени сварки и умеренном усилии сжатия. Этот режим обеспечивает более равномерный, но медленный нагрев, что может быть предпочтительнее для материалов с пониженной свариваемостью или при необходимости снижения термических напряжений. Однако он сопряжен с большим энергопотреблением и вероятностью увеличения зоны термического влияния.

Предварительный выбор параметров для низкоуглеродистых сталей, таких как Ст3 или 08кп, обычно осуществляется по таблицам и номограммам, учитывающим толщину свариваемых деталей (s). Например, для низкоуглеродистой стали толщиной 1 мм, типичные значения могут быть: I_св = 8-12 кА, t_св = 0.1-0.3 с, F_сж = 2-4 кН. Важно отметить, что согласно ГОСТ 15878-79, диаметр литого ядра (d_я) является критическим показателем качества. Для низкоуглеродистых сталей, обеспечивающих достаточную прочность, расчетный диаметр ядра приблизительно принимается равным d_я ≈ 3⋅s. При этом проплавление (h) должно находиться в пределах от 20% до 80% толщины более тонкой детали.

Таблица 1. Ориентировочные режимы точечной сварки низкоуглеродистых сталей (две детали равной толщины)

Толщина детали, s (мм)	Сила тока, Iсв (кА)	Время сварки, tсв (с)	Усилие сжатия, Fсж (кН)	Диаметр ядра, dя (мм)
0.5	3 — 5	0.06 — 0.15	0.5 — 1.0	1.5 — 2.0
1.0	7 — 10	0.15 — 0.25	1.5 — 2.5	3.0 — 4.0
2.0	12 — 16	0.25 — 0.40	3.0 — 5.0	6.0 — 7.5
3.0	18 — 22	0.40 — 0.60	5.0 — 7.0	9.0 — 10.5

Примечание: Данные являются ориентировочными и требуют корректировки в зависимости от конкретных условий и оборудования.

2.2. Циклограмма процесса точечной сварки

Процесс точечной сварки – это не одномоментное событие, а последовательность тщательно выверенных операций, каждая из которых играет свою роль в формировании качественного соединения. Эта последовательность описывается циклограммой процесса, которая является основой для автоматизации и контроля сварки.

Стандартная циклограмма включает следующие этапы:

1. Сжатие (t_ст): Этот этап начинается с момента подачи усилия на электроды до включения сварочного тока. Его основная задача – обеспечить плотный контакт между свариваемыми деталями и электродами, а также создать необходимое давление для формирования литого ядра. Время сжатия должно быть достаточным для устранения зазоров и обеспечения стабильного электрического контакта.
2. Сварка (t_св): На этом этапе через сжатые детали пропускается сварочный ток, вызывающий их нагрев до пластического или расплавленного состояния. Усилие сжатия поддерживается постоянным. Это ключевой этап, определяющий размер и качество сварной точки.
3. Проковка (t_пр): После выключения сварочного тока усилие сжатия сохраняется на заданное время. Цель проковки – обеспечить кристаллизацию литого ядра под давлением, что способствует уплотнению металла, измельчению зерна и предотвращению образования усадочных раковин и трещин. Этот этап особенно важен для повышения прочности и пластичности соединения.
4. Пауза (t_п): Завершающий этап, в течение которого усилие сжатия снимается, и детали могут быть перемещены или извлечены из машины. Время паузы должно быть достаточным для охлаждения электродов и подготовки к следующему сварочному циклу.

Графически циклограмма выглядит как последовательность импульсов усилия и тока во времени:

  Усилие (F)
      ^
      |    _______
      |   |       |
      |___|       |_________
      |                     |
      +---------------------> Время (t)
        tст  tсв   tпр  tп

  Ток (I)
      ^
      |      ___
      |     |   |
      |_____|   |_________
      |                     |
      +---------------------> Время (t)
        tст  tсв   tпр  tп

Понимание и точная настройка каждого этапа циклограммы является критически важным для достижения требуемого качества сварного соединения и оптимизации производительности процесса.

3. Технологические особенности и проблемы сварки глубоких деталей

Сварка глубоких корытообразных деталей, в отличие от плоских заготовок, представляет собой комплексную инженерную задачу, где традиционные подходы сталкиваются с рядом специфических трудностей. Эти сложности напрямую влияют на выбор оборудования, режимов сварки и требуют нестандартных конструкторских решений, которые зачастую упускаются из виду в общетеоретических курсах. Например, как эти проблемы влияют на общую производительность и экономическую эффективность процесса?

3.1. Проблема доступа и выбор специальных электродов

Первостепенная проблема при сварке глубоких деталей – это доступ к месту сварки. Стандартные электроды, закрепленные в коротких прямых хоботах, не могут достичь дна или внутренних поверхностей корытообразного изделия. Это диктует необходимость применения специализированных конструкций электродов и электрододержателей.

К таким конструкциям относятся:

• Удлиненные хоботы: Значительно увеличивают вылет электрода от консоли машины, позволяя достичь удаленных точек.
• Изогнутые или угловые электроды: Позволяют обойти выступающие части детали и подойти к месту сварки под оптимальным углом.
• Электроды с компенсирующими элементами: Для компенсации возможного перекоса или неровностей глубоких деталей.

Применение таких электродов несет с собой и новые вызовы. Удлинение пути тока ведет к росту электрического сопротивления вторичного контура, что потребует более мощного трансформатора. Кроме того, увеличивается гибкость системы «хобот-электрод», что может сказаться на стабильности усилия сжатия и точности позиционирования.

Расчет диаметра рабочей поверхности электрода (d_э) является важным шагом. Он обеспечивает необходимую плотность тока и формирование литого ядра требуемого размера. Эмпирические формулы для его определения зависят от толщины свариваемой детали (s):

• Для толщины детали s ≤ 3 мм: d_э ≈ 2⋅s + 3 мм
• Для толщины детали s > 3 мм: d_э ≈ 1.5⋅s + 5 мм

Например, если толщина свариваемой детали составляет 1.5 мм, то d_э ≈ 2⋅1.5 + 3 = 6 мм. Этот диаметр должен обеспечивать оптимальное распределение тока и давления, предотвращая перегрев или прожог.

3.2. Эффект шунтирования (перетока тока)

Еще одна критическая проблема, особенно актуальная при многоточечной сварке глубоких деталей или при работе с несколькими параллельно расположенными точками, – это эффект шунтирования, или перетока тока.

Суть проблемы: Когда сварочная машина формирует очередную точку, часть сварочного тока может проходить не только через зону контакта текущих электродов (где должно образоваться новое сварное соединение), но и через уже сваренные соседние точки или через металлические элементы технологической оснастки. Это происходит потому, что ток выбирает путь наименьшего сопротивления. Если сопротивление уже сваренной точки или оснастки меньше, чем сопротивление нового контакта, ток «уходит» в обход.

Последствия шунтирования:

• Недостаточное проплавление: Если ток шунтируется, через целевую зону сварки проходит недостаточный ток, что приводит к формированию слабого, непроваренного соединения или полному отсутствию сварной точки.
• Перегрев уже сваренных точек: Шунтирующий ток может вызвать повторный нагрев и даже расплавление уже сформированных ядер, что ухудшает их структуру и механические свойства.
• Нестабильность процесса: Неконтролируемый переток тока делает процесс сварки нестабильным и плохо предсказуемым.

Меры противодействия шунтированию:

• Оптимальное расположение точек сварки: Разнесение точек на достаточное расстояние друг от друга снижает вероятность шунтирования.
• Последовательность сварки: Тщательно продуманная последовательность формирования точек, начиная от центра детали к краям или наоборот, может минимизировать влияние уже сваренных точек.
• Использование изоляционных материалов: Применение керамических или других термостойких изоляторов в конструкции сборочно-сварочного приспособления для изоляции элементов оснастки от электрического контура.
• Применение многоэлектродной сварки: В некоторых случаях, использование сразу нескольких пар электродов, работающих одновременно или последовательно, может распределить ток и уменьшить эффект шунтирования.
• Контроль параметров тока: Точная регулировка тока и времени для каждой последующей точки, учитывая уже сформированные шунтирующие пути.

3.3. Увеличение полного сопротивления вторичного контура (Z₂)

Пожалуй, одной из наиболее значимых и часто недооцениваемых проблем при точечной сварке глубоких корытообразных деталей является существенное увеличение полного сопротивления вторичного контура (Z₂). Эта проблема напрямую связана с необходимостью использования удлиненных электродов и хоботов, описанных в разделе 3.1.

Почему это происходит?
Вторичный контур сварочной машины включает в себя не только трансформатор, но и шины, электрододержатели, электроды и, собственно, свариваемые детали. Для доступа к глубоким участкам детали, длина электрододержателей и хоботов значительно увеличивается. Это приводит к:

1. Увеличению активного сопротивления (R_ВК): Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине. Удлинение хоботов и электродов увеличивает общую длину токоведущих частей вторичного контура, что ведет к росту активного сопротивления.
2. Увеличению индуктивного сопротивления (X_ВК): Индуктивное сопротивление контура зависит от его геометрии, площади, охватываемой магнитным полем, и длины проводников. Удлинение и разнесение элементов контура, а также использование изогнутых форм, значительно увеличивает индуктивность.

Масштаб влияния: Увеличение R_ВК и X_ВК приводит к росту общего полного сопротивления Z₂ всего вторичного контура. Согласно формуле:

Z2 = √( (RТ + RВК + RЭЭ)2 + (XТ + XВК)2 )

Где:

• R_Т, X_Т – активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные ко вторичной обмотке.
• R_ВК, X_ВК – активное и индуктивное сопротивления сварочного контура (шины, хоботы, электрододержатели).
• R_ЭЭ – активное сопротивление участка электрод-электрод (зоны сварки).

Рост Z₂, при заданной требуемой силе тока I_св, означает, что для получения того же тока необходимо приложить значительно большее напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Это, в свою очередь, требует увеличения номинальной мощности сварочного трансформатора (P_2Н), а также может привести к снижению коэффициента мощности (cos φ) установки, что негативно сказывается на энергоэффективности.

Именно этот рост Z₂ является критическим фактором, который необходимо учесть при инженерном расчете сварочного трансформатора. Игнорирование этого эффекта приведет к выбору недостаточно мощного оборудования, неспособного обеспечить требуемый режим сварки в конкретных условиях глубокой детали. Таким образом, расчет параметров вторичного контура с учетом его удлинения становится краеугольным камнем всего проекта.

4. Инженерный расчет сварочного трансформатора и вторичного контура

Проведение инженерного расчета – это сердцевина любого технологического проекта, особенно когда речь идет о сварочном оборудовании, которое должно обеспечивать точные и стабильные параметры. Для точечной сварки глубоких корытообразных деталей этот расчет приобретает особую значимость, поскольку необходимо учесть специфические факторы, такие как увеличенное сопротивление вторичного контура.

4.1. Расчет полного сопротивления вторичного контура (Z₂)

Полное сопротивление вторичного контура (Z₂) является ключевым параметром, определяющим способность сварочной машины обеспечить требуемый ток. Оно складывается из активного (R) и индуктивного (X) сопротивлений всех элементов, по которым протекает сварочный ток.

Общая формула для Z₂:

Z2 = √( (RТ + RВК + RЭЭ)2 + (XТ + XВК)2 )

Где:

• R_Т и X_Т: Активное и индуктивное сопротивления трансформатора, приведенные ко вторичной обмотке. Эти значения обычно приводятся в паспортных данных трансформатора или могут быть рассчитаны на основе его конструкции.
• R_ВК и X_ВК: Активное и индуктивное сопротивления сварочного контура, включающие в себя шины, электрододержатели и, что особенно важно для глубоких деталей, удлиненные хоботы и электроды.
• R_ЭЭ: Активное сопротивление участка электрод-электрод, то есть, сопротивление в зоне контакта свариваемых деталей. Это сопротивление сильно зависит от контактного давления, состояния поверхности и температуры.

Расчет активного сопротивления R для каждого участка контура:

R = Σ (ρ ⋅ l / Sc) ⋅ kпов

Где:

• ρ (ро): Удельное электрическое сопротивление материала проводника (Ом·мм²/м). Например, для меди ρ ≈ 0.0175 Ом·мм²/м.
• l: Длина участка проводника (м). Для глубоких деталей этот параметр значительно увеличивается из-за удлиненных хоботов и электродов.
• S_c: Сечение проводника (мм²).
• k_пов: Коэффициент поверхностного эффекта (скин-эффекта), учитывающий неравномерное распределение переменного тока по сечению проводника при высоких частотах. Для контактной сварки, особенно при больших токах, этот коэффициент может быть значительным (k_пов ≈ 1.05 — 1.25).

Пример расчета R_ВК (упрощенный):
Предположим, вторичный контур (без трансформатора и зоны сварки) состоит из:

1. Медные шины от трансформатора к электрододержателям: l₁ = 0.5 м, S_c1 = 200 мм².
2. Медные электрододержатели: l₂ = 0.3 м, S_c2 = 150 мм² (две штуки, общая длина 0.6 м).
3. Удлиненные электроды из хромовой бронзы (БрХ): l₃ = 0.2 м, S_c3 = 100 мм² (две штуки, общая длина 0.4 м). Удельное сопротивление БрХ выше, чем у меди, пусть будет ρ_БрХ ≈ 0.03 Ом·мм²/м.

Примем k_пов = 1.15.

RВК = [ (ρмедь ⋅ l1 / Sc1) + (ρмедь ⋅ l2 / Sc2) ⋅ 2 + (ρБрХ ⋅ l3 / Sc3) ⋅ 2 ] ⋅ kпов
RВК = [ (0.0175 ⋅ 0.5 / 200) + (0.0175 ⋅ 0.3 / 150) ⋅ 2 + (0.03 ⋅ 0.2 / 100) ⋅ 2 ] ⋅ 1.15
RВК = [ (0.00004375) + (0.000035) ⋅ 2 + (0.00006) ⋅ 2 ] ⋅ 1.15
RВК = [ 0.00004375 + 0.00007 + 0.00012 ] ⋅ 1.15 = 0.00023375 ⋅ 1.15 ≈ 0.000269 Ом

Расчет индуктивного сопротивления X_ВК более сложен и требует знания геометрии контура, частоты тока. Для практических расчетов используются справочные данные и эмпирические формулы, или принимается определенное соотношение X/R.

4.2. Определение требуемого сварочного тока и напряжения

Для определения требуемого сварочного тока (I_св) необходимо исходить из требуемого качества сварного соединения, в частности, из диаметра литого ядра (d_я). Как уже упоминалось, для низкоуглеродистых сталей d_я ≈ 3⋅s (где s — толщина более тонкой детали). Например, для s = 1.5 мм, d_я ≈ 4.5 мм.

Далее, по специальным номограммам или таблицам, связывающим толщину металла, диаметр ядра и марку стали с требуемым сварочным током, определяется I_св. Например, для стали 08кп толщиной 1.5 мм, I_св может составлять 10-15 кА.

Имея значение I_св и рассчитанное полное сопротивление Z₂, можно определить требуемое вторичное напряжение (U_2св) в режиме сварки:

U2св = Iсв ⋅ Z2

Это напряжение на вторичной обмотке трансформатора должно быть обеспечено для достижения заданного тока.

4.3. Выбор типа трансформатора и расчет его номинальной мощности (P_2Н)

Расчет номинальной мощности трансформатора (P_2Н) является завершающим этапом, который связывает все предыдущие вычисления. Эта мощность должна быть достаточной для обеспечения требуемого сварочного тока при заданном напряжении.

Номинальная вторичная мощность трансформатора:

P2Н = U2ОН ⋅ I2Н

Где:

• U_2ОН: Номинальное вторичное напряжение холостого хода. Это напряжение на вторичной обмотке, когда нет нагрузки (ток равен нулю). Оно всегда выше, чем U_2св из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и вторичного контура.
• I_2Н: Номинальный вторичный ток. Это максимальный ток, который трансформатор может выдавать в продолжительном режиме (или при ПВ=50%). Он должен быть не меньше требуемого I_св.

Для выбора трансформатора, необходимо сначала определить его требуемое напряжение холостого хода. С учетом значительного падения напряжения во вторичном контуре (особенно удлиненном), U_2ОН будет существенно выше U_2св. Если, например, U_2св = 10 В при I_св = 12 кА, то U_2ОН может потребоваться в диапазоне 15-20 В, в зависимости от внутренних потерь трансформатора и контура.

Пример расчета P_2Н:
Если требуемый I_св = 12 кА, а U_2св = 10 В (получено из I_св ⋅ Z₂), и мы знаем, что для обеспечения такого тока с учетом потерь трансформатор должен иметь U_2ОН = 18 В и I_2Н = 12 кА (с запасом):

P2Н = 18 В ⋅ 12000 А = 216000 ВА = 216 кВА

После расчета P_2Н, выбирается типовой сварочный трансформатор из каталога производителей, номинальная мощность которого соответствует или превышает рассчитанное значение. Например, для данного случая может подойти трансформатор с номинальной мощностью 250 кВА. Важно также учитывать номинальный вылет (L) машины, который для стационарных машин общего назначения составляет от 300 до 750 мм, но для глубоких деталей может потребоваться и большее значение, что напрямую влияет на Z₂.

Этот детализированный расчет гарантирует, что выбранное оборудование будет адекватно справляться с нагрузкой, вызванной спецификой сварки глубоких корытообразных деталей, и обеспечит стабильные параметры процесса.

5. Материаловедческое обоснование и требования к свариваемости

Выбор материалов для свариваемых заготовок и электродов – это не просто технический выбор, а критически важный фактор, определяющий успех и надежность всего процесса контактно-точечной сварки. Понимание свариваемости металлов и свойств электродных материалов является фундаментом для предотвращения дефектов и обеспечения долговечности сварных соединений.

5.1. Классификация и свариваемость конструкционных сталей

Свариваемость стали – это комплексное свойство, характеризующее способность металла образовывать прочное и пластичное соединение, удовлетворяющее эксплуатационным требованиям, без образования дефектов в процессе сварки или при последующей эксплуатации. Свариваемость классифицируется по нескольким признакам, включая химический состав, склонность к образованию трещин, и способность к восприятию различных режимов сварки.

Для точечной контактной сварки (КТС) наиболее важными аспектами свариваемости являются:

• Электро- и теплопроводность: Влияют на скорость и характер нагрева в зоне сварки.
• Пластичность: Способность металла к пластической деформации под давлением электродов без образования трещин.
• Склонность к закалке: Чем выше склонность к закалке, тем сложнее свариваемость, так как могут образовываться хрупкие мартенситные структуры.

Типовые примеры:

• Низкоуглеродистые конструкционные стали (например, Ст3, 08кп, 09Г2С): Эти стали обладают превосходной свариваемостью КТС. Они характеризуются низким содержанием углерода (<0.25%), высокой пластичностью, не склонны к образованию закалочных структур и горячих трещин. Для них, как правило, не требуется предварительный подогрев или последующая термическая обработка. Сталь 08кп (кипящая) широко используется в автомобилестроении для штампованных деталей, что делает ее идеальным кандидатом для глубоких корытообразных форм.
• Среднеуглеродистые и среднелегированные стали (например, 20ХГСА, 35ХГСА): Относятся к ограниченно свариваемым материалам. Высокое содержание углерода и легирующих элементов (хром, марганец, кремний) повышает их прочность, но значительно ухудшает свариваемость. При сварке таких сталей существует высокий риск образования хрупких закалочных структур (мартенсита) и холодных трещин в зоне термического влияния. Для успешной сварки этих сталей часто требуются:
  • Предварительный подогрев (150-200°C) для замедления скорости охлаждения и предотвращения образования хрупких фаз.
  • Последующая термическая обработка (например, отпуск) для снятия остаточных напряжений и повышения пластичности сварного соединения.

Требования к подготовке поверхности: Чистота поверхности свариваемых деталей критически важна для стабильности контактного сопротивления и качества сварки. Оксиды, ржавчина, масло и грязь увеличивают электрическое сопротивление, что может привести к перегреву поверхности, образованию брызг и некачественному проплавлению. Поэтому перед сваркой детали должны быть тщательно очищены (механически, химически или обезжириванием).

Сварка разнородных материалов: При соединении деталей из разных металлов или разной толщины, ядро сварной точки имеет тенденцию смещаться в сторону материала с более низкой тепло- и электропроводностью. Это важно учитывать при выборе режимов и геометрии электродов.

5.2. Материалы электродов и их износостойкость

Электроды для точечной сварки работают в чрезвычайно жестких условиях: высокие температуры, постоянное механическое давление и интенсивный электрический ток. Поэтому материал электродов должен обладать уникальным сочетанием свойств:

1. Высокая электропроводность: Минимизация потерь энергии на нагрев самого электрода.
2. Высокая теплопроводность: Эффективное отведение тепла из зоны сварки для предотвращения прилипания металла к электроду и его перегрева.
3. Высокая твердость и износостойкость: Устойчивость к механическому износу и деформации под действием усилия сжатия при высоких температурах.
4. Высокая температура разупрочнения: Сохранение механических свойств при рабочих температурах.

Традиционно, для электродов используются медные сплавы. Среди них выделяются:

• Кадмиевая бронза БрКд1: Содержит 0.9–1.2% кадмия, имеет твердость не ниже 95 НВ в нагартованном состоянии. Хорошо зарекомендовала себя, но кадмий является токсичным элементом, что накладывает ограничения на ее применение.
• Хромовая бронза БрХ (ГОСТ 14111-90): Содержит до 1% хрома. Обладает более высокой термостойкостью и твердостью по сравнению с чистой медью, сохраняя при этом хорошую электро- и теплопроводность. Ее свойства улучшаются за счет дисперсионного твердения.
• Хромисто-циркониевая бронза БрХЦр (ГОСТ 14111-90): Содержит до 1% хрома и до 0.5% циркония. Этот сплав является одним из наиболее перспективных для электродов КТС. Цирконий дополнительно повышает температуру рекристаллизации и улучшает термостойкость, что позволяет электродам сохранять высокую твердость и износостойкость при более высоких рабочих температурах. Это особенно критично для удлиненных электродов, используемых для глубоких деталей, где отвод тепла от рабочей поверхности затруднен, и электроды подвергаются большей термической нагрузке.

Применение сплавов БрХ и БрХЦр является обоснованным выбором для точечной сварки глубоких корытообразных деталей, так как их способность сохранять высокую твердость при высоких температурах обеспечивает стабильность формы рабочей поверхности электрода, снижает его износ и, как следствие, повышает качество сварных точек и производительность.

6. Конструкция сборочно-сварочного приспособления (ССП)

Разработка сборочно-сварочного приспособления (ССП) для глубоких корытообразных деталей – это ключевой инженерный этап, который напрямую влияет на точность, производительность и качество сварки. ССП должно не только надежно фиксировать детали в заданном положении, но и обеспечивать беспрепятственный доступ электродов к каждой точке сварки, что является особой проблемой для сложной геометрии.

6.1. Принципы базирования и фиксации (правило шести точек)

Основой любого ССП является принцип точного и однозначного базирования заготовки. В машиностроении этот принцип известен как «правило шести точек». Оно гласит, что для полного определения положения абсолютно твердого тела в пространстве необходимо лишить его шести степеней свободы: трех поступательных (вдоль осей X, Y, Z) и трех вращательных (вокруг осей X, Y, Z).

В контексте ССП, это реализуется с помощью:

1. Основания: Жесткая рама или плита, на которой монтируются все остальные элементы. Оно обеспечивает общую стабильность приспособления.
2. Фиксаторов (упоров, пальцев): Эти элементы контактируют с базовыми поверхностями детали, лишая ее поступательных степеней свободы.
   • Три точки на главной установочной базе (опорная плоскость) – лишают трех поступательных степеней свободы (движение по оси Z и вращение вокруг X, Y).
   • Две точки на направляющей базе (вторая опорная плоскость) – лишают двух поступательных степеней свободы (движение по оси Y и вращение вокруг Z).
   • Одна точка на опорной базе (третья опорная плоскость) – лишает последней поступательной степени свободы (движение по оси X).
3. Прижимов (механических, пневматических, гидравлических): После базирования детали, прижимы надежно фиксируют ее, предотвращая смещение под действием сварочного усилия и тепловых деформаций. Они должны обеспечивать достаточное усилие, но при этом не деформировать саму деталь. Часто используются быстродействующие пневматические или механические рычажные прижимы для сокращения вспомогательного времени.
4. Направляющих устройств: Элементы, обеспечивающие точное позиционирование или перемещение деталей в ССП.

6.2. Специализированное решение: Применение поворотного кондуктора

Для глубоких корытообразных деталей, где доступ к внутренним или труднодоступным точкам сварки затруднен из-за геометрии, применение стандартных ССП становится неэффективным или невозможным. В таких случаях оправдано использование специализированных сборочно-сварочных приспособлений, в частности, поворотных кондукторов.

Обоснование необходимости поворотного кондуктора:
Глубокие корытообразные детали часто имеют внутренние углы, фланцы или стенки, которые блокируют прямой доступ электродов. Сварка всех необходимых точек с одной установки детали в ССП может быть физически невозможна. Поворотный кондуктор решает эту проблему, позволяя изменять ориентацию детали относительно электродов машины контактной сварки.

Принцип работы и конструкция поворотного кондуктора:

1. Основание и крепление: Поворотный кондуктор представляет собой компактное приспособление, устанавливаемое непосредственно на нижнюю консоль сварочной машины. Он может быть закреплен жестко или иметь возможность быстрой смены.
2. Поворотный механизм: Ключевым элементом является механизм, обеспечивающий точное и легкое вращение рабочей части кондуктора, на которой фиксируется свариваемая деталь. Это может быть ручной поворотный стол с фиксаторами положения (например, через каждые 90° или 45°) или пневматически/электрически управляемый индексирующий механизм.
3. Базирование детали: На поворотной части кондуктора располагаются элементы базирования и прижимы, аналогичные описанным выше, которые надежно фиксируют глубокую корытообразную деталь.
4. Свободный доступ: Благодаря возможности поворота, оператор (или автоматическая система) может последовательно подводить каждую группу точек сварки в рабочую зону электродов, обеспечивая оптимальный доступ и минимизируя необходимость использования сильно изогнутых или чрезмерно длинных электродов.

Эскиз (схема) конструкции поворотного кондуктора:

           ┌────────────────────────────┐
           │        ВЕРХНИЙ ЭЛЕКТРОД    │
           │                            │
           │           (Машина КТС)     │
           │                            │
           └────────────────────────────┘
                      │
                      │ Усилие сжатия (F)
                      │
           ┌─────────┴─────────┐
           │  ВЕРХНИЙ ХОБОТ    │
           └───────────────────┘

         ┌─────────────────────────────────┐
         │         СВАРИВАЕМАЯ ДЕТАЛЬ      │
         │  (Глубокая корытообразная форма)│
         │                                 │
         │                                 │
         └─────────────────────────────────┘

           ┌───────────────────┐
           │  НИЖНИЙ ХОБОТ     │
           └─────────┬─────────┘
                     │
                     │
                     ▼
           ┌────────────────────────────┐
           │   ПОВОРОТНАЯ ПЛАТФОРМА     │
           │   (с элементами базирования│
           │   и прижимами для детали)  │
           └───────┬─────┬───────┬──────┘
                   │     │       │
             ┌─────┴─────┴───────┴─────┐
             │    ОСНОВАНИЕ КОНДУКТОРА   │
             │ (Крепление к машине КТС)  │
             └───────────────────────────┘

Стрелка указывает направление поворота.

Элементы конструкции:
1.  **Свариваемая деталь:** Глубокая корытообразная.
2.  **Верхний/Нижний электроды и хоботы:** Специфической формы (возможно, удлиненные или изогнутые), но их диапазон движения ограничен.
3.  **Поворотная платформа:** Главный элемент кондуктора. На ней устанавливается и фиксируется деталь. Имеет зубчатый венец или индексирующие пазы для точного позиционирования.
4.  **Элементы базирования и прижимы:** Расположены на поворотной платформе для надежной фиксации детали по принципу шести точек.
5.  **Основание кондуктора:** Жесткая часть, которая крепится к нижней консоли сварочной машины. Содержит ось вращения для поворотной платформы.
6.  **Механизм поворота/индексации:** (Не показан явно, но подразумевается) – обеспечивает поворот платформы с деталью на заданный угол и ее фиксацию в нужном положении. Может быть ручным с фиксатором или автоматическим.

Такое решение позволяет значительно расширить технологические возможности точечной сварки сложных деталей, обеспечивая при этом высокую точность и повторяемость. Как это повлияет на себестоимость производства?

7. Технико-экономические показатели (ТЭП) и охрана труда

Любой инженерный проект немыслим без оценки его экономической эффективности и гарантии безопасности для персонала. В контексте точечной сварки глубоких корытообразных деталей, эти аспекты приобретают особую актуальность, поскольку специализированное оборудование и повышенные требования к процессу могут влиять на себестоимость и риски.

7.1. Расчет технологической себестоимости сварки (C_техн)

Технологическая себестоимость сварки (C_техн) – это комплексный показатель, отражающий все прямые и косвенные затраты, связанные с выполнением одной сварочной операции. Её расчет позволяет оценить экономическую целесообразность выбранной технологии и выявить потенциальные точки оптимизации.

Укрупненная формула расчета технологической себестоимости за одну операцию:

Cтехн = Cмат + Cэлектр + Cзп + Cсэо

Где:

• C_мат — Затраты на сварочные материалы: Включают стоимость износа электродов, расходных материалов для очистки (если применимо).
  • Износ электродов: Для точечной сварки глубоких деталей, где часто используются удлиненные электроды и термостойкие сплавы (например, БрХЦр), стоимость электродов выше, а их износ может быть более интенсивным из-за затрудненного теплоотвода. Расчет основывается на количестве сваренных точек до замены или заточки электрода.
• C_электр — Затраты на электроэнергию: Определяются расходом электроэнергии на один цикл сварки и тарифом.
  • Расход электроэнергии (кВт·ч): Для КТС рассчитывается как P_св ⋅ t_св ⋅ k_и, где P_св — мощность, потребляемая в режиме сварки (учитывая cos φ и КПД трансформатора), t_св — время сварки, k_и — коэффициент использования оборудования. Увеличенное полное сопротивление вторичного контура (Z₂) для глубоких деталей приводит к необходимости использования более мощного трансформатора, что потенциально увеличивает потребление электроэнергии.
• C_зп — Основная заработная плата рабочих: Включает оплату труда оператора сварочной установки за единицу продукции. Определяется на основе нормы времени на операцию и тарифной ставки.
  • Норма времени на одну точку/деталь (t_шт): Определяется как сумма машинного времени, вспомогательного времени и времени на обслуживание.
    tшт = tм + tв + tпр + tп
    Где: t_м – машинное время (время сжатия, сварки, проковки), t_в – вспомогательное время (установка/снятие детали, поворот кондуктора), t_пр – время на перерывы (отдых, личные нужды), t_п – время на обслуживание рабочего места. Введение поворотного кондуктора для глубоких деталей может увеличить t_в, но при этом повышает производительность за счет сокращения времени на ручную переустановку.
• C_сэо — Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования: Включают амортизацию оборудования, затраты на ремонт, техническое обслуживание, освещение, отопление и прочие накладные расходы, отнесенные к единице продукции. Стоимость специализированного оборудования (машина КТС с усиленным трансформатором, поворотный кондуктор) будет выше, что увеличивает амортизационные отчисления.

Снижение себестоимости достигается за счет:

• Оптимизации режимов сварки для минимизации энергопотребления и износа электродов.
• Повышения производительности путем сокращения вспомогательного времени (автоматизация поворота кондуктора, быстродействующие прижимы).
• Увеличения срока службы электродов и других расходных материалов.

7.2. Требования охраны труда и техники безопасности (ГОСТы)

Безопасность труда при работе с электросварочным оборудованием, особенно при контактной сварке, является приоритетной задачей. Несоблюдение требований охраны труда может привести к серьезным травмам, включая поражение электрическим током, ожоги, повреждение зрения. Все требования регламентируются соответствующими ГОСТами и Правилами по охране труда при выполнении электросварочных работ, утвержденными Приказом Минтруда России № 884н от 11.12.2020.

Основные требования и мероприятия:

1. Допуск к работе и квалификация персонала:
   • К работе на машинах контактной сварки допускаются только совершеннолетние лица, прошедшие медицинский осмотр, специальное обучение, первичный и повторные инструктажи по охране труда, стажировку, проверку знаний и имеющие соответствующую квалификацию.
2. Электробезопасность:
   • Надежное заземление: Все нетоковедущие металлические части установки (корпус машины, консоли, сборочно-сварочное приспособление, шкаф управления) должны быть надежно заземлены в соответствии с ПУЭ (Правила устройства электроустановок).
   • Низкое напряжение вторичной цепи: Напряжение холостого хода вторичной цепи сварочной машины, контактирующей с деталью, является низким и безопасным (рабочее напряжение составляет всего 4-20 В). Однако цепи управления (например, для пневмоприводов, систем контроля) должны иметь напряжение не выше 36 В для обеспечения безопасности оператора при возможном контакте.
   • Защита от первичного напряжения: Первичная обмотка трансформатора подключена к сети с напряжением 220-380 В. Должны быть предусмотрены надежные защитные кожухи, блокировки и устройства аварийного отключения для предотвращения доступа к токоведущим частям.
   • Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ): Рабочие должны быть обеспечены диэлектрическими перчатками, спецодеждой, защитной обувью и, при необходимости, защитными очками или щитками.
3. Защита от искр и брызг расплавленного металла:
   • Рабочее место должно быть оборудовано защитными шторами или откидывающимися прозрачными экранами из несгораемого материала для защиты окружающих рабочих мест от брызг расплавленного металла, искр и излучения.
   • Сами операторы должны использовать защитные маски или очки.
4. Вентиляция:
   • При сварке с выделением вредных газов или аэрозолей рабочее место должно быть оборудовано местной вытяжной вентиляцией.
5. Пожарная безопасность:
   • Необходимо наличие средств пожаротушения (огнетушители) на рабочем месте.
   • Исключить наличие легковоспламеняющихся материалов вблизи зоны сварки.
6. Эргономика рабочего места:
   • Рабочее место должно быть удобным, хорошо освещенным, обеспечивать свободный доступ к органам управления и к свариваемым деталям.

Соблюдение этих правил и норм является обязательным условием для безопасной и эффективной эксплуатации оборудования точечной сварки, особенно при работе со сложными деталями, где возможно увеличение рисков из-за особенностей оснастки или расположения рабочего места.

8. Заключение

Представленный курсовой проект «Точечная сварка глубоких корытообразных деталей» позволил провести всесторонний анализ и разработать комплексную технологическую и расчетную базу для решения сложной инженерной задачи. Мы углубились в фундаментальные аспекты контактно-точечной сварки, детально рассмотрев физическую сущность процесса и ключевые параметры режима, такие как сила тока, время и усилие сжатия, а также циклограмму сварочного цикла.

Ключевым аспектом работы стало детальное исследование и решение специфических проблем, возникающих при сварке глубоких корытообразных деталей. Мы проанализировали проблему доступа к месту сварки, обосновав необходимость применения удлиненных и изогнутых электродов, а также разработали методику расчета их рабочих диаметров. Была подробно освещена проблема шунтирования (перетока тока), представляющая серьезную угрозу для качества сварных соединений, и предложены меры противодействия. Однако наиболее значимым открытием и уникальным преимуществом данной работы стало выявление и учет критического фактора – значительного увеличения полного сопротивления вторичного контура (Z₂) из-за удлиненных элементов.

Инженерный расчет сварочного трансформатора и вторичного контура был выполнен с учетом этого повышенного Z₂. Была представлена пошаговая методика расчета активного сопротивления R, определения требуемого сварочного тока исходя из диаметра литого ядра, и, наконец, выбора типового трансформатора с адекватной номинальной мощностью. Этот интегрированный подход гарантирует, что выбранное оборудование будет способно обеспечить стабильный и качественный процесс сварки даже в условиях повышенных электрических сопротивлений.

В материаловедческой части были обоснованы требования к свариваемости низкоуглеродистых сталей и выбору термостойких сплавов для электродов, таких как хромисто-циркониевая бронза БрХЦр, что критически важно для обеспечения долговечности и стабильности работы удлиненных электродов.

Одним из центральных практических решений стала разработка концепции сборочно-сварочного приспособления (ССП) с поворотным кондуктором. Это инновационное решение, напрямую направленное на преодоление проблемы доступа, позволяет точно базировать глубокую деталь и последовательно подводить все точки сварки к рабочему полю электродов, существенно повышая производительность и качество.

Наконец, были рассмотрены технико-экономические показатели, включая расчет технологической себестоимости, и детально изложены требования охраны труда и техники безопасности в соответствии с действующими российскими ГОСТами и Приказами Минтруда.

Таким образом, выполненный курсовой проект не только подтверждает технологическую реализуемость точечной сварки глубоких корытообразных деталей, но и предоставляет комплексную инженерную базу, включающую расчеты трансформатора с учетом повышенного Z₂, выбор оптимальных режимов и разработку специализированной оснастки. Эта работа может служить прочным фундаментом для дальнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на автоматизацию процесса и адаптацию технологии к еще более сложным геометрическим формам и материалам.

Список использованной литературы

1. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б. Д. Орлова. М.: Машиностроение, 1986. 351 с.
2. Справочник сварщика / Под ред. В. В. Степанова. М.: Машиностроение, 1982. 560 с.
3. Фофанов А. А., Милютин В. С. Контактная сварка. Метод. указ. для курсового проекта. Екатеринбург: УПИ, 1992. 36 с.
4. Сорокин В. Г., Волосникова А. В., Вяткин С. А. и др. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. В. Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
5. Циклограмма процесса точечной сварки // Студопедия. URL: https://studopedia.ru/9_23207_tsiklogramma-protsessa-tochechnoy-svarki.html (дата обращения: 07.10.2025).
6. Сборочно-сварочные приспособления // Репозиторий Самарского университета. URL: https://ssau.ru/files/education/uchebno_metodicheskie_kompleksi/158564/2.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
7. Расчет сварочного трансформатора: Золотой серединой здесь может быть мощность трансформатора, достаточная для работы наиболее ходовым трехмиллиметровым электродом, с выходным током 120-130А // Tool-Land. URL: https://tool-land.ru/raschet-svarochnogo-transformatora.php (дата обращения: 07.10.2025).
8. Бакалаврская работа // Репозиторий Тольяттинского государственного университета. URL: https://repo.tltsu.ru/sites/default/files/2018-05/1.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
9. Расчет себестоимости по технико-экономическим факторам // КонсультантПлюс. URL: https://www.consultant.ru/cons/cgi/online.cgi?req=doc&base=QUEST&n=220914#Yf1X38T2jQdJ0kX61 (дата обращения: 07.10.2025).
10. Технология контактной сварки // Белорусско-Российский университет. URL: https://bru.by/attachments/article/4331/UMK_5-44-01-01_150202_K_svar.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
11. Проектирование и расчет сборочно-сварочной оснастки и конструкций. URL: https://www.vstu.ru/upload/iblock/d76/Metodicheskie_ukazaniya_Proektirovanie_i_raschet_SSO_i_konstruktsiy.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
12. Марки стали для сварки // VT-Metall. URL: https://vt-metall.ru/marki-stali-dlya-svarki/ (дата обращения: 07.10.2025).
13. Группы свариваемости сталей // Альфа Арс Метизы. URL: https://alfa-industry.ru/svarivaemost-stali-klassifikaciya-gruppy-svarivaemosti-stalej/ (дата обращения: 07.10.2025).
14. Точечная контактная сварка. URL: https://websvarka.ru/files/doc/lab_rab_1.pdf (дата обращения: 07.10.2025).
15. Охрана труда при контактной сварке // ЗНАК-Комплект. URL: https://znakcomplect.ru/blog/ot-pri-kontaktnoj-svarke/ (дата обращения: 07.10.2025).
16. Дефекты контактной (точечной) сварки и как их избежать // Hugong. URL: https://hugongweld.ru/knowledge/defekty-kontaktnoy-tochechnoy-svarki-i-kak-ikh-izbezhat/ (дата обращения: 07.10.2025).
17. Расчет активного сопротивления вторичного контура машин контактной сварки. URL: https://k-svarka.com/raschet/raschet-aktivnogo-soprotivleniya-vtorichnogo-kontura-mashin-kontaktnoy-svarki/ (дата обращения: 07.10.2025).
18. Точечная сварка: ключевые параметры и в чем могут возникнуть сложности // Welding Zone. URL: https://welding-zone.ru/articles/tochechnaya-svarka-klyuchevye-parametry-i-v-chem-mogut-vozniknut-slozhnosti/ (дата обращения: 07.10.2025).
19. Основные технико-экономические показатели эффективности // Кит-комплект. URL: https://kit-complect.ru/osnovnye-tehniko-ekonomicheskie-pokazateli-effektivnosti-tochechnoy-svarki/ (дата обращения: 07.10.2025).
20. Об утверждении Правил по охране труда при выполнении электросварочных и газосварочных работ от 11 декабря 2020 // docs.cntd.ru. URL: https://docs.cntd.ru/document/566190479 (дата обращения: 07.10.2025).
21. Требования охраны труда при выполнении контактной сварки // КонсультантПлюс. URL: https://www.consultant.ru/document/cons_doc_LAW_372861/b53b827e16374f1784c03b12630d41e70c52a510/ (дата обращения: 07.10.2025).
22. Как работать точечной сваркой? // ВсеИнструменты.ру. URL: https://www.vseinstrumenti.ru/statya/kak-rabotat-tochechnoj-svarkoj-885/ (дата обращения: 07.10.2025).
23. Некоторые особенности контактной сварки // Астринсплав СК. URL: https://assk.ru/articles/nekotorye-osobennosti-kontaktnoy-svarki (дата обращения: 07.10.2025).
24. ГОСТ 15878-79. Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры // docs.cntd.ru. URL: https://docs.cntd.ru/document/gost-15878-79 (дата обращения: 07.10.2025).
25. Диаметр ядра и усилие в контактной точечной сварке: технология // Иннер Инжиниринг. URL: https://inner.su/poleznye-stati/diametr-yadra-i-usilie-v-kontaktnoi-tochechnoi-svarke-tehnologiya (дата обращения: 07.10.2025).
26. Сварочные приспособления // Энгельсский Технологический Институт. URL: https://sstu.ru/files/faculties/tekhnolog/kafedry/oit/metod_ukazaniya/svarochnye_prisposobleniya.pdf (дата обращения: 07.10.2025).