Типы и размеры рельефных соединений

Рельефную сварку можно определить как разновидность контактной сварки, при которой необходимая плотность тока в месте будущего сварного соединения создается не рабочей поверхностью электрода, а соответствующей формой свариваемых изделий. Эта форма изделия создается искусственно путем получения местных  выступов (рельефов) различной формы или является естественной в связи с конструктивными особенностями соединения.

При рельефной сварке соединяемые детали свариваются одновременно в одной или нескольких точках или по всей площади соприкосновения, определяемых специальными выступами (рельефами), предварительно изготовленными в одной из детали, или конфигурацией свариваемых деталей в месте сварки. После включения сварочного тока в месте сварки создается высокая концентрация тока, и металл быстро нагревается. Это способствует интенсивному развитию пластических деформаций. При рельефной сварке сварное соединение формируется с образованием литого ядра или в твердой фазе. Высокое качество последнего определяется значительными пластическими деформациями.

При этом способе сварки, как правило, увеличивается производительность процесса, если за один ход машины образуется несколько сварных соединений или одно соединение большой площади. В некоторых случаях применение этого способа позволяет улучшить внешний вид сварного соединения, расширить область применения сварки, заменить менее экономичные способы сварки плавлением и увеличить стойкость электродов.

Рельефную сварку обычно применяют для соединения стальных деталей.

Рельефную сварку классифицируют по форме и способу изготовления рельефов, а также форме соединения (рис. 3). Наиболее широко распространена рельефная сварка нахлесточных соединений из листовых сталей с рельефами различной формы, полученными холодной штамповкой. Обычно применяют круглый рельеф (рис. 3, а), обеспечивающий наибольшую жесткость, необходимую для восприятия сварочных усилий при нагреве. Нагрев и последующее формирование литого ядра точки в таком соединении происходят равномерно от периферии к центру. Инструмент для таких рельефов проще изготовлять и восстанавливать при ремонте.

Рис. 3. Классификация основных способов рельефной сварки

Для увеличения площади сварки, когда нельзя увеличить число круглых рельефов или при ограниченных размерах нахлестки, применяют рельефы продолговатой формы (рис. 3, б). В некоторых случаях для соединения штампованных деталей из листовой стали применяют кольцевой рельеф (рис. 3, в). Такое соединение обладает большей прочностью и герметичностью. На рис. 3, г показаны рельефы, полученные путем частичного среза кромки листа.  Их изготовление возможно на более простой оснастке. Прочность таких сварных соединений обычно невысока и их применяют редко.

При изготовлении крепежа рельефы могут быть получены путем холодной высадки (см. рис. 4, д—з). Такие рельефы не имеют лунки и лучше воспринимают усилия сжатия при сварке. Возможно образование высаженных рельефов без лунки и на листе (рис. 3, и) при применении местного контактного нагрева или при изготовлении малогабаритных деталей холодной высадкой. Они целесообразны при сварке деталей малых толщин и деталей из более пластичных металлов и сплавов.

Особую группу составляют рельефы острой гранью, применяемые для герметичных соединений. Это разновидность большой группы Т-образных соединений. Рельеф кольцевой формы в подобном соединении образуется между одной из внутренних кромок отверстия и наружной плоскостью изделия, расположенной под углом к оси отверстия (рис. 3, к—н).

Другую группу Т-образных соединений, широко применяемых в практике, представляют изделия, в которых одна из деталей торцовой поверхностью приваривается к развитой поверхности другой детали. Если одна из деталей представляет собой стержень, то их сварка происходит по всей поверхности торца. Необходимый рельеф может быть получен на конце стержня или в привариваемой плоскости (рис. 3, о, п). Такое же соединение может быть получено между трубой и плоскостью или между трубами, а также между листами, рельефы в которых расположены на торце листа или выштампованы в плоскости изделия (рис. 3, р).

Распространенной разновидностью рельефной сварки являются крестообразные соединения проволок и стержней (рис. 3, - с). Иногда их относят к точечным соединениям. Рельеф в этом соединении образуется естественной формой самих изделий. Аналогичное соединение можно получить и из труб. Иногда для получения большей жесткости в месте сварки одну из труб или обе деформируют перед сваркой (рис. 3, у). Условно к этому типу можно отнести соединение круглого стержня с плоским листом (рис. 3, т).

Своеобразными рельефами могут быть вставки-концентраторы, помещенные между свариваемыми деталями в нахлесточных (рис. 3, ф, х) и Т-образных соединениях. Это целесообразно при сварке деталей большой толщины и в случаях, когда образование рельефов штамповкой или высадкой затруднено. Вставка может легировать место сварки.

Прочность точки обычно определяется диаметром ее литого ядра d, глубиной проплавления и механическими свойствами металла в зоне сварки. Диаметр литого ядра считается основным параметром, его указывают в таблицах или определяют по эмпирическим формулам. В дополнение к этому иногда приводится разрушающее усилие на срез Fср, приходящееся на точку. При сварке пакета из разных толщин диаметр литого ядра определяется тонким листом. Для данного случая согласно ГОСТ 15878—70 диаметр точки принимают равным 1—1,25 диаметра, рекомендованного для деталей меньшей толщины.

В литературе нет достаточно обоснованных расчетов размеров литого ядра с точки зрения получения оптимальной прочности и плотности соединения. Для расчетных сварных соединений конструкций из низкоуглеродистой и низколегированной стали ГОСТ 15878—70 устанавливает основные размеры литого ядра точки и другие размеры сварного соединения. В практике расчетные соединения встречаются редко, поэтому эти размеры устанавливают по отраслевым или заводским руководящим техническим материалам. Во всех этих материалах рекомендуемые размеры близки друг к другу. Затруднения в расчетах обычно возникают из-за сложности выявления реальных усилий, действующих на сварное соединение. Поэтому показатели механической прочности устанавливают на основе опытных данных или комплекса испытаний как элементарных образцов, так и реальных конструкций.

В производственных инструкциях по сварке диаметр литого ядра точки указан с определенным допуском. Иногда этот допуск ограничивает максимальный размер литого ядра. В некоторых технических условиях ограничивают только его минимальные размеры. Принято указывать размеры литого ядра вне зависимости от марки свариваемого материала, хотя это не всегда правильно, особенно для тех материалов, которые существенно изменяют свои механические свойства в месте сварки.

При производстве ряда изделий (например, в автомобилестроении) иногда применяют точки с уменьшенным диаметром литого ядра, если они располагаются в стесненных местах. При этом соответственно снижаются и требования к их прочности.

Рядом исследований установлено, что в определенных пределах прочность рабочих точек соединения при переменной нагрузке не зависит от диаметра литого ядра. Разрушение соединения от усталости происходит в околошовной зоне, там, где сконцентрированы наибольшие напряжения. Шаг между точками в основном зависит от толщины металла и его электропроводности, так как это определяет степень шунтирования тока. Шаг составляет (12—20) б. В таблицах обычно указан минимальный шаг между точками сварки, при котором еще возможно получение литого ядра заданного размера при возросшем токе шунтирования.

Место расположения точки должно иметь достаточную площадь для возможного отклонения в ее размещении, вызванного неточностью сборки и сварки. Последнее зависит от опыта сварщика или точности наладки сварочного оборудования. Точечная сварка по разметке или шаблонам применяется реже, так как существенно снижается производительность. С точки зрения экономии металла размеры нахлестки и фланцев должны быть минимальными. Они зависят от толщины металла и составляют (7—16) δ. Размеры фланцев, нахлестки и шаг между точками, приведенные в различных источниках, различны и рекомендуются для конкретных режимов. При определении этих величин необходимо учитывать технологию сварки конкретного изделия и применяемое оборудование.