XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Точечная сварка - перспективная технология монтажа электротехнических компонентов.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Точечная сварка - перспективная технология монтажа электротехнических компонентов.
Введение.
Прогресс никогда не стоит на месте. Конкурентная борьба производителей в области промышленных технологий постоянно ставит перед наукой все новые и новые задачи, выдвигает новые требования. То, что вчера казалось передовой технологией, сегодня стало производством, а завтра уже устареет и заменится другими технологиями. Это относится и к сварочному оборудованию. Сваркой металла называется технологический процесс создания неразъемного соединения деталей посредством образования прочной межатомной связи. Возникновение такой устойчивой связи может происходить вследствие разных физических процессов. Еще в конце 40-х и начале 50-х годов были проведены теоретические и экспериментальные исследования по сварке импульсом энергии, так называемая точечная сварка (МВТУ им. Н. Э. Баумана). Особенно большое развитие получила точечная сварка особо тонких деталей и определённых сплавов металлов. Несмотря на то, что применение дуговой сварки, в настоящее время, занимает первое место в промышленном производстве, в развитых странах доля металла, наплавленного ручной дуговой сваркой, сократилась почти в 3 раза и составляет 20-30%. Больше половины валового национального продукта промышленно развитых стран создается при помощи сварки и родственных технологий. Дуговая сварка, в основном, применяется при проведении монтажных работ в строительных отраслях. В технологических производствах неуклонно растет доля точечной сварки, поскольку в мировой практике в последнее время начали широко применять инверторные источники питания, которые имеют большие возможности для автоматического управления сварочными процессами. Контактная сварка (точечная сварка) — один из наиболее распространенных и быстро развивающихся видов получения неразъемных соединений самых разнообразных конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений. В настоящее время около 40% всех сварных соединений выполняется с помощью контактной сварки. По степени механизации и автоматизации контактная сварка занимает первое место среди других видов сварки. Точечная сварка— единственный вид технологического процесса контактной сварки, доступный в домашних и лабораторных условиях. Технология процесса предусматривает размещение свариваемых деталей между электродами. Затем происходит нагревание поверхности, вследствие прохождения сварочного тока, и последующая пластическая деформация. Ручная точечная сварка отличается высокой экономичностью и прочностью образующихся швов. Контактную сварку производят при ремонте бытовой техники, разработке и ремонте определённого лабораторного оборудования, создании радиотехнических устройств и источников питания малогабаритной аппаратуры. Исходя из этого, очевидной становится актуальность применения данной технологии в лабораторных условиях. Можно ли освоить данную технологию и разработать технологическое оборудование для точечной сварки в условиях лаборатории лицея. Именно эта цель поставлена в рамках данной проектной работы.
Цель и задачи работы.
Целью данной работы является разработка и изготовление универсального малогабаритного аппарата точечной сварки для монтажа электротехнических компонентов с возможностью работы в ручном и полуавтоматическом режиме. Цель работы предполагала решение следующих задач:
- изучение доступных литературных и интернет – источников по теоретическим основам процесса точечной сварки металлов, особенностям и устройству технологического оборудования, предназначенному для осуществления данного процесса;
- на основе изученного теоретического материала разработка схемотехники собственной модели технологического оборудования для точечной сварки в ручном и полуавтоматическом режиме;
- реализация схемотехнического решения в готовую рабочую модель аппарата для точечной сварки;
- исследование рабочих возможностей изготовленного образца и определение оптимальных режимов работы на изготовленном оборудовании.
Теоретические основы контактной точечной сварки [1 - 3].
Контактная сварка известна со второй половины прошлого века. В 1856 году известный английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые предложил и применил стыковую сварку. В 1877 году Элиу Томсон (США) запатентовал стыковую сварку сопротивлением. Несколько позже, в 1887 году, русский изобретатель H. Н. Бенардос запатентовал точечную и шовную сварку. Стыковая сварка оплавлением была разработана в 1903 году. Широкое использование контактной сварки в России началось в 30-х годах двадцатого века в период индустриализации страны. Электрическая контактная сварка - один из видов сварки металлов. Она основана на нагреве и пластической деформации свариваемых деталей из металла в месте их контакта. Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причём максимальное количество теплоты выделяется непосредственно в месте сварочного контакта (Приложение лист I, рис. 1). Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля-Ленца:
Q = I2 R t
где Q — количество теплоты, выделяемое в сварочном контуре, Дж;
I - сварочный ток, А;
R - полное электросопротивление сварочного контура, Ом;
t - время протекания тока, с.
Полное электросопротивление сварочного контура (R) состоит из электросопротивления выступающих концов (L) свариваемых заготовок (Rзаг.), сварочного контакта (Rк.) и электросопротивления между электродами и заготовками (Rэл.),
R = Rзаг. + Rк. + Rэл.
Электросопротивление (Rк.) имеет наибольшее значение, так как из-за неровностей поверхности стыка даже после тщательной обработки заготовки соприкасаются только в отдельных точках. В связи с этим действительное сечение металла, через которое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверхности металла имеются плёнки оксидов и загрязнения с малой электропроводностью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопластичного состояния. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок пластичный металл в местах контакта деформируется, поверхностные оксидные плёнки разрушаются и удаляются к периферии стыка. В соприкосновение приходят совершенно чистые слои металла, образующие сварное соединение. Таким образом, с физической точки зрения, соединение при контактной сварке образуется за счёт сил межатомного взаимодействия. По электрическим параметрам, контактная сварка протекает при малых напряжениях (единицы вольт) и больших токах (десятки и даже сотни Ампер). Точечная сварка — наиболее распространенный способ, на долю которого приходится около 70% всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используют в автомобилестроении, вагоностроении, авиастроении, строительстве, радиоэлектронике. Диапазон свариваемых толщин — от нескольких микрометров до 30 мм. Свариваемые детали соединяются внахлёст. Точечной сваркой можно сваривать листовые заготовки чёрных металлов одинаковой и разной толщины, а также из цветных металлов и их сплавов. При двусторонней сварке (Приложение лист I, рис. 2) две или более заготовок сжимают между электродами. При односторонней сварке (Приложение лист I, рис. 3) ток распределяется между верхним и нижним листами, причём нагрев осуществляется только частью тока, протекающей через нижний лист.
Схемотехника аппаратов точечной сварки [4 - 5].
Схемотехнику аппаратов точечной сварки (как, впрочем, и любой сварки) можно разделить на два типа: инверторные аппараты и трансформаторные. Традиционный сварочный аппарат – трансформаторного типа. Он способен преобразовать силу тока, повысив в несколько раз — до тысяч ампер. Трансформатор предназначен для разных видов сварки и считается более универсальным. При этом он имеет ряд недостатков. Главный недостаток трансформатора – нестабильность дуги, которая зависит от колебаний напряжения сети. С помощью переменного тока, выдаваемого трансформатором, сделать качественный шов очень непросто. Поэтому применяют дополнительное оборудование – выпрямитель, который имеет немалый вес и электронные схемы управления сварочным током (Приложение лист II, рис. 4). В отличие от трансформатора инвертор, вырабатывающий постоянный ток, не зависит от входного напряжения, обеспечивая устойчивую дугу. При этом, чем больше частота напряжения, тем меньше габариты аппарата. То есть, инвертор дает нам следующие преимущества:
- компактность и небольшой вес;
- низкая энергоемкость;
- регулировка силы тока;
- чистота и качество сварного шва.
Сварочный инвертор состоит: из выпрямителя, преобразователя, трансформатора, а также — выходного выпрямителя и управляющей схемы. При работе инвертора, ток попадает в первичный выпрямитель, где превращается в постоянный того же напряжения, что и в сети – 220 вольт. В инверторном блоке ток снова становится переменным, но уже с другой частотой – в несколько десятков кГц. Для этого служат схема преобразования на высокочастотных транзисторах или тиристорах. Ток высокой частоты попадает на трансформатор, который понижает напряжение, но повышает силу тока. Кроме того, трансформатор уменьшает потери тока (КПД около 90%) и обеспечивает стабильную подачу напряжения. Вторичный выпрямитель снова преобразует переменный ток в постоянный. И далее ток попадает уже на электрод. Важнейший элемент — управляющий блок на основе микропроцессоров. Основной элемент блока — микросхема ШИМ-контроллера. Координируя работу всех узлов аппарата, блок обеспечивает стабильность напряжения на выходе. В частности, переменный резистор в схеме блока регулирует силу тока сварки (Приложение лист II, рис. 5).
Изготовление аппарата точечной сварки [6 - 7]
Самодельный сварочный аппарат для точечной сварки можно сделать в домашних условиях своими силами. Наиболее простой вариант, это изготовление аппарата по трансформаторной схеме. Основные компоненты: сварочный трансформатор, полупроводниковый тиристор и реле времени. Электроды изготавливаются из меди с примесью хрома и цинка, реже применяются сварочные стержни, созданные на основе бронзы и вольфрама. Диаметр точек соединения должен быть в 2-3 раза больше, чем толщина детали соединения.
1. Расчёт трансформатора для точечной сварки [6 - 7]
При расчете трансформатора для самодельного сварочного аппарата, который работает по принципу точечной сварки, необходимо учитывать специфику подобных устройств. Форма сердечника сварочных трансформаторов бывает тороидального, стержневого или броневого типа (Приложение лист III, рис. 6). Стержневые имеют более высокий КПД и превосходящие плотности тока в обмотке, и чаще используются при сварочных работах. По виду устройства обмоток трансформаторы делятся на цилиндрический или дисковый тип обмотки. Каждый из перечисленных методов имеет свои плюсы и недостатки. Для проведения расчета сварочного трансформатора необходимо знать такие показатели:
- напряжение в первичной и вторичной обмотках (U1 и U2);
- сила тока (I);
- площадь сечения сердечника (Sc) и площадь его окна (S0);
- плотность тока внутри обмотки (А\мм).
Первым делом просчитывается мощность самого трансформатора:
P = к*Sc*So, кВт;
Проводится вычисление максимальной силы тока:
Imax = P/U, А;
Далее вычисляется количество витков:
Wх =Uх*K, где К - количество витков на 1В - К=к/ Sc
В конце вычисляется оптимальное сечение проводов обмотки путем деления показателя максимальной силы тока на его плотность.
2. Трансформатор.
Наиболее простым вариантом изготовления трансформатора для настольного аппарата точечной сварки, является применение готового трансформатора питания магнетрона микроволновых печей (Приложение лист III, рис. 7). Первым достоинством является его известная мощность, вторым – качественный магнитопровод, третьим – необходимо рассчитать только вторичную обмотку, поскольку первичная уже присутствует в составе трансформатора. Таким образом, упрощается изготовление центрального узла аппарата. Мощность трансформатора составляет 0,8 кВт. Показателей трансформатора хватит для точечной сварки стальных листов в 0,7 – 0,8 мм. Повышающая обмотка трансформатора была извлечена из окна сердечника. В качестве вторичной обмотки использовали медную шину, обмотанную тканевой изоляцией 100 мм². Вторичная обмотка составляет шесть витков, с расчётом получения рабочего напряжения 4-5 вольт при достижении рабочего тока в импульсе до 700 - 800А (Приложение лист III, рис. 8).
3. Микропроцессорная система управления
В качестве управляющего элемента применена микропроцессорная система управления первичной обмоткой трансформатора с помощью мощного симистора (BTA 41) (Приложение лист IV, рис. 9). Управляющие и индикаторные функции:
- индикатор включения аппарата;
- индикатор рабочего режима аппарата;
- значение напряжения;
- значение рабочего импульса;
- значение задержки.
Питание микропроцессорного блока осуществляется через отдельный маломощный трансформатор (12В.). Через него запитан и вентилятор охлаждения рабочего трансформатора. Управление включением рабочего режима блока осуществляется кнопкой (в нашем случае предусмотрена ножная педаль). Общее включение прибора осуществляется выключателем питания. Микропроцессорная система управления обеспечивает работу аппарата в полуавтоматическом режиме.
4. Устройство сварочных электродов [6 - 7].
Для решения вопроса многофункциональности аппарата электродная система выполнена в двух вариантах: стационарная (настольная) и ручная. Стационарная (настольная) система представляет собой кронштейн, закреплённый на рабочем столе с помощью резьбовых шпилек. Регулировочными гайками можно регулировать высоту кронштейна над поверхностью рабочего стола. Держатель электродов изготовлен с использованием резьбовых стоек и латунных зажимов электродов. Латунный зажим имеет резьбовое отверстие для винта соединительных кабелей и зажимную прорезь с винтом для крепления электрода. Электродом является отрезок медной проволоки сечением от 2 до 7 мм (Приложение лист IV, рис. 10 - 11). Ручная система представляет собой два держателя соединённые вместе стяжной пластиной. Головка держателя выполнена из трубки с зажимным винтом. В отверстие трубки вставляется отрезок медной проволоки, и зажимается винтом. Подводящие кабели присоединяются к держателю обжимом и проходят внутри ручек держателя (Приложение лист IV, рис. 12).
5. Сборка аппарата.
Вся конструкция аппарата размещена в стандартном корпусе блока питания от компьютера. От блока питания используется охлаждающий вентилятор и колодки подключения питания. Трансформаторы закреплены винтами к нижней пластине корпуса. Клеммы подключения электродов выведены на переднюю панель. Панель микропроцессорного управления размещена на верхней крышке корпуса. Схема размещения основных элементов аппарата точечной сварки в корпусе и электрическая блок – схема аппарата, размещены в приложении (Лист V, рис. 13 – 14). Фотографии монтажа основных элементов аппарата приведены в приложении (Лист VI, рис. 15).
Режимы работы аппарата точечной сварки.
К особенностям контактной точечной сварки можно отнести: малое время сварки (от 0,1 до нескольких секунд), большой сварочный ток (порой превышающий 1000А), малое напряжение в сварочной цепи (1-10В, обычно 2-3В), значительное усилие сжимающее место сварки (от нескольких десятков до сотен кг.), небольшая зона расплавления, размеры и форма рабочих поверхностей электродов. Точечную сварку чаще всего применяют для соединения листовых металлов внахлестку. Диапазон толщин металлов при точечной сварке составляет от нескольких микрометров до 5-6 мм. Различают жесткий и мягкий режимы сварки. Первый характеризуется большим током, малой продолжительностью токового импульса (0,08-0,5 секунд в зависимости от толщины металла) и большой силой сжатия электродов. Его применяют для сварки медных и алюминиевых сплавов, обладающих большой теплопроводностью. При мягком режиме производится более плавный нагрев свариваемых заготовок относительно небольшим током. Продолжительность сварочного импульса составляет от десятых долей до нескольких секунд. Мягкие режимы показаны для сталей, склонных к закалке. В домашних условиях, в основном используют мягкий режим, поскольку мощность аппаратов относительно низкая (циклограмма, отражающая процесс сварки представлена в приложении (Лист VII, рис. 16)). Весь процесс точечной сварки, по циклограмме, можно условно разделить на 3 этапа:
- сжатие/прижатие деталей, вызывающее пластическую деформацию микронеровностей;
- включение импульса электрического тока, приводящего к нагреву металла, его расплавлению в зоне соединения и образованию жидкого ядра. Происходит образование связей в жидкой фазе металла. Сжатие/прижатие деталей обеспечивает образование уплотняющего пояса вокруг расплавленного ядра, который препятствует выплеску металла из зоны сварки;
- выключение тока, охлаждение и кристаллизация металла, заканчивающаяся образованием литого ядра. При охлаждении объем металла уменьшается, и возникают остаточные напряжения, что является вредным явлением. Усилие прижима электродов снимается с некоторой задержкой после отключения тока. Это обеспечивает необходимые условия для лучшей кристаллизации металла. В некоторых случаях в заключительной стадии контактной точечной сварки рекомендуется даже увеличивать усилие прижима. Оно обеспечивает продавливание металла, устраняющее неоднородности шва и снимающее напряжения.
Под временем сварки (tСВ) понимают продолжительность импульса тока при выполнении одной сварной точки. Вместе с силой тока, оно определяет количество теплоты, которое выделяется в зоне соединения при прохождении через нее электрического тока. При увеличении (tСВ) повышается проплавление деталей и растут размеры ядра расплавленного металла, но необходимо учитывать возможность прожига металла. По экспериментальным данным время сварочного импульса должно составлять от 10 до 60 мс. Этого времени хватает чтобы перегреть, например - привариваемую никелевую пластину между электродами, к аккумулятору. Ток при этом составляет 460 А., напряжение на вторичной обмотке трансформатора 3,4 В. При увеличении времени импульса возможно прожигание аккумулятора. При непрерывной работе сердечник у сварочного трансформатора нагревается. Примерно за 4 минуты его температура достигнет 50 - 60 0С. Длительность и мощность импульсов нужно подбирать таким образом, чтобы свариваемые места имели как можно меньше перегрев. Он проявляется в цветах побежалости вокруг точек сварки. Этот показатель характеризует частичное выгорание металла, что приводит к ослаблению прочностных характеристик соединения. Идеальная сварка выглядит так. Тут нет перегрева, точки белые, лента отрывается от тела аккумулятора с кусками. Исходя из экспериментов можно сформулировать некоторые правила сварки на разработанном аппарате:
- металл в месте соприкосновения с электродами представляет току наибольшее сопротивление и потому место будет сильно нагреваться. Наша задача разогреть металл до такой степени, чтобы создалось так называемое сварочное ядро. Нагрев в этом процессе должен происходить не под самими электродами, а между свариваемыми деталями. Сварные ядра при этом необходимо делать как можно быстрей, очень мощным и коротким импульсом. Если греть место сварки медленно, тепло будет рассеиваться;
- концы электродов должны быть сферическими, а не острыми. Чем острей электрод, тем меньше его площадь контакта с металлом, в результате при одном и том же токе сварочная точка будет разогреваться быстрей. Сварное ядро образуется настолько быстро, что это приводит к расплавлению всего металла под электродом;
- электроды при сварке нужно держать строго перпендикулярно свариваемым деталям. Они не должны входить под углом. На контакте может образоваться небольшой скос, который рано или поздно приведет к прогару из-за неравномерного протеканию тока через электроды.
Фотографии работы аппарата и некоторые, экспериментально проверенные режимы работы представлены в приложении (Лист VII – IX, рис. 17 – 19, таблица 1).
Выводы.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы:
- в ходе проектирования и изготовления аппарата точечной сварки изучены доступные литературные и интернет – источники по теоретическим основам процесса точечной сварки металлов, особенностям и устройству технологического оборудования, предназначенному для осуществления данного процесса;
- на основе изученного теоретического материала разработано схемотехническое решение собственной модели аппарата для точечной сварки в ручном и полуавтоматическом режиме;
- на основе схемотехнического решения изготовлена рабочая модель аппарата для точечной сварки;
- в ходе работы исследованы рабочие возможности изготовленного образца, определены оптимальные режимы работы на изготовленном оборудовании в процессе сваривания тонколистового металла.
Список литературы и интернет - источников
1. Губарева Э. М. , Электрическая контактная сварка, Пермский государственный технический университет, 2003 г.
2. Катаев Р. Ф., Милютин В. С.,. Близник М. Г, Теория и технология контактной сварки, Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Издательство Уральского университета, 2015 г.
3. Орлов Б. Д.,. Дмитриев Ю. В, Чакалев А. А. и др., Технология и оборудование контактной сварки / М.: Машиностроение, 1975 г.
4. Яворский Ю. Д., Лебедев В. К., Режимы точечной сварки малоуглеродистой стали, Автоматическая сварка, 1963 г., № 8.
5. https://stanok.guru/metalloobrabotka/tokarnye-raboty/tochenie/apparat-tochechnoy-svarki-svoimi-rukami.html - Аппарат точечной сварки своими руками.
6. http://met-all.org/oborudovanie/svarochnye/tochechnaya-svarka-iz-mikrovolnovki.html - Как сделать аппарат для точечной сварки из обычной микроволновки.
7. http://osvarke.net/history/perspective/ - Перспективы развития сварки и сварочных технологий
Приложение
Рис. 1. Схема контактной сварки.
(1 - заготовки; 2 - электроды; Р - усилие сжатия; RK- электросопротивление сварочного контакта, Ом;
Rзаг. - электросопротивление выступающих концов.)
Рис. 2. Схема контактной двухсторонней точечной сварки.
(I - электрод; 2 – электрический ток; 3 - ядро; 4 – свариваемый материал.)
Рис. 3. Схема односторонней многоточечной сварки
Рис. 4. Трансформаторные схемы аппаратов точечной сварки (простейшие и с электронным управлением режимами работы).
Рис. 5. Инверторная схема аппарата точечной сварки.
Рис. 6. Типы трансформаторов.
Рис. 7. Изготовление трансформатора для аппарата точечной сварки.
Рис. 8. Сварочный трансформатор.
Рис. 9. Микропроцессорная система управления сварочным трансформатором.
Рис. 11. Конструкция стационарных электродов.
Рис. 10. Держатель стационарных электродов.
Рис. 12. Ручная электродная система.
Рис. 13. Конструкция аппарата точечной сварки.
Рис. 14. Электрическая блок - схема аппарата точечной сварки.
Рис. 15. Фотографии монтажа элементов аппарата точечной сварки.
Рис. 16. Циклограмма, отражающая процесс сварки во времени.
Рис. 17. Работа на сварочном аппарате.
Рис. 18. Процесс сварки на электродах (увеличено).
Рис. 19. Качественная приварка пластины к аккумулятору.
Таблица 1. Некоторые режимы сварки металлической полосы к аккумуляторам.