Сварка шин - Контактная сварка  разнородных металлов

Контактную сварку стали с алюминием производят на переоборудованных машинах типа МСГА-500 или на специально выпускаемых промышленностью машинах МС-3201. На этих машинах можно сваривать сталь сечением до 24000 мм² с алюминием до 8000 мм². В настоящее время такую сварку выполняют для соединения стальных стержней 115X 230 мм с пакетом алюминиевых лент 60 (130X1) мм в ошиновках электролизеров алюминия. Сварку производят методом непрерывного оплавления с ударной осадкой.
B конце оплавления (происходит автоматическое отключение тока и включение пневмогидравлической системы осадки, которая производится со скоростью 250 мм/с. Во время сварки происходит выплавление как алюминия, так и стали.
Сварной шов не должен иметь грата и наплывов толщиной более 2 мм, трещин, надрывов и свищей. Несоосность между свариваемыми деталями не должна превышать 1 м-м.
Испытания сварных соединений показали их высокие механические и электрические свойства. Предел прочности при испытаниях на растяжение составляет 60— 80 МПа. Разрушение происходит по алюминию в зоне термического влияния. Сварное соединение не должно нагреваться свыше 300°С, так как при более высоких температурах происходит рост хрупкой составляющей и соединение теряет прочность.
Эксплуатация сварных соединений стали с алюминием показала их полную надежность и стабильность переходного электрического сопротивления.

Рис. 36. Сварное соединение стального стержня с пакетом алюминиевых лент в катодных блоках электролизеров алюминия.
При сварке алюминиевых пакетов лент со стальными стержнями каждое сотое соединение подвергают испытанию на изгиб на угол 90° в ту и другую сторону от оси соединения. Сварные соединения стального стержня с пакетом алюминиевых лент показаны на рис. 36.
Сварка меди с алюминием. Сварные соединения меди с алюминием могут выполняться: контактной сваркой с ударной осадкой, сваркой трением и холодной сваркой (сварка давлением). Непосредственная дуговая сварка меди с алюминием угольным или металлическим электродом невозможна. При такой сварке образуется хрупкая составляющая (СuАl2), наличие которой вызывает разрушение соединения от легкого удара.
Для обеспечения доброкачественного соединения необходимо применять такие методы сварки, при которых из зоны шва будет удалена хрупкая составляющая или в результате сварки интерметаллический слой (слой, в котором имеются оба соединяемых металла) настолько мал, что не снижает механической прочности соединения.
Контактная сварка. Контактную сварку меди с алюминием производят методом непрерывного оплавления с последующей ударной осадкой. Для сварки применяют переоборудованные машины типов МСМ-150 и МСМУ-150. Основным узлом машин является привод осадки, который обеспечивает скорость осадки 150 мм/с. Наличие осадки позволяет при соблюдении прочих режимов сварки выдавливать из зоны шва значительную часть хрупкой составляющей, образующейся при оплавлении. На переоборудованной машине изготовляют медноалюминиевые пластины размером от 3x25 до 10 х 120 мм, которые на монтаже приваривают алюминиевой частью к алюминиевой шине, а медную присоединяют на болтах к контактным выводам аппаратов или приваривают к медной или стальной части токопровода. При нагреве стыка примерно до 300°С в шве медь — алюминий начинает расти хрупкая составляющая, резко ухудшающая пластические свойства соединения.
Режимы сварки пластин типа МА приведены в табл. 23.

Таблица 23
Режимы контактной сварки медно-алюминиевых пластин

* Установочная длина медных пластин 33 мм. ** В знаменателе указаны ступени трансформатора в машинах, выпущенных заводом „Электрик* до 19x1 г., где число ступеней трансформатора равно восьми.
При сварке пластин 10X100 и 10x120 мм, необходимо напряжение в сети 380—415 В. Для получения такого напряжения применяют вольтодобавочный трансформатор, который включают последовательно с первичной обмоткой трансформатора сварочной машины, предварительно приварив к виткам вторичной обмотки несколько выводов.
Готовые медно-алюминиевые пластины должны подвергаться наружному осмотру. Шов не должен иметь грата, трещин, надрывов, свищей и наплывов алюминия на медь. Поверхность пластин должна быть ровной — без вмятин, трещин, заусенцев и отслаивания металла. Допускается несоосность пластин после сварки, не превышающая 0,5 мм. Пластины должны выдерживать загиб на 15° в обе стороны от плоскости пластины с последующим выравниванием. Заводы Главэлектромонтажа и Укрглавэлектромонтажа Минмонтажспецстроя изготовляют медно-алюминиевые пластины по ГОСТ 19357-74 типа МА размером 4 X40, 6 X 50; 8.Х60; 8X80; 10X100 и 10Х X120 мм.

Сварка трением.

Рис. 37. Сварка трением медного стержня с алюминием. I — губка машины; 1 —стальная кольцевая оправка; 3 — алюминиевый стержень: 4 — медный стержень.
Сварку трением выполняют на машине МСТ-31. Перед сваркой медный стержень нагревают до 600—700°С с выдержкой 30 мин затем охлаждают в воде.
Торцы стержней зачищают проволочной щеткой. Алюминиевый и медный стержни устанавливают в стальные разъемные губки машины, и кроме того, на алюминиевый стержень надевают кольцевую оправку с диаметром отверстия на 1—1,5 мм больше диаметра стержня.
Особенностью установки является необходимость расположения торцов стержней внутри кольцевой оправки (рис. 37).
Благодаря незначительной толщине хрупкой составляющей— 2,5—3 мкм в образцах диаметром 30 мм и 1 мкм в образцах диаметром 10 и 20 мм сварное соединение является достаточно пластичным (обеспечивается загиб на угол 180°).
Сварной стык не допускает нагрев свыше 275°С. Только с превышением этой температуры начинается интенсивная диффузия меди в алюминий, которая приводит к росту хрупкой составляющей и разрушению соединения.

Холодная сварка. Соединение шин встык.

Соединение алюминиевых шин с медными может осуществляться между собой встык без нагрева на основе совместной пластической деформации соединяемых металлов под действием механических сил, приложенных к зажатым зажимами соединяемым шинам.
Медные шины по состоянию поставки должны применяться марки МГМ (мягкой) по ГОСТ 434-71. При необходимости соединения медных шин марки МГТ (твердой) концы соединяемых шин должны быть предварительно отожжены при температуре 700±20°С в течение 30 мин с последующим охлаждением в воде. После отжига концы медных шин подвергают травлению по следующей технологии.

Вначале производят химическое обезжиривание в ванне, содержащей соду кальцинированную или соду каустическую 30—40 г/л и вспомогательные вещества ОП-7 по ГОСТ 8433-57 30—40 г/л. Обезжиривание производят при температуре 60—800,С в течение 60—120 с, Затем концы шин промывают сначала горячей водой при температуре 70—90RC в течение 60—120 с, затем холодной проточной водой в течение 30—60 с. После промывки концы шин травят в футерованной винипластом ванне, содержащей азотную кислоту с удельным весом 1,4—-1 л. соляную кислоту удельным весом >1,84 - 2 л и едкий натр 10 г/л. Травление производят при температуре 18—23°С в течение б—15 с.
После травления концы шин промывают холодной проточной водой в течение 30—60 с и сушат в теплом воздухе при температуре 60—80°С. Алюминиевые шины должны применяться марок АДО; АД1; АД2 по ГОСТ 15176-70. Холодная сварка шин из алюминиевых сплавов других марок из-за меньшей пластичности не обеспечивает доброкачественной сварки. Перед сваркой торцы алюминиевых шин очищают от грязи и жировой смазки, обезжиривают растворителем и зачищают. Для этой цели применяют стальную проволочную щетку диаметром около 200 мм с проволоками диаметром 0.2— 0,4 мм. Частота вращения щетки 1300—3000 об/мин. Зачищенные торцы шин не должны загрязняться. К ним запрещается дотрагиваться руками, так как даже незначительная жировая пленка не обеспечит получения доброкачественного сварного соединения.

Рис. 38. Схема стыковой холодной сварки шин.
а — губки с зажатыми шинами до сварки; б — губки с зажатыми шинами после сварки; Р3 — направление усилия зажатия; Р0 — направление усилия осадки; б — толщина шины; I — вылет шины; U — зазор между зажимами после сварки (0,5% от С); 1 — зажим; 2 — шина; 3— сварочный шов.
Для холодной сварки шин применяют специальные машины типа МХСА-50 для шин шириной до 60 мм. Подготовлена к серийному выпуску машина типа МХСА-120 для шин шириной 120 мм. Машины укомплектованы специальными резаками, обеспечивающими обрезку торцов шин перпендикулярно к их оси. Холодная сварка шин может производиться также на гидравлических прессах, укомплектованных специальными губками, обеспечивающими достаточное зажатие. Зажимные губки должны быть из стали 40Х по ГОСТ 4543-61 и иметь нарезку пли насечку глубиной 0,15—0,3 мм.
Твердость после закалки должна быть 48-52, заостренные торцы губок после закалки должны быть отшлифованы. Перед сваркой шины надежно зажимают в зажимах. Усилие зажатия должно быть не менее 0,4— 0,5 усилия осадки для алюминиевых шин и около 0,8 для медных. После выполнения сварки между зажимами должен оставаться зазор, равный примерно 5% толщины шины (рис. 38).
При сварке медных шин с алюминиевыми толщина медной шины должна быть равна или превышать толщину алюминиевой.
Рекомендуются следующие отношения длины вылета к толщине шины:
Для медных шин толщиной:
до 5 мм                 1,3
свыше 5 мм                    1,0
Для алюминиевых шин толщиной:
до 5 мм                 1,0
свыше 5мм            0,8

Надежное сварное соединение обеспечивается в том случае, если удельное осадочное давление будет 1500 МПа при толщине шины до 5 мм и 1350 МПа при толщине шины свыше 5 мм.
Основным методом контроля является проверка правильности настройки, исправности оборудования и строгого соблюдения технологического режима.
Как было указано выше, доброкачественная холодная сварка обеспечивается чистотой свариваемых торцов шин (отсутствие загрязнения, жировых и окисных пленок). Это в равной степени относится и к обеспечению чистоты поверхности резаков и зажимных губок, которые перед выполнением сварки должны быть очищены от грязи и следов жировых смазок путем промывки растворителем (бензин, ацетон, уайт-спирит) и просушены.
Последующий нагрев сварного соединения медь — алюминий до температуры свыше 275°С не допускается.
При изготовлении методом холодной сварки переходных медно-алюминиевых пластин для последующей приварки алюминиевой части к алюминиевой шине, а медной части — к медной шине длина как медной, так и алюминиевой частей должна быть не меньше длины, приведенной в табл. 24. Только в этом случае температура в сварном шве не превысит критической.
Таблица 24 Минимальные длины медной и алюминиевой частей при холодной сварке медно-алюминиевых пластин

Основным преимуществом холодной сварки давлением является повышенная механическая прочность по сравнению с любыми другими видами сварки, так как при этом способе нет отжига металла.

Оконцевание алюминиевых шин медными накладками.

Одним из способов повышения стабильности контактного соединения при присоединении алюминиевых шин к медным выводам аппаратов является армирование их медными накладками (пластинами) холодной сваркой. Производится армирование алюминиевых шин марок АДО, АД1, АД2, имеющих твердость по Бринеллю, не превышающую 250—269 МПа, толщиной от 2 мм и шириной не менее 20 мм.
Для накладок применяют медь марки МГМ по ГОСТ 434-71. Медь марки МГТ также может быть применена для армирования, но ее предварительно отжигают и протравливают. Указания по отжигу и травлению приведены выше. Армирование может производиться с одной или с обеих сторон шины. При двустороннем армировании выступы пуансонов должны располагаться соосно один против другого (отклонение от оси не должно превышать 0,2 мм).

Рис. 39. Примеры расположения сварных точек на алюминиевых шинах, армированных медными накладками холодной сваркой.
Холодную сварку производят в нескольких точках. Количество точек и их расположение принимают в зависимости от величины армированной площади, расположения, размеров и количества отверстий под болты; при этом учитывают, что от края каждой сварочной точки до края шины должно быть не менее 2,5 мм, а до края отверстия не менее 1,5 мм. Одна сварная точка должна приходится не более чем на 4 см² армируемой площади, включая и площадь отверстий для болтов.
Общее количество точек должно быть не менее двух.

Примеры расположения сварных точек на алюминиевых шинах, армированных медными накладками, приведены на рис. 39.
Перед сваркой алюминиевые шины в месте армирования и медные накладки очищают от грязи и жировых пленок растворителем, а соприкасающиеся поверхности, кроме того, зачищают от пленок окиси стальной вращающейся щеткой. При применении луженых медных накладок перед армированием их очищают только от грязи и жировых пленок растворителем.
Подготовленные медные накладки прихватывают в двух точках к армируемой алюминиевой шине специальными пуансонами (рис. 40,а). Высоту рабочего выступа пуансона h принимают в зависимости от толщины накладки и шины по табл. 25. Рекомендуемые размеры выступа основных пуансонов приведены на рис. 40,6. Высоту выступов h принимают также но табл. 25, длину l — в пределах от 6 до 10 мм. Приваривают накладки к алюминиевым шинам во всех точках одновременно за один ход пресса. Прихватку производят на прессе с усилием не менее 8000 Н. Точки прихватки являются вспомогательными и при определении количества сварных точек не учитываются.  

Рис. 40. Пуансоны для холодной сварки медных накладок с алюминиевой шиной.
а — для предварительной прихватки; б — для основной сварки: h — высота выступа; I — длина выступа.
При сварке применяют предварительное зажатие соединяемых деталей, давление при этом создают около 1,5 МПа, а давление в конечной момент сварки составляет не менее 100 МПа армируемой площади. Отверстия под болты выполняют после армирования алюминиевых шин медными накладками. После выполнения армирования ни анодирование, ни гальваническое покрытие, а также нагревание армированных соединений выше температуры 275°С не допускается.
Для армирования алюминиевых шин медяными накладками применяются специальные штампы. К размерам рабочего окна штампа (рис. 41,6) предъявляются следующие требования. Высота Н должна быть на 0,5 мм меньше суммарной толщины свариваемых деталей с учетом нижних отклонений допусков на их толщину, установленных стандартами на материал.
Таблица 25
Высота выступа пуансона в зависимости от толщины шины и накладки

Ширина В должна быть равна ширине армируемых шин с учетом верхних отклонений допусков на их толщину, установленных стандартами на матери ал. Боковые стенки окна делаются гладкими искошенными под углом 4—6° для того, чтобы армированные детали легко извлекались из штампа.
В качестве механизма для армирования алюминиевых шин могут применяться обычные гидравлические прессы со специальными штампами. Примерная конструкция штампа с предварительным обжатием приведена на рис. 41,о. Для этой же цели пригодны выпускаемые промышленностью машины типа МХСА-50 для шин шириной до 60 мм. Использование эксцентриковых прессов для армирования не допускается.
Пуансоны изготовляют из сталей 40Х; У8, У10 и др. Твердость после закалки  48-52. Рабочие выступы пуансонов после закалки отшлифовывают. Основным методом контроля качества сварки является контроль за строгим соблюдением всех требований технологического регламента.

Рис. 41. Штамп для армирования алюминиевых шин медными накладками.
а — схема штампа с предварительным обжатием; б —рабочей окно штампа; В — ширина окна: И — высота окна.