Совершенствование технологии контактной сварки деталей из меди и латуни
Н.Н. Максимов1, Д. А. Ткачев2
1 МГТУ им. Н. Э. Баумана Калужский Филиал
2 МГТУ им. Н. Э. Баумана Калужский Филиал
В электротехнической промышленности при соединении различных проводников и токоведущих элементов изготовленных, обычно, из меди, латуни и других высокотеплоэлектропроводных материалов часто требуется получить неразъемные соединения. Для этого обычно используют пайку. Внедрение более эффективного способа - сварки (в частности контактной) затруднительно. Связано это с тем, что теплофизические свойства этих материалов мало отличаются от свойств электродов для контактной сварки, изготавливаемых из низколегированных бронз [1]. Типовая система легирования для таких материалов выглядит так: 1-3% никеля, хрома и других элементов. Сходная электропроводность свариваемых материалов и материалов электродов препятствует тепловыделению необходимому для формирования сварного соединения, а зачастую приводит к привариванию электрода к детали. Для повышения тепловыделения применяют высокоомные прокладки в контакте деталь - деталь, повышающие тепловыделение и (или) тепловые экраны из жаропрочных материалов или вольфрама и молибдена, снижающие теплоотвод из зоны соединения.
В КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана разработана технология контактной точечной сварки обмоток торцевых асинхронных двигателей, выполненных из тонколистовой меди, электродами с вольфрамовыми вставками. На базе физико-математической модели методом конечных разностей были рассчитаны электротепловые поля в зоне соединения. Результаты показали, что вольфрамовые вставки являются не столько тепловыми экранами, сколько источником тепла, поставляемого из тела разогретых сварочным током вставок (с наибольшей изотермой порядка 2300 оС) в менее нагретую зону соединения медных деталей с изотермой плавления 1083 оС.
Однако расширение номенклатуры свариваемых деталей и материалов потребовало коррекции разработанной технологии. Так на ОАО «КЗАЭ» требуется соединять концы медных проводов, шинных проводов состоящих из медных жил диаметром 0,1-0,2 мм с различными концевыми элементами из латуни Л63 [2].
При этом для формирования соединений используют промежуточные прокладки из никелевого сплава, которые размещают в контакте между медными проводниками и латунными деталями. Данный прием позволяет получать неразъемное соединение вследствие расплавления никелевого сплава при нагреве сварочным током в медных электродах контактной машины.
Исключить применение промежуточной вставки возможно, если использовать электроды с вольфрамовыми вставками. Но различие в теплофизических свойствах меди М1 и латуни Л63 [3] (см. табл. 1) требует применения технологических приемов, нивелирующих эти различия.
Таблица 1
Физические свойства меди М1 и латуни Л63
|
Характеристика |
Медь М1 |
Латунь Л63 |
|
|
Удельное сопротивление, мкОм•м |
0,0171 |
0,065 |
|
|
Температура плавления, оС |
1083 |
906 |
|
|
Теплопроводность, Вт/м• оС |
390 |
106 |
контактный сварка точечный обмотка
Основываясь на созданной физико-математической модели и результатах электротеплового расчета, было решено применить коррекцию плотностей тока в электродных вставках для регулирования температуры нагрева за счет изменения плотностей тока во вставках, т.е. их диаметра. Для регулирования теплоотвода и деформационных процессов применен составной электрод со стороны латунной детали. Конструкция составного электрода представляет собой вольфрамовую вставку, закрепленную в медном электроде контактной машины и втулку из стали Х18Н10Т, расположенную по внешней образующей вставки (см. рис. 1).
Со стороны медного многожильного шинного провода Ш 1,2 мм была использована вольфрамовая вставка диаметром 3 мм и длиной 5 мм, со стороны латунной детали толщиной 0,8 мм для снижения плотности тока и температуры была применена вольфрамовая вставка диаметром 4 мм с внешней втулкой из стали Х18Н10Т с наружным диаметром 7 мм.
Рисунок 1. Схема контактной сварки высокотеплоэлектропроводных материалов вольфрамовыми электродами
Применение втулки из высокоомного материала позволило снизить удельное давление в контакте электрод-латунная деталь, что способствовало выравниванию термодеформационных процессов в зоне соединения за счет нагрева меди М1 и латуни Л63 до температуры плавления в зоне их контакта. При визуальном контроле наблюдается равномерное смачивание расплавленной латунью отдельных проводников шинного провода не только в контакте деталь-деталь, но и под вольфрамовой вставкой. В то же время детали из латуни не изменили своих геометрических размеров и их деформация не превысила допустимую. Наличие смачивания латунью поверхностей проводников шинного провода, расположенных даже в контакте вставка-деталь позволяет визуально контролировать качество сварных соединений.
Применение представленной технологии дает значительный экономический эффект за счет исключения операции размещения прокладки из никелевого сплава в контакте деталь-деталь и затрат на его приобретение.
Список литературы
[1] Климов А.С., Смирнов И.В., ред. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки. Санкт-Петербург, Лань, 2011, 336 с.
[2] Гладков Э. А., Киселев О. Н., ред. Робототехнические комплексы для дуговой и контактной сварки. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009, 107 с.
[3] Марочник сталей и сплавов. Москва, 2014, 1216 с.