СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ (КТС) И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF COOLING CONTACT POINT WELDING (CPW) ELECTRODE

Изобретение относится к сварочному производству и пригодно в электродах КТС.
Известно внутреннее охлаждение передней части электрода благодаря непрерывной циркуляции хладагента по полости его хвостовика (см. ГОСТ 14111-90, стр.16).
Его недостаток: из-за удаленности зон охлаждения - дна полости и нагрева - его переднего торца у последнего температура при сварке сталей достигает до 800°С, что отрицательно сказывается на его стойкости.
Известен другой комбинированный способ охлаждения электрода, когда, кроме указанного выше способа, нагретый хладагент непрерывно отводят из полости хвостовика электрода от заднего торца по его наружным канавкам к переднему (см. Слиозберг С.К. Медные сплавы и электроды контактных сварочных машин - М.: Машиностроение, 1970, с.30).
Его недостатки: из-за локальности такого охлаждения имеет место сложное напряженно-деформированное состояния материала электрода, чем понижается его стойкость; из-за большого расхода хладагента в зоне сварки ухудшаются качество ее и санитарно-гигиенические условия работы, металл свариваемых заготовок коррозирует от его воздействия и т.д.
Известно и устройство реализации такого способа в виде держателя - трубы (далее именуемый трубой), в которой с переднего торца размещен с полым хвостовиком электрод, а с противоположного торца соединенный с ней резьбой колпак с двумя поперечными окнами под хладагент, открытыми соответственно в большую полость его и малую, в которой находится своим концом трубка, расположенная остальной частью в трубе и электроде (см. там же и стр.32, рис.10). Нагретый теплом последнего хладагент отводится по зазорам между трубой и трубкой и по наружным канавкам электрода от заднего торца к переднему торцу его, дополнительно охлаждая его.
Его недостатки: из-за наличия наружных канавок электрода с коническим хвостовиком и соответствующим гнездом под него трубы усложняется их изготовление без гарантии герметичности такого соединения; применение колпака с соответствующими полостями, поперечными окнами и резьбовой поверхностью под трубу удорожается стоимость этого устройства; из-за значительной относительной длины L/d>40 (L и d длина и наружный диаметр) трубки и искривления ее передний конец размещается с неравномерным зазором в полости хвостовика электрода и может быть прижатым к боковой поверхности этой полости, что ухудшит условия охлаждения передней части его и отрицательно скажется на стойкости; соединение - поверхность малой полости колпака и наружная поверхность заднего конца трубки - ненадежно и последняя избыточным давлением подводимого в эту полость хладагента может сместиться в осевом направлении и упереться передним концом трубки в дно полости хвостовика электрода, сведя к минимуму охлаждение его; кроме того, этим соединением невозможно обеспечить постоянство зазора между передним концом трубки и дном полости хвостовика электрода из-за допусков на эти элементы, что отрицательно сказывается на стабильности скорости циркуляции хладагента по этому зазору и, в итоге, стойкости электрода.
Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков способа охлаждения электрода КТС и устройства его реализации.
Она достигается тем, что в способе охлаждения электрода КТС путем непрерывной циркуляции хладагента по полости его хвостовика, хладагентом другого источника омывают наружную поверхность электрода, а в устройстве его реализации в передней части держателя - трубы размещается своим коническим снаружи и полым изнутри хвостовик электрода, а в задней части трубы - колпак с двумя поперечными окнами под хладагент; они открыты в его большую и малую полости, переходящие одна в другую, причем в малой полости установлена трубка, находящаяся с зазорами в нем, трубе и электроде; при этом передняя наружная поверхность трубы - усеченный конус, вершина которого располагается на переднем торце ее, а основание на боковой поверхности, которую охватывает пористый элемент, соединенный трубопроводом с емкостью с хладагентом, расположенной над электродом; выступающий из трубы электрод, кроме торца, охватывается пористым элементом; выполненный цилиндрически снаружи хвостовик уперт торцем в дно полости под него трубы и соединен с ней натягом или своей резьбой, хвостовик электрода загерметизирован по наружной поверхности уплотнительным элементом, размещенным в кольцевой канавке трубы; на боковой поверхности хвостовика образована кольцевая канавка под уплотнительный элемент, соединенная поперечными окнами с его полостью; на трубке размещена шайба с наружными и открытыми с концов продольными канавками, базирующаяся своими выступами в трубе; полость трубы в задней части выполняется глухой, которая переходит там в малую глухую полость, в каждую из которых открыто свое под хладагент поперечное окно трубы; на конце трубки размещена втулка с резьбой, которой она соединена с поверхностью малой полости трубы или колпака; на выступающем из трубы электроде образованы параллельные его торцу кольцевые канавки, боковые стенки которых наклонены в сторону его хвостовика.
Сопоставительный анализ предлагаемого от известных способа охлаждения электрода КТС и устройства его реализации отличается следующим.
В способе охлаждения электрода наружную поверхность его омывают хладагентом другого источника, а в устройстве его реализации наружная передняя поверхность держателя - трубы выполняется в виде усеченного конуса с вершиной на ее переднем торце и основанием - на боковой поверхности ее; сама боковая поверхность охватывается пористым элементом, соединенным трубопроводом с емкостью с хладагентом, расположенной над электродом; пористый элемент охватывает выступающую из трубы часть электрода, кроме торца; хвостовик электрода выполняется снаружи цилиндрическим с резьбой или без нее и соединяется с полостью трубы резьбой или натягом; торец хвостовика упирается в дно соответствующей полости трубы и хвостовик герметизируется в ней по наружной поверхности уплотнительным элементом, размещенным в кольцевой канавке трубы; на боковой цилиндрической поверхности хвостовика образуют кольцевую канавку под уплотнительный элемент и соединяют ее поперечными окнами хвостовика с его полостью; на трубке размещают шайбу с наружными продольными и открытыми с концов канавками, которая базируется своими выступами в трубе; полость в задней части трубы глухая; она переходит там в малую глухую полость, а в каждую из них открыто свое под хладагент поперечное окно трубы; на конце трубки размещают втулку с наружной резьбой, которой она соединяется с поверхностью малой полости трубы или колпака; на выступающем из трубы электроде образованы параллельные его торцу канавки, боковые стенки которых наклонены в сторону его хвостовика.
На основании изложенного следует, что предлагаемый способ охлаждения электрода КТС и устройство его реализации обладают новизной, существенными отличиями от известных решений и соответствуют критерию «изобретение».
Они поясняются чертежом, в левой части которого приведено устройство по п.1 формулы изобретения, а в правой части от вертикальной оси симметрии - устройство, в котором реализованы п.2-п.9 этой формулы.
Устройство содержит верхний подвижный электрод 1, который своим коническим снаружи и полым изнутри хвостовиком 2 размещается в полости трубы 3, а та - в токопроводящем хоботе сварочной машины, например, марки МТР-2041УХЛЧ (не показанном на чертеже). В полости электрода 1 и трубы 3 находится трубка 4 с зазорами 5, закрепленная своим концом в соединенном с трубой 3 колпаке 6 с поперечными окнами 7 и 8 под хладагент, выходящими в его большую и малую глухие полости, причем в последней размещается своим концом трубка 4. Может быть и вариант, когда у трубы 3 полость с переднего торца - глухая, переходящая в задней части в малую глухую полость 9, куда выходит поперечное окно трубы 8, а окно 7 ее открыто в зазор 5 между ней и трубкой 4 (см. правую часть чертежа).
Передняя часть трубы 3 по наружной боковой поверхности выполняется в виде усеченного конуса 10 с вершиной на ее переднем торце и основанием - на боковой поверхности. Сама труба по этой поверхности охвачена пористым элементом 11 (тканью, марлей, поролоном и др.), соединенным трубопроводом 12 с другой емкостью с хладагентом, размещенной выше электрода 1. Его торец 13 контактирует со свариваемым верхним листом 14 с образовавшейся в нем при сварке половинкой сварной точки 15 (другая половинка ее имеется у нижнего листа, не показанного на чертеже).
Полый изнутри хвостовик 2 электрода 1 может быть выполнен цилиндрическим 16 снаружи и размещаться в соответствующей полости передней части трубы 3, загерметизированной уплотнительным элементом 17, расположенным в кольцевой канавке трубы 3. Кольцевая канавка может быть выполнена и на наружной боковой поверхности цилиндрического хвостовика 16, а в ней располагается уплотнительный элемент 17, причем поперечные окна 18 хвостовика, выполненные в зоне этой канавки, выходят в его полость.
Сам цилиндрический хвостовик с наружной резьбой или без нее своим торцем упирается в дно полости, образованной в трубе 3, и соединяется с последней резьбой или натягом.
На трубке 4 размещается шайба 19 с наружными и открытыми с концов продольными канавками, которая своими выступами базируется в трубе 3.
На заднем конце трубки 4 размещается втулка 20 с наружной резьбой, которой она соединяется с поверхностью малой полости 9 трубы или колпака 6.
р
св
р
Листы 14 свариваются после размещения их на нижнем неподвижном электроде так. Электрод 1, перемещаясь сверху вниз, сжимает их усилием Р в течение времени τ, выбираемого в зависимости от марки материала и их толщины. По образованной электроцепи (электроды - листы) пропускается сварочный ток I за время τ<τ, в результате чего в листах 14 из-за большого контактного электросопротивления выделяется значительное количество тепла, расплавляющего их металл с образованием сварной точки 15, на которую действует усилие Р и после прекращения подачи тока в эту электроцепь.
Металл этой точки начинает остывать и кристаллизироваться с обеспечением надежного соединения листов в зоне сварки, а ее тепло отводится в окружном и поперечном направлениях каждого листа, подводясь и к передним торцам электродов, уровни нагрева которых сварочным током из-за малого электросопротивления значительно меньше уровней нагрева листов.
Предлагаемый способ охлаждения электрода КТС в разработанном устройстве реализуется так.
Нагретый теплом металла сварной точки 15 листа 14 электрод 1 охлаждается следующим образом: по поперечному окну 8 колпака 6 или трубы 3 хладагент из цеховой магистрали подводится в малую глухую полость первого или второй и далее по трубке 4 устремляется к дну полости хвостовика 2 электрода 1, охлаждая его и боковую поверхность ее благодаря зазорам 5 между ними и трубкой 4. Через эти поверхности охлаждается передний торец 13 электрода и прилегающая к нему боковая поверхность его.
Нагретый его теплом хладагент отводится по зазорам 5 к поперечному окну 7 колпака 6 или трубы 3, а из него (нее) сливается в емкость, где охлаждается и снова подается в цеховую магистраль.
Кроме внутреннего охлаждения, у электрода 1 имеется и наружное охлаждение. Для этого из другой емкости, находящейся выше электрода, например рядом со сварочной машиной, хладагент - вода или бинарные смеси (вода - спирт или его заменитель) подводятся самотеком по трубопроводу 12 к пористому элементу 11 трубы 3, а из него в виде пленки стекают по конической поверхности 10 трубы на выступающую часть электрода 1, охлаждая дополнительно его наружную поверхность.
В зависимости от расхода хладагент из другой емкости испаряется на электроде 1 полностью или частично, и тогда неиспарившаяся часть его стекает на лист 14 и охлаждает металл зоны около сварной точки 15.
Когда соединенные между собой листы 14 удалят из зоны сварки, то хладагент смочит и охладит передний торец 13 электрода 1, отведенного в исходное положение, чем также повышается его стойкость.
При очередном перемещении электрода 1 в положение сварки с его переднего торца 13 хладагент попадет на лист 14 и при сжатии свариваемых листов усилием Р частично вытеснится из зоны контакта электрода 1 с листом 14, оставаясь при этом в углублениях их микронеровностей и способствуя повышению электропроводности при пропускании сварочного тока по образовавшейся электроцепи с последующим испарением его там, чем сократится время сварки.
Если на электроде 1 выполнены параллельные торцу кольцевые канавки 21 с наклонными в сторону хвостовика боковыми стенками, то стекающий из пористого элемента 11 хладагент задерживается в этих канавках благодаря таким стенкам, где он нагревается, закипает и испаряется, охлаждая электрод 1 и его переднюю часть как самую нагретую. Параллельность этих канавок 21 переднему торцу 13 электрода необходима для его эффективного охлаждения, когда он наклонен относительно вертикальной оси симметрии, чем задерживается и испаряется хладагент в этих канавках.
Не исключен и вариант, когда пористый элемент 11 охватывает всю выступающую из трубы часть электрода 1, кроме переднего торца 13, повышая эффективность охлаждения последнего вследствие замедленного стекания по нему хладагента к этому торцу.
Для уменьшения материалоемкости и трудоемкости электрода 1 его хвостовик 2 по наружной поверхности выполняется цилиндрическим с резьбой или без нее с упором задним торцем в дно полости трубы под него. Труба и электрод в этом случае соединяются между собой резьбовыми поверхностями или посадкой с натягом.
В этом случае герметичность устройства обеспечивается уплотнительным элементом 17, размещенным в кольцевых канавках трубы 3 или хвостовика 2 электрода 1, причем канавка хвостовика 2 соединяется поперечными окнами 18 с его полостью, чем обеспечивается подвод хладагента к этому элементу 17 для исключения его перегрева, когда нагрев хвостовика электрода при сварке значителен. Если нагревается только передняя часть электрода, то кольцевая канавка и эти окна хвостовику не требуются, и тогда уплотнительный элемент 17 целесообразнее размещать в кольцевой канавке трубы 3, и электрод 1 будет технологичнее.
Для устранения перекоса в трубе 3 и полости хвостовика 2 электрода 1 трубки 4 на ней размещается шайба 19 с продольными и открытыми с концов канавками на наружной поверхности, базирующаяся своими выступами в передней части трубы 3.
Зазор 5 между дном полости хвостовика 2 электрода 1 и передним концом трубки 4 регулируется ее резьбовой втулкой 20, которая вворачивается или выворачивается из малой полости 9 трубы 3 или колпака 6.
Выполнением трубы 3 с глухими малой 9 и большой полостями в ее задней части устраняется колпак 6, чем упрощается конструкция устройства охлаждения и повышается его надежность (нет резьбового соединения труба-колпак, требующего также герметизации для исключения течи хладагента) и технологичность благодаря использованию только одной детали - трубы 3.
Конической по наружной поверхности передней частью 10 трубы 3 обеспечивается безотрывное стекание хладагента из пористого элемента 11 на электрод 1, когда он не охвачен им.
Кроме того, этим решением увеличивается срок службы электрода, когда свариваются основания П-образных деталей с листами, когда передний торец цилиндрической по всей длине трубы после нескольких зачисток электрода будет упираться в вершину такой детали (коническая поверхность трубы позволяет и дальше использовать электрод после предельного износа его).
Если электрод 1 охвачен пористым элементом 11, то передняя часть трубы может быть и цилиндрической по наружной поверхности, т.к. этот элемент его контактирует с пористым элементом 11 трубы 3, обеспечивая безотрывное течение хладагента сверху вниз к переднему торцу 13 электрода 1.
n
св
Оценим эффективность внутреннего охлаждения электрода из бронзы БрХ с коэффициентом теплопроводности λ=198 Вт/м·°С, задавшись начальной 20°С и конечной осредненной температурой в 800°С стального листа толщиной в 1 мм в сварной точке; у электрода, диаметр его торца ⌀6 мм, осевая толщина стенки Δ=30 мм; продолжительность сварки τ=2 с, ее цикл - 4 с.
Количество тепла Q, выделившегося при сварке и аккумулированного двумя листами, равно
-3
где с - удельная теплоемкость стали; m=0,44·10 кг - масса металла сварной точки, образованной верхним и нижним листами.
Допуская охлаждение этой точки до 150°С после сварки, количество тепла, аккумулированного электродом за сварку, равно
Плотность q теплового потока, отведенного через торец электрода, равна
ц
С учетом непрерывности жидкостного охлаждения электрода и после сварки осредненная по циклу τ плотность q' теплового потока равна
Для отвода тепла от переднего торца электрода к дну полости его хвостовика, по которой циркулирует непрерывно хладагент, между этими поверхностями должен быть перепад температур
m
Следовательно, уровень нагрева t торца электрода к началу следующего цикла равен
m
л
t=t+Δt=263°С.
Приведенное свидетельствует, что при сварке уровень нагрева торца электрода колеблется от 263°С до 800°С при образовании сварной точки между соединяемыми листами протекающим током по электроцепи электрод - листы - электрод.
При использовании предлагаемого способа наружного охлаждения электрода стекающий из пористого элемента трубы хладагент - вода сначала нагревается теплом электрода до 100°С, а затем закипает и испаряется, оставаясь нагретым до этой температуры. При этом максимальная температура наружной поверхности электрода не более 120-125°С.
Таким образом, предлагаемым способом охлаждения электрода КТС уменьшается его уровень нагрева более чем в 2 раза, что способствует увеличению его стойкости в 1,5 раза, а устройством его реализации уменьшаются материалоемкость и трудоемкость электрода и держателя - трубы, гарантируется центрирование трубки благодаря шайбе, закрепленной на ней и базирующейся своими выступами в трубе, исключается течь хладагента из соединения хвостовик электрода - труба благодаря герметизации их сопрягаемых поверхностей уплотнительным элементом, обеспечивается требуемый зазор между дном полости хвостовика электрода и передним концом трубки благодаря резьбовой втулке на ее противоположном конце, а наружными кольцевыми канавками электрода или его пористым элементом повышается эффективность охлаждения его передней части.