На поверхности одной или обеих свариваемых заготовок заранее выштамповываются выступы (рельефы) круглой, кольцевой, продолговатой или другой формы. Затем детали зажимаются между электродами, обычно имеющими форму плиты, с приложением к ним усилия Fсв, и включается сварочный ток.
Рисунок. Схема рельефной сварки
Металл выступа начинает интенсивно нагреваться и постепенно деформируется. На определенной стадии в месте контакта заготовок образуется зона расплавления как при точечной сварке. По мере протекания сварочного тока возрастает объем зоны расплавления, а металл выступа, деформируясь, выходит на наружную поверхность заготовки. После выключения тока расплав охлаждается и кристаллизуется с образованием ядра, окруженного уплотняющим пояском пластически деформированного металла, по которому соединение сформировалось без расплавления.
Электроды имеют длительный срок службы из-за большой контактной поверхности и концентрации тока и давления в рельефах свариваемых деталей.
Рисунок. Образование соединения при рельефной сварке
Одним из преимуществ рельефной сварки является высокая производительность. За один ход сварочной машины производится до нескольких десятков сварных точек, количество которых определяется числом предварительно выштампованных выступов-рельефов. Для получения качественного соединения требуется точная штамповка и плотное прилегание собранных деталей по всем выступам. Другое преимущество — малый износ электродов по сравнению с той же точечной контактной сваркой, так как для рельефной сварки используются электроды с большей площадью контактной поверхности, что обеспечивает перенос концентраций сварочного тока и давления в области рельефных выступов.
Главный недостаток рельефной сварки — потребление большой мощности, требуемой для сваривания деталей.
При правильно выбранном режиме сварки в результате теплового расширения металла в зоне соединения между деталями образуется некоторый зазор, препятствующий их случайному соприкосновению и появлению дополнительных (помимо рельефа) путей прохождения тока через детали. По мере протекания тока зона расплавления увеличивается в объеме, металл рельефа интенсивно деформируется и выходит на наружную поверхность детали (остается лишь небольшая кольцевая канавка). Когда зона расплавления достигнет необходимых размеров, сварочный ток выключают, металл охлаждается и кристаллизуется; при этом образуется литое ядро. Как и при точечной сварке, литое ядро окружает плотный поясок металла, по которому соединение произошло без расплавления.
Рельефную сварку можно определить как вид контактной сварки, при которой детали соединяются, но поверхности их касания, ограниченной искусственными или естественными выступами (рельефами). При рельефной сварке в отличие от точечной положение контакта между деталями определяется положением рельефов или формой самих участков деталей, подлежащих сварке, а не положением сварочных электродов. Форма и площадь контакта между деталями, распределение тока и тепловыделение в них также в значительной степени определяются формой и размерами рельефов или свариваемых поверхностей.
Существует много разновидностей рельефной сварки. Наиболее распространенной является сварка листовых соединений внахлестку, осуществляемая с помощью рельефов различной конфигурации. Чаще всего применяют сферические рельефы, с помощью которых образуются соединения, имеющие в плане круглую форму. Сварку осуществляют по одному или по нескольким рельефам одновременно.
Для получения соединений вытянутой формы применяют продолговатые рельефы. Их применение особенно целесообразно при сварке деталей с малой шириной нахлестки. Во многих случаях для соединения деталей используют кольцевые и прямоугольные рельефы, позволяющие получать не только прочные, но и прочноплотные (герметичные) соединения. Сварку по кольцевым и прямоугольным рельефам применяют обычно при необходимости герметизации небольшого объема, расположенного между двумя деталями.
Другой широко распространенной разновидностью рельефной сварки является Т-образная сварка или сварка втавр. При Т-образной сварке одна из деталей приваривается своей торцовой поверхностью к поверхности другой детали. Таким образом можно приваривать стержни, листы, трубы, а также сваривать трубы или стержни друг с другом. На привариваемых торцах деталей механической обработкой или высадкой изготавливают компактные или кольцевые рельефы. Разновидностью Т-образной сварки можно считать также приварку стержней и труб боковой поверхностью к плоскости листа.
Третьей весьма распространенной разновидностью рельефной сварки является сварка крестообразных соединений из стержней, труб и проволок или сварка вкрест. Рельеф в этом случае образуется естественной формой самих свариваемых участков деталей. В литературе этот процесс нередко относят к точечной сварке. Такую классификацию нельзя признать правильной, так как расположение, форма и площадь контакта между деталями при сварке вкрест определяются не сварочными электродами, что характерно для точечной сварки, а формой поверхности самих свариваемых деталей.
Рельефная сварка всегда сопровождается значительной пластической деформацией свариваемого металла и, следовательно, протекает в условиях, способствующих формированию надежных соединений в твердой фазе. Однако не во всех случаях рельефной сварки детали образуют нахлестку, необходимую для формирования литого ядра. Поэтому по условиям образования соединения все разновидности рельефной сварки можно разбить на две группы.
К первой группе относится сварка нахлесточных соединений, осуществляемая с помощью компактных (сферических) рельефов. Сварное соединение в этом случае образуется при всестороннем сжатии нагреваемого металла, что делает возможным формирование литой зоны. Аналогичные условия имеют место при точечной сварке, отчего рельефную сварку нахлесточных соединений нередко рассматривают как разновидность точечной.
Ко второй группе относятся такие разновидности рельефной сварки, как Т-образная сварка и сварка вкрест. Здесь условия образования соединения иные: всестороннее сжатие нагреваемого сварочным током металла отсутствует, и литое ядро обычно не формируется — сварка происходит в твердой фазе. По характеру образования сварного соединения эти разновидности рельефной сварки близки к стыковой сварке сопротивлением.
При сварке нахлесточных соединений с применением вытянутых и кольцевых рельефов получить литую зону большей частью не удается. Соединение в этом случае также формируется в результате сварки в твердом состоянии.
Рельефная сварка применяется в автомобилестроении для крепления кронштейнов к листовым деталям (например, для крепления скоб к капоту автомобиля, для крепления петель для навески дверей к кабине); для соединения крепежных деталей - болтов, гаек и шпилек. В радиоэлектронике применяется для присоединения проволоки к тонким деталям.
Рельефную сварку с успехом также применяют для соединения деталей из низкоуглеродистой, углеродистой, низколегированной и легированной сталей. Металлургические процессы, протекающие при рельефной, точечной и других видах контактной сварки этих сталей в основном аналогичны. В связи с отрицательным влиянием на качество соединений низкой жесткости рельефов рельефную сварку значительно реже применяют для соединения деталей из алюминиевых, медных и других сплавов, обладающих повышенными пластическими свойствами.
Однако рельефная сварка может применяться и там, где точечная или другие виды контактной сварки вообще невозможны. Это относится ко всем разновидностям рельефной Т-образной сварки. Т-образная сварка обычно заменяет дуговую сварку, клепку, пайку и другие малопроизводительные и трудоемкие процессы. Экономическая эффективность рельефной сварки взамен перечисленных операций может быть особенно значительной.
Вместе с тем, применение рельефной сварки требует во многих случаях ряда дополнительных расходов и прежде всего расходов, связанных с изготовлением рельефов. Для их снижения штамповка (высадка) рельефов должна по возможности совмещаться со штамповкой (высадкой) изделия в целом. Стоимость электродной и другой технологической оснастки и приспособлений при рельефной сварке обычно так же выше, чем при точечной. Поэтому наибольший экономический эффект рельефная сварка дает при массовом производстве однотипных деталей.
