Специфика контактно-стыковой сварки ленточных пил и ножей

Сварка ленточных пил является одной из узких и в тоже время распространенной областью применения контактной стыковой сварки как сопротивлением так и оплавлением. 

Основная специфика этой технологии:

• практически все материалы ленточных пил относятся к трудно свариваемым;
• ленточное полотно или нож с точки зрения контактной стыковой сварки является деталью развитого сечения;
• предельные нагрузки на сварочный шов при эксплуатации ленточной пилы;
• влияние точности соблюдения геометрии ленточной пилы в области сварного шва на характер и уровень нагрузки при работе.

Различный принцип сварки и соответственно нагрева зоны деформации и будущего стыкового соединения - оплавлением или сопротивлением вносит ограничения на применение того или другого метода контактной стыковой сварки для определенного вида ленточных пил.

Оборудование для сварки сопротивлением конструктивно проще чем для стыковой сварки оплавлением и соответственно дешевле, однако применение сварки сопротивлением для ленточных пил имеет значительные ограничения. Начнем с подготовительных операций — отрезка полотна. При обрезке полотна из бухты в размер возможно появление заусенцев и деформации кромки полотна. Понятно, что для резки более толстого полотна настройка, да и сама гильотина должна быть несколько другой, – ножи должны меняться вовремя и рез должен быть строго перпендикулярен и не иметь деформации и заусенцев. На практике соблюсти все это возможно, но делается далеко не всегда. Стыковая сварка ленточных полотен сопротивлением на порядок чувствительнее к таким дефектам заготовительных операций.

Большее влияние на результат сварки оказывает состояние контактной поверхности электродов и поверхности прижимных сегментов, а также настройка их положения. Если при сварке ленточных пил оплавлением неточная настройка или незначительный износ контактных поверхностей электродов аппарата в первую очередь оказывают влияние на процесс последующей термообработки (отжига) сваренного полотна, – то при сварке сопротивлением эти небольшие дефекты подготовки оборудования к работе могут оказывать фатальное влияние на качество сварки.

Материал полотна ленточной пилы, его состав и состояние как правило не разглашаются производителями. В большинстве случаев подбирать режимы стыковой сварки приходиться исходя из ориентировочных данных о настройках для похожей группы материалов. При сварке сопротивлением большое значение оказывает соотношение продольной устойчивости полотна и степени разупрочнения его материала при нагреве. Казалось бы – чем более легировано полотно, тем оно жестче и устойчивее и легче должен происходить процесс сварки. Практика говорит что нет – требуется и большее вторичное напряжение трансформатора и опережающее устойчивость увеличение усилия осадки. Кроме того, при сварке биметаллических пил иногда не удается полностью выдавить образующуюся в стыке жидкую фазу. После сварки образуются зоны с крупным зерном в стыке. Часто никакая термообработка не может исправить такой дефект и качество сварного шва – то есть его прочностные и усталостные характеристики оказываются на "3 с минусом" по 5 балльной шкале. Сваренная пила работоспособна, но ресурс работы полотна ленточной пилы в зоне стыка оказывается ниже чем ресурс работы режущей части до полного износа.

Сварка ленточных пил сопротивлением как дешевый и простой метод сварки вполне пригоден для сварки большинства ленточных полотен по дереву небольшой ширины (до 50 мм), эпизодической сварки более широких полотен по дереву и биметаллических пил по металлу малой ширины. Ограничение по сварке биметаллических полотен вызвано еще и тем, что резка такого полотна неизбежно ведет к ускоренному местному износу ножей гильотины — а такой износ оставляет заусенцы и зоны деформации на отрезаемой кромке полотна, что является полностью недопустимым дефектом при сварке ленточных пил сопротивлением.

Сварка ленточных полотен оплавлением лишена большей части этих недостатков, однако требования к подготовке полотен под сварку и к состоянию поверхностей электродов тоже остаются высокими. В этом процессе есть другая тонкость — это соблюдение правильного шага или последовательности зуба полотна при потере металла по длине. Если при сварке пил по дереву со стандартным шагом 22 мм и стандартным профилем это решается достаточно просто (рекомендуется при подрезке полотна в размер рассчитывать расположение шва в нижней части спинки зуба). Не рекомендуется располагать шов во впадине — это ведет к уменьшению полезного сечения шва и снижению его несущей способности, – а так же поднимать шов близко к вершинке зуба. Во втором случае возникает неполный прогрев части шва, располагающегося ближе к вершинке зуба, что может вызывать неполную осадку всего полотна. а при износе оборудования и искривление полотна по спинке в зоне сварки. Категорически не следует располагать шов на участке от впадины к передней кромке зуба. При работе полотна этот участок ленточной пилы наиболее нагружен.

При расположении сварного шва на пилах по металлу, которые в большинстве имеют переменный шаг, необходимо помимо вырезки не кратной части зубьев расположить шов в месте расположения зубьев с меньшим шагом (особенно важно для сварки полотен с крупным зубом). Этим достигается более широкий шов, его большая площадь и лучшие прочностные характеристики. Кроме того, те зубья, которые попадают под зону оплавления и осадки должны быть вырезаны перед сваркой до сечения предполагаемого места шва. Оставленные зубья часто мешают нормальному протеканию процесса, при этом они недостаточно прогреваются и ведут к деформации при осадке полотна «в плане» со стороны зуба. Категорически нельзя при сварке полотен с крупным шагом располагать шов «где попало». В этом случае меняется свариваемого сечение и о какой либо точности в соблюдении режима сварки говорить бессмысленно.

Следует обратить внимание при настройке машины контактной сварки ленточных полотен и на форму профиля спинки самого полотна. Дело в том что часть полотен выпускается намеренно с серповидной спинкой, а на части полотен это является браком. Так или иначе после сварки профиль по спинке полотна в зоне сварки не должен отличаться. Если полотна имеют искривление по спинке — используйте кусок свариваемого полотна для настройки положения упоров на аппарате сварки ленточных полотен. Особо много неприятностей такие искривления доставляют на аппаратах для сварки ленточных пил сопротивлением.

Почему? – Да потому что процесс очень чувствителен к перпендикулярности кромок реза. 

Косвенными критериями правильно подобранного режима сварки являются:

• непрерывный и ровный процесс оплавление от начала и до осадки. Если дать слишком много напряжения и тока, то процесс оплавления может прерываться ввиду того что выгорание материала идет быстрее чем сближение концов свариваемого полотна. Внешне по остальным признакам (вид шва, количество и характер выхода грата после стыковой сварки) этого можно не заметить, однако это ведет к неустойчивости и слабой повторяемости результатов сварки. Если оплавление прекратилось за долю секунды перед осадкой — то в шве будут включения литой структуры и возможно окислы со всеми вытекающими последствиями. Все таки процессы стыковой контактной сварки это не методы сварки плавлением так же как при сварке полуавтоматом или электродом. В последних образуется сварочная ванна и шов формируется после ее кристаллизации. При контактной стыковой сварке шов должен формироваться в «твердой фазе». Расплав на торцах соединяемых деталей служит лишь для последующего выдавливания при осадке вместе с загрязнениями и введения в соприкосновение подогретых и чистых на атомарном уровне поверхностей заготовок. 
• расплав должен быть выдавлен а подстилающая поверхность деформирована! Именно на это необходимо в первую очередь обращать внимание при осмотре сварного шва. На полотнах это очень хорошо видно со стороны спинки а так же при зачистке шва от грата. Если грат есть а следов деформации поверхности спинка в прилегающей к выходящему грату зоне (десятые доли миллиметра) нет — режим подобран неверно. 
• другая крайность — завышенное усилие осадки. В этом случае, обычно со стороны зуба возникает местная потеря устойчивости полотна и сдвиг в плане поверхности полотна свариваемых частей одной относительно другой. Такой же дефект может возникать и при сварке полотен на правильно подобранном режиме при износе гильотины и электродов, неправильной настройкой прижимных узлов аппарата для сварки ленточных пил. 

Качество поверхностей и геометрии электродов при стыковой сварке ленточных пил и ножей имеет очень большое влияние на результат. Чем чище тем лучше? – И да и нет. Отшлифованная до зеркального блеска поверхность электрода аппарата для сварки пил начинает очень быстро загрязняться частичками металла с поверхности свариваемого полотна. Аппараты сварки ленточных пил конструктивно не приспособлены к отслеживанию и автоматической коррекции параметров режима и сварочного тока в частности. Загрязнение поверхности электродов аппарата для сварки ленточных пил ведет к снижению сварочного тока – поэтому зеркальная поверхность не является лучшим решением. Да, такая поверхность обеспечивает наилучший контакт и наименьшее переходное сопротивление – но как надолго? Для 3 или 5 или 15 полотен. Дальше величина переходного сопротивления значительно меняется и режим сварки « плывет».

Материал электродов для аппаратов сварки ленточных пил
Твердость материала играют большую роль в ресурсе электродов. С другой стороны электроды аппарата для сварки ленточных пил должны быть электропроводными. Медь — нет не годиться слишком мягкая, возьмем какую нибудь бронзу — она в нагартованном (наклепанном состоянии) достаточно прочна и обладает хорошей электропроводностью и удовлетворительной обрабатываемостью при изготовлении электрода. Такой вариант материала тоже годен ограничено, несмотря на то что в машинах стыковой контактной сварки для прутков имеет полное право на применение. Почему? – да потому что есть материал — железистая бронза. Свариваемые полотна - это в основном железо, которое под воздействием больших токов и локального нагрева достаточно быстро начинает дрейфовать в поверхность электрода аппарата для сварки пил изменяя свойства его проводимости и переходное сопротивление. Режим сварки опять «плывет». Уже после 25-30 сварок на таких электродах начальный режим сварки (для новых электродов) оказывается некорректным для последующей работы. Л67 обладает достаточной электропроводностью и твердостью, но недостаточно хорошо обрабатывается резанием. Есть еще так называемая автоматная латунь. Это свинцовистая латунь (латунь легированная свинцом). Она содержит 57-75% меди, 0,3-0,8% свинца, остальное - цинк. Отлично обрабатывается резанием, нагартовывается и вообще является достаточно распространенным материалом, однако ее применение для электродов тоже имеет свои минусы – свинец и цинк дрейфуют на поверхность и так же изменяют переходное сопротивление. Это случается не так быстро как при использовании близких по составу к меди бронз, но тем не менее выводит электрод аппарата сварки пил из строя гораздо быстрее механического износа поверхности.

При использовании сложных содержащих хром бронз подавляется дрейф химических элементов при локальном нагреве в тонком поверхностном слое и схватывание поверхностей. Такой электрод без значительного изменения параметров переходного сопротивления может выдержать и до 600 сварок. Обычно за это время электрод получает множественные местные повреждения и начинается завал поверхности ближе к зоне стыковки полотен. Метод восстановления - шлифовка поверхностей электродов аппаратов для сварки пил (обязательно в парах). И еще раз напомним, что шлифовка до зеркального блеска дает отрицательный результат в большинстве случаев. Помимо изменчивости переходного сопротивления электрод – пила при загрязнении поверхности свариваемого полотна или электрода маслами возможно проскальзывание свариваемой пилы по электродам при осадке. Поверхность электрода аппарата для сварки пил не должна содержать грубых рисок, в то же время – поверхность электродов для аппаратов сварки пил полученная после нормального качества обработки на фрезерном станке вполне удовлетворяет требованиям по шероховатости.

Термообработка или отжига зоны стыка 
Температуры отжига полотен различны — от 420-450 °С для низколегированных полотен по дереву, до 630-650 °С и даже выше для легированных биметаллический пил по металлу. Производители температуру отжига если и дают то очень приблизительно — и вот почему:

• отжиг сваренных ленточных полотен не является самостоятельным процессом а значительно зависит от режима сварки; 
• время перестройки структуры металла напрямую зависит от температуры — больше температура отжига – короче время. Но в это время сечение должно равномерно прогреться. При использовании визуального или не автоматизированного пирометрического контроля температуры отжига точно воспроизвести процесс невозможно. Поэтому разумно пользоваться отжигом на более низких температурах и с большим времен процесса. При использовании программного отжига с пирометрическим контролем температуры можно увеличить температуру отжига на 20-30 °С и сократить его продолжительность;
• ступенчатый отжиг с первичным прогревом и выдержкой для выравнивания температуры по сечению и быстрым нагревом до повышенной температуры с последующим управляемым охлаждением является наиболее быстрым, универсальным и точным;
• если режим сварки неустойчив и швы получаются разные по внешнему виду не стоит и начинать заниматься настройкой и подбором режима термообработки — сначала добейтесь стабильной сварки;
• не спешите освобождать прижимы после сварки, особенно на машинах с ручным приводом прижимов – дайте полотну остыть на электродах. Время нахождения ленточной пилы в губках непосредственно после сварки тоже влияет на образование закалочных структур в шве. Если освобождать полотно без паузы (сразу после сварки), условия для остывания полотна и зоны шва будут разные, что повлечет разную закалку зоны шва. Режим отжига при этом может оказаться некорректен для части полотен. Не спешите — после сварки сосчитайте до 5 — полотно равномерно остынет. Затем спокойно освобождайте прижимы;
• некоторые сварщики «берегут электроды» – то есть вынимают пилу после сварки из аппарата и чистят поверхности электродов. Этого по возможности делать не следует — закаленная зона достаточно хрупка и чем меньше манипуляций с ней и чем быстрее будет проведен отпуск — тем меньше вероятности образования трещин в зоне шва. Обдуйте сжатым воздухом прижимы и электроды (сосчитав до 5) освободите полотно, вторично обдуйте электроды и зафиксируйте сваренную пилу в позиции отжига. Чем более легировано полотно ленточной пилы — тем важнее вышесказанное;
• бытует мнение, что обдув электродов и прижимов аппаратов при сварке ленточных пил сжатым воздухом ведет к ускоренному износу шариковых линейных направляющих подвижной губки. Во первых они находятся достаточно далеко от зоны сварки, во вторых линейные подшипники закрыты сальниками – в аппарате нормального качества и конструкции такая операция на ресурс направляющих существенного влияния не оказывает.