Снижение энергоемкости процессов контактной рельефной сварки

А. Ю. ПОЛЯКОВ 
СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССОВ  
КОНТАКТНОЙ РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКИ
Монография 
Издание второе, дополненное 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 
1 

УДК 621.791 
ББК 34.641 
П54 
 
Р е ц е н з е н т ы :   
д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки Республики Беларусь,  
чл.-кор. НАН Беларуси, зав. кафедрой порошковой металлургии,  
сварки и технологии материалов Белорусского национального  
технического университета Ф. И. Пантелеенко;  
д-р техн. наук, проф., профессор Высшей школы физики  
и технологии материалов Санкт-Петербургского политехнического  
университета Петра Великого С. Г. Паршин; 
д-р техн. наук, проф. В. П. Березиенко 
Поляков, А. Ю. 
П54 
 
 
Снижение энергоемкости процессов контактной рельефной сварки :  
монография / А. Ю. Поляков. – 2-е изд., доп. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. – 216 с. : ил., табл.  
 
ISBN 978-5-9729-0459-4 
Освещены вопросы энергосбережения в сварочном производстве. Рассмотрена контактная рельефная сварка как перспективная разновидность сварки давлением. Уделено внимание возможности получения рельефных соединений как  
с расплавлением металла свариваемых деталей, так и без расплавления (в твердой фазе) путем реализации циклограмм нагрева межэлектродной зоны, отличных от рекомендуемых в литературе.  
Для специалистов в области сварки, студентов машиностроительных 
направлений подготовки и научных работников. 
УДК 621.791 
ББК 34.641 
ISBN 978-5-9729-0459-4
” Поляков А. Ю., 2020 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
Снижение энергоемкости производства является одним из приоритетных 
направлений развития промышленных комплексов Республики Беларусь и иностранных государств.  
Современное импортное оборудование ведущих мировых производителей, 
все чаще встречаемое на отечественных предприятиях, наряду с высокими техническими характеристиками, характеризуется и высокой закупочной стоимостью, что увеличивает сроки его окупаемости, особенно в условиях низких коэффициентов загрузки и сменности.   
При этом сварочное производство в целом является весьма энергоемким  
и требует применения достаточно мощных высокоамперных установок.  
Ввиду этого за последние 40 лет благодаря развитию во всем мире инвертирующих технологий удалось существенно повысить коэффициенты мощности и полезного действия, а также снизить мощность, потребляемую из сети, 
для оборудования, применяемого при дуговых способах сварки плавлением  
и термической резке.  
Однако в области сварки давлением подобных изменений не произошло. 
Оборудование, работающее на переменном и постоянном токе, до сих пор имеет в своем составе в качестве источников питания массивные сварочные трансформаторы, характеризующиеся значительным энергопотреблением. 
В дополнение к этому при изготовлении многих ответственных конструкций (например, элементов кузовов автомобилей) в условиях крупносерийного и массового производства контактные сварочные машины потребляют завышенное количество электроэнергии, т. к. такие основные параметры 
режима сварки, как величина сварочного тока и длительность его протекания, 
операторами обычно устанавливаются «с запасом» и в соответствии с представленными в различных источниках литературы многолетней давности, которые у различных авторов существенно разнятся между собой. 
По этим причинам суть проводимых научных исследований должна сводиться к разработке и обоснованию таких параметров режима сварки, которые 
будут обеспечивать требуемую прочность сварных соединений при минимально возможном тепловложении в межэлектродную зону (энергосберегающие 
режимы).  
Сегодня благодаря интенсивному развитию приборостроения созданы различные аналого-цифровые устройства и датчики, позволяющие в режиме реального времени управлять сварочной машиной и, соответственно, кинетикой 
формирования сварных соединений.  
С помощью таких устройств снизить энергоемкость процессов контактной 
сварки, как наиболее производительных и легко поддающихся автоматизации, 
возможно, но только путем реализации нетипичных циклограмм нагрева металла межэлектродной зоны с итоговым формированием: общей зоны взаимного 
расплавления металла свариваемых деталей; твердофазной зоны соединения 
металла свариваемых деталей (без расплавления).         
3

1. ОС
СОБЕНН
ПРОЦЕ
КО
ОНТАК
КТНОЙ 
НОСТИ
РЕЛЬЕ
ЕССА  
СВАРК
И ИДЕ
ЕЯ СНИ
ИЖЕНИ
ИЯ ЕГО 
ГОЕМКО
ЕФНОЙ 
ЭНЕРГ
КИ  
ОСТИ 
  
 
1.1. 
Контакт
тная рель
варка (К
КРС)  
и
и области
и ее прим
ьефная св
менения 
-
 
Кон
я сварка я
является 
дностью к
контактно
ой точечразновид
рельефная
е – КТС) 
щность зак
ключается
я в том, ч
что форми
ирование
е 
-
нтактная р
рки (далее
много сое
единения 
и ее сущ
деталей п
происход
дит в резу
ультате их
х сжатия 
– 
машины с
с выделен
нием тепл
ергии в к
контактах 
электродеталь –
-
арочной м
электрод 
– деталь 
и основн
ном метал
ловой эне
лле при п
пропускан
нии высо
окоамперпульсов т
тока, прич
чем на од
 на неско
з деталей
й имеется
я 
ольких из
, 2].  
ной свар
неразъем
дами сва
деталь, э
ных имп
естествен
и искусств
венный вы
ельеф) [1,
дной или
ыступ (ре
Техн
нный или
нологиче
ески проц
цессы КРС
С и КТС 
различаю
ются нали
ичием/отс
утствием
м 
, формой 
и габарит
тами элек
ктродов. П
общим я
является к
конечный
й 
-
ат процесс
са – свар
рная точка
а (литая 
щая для д
деталей и
и обеспеПри этом 
зона), об
.1).  
рельефа,
результа
чивающа
ая прочно
ость соеди
инения (р
рисунок 1
 
 
 
 
 
а)  
 
 
б) 
 
в) 
  
 
 
 
 
 
 
а – то
очечная сва
ельефная св
варная точ
усилие сжат
арка; б – ре
тия электро
одов; Т – св
варка;  
варочный т
трансформ
атор) 
в – с
чка (FСВ – у
1 – Схемы п
процессов к
й сварки и 
их конечны
ый результ
тат 
 
контактной
исунок 1.1
Ри
4 
 

С це
можности
и получен
ния за од
ков точек
я КРС вм
место кла
ассически
ин цикл н
х точечн
нескольки
ых электр
их десятк
родов осн
нащается
к 
я 
-
елью возм
вание для
ыми элек
ктродным
ми плитам
ми с паза
ами под у
установку
у электро
одных узповышае
одительно
ость проц
я формир
т произво
ования р
ельефног
го сварно
цесса. 
ого соеди
еобходим
мо, чтобы
ы 
оборудов
массивны
лов, что 
Для
ствием пр
сжатия и
со сторо
инения не
оны элект
тродов до
остаточно
о 
-
рельеф о
роцессов 
одной дет
тали внед
и нагрева 
дрился в т
тело друг
гой детал
ли, интенс
сивно деуясь и час
стично ра
сплавляяс
под дейс
жесткий 
формиру
-
Нал
личие рель
ьефов явл
ляется важ
еимущест
твом рель
ьефной св
варки пеечной. Ли
нцентриру
вершин р
рельефов
сь [3].  
жным пр
тока кон
ктах детал
инии про
ль – дета
отекания 
аль малой
й площад
ди, которы
уются у 
ые к мом
менту вык
еделяютс
трами сам
мих рельеф
фов [4] (р
рисунок 1
.2). Это п
влять кон
ся диамет
нцентриро
ованный 
полезный
й нагрев м
металла д
деталей б
ключения
позволяет
благодаря
в  
я 
т 
я 
 
ред точе
в контак
тока опр
осуществ
высокой 
плотност
ти тока, д
достигающ
щей 400 А
А/мм2 [5].
– усл
ловный объ
ем перегрет
того металла
а в зоне мак
ксимальной 
плотности т
тока; 
бласть взаи
– о
много распл
лавления, ра
астущая до з
закрытия за
азора между
у деталями; 
итое ядро (с
сварная точк
ка) после кр
ристаллизац
ции под дейс
ствием усил
лия ковки 
– л
полезная эн
нергия нагр
ия теплоотв
вода в осно
овной мета
алл деталей
й  
QП, Q
и в эл
QМ, QЭ – п
лектроды со
оответствен
рева, энерги
арочный ток
к 
но; IСВ – сва
цесса КРС н
ного соедин
нения, 
Рисун
нок 1.2 – С
 со
Схема проц
остоящего и
из двух пло
нахлесточн
оских детал
лей 
5 

Рель
ьефной св
варкой та
акже мож
ктивно со
оединять 
три и бо
лее дета-
-
при посл
3, а) или п
параллель
ьном (рижно эффек
льном (ри
их свароч
а, т. е. по
олучать п
пакетные
е 
дин цикл 
3, б) про
ледовател
через ни
сунок 1.3
ного тока
, 4, 6–8].
лойные, с
ые) соеди
инения [1
лей за од
сунок 1.
(многосл
отекании 
тупенчат
а) 
 
б) 
а, б – при
и последов
вательном и
и параллель
ьном проте
екании ток
а через дет
тали соотве
етственно 
– Схема пр
роцесса КР
С пакетног
го соединен
ния 
Ри
исунок 1.3 –
Пом
мимо необ
сти получ
чения нах
хлесточны
ых соедин
нений, со
х 
бходимос
лей [9], 
КРС ши
ироко при
именяется
я и в те
ех случая
остоящих
ях, когда
а 
из плоск
необходи
ких детал
имо свари
ить между
у собой: 
2]; 
и или тру
убки вкрес
б) [10–12
ок 1.4, а, 
1.4, в) [13
и, стержни
и с пласти
инами вна
ст (рисун
(рисунок 
шки с плас
стинами Т
ахлестку (
Т-образно
о (рисунок
к 1.4, г) [1
[15]; 
3];  
14]; 
ок 1.4, д)
альные бо
олты с пла
астинами
 Т-образн
, 





 прутки
 прутки
 бобыш
 специа
 стержн
ни или боб
бышки с п
пластинам
ми острой 
но (рисун
гранью (р
рисунок 1
1.4, е) [16,
17]; 
- 

  пласти
ины меж
жду собо
ой через
з промеж
жуточные
е вставки
и (рисунок 1.4
4, ж) [1]. 
6 

 
 
 
 
)  
 
 
 
         б)
в) 
            а) 
 
 
 
  
 
 
) 
 
         д)
е) 
 
 
 
 
 
 
 
 
    
 
 
 
ж) 
 
           г) 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
талей пере
личных сое
единений 
ого распол
д КРС разл
к 1.4 – Схем
Рисунок
ме нахлесто
ложения де
очных соед
динений пла
астин) 
мы взаимн
(кром
 
В л
литератур
онтактной
встречаю
ются про
оцессы, п
й 
-
и близки
ре по ко
ие к КРС
м кромок
к деталей
по своей
й, распой сварке 
с раздав
вливание
[18, 19],
ых с нахл
лесткой 
 1.5, а) 
сварка 
встык ст
тержня и
и 
ы (рисуно
ок 1.5, б) 
С: сварка 
(рисунок 
[20], свар
рка бобыш
шки с пла
астиной Т
Т-образно
о по слою
ю 
].  
сущност
ложенны
пластины
флюса (р
1.5, в) [21]
В св
рисунок 1
вою очере
едь, форм
ма и разме
еры релье
ефа сущес
ственно в
парамет
тры в ка
а процесс
м случае
с 
е  
-
целом, т
етствующ
т. к. име
щей плот
енно эти 
тностью т
идают ун
аждом ко
никальнос
влияют на
онкретном
сть элект
тротермоационной 
способно
ости мета
тока) при
алла в ко
онтакте д
еталь – де
еталь. Пр
ри сварке
е 
КРС в 
(с соотв
деформа
нахлесто
очных сое
единений
й наиболе
ее часто п
применяю
ются рель
ьефы кру
углой или
и 
7 
 

-
оватой вы
ытянутой
й формы, 
а при н
необходим
мости об
беспечени
ия герме2]. 
продолго
тичности
и соедине
ений – кол
льцевой ф
формы [22
 
 
 
 
 
 
 
б) 
в) 
 
а) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
а
а – сварка с
с раздавлив
ванием кро
ей, располо
оженных с 
нахлесткой
й;  
сварка вст
омок детале
тык стержн
ной;  
в – 
бышки с пл
ластиной Т
ня с пластин
Т-образно п
по слою флю
юса 
б – 
сварка боб
Схемы взаи
имного рас
сположения
я деталей п
перед конта
актной свар
ркой,  
унок 1.5 – С
 
Рису
близкой к К
б
КРС по свое
ей сущност
ти 
дует отм
метить, 
са КРС 
тенсивная
 
 процес
характе
металла
но направ
вленная 
еская деф
ерна инт
а в зоне 
контакта
деталь, в
шая, чем п
формация 
при КТС [
[1]. Поэто
ому если 
сравнить
я 
а 
ь 
что для 
пластиче
аз больш
ы КТС и 
в 10–15 р
КРС в ус
словиях с
схожих ко
олебаний
величин
ны и длит
тельности
и 
ульса сва
арочного 
тока, а 
также у
усилия сж
жатия эл
лектродов
ния импу
ельно оп
птимальны
ых значе
ений, то
 рельефн
ные свар
рные сое
единения
в 
я  
ляющем 
большин
учаев обл
ладают бо
олее выс
сокой про
очностью
ю  
Сле
радиальн
деталь – 
процессы
протекан
относите
в подавл
по отнош
шению к т
точечным
. 
Тип
пичные м
материалы
нстве случ
м [23].  
ы, сварив
КРС, – ст
е сплавы.
ьных слу
ваемые К
е рельефо
ов увелич
тали и ти
ченного д
с повы-
-
сварочно
учаях при
ого тока 
я сжатия 
ость сваименение
и усилия
дов дает 
ями [22]. 
тали с ци
инковыми
и или кадм
миевыми 
электрод
покрыти
итановые
диаметра 
возможно
 Жесткие
ы 
в комбина
тноситель
ьно боль
шими зн
ачениями
и сварочн
а 
-
ации с от
вать легк
кие сплав
успешны
е режимы
ного тока
тки полу+ 
ческих со
оединени
вы [24]. И
ий способ
Известны 
бом КРС 
(«быстро
ые попыт
орежущая
В отдель
шением 
ривать ст
сварки в
позволяю
чения би
конструк
сталь», «
низкоугле
еродистая
я сталь» и
и др.) [25–
ют сварив
иметаллич
кционная 
щина сва
«титан + н
го металла
а при КРС
С напрям
мую завис
сит от тех
я сталь +
–28]. 
нических
х 
. 
ристик и
ариваемог
и возмож
применя
сварочног
го обору
удования.
ы контактн
ной точеч
жностей 
чной свар
ки при ос
яемого с
снащении
и комплек
ктами элек
ктродов с
нной пло
щадью к
успешно 
использу
уются пр
редприяти
иями для
с 
я 
Тол
характер
Машины
увеличен
рельефно
ой сварки
и деталей 
их толщи
ок 1.6).  
контакта 
небольши
При
и этом ср
рок служб
бы у элек
ктродов с
н (рисуно
с увеличе
енной пл
контакта
на поряд
док выш
е, чем у
у точечны
ых. По э
той прич
чине их 
рименяют
а  
т  
лощадью 
часто пр
8 
 

 
лых усло
ции (с ч
частыми 
перегрев
нтактной
овиях эк
пример, п
ксплуатац
при много
ой КРС ар
рматуры. 
вами ко
Установл
стойкости
оциклово
и к изно
осу мате
риалы эл
лектродов
лено, что
в можно
й 
о 
о 
 
ости), нап
С армату
жить в ря
уры по с
яд в поря
дке убыв
вания: БрХ
ХКд 0,5-0
0,3; МЦ5
Б; МЦ4; 
БрХ; М1
в тяжел
поверхно
при КРС
располож
[29].  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – вер
рхний элек
ктрододерж
жатель; 2 – 
верхний эл
лектрод для
я КРС;  
3 – детал
ль 1 (болт с
с кольцевы
ым рельефом
м); 4 – дета
аль 2 (плас
тина с отве
ерстием по
5 – 
промежуто
очная втулк
ка для фик
ксации дета
ижний элек
ктрод для К
о центру);  
КРС;  
7 – ниж
жний электр
рододержат
тель; 8 – да
на эффекте
е Холла;  
9
9 – зажимы
ы датчика н
алей; 6 – ни
атчик тока 
напряжения
я 
 
ой  
6 – Сварка к
кронштейн
на лифта сп
пособом КР
РС на маши
ине точечн
Ри
исунок 1.6
201 
сва
арки МТ-32
 
-
Спе
ециализир
рованные 
рельефны
яют успеш
шно и вы
, 
ельно свар
ривать де
етали увел
ые прессы
личенных
ы позволя
х толщин
 токами д
до 100 кА
ысокопроА и более,
их высок
ность огр
граничива
ает продо
олжитель
ьность вк
ключения
я  
- 
увеличива
кая мощн
ает паузы
циклами
ежание пе
ерегрузок
к сварочансформа
ы между 
0]. В так
ких усло
и во избе
овиях пре
ются повы
ышенные
е 
, 
ния к сис
атора [30
стеме охл
лаждения
я силовых
х тиристо
темы упр
равления,
ой обмо
арочного 
трансфо
орматора,
кже токо
оведущих
х 
едъявляю
оров сист
, а так
 
изводите
однако и
тока и у
ного тра
требован
вторично
элементо
ов вторич
тура конт
-
сравнении
отки сва
чного кон
и с дугов
тактной м
кой КРС 
я не толь
ько высо
машины.  
является
ьным спо
особом с
вой сварк
соединени
ия тонко
о- и сред
днетолщи
инного л
окопроизлистового
о 
.  
 но и б
безопасны
ым проце
ессом с 
высокой 
культур
рой прои
зводства.
ессе КРС
С отсутст
ыбросы то
оксичных
х газов, у
ультрафи
иолетовое
е 
В с
водитель
металла,
В проце
излучени
ие и повы
ышенный 
шума.  
вуют вы
уровень ш
9 
 

Одн
ледствие 
воздейст
а процес
сс сварки
ущающих
х 
-
ример, ко
олебания с
твия на
сетевого 
напряжен
ки возму
рционност
одов или
и наличия
я ржавчин
ны на дет
зможны в
ти привовыплески
и 
нако всл
твий, напр
ия электр
ленного м
металла и
из межэл
ой зоны в
ния, инер
талях, воз
в виде ис
скр. Такж
же может
т 
-
действие э
электрома
ектродно
агнитного
о поля со
о стороны
ы вторичн
ного конесто возд
нтактной 
машины
ы на мех
ханизмы, 
оказавш
шиеся в н
непосред
ственной
Наприме
чины свар
рочного т
КРС или
й 
и 
и к нему. 
статочно 
 кА при 
ольных 
для сов
ер, велич
вершения
я нескол
льких сам
тока в 20 
мопроизво
оборотов
в 
ми кварц
евых час
сов фирм
мы CASI
O, распо
оложенны
ых на ра
асстоянии
и  
воздейст
да сжати
расплавл
иметь ме
тура кон
близости
КТС до
стрелкам
10–20 см
м от элект
тродов.   
В п
промышле
способом
изготавлив
вают узл
лы лифто
-
-
 петли и 
], сельско
м КРС и
охозяйств
венной те
фиксаторы
енности 
др.) [31]
и др.) [
32], легк
ковых и 
грузовых
ехники (ф
х автомоб
ов (кроны, держаормозные
е 
-
роушины 
и др.) [3
33], арма
узлы (пло
оские, пр
ямоуголь
билей (то
ьные и ци
илиндри[34, 35], 
объемные
е каркасы
атурные у
ы, закладн
ные дета
али, сетки
а также
е 
, 
ы товаров
в широко
дного пот
требления
и и др.) 
я (засовы
ы дверных
х замков,
] 
ечных дв
верец, кол
ого народ
лодки руб
банков, ло
опаты, ко
орпусы фо
онарей и 
др.) [36]
штейны,
тели, пр
колодки 
ческие о
элементы
рамки пе
(рисунок
к 1.7). 
 
 
 
 
 
 
ы пассажирс
ского лифта
а  
     Крон
нштейн тра
актора 
 
         Засов 
дверного за
амка 
 
 
Узлы
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
Рам
мка печной д
дверцы   
            У
Узлы мотоц
цикла 
 
                  Б
Балка ферм
ы 
 
 
 
 
 
 
 
 
Коло
одка рубанка
а 
      
Тормозная к
колодка авт
томобиля  
              Кор
рпус фильтр
ра 
 
повые узлы
ы, свариваем
мые КРС 
Рисунок
к 1.7 – Тип
10