Определение усилия на электродах

Цель работы

Освоить методику расчёта параметров режима точечной контактной сварки изделий из листового материала.

Работу рекомендуется выполнять после полного изучения соответствующих разделов курса. Приступая к выполнении задания, необходимо внимательно изучить и проанализировать его содержание, подобрать рекомендуемую литературу.

Общие методические указания.

Выбор исходных данных

Исходные данные для расчёта выбираются согласно последним цифрам в зачётной книжке студента из табл. 1. Необходимые данные о теплофизических свойствах свариваемого и электродного материалов приведены в табл. 2

Таблица 1 –Исходные данные

№ варианта	Свариваемый материал	Толщина листа δ, мм	Шаг точек tш, мм
	ВТ6	3,0

Общие требования к оформлению самостоятельной работы.

Самостоятельная работа выполняется в виде расчётно-пояснительной записки и оформляется в печатном виде на бумаге формата А4.

На титульном листе должны быть указаны:

1) название работы «Определение параметров режима точечной контактной сварки»;

2) название дисциплины;

3) курс и группа студента;

4) фамилия, имя, отчество, студента;

5) номер зачётной книжки;

6) фамилия, имя, отчество преподавателя, проверяющего работу.

7) год выполнения работы.

На втором листе работы должно быть представлено ёё содержание с заглавием и нумерацией страниц всех разделов, подразделов, вывода и списка литературы.

На третьем листе работы в виде таблицы должен быть представлен список условных обозначений всех используемых в расчёте величин с их названием и указанием единиц измерения.

Описание должно сопровождаться графиками рассчитываемых зависимостей с указанием результатов, схемами расчёта, которые нумеруются в переделах раздела. Все вычисления следует вести с достаточной, не излишней точностью.

В конце расчёта должны быть представлены выводы о проделанной работе.

Таблица 2 – Теплофизические свойства металлов и сплавов.

Свариваемый материал	Уд. электро-сопрот. при 0 оС, ρ0 ,мкОм см	Коэф.тепло-провод. при 20оС, λ, кВт/(м К)	Коэф. темпе-ратуропровод. при 20оС, α, см2/К·10-4	Уд. теплоем-кость при 20оС, с, кДж/(кг К)	Плотность при 20о С, γ, кг/м3	Температура плавлення, Тпл, о
ВТ6		0,018	0,03	0,54
Медь	1,75	0,36	1,05	0,38

3. Методика расчёта

Определение продолжительности включения сварочного токо.

В условиях массового производства деталей из листовой малоуглеродистой и хромоникелевой аустенитной стали, а также титановых сплавов продолжительность включения сварочного тока согласно [1] приближённо оценивают как

tсв=(0,1-0,3) δ

где δ- толщина свариваемого листового изделия.

Определение усилия на электродах

При сварке деталей из листовой малоуглеродистой стали, алюминиевого сплава АМц, а также титановых сплавов ОТ4 и ВТ6 усилие, на электродах определяют согласно [1] по формуле:

Рсв=175∙ δ

3.3. Расчёт величины сварочного тока.

Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца:

где, Qээ – общие количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения;

тr– коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки;

rд.к – электрическое сопротивление детали к концу нагрева.

Значение коэффициента тrопределяется свойствами свариваемого матреиала : для низкоуглеродистых сталей тr =1 ; для алюминиевых и магниевых сплавов - тr=1,15 ; для коррозионно-стойких сталей - тr=1,2;

для сплава титана - тr=1,4;

Для определения общего количества теплоты Qээ, необходимо решить уравнение теплового баланса (рис. 1):

Qээ= Q1+ Q2+ Q3,

где Q1– энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления свариваемого материала Тплцентрального столбика металла высотой 2δ и диаметром основания dэ; Q2– теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х2, окружающего центральный столбик; Q3– потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х3до средней температуры.

Среднюю температуру кольца вокруг столбика принимают равной 0,25Тпл от достигаемой не него внутренней поверхности при контакте с деталей. Считая, что температура на контактной поверхности электрода с деталью Тэ.д=0,5Тпл, а температура электрода Тэ= 0,25 Тэ.д, можно принять, что Тэ=Тпл/8. (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема расчёта сварочного тока [3].

Энергия Q1расходуется на нагрев до Тпл. объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:

где, d_э – диаметр рабочей части электрода, который приближённо определяют как d_э= 2 δ+3; c – удельная теплоёмкость свариваемого металла;

γ – плотность свариваемого металла.

При расчете Q2принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х2от границы ядра. Значение х2определяется временем сварки и температуропроводностью металла:

где – коэффициент температуропроводности металла временем

где k1– коэффициент, близкий к 0,8, учитывает, что средняя температура кольца несколько ниже средней температуры Тпл/4 в связи со сложным распределением температуры по ширине этого кольца, так как наиболее интенсивно нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца.

Потери теплоты в электроде Q3можно оценить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной:

Коэффициент k2учитывает форму электрода, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k2 = 1,5.

где Сэ и γ – теплоёмкость и плотность металла электрода.

Зная составляющие теплового баланса, по формуле (6) определяем общее количество теплоты Qээ.

Далее для нахождения величины действующего значения сварочного тока Iсв. (5) необходимо оценить электрическое сопротивление деталей к концу цикла сварки rд.к. Для этого используют упрощённую схему теплового состояния металла [2,3]. В частности, считают, что сопротивление двух пластин толщиной δ можно и представить как сумму сопротивлений двух других условных пластин І и ІІ, каждая из которых нагрета до средней постоянной температуры T1 и Т2 (рис.2) и имеет ту же толщину δ. Тогда:

где, А- поправочный коэффициент , учитывающий неравномерность растекания тока в зоне сварки; K_n - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей; ͎ρ₁ и ͎ρ₂ - удельные электросопротивления материала деталей при температуре Т1 и Т2 (рис.3)

Рисунок 2 – Схема расчёта электрического сопротивления к концу цикла сварки.

Удельные электросопротивления деталей и зависят от рода металла, вида его термомеханической обработки и температуры. Значения и определяют по соответствующей данному материалу оси ординат для температуры Т1 и Т2 (рис. 3). Так при сварке деталей из низкоуглеродистых сталей принимают Т1=1200 оС и Т2=1400 оС, а для алюминиевых и магниевых сплавов - Т1=450 оС и Т2=630 оС, для титановых сплавов Т1= Т2=1600 оС.

Рисунок 3 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева.

Значения коэффициента неравномерности нагрева деталей из низкоуглеродистых сталей принимают kп = 0,85, из алюминиевых и магниевых сплавов – kп = 0,9 , из коррозионно-стойких сталей – kп = 1,5 , из титановых сплавов – kп =2.

Коэффициент А пропорционален отношению dэ/ δ (рис. 4).

Рисунок 4 – Зависимость коэффициента А от отношения dэ/ δ.

3.4. Расчёт величины тока шунтирования и общей силы тока во вторичной цепи.

Шунтирование тока проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ранее сваренные точки. (рис. 5). при двухсторонней точечной сварке или через одну из деталей при односторонней сварке. Шунтирование в значительной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом расстоянии или шаге между точками привести к уменьшению плотности тока и размеров литого заряда.

Рисунок 5 – Шунтирование тока при двухсторонней точечной сварке.

Значение тока шунтирования можно оценить по формуле:

где, rш–электрическое сопротивление зоны сварки и шунта;

где, - удельное электросопротивление свариваемого материала при 0 оС (табл.2); b_пр - приведенная с учётом растекания тока ширина шунта; t_ш - шаг между точками (табл. 1); Кэ ≈ 0,4.

Общую силу тока I2 (рис 5.) во вторичной цепи можно оценить как

Расчет

1.Определяем продолжительность включения сварочного тока:

tсв=(0,1-0,3) δ = 0,2*3 = 0,6с.

2. Рассчитываем усилие на электродах:

Рсв=175∙ δ = 175∙3 =525кгс= 5250Н

3. Находим диаметр рабочей части электрода:

d_э = 2δ + 3= 2∙3+3=9 мм.

4. Определяем согласно (7) энергию, которая расходуется на нагрев металла до температуры плавления:

3,4 кДж.

5. Находим согласно (8) ширину кольца Х2, окружающего литое ядро:

= 0,536 см.

6. Рассчитываем согласно (9) энергию, которая расходуется на нагрев металла, окружающего литое ядро:

=0,92 кДж.

7. Определяем высоту Х3 условного цилиндра в электродиодах:

см

8. Находим согласно (10) энергию, которая расходуется на нагрев электродов:

9. Рассчитываем согласно (6) общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения.

Q_ээ = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 3,4 + 0,92 + 2,9 = 7,22 кДж.

10. Определяем согласно (11) электрическое сопротивление деталей к концу нагрева:

мкОм

11. Величина сварочного тока согласно (5):

12. Рассчитываем согласно (13) электрическое сопротивление зоны сварки и шунта:

13. Находим согласно (12) значение тока шунтирования:

14. Общая сила тока во вторичной цепи согласно (14) равна:

I2=Iсв+Iш= 19+3,6=22,6 кА.

Вывод: в ходе выполнения расчётно-графической работы я освоил методику расчёта параметров режима точечной контактной сварки изделий из листового материала. Для сварки деталей с толщиной листа δ=3мм, из материала ВТ6 шагом точек=60мм, медным электродом, необходимо:

●Сопротивление свариваемых деталей к концу нагрева:

=24,4 мкОм,

●Общие количество теплоты:

Q_ээ =7,22 кДж,

● сварочный ток Iсв и ток Iш шунтирования:

Литература

1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. – М.: Выс. Шк., 1988.-599с.

2. Орлов Б.Д. Технология и оборудование контактной сварки : учеб. для машиностроительных вузов / Б.Д.Орлов, А.А.Чакалев, Ю.В.Дмитриев и др. ;

под общ. ред. Б.Д.Орлова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1986.-352с.

3. Сварка в машиностроении: справочник: в 4-х т./ Г.А.Николаев и др.; под ред. Н.А.Ольшанского. – М.: Машиностроение, 1978.- Т.1.- 504с.