Лабораторная работа № 2. Определение параметров режима точечной сварки расчетным путем

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Освоение методики расчета режима контактной сварки нахлесточных соединений по заданной толщине и марке материалов.

2.1. Общие сведения

Основными параметрами режима точечной сварки, определяющими качество сварных соединений, являются:

- величина сварочного тока;

- время протекания сварочного тока;

- усилие сжатия электродов;

- размеры контактной поверхности электродов.

2.1.1.Выбор формы и размеров контактной поверхности электродов

Форма и величина контактной поверхности электродов - факто­ры, существенно влияющие на размеры и стабильность литого ядра и, соответственно, на выбор параметров режима сварки. Применяют либо плоскую, либо сферическую форму рабочей поверхности (РП) электродов (рис. 2.1).

Плоскую форму рабочей поверхности с конусной заточкой элект­рода применяют на машинах с вертикальным ходом электродов. Они используются при сварке металлов с повышенным сопротивлением деформации (стали, жаропрочные сплавы и др.) и не склонных к массопереносу (стали, ни­келевые, титановые сплавы к др.).

Сферическую форму используют на машинах с любым ходом элект­родов для сварки металлов с пониженным сопротивлением деформации, склон­ных к массопереносу, к горячим трещинам и раковинам (алюминиевые, магниевые, медные, некоторые марки титановых сплавов и др.), при высоких требованиях к качеству соединения (минимальные вмятины, отсутствие выплесков и т.д.).

а) б) в)

Рис. 2.1. Форма рабочей части электродов: а - сферическая

с сферической РП; б - коническая с плоской РП;

в - цилиндрическая с плоской РП

Размеры контактной поверхности электродов зависят от толщины свариваемых деталей d. При сварке листов толщиной до 1,0 мм диаметр электродов с плоской РП вычисляется по эмпирическому выражению (2.1)

, (2.1)

а при толщине более 1,0 мм - по выражению (2.2)

. (2.2)

При сварке электродами со сферической РП радиус сферы определяется по выражению

. (2.3)

2.1.2.Усилие сжатия электродов

Усилие сжатия электродов влияет на электрическое сопротив­ление в зоне сварки и, как следствие, на количество выделяемого при прохождении тока тепла, а также на степень уплотнения ядра в процессе кристаллизации. Необходимое усилие сжатия электродов растет с увеличением толщины металла.

Для низкоуглеродистой стали усилие в Н определяется по выражению

, (2.4)

где d - толщина более тонкой деталивмм.

При сварке среднеуглеродистых и низколегированных сталей усилие сжатия электродов увеличивается в 1,5¸2 раза по отношению к сварке низкоуглеродистой стали. При сварке сталей аустенитного класса типа 12Х18Н10Т, 04Х18Н10 и др. величина рассчитанного усилия увеличивается в 1,5 раза. Для жаропрочных сталей и сплавов типа ХН70Ю, ХН38ВТ и др. усилие должно быть больше в 2,5¸3 раза. Величина усилия при сварке титановых и алюминиевых сплавов принимается равной усилию, рассчитанному для сварки низкоуглеродистых сталей.

2.1.3. Время протекания сварочного тока

Время протекания сварочного тока определяется свойствами и толщиной свариваемого материала, его реакцией на термический цикл,подготовкой поверхности, типом оборудования и характером производства. Например, низкоуглеродистые стали, мало реагирующие на термический цикл, можно сварить на «мягких» и «жестких» режимах. В массовом производстве, особенно при сварке тонколистовых сталей на автоматических машинах применяют «жесткие» режимы.

Алюминиевые сплавы и латуни из-за высокой тепло- и электропроводности следует сваривать также на «жестких» режимах.

При расчете режимов сварки длительность протекания тока вычисляют по формуле

, (2.5)

где К_Т - коэффициент, зависящий от материала (табл. 2.1);

d - толщина более тонкой детали в мм.

Расчетное значение t_св необходимо округлить до целого числа периодов переменного тока промышленной частоты.

Таблица 2.1

Материал	КТ
«мягкий» режим	«жесткий» режим
Низкоуглеродистые стали Нержавеющие стали Жаропрочные сплавы Алюминий и его сплавы Титан и его сплавы Латуни	0,3 0,16 0,3 0,1 0,16 0,16	0,08 0,08 0,15 0,07 0,1 0,08

2.1.4. Расчет сварочного тока

Сварочный ток (в кА) рассчитывают по закону Джоуля-Ленца

, (2.6)

где Q - общее количество тепла, выделяемого при сварке точки в деталях и переходных контактах, кал;

m - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления в про­цессе сварки и зависящий от свойств свариваемого материала (для стали m = 1,0; для алюминиевых и магниевых сплавов m = 1,15; для коррозионно-стойких сталей m = 1,2; для сплавов титана m = 1,4);

R_Д - собственное сопротивление «горячих» деталей, мкОм;

t_св - время протекания сварочного тока, с.

Количество тепла (в кал), необходимое для сварки отдельной точки, может быть определено из уравнения теплового баланса при точечной сварке

,(2.7)

где Q_пол- тепло, расходуемое на нагрев условно выделенного центрального столбика металла диаметром d_э, зажатого между электродами (рис. 2.2);

Q₁ - потери тепла на нагрев деталей внецентрального столбика.

Q₂ - потери тепла в электроды;

Q₃ - поnери тепла лучеиспусканием c поверхности сваривае­мых деталей.

С учетом скрытой теплоты плавления за среднюю температуру неравномерно нагретого центрального столбика можно принять темпе­ратуру плавления Т_пл. Тогда при сварке двух деталей толщиной d₁ + d₂ полезное тепло определяется следующим выражением

, (2.8)

где с - средняя теплоемкость при нагреве до температуры плавления, кал/(г*^оС);

g - плотность материала, г/см³.

В металле, окружающем центральный столбик, температура понижается от Т_пл до комнатной. Средняя температура нагреваемого кольца шириной Х_о приближается к Т_пл/4. Ширина кольца Х_о растет с увеличением продолжительности нагрева и с повышением температуропроводности свариваемого металла

, (2.9)

где а - температуропроводносгь свариваемого металла, см²/с.

Свойства некоторых свариваемых материалов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов

Материал	g, г/см3	Тпл, оС	a, оС-1	а, см2/с	rо, мкОм*см	с, кал/гоС
Н.у. стали 30ХГСА 40ХНМА 1Х18Н9Т Х20Н80 Никель Титан Латунь Л62 Д16 Амц АМг	7,85 7,85 7,85 7,86 8,17 8,9 4,5 8,5 2,8 2,73 2,72		0,006 0,006 0,006 0,004 0,0001 0,0068 0,0038 0,004 0,004 0,004 0,004	0,15 0,15 0,1 0,038 0,28 0,23 0,073 0,26 0,6 0,7 0,68	7,3 7,1 4,5 4,2 4,4	0,18 0,115 0,115 0,125 0,11 0,115 0,162 0,1 0,12 0,2 0,2

Потери тепла на нагрев деталей внецентрального столбика при сварке двух деталей толщиной d₁+d₂ равны

, (2.10)

где - объем условного кольца, см³;

К₁ - коэффициент, учитывающий, что действительная средняя температура кольца меньше . Принимают К₁=0,8.

Потери тепла в электроды можно приближенно определить, при­нимая температуруна их контактной поверхности равной .

При этом средняя температура интенсивно нагреваемого участка электро­дов длиной Х_о^I (см. рис. 2.2) равняется .

Рис. 2.2. Расчетная схема теплового баланса при точечной сварке

Область распространения тепла в электроды (расстояние Х_о^I) равна

где а^I - температуропроводность материала электродов. Для медных электродов а^I = 1,05 см²/с.

Суммарные потери тепла в два электрода равны

, (2.11)

где К₂ - коэффициент, учитывающий форму электрода. Для конического электрода с плоской контактной поверхностью К₂ = 1,5;

g^I - удельная плотность материала электродов. Для медных элек­тродов g^I = 8,9г/см³;

c^I - удельная теплоемкость материала электродов. Ддя электро­дов из меди c^I = 0,095 кал/г^oС.

При точечной сварке, особенно на «жестких» режимах, величи­ной Q₃ можно пренебречь ввиду кратковременности процесса.

Собственное сопротивление деталей к концу сварки, принимае­мое за расчетное сопротивление участка цепи между электродами, мо­жет быть найдено, исходя из допущения, что контакт между деталями в конце сварки распространяется на всю площадку диаметром d_пр, ко­торый зависит от диаметра электродов и толщины деталей

, (2.12)

где d - толщина более тонкой детали,мм;

b - коэффициент, зависящий от усилия сжатия электродов и вре­мени сварки. При сварке на «жестких» режимах b = 1,0; при сварке на «мягких» режимах b =1,5¸1,7.

Таким образом, к концу сварки ток к каждой детали будет под­водиться через контакты диаметрами d_э и d_пр (рис. 2.3).

Для определения границ растекания линий тока, из концов диаметров, проводятся прямые под утлом 45°. При этом каждая свариваемая деталь условно разбивается на две пла­стинки неравной толщины d^I и d^II (при сварке разнотолщинных деталей построения необходимо выполнять для каждой детали).

Собственное сопротивление пластинки толщиной d с контактами неодинакового размера, неравномерно нагретой в условиях точечной сварки, можно приближенно рассчитать как полусумму сопротивления двух пластинок, толщиной d^I и d^II, зажатых, соответственно, между электродами d_э и d_пр

, (2.13)

где А₁ и А₂ - коэффициенты, зависящие, соответственно, от отноше­ния d_э/d^I и d_пр/d^II и учитывающие, что фактическое сопро­тивление детали меньше сопротивления цилиндра металла, зажатого между электродами d_э и d_пр. Эти коэффициенты оп­ределяются по графику, представленному на рис. 2.4;

r_Т^I и r_Т^II - удельные сопротивления деталей, соответственно, при температурах Т₁ и Т₂. При сварке деталей из низкоуглеродистых сталей Т₁ = 1200°С и Т₂ = 1500°С, а для алюминиевых сплавов Т₁ = 450°С и Т₂ = 630°С;

К₃ - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей. Для сталей К₃ = 0,85; для алюминиевых сплавов К₃ = 0,9.

d_э

Рис. 2.3. Схема поля тока для расчета сопротивления детали

Рис. 2.4. Зависимость коэффициента А от отношения d/d

Удельные сопротивления определяются по формуле:

, (2.14)

где r_о - удельное сопротивление металла при 20°С;

a - температурный коэффициент сопротивления;

Т - температуранагрева, при которой определяется r_Т.

При сварке деталейравной толщины производится расчет сопро­тивления одной детали и вформулу (2.6) подставляется удвоенная его величина. При сваркедеталей неодинаковой толщины производится расчет дляобоих деталей и в формулу(2.6) подставляется ихсумма.

2.2. Оборудование и материалы

2.2.1. Пластины для сварки из одноименных или разноименных металлов - по указанию преподавателя одинаковой или разной толщины: низко- и среднеуглеродистые стали; легированные стали и сплавы; никелевые, титановые, медные и алюминиевые сплавы размером 20´80´(0,5¸3,0) мм.

2.2.2. Микрокалькуляторы.

2.2.3. Машина для контактной точечной сварки типа МТ-1220.

2.2.4. График внешних характеристик данной машины.

2.2.5. Масштабная линейка и транспортир.

2.2.6. Амперметр сварочного тока типа АСУ-1М.

2.2.7. Электромеханический секундомер типа ПВ-53Щ.

2.2.8. Набор слесарного инструмента (напильник, зубило, молоток и тиски).

2.2.9. Пружинный динамометр ДПС-1.

2.3. Порядок выполнения работы

2.3.1. По приведенной выше методике рассчитать значения основных параметров режима сварки для предложенных преподавателем образцов.

2.3.2. По внешним характеристикам контактной машины графически определить оптимальную ступень включения сварочного трансформатора, обеспечивающую возможность установки полученного расчетом тока.

Для определения необходимой ступени включения сварочного трансформатора, обеспечивающей требуемый ток, на графике внешних характеристик машины (зависимость U₂=f(I_св)) строится линия сопротивления свариваемых деталей. Угол наклона линии сопротивления определяется по формуле

, (2.15)

где M_R - масштабный коэффициент сопротивления (M_R = M_U /M_I);

M_U - масштабный коэффициент напряжения, мм/В;

M_I - масштабный коэффициент тока, мм/А.

На графике внешних характеристик через начало координат под углом a_R проводится линия сопротивления свариваемых деталей. На оси абсцисс откладывается значение полученного расчетом тока I_св и из полученной точки восстанавливается перпендикуляр до пересечения с линией сопротивления. Ближайшая (большая) от точки пересечения ступень и будет оптимальной.

2.3.3. Заправить электроды на машине, обеспечив требуемый диаметр контакта. Установить вычисленные значения параметров режима: усилие сжатия электродов, время протекания сварочного тока. Устано­вить ступень включения трансформатора и ручку фазовой регулировки «Нагрев» (на блоке управления) в положение, обеспечивающее ток ко­роткого замыкания, составляющий 75% от максимального тока на данной ступени.

2.3.4. Сварить пластины, измеряя при этом величину сварочного тока и время сварки. В случае отклонения тока от требуемой величи­ны подстроить его значение ручкой «Нагрев».

2.3.5. Разрушить сваренный образец в тисках о помощью зубила и молотка (точка разрушается на отрыв согласно рис. 2.5) и сравнить диаметр сварной точки с её расчетным значением

. (2.16)

2.3.6. При значительном отклонении размера сваренной точки от расчетного значения объяснить причину расхождения.

Рис. 2.5. Образец технологической пробы

2.4. Содержание отчета

Цель и задачи работы;

расчет основных параметров режима точечной контактной сварки;

графическое определение оптимальной ступени сварочного трансформатора;

эскиз разрушенного соединения с указанием размеров сварной точки;

выводы по работе.

2.5. Контрольные вопросы

1. Какие основные параметры определяют режим точечной сварки?

2. Как Вы понимаете термины «мягкий» и «жесткий» режимы?

3. Порядок расчета сварочного тока.