Лабораторная работа № 5. Исследование влияния ферромагнитных масс и шунтирования тока на качество контактной сварки

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить влияние на качество контактной сварки и выяснить зависимость прочности сварной точки от количес­тва ферромагнитной массы, введенной в контур машины, и шунтирования сварочного тока.

5.1 Общие сведения

5.1.1. Влияние ферромагнитных масс

Часто технологи подбирают оптимальный режим сварки на. образ­цах малых размеров, забывая о том, что реальное изделие представляет собой крупногабаритную конструкцию, введение которой в сварочный контур машины может внести заметные изменения в его элект­рические параметры, и, следовательно, в режим сварки.

При точечной (рельефной) и шовной сварке стальных листовых конструкций в плоскости деталей перпендикулярно оси электродов концентрируются магнитные потоки Ф_п (рис. 5.1,а). При шовной сварке цилиндрических деталей кроме плоского поля, создаваемого сварочным током I_св, в цилиндре будет замыкаться и кольцевое поле Ф_к, создаваемое током I_св во вторичном контуре при прохождении его через нижнюю консоль. Эти потоки создают дополнительную индуктивность, которая играет отрицательную роль в процессе сварки, уменьшая сварочный ток. Индуктивное сопротивление, создаваемое магнитными по­токами Ф_п и Ф_к, будет различным в зависимости от того сварена или нет часть конструкции, находящаяся в пространстве вторичного контура. Если сварена, то в ней замыкается поток гораздо больший, чем когда она собрана на прихватках.

В связи с этим, для уменьшения влияния магнитных потоков, и особенно Ф_к, на силу сварочного тока необходимо вести сварку, не вводя деталь в сварочный контур, а наоборот, выводя ее из контура, как показано стрелкой на рнс. 5.1,б. В первую очередь это касается сварки ферромагнитных материалов с высокой магнитной проницаемостью.

а) б)

Рис. 5.1. Магнитные потоки в свариваемых стальных деталях: а - плоское магнитное поле; б - плоское и кольцевое магнитные поля

Необходимо также помнить, что переменный магнитный поток, пронизывающий детали, вызывает образование в них вихревых токов Фуко. Токи Фуко нагревают детали.

Потери на вихревые токи проявляются в виде изменения актив­ного сопротивления вторичного контура машины и установленного зна­чения сварочного тока.

Таким образом, наличие ферромагнитных масс во вторичном кон­туре машины может существенно повысить общее сопротивление кон­тура, уменьшить сварочный ток и, как следствие, размеры и прочность соединения.

5.1.2. Влияние шунтирования тока

Для технолога представляет интерес не только распределение тока в зоне свариваемого контакта, но и вне его. Особенно в слу­чаях стыковой сварки кольцевых деталей, многоточечной двухсторон­ней и односторонней сварки и др. Для примера на рис. 5.2 и 5.3 по­казаны картины распределения токов при стыковой сварке колец и многоточечной сварке листов.

При рассмотрении схемы стыковой сварки замкнутого кольца (рис. 5.2) видно, что вторичный ток I₂, подводимый от сварочного трансформатора к губкам А и Б зажатия свариваемых концов, разветвляется на две составляющие: сварочный ток I_св и ток шунтирования I_ш, ответвляющийся во внешнюю часть кольца. Это приводит к уменьшению тепловыделения в зоне сварки, которое уменьшается тем больше, чем больше поперечное сечение детали и удельное сопротивление материала.

Для снижения тока шунтирования при стыковой сварке поль­зуются двумя способами. При первом способе для кольцевых деталей малого сечения (до 30-40 мм²) производится сварка одновременно двух стыков, т.е. двух полуколец. При втором способе, для коль­цевых деталей большого диаметра (колеса, бандажи и др.) ток шунтирования снижают до минимума путем надевания на внешнюю часть кольца разъемного железного сердечника. В этом случае последний является ферромагнитной массой, которая существенно повышает индуктивное сопротивление ветви шунтирования.

Особенно эффективен данный прием при сварке кольцевых деталей из высокоэлектропроводного или немагнитного материала (медь, алюминий,их сплавы и др.). Дело в том, что при прохождении пере­менного тока шунтирования через кольцевую деталь вокруг неё соз­даётся магнитный поток: в воздухе - внешний Ф_вш, а в самом метал­ле - внутренний Ф_вн (рис. 5.2). В зависимости от магнитных свойств металла количество магнитных линий внутри его будет различным и, как следствие, больше или меньше будет индуктивное сопротивление ветви шунтирования и ток через неё. В частности, при сварке ферро­магнитных материалов это сопротивление может быть настолько зна­чительным, что необходимость в дополнительных приемах снижения то­ка шунтирования отпадает.

Намного труднее, а часто и вообще невозможно уменьшить ток шунтирования при точечной сварке: например, при одностороннем подводе тока или когда регла­ментированное технологией (исходя из требований к конструкции) расстояние (шаг) между точками меньше допустимого.

Наличие расположенных близко к зоне соединения электрических контактов по кромкам деталей или в сваренной точке приводит к току что часть вторичного тока I₂ шунтируется (I_ш) через эти контакты (рис. 5.3). При этом характерным для точечной сварки является то, что при наличии шунтирования или без него величина вторичного то­ка I₂ = I_св + I_ш остается почти неизменной, а величину сварочного тока I_св нельзя измерить. Уменьшение сварочного тока I_св отрица­тельно сказывается на прочности точки.

Рис. 5.2. Распределение вторичного тока I₂ на сваривающий I_св

и ток шунтирования I_ш при сварке кольцевых изделий

Рис. 5.3. Распределение токов при многоточечном соединении

Степень шунтирования тока через кромки деталей, ранее сваренную точку или верхнюю деталь при односторонней сварке зависит от тепло- и электропроводности металла, его толщины, шага между точками и расстояния до края деталей, а также от порядка постановки точек и количества деталей в пакете. Поэтому для различных металлов и толщин рекомендуется минимально допустимый шаг, при котором ток шунтирования незначительно снижает прочность соединения. В тех случаях, когда по конструктивным пли другим соображениям принимается шаг точек меньше минимально допустимого, необходимо установить в выбранном режиме сварки ток на 10-30% больше, чем при сварке тех же деталей, но одиночной точкой.

5.2. Оборудование и материалы

5.2.1. Контактная машина МТ-1220.

5.2.1. Амперметр сварочного тока типа АСУ-1М.

5.2.3. Разрывная машина типа РГ-250М.

5.2.4. Штангенциркуль.

5.2.5. Набор слесарного инструмента.

5.2.6. Кольца из ферромагнитного материала.

5.2.7. Образцы для сварки размером 100´30´(0,5¸1,0) из различных материалов (по указанию преподавателя).

5.2.8. Наждачная бумага.

5.3. Порядок выполнения работы

5.3.I. Исследование влияния ферромагнитных масс

5.3.1.1. Подготовить восемь пар образцов из низкоуглеродистой стали и про­маркировать их (снять заусенцы и зачистить поверхности).

5.3.1.2. По справочным материалам подобрать режим для сварки данных заготовок.

5.3.1.3. Подготовить к работе контактную машину. Проверить работу в режиме холостого хода. Установить на машине подобранный режим.

5.3.1.4. Подготовить к работе прибор АСУ-1М.

5.3.1.5. Провести пробную сварку на технологическом образце и при необходимости скорректировать параметры режима до получения номинального диаметра ядра. Замеры диаметра ядра проводить после разрушения соединения при испытаниях на отрыв в разрывной машине (либо вручную в тисках).

5.3.1.6. На подобранном режиме сварить опытные образцы (по два на каждом режиме) без колец и последовательно одевая на ниж­нюю консоль машины ферромагнитные кольца. На каждом образце ставить одну точку, измеряя при этом сварочный ток.

5.3.1.7. Испытать на отрыв все соединения и провести измерения диаметра сварных точек. Результаты опытов занести в табл. 5.1.

5.3.2. Исследование влияния шунтирования

5.3.2.1. Подготовить образцы из различных материалов (по указанию преподавателя по четыре пары для каждого материала) и промаркировать их.

Таблица 5.1

№ опыта	Количество ферромагнитной массы	Параметры настройки	Режим сварки	Результаты испытаний и измерений
Ступень	Нагрев	Ток, кА	Время пер.	Усилие даН	Усилие даН	Диаметр мм

5.3.2.2. По справочным материалам найти рекомендуемые для исследуемых материалов параметры режима сварки н произвести настройку контактной машины.

5.3.2.3. Провести пробные сварки на технологических образцах для каждого материала и при необходимости скорректировать параметры до получения номинального диаметра ядра.

5.3.2.4. На подобранных для каждого материала режимах сварить опытные образцы (по два в каждом опыте), сначала в одной точке, а затем в трех, предварительно разметив места постановки точек. Для одноточечного соединения точка ставится в пересечении осей симметрии пластин. В трехточечных образцах точки ставятся также симметрично относительно кромок в следующей последовательности: сначала две на расстоянии друг от друга 15 мм и на одинаковом расстоянии, от краев пластин, затем третья точка ставится в центре между предыдущими точками. Во всех опытах необходимо измерять действующее значение сварочного тока.

5.3.2.5. Испытать на отрыв и замерить диаметр ядра всех одноточечных соединений.

5.3.2.6. В трехточечных соединениях высверлить две крайние точки и испытать на отрыв (с последующим измерением диаметра) центральной точки.

5.3.2.7. Все исходные данные и результаты опытов занести в табл. 5.2.

5.4. Содержание отчета

· Цель в задачи работы;

· эскизы одно- и трехточечного соединений;

· схема испытания образцов на отрыв;

· результаты опытов (табл. 5.1 и табл. 5.2);

· график зависимости сварочного тока и прочности сварной точки от количества ферромагнитных масс;

· диаграммы влияния шунтирования сварочного тока на прочность сварной точки для каждого материала;

· выводы по работе.

Таблица 5.2

№ опыта	Условия сварки	Мате-риал, толщина	Параметры настройки	Режим сварки	Результаты испытаний и измерений
Ступень	Нагрев	Ток кА	Время пер.	Усилие даН	Усилие даН	Диаметр мм

5.5. Контрольные вопросы

1. В чем сущность влияния ферромагнитной массы, внесенной в контур сварочной цепи, на прочность сварного соединения?

2. В чем заключается сущность шунтирования при контактной сварке?

3. Как влияют шунтирование и ферромагнитные массы на прочность сварной точки?