Міністерство освітита науки

Общие сведения

Способность соединяемых металлов образовывать при сварке качественное сварное соединение оценивают их свариваемостью [1, 2]. Свариваемость – комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.

Основные критерии свариваемости следующие:

- окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;

- сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;

- сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;

- чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;

- чувствительность к образованию пор;

- соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям; к таким свойствам относятся: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость и др.

Различают физическую и технологическую свариваемость. Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью.

Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.

Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, конструктивных особенностей свариваемого изделия и условий его последующей эксплуатации и пр.

Для оценки сопротивления деталей к концу нагрева используют упрощенную схему теплового состояния металла [2, 3]. В частности, считают, что сопротивление двух пластин толщиной δ можно представить как сумму сопротивлений двух других условных пластин I и II, каждая из которых нагрета до средней постоянной температуры Т₁ и Т₂ (рис. 1) и имеет ту же толщину δ. Тогда

. (1)

Удельные электросопротивления деталей ρ₁ и ρ₂ зависят от рода металла (табл. 2), вида его термомеханической обработки и температуры (рис. 2). Значения ρ₁ и ρ₂ определяют соответственно для температур Т₁ и Т₂. Так, при сварке деталей из низкоуглеродистых сталей принимают равными 1200 ºС и 1500 °С, а для алюминиевых сплавов 450 ºС и 630 ºС. Коэффициент k_п учитывает неравномерность нагрева деталей. Для сталей k_п = 0,85, для алюминиевых и магниевых сплавов – 0,9. Диаметр рабочей части электрода d_э = 2δ + 3. Коэффициент А равен отношению ( – электрическое сопротивление цилиндрического столбика металла длиной δ и диаметром d_э). За счет шунтирования тока в массу детали всегда меньше , а коэффициент А < 1. Кроме того, А зависит от отношения (рис. 3). Чем меньше это отношение, тем меньше А, тем больше разница между и . При сварке деталей толщиной 0,8 – 3 мм А ≈ 0,8.

Рисунок 1 – Схема расчета электрического сопротивления к концу цикла сварки

Таблица 2

Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов

Металл	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 С
Алюминий	2,7	0,2	0,73
Алюминиевые сплавы: АМц	4,2	0,16	0,65	0,82
Д16Т	7,3	0,125	0,5	0,9
АМг6	7,5	0,1	0,45	0,82
Бронза БрБ2	6,5	0,08	0,24	0,47		-
Вольфрам	5,5	0,17	0,35	0,25
Жаропрочные сплавы: ХН78Т		0,015	0,038	0,46		-
ХН60ВТ		0,01	0,025	0,44
Магниевый сплав		0,1	0,52	1,04
МА 2-1
Медь	1,75	0,36	1,05	0,38
Молибден	5,5	0,17	0,5	0,25
Стали: Низкоуглеродистая 08 кп		0,06	0,15	0,46
30ХГСА		0,04	0,104	0,48
Х15Н5Д2Т		0,018	0,05	0,46		-
12Х18Н10Т		0,016	0,04	0,46
Титановые сплавы: ОТ4		0,01	0,036	0,58
ВТ6		0,008	0,03	0,54		-
ВТ15		0,008	0,03	0,5		-
Цирконий		0,017	0,09	0,28		-

Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца:

, (2)

где Q_ээ – общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения;

т_r – коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки.

Рисунок 2 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента А от отношения dэ/δ

Для низкоуглеродистых сталей т_r ≈ 1, для алюминиевых и магниевых сплавов – 1,15, для коррозионно-стойких сталей – 1,2, для сплавов титана – 1,4.

В свою очередь Q_ээ определяется по уравнению теплового баланса:

Q_ээ = Q₁ + Q₂ + Q₃, (3)

где Q₁ – энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления Т_пл столбика металла высотой 2δ и диаметром основания d_э;

Q₂ – теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х₂, окружающего ядро; среднюю температуру кольца принимают равной 0,25Тпл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте деталей;

Q₃ – потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х₃ до средней температуры Т_э.

Считая, что температуру на контактной поверхности Т_эд ≈ 0,5Т_пл, а Т_э ≈ 0,25Т_эд, можно принять, что Т_э = Т_пл/8 (рис. 4).

Энергия Q₁ расходуется на нагрев до Т_пл объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:

, (4)

где с – удельная теплоемкость;

γ – плотность.

Рисунок 4 – Схема расчета сварочного тока

При расчете Q₂ принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х₂ от границы ядра. Значение х₂ определяется временем сварки и температуропроводностью металла:

, (5)

где a – коэффициент температуропроводности металла.

Если площадь кольца , высота 2δ, а средняя температура нагрева , то ориентировочно

, (6)

где k₁ – коэффициент, близкий к 0,8, учитывает, что средняя температура кольца несколько ниже средней температуры Т_пл/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 электроды Q₃ можно оценить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной и объемом до Т_пл/8. Коэффициент k₂ учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k₂ = 1, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k₂ = 1,5, а для электрода со сферической рабочей поверхностью k₂ = 2, Тогда

, (7)

где с_э и γ_э — теплоемкость и плотность металла электрода.

Зная составляющие теплового баланса, по формуле (2) определяем Q_ээ. Далее, пользуясь формулой (1), можно рассчитать действующее значение сварочного тока.

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 приодносторонней 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 ядра.

Рисунок 5 – Шунтирование тока при двухсторонней точечной сварке

Значение тока шунтирования можно оценить по формуле

, (8)

где r_ээ и r_ш – электрическое сопротивление зоны сварки и шунта;

, (9)

где b_пр – приведенная с учетом растекания тока ширина шунта;

t_ш – шаг между точками;

К_э ≈ 0,4.

Расчет

Определить силу тока при точечной сварке листов из низкоуглеродистой стали толщиной δ = 2,5 мм электродами с диаметром рабочей поверхности Ø8 мм и временем сварки t_св =0,28 с. Температура ликвидуса стали T_пл = 1440 °С, удельная теплоемкость стали c = 0,46 кДж/(кг·К), меди – с = 0,38 кДж/(кг·К), плотность стали γ = 7800 кг/м³, меди – γ = 8900 кг/м³, температуропроводность стали – α = 0,04·10^-4 м²/с, меди – α = 1,05·10^-4 м²/с. Сопротивление листов к концу процесса сварки = 59 мкОм. Произведем расчет в следующей последовательности:

Согласно выражению (4):

кДж.

Определим согласно формуле (6) Q₂ при k₁ = 0,8 и х₂ =4 = 4·10 м.

Согласно выражению (7) определим Q₃ при k₂ = 1,5 и х₃ = 4 = 22·10 м.

кДж.

Тогда согласно формуле (3) Q_ээ ≈ 1,3 + 7,9 + 1,5 ≈10,7 кДж, а I_св согласно (2)

I_св = ≈16 кА.

Ро=0,04 bпр=8

rш= =0,96 Ом согласно формуле (9)

Iш= =1,97 согласно формуле (8)

Литература

1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. – М.: Высш. школа, 1988 – 559 с.

2. Орлов Б.Д., Чакалев А.А., Дмитриев Ю.В. и др. Технология и оборудование контактной сварки. - М.: Машиностроение, 1986 – 352 с.

3. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Под ред. Н.А. Ольшанского. – М. : Машиностроение, 1978. – т.1. – 504 с.

Вывод: В результате проведенных расчетов установлено, что для сварки 12Х18Н10Т материала толщиной 2,5 мм необходимы следующие параметры режима сварки I_св≈16 кА.

Свариваемость стали удовлетворительная.

Вступление

Точечная контактная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей свариваемых деталей. С помощью точечной сварки можно создавать до 600 соединений за 1 минуту. Применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм) электронных приборов, для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности. Точечная сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля — Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. В процессе сварки ток проходит от одного электрода к другому через металл заготовок. Электроды для контактной точечной сварки изготовляются из сплавов с высокой электропроводностью, чтобы сопротивление в контакте электрод-деталь было минимальным. Поэтому в местах контактов деталь-деталь происходит наибольший нагрев за счет наибольшей величины электрического сопротивления. Разогрев и расплавление металла под действием электрического тока приводит к образованию литого ядра сварной точки, диаметр которой обычно составляет 4—12 мм.

Различают мягкий и жесткий режимы точечной сварки. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью времени сварки и плавным нагревом заготовок умеренными силами тока, с плотностью тока на рабочей поверхности электрода обычно не превышающей 100 А/мм². Время протекания тока обычно 0,5—3 секунды. Преимуществами мягких режимов являются меньшие потребляемые мощности, по сравнению с жесткими режимами; меньшие нагрузки сети; менее мощные и более дешевые сварочные машины, необходимые для производства точечной сварки; уменьшение закалки зоны сварки. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.

Жесткий режим точечной сварки характеризуется малой продолжительностью времени сварки, бо́льшими, чем при мягком режиме, значениями силы тока и значительным сжимающим давлением электродов. Плотности тока достигают 120—300 А/мм² при сварке стали. Время протекания тока обычно 0,1—1,5 секунды. Давление электродов обычно принимают в пределах 3—8 кг/мм². К недостаткам жестких режимов относятся повышенная мощность, потребляемая при сварке; значительные нагрузки сети; мощные сварочные машины. Преимущества — уменьшение времени сварки и повышение производительности. Жесткие режимы применяют при сварке алюминиевых и медных сплавов, с высокой теплопроводностью, деталей неравной толщины и разноименных деталей, а также высоколегированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИТА НАУКИ

ХАРКІВСЬКИЙТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХПІ»

Розрахункове завдання

З дисципліни

«Технологія конструкційних матеріалів»

Виконав студент гр. МТ-10а

Сєвєрін О. Ю.

Перевірив Сітніков Б.В.

Харків 2011