Характеристики параметров сварки режимы сварки

Курсовая работа

По дисциплине: «Оборудование и технология сварки давлением»

На тему: «Контактная шовная сварка, сущность, параметры режимов сварки, применение».

Выполнил:

студент гр.10403112 А.М.Трохимик

Принял: к.т.н., доцент Б.М. Данилко

Минск 2015

Оглавление

Оглавление. 2

2. ВВЕДЕНИЕ. 3

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ.. 4

4. СХЕМА ПРОЦЕССА СВАРКИ.. 5

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ РЕЖИМЫ СВАРКИ.. 8

6. ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА.. 16

7. СХЕМЫ И ФОТО ОБОРУДОВАНИЯ. 18

8. ПРИМЕНЕНИЕ. 20

9. ЛИТЕРАТУРА.. 21

ВВЕДЕНИЕ

Родоначальник контактной сварки - английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), который в 1856 г. впервые применил стыковую сварку. В 1877 г. в США Элиху Томсон самостоятельно разработал стыковую сварку и внедрил ее в промышленность. В том же 1877 г. в России Н.Н.Бенардос предложил способы контактной точечной и шовной (роликовой) сварки. На промышленную основу в России контактная сварка была поставлена в 1936 г. после освоения серийного выпуска контактных сварочных машин.

Шовная контактная сварка представляет собой аналог-разновидность точечной сварки, при которой детали соединяют внахлёст непрерывным либо прерывистым швом.

Последний и образует необходимый ряд сварочных точек. Точки же, в свою очередь, получают во время перемещения деталей меж дисковыми вращающимися электродами (второе наименование данного механизма — ролики).

Шовная сварка во многом схожа с точечной разновидностью, однако конические электроды, предоставляющие сварные отдельные точки, в ней заменены роликами.

Отсюда и пошло второе название данной разновидности сварки – роликовая.

Катящиеся по линии сварки ролики, дают непрерывный плотно-прочный сплошной шов, непроницаемый для жидкостей, а также газов. Их основное предназначение – плотно сжимать соединяемые детали.

Ключевым признаком, таким образом, данного типа сварки является наличие в форме ролика минимум одного электрода, катящегося по шву.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОЦЕССА СВАРКИ

Контактная сварка (электрическая контактная сварка) – это процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов путем их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.

Контактная сварка относится к комбинированным (термомеханическим) способам сварки.

Почти на всех языках такой способ называется электрической сваркой сопротивлением, причем имеется в виду омическое сопротивление проводника прохождению электрического тока, играющее большую роль в этом процессе. В русском языке более употребительно название «электрическая контактная сварка», подчеркивающее главенствующую роль в данном процессе электрического контакта между свариваемыми деталями.

Контактная сварка очень широко распространена в промышленном производстве, что обусловлено следующими ее преимуществами:

· высокой производительностью, определяемой возможностью вести процесс с потреблением большой электрической мощности;

· широкой возможностью автоматизации сборочно-сварочных работ, позволяющей сравнительно просто встраивать машины контактной сварки (или сварочную часть машины) в поточные сборочно-сварочные линии;

· высоким и стабильным качеством сварки, практически не зависящим от квалификации сварщика;

· отсутствием потребности в специальных технологических материалах (присадочная проволока, флюсы, газы и т.п.);

· относительно высокой культурой производства и благоприятными условиями труда.

СХЕМА ПРОЦЕССА СВАРКИ

Применяют три способа шовной сварки: непрерывную, прерывистую с непрерывным вращением роликов, шаговую с периодическим вращением роликов.

Непрерывная шовная сварка выполняется сплошным швом при постоянном давлении роликов на свариваемые поверхности и при постоянно протекающем сварочном токе в течение всего процесса сварки. При этом способе большое значение имеют тщательная зачистка свариваемых поверхностей, равнотолщинность соединяемых листов и однородность состава металла.

Прерывистая сварка с непрерывным вращением роликов также выполняется при постоянном давлении роликов, но в этом случае сварочная цепь периодически замыкается и размыкается. Шов формируется в виде перекрывающих друг друга сварных точек и отличается более высоким качеством.

Рис.4.1. Односторонняя шовная сварка

Шаговая шовная сварка осуществляется при постоянном давлении роликов; при этом сварочная цепь замыкается в момент остановки роликов. Такой способ обеспечивает более рельефный шов, за счет качественного формирования сварной точки. Однако машины для реализации шагового способа сварки с периодическим вращением роликов отличаются сложностью конструкции и малой производительностью.

В тех случаях, когда невозможно подвести ролики к свариваемому изделию с двух сторон, применяют одностороннюю шовную сварку (рис.4).

Шовно-стыковая сварка – разновидность шовной сварки, применяется для соединения труб с продольным сварным швом.

Рис.4.2. Принцип шовно-стыковой сварки

Из стальной ленты необходимой ширины (рис.5) специальными формирующими роликами подготавливают трубную заготовку 3 с верхним расположением стыка 4 кромок заготовки. Заготовка подается стыком под сварочные ролики 2, к которым подводится сварочный ток от трансформатора 1. Давление прижима передается заготовке через нажимные ролики 5. После заварки шва производится его обработка фрезой, правка и разрезка заготовки на трубы заданных размеров. Этим способом изготовляют трубы диаметром 14…600 мм с толщиной стенок 0,5…12,5 мм.

Заготовки накладывают друг на друга и зажимают обычно между двумя дисковыми электродами усилием сжатия F_св (P). При подаче тока металл в зоне контакта деталей по оси электродов начинает нагреваться и расплавляться. По мере движения (прокатывания) заготовок между дисковыми электродами образуются новые сварные точки, перекрывающие или не перекрывающие друг друга. Как и при точечной сварке, не требуются специальные средства защиты расплава от взаимодействия с атмосферой.

Рисунок 4.3. Циклограмма непрерывной шовной сварки

Наиболее распространена прерывистая шовная сварка, осуществляемая при импульсной (прерываемой) подаче тока, непрерывном перемещении заготовок и постоянном давлении роликов. При каждом импульсе сварочного тока формируется единичная литая зона. Для образования герметичного шва с перекрывающимися сварными точками подбирается определенное соотношение скорости вращения дисковых электродов и частоты импульсов тока.

Рисунок 4.4. Циклограмма прерывистой шовной сварки

При шаговой шовной сварке к роликам прикладывается постоянное давление, детали перемещаются прерывисто (пошагово), а ток подается только во время остановки роликов. При этом контактируемые поверхности роликов и заготовок меньше перегреваются. Однако машины для данного способа сварки конструктивно сложнее и менее производительны.

Рисунок 4.5. Циклограмма шаговой шовной сварки

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ РЕЖИМЫ СВАРКИ

Основными программируемыми параметрами процесса шовной сварки являются ток, усилие сжатия электродов, продолжительность их действия и геометрия рабочей поверхности электродов. Параметры процесса, как принято, будем считать заданными, если они указаны для единичного цикла формировании отдельной сварной точки как в случае шовной сварки. В связи с тем, что получение сварного соединения с заданными прочностными свойствами, в большинстве случаев, тождественно получению соединения и заданными размерами зоны расплавления, диаметр ядра и проплавление будем применять в качестве критерии качества процесса. Это позволяет исключать из рассмотрения конструкцию сварного узла, металлургические Особенности формирования соединения и т.п.

Известно, что при шовной сварке возможно достаточно большое сочетание величин тока и усилии, которые удовлетворяют задаче формирования литого ядра с заданными размерами. Это свидетельствует о том, что параметры процесса неоднозначно зависят от свойств свариваемого металла и его толщины. Их величина и поле допуска зависят от режима сварки и применяемого оборудовании. В ряде случаев именно оборудование предопределяет режим сварки. При всех прочих равных условиях, как стабильность свойств металла, качество его подготовки, идентичность электродов и др., наиболее стабильные результаты по сварке многих металлов поручаются на машинах, работающих с использованием энергии, запасенной в конденсаторах. Если режимы сварки, характерные для конденсаторных машин, применять при сварке на низкочастотных машинах, то результаты будут нестабильными. Допуск на разброс величины тока и продолжительность его действия, автоматически заданные исходя из режима сварки на конденсаторной машине, не могут быть выдержаны при сварке на низкочастотной машине. Поэтому для ослабления тесноты связи с размерами ядра тех параметров процесса, которыми в данной ситуации точно управлять не удается, режим сварки изменяют, удовлетворяя минимальным требованиям, предъявляемым к качеству. В приведенном примере нестабильность амплитуды тока и продолжительности его действия компенсируется тем, что переходят к мягким режимам, т.е. снижают несколько амплитуду тока и увеличивают продолжительность его действия. Такое изменение не является улучшением, несмотря на увеличение допуска на амплитуду тока и продолжительность его действия, так как более жесткими становятся требования к другим параметрам процесса, например к геометрии рабочей поверхности электродов. Кроме того, увеличивается частота заправки электродов, уменьшается их стойкость.

Предпочтительные, рекомендованные режимы отражают как свойства свариваемых металлов, так и возможности по управлению процессом, т.е. преимущества и недостатки имеющегося оборудования. В связи с тем, что обоснование и выбор режима сварки является самостоятельной задачей, способы решения которой достаточно полно рассмотрены в литературе, будем считать режимы сварки заданными. Допустимые отклонения параметром процесса примем равными тем отклонениям, которые разрешаются для оборудования контактной сварки.

Существует много технических приемов задания параметров процесса через параметры цикла, в том числе от дельных интервалов времени между командами на исполнительные устройства сварочной машины. Однако с точки зрения обеспечения технологического цикла сварки отдельной точки можно выделить самостоятельные этапы, отвлекаясь от технических особенностей устройств управления.

Циклограмма, приведенная на рис. 5.1, отражает особенности задания параметров процесса через параметры цикла. Можно считать, что каждый этап и соответственно каждая величина, характеризующая его, является самостоятельным параметром, так как имеет отличное целевое назначение. Очевидно, что на отдельных этапах цикла величины допусков для тока и усилия будут различными. Время необходимо для того, чтобы электроды машины успели переместиться и сжать металл с вполне определенным усилием. На этом этапе к устройствам, отсчитывающим интервал времени, не предъявляется жестких требований. Аналогично, в тех случаях, когда применяется предварительное, обжатие, интервал, в течение которого электроды вжимают металл с повышенным усилием , также можно выдерживать с невысокой точностью. Эти требовании распространяются и на устройства, задающие время сжатии металла по окончании действия тока а также на интервал, соответствующий разомкнутому состоянию электродов . Как правило, указанные интервалы цикла в условиях производства не контролируются. Установившими усилия сжатия электродов и оказывают существенное влияние на качество сварных соединений и поэтому подлежат обязательному контролю, хотя допустимые отклонения их от заданного значения для , , различны.

Рис. 5.1. Типичная циклограмма процесса шовной сварки

Длительность нарастания ковочного усилия является одной из основных характеристик привода усилия сжатия электродов и может оказывать сильное влияние на образовании макродефектов в литой зоне соединения. Вследствие инерционности механизма сжатия электродов основное стремление состоит в увеличении скорости нарастания усилия . У лучших образцов машин составляет не более 0,02 сек, считая от момента подачи команды на исполнительный механизм до момента времени, когда достигло уровня 2/3 от установившегося. Важным параметром цикла является интервал , определяющий момент включении ковочного усилия по отношению к импульсу сварочного тока . В связи с тем, что даже относительно малая нестабильность этих параметров цикла существенно влияет на качество соединения, их необходимо периодически контролировать.

Особое значение имеют временные интервалы цикла , и , характеризующие программу изменения тока, а также величины тока и . Однако точность зада ния параметров цикла и , может быть меньше, чем и .

В результате исследовательских работ и производственного опыта по контактной шовной сварке установлено, что в большинстве случаев можно принять следующую необходимую точность (в %) воспроизведения сварочной машиной основных этапов цикла (см. рис. 5.1.):

Таблица 1.

Величина сварочного тока,
Длительность импульса сварочного тока,
Величина дополнительного импульса тока,
Длительность дополнительного импульса тока,
Пауза между импульсами,
Включение ковочного усилия,
Пауза между импульсами при шовной сварке
Сварочное усилие,
Ковочное усилие, (усилие обжатия, )

Приведенные значения допустимых отклонений параметров справедливы для тех случаев, когда сварка осуществляется на режимах, оцениваемых как предпочтительные. Все случайные отклонения параметров должны находиться внутри поля допуска. Предполагается, что распределение плотности вероятных отклонений близко к нормальному распределению. Применяя контрольно-измерительную аппаратуру и статистически обрабатывая данные измерений, можно в каждом конкретном случае в зависимости от ответственности данного изделия задаться числом допустимых предельных отклонений параметров. Ориентировочно в среднем число точек, при котором любой из параметров принимает один раз предельное допустимое значение, не должно быть слишком большим, например, 1 раз на 100…200 точек. Малое допустимое среднеквадратичное отклонение параметров процесса объясняется тем, что вероятность брака зависит от совокупности отклонений всех параметров процесса в целом. Кроме того, сварочное оборудование, как правило, является универсальным и рассчитывают его так, чтобы можно было сваривать детали не только из одного конкретного металла, а из совокупности металлов, для каждого из которых требования к точности задания хотя бы одного параметра были наиболее высокими. Обычно, в реальных условиях указанные предельные отклонения параметров не приводят к браку.

Например, на рис.5. 2 приведены частные данные, характеризующие стабильность процесса сварки деталей толщиной 1,5+1,5 мм из сплава Д16. Предельные отклонения параметров процесса, вызывающие недопустимое снижение качества сварки, находятся вне поля допуска, указанного выше. Предположим, что разброс параметров сварочной машины не превышает границы допуска. Ситуации, при которой возможно недопустимое снижение качества, возникает лишь в том случае, когда два или большее число параметров одновременно принимают предельно допустимые значения. Равновероятны такие неблагоприятные события: уменьшился на 5%, возросло на 10%; возрос на 5%, увеличилось на 10%; и возросли на 5%; и уменьшились на 5%; возросло на 10%, уменьшилось на 5%; уменьшилось на 10%, увеличилось на 5%; уменьшилось на 15%, увеличилось на 5%; уменьшился на 5%, радиус электродов увеличился с 75 до 200 мм; увеличилось на 10%, а радиус электродов увеличился с 75 до 200 мм. Пусть, вероятность того, что в названных ситуациях возникает брак, равна 0,5, а предельные отклонения параметров процесса случаются в среднем 1 раз на 50 точек. Тогда на каждую тысячу точек в среднем хотя бы две точки не будут соответствовать принятому стандарту.

Рис. 5.2. Зависимость размерен литого ядра от изменений параметров режима (материал Д16АТ, толщина 1,5+1,5 мм):

а — от амплитуды тока ;

б — от усилия сжатия электродов ;

в — от величины ковочного усилии и времени его включения ; кгс; кгс; кгс;

е — от времени действия тока ;

д — от радиуса электродов

Предположим, что на 200 точек случается одно отклонение каждого параметра, выходящее за границы допуска и с вероятностью 0,9 можно утверждать, что при этом появляется брак. Тогда вероятность появления брака резко возрастает и составляет примерно 3% от общего числа точек.

Возможные случайные отклонения в подготовительных операциях, например ухудшилось качество травления поверхности, плоха подгонка деталей, имеет место разнотолщинность, металла, изменились его физические свойства, способствуют увеличению общего числа случаев брака.

При статистическом анализе производства деталей из сплава АМг6 наблюдался разброс параметров процесса, оцениваемый среднеквадратичными отклонениями: ; , рабочей поверхности электродов , сопротивления деталей после травления . Количество точек, не соответствующие принятому стандарту, составило 5% общего числа точек. Очевидно, что к измерительной и контрольной аппаратуре предъявляются весьма высокие требования по точности, так как предельно допустимые отклонения параметром в ряде случаев менее 5%. Измерительная аппаратура должна обеспечивать точность на несколько классов выше. К сожалению, при разработке даже специализированной аппаратуры не всегда удается полностью удовлетворить эти требования. Поэтому при рассмотрении приборов и устройств высказаны замечания о целевом назначении и области применения отдельных устройств, которые имеют несколько худшие показатели точности, и не удовлетворяют решению вопроса в целом, но с успехом могут применятся при решении частных задач.

В таблице 2 приведены режимы сварки низкоуглеродистой, низколегированной стали и алюминиевых сплавов

Таблица 2

Таблица 3. Режимы шовной сварки нержавеющей стали с применением ламповых прерывателей.

Толщина заготовок в мм	Ширина контактной поверхности роликов в мм	Давление в кг	Время включения тока в сек.	Время выключения тока в сек.	Приблизительное число прерываний	Скорость сварки в м/мин	Сила сварочного тока в а	Примерный шаг точек в мм
в сек.	на 1 м шва
0,1+0,1			0,02	0,02			1,5
0,2+0,2			0,02	0,02			1,5
0,3+0,3			0,04	0,02			1,5		1,5
0,4+0,4			0,04	0,04	12,5		1,5
0,5+0,5			0,04	0,04	12,5		1,5
0,6+0,6			0,06	0,04			1,2
0,8+0,8			0,06	0,04			1,0		1,67
1,0+1,0			0,06	0,06	8,3		1,0
1,2+1,2			0,08	0,08	6,2		1,0		2,66

6. ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА

Нагрев и плавление металла происходят за счет выделения теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении через них электрического тока. Полное количество теплоты, генерируемое между электродами за время сварки ( ), определяется законом Джоуля—Ленца

, (1)

где — мгновенные значения сварочного тока, обычно меняющиеся в процессе сварки; — общее сопротивление металла между электродами в момент времени . При сварке двух деталей из одного и того же металла и равной толщины (см рис.)

, (2)

где — собственное активное сопротивление деталей; — контактное сопротивление менаду электродом и деталью; — контактное сопротивление между деталями.

Рис.6.1. Электрическое сопротивление зоны сварки:

а — распределение сопротивлений; б — эквивалентная электрическая схема

Условный, изменяющийся в процессе сварки диаметр контакта (электрод—деталь и деталь—деталь) равен диаметру рабочей поверхности . Для электродов с идеальной сферической поверхностью диаметр контакта значительно изменяется в процессе сварки, например, в 1,5…2 раза с момента включения до момента выключения тока. Однако при выполнении большого числа точек на рабочей поверхности этих электродов образуется плоская площадка, диаметр которой приблизительно равен , т.е. и в этом случае . Однако края площадки на электродах с плоской рабочей поверхностью постепенно скругляются. Таким образом, несмотря на отличие первоначальной формы указанных типов электродов, наблюдается тенденция к образованию наиболее устойчивой конфигурации рабочей поверхности, отличающейся наличием плоской площадки на рабочей части с плавным переходом к наружной цилиндрической части электрода.

Сумму сопротивлений часто называют общим контактным сопротивлением.

Для анализа роли в процессе нагрева контактных и собственных сопротивлений удобно представить уравнение (1) в следующем виде:

(3)

На сопротивления и в той или иной степени влияют свойства металлов, форма соединяемых деталей, усилие сжатия, неравномерность нагрева, состояние поверхности. Разделение сварочного контакта на зоны в значительной мере условно, так как электрические поля в них взаимосвязаны.

Всю совокупность факторов не представляется возможным учесть расчетным путем, поэтому во многих случаях прибегают к экспериментальным данным и упрощенным приближенным расчетам.

Обычно составляющие электрических сопротивлений (2) рассматривают в условиях холодного (до включения сварочного тока) и горячего (при протекании сварочного тока) состояний контакта. Холодный контакт мало характерен для сварки. Поэтому большое внимание уделяют горячему контакту (на стадии нагрева) и особенно конечному значению его сопротивления, которое при заданных условиях сварки обычно стабилизируется и определяется в основном собственным сопротивлением деталей. В конце цикла нагрева при высоких значениях давлений (250…600 МПа) и температур роль контактных сопротивлений становится незначительной.