Характеристика материала изделия и оценка его

СВАРИВАЕМОСТИ НА КОНТАКТНЫХ МАШИНАХ

Научный раздел

Литературный обзор современного состояния технологий сварки давлением указанных материалов (в соответствии с вариантом) с учетом их физико-химических свойств, а также особенности проектирования технологической оснастки при серийном производстве с учетом материалоемкости и энергоемкости.

Пояснительная записка

Исходя из условий работы изделия, студент должен обосновать (или выбрать) материал для конструкции, учитывая его технологичность, стоимость и т. д.

В пояснительной записке следует привести химический состав сплава, его основные физические свойства (коэффициент тепло- и электропроводности, теплоемкость, температуру плавления, плотность и т. п.), а также его механические характеристики, вид термообработки. Все сведения о металле изделия сводятся в таблицы.

Оценка свариваемости должна производиться по литературным данным, исходя из теплофизических свойств металла или сплава и общих представлений о процессе образования соединений при контактной сварке.

При этом необходимо указать на условия образования сварного соединения в жидкой и твердой фазе, возможные изменения химического состава и структуры металла. Кроме того, необходимо провести анализ степени развития сопутствующих процессов, например эффекта воздействия тепла на металл околошовной зоны. Проанализировать процессы, которые могут протекать в околошовной зоне в результате термического цикла и пластической деформации, способствующие образованию закалочных структур, холодных и горячих трещин, потере коррозионной стойкости и др.

В результате этого анализа должен быть выбран оптимальный для данного материала и конструкции изделия термомеханический цикл по усилию сжатия или осадки, току, скорости оплавления и осадки, продолжительности нагрева и т. д. В частности, при точечной или шовной сварке высокопрочных материалов целесообразно использовать относительно мягкие режимы при значительных условиях сжатия. Соединения деталей из закаливающихся сталей, например типа 30ХГСНА, рекомендуется производить с применением программированных по току режимов. Сварка деталей больших толщин отличается использованием повышенного ковочного усилия.

ОБОСНОВАНИЕ СПОСОБА СВАРКИ И ВЫБОР ТИПА

СОЕДИНЕНИЯ

На основании анализа особенностей конструкции, условий работы изделия и свариваемости материала производится выбор способа контактной электросварки (точечной, шовной, рельефной, стыковой и др.). При этом необходимо учитывать требования к плотности сварных соединений, возможности коробления деталей, удобства подхода электродов и роликов к месту сварки, технологичность и производительность процесса (программу выпуска изделий). При изготовлении изделий сложной формы в условиях массового производства можно использовать многоточечную сварку.

С учетом выбранного способа сварки студент должен спроектировать сварное соединение и представить его эскиз с указанием всех размеров (толщины деталей, величины нахлестки, расстояния точки или оси шва от края и т. д.) и обозначением сварных соединений по ГОСТ 15878 – 79.

РАСЧЕТ РЕЖИМОВ СВАРКИ

Выбор рационального режима сварки является важнейшим условием получения качественных сварных соединений. Исходными данными для определения режима сварки служат теплофизические свойства и толщина металла деталей, а также особенности применяемого сварочного оборудования. Данные по расчету и выбору параметров сварочного режима для конструкции из различных материалов и сплавов являются исходными при конструировании соответствующего оборудования контактной точечной сварки.

4.1 Определение параметров режима точечной сварки (табл. 1)

Величина сварочного тока, необходимая для образования сварной точки, может быть определена по закону Джоуля – Ленца [12]:

где I_cв – действующее значение тока при любой форме импульса (под I_cв понимается условная величина постоянного тока, вызывающего тот же тепловой эффект, что и действительный импульс), А;

Q_ЭЭ – теплота, выделяющаяся при протекании тока через участок «электрод – электрод», Дж;

m_r – коэффициент, учитывающий изменение сопротивления во время сварки. Для низкоуглеродистых и низколегированных сталей m_r= 1,0...1,1; для алюминиевых и магниевых сплавов m_r= 1,2…1,4; для коррозионно-стойких сталей и титана m_r = 1,1…1,2;

R_д.кон. – сопротивление деталей к концу нагрева (приложение Б);

t_св – технологически целесообразное время.

Таблица 1 – Параметры некоторых конструктивных элементов

точечных и шовных соединений группы А

(ГОСТ 15878 – 79) при сварке деталей одинаковой

толщины однорядным швом, мм*

Толщина деталей d₁ = d₂	Минимальный диаметр литого ядра, ширина литой зоны	Минимальная величина нахлестки, В	Минимальный шаг между точками для алюминиевых, магниевых, медных сплавов
Алюминиевые, магниевые, медные сплавы	Стали, титановые сплавы
0,5
1,0
1,2
1,5
2,0
2,5
3,0
4,0
5,0
6,0

Примечание. * При d₁ ¹ d₂ диаметр ядра выбирают в пределах (1...1,25) меньшей толщины листа.

Теплота Q_ээ определяется по формуле

Q_ээ = Q₁+ Q₂+ Q₃,

где Q₁ – энергия, затрачиваемая при нагреве до температуры плавления Т_пл, К, столбика металла свариваемых деталей высотой 2d и диаметром основания d_я,

здесь С – теплоемкость свариваемого метала, Дж/кг^.К;

g – плотность свариваемого металла, кг/м³;

d – толщина одной пластины, м;

d_я– диаметр литого ядра сварной точки, регламентируется ГОСТ 15878 – 79 [14]. Для упрощения в дальнейших расчетах принимать d_я= d_к – диаметр контакта электрода с деталью;

Q₂ – теплота, расходуемая на нагрев до Т_ПЛ/4, К, свариваемого металла в виде кольца шириной Х₂, окружающего литое ядро:

Q₂= К₁p Х₂(d_я + Х₂)2d с g (DТ_пл/4),

здесь К₁ – коэффициент, близкий к 0,8, учитывает, что средняя температура кольца ниже средней температуры ΔТ/4 в связи со сложным распределением температуры;

Х₂ – ширина кольца, окружающего ядро, м. На практике для низкоуглеродистых и низколегированных сталей принимают Х₂= 1,2 ·10^-2; для нержавеющих Х₂= 1,1 ·10^-2; для алюминиевых сплавов Х₂= 3,1 ·10^-2; для меди Х₂=3,3 ·10^-2; для сплавов титана Х₂= 1,1 ·10^-2 (t_св – время сварки);

Q₃– потери теплоты в электроды или нагрев условного цилиндра (внутри электрода) высотой Х₃ до средней температуры:

Т_з = DТ_пл/8,

Q₃= 2К₂(pd_я/4)Х₃С₃g₃ (DТ_пл/8),

здесь К₂ – коэффициент, учитывающий форму электрода (для цилиндрического К₂= 1; для конического К₂ = 1,5; для сферического К₂ = 2,0);

Х₃ – определяется временем сварки и температуропроводностью, м (Х₃= 3,3 ·10^-2);

С_э, Дж/кг·К и g, кг/м³– теплоемкость и плотность металла электрода соответственно (приложение Б).

Сопротивление деталей к концу нагрева R_д.кон определяется по справочным данным, полученным при сварке на номинальных режимах и номинальных размерах литой зоны соединений (приложение Б).

Сопротивление шунта находится из формулы

R_ш = К_п r_т (2 l/hd),

где К_п – коэффициент поверхностного эффекта (табл. 2);

r_т – удельное электрическое сопротивление материала пластин при температуре, равной 0,2...0,4 Т_пл (меньшие значения относятся к материалам с большей теплопроводностью). В расчетах можно принять: для малоуглеродистых сталей r_т = 80·10^-8 Ом·м; для нержавеющих сталей r_т= 110·10^-8 Ом·м; для титановых сплавов r_т= 120·10^-8 Ом·м; для алюминиевых сплавов r_т = 95·10⁸ Ом·м;

1 – шаг точек, м·10^-3;

h – ширина полосы, по которой шунтируется ток, м. Величина h находится из зависимости h/1 = ¦(1d_к), представленной на рис. 1.

Таблица 2 – Зависимость коэффициента поверхностного эффекта от толщины листов

d, м·10^-3		1,5
К_п		1,2	1,3	1,5	1,9	2,6		3,6

Ток шунтирования через ранее сваренную точку определяется выражением

I_ш = I_св(R_д.кон / R_ш).

Ток во вторичном контуре машины I₂ находится по формуле

I₂= I_св+ I_ш.

Эквивалентное сопротивление R_экв, необходимое для расчета сопротивления сварочного контура, находится из формулы

R_экв = R _ш R_д.кон / R_ш R_д.кон.

Рисунок 1 – К определению эквивалентной ширины h ветви

шунтирования при точечной сварке (в расчетах принять d_к = d_я)

Ток во вторичном контуре машины I₂ находится по формуле

I₂= I_св I_ш.

R_ш = .