Допускаемая величина зазоров при КТС

Влияние деформирования деталей на усилие сжатия в свариваемом контакте

Из силовой схемы двусторонней точечной сварки (см. рис.1.1) следует, что усилие сжатия в контактах электрод–деталь и деталь–деталь равны усилию сжатия деталей электродами. Однако это всегда справедливо только для контактов электрод–деталь. Что же касается усилия сжатия в контакте деталь–деталь, то во многих случаях сварки оно отличается от усилия сжатия деталей электродами. И причиной этого являются зазоры, которые приводят к тому, что некоторая часть усилия сжатия электродов (в дальнейшем будем обозначать ее — F_Д) затрачивается на деформирование свариваемых деталей при их сближении до соприкосновения. Вследствие этого усилие в площади свариваемого контакта F_C меньше усилия сжатия электродов F_Э на величину F_Д.

Оценка величины отклонения F_C от F_Э важна не только для формирования начальных контактов, а для всего процесса формирования соединений при КТС. Так, устойчивость процесса формирования соединений против образования выплесков при традиционных способах сварки связывают, в частности, с наличием зазоров между свариваемыми деталями. При этом основной причиной образования выплесков при наличии зазоров считают значительное уменьшение усилия сжатия деталей в свариваемом контакте, несмотря на то, что величину зазоров при КТС жестко регламентируют (табл. 2.1) [10, 11, 91, 95].

Очевидно, что такие допуски, в особенности при сборке крупногабаритных изделий, например, при сборке обечаек диаметром в несколько метров с перегородками или набором, выдержать весьма проблематично. Такие ограничения, несомненно, удорожают технологию сборки и сварки. При этом, конкретные результаты исследований, которые бы установили степень влияния F_Д на отклонение F_С от F_Э в процессе КТС и тем самым обосновали бы такое объяснение причин повышенной склонности процесса сварки к образованию выплесков и такие жесткие допуски на величину зазоров, очень немногочисленны.

Таблица 2.1

Допускаемая величина зазоров при КТС

Длина участка (мм)	Толщина более тонкой детали — s, мм
	0,3 ≤ s < 1	1 ≤ s < 1,5	1,5 ≤ s < 2,5
Допускаемая величина зазоров δ, мм
	0,5	0,4	0,3	0,2
	1,0	0,8	0,6	0,4
	1,5	1,2	0,9	0,6

 

По-видимому, наименее трудоемким было бы расчетное определение величины F_Д, например, решением известного уравнения С. Жермен – Лагранжа, описывающего прогиб пластинки [96],

, (2.2)

где w – величина прогиба пластинки; x и y – координаты; q – внешняя нагрузка; D – цилиндрическая жесткость листа, равная

;

здесь E – модуль упругости; s – толщина листа; μ – коэффициент Пуассона.

Однако точное решение уравнения (2.2) даже для идеализированных граничных условий представляет большие трудности и, например, по мнению автора работы [97], не всегда оправдано. Кроме того, аналитическое определение величины F_Д затрудняется еще и тем, что схема закрепления деталей при точечной сварке, например, посредством уже сваренных точек весьма неопределенна. Она не имеет близких аналогов среди идеализированных схем закрепления пластинок в известных [96…98] аналитических решениях этой задачи.

В экспериментальных исследованиях силового взаимодействия деталей при наличии зазоров [91, 99, 100], величина усилия F_Д, необходимая для сближения свариваемых деталей, определялась как функция комплексного влияния ряда технологических факторов точечной сварки (рис. 2.5):

F_Д = F(t, t^*, u, α, δ, s, R_Э),

где t – расстояние между сваренными точками; t^* – расстояние до соседних сваренных точек; u – расстояние от кромки листа до центра свариваемой точки, которое, как правило, равно половине ширины В нахлестки; α – угол раскрытия зазора в нахлестке; δ – величина зазора в месте сварки; s – толщина деталей; R_Э – радиус сферы рабочей поверхности электродов.

Так как при точечной сварке зона нагрева ограничена и составляет относительно небольшую часть зоны упругопластической и упругой деформации деталей при их сближении, то считается, что усилие прогиба деталей в процессе сварки не изменяется [95]. Такое допущение позволяет проводить эксперименты по определению F_Д на холодных образцах вне сварочной машины.

Моделирование зазоров производилось по известной методике, показанной на (рис. 2.6). В этом случае образцы 1 в местах имитации уже сваренных точек сжимались специальными струбцинами 2 усилием 2…8 кН, которое вполне обеспечивало жесткое закрепление образцов толщиной 1…4 мм при их деформировании электродами в месте сварки (рис. 2.6, а). Величина зазора δ, а также угол α раскрытия зазора в нахлестке устанавливались прокладками 3. Кроме того, зазоры моделировали и по известной методике [95], в соответствии с которой образцы сваривали через размерные прокладки (рис. 2.6, б).

Деформация образцов производилась на экспериментальной установке изготовленной на базе разрывной машины УММ-5 (рис. 2.7).

В ней верхний 1 и нижний 2 электрододержатели с установленными в них электродами закреплены в губках разрывной машины 3 и 4. На нижнем электрододержателе 2 жестко закреплена направляющая скоба 5, в направляющей 6 которой верхний электрододержатель 1 установлен с возможностью осевого перемещения. На кронштейне 7, жестко закрепленном на верхнем электрододержателе 1, установлен индикатор перемещения часового типа 8, установка нуля на котором производится регулировочным винтом 9. Деформируемые детали 10 помещаются между электродами перпендикулярно их оси. Поддерживающее приспособление 11 служит для фиксации пространственного положения деформируемых деталей.

Прогиб ω деформируемых деталей 10 измерялся с точностью ± 0,005 мм по сближению h электродов 1 и 2, а величина деформирующего усилия измерялась по шкале разрывной машины с точностью ± 10 Н. Погрешность Δh измерения сближения деталей h учитывалась как среднестатистическая поправка. Она появляется из-за деформации элементов конструкции установки при нагружении, внецентренного расположения индикатора перемещения и вдавливания электродов в детали. Величина погрешности Δh, которую определяли при сжатии одного листа, зависит от сжимающего усилия F_Д (рис. 2.8). В итоге прогиб одного листа определялся по выражению

.

В экспериментах использовались образцы из сплавов АМц, Д16Т, АМг6 и МА2-1 размером 300 × 400 мм и толщиной 1...5 мм. Измерения деформирующего усилия F_Д при сочетании факторов каждой ячейки производились три раза.

Для определения значимости влияния на величину F_Д усилия сопротивления деталей их сближению до соприкосновения семи технологических факторов точечной сварки, которые показаны выше (рис. 2.5), планировались четырёхфакторный эксперимент в пяти уровнях (латинский квадрат) и трехфакторный эксперимент в семи уровнях по известным методикам [101…105].

При проведении четырехфакторного эксперимента в пяти уровнях осуществляли проверку значимости влияния на величину F_Д факторов t^*, α, R_Э и s при неизменных значениях параметров t, δ и u. В результате получены отношения дисперсий факторов к дисперсии воспроизводимости, которые соотносятся с критерием Фишера, для условий данного эксперимента равным 3,9, следующим образом:

; ;

; .

Таким образом, из этого эксперимента следует, что влияние фактора Д, т. е. толщины деталей s, на величину F_Д значимо, а влияние факторов А, В и С, т. е. t^*, α и R_Э — не значимо.

Проверку значимости влияния исследуемых факторов t, δ, u на величину F_Д при неизменных значениях параметров t^*, α, R_Э и s осуществляли проведением трехфакторного эксперимента в семи уровнях. В результате также получены отношения дисперсий факторов к дисперсии воспроизводимости, которые соотносятся с критерием Фишера, который для условий данного эксперимента равен 3,9, следующим образом:

; ; .

Следовательно, все исследуемые в данном эксперименте факторы А, В и С, т. е. расстояние между сваренными точками t, величина зазора в месте сварки δ и расстояние от кромки листа до центра свариваемой точки u на величину F_Д влияют значимо.

Степень влияния каждого из факторов на величину усилия сопротивления деталей деформации при их сближении F_Д можно оценить по соотношению дисперсий. Тогда значимо влияющие на величину F_Д факторы в порядке уменьшения их влияния располагаются следующим образом:

; ; ; .

Таким образом, из семи исследуемых технологических факторов значимо влияют на величину F_Д только четыре вышеуказанных: толщина деталей s, расстояние между точками t, величина зазора в месте сварки δ и расстояние от кромки листа до центра свариваемой точки u (рис. 2.9). Влияние же расстояния до соседних сваренных точек t^*, угла раскрытия зазора в нахлестке α и радиуса сферы рабочей поверхности электродов R_Э в исследуемом диапазоне их изменения не значимо и находится в пределах статистического разброса измеренных значений F_Д.

Зависимость F_Д от значимо влияющих на его величину факторов однозначна при любых их сочетаниях. Величина F_Д возрастает с увеличением s, δ и u, а также с уменьшением t (рис. 2.9). При этом градиент изменения F_Д, характеризующий степень влияния каждого из факторов, согласуется с приведенным выше соотношением их дисперсий.

Для определения количественной зависимости между усилием сопротивления свариваемых деталей их прогибу F_Д и значимо влияющими на его величину технологическими факторами КТС проводились однофакторные эксперименты по общеизвестной методике. Проведенными исследованиями установлено следующее.

С увеличением толщины деталей s характер увеличения усилия сопротивления свариваемых деталей их прогибу F_Д практически не изменяется при всех сочетаниях остальных значимых факторов (рис. 2.10). Это же можно сказать и о характере уменьшения F_Д при увеличении расстояния между сваренными точками t (рис. 2.11).

Влияние величины зазора δ и расстояния до кромки листа u на усилие сопротивления свариваемых деталей их прогибу F_Д не столь однозначно (рис. 2.12). Так, при сжатии деталей у кромки нахлестки, т. е. при небольших значениях u (кривая 1 на рис. 2.12, а) или при небольших отношениях δ / t (рис. 2.12, б), что имеет место при малой величине зазора δ или большом шаге между точками t, увеличение F_Д происходит практически пропорционально увеличению зазора. Это объясняется тем, что при таких условиях искривление деталей в месте сжатия небольшое, характер деформации листов близок к чистому изгибу и детали деформируются в упругой области (см. рис. 2.1).

При увеличении отношения δ / t деформирование листов переходит от их изгиба к прогибу по типу мембраны. Кривизна деталей в месте сжатия увеличивается и деформации могут выходить за пределы области упругих. В этом случае детали в области, прилегающей к месту сжатия, могут деформироваться упруго-пластически или даже пластически. В следствие этого прямо пропорциональная зависимость усилия F_Д от величины зазора δ нарушается и рост величины F_Д замедляется (рис. 2.12, а).

С увеличением расстояния до кромки нахлестки u усилие сопротивления свариваемых деталей их прогибуувеличивается F_Д (рис. 2.13). Однако в этом случае рост F_Д происходит только до определенного соотношения между параметрами δ, u и t, а затем прекращается (рис. 2.13, а, б).

Это объясняется тем (см. рис. 2.1), что по мере увеличения отношения u/t характер деформации деталей изменяется от состояния, близкого к чистому изгибу (при малых значениях отношений u/t и δ/t), к состоянию, близкому к чистому прогибу по типу мембраны (при увеличении отношений u/t и δ/t). При достижении отношением u/t определенного значения, которое зависит от соотношения s и δ, соответствующего переходу к прогибу по типу мембраны (рис. 2.1, г), дальнейшее увеличение u на усилие F_Д практически не влияет.