Расчет режимов стыковой сварки

метки: Сварка, Стыковой, Контактный, Шовный, Элемент, Деталь, Сталь, Осадка

Разработать технологию и технологическую оснастку для сварки кольца. Нагрузка изделия напряженно-динамическая.

Контактная сварка представляет собой процесс образования неразъемного соединения, возникающего в результате нагрева металла протекающим через детали электрическим током и пластической деформации зоны соединения.

Под термином «Контактная» сварка подразумевается нагрев деталей электрическим током (существование электрического контакта) и определенная роль контактных (переходных) сопротивлений. Контактная сварка объединяет большую группу способов, многие из которых широко применяют в промышленности. Основные отличительные особенности этих методов — надежность соединений, высокий уровень механизации и автоматизации, высокая производительность процесса и культура производства. Около 30% всех сварных соединений выполняют контактной сваркой.

Область применения контактной сварки чрезвычайно широка от космических аппаратов до миниатюрных полупроводниковых устройств и пленочных микросхем. Видное место занимает этот способ и в самолетостроении. На современных лайнерах насчитывается до нескольких миллионов сварных точек и несколько сотен метров швов, выполненных шовной сваркой.

Стыковая сварка — способ контактной сварки, при котором детали соединяются по всей площади их касания.

Наибольшее распространение из способов стыковой сварки получили стыковая сварка сопротивлением и оплавлением.

В данном курсовом проекте при расчетах параметров режима сварки детали «Кольцо» применяется контактная сварка непрерывным оплавлением детали.

1. Обоснование выбора типа соединений, схемы сварки

Способ стыковой сварки выбирают в зависимости от материала, размеров и формы поперечного сечения свариваемых деталей, требований, предъявляемых к качеству, и от масштабов производства.

Форма детали должна обеспечивать возможность надежного закрепления в губках (электродах) машины. Необходимо создать условия для равномерного нагрева и одинаковой пластической деформации — обеих заготовок, форму и размеры сечения которых, следует выполнять примерно одинаковыми. Различие в диаметрах не должно превышать 15%, а по толщине 10%.

Деталь имеет форму кольца D=500 мм, выполненного вальцеванием из листа стального толщиной д=20 мм и шириной h=120 мм.

2. Описание материала деталей и его свариваемости

Таблица 1. Физические свойства свариваемых металлов

Контактная сварка деталей и материалов

... выполняются различными способами контактной сварки. Контактной сваркой можно успешно соединять практически все известные конструкционные материалы. Точечная сварка - наиболее распространенный способ, на долю которого приходится около 80% всех соединений, выполняемых контактной сваркой. Этот способ сварки широко используется ...

Материал	Температура плавления, 0 С	Плотность, кГ/м 3	Удельное сопротивление, мкОм м	Уд.теп-лоем-кость, Дж/кГ 0 С	Тепло-проводность средняя, вт/м о С	Температурный коэффициент сопротивления
			При 20 0 С	Среднее, в интервале 0 — Т пл
	Т пл			Т	с
Ст3сп			0,25	0,6		33,4	3,8×10 -3

Сталь 3сп — сваривается без ограничений; способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС, КТС. Для толщины более 36 мм рекомендуется подогрев и последующая термообработка.

3. Расчет параметров режимов сварки

сварка индуктивный стыковой

Под режимом сварки следует понимать совокупность параметров процесса сварки, устанавливаемых соответствующими органами управления сварочной машины, а также форму и размеры используемых электродов, которые обеспечивают получение сварных соединений требуемых размеров и качества. Режимы сварки зависят от физических свойств свариваемого металла и типа сварочного оборудования, а иногда и от конструкции свариваемых деталей.

Параметры режима выбирают по таблицам, номограммам, рассчитывают или устанавливают опытным путем. Выбранные или расчетные режимы проверяют и уточняют для конкретных условий.

Данная деталь изготавливается путем сварки непрерывного оплавления.

Параметрами режима стыковой сварки оплавлением являются:

1) средние скорости оплавления V _опл и осадки V _ос ;

2) припуски на оплавление l _опл , , подогрев l _под и осадку l _ос , в том числе осадку под током l _ост и осадку без тока l _осбт ;

3) установочная длина l и длина закрепления S ;

4) усилие осадки Р _ос и зажатия Р _з ;

5) средняя величина тока оплавления I _опл .

Среднее значение скорости оплавления и осадки для различных свариваемых материалов находятся по таблице 2.

Таблица 2.

Металл	Скорость оплавления, мм/с	Скорость осадки, мм/с
	средняя	Перед осадкой
Малоуглеродистая сталь	0,5−1,5	2−5	15−20
Низколегированная сталь	1,5−2,0	4−5	20−30
Аустенитная сталь	2,5−3,5	5−7	30−50

Для стали 3сп согласно табл.2 принимаем: V _опл =2,5 мм/с; V _ос =15 мм/с.

Припуски на подогрев l _под и оплавление l _опл , , должны быть достаточны для равномерного разогрева деталей и создания на торцах слоя расплава.

Обычно l _опл составляет 0,7…0,8 от общего припуска l , а припуск на осадку l _ос = (0,3…0,2)l .

Припуск на осадку под током l _ост составляет (0,5…1,0) l _ос.

l = 23 мм;

l _опл (0,7…0,8) l = 0,7Ч23=16,1 мм;

l _ос = (0,3…0,2)l = 7 мм;

l _ост = (0,5…1,0) l _ос = 7 мм.

Рис. 1. Схема установки детали и направление действия усилий зажатия Р _з и осадки Р_ос при стыковой сварке оплавлением Установочная длина с учетом припуска на оплавление и осадку определяется по формуле:

(1)

где д — толщина листа, мм;

l _опл — припуск при сварке на оплавление, мм.

Длина закрепления определяется по формуле:

(2)

Усилие осадки Р _ос рассчитывается для различных свариваемых металлов как произведение площади сечения изделия на давление осадки, которое выбирается по таблице 3.

Таблица 3

Металл	Давление осадки, МПа для сварки
	Непрерывным оплавлением	Оплавлением с подогревом
Малоуглеродистая сталь	80−100	40−60
Низколегированная сталь	100−120	40−60
Аустенитная сталь	160−250	100−180

Для сварки непрерывным оплавлением малоуглеродистой стали согласно табл.3 принимаем: Р _ос = 100МПа.

Усилие зажатия определяется в зависимости от усилия осадки по формуле:

(3)

Средняя величина тока при оплавлении рассчитывается по формуле:

(4)

где V _{оп л} — скорость оплавления, м/с; V _{оп л} =2,5 мм/с;

F — площадь сечения изделия, м² ; F = 0,024 м² ;

— плотность, кг/м³ ; для стали =7850 кг/ м³ ;

— средняя удельная теплопроводность, Вт/(м ⁰ С); = 37,6 Вт/(м ⁰ С);

с — средняя удельная теплоемкость, Дж/(кг ⁰ С); с = 710 Дж/(кг ⁰ С);

Т _опл — средняя температура капель металла, вылетающих из стыка, для стали Т _опл = 1500 ⁰ С;

Т _под — температура подогрева изделия, при сварке стали непрерывным оплавлением принимается равной 1000 ⁰ С;

dT / dx — градиент температуры у стыка (для стали принимается в пределах

4•10 ⁵ — 8•10^{5 0} С/м); dT / dx = 6•10^{5 0} С/м.

R _опл — сопротивление стыка при оплавлении, Ом.

Сопротивление стыка при оплавлении определяется по формуле:

(5)

где i — плотность тока (при сварке стали принимается в пределах

5 — 15•10 ⁶ А/м² ).

i = 10•10⁶ А/м² .

4. Выбор сварочного оборудования

Для стыковой сварки с непрерывным оплавлением детали «Кольцо» выбираем машину К-617 для стыковой сварки оплавлением кольцевых и прямолинейных заготовок (https:// , 19).

Машина К-617 с W _н = 150кВ*А (ПВ = 50%), U₂₀ = 4,05…8,1 В,

Р _ос = 160кН, Р _заж =320 кН, v_опл = 0,2…4 мм/с, v_ос = 80 мм/с рассчитана на сварку импульсным и непрерывным оплавлением кольцевых деталей с минимальным диаметром 200 мм из низкоуглеродистой стали сечение 4000 мм² и аустенитной стали сечением 1500 мм² .

Машина состоит из неподвижной 2 и подвижной 11 колонн, соединенных между собой осью 1 на роликовых подшипниках (рис.2).

На колоннах смонтированы рычажные механизмы зажатия 6 с приводом от гидравлических цилиндров 5. В передней части рычагов зажимных механизмов расположены плавающие зажимные губки 7, которыми свариваемые детали прижимаются к жестким выступам 8 на корпусах колонн. Подвижная часть машины колеблется относительно неподвижной с частотой до 20 Гц и амплитудой колебания 0,5 — 1,2 мм. В неподвижной колонне жестко закреплен силовой гидравлический цилиндр 4 оплавления и осадки. Его шток З соединен двойным шарниром со штоком 10 вспомогательного гидроцилиндра 9, обеспечивающего вибрацию во время оплавления. При осадке фланец штока упирается в крышку цилиндра и она перемещается вместе с штоком. Сварочный трансформатор машины, расположенный за корпусом, соединен токоведущими шинами с нижними зажимными губками (электродами).

Машина комплектуются отдельной гидронасосной станцией.

Рис. 2. Машина К-617 для сварки кольцевых заготовок

5. Расчет вторичного контура контактной машины

Вторичный контур образуется элементами, соединяющими контактные колодки трансформатора с электродами машины. Элементы вторичного контура изготавливаются из меди или медных сплавов, для обеспечения высокой тепло и электропроводности контура.

Для сварки заданного изделия и выбранной машины стыковой сварки оплавлением, вторичный контур которой изображен на рис. 3.

Рис. 3. Вторичный контур машины стыковой сварки оплавлением:

1 — губки; 2 — шина жесткая; 3 — шина гибкая левая; 4 — скоба; 5 — шина гибкая правая; 6 — колодка

Расчет вторичного контура необходим для определения напряжения холостого хода трансформатора U ₂₀ на номинальной (расчетной) ступени регулирования. Величина U ₂₀ определяется по формуле:

(6)

где I _2н — номинальный вторичный (сварочный) ток;

(7)

Z _м — полное сопротивление вторичного контура, включающее сопротивление элементов контура, свариваемых заготовок и обмоток трансформатора.

(8)

где r _в — активное сопротивление элементов вторичного контура машины и их контактных сопротивлений;

х _в — индуктивное сопротивление вторичного контура;

r _T , х _T — активное и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной цепи;

r _ээ — активное сопротивление зоны сварки.

Расчет r _в и х _в производится после определения геометрических размеров вторичного контура контактной машины и выбора сечений его элементов.

Номинальный длительный вторичный ток I _{2 дл} , который в зависимости от способа сварки рассчитывается по вторичному току I ₂ , () по формуле:

(9)

Номинальный сварочный ток 9000 А, продолжительность включения

ГОСТ 297–80

I _{2 дл} = 6300А.

Определение сечения элементов вторичного контура

Минимальное сечение любого элемента вторичного контура выбирается исходя из допустимой температуры нагрева элемента, которая определяется плотностью тока _i , соответствующей длительному значению тока. Сечение элемента q_i рассчитывается по формуле:

(10)

где I _{2 дл} — длительный вторичный ток, А

_i — плотность тока, А.

Губки 1 из меди М3, допустимая плотность тока — 2,0 А/мм ² ;

Длина губок при сварке полос l ? 10д = 10?20 = 200 мм.

Плиты стыковых машин из латуни Л62, допустимая плотность ;

1,6 А/мм ² ;

Принимаем q ₂ = 3900 мм² ;

Неподвижные контакты: шина жесткая 2 из меди допустимая плотность — 1,0 А/мм ² ;

Гибкие шины 3, 5 из меди М1М, допустимая плотность — 3,0 А/мм ² ;

Колодки 6 из меди М3, допустимая плотность тока — 4,5 мм ² .

Определение активного сопротивления вторичного контура

Значение активного сопротивления элементов вторичного контура r _в слагается из активных сопротивлений отдельных элементов r _i и сопротивлений переходных контактов r _к , т. е.

Активное сопротивление элемента определяется по формуле:

(11)

где l _i — длина элемента, м;

q _i — сечение элемента, мм² ;

• удельное сопротивление материала элемента в функции температуры его нагрева;

_{i 0} — удельное электросопротивление материала;

Т — температура нагрева элемента, ⁰ С (для всех элементов контура принимается Т = 80 ⁰ С);

К _п — коэффициент поверхностного эффекта.

Для массивных токоподводящих элементов контура К _п можно приближенно определить по формуле:

где f — частота тока, Гц;

r ₀ — сопротивление 1 м токопровода, Ом.

Для шин К _п можно принять равным 1,0 — 1,5.

1. Два электрода (губки) из меди М3: q ₁ = 3150 мм² ; ₁₀ = 0,03 Ом мм/м;

l _i = 0,2 м.

;

2. Две плиты из латуни Л62: q ₂ = 3900 мм² ; ₁₀ = 0,071 Ом•мм/м;

l ₂ = 0,3 м.

3. Две гибкие шины 3 из меди М1М: q ₄ = 2100 мм² ;

₁₀ = 0,0175 Ом•мм/м; l ₄ = 0,52 м; К _n = 1,5

4. Две гибкие шины 5 из меди М1М: q ₅ = 2100 мм² ; ₁₀ = 0,0175 Ом•мм/м; l ₅ = 0,4 м; К _n = 1,0.

5. Колодки 6 из меди М3 q ₆ = 1400 мм² ; ₁₀ = 0,03 Ом•мм/м; l ₆ = 0,2 м.

Активное сопротивление всех элементов при Т=20 ⁰ С

r _a = r ₁ + r ₂ +… r ₈ = (6+6+9+6,7+1,3)Ч10^-6 = 29Ч10^-6 Ом;

Активное сопротивление всех элементов токопровода, приведенное к рабочей температуре Т =80 ⁰ С Число переходных контактов n=10, из них два контакта медь-сталь и восемь медь-медь. Контакты неподвижные. Принимаем активное сопротивление одного контакта соответственно 5×10^-6 Ом и 2×10^-6 Ом, тогда Активное сопротивление всех элементов и переходных контактов вторичного контура составит:

Определение индуктивного сопротивления вторичного контура машины

Индуктивное сопротивление Х _в определяется по формуле:

(12)

где L _в.к. — индуктивность контура.

Величину L _в.к определяют, используя метод расчета по площадям и метод отдельных участков. На основании опытных данных по замерам индуктивностей контуров контактных машин установлена зависимость индуктивности контура от его площади при частоте 50 Гц.

где S _в.к. — площадь, охватываемая сварочным контуром машины, см² .

S _в.к = 1040 см²

Определяем полное сопротивление вторичного контура, включающее сопротивление элементов контура, свариваемых заготовок и обмоток трансформатора по формуле 8.

(8)

где r _в — 62,7Ч10^-6 Ом;

х _в = 160Ч10^-6 Ом;

r _T = 32,8Ч10^-6 Ом;

х _T = 16,7Ч10^-6 Ом;

r _ээ = 183 000Ч10^-6 Ом;

Требуемое вторичное напряжение холостого хода трансформатора, соответствующее номинальной ступени:

Библиографический список, В. А. Технология, Б. Д. Технология

Ю.В. Дмитриев. — 2-е изд, перераб. и доп. — М.:»Машиностроение», 1986. — 352 с.

Н. С. Сварка