Расчет режимов стыковой сварки

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет режимов стыковой сварки

Задание

Кольцо

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

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.

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

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_опл - скорость оплавления, м/с; V_опл =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 ⁰С); = 37,6 Вт/(м ⁰С);

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

Т_опл - средняя температура капель металла, вылетающих из стыка, для стали Т_опл = 1500 ⁰С;

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

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

4•10⁵ — 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•10⁶А/м²).

i = 10•10⁶А/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.

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 U₂₀ на номинальной (расчетной) ступени регулирования. Величина U₂₀ 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 I₂, () по формуле:

(9)

Номинальный сварочный ток 9000 А, продолжительность включения

ПВ = 50%, длительный вторичный ток равен Из номинального ряда длительных токов по ГОСТ 297–80 принимаем

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/мм²;

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

Плиты стыковых машин из латуни Л62, допустимая плотность ;

1,6 А/мм²;

Принимаем q₂ = 3900 мм²;

Неподвижные контакты: шина жесткая 2 из меди допустимая плотность — 1,0 А/мм²;

Гибкие шины 3, 5 из меди М1М, допустимая плотность — 3,0 А/мм²;

Колодки 6 из меди М3, допустимая плотность тока — 4,5 мм².

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, ⁰С (для всех элементов контура принимается Т= 80 ⁰С);

К_п — коэффициент поверхностного эффекта.

Для массивных токоподводящих элементов контура К_п можно приближенно определить по формуле:

где f — частота тока, Гц;

r₀ — сопротивление 1 м токопровода, Ом.

Для шин К_п можно принять равным 1,0 — 1,5.

1. Два электрода (губки) из меди М3: q₁ = 3150 мм²; ₁₀ = 0,03 Ом мм/м;

l_i = 0,2 м.

;

2. Две плиты из латуни Л62: q₂ = 3900 мм²; ₁₀ = 0,071 Ом•мм/м;

l₂ = 0,3 м.

3. Две гибкие шины 3 из меди М1М: q₄ = 2100 мм²;

₁₀= 0,0175 Ом•мм/м; l₄= 0,52 м; К_n = 1,5

4. Две гибкие шины 5 из меди М1М: q₅ = 2100 мм²; ₁₀= 0,0175 Ом•мм/м; l₅= 0,4 м; К_n = 1,0.

5. Колодки 6 из меди М3 q₆ = 1400 мм²; ₁₀= 0,03 Ом•мм/м; l₆= 0,2 м.

Активное сопротивление всех элементов при Т=20 ⁰С

r_a= r₁ +r₂ +…r₈ = (6+6+9+6,7+1,3)Ч10^-6 = 29Ч10^-6 Ом;

Активное сопротивление всех элементов токопровода, приведенное к рабочей температуре Т=80 ⁰С 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

1. Соколов, В. А. Технология и оборудование контактной сварки: методические указания / В. А. Соколов, Н. Е. Дмитриев. ОМГТУ, 2003. — 31 с.

2. Орлов, Б. Д. Технология и оборудование контактной сварки: учебник для машиностроительных вузов / Б. Д. Орлов, А. А. Чакалев,

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

3. Кабанов, Н. С. Сварка на контактных машинах: учеб. для сред. ПТУ / Н. С. Кабанов. — 4-е изд., перераб. И доп. — М.: Высш.шк., 1985 -271 с.