5 (Курс лекций в электронном виде)

9

Форма № 3.

Титульный лист

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра

ТИ-3 «Информационное обеспечение технологии соединения материалов

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________________

В.М.Ямпольский

«___»_________200__г.

Для студентов _4_

курса факультета_ТИ_

Специальность _15.02.02_

К. т. н., с.н.с. Гейнрихс И.Н.

(ученая степень, ученое звание, фамилия и инициалы автора)

ЛЕКЦИЯ № _4_

по 4346 «Технологические основы сварки плавлением и давлением»

ТЕМА Введение. Предмет и задачи курса. Основа учения об электрических контактах

Обсуждена на заседании кафедры

(предметно-методической секции)

«__»___________200__г.

Протокол № __

МГУПИ – 200__г.

Тема лекции: ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА

Учебные и воспитательные цели:

1. Ознакомление студентов с основными условиями сварки

2. Ознакомление с процессами нагрева металла при контактной сварке

Время: 2 часа (90 мин.).

Литература (основная и дополнительная):

• Орлов Б.Д. и др. Технология и оборудование контактной сварки.

М: Машиностроение. 1986. –352 с.

Учебно-материальное обеспечение:

1. Наглядные пособия:

• Видео фильм «Контактная сварка»

1. Технические средства обучения:

• Электронный проектор

1. Приложения: ______________________________________________

(наименования и №№ схем, таблиц, слайдов, диафильмов и т.д.)

ПЛАН ЛЕКЦИИ:

Введение – до 5 мин.

Краткий обзор лекции №3

Основная часть – до 80 мин.

Процессы нагрева металла

1-й учебный вопрос - до 40 мин.

Расчет сварочного тока

2-й учебный вопрос - до 40 мин.

Теория теплового подобия. Приближенный расчет параметров режима.

Заключение – до 5 мин.

ТЕКСТ ЛЕКЦИИ.

Основная часть – ПРОЦЕССЫ НАГРЕВА МЕТАЛЛА.

1-й учебный вопрос: Расчет сварочного тока.

Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля — Ленца (1.10)

где Qээ — общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения; тr — коэффициент, учитывающий изменение rээ в процессе сварки.

Для низкоуглеродистых сталей тr ~ 1, для алюминиевых и магниевых сплавов 1,15, коррозионно-стойких сталей 1,2, сплавов титана 1,4.

В свою очередь Qаэ определяется по уравнению теплового баланса [формула (1.5)]: Q’1 — энергия, затрачиваемая на нагрев до Тпл столбика металла высотой 2s и диаметром основания dэ (dэ ~ d); Q'2 — теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной хг, окружающего ядро; среднюю температуру кольца при­нимают равной 0,25Tпл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте де­талей; Q’3 — потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х3 до средней температуры Тэ.

Считая, что темпе­ратуры на контактной поверхности Тэд ~ 0,5Тпл, а Тэ ~ 0,25Тэд, можно принять, что Тэ ~ Тпл/8 (рис. 1.24).

Энергия Q1 расходуется на нагрев до Tпл объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:

При расчете Q’2 принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии x2 от границы ядра. Значение х2 определяется временем сварки и температуропроводностью металла:

Для _низкоуглеродистых сталей алюминиевых сплавов и меди

Если площадь кольца пх2 (dэ + x2) и вы­сота 2s, средняя температура нагрева Tпл/4, то ориентировочно Q’2=k1пx2(dэ+x2)2scTпл/4 , где k1 — коэффициент, близкий к 0,8, учиты­вает, что средняя температура кольца несколь­ко ниже средней температуры Тпл/4 в связи со сложным распределением температуры по шири­не этого кольца, так как наиболее интенсивно нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца.

Потери теплоты в электроды Q3 можно оце­нить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной и объемом k2пd2эx3/4 до Тпл/8. Коэффициент k2 учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k2 = 1 электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k2 = 1,5, для электрода со сферической рабочей поверхностью k2 = 2.

Тогда Q’3=2k2(пd2э/4)x3cээTпл/8, где сэ и э— теплоемкость и плотность металла электрода.

Зная составляющие теплового баланса, по формуле (1.5) определяем Qээ. Далее, приняв технологически целесообразное время сварки tсв можно, пользуясь форму­лой (1.10), рассчитать действующее значение сварочного тока.

Пример, Определить силу тока при точечной сварке листов из низкоуглеро­дистой стали толщиной 4 мм электродами с диаметром рабочей поверхности 12 мм и временем сварки 1 с. Температура ликвидуса стали 1500 °С, в для стали 0,67 КДж/(кг-К), меди 0,38 КДж/(кг-К),  для стали 7800 кг/м3, меди 8900 кг/м3» а для стали 9-10-6 м2/с, меди 8-10-5 м2/с. Сопротивление листов к концу процесса сварки 58 мкОм.

Вычислим кДж.

Определим Q’2 при k1 = 0,8 и м:

кДж.

Определим Q'3 при k2 = 1,5 и м:

кДж,

Тогда

кА.

2-й учебный вопрос: Теория теплового подобия. Приближенный расчет параметров режима.

Применение теории подобия позволяет по одному экспериментально определенному режиму с использованием критериев подобия рассчитать параметры режима сварки деталей других толщин.

Известно, что два физических процесса подобны, если они описываются одним и тем же дифференциальным уравнением и имеют подобные начальные и граничные условия. Подобие выражается в том, что при определенных условиях в сходственны» точках тел, т. е. в точках с одной и той же относительной координатой, например, и точках, расположенных в середине листа, достигаются одни и те же значения пере­менных, в частности температуры при тепловом подобии.

Подобие соблюдается при равенстве критериев подобия — ряда безразмерных! величин. По этим критериям, определяемым по моделям, рассчитывают масштабные коэффициенты для определения параметров процесса. Процессы точечной и шовной сварки деталей разной толщины могут быть подобны при соблюдении геометриче­ского подобия (формы деталей) и подобия гра­ничных условий (формы и размеров рабочей части электродов).

Характерными точками в этом случае являются точки с координатами h= S/2 (граница ядра), в которых к концу про­цесса нагрева достигается Тпл (рис. 1.25).

Ос­новные критерии подобия точечной сварки, которые устанавливают связь между пара­метрами режима и толщиной деталей, следую­щие .

1. Критерий геометрического подобия Kг = d1s = idem,

2. Критерий гомохронности (подобия во времени) — критерий Фурье

3. Критерий подобия тепловыделения

При сварке деталей из одного и того же сплава (р, с, g. а, Тпл = idem) указанные соотношения упрощаются, и значения диаметра ядра, силы тока и время сварки можно оценить но следующим формулам:

(1.11), где kd = Kг,

Значения критериев и масштабных коэффициентов определяют по единичным опытам, В качестве примера рассмотрим случай точечной сварки листов из сплава Амг6 толщиной 2+2 мм: d = 8 мм (kd = 4), tсв = 0,2 с (kt = 0,05 с/мма), Iд = = 36 кА (kt =18 кА/мм). Зная эти величины, можно по формулам (1.11) оценить значения параметров режима сварки листов из сплава АМг6 толщиной 4+4 мм:

d = 4-4 = 16 (мм), tсв = 0,05-42 = 0,8 с, Icв= 18000-4 = 72000 А.

Однако часто расчеты по формулам (1.11) дают слишком большие значения d, Iд и tсв, которые не могут быть воспроизведены на существующем оборудовании.. Кроме этого, длительный нагрев током вызывает сильное коробление деталей и ин­тенсивный перенос в контакте электрод — деталь. Поэтому для приближенной оценки параметров режима в относительно малом диапазоне толщин (1 — 4 мм) пользуются радом других, в основном эмпирических, соотношений, аналогичных по структуре указанным выше. При этом с переходом к сварке деталей больших толщин d, Iд и tсв, увеличиваются сравнительно медленно, например, с ростом S критерий Фурье уменьшается. В частности, и

где n < 1 (обычно 0,5—0,75),

и , где k’t обычно 0,06—0,16 с/мм,

При п = 0,5 и d=k’ds0.5 значение Iд=к1s0.5

Возвращаясь к примеру, можно с использованием этих соотношений опре­делить другой режим сварки сплава АМг6 толщиной 4 + 4 мм: k’d = 8/20.5 = 5,7 мм0'5, k’t = 0,2/2 = 0,1 с/мм, k1 = 36 000/20.5 = 25 500 А/мм0.5 и d = 5.7-40.5 = 11,4 мм, tсв= 0,1-4 = 0,4 с, Iсв= 25500-40,5 = 51 000 А.

Заключение:

Эту методику можно использовать и для расчета режимов рельефной и шовной сварки, но для шовной сварки полученную по приведенным формулам силу тока следует увеличить на 15—20 %.

1-й учебный вопрос: Роль пластической деформации.

Пластическая деформация металла — один из основных процессов, способствующих формированию соединений, вызывается как внешними факторами — усилием со стороны электродов, так и внутренними — напряжениями, возникающими при несвободном расширении металла зоны сварки. Пластическая деформация ме­талла имеет место на протяжении всего процесса сварки: от форми­рования холодного контакта до проковки соединения.

Процесс пластической деформации неразрывно связан с процес­сом нагрева. Тесная взаимосвязь этих двух процессов проявляется в эффекте саморегулирования теплового состояния зоны сварки путем соответствующего изменения сопротивления пластической деформации, размеров контактов и плотности тока. Так, при слу­чайном увеличении тока и росте температур снижается сопротивле­ние пластической деформации, что приводит к увеличению площади контактов, снижению плотности тока, уменьшению интенсивности нагрева и определенной стабилизации температурного поля и раз­меров ядра,

В зависимости от объема деформируемого металла различают микропластическую деформацию рельефа контакта поверхности и объемную пластическую деформацию значительных масс металла зоны сварки. Основная роль пластической деформации при сварке заключается в формировании электрического контакта; в образова­нии пластического пояса для удержания расплавленного металла от выплеска и ограничения растекания сварочного тока во внутрен­нем контакте; в уплотнении металла па стадии охлаждения.