Теоретические основы сварки давлением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Нижнетагильский технологический институт (филиал)

Нижнетагильский машиностроительный техникум

Контрольная работа

по Подготовка и осуществление технологических процессов изготовления сварных конструкций

Технология сварочных работ

Тема Теоретические основы сварки давлением

Нижний Тагил, 2024



Задания для ДКР

Вопросы к теоретическому заданию

Классификация способов контактной сварки, их разновидности.

Применение. Схемы основных способов сварки давлением. Условия образования сварных соединений при точечной, стыковой, шовной и рельефной сварке.

Контактная сварка - это термомеханический процесс образования неразъемного соединения металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия.

По технологическому способу (форме) соединений контактная сварка классифицируется на стыковую, точечную, шовную и рельефную.

Стыковая контактная сварка - контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов. Принципиальная схема стыковой сварки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема стыковой сварки: 1 - электроды-зажимы; 2 - свариваемые детали; 3 - трансформатор

Различают два вида стыковой контактной сварки: сварку сопротивлением и сварку оплавлением.

Стыковая сварка сопротивлением - контактная сварка, при которой детали стыкуются под давлением до начала нагрева, давление поддерживается, затем пропускают ток до тех пор, пока температура не достигнет температуры сварки (Т = 1000-1200 0С), при которой происходит осадка металла.

Осадка при сварке - операция местной пластической деформации свариваемых частей при сварке с применением давления.

Стыковая сварка оплавлением - контактная сварка, при которой детали поступательно сближаются и ток, протекающий через определенные точки контакта, вызывает повторяющиеся искровые вспышки и выбросы расплавленного металла.

Рисунок 2 - Схема стыковой сварки

Сварка сопротивлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 200 ммІ. Применяется в основном при сварке проволоки, стержней и труб из низкоуглеродистой стали относительно малых сечений.

Сварка оплавлением используется для соединения деталей с площадью сечения до 100000 ммІ, таких как трубопроводы, арматура железобетонных изделий, стыковые соединения профильной стали. Применяется для соединения железнодорожных рельсов на бесстыковых путях, для производства длинноразмерных заготовок из сталей, сплавов и цветных металлов. В судостроении используется для изготовления якорных цепей, змеевиков холодильников рефрижераторных судов. Также сварка оплавлением используется в производстве режущего инструмента (например, для сварки рабочей части сверла из инструментальной стали с хвостовой частью из обычной стали).

Точечная контактная сварка - это сварка, при которой соединение

элементов происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия (рисунок 3).

Рисунок 3 - Принципиальная схема точечной сварки: 1 - сварная точка; 2 - свариваемые листы; 3 - электроды; 4 - трансформатор

Свариваемые листы 2 (рисунок 3) или стержни накладывают друг на друга и зажимают между металлическими электродами 3, к которым от трансформатора 4 подводится сварочный ток. Нагрев и расплавление металла происходит при замыкании сварочной цепи. Наибольшее количество теплоты выделяется на участке наибольшего сопротивления цепи, т. е. в зоне соединения свариваемых листов (стержней). После выключения тока и осадки из образовавшейся жидкой металлической ванны кристаллизуется сварочная точка 1. Хорошая очистка и плотное прилегание поверхностей обеспечивают высокое качество сварки.

Точечная сварка получила большое применение при изготовлении различной арматуры железобетонных изделий; при изготовлении плоских и угловых сеток, а также различных пространственных каркасов. Сваривают пересекающиеся стержни или стержни с плоскими элементами листом, полосой, швеллером и др. В начальный момент контактируют небольшие поверхности и для быстрого разогрева достаточна небольшая мощность. Пластическая деформация контактирующих поверхностей приводит к увеличению площади соприкосновения. Вместе с этим происходит выдавливание из зоны контакта шлака и других неметаллических включений. Такое течение процесса позволяет при сварке стержней диаметром до 60 мм использовать машины относительно небольшой мощности.

Точечная контактная сварка может быть односторонней (рисунок 4) и двухсторонней (рисунок 5).

Рисунок 4 - Односторонняя точечная контактная сварка 1 - нижняя плита; 2 - сварная точка; 3 - деталь; 4 - источник питания;

5 - электроды для точечной сварки

Рисунок 5 - Двухсторонняя точечная контактная сварка 1 - сварная точка; 2 - электрод для точечной сварки; 3 - деталь; 4 - электрод для точечной сварки; 5 - источник питания

Особенности сварного соединения точечным способом позволяют применять технологию в автомобилестроении и вагоностроении, авиастроении, строительстве, радиоэлектронике:

- сборка кузовных и корпусных конструкций в машиностроении;

- формирование компактных конструкций в приборостроении;

- соединение элементов микросхем;

- изготовление ювелирных изделий;

- изготовление кузовов легковых автомобилей, кабин тракторов и грузовых автомобилей.

Шовная сварка - контактная сварка, при которой усилие сжатия прикладывается непрерывно, ток течет непрерывно или прерывисто, детали располагаются между роликовыми электродами или роликовыми электродами и электродом-оправкой, в результате чего образуется ряд отдельных сварных точек, которые часто перекрывают друг друга (рисунок 6).

Рисунок 6 - Схема шовной сварки внахлестку

а - двусторонняя шовная сварка внахлестку; б - односторонняя шовная сварка внахлестку; в - сварной шов, полученный шовной сваркой внахлестку

Шовная сварка применяется в массовом производстве при изготовлении герметичных соединений (топливные баки и другие сосуды из сталей и цветных металлов, а также из стальных листов с покрытием (оцинкованные, луженые, освинцованные и другие).

Рельефная сварка - разновидность точечной сварки (рисунок 7).

На поверхности одной из деталей предварительно формируют выступ - рельеф, который ограничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. Детали нагреваются при кратковременном прохождении сварочного тока Iсв. При нагреве рельеф постепенно деформируется; на определенной стадии процесса сварки формируется ядро, как при обычной точечной сварке.

Рисунок 7 - Схема рельефной сварки

Этот способ используется для крепления кронштейнов к листовым деталям, например скобы к капоту автомобиля, петли для навески дверей к кабине, для соединения крепежных деталей - болтов, гаек и шпилек и т. д. с несущими элементами конструкций, крепления проволоки к тонким деталям в радиоэлектронике и другие.

Рельефная сварка по непрерывным замкнутым контурам позволяет получать герметичные соединения, в частности в микроэлектронике - сварка крышки с основанием полупроводниковых элементов или интегральных схем.

Условия образования сварных соединений при точечной, стыковой, шовной и рельефной сварке.

Необходимым условием формирования соединения является образование общей зоны расплавленного металла заданных размеров, что обеспечивает прочность и герметичность соединения. При этих способах сварки условия образования сварных соединений аналогичны и состоят из четырех этапов.

На первом подготовительном этапе (сжатие) свариваемые поверхности входят в соприкосновение при определенном усилии. Происходят деформация микронеровностей в местах контакта и частичное разрушение оксидных пленок. Уменьшаются и стабилизируются контактные сопротивления. Соединение подготовляется к включению сварочного тока.

Второй этап начинается с момента включения сварочного тока и заканчивается началом расплавления литого ядра. Во время этого этапа металл нагревается и расширяется в месте соединения. С нагревом металла развиваются пластические деформации, под влиянием которых металл вытесняется в зазор и образуется поясок, уплотняющий ядро.

Третий этап начинается с возникновения расплавленной зоны и ее увеличения до номинального диаметра литого ядра dя.ном.. На этом этапе происходит дробление и разрушение оксидных пленок, которые замешиваются в расплавленном металле ядра. Действие электродинамических сил способствует этому процессу и приводит к интенсивному перемешиванию жидкого металла и выравниванию состава ядра при сварке разнородных металлов. При таком перемешивании нерастворимые частицы оксидных пленок и загрязнений концентрируются на периферии расплавленного металла.

Четвертый этап начинается с момента выключения тока. Во время этого этапа происходят охлаждение и кристаллизация металла и проковка зоны сварки. сварка оплавление деталь рельефный

Качество сварных соединений зависит от продолжительности, формы и величины импульсов сварочного тока, а также от размеров и скорости нарастания сжимающего усилия.

В результате термомеханических процессов в зоне сварки протекают сопутствующие процессы: появляются остаточные напряжения и деформации, происходят структурные изменения в околошовной зоне, изменяется объем металла при нагреве и охлаждении, окисляются и взаимодействуют металлы в контакте электрод - деталь и др.

Стыковая сварка. Образование соединения при стыковой сварке происходит в процессе совместной пластической деформации нагретых электрическим током торцов деталей при осадке. Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением происходит практически по единой схеме и состоит из двух этапов - нагрева торцов деталей и осадки. Однако условия образования межатомных связей, определяемые состоянием поверхностей, для методов сварки сопротивлением и оплавлением различны. При двух основных разновидностях стыковой сварки - сопротивлением и оплавлением - сварные соединения образуются по-разному.

При стыковой сварке сопротивлением на первом подготовительном этапе детали входят в соприкосновение при существенном усилии.

На втором этапе включают ток и торцовые поверхности соединения нагревают до (0,8-0,9).Тпл основного металла. Прилегающие зоны металла прогреваются на определенную глубину, и происходит совместная пластическая деформация. При таком способе сварки во время пластической деформации происходит частичное выдавливание оксидов с торцовой поверхности.

Термическая активация атомов в этот момент способствует образованию активных центров взаимодействия и окончательному формированию сварного соединения в твердой фазе.

Значительное влияние на образование сварного соединения оказывают оксидные пленки на торцовой поверхности. Во время нагрева воздух почти беспрепятственно проникает к нагретым торцовым поверхностям, окисляя их и препятствуя образованию межатомных связей. Применяемая защита места сварки при некоторых разновидностях этого способа замедляет процессы окисления. При стыковой сварке сопротивлением в месте соединения обычно остается часть оксидов, которые, и ухудшают качество соединения.

Стыковая сварка способом оплавления технологически делится на стыковую сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом.

На первом этапе происходит соприкосновение торцовых поверхностей под небольшим усилием, достаточным только для электрического контакта. Второй этап - нагрев и оплавление зоны сварки. Между торцами возникают контакты вначале в твердом состоянии, затем в виде перемычек расплавленного металла, которые периодически разрушаются. Температура торцов при нагреве оплавлением близка к температуре плавления. Детали больших сечений перед этим этапом предварительно подогревают кратковременным замыканием торцов или токами высокой частоты (ТВЧ) через торцовый индуктор. На третьем этапе производится осадка. При быстром сближении торцов пленки расплавленного металла, покрывающие торцы, объединяются в общую жидкую прослойку и образуются общие связи в жидкой фазе. При дальнейшей осадке и пластической деформации жидкий металл выдавливается из зазора и соединение окончательно формируется уже в твердой фазе. Часть расплавленного металла может остаться невыдавленной и в этом месте сварное соединение образуется в результате совместной кристаллизации. При сварке оплавлением удалить оксидные пленки значительно легче. Большинство из них находится на поверхности расплавленного металла, покрывающего торцы деталей, и легко удаляется при осадке вместе с расплавленным металлом.

Практическое задание

№ варианта	№ вопроса	Задачи
1	1	1.Определим режим точечной сварки деталей из стали Х18Н9Т равной толщины s = 1,5 мм. Усредненные теплофизические свойства стали Х18Н9Т выбираем из табл. 1.1.стр.20 Технологические параметры режима берутся из табл. 2 2.Расчет импульсного режима для шовной сварки этих же деталей выполним с учетом того, что импульсная шовная сварка производится на жестких режимах. Технологические параметры режима берутся из табл. 3.Расчет режима для стыковой сварки прутков из стали Х18Н9Т диаметром 10 мм выполним для мягкого режима. Технологические параметры режима берутся из табл.



Таблица 1 - Теплофизические свойства основных свариваемых материалов при разных температурах сварки

Материал	Тпл,0С	бmax, 10-6 м2/с	бср,10-6 м2/с	сmax, 10-6 Ом·м	сср, 10-6 Ом·м	лmax, кВт/ ( м·К)	лср, кВт/ ( м·К)
Х18Н9Т	1450	4	3	1,25	0,1	0,04	0,03

1. Определим режим точечной сварки деталей из стали Х18Н9Т равной толщины s = 1,5 мм. Усредненные теплофизические свойства стали Х18Н9Т выбираем из табл. 1. Технологические параметры режима берутся из таблицы 2.

Усредненные теплофизические свойства стали Х18Н9Т выбираем из таблице 1:

Тсв = 1450 °С, б = 4 · 10'-6 м2/с, л = 0,03 кВт/(м·К), с = 1,25 10-6 Ом·м.

Задаемся жестким режимом сварки.

Рассчитаем глубину проплавления по формуле:

hn = 0,5*s = 0,5 * 1,5 = 0,75 мм.

Технологические параметры режима выбираем из таблицы 2:

Таблица 2 - Технологические параметры жесткого режима точечной сварки нержавеющей стали Х18Н9Т

Толщина каждой детали, мм	Кх	Кс	зТ
1,5	0,9	160	1,46

Кх = 0,9; Кс = 160; зТ = 1,46.

Время сварки точки определяем по формуле:

Тсв = Kxshn/б = 0,9 · 1,5 ·10-3·0,75·10-3/(4·10-6) ? 0,3 с.

Определяем ток сварки без учета тока шунтирования по формуле:

Iсв = 0,3 Кс hn = 0,3 * 160 * 0,75 * 10-3 * =

= 0,036* = 0,036 * = 0,036 * 168295,2 ? 6059 А

Усилие сжатия электродов при диаметре рабочей части электрода рассчитываем по формуле:

dэ = 2s+3 = 2*1,5 + 3 = 6,0 мм,

Рассчитываем площадь рабочей части электрода по формуле:

F= рdэ2/4 = 3,14 * 36/4 = 28,26 мм2

При значении удельной нагрузки q = 160 МПа рассчитываем усилие сжатия по формуле:

Рсв = Fq = 28,26 * 160 = 4,52 кН (452 кгс).

Таблица 3 - Ориентировочные рекомендуемые режимы точечной сварки нержавеющей стали Х18Н9Т по литературным источникам

Толщина каждой детали, мм	Диаметр контактной поверхности электродов, мм	Усилие, приложенное к электродам, кгс	Диаметр литого ядра сварной точки, мм	Ориентировочная сила тока в сварочной цепи, А
1,5	5 - 7	400 - 550	6,0+1,0	5500-7500



Вывод

Сварка сталей типа Х18Н9 (18% Сг и 9% Ni) дает лучшие результаты при жестких режимах (длительность нагрева для листов толщиной 0,5--2,5 мм лежит в пределах 0,08--0,3 сек.). При сварке сталей, не содержащих стабилизирующих присадок (титана или ниобия), малая длительность нагрева обязательна, так как она предупреждает выпадение карбидов хрома и межкристаллитную коррозию.

В связи с высокой жаропрочностью нержавеющих сталей они свариваются при относительно высоком удельном давлении на электродах. Вследствие низкой электропроводности нержавеющих сталей ток при их сварке на 30-40% ниже, чем при сварке с той же длительностью нагрева деталей из малоуглеродистой стали одинаковой толщины.

2. Расчет импульсного режима для шовной сварки этих же деталей выполним с учетом того, что импульсная шовная сварка производится на жестких режимах. Технологические параметры режима берутся из таблицы 4.

В качестве исходных параметров по глубине проплавления и коэффициенту жесткости принимаем hn = 0,65 мм; Кт = 1,0.

Рассчитаем время импульса тока по формуле:

фсв = 1,0 · 1,2 · 10-3· 0,65 · 10-3/(4 · 10-6) = 0,195 с ? 0,2 с

Значение времени паузы принимаем равным значению времени импульса, т. е. 0,2 с.

Технологические параметры режима выбираем из таблицы 4:

Таблица 4 - Технологические параметры жесткого режима роликовой сварки нержавеющей стали Х18Н9Т

Толщина каждой детали, мм	Кс	зТ
1,5	250	1,0



Кс = 250; зт = 1,0.

Определим сварочный ток по формуле:

Iсв = 0,3 Кс hn = 0,3 * 250 * 0,65 * 10-3 * =

= 0,049 * = 0,049 * = 0,049 * 203351,9 ? 9964 А

Ток шунтирования принимаем Iш = 0,2·Iсв = 0,2 · 9964 ? 1993 А

Расчетный вторичный ток I2р = Iсв + Iш = 9964 + 1993 = 11957 А.

Скорость роликовой сварки при шаге между точками t = 1,5 мм и времени цикла фц = 0,2 c определяется по формуле:

Vсв = 60*t/ фц = 60*1,5* 10-3/ 0,2 = 0,45 м/мин

Таблица 5 - Ориентировочные режимы шовной сварки нержавеющей стали Х18Н9Т по литературным источникам

Толщина, мм	Iсв, кА	tсв, с	tп, с	Fсв, кН	Vсв, м/мин
1,5	11,5...13	0,08...0,1	0,16...0,2	7...9	0,5...0,7

Вывод: При шовной сварке величину сварочного тока увеличивают на 15-20% по сравнению с точечной из-за шунтирования тока через ранее сваренные точки.

3. Расчет режима для стыковой сварки прутков из стали Х18Н9Т диаметром 10 мм выполним для мягкого режима. Технологические параметры режима берутся из таблицы 6.

Технологические параметры режима выбираем из таблицы 6:

Кс = 15 (мягкий режим); и зт = 0,25.



Таблица 6 - Технологические параметры мягкого режима стыковой сварки нержавеющей стали Х18Н9Т

Диаметр детали, мм	Кс	зТ
10	10	0,25

Необходимое вторичное напряжение холостого хода уточняем следующим образом:

- задаем рср = 8 ·10-6 Ом м в контакте между деталями;

- задаем величину проплавления в один пруток 3,5 мм, определим

сварочный ток по формуле:

Iсв = 0,3 Кс hn = 0,3 * 10 * 3,5 * 10-3 * =

=0,011* =0,011* = 0,011*406703,8 ? 4474 А

Уточним вторичное напряжение по уравнению:

U2 = Iсв·Zсв

Так как при стыковой сварке оплавлением R2? Х2,то ZCB=R2 = рср/(2·hп). Отсюда определяем значение вторичного напряжения:

U2 = Iсв*б/(2*hn) = 4474*4·10-6/(2*3,5*10-3) = 0,017896/0,007 ? 2,6 В.

Вывод: Для стыковой сварки требуется генерация низкого показателя силы тока, обеспечивающего нагрев в месте соединения, а не на всей поверхности заготовки.



Список использованной литературы

1. Катаев Р.Ф., Милютин В.С., Близник М.Г. Теория и технология

контактной сварки. - Екатеринбург: Издательство уральского университета, 2015. - 144 с.

2. Абабков Н.В., Пимонов М.В. Технология и оборудование контактной сварки: учеб. пособие. Кузбасский государственный технический университет, Кемерово, 2011. - 258 с.

3. Интернет-ресурсы: http://contactwelding.ru/index.htm. Контактная сварка. Режимы сварки.

4. Технология контактной сварки. Методические указания к лабораторным работам. Сост. П.М. Бахматов. Комсомольск - на - Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2004. - 28 с.

4. Катаев Р.Ф., Милютин В.С., Близник М.Г., под науч. ред. М.П. Шалимова Технология конструкционных материалов: теория и технологии контактной сварки: учебное пособие для вузов. Москва: издательство Юрайт, 2020. - 146 с.

5. Овчинников В.В. Технология и оборудование контактной сварки: Лабораторно- практические работы: учеб. Пособие для студ. учреждений сред. Проф. образования. - 3 изд., М.: - Издательский центр «Академия», 2016. - 160 с.

Размещено на Allbest.ru

...