Обоснование выбора типа соединений, схемы сварки. Описание материала деталей и его свариваемости. Расчет параметров режимов сварки. Описание материала деталей и его свариваемости. Выбор оборудования, индуктивное сопротивление вторичного контура.
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. 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. Для стыковой сварки с непрерывным оплавлением детали «Кольцо» выбираем машину К-617 для стыковой сварки оплавлением кольцевых и прямолинейных заготовок.
Введение
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
Материал Температура плавления, 0С Плотность, КГ/м3 Удельное сопротивление, МКОМ м Уд.теп-лоем-кость, Дж/КГ0С Теплопроводность средняя, вт/м ОС Температурный коэффициент сопротивления
При 200С Среднее, в интервале 0 - Тпл
Тпл g r0 RT с l a Ст3сп 1500 7850 0,25 0,6 669 33,4 3,8 х10-3
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.
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 Vопл и осадки Voc;
2) припуски на оплавление lопл,, подогрев lпод и осадку loc, в том числе осадку под током loct и осадку без тока lосбт;
3) установочная длина l и длина закрепления S;
4) усилие осадки Рос и зажатия Рз;
5) средняя величина тока оплавления Іопл.
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: Vопл =2,5 мм/с; Voc=15 мм/с.
Припуски на подогрев lпод и оплавление lопл,, должны быть достаточны для равномерного разогрева деталей и создания на торцах слоя расплава.
Обычно lопл составляет 0,7…0,8 от общего припуска l, а припуск на осадку loc = (0,3…0,2)l.
Припуск на осадку под током loct составляет (0,5…1,0) loc. l = 23 мм;
lопл (0,7…0,8) l = 0,7Ч23=16,1 мм;
loc = (0,3…0,2)l = 7 мм;
loct = (0,5…1,0) loc = 7мм.
Рис.1. Схема установки детали и направление действия усилий зажатия Рз и осадки Рос при стыковой сварке оплавлением
Установочная длина с учетом припуска на оплавление и осадку определяется по формуле: , (1) где д - толщина листа, мм;
lопл - припуск при сварке на оплавление, мм.
Длина закрепления определяется по формуле: , (2)
Усилие осадки Рос 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: Рос= 100МПА.
Усилие зажатия определяется в зависимости от усилия осадки по формуле: , (3)
Средняя величина тока при оплавлении рассчитывается по формуле: , (4)
где Vопл - скорость оплавления, м/с; Vопл =2,5 мм/с;
F- площадь сечения изделия, м2; F = 0,024 м2;
g - плотность, кг/м3; для стали g =7850 кг/ м3;
l - средняя удельная теплопроводность, Вт/(м 0С); l = 37,6 Вт/(м 0С);
с - средняя удельная теплоемкость, Дж/(кг 0С); с = 710 Дж/(кг 0С);
Топл - средняя температура капель металла, вылетающих из стыка, для стали Топл = 1500 0С;
Тпод - 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•105 0С/м); DT/dx = 6•105 0С/м.
Rопл- 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 Wн = 150КВ*А (ПВ = 50%), U20 = 4,05…8,1В, Рос= 160КН, Рзаж=320 КН, vопл = 0,2…4 мм/с, voc = 80 мм/с рассчитана на сварку импульсным и непрерывным оплавлением кольцевых деталей с минимальным диаметром 200 мм из низкоуглеродистой стали сечение 4000мм2 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.
Расчет вторичного контура необходим для определения напряжения холостого хода трансформатора U20 на номинальной (расчетной) ступени регулирования. Величина U20 определяется по формуле: , (6) где I2н - номинальный вторичный (сварочный) ток;
, (7)
Zm - полное сопротивление вторичного контура, включающее сопротивление элементов контура, свариваемых заготовок и обмоток трансформатора.
, (8) где rв - активное сопротивление элементов вторичного контура машины и их контактных сопротивлений;
хв - индуктивное сопротивление вторичного контура;
RT, XT - активное и индуктивное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной цепи;
rээ - активное сопротивление зоны сварки.
Расчет rв и хв производится после определения геометрических размеров вторичного контура контактной машины и выбора сечений его элементов.
Номинальный длительный вторичный ток I2 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
I2 дл = 6300А.
Определение сечения элементов вторичного контура
Минимальное сечение любого элемента вторичного контура выбирается исходя из допустимой температуры нагрева элемента, которая определяется плотностью тока d i, соответствующей длительному значению тока. Сечение элемента qi рассчитывается по формуле: , (10) где I2 дл - длительный вторичный ток, А di - 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 - 4,5мм2.
Определение активного сопротивления вторичного контура
Значение активного сопротивления элементов вторичного контура rв слагается из активных сопротивлений отдельных элементов ri и сопротивлений переходных контактов rk, т. е.
.
Активное сопротивление элемента определяется по формуле: , (11) где li - длина элемента, м;
qi - сечение элемента, мм2;
- удельное сопротивление материала элемента в функции температуры его нагрева;
ri 0 - удельное электросопротивление материала;
Т - температура нагрева элемента, 0С (для всех элементов контура принимается Т= 80 0С);
Кп - коэффициент поверхностного эффекта.
Для массивных токоподводящих элементов контура Кп можно приближенно определить по формуле:
, где f - частота тока, Гц;
r0 - сопротивление 1м токопровода, Ом.
Для шин Кп можно принять равным 1,0 - 1,5.
1. Два электрода (губки) из меди М3: q1 = 3150 мм2; r10 = 0,03 Ом мм/м;
li = 0,2 м.
;
2. Две плиты из латуни Л62: q2 = 3900 мм2; r10 = 0,071 Ом•мм/м;
5. Колодки 6 из меди М3 q6 = 1400 мм2; r10= 0,03 Ом•мм/м; l6= 0,2 м.
Активное сопротивление всех элементов при Т=20 0С ra= 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 5х10-6 Ом и 2х10-6 Ом, тогда Активное сопротивление всех элементов и переходных контактов вторичного контура составит:
Определение индуктивного сопротивления вторичного контура машины
Индуктивное сопротивление Хв определяется по формуле: , (12) где Lв.к. - индуктивность контура.
Величину Lв.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 Sв.к.- площадь, охватываемая сварочным контуром машины, см2.
Sв.к= 1040см2
Определяем полное сопротивление вторичного контура, включающее сопротивление элементов контура, свариваемых заготовок и обмоток трансформатора по формуле 8.
