Цель работы
Освоить методику расчёта параметров режима точечной контактной сварки изделий из листового материала.
Работу рекомендуется выполнять после полного изучения соответствующих разделов курса. Приступая к выполнении задания, необходимо внимательно изучить и проанализировать его содержание, подобрать рекомендуемую литературу.
Общие методические указания.
Выбор исходных данных
Исходные данные для расчёта выбираются согласно последним цифрам в зачётной книжке студента из табл. 1. Необходимые данные о теплофизических свойствах свариваемого и электродного материалов приведены в табл. 2
Таблица 1 – Варианты исходных данных
| № варианта | Свариваемый материал | Толщина листа δ, мм | Шаг точек t ш, мм |
| АМг6 | 2,0 |
Общие требования к оформлению самостоятельной работы.
Самостоятельная работа выполняется в виде расчётно-пояснительной записки и оформляется в печатном виде на бумаге формата А4.
На титульном листе должны быть указаны:
1) название работы «Определение параметров режима точечной контактной сварки»;
2) название дисциплины;
3) курс и группа студента;
4) фамилия, имя, отчество, студента;
5) номер зачётной книжки;
6) фамилия, имя, отчество преподавателя, проверяющего работу.
7) год выполнения работы.
На втором листе работы должно быть представлено ёё содержание с заглавием и нумерацией страниц всех разделов, подразделов, вывода и списка литературы.
На третьем листе работы в виде таблицы должен быть представлен список условных обозначений всех используемых в расчёте величин с их названием и указанием единиц измерения.
Описание должно сопровождаться графиками рассчитываемых зависимостей с указанием результатов, схемами расчёта, которые нумеруются в переделах раздела. Все вычисления следует вести с достаточной, не излишней точностью.
В конце расчёта должны быть представлены выводы о проделанной работе.
Таблица 2 – Теплофизические свойства металлов и сплавов.
| Свариваемый материал | Уд. электро-сопрот. при 0 оС, ρ0,мкОм см | Коэф.тепло-провод. при 20оС, λ, кВт/(м К) | Коэф. темпе-ратуропровод. при 20оС, α, см2/К·10-4 | Уд. теплоем-кость при 20оС, с, кДж/(кг К) | Плотность при 20о С, γ, кг/м3 | Температура плавлення, Тпл, о |
| Алюминиевые сплавы | ||||||
| АМц | 4,2 | 0,125 | 0,65 | 0,9 | ||
| АМг6 | 7,1 | 0,1 | 0,45 | 0,82 | ||
| Медь | 1,75 | 0,36 | 1,05 | 0,38 |
Методика расчёта
Определение продолжительности включения сварочного токо.
В условиях массового производства деталей из листовой малоуглеродистой и хромоникелевой аустенитной стали, а также титановых сплавов продолжительность включения сварочного тока согласно [1] приближённо оценивают как
tсв=(0,1-0,3) δ
где δ- толщина свариваемого листового изделия.
Деформируемые алюминиевые сплавы типа АМц и АМг отличаются исключительно малыми удельным электросопротивлением и высоким коэффициентом теплопроводности, поэтому их сваривают на «жёстких» режимах [1] и время включения сварочного тока определяют как
tсв=(0,05-0,15) ∙ δ
Определение усилия на электродах
При сварке деталей из листовой малоуглеродистой стали, алюминиевого сплава АМц, а также титановых сплавов ОТ4 и ВТ6 усилие, на электродах определяют согласно [1] по формуле:
Рсв=175∙ δ
Повышенное сопротивление деформации металла зоны сварки хромоникелевой аустенитной стали 12Х18Н10Т требует применения значительно больших усилий [2], чем при сварке малоуглеродистой стали, поэтому в этом случае:
Рсв=260∙ δ
При сварке алюминиевого сплава АМг6, для предотвращения выплесков применяют сварочные усилия в 1,8-2,4 раза выше, чем при сварке малоуглеродистой стали [1].
Расчёт величины сварочного тока.
Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца:
где, Qээ – общие количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения;
тr – коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки;
rд.к – электрическое сопротивление детали к концу нагрева.
Значение коэффициента тr определяется свойствами свариваемого матреиала: для низкоуглеродистых сталей тr =1; для алюминиевых и магниевых сплавов - тr=1,15; для коррозионно-стойких сталей - тr=1,2;
для сплава титана - тr=1,4;
Для определения общего количества теплоты Qээ, необходимо решить уравнение теплового баланса (рис. 1):
Qээ = Q1 + Q2 + Q3,
где Q1 – энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления свариваемого материала Т плцентрального столбика металла высотой 2δ и диаметром основания d э; Q 2 – теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х 2, окружающего центральный столбик; Q3 – потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х 3до средней температуры.
Среднюю температуру кольца вокруг столбика принимают равной 0,25Тпл от достигаемой не него внутренней поверхности при контакте с деталей. Считая, что температура на контактной поверхности электрода с деталью Тэ.д=0,5Тпл, а температура электрода Тэ= 0,25 Тэ.д, можно принять, что Тэ=Тпл/8. (рис. 1).
Рисунок 1 – Схема расчёта сварочного тока [3].
Энергия Q1 расходуется на нагрев до Тпл. объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:
где, dэ – диаметр рабочей части электрода, который приближённо определяют как dэ= 2 δ+3; c – удельная теплоёмкость свариваемого металла;
γ – плотность свариваемого металла.
При расчете Q2 принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х 2от границы ядра. Значение х 2определяется временем сварки и температуропроводностью металла:
где 
– коэффициент температуропроводности металла временем 
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 электроде Q3 можно оценить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной:
Коэффициент k2 учитывает форму электрода, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k2 = 1,5.
где Сэ и γ – теплоёмкость и плотность металла электрода.
Зная составляющие теплового баланса, по формуле (6) определяем общее количество теплоты Qээ.
Далее для нахождения величины действующего значения сварочного тока Iсв. (5) необходимо оценить электрическое сопротивление деталей к концу цикла сварки r д.к. Для этого используют упрощённую схему теплового состояния металла [2,3]. В частности, считают, что сопротивление двух пластин толщиной δ можно и представить как сумму сопротивлений двух других условных пластин І и ІІ, каждая из которых нагрета до средней постоянной температуры T1 и Т2 (рис.2) и имеет ту же толщину δ. Тогда:
где, А- поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность растекания тока в зоне сварки; Kn - коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей; ͎ρ1 и ͎ρ2 - удельные электросопротивления материала деталей при температуре Т1 и Т2 (рис.3)
Рисунок 2 – Схема расчёта электрического сопротивления к концу цикла сварки.
Удельные электросопротивления деталей 
и 
зависят от рода металла, вида его термомеханической обработки и температуры. Значения и определяют по соответствующей данному материалу оси ординат для температуры Т1 и Т2 (рис. 3). Так при сварке деталей из низкоуглеродистых сталей принимают Т1=1200 оС и Т2=1400 оС, а для алюминиевых и магниевых сплавов - Т1=450 оС и Т2=630 оС, для титановых сплавов Т1= Т2=1600 оС.
Рисунок 3 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева.
Значения коэффициента неравномерности нагрева деталей из низкоуглеродистых сталей принимают k п = 0,85, из алюминиевых и магниевых сплавов – k п = 0,9, из коррозионно-стойких сталей – k п = 1,5, из титановых сплавов – k п =2.
Коэффициент А пропорционален отношению d э/ δ (рис. 4).
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента А от отношения d э/ δ.