МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИТА НАУКИ
Общие сведения
Способность соединяемых металлов образовывать при сварке качественное сварное соединение оценивают их свариваемостью [1, 2]. Свариваемость – комплексная характеристика металла, характеризующая его реакцию на физико-химическое воздействие процесса сварки и способность образовывать сварное соединение отвечающее заданным эксплуатационным требованиям.
Основные критерии свариваемости следующие:
- окисляемость металла при сварке, зависящая от его химической активности;
- сопротивляемость образованию горячих трещин и трещин при повторных нагревах;
- сопротивляемость образованию холодных трещин и замедленному разрушению;
- чувствительность металла к тепловому воздействию сварки, характеризуемая его склонностью к росту зерна, структурными и фазовыми изменениями в шве и зоне термического влияния, изменением прочностных и пластических свойств;
- чувствительность к образованию пор;
- соответствие свойств сварного соединения эксплуатационным требованиям; к таким свойствам относятся: прочность, пластичность, выносливость, ползучесть, вязкость, жаростойкость и жаропрочность, коррозионная стойкость и др.
Различают физическую и технологическую свариваемость. Под физической свариваемостью понимают способность металлов образовывать в результате сварки каким-либо способом монолитные соединения с химической связью.
Технологическая свариваемость – технико-экономический показатель. Она характеризует возможность получения сварного соединения требуемого качества, удовлетворяющего требованиям надежности конструкции при эксплуатации, с применением существующего оборудования при наименьших затратах труда и времени.
Технологическая свариваемость определяется совокупностью свойств основного металла, характеризующих его реакцию на термодеформационный цикл сварки. Кроме того, она зависит от способа и режима сварки, конструктивных особенностей свариваемого изделия и условий его последующей эксплуатации и пр.
Для оценки сопротивления деталей к концу нагрева 
используют упрощенную схему теплового состояния металла [2, 3]. В частности, считают, что сопротивление двух пластин толщиной можно представить как сумму сопротивлений двух других условных пластин I и II, каждая из которых нагрета до средней постоянной температуры Т1 и Т2 (рис. 1) и имеет ту же толщину . Тогда
. (1)
Удельные электросопротивления деталей 1 и 2 зависят от рода металла (табл. 2), вида его термомеханической обработки и температуры (рис. 2). Значения 1 и 2 определяют соответственно для температур Т1 и Т2. Так, при сварке деталей из низкоуглеродистых сталей принимают равными 1200 ºС и 1500 °С, а для алюминиевых сплавов 450 ºС и 630 ºС. Коэффициент kп учитывает неравномерность нагрева деталей. Для сталей kп = 0,85, для алюминиевых и магниевых сплавов – 0,9. Диаметр рабочей части электрода dэ = 2 + 3. Коэффициент А равен отношению 
( 
– электрическое сопротивление цилиндрического столбика металла длиной и диаметром dэ). За счет шунтирования тока в массу детали 
всегда меньше , а коэффициент А < 1. Кроме того, А зависит от отношения 
(рис. 3). Чем меньше это отношение, тем меньше А, тем больше разница между и . При сварке деталей толщиной 0,8 – 3 мм А 0,8.
Рисунок 1 – Схема расчета электрического сопротивления к концу цикла сварки
Таблица 2
Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов
| Металл | Уд. электро-сопрот. при 0 оС, 0 ,мкОм см | Коэф.тепло-провод. при 20оС, , кВт/(м К) | Коэф. темпе-ратуропровод. при 20оС, , см2/К·10--4 | Уд. теплоем-кость при 20оС, с, кДж/(кг К) | Плотность при 20о С, , кг/м3 | Температура плавлення, Тпл, о С |
| Алюминий | 2,7 | 0,2 | 0,73 | |||
| Алюминиевые сплавы: АМц | 4,2 | 0,16 | 0,65 | 0,82 | ||
| Д16Т | 7,3 | 0,125 | 0,5 | 0,9 | ||
| АМг6 | 7,5 | 0,1 | 0,45 | 0,82 | ||
| Бронза БрБ2 | 6,5 | 0,08 | 0,24 | 0,47 | - | |
| Вольфрам | 5,5 | 0,17 | 0,35 | 0,25 | ||
| Жаропрочные сплавы: ХН78Т | 0,015 | 0,038 | 0,46 | - | ||
| ХН60ВТ | 0,01 | 0,025 | 0,44 | |||
| Магниевый сплав | 0,1 | 0,52 | 1,04 | |||
| МА 2-1 | ||||||
| Медь | 1,75 | 0,36 | 1,05 | 0,38 | ||
| Молибден | 5,5 | 0,17 | 0,5 | 0,25 | ||
| Стали: Низкоуглеродистая 08 кп | 0,06 | 0,15 | 0,46 | |||
| 30ХГСА | 0,04 | 0,104 | 0,48 | |||
| Х15Н5Д2Т | 0,018 | 0,05 | 0,46 | - | ||
| 12Х18Н10Т | 0,016 | 0,04 | 0,46 | |||
| Титановые сплавы: ОТ4 | 0,01 | 0,036 | 0,58 | |||
| ВТ6 | 0,008 | 0,03 | 0,54 | - | ||
| ВТ15 | 0,008 | 0,03 | 0,5 | - | ||
| Цирконий | 0,017 | 0,09 | 0,28 | - |
Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца:
, (2)
где Qээ – общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения;
тr – коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки.
Рисунок 2 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева
Рисунок 3 – Зависимость коэффициента А от отношения dэ/
Для низкоуглеродистых сталей тr 1, для алюминиевых и магниевых сплавов – 1,15, для коррозионно-стойких сталей – 1,2, для сплавов титана – 1,4.
В свою очередь Qээ определяется по уравнению теплового баланса:
Qээ = Q1 + Q2 + Q3, (3)
где Q1 – энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления Тпл столбика металла высотой 2 и диаметром основания dэ;
Q2 – теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х2, окружающего ядро; среднюю температуру кольца принимают равной 0,25Тпл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте деталей;
Q3 – потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х3 до средней температуры Тэ.
Считая, что температуру на контактной поверхности Тэд 0,5Тпл, а Тэ 0,25Тэд, можно принять, что Тэ = Тпл/8 (рис. 4).
Энергия Q1 расходуется на нагрев до Тпл объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:
, (4)
где с – удельная теплоемкость;
– плотность.
Рисунок 4 – Схема расчета сварочного тока
При расчете Q2 принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х2 от границы ядра. Значение х2 определяется временем сварки и температуропроводностью металла:
, (5)
где a – коэффициент температуропроводности металла.
Если площадь кольца 
, высота 2, а средняя температура нагрева 
, то ориентировочно
, (6)
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 
до Тпл/8. Коэффициент k2 учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k2 = 1, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k2 = 1,5, а для электрода со сферической рабочей поверхностью k2 = 2, Тогда
, (7)
где сэ и э — теплоемкость и плотность металла электрода.
Зная составляющие теплового баланса, по формуле (2) определяем Qээ. Далее, пользуясь формулой (1), можно рассчитать действующее значение сварочного тока.
Шунтирование тока проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ранее сваренные точки (рис. 5) при двухсторонней точечной сварке или через одну из деталей приодносторонней сварке. Шунтирование в значительной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом расстоянии или шаге между точками привести к уменьшению плотности тока и размеров литого ядра.
Рисунок 5 – Шунтирование тока при двухсторонней точечной сварке
Значение тока шунтирования можно оценить по формуле
, (8)
где rээ и rш – электрическое сопротивление зоны сварки и шунта;
, (9)
где bпр – приведенная с учетом растекания тока ширина шунта;
tш – шаг между точками;
Кэ 0,4.
Расчет
Определить силу тока при точечной сварке листов из низкоуглеродистой стали толщиной = 2,5 мм электродами с диаметром рабочей поверхности Ø8 мм и временем сварки tсв =0,28 с. Температура ликвидуса стали Tпл = 1440 °С, удельная теплоемкость стали c = 0,46 кДж/(кгК), меди – с = 0,38 кДж/(кгК), плотность стали = 7800 кг/м3, меди – = 8900 кг/м3, температуропроводность стали – = 0,0410-4 м2/с, меди – = 1,0510-4 м2/с. Сопротивление листов к концу процесса сварки = 59 мкОм. Произведем расчет в следующей последовательности:
Согласно выражению (4):
кДж.
Определим согласно формуле (6) Q2 при k1 = 0,8 и х2 =4 
= 410 
м.
Согласно выражению (7) определим Q3 при k2 = 1,5 и х3 = 4 
= 2210 м.
кДж.
Тогда согласно формуле (3) Qээ 1,3 + 7,9 + 1,5 10,7 кДж, а Iсв согласно (2)
Iсв = 
16 кА.
Ро=0,04 bпр=8
rш= 
=0,96 Ом согласно формуле (9)
Iш= 
=1,97 согласно формуле (8)
Литература
1. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. – М.: Высш. школа, 1988 – 559 с.
2. Орлов Б.Д., Чакалев А.А., Дмитриев Ю.В. и др. Технология и оборудование контактной сварки. - М.: Машиностроение, 1986 – 352 с.
3. Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Под ред. Н.А. Ольшанского. – М. : Машиностроение, 1978. – т.1. – 504 с.
Вывод: В результате проведенных расчетов установлено, что для сварки 12Х18Н10Т материала толщиной 2,5 мм необходимы следующие параметры режима сварки Iсв16 кА.
Свариваемость стали удовлетворительная.
Вступление
Точечная контактная сварка — сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока, времени его протекания через заготовки, усилия сжатия и состояния поверхностей свариваемых деталей. С помощью точечной сварки можно создавать до 600 соединений за 1 минуту. Применяется для соединения тончайших деталей (до 0,02 мкм) электронных приборов, для сварки стальных конструкций из листов толщиной до 20 мм в автомобиле-, самолёто- и судостроении, в сельскохозяйственном машиностроении и других отраслях промышленности. Точечная сварка является разновидностью контактной сварки, поэтому в основу ее технологии заложены тепловое воздействие электрического тока по закону Джоуля — Ленца и усилие сжатия свариваемых деталей. В процессе сварки ток проходит от одного электрода к другому через металл заготовок. Электроды для контактной точечной сварки изготовляются из сплавов с высокой электропроводностью, чтобы сопротивление в контакте электрод-деталь было минимальным. Поэтому в местах контактов деталь-деталь происходит наибольший нагрев за счет наибольшей величины электрического сопротивления. Разогрев и расплавление металла под действием электрического тока приводит к образованию литого ядра сварной точки, диаметр которой обычно составляет 4—12 мм.
Различают мягкий и жесткий режимы точечной сварки. Мягкий режим характеризуется большей продолжительностью времени сварки и плавным нагревом заготовок умеренными силами тока, с плотностью тока на рабочей поверхности электрода обычно не превышающей 100 А/мм². Время протекания тока обычно 0,5—3 секунды. Преимуществами мягких режимов являются меньшие потребляемые мощности, по сравнению с жесткими режимами; меньшие нагрузки сети; менее мощные и более дешевые сварочные машины, необходимые для производства точечной сварки; уменьшение закалки зоны сварки. Мягкие режимы применяют для сварки сталей, склонных к закалке.
Жесткий режим точечной сварки характеризуется малой продолжительностью времени сварки, большими, чем при мягком режиме, значениями силы тока и значительным сжимающим давлением электродов. Плотности тока достигают 120—300 А/мм² при сварке стали. Время протекания тока обычно 0,1—1,5 секунды. Давление электродов обычно принимают в пределах 3—8 кг/мм². К недостаткам жестких режимов относятся повышенная мощность, потребляемая при сварке; значительные нагрузки сети; мощные сварочные машины. Преимущества — уменьшение времени сварки и повышение производительности. Жесткие режимы применяют при сварке алюминиевых и медных сплавов, с высокой теплопроводностью, деталей неравной толщины и разноименных деталей, а также высоколегированных сталей с целью сохранения коррозионной стойкости.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИТА НАУКИ
ХАРКІВСЬКИЙТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ХПІ»
Розрахункове завдання
З дисципліни
«Технологія конструкційних матеріалів»
Виконав студент гр. МТ-10а
Сєвєрін О. Ю.
Перевірив Сітніков Б.В.
Харків 2011