ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ

КОНТАКТНОЙ СВАРКИ»

для студентов всех форм обучения

специальности 050501.65 Профессиональное обучение

(машиностроение и технологическое оборудование) (030500.08)

специализации «Технологии и технологический менеджмент

в сварочном производстве» (030504.08)

Екатеринбург 2012

Задания и методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Технология и оборудование контактной сварки». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2012. 24 с.

Составитель: доц., канд. техн. наук Плаксина Л.Т.

Одобрены на заседании кафедры сварочного производства и методики профессионального обучения Машиностроительного института РГППУ. Протокол от «6» марта 2012 г. № 8

Заведующая кафедрой СП М. А. Федулова

Рекомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от «14» марта 2012 г. № 7

Председатель

методической комиссии МаИ А. В. Песков

© ФГАОУ ВПО «Российский

государственный профессионально-педагогический университет», 2012

© Л.Т. Плаксина

ВВЕДЕНИЕ

Контрольная работа по дисциплине «Технология и оборудование контактной сварки» является эффективным средством для закрепления и углубления полученных студентами знаний при изучении основ сварки давлением, а также способствует приобретению студентами навыков в их применении к комплексному решению конкретных инженерных задач.

Основной технический и справочный материал студент должен получить из рекомендованной литературы.

Предполагается, что студент подготовлен к самостоятельному решению инженерных задач курсами «Теория сварочных процессов», «Технология конструкционных материалов и материаловедение» и др.

1. Цели и задачи контрольной работы.

Основная цель контрольной работы – выявить уровень знаний студентов по теоретическим основам оборудования и технологии механических и термомеханических способов сварки, а также способность на их основе выбрать необходимый способ и рассчитать режим одного из основных видов контактной сварки.

При выполнении контрольной работы должны быть поставлены и решены следующие, задачи:

- в теоретических вопросах необходимо раскрыть сущность конкретного вида механических и термомеханических способов сварки, а также область применения,

- выполнение практической части контрольной работы должно способствовать развитию инициативы и творческих способностей студентов;

- при выполнении практической части работы должен быть в максимальной степени использован передовой опыт студентов, приобретенный ими в период учебы и работы по специальности. С целью экономии времени и получения более точных данных расчеты рекомендуется выполнять с использованием вычислительной техники.

2. Основные требования к содержанию контрольной работы.

Контрольная работа оформляется в соответствии с требованиями методических указаний по оформлению курсовых и дипломных работ [4].

Номера вариантов заданий к контрольной работе приведены в таблице 2.1. Номер варианта выбирается по первой букве фамилии студента (Ф) и последней цифре зачетной книжки (ЗК).

Таблица 2.1

Пример выбора номера варианта:

Студент Петров, номер зачетной книжки – 250867. Номер варианта – 2.

Студент Яковлев, номер зачетной книжки – 279732. Номер варианта – 7.

Студент Волков, номер зачетной книжки – 746698. Номер варианта – 18.

2.1. Контрольная работа должна содержать:

- титульный лист

- задание на контрольную работу

- содержание

- основную часть

- список использованной литературы

2.2. Основная часть контрольной работы.

Каждый вариант задания содержит один вопрос теоретического характера и один вопрос по расчету режима сварки по индивидуальному заданию. Теоретическое описание, указанное в задании механических и термомеханических способов сварки следует выполнять на основании рекомендованной в программе литературы. При этом необходимо раскрыть и указать случаи его применения и преимущества перед другими способами сварки.

Список использованной литературы выполняется в соответствии с требованиями методических указаний по оформлению курсовых и дипломных работ [4]. По тексту контрольной работы следует делать ссылки на литературные источники с указанием порядкового номера, который занимает данный источник в списке использованной литературы.

2.3. Расчет параметров режима сварки по индивидуальному заданию в зависимости от ее конкретного вида проводится следующим образом.

2.3.1. Стыковая сварка сопротивлением.

Параметры режима сварки сопротивлением:

- время нагрева - t_св, с;

- сварочный ток - I_св, А;

- усилие осадки – Р_ос, Н;

- установочная длина -L_yc, мм;

- припуск на осадку: общий - L_oc, мм,

- под током - L_пт;

- без тока - L_бт;

- скорость осадки V_ос, мм/с.

2.3.2. Время нагрева (t_св, с) при сварке сопротивлением заготовок из углеродистых и низколегированных сталей в зависимости от сечения заготовок рекомендуется выбирать по таблице 2.2.

Таблица 2.2

2.3.3. Сварочный ток (I_св, А) определяют в зависимости от площади поперечного сечения заготовок (F, мм²) и плотности тока (J, А/мм²).

Необходимую плотность тока находят по следующей эмпирической формуле

где К – коэффициент, равный 10 для стали диаметром до 10мм,

8 - для стали диаметром более 10 мм,

20 - для алюминия,

27 – для меди.

При этом величина сварочного тока равна

Если заготовка не представляет собой замкнутого контура, сварочный ток совпадает по величине с общим вторичным током (I₂).

Для заготовок замкнутого контура (обод, обечайка и. т.п.) в расчет I₂ вводят ток шунтирования (I_ш)

Ток шунтирования находят по соотношению сопротивлений заготовки на ее ветвях между губками стыковой машины

где R_св и Z_ш – сопротивление заготовки и участка шунтирования, Ом

,

Величину контактного сопротивления R_k между свариваемыми заготовками определяют по эмпирической формуле

, Ом

где:

Q - 0,005 (для низкоуглеродистой стали),

Р_ос - усилие осадки, Н,

d - 0,75 (показатель степени для низкоуглеродистой стали).

2.3.4. Усилие осадки (Р_ос) определяет в зависимости от площади поперечного сечения заготовок (F, мм) и удельного давления (р, МПа) рекомендуемого при сварке сопротивлением данного металла (табл. 2.4) по формуле. Величина усилия равна

В этом равенстве относительная деформация

где L_yс - начальное расстояние между губками, м.

Подставив в формулу значение получаем

где:

р - осадочное давление, МПа;

t - время осадки, с,

- коэффициент пропорциональности или динамическая вязкость (по другой терминологии - внутреннее трение), Дж с/см³ (табл. 2.3)

Таблица 2.3

Физические свойства металлов
Металл	Qпл, k	, Дж с/см3
Алюминий (Al)
Медь (Cu)
Железо (Fe)
Никель (Ni)

2.3.5. Скорость осадки

Необходимо ввести в понятие режима операции осадки не только величину давления, но и самое главное скорость осадки. Желательная или необходимая деформация обуславливается, прежде всего, тем, насколько хорошо она обеспечивает вынос из плоскости контакта всех нежелательных загрязнении металла и создание в массе глубинных чистых слоев металла прочной металлической связи. Эти ответственные технологические эффекты определяют не только величиной осадочного давления, но и для каждого температурного состояния - скоростью действия осадочной силы. V_oc выбирается по литературным источникам.

Таблица 2.4

2.3.6. Установочная длина определяется по литературным источникам. При выборе - L_ycт учитывают 2 фактора: устойчивость деталей при осадке и теплоотвод в губки. Для заготовок компактного сечения из низкоуглеродистых сталей суммарная установочная длина (на обе заготовки) может быть подсчитана по соотношению:

L = 1,5d

где d - диаметр или сторона квадрата заготовки.

При сварке полос установочная длина растет с увеличением их толщины d и не превышает

L_уст = (8….10) ´ d

2.3.7. Припуск на осадку (общий, под током, без тока) находится по литературным источникам.

2.4. Стыковая сварка оплавлением.

Параметрами стыковой сварки оплавлением являются:

- средний ток при оплавлении - I, А,

- припуск на оплавление - L_опл, мм,

- средняя скорость оплавления - V_опл, см/с,

- скорость осадки – V_ос, см/с,

- усилие осадки - Р, Н,

- припуск на осадку - L_ос, мм.

Если сварку осуществляют оплавлением с подогревом, назначают дополнительные параметры, определяющие подогрев заготовок перед оплавлением.

2.4.1. Средний ток при оплавлении определяется по приведенной ниже формуле в зависимости от скорости оплавления и выбранного метода сварки (непрерывным оплавлением или оплавлением с подогревом). Средняя скорость оплавления выбирается по литературным данным.

где:

γ, с, λ - плотность (г/cм³), теплоемкость (Дж/гК), теплопроводность (Вт/см-К) принять средними в интервале температур 0 - Т_пл (см. табл. Приложение 1),

Т_опл - средняя температура частиц металла, удаляемых при оплавлении из стыка (для стали Т_опл = 2250 К),

К_н - коэффициент, учитывающий не синусоидальность формы кривой тока при оплавлении, К_н -= 0,7,

m₀ - скрытая теплота плавления (Дж/г, для стали m₀ = 273 Дж/г),

- градиент температур у стыка, К/см, при сварке стали непрерывным оплавлением

при сварке с подогревом:

Т_под - температура подогрева заготовок перед оплавлением, К (для стали равна 1000... 1100 К),

F - сечение заготовок, см ,

R_опл - сопротивление стыка при оплавлении, Ом, т.к. для детали R_опл >> R_д то R_св » R_опл,

для стали R_опл = К_ф ´ 2 ´ 10^-3/

где: Кф - коэффициент, зависящий от формы сечения заготовок:

для круга - Кф = 1,

для квадрата - Кф = 0,94,

для полосы с соотношением сторон:

1 : 2 - Кф = 0,915,

1 : 10 - Кф = 0,715,

1 : 20 – Кф = 0,615.

2.4.2. Припуски на оглавление, на осадку, установочная длина, усилие осадки и другие параметры находятся по литературным источникам, скорость осадки определяется по рекомендациям, данным для стыковой сварки сопротивлением п. 1.4.

2.5. Точечная сварка.

Параметрами режима точечной сварки являются:

- диаметр рабочей поверхности электрода - d_э, мм,

- время сварки - t_св, с,

- усилие на электродах - Р_св, Н,

- сварочный ток - I_св, А.

2.5.1. Диаметр электродов.

При сварке стали толщиной d = 0,5 мм используют электроды с плоскоконической рабочей поверхностью,

где: d - толщина более тонкой из свариваемых заготовок, мм.

Легкие сплавы сваривают электродами со сферической рабочей поверхностью. В этом случае при тепловых и других расчетах в качестве диаметра электрода принимают диаметр отпечатка, равный (3,5 ÷ 4,0) d мм.

2.5.2. Время сварки для одноимпульсной сварки низкоуглеродистых и низколегированных сталей, d = 1 мм.

t_св = (0,2…..0,4) ´ d, с

В других случаях t_св выбирают по литературным источникам.

2.5.3. Современный опыт применения точечной сварки позволит отработать некоторые границы для величины силы сжатия электродов. Так можно считать, что силы сжатия выбираются в зависимости от толщины - d свариваемых листов приблизительно в таких пределах:

Таблица 2.5

Большие силы сжатия относят к деталям, при оборке которых, предполагается относительно большая конструкционная жесткость.

2.5.4. Сварочный ток рассчитывается по формуле:

, А,

где:

Q - общее количество теплоты (полезной + потери), затрачиваемое на одну сварочную точку, Дж,

m - коэффициент, учитывающий изменения сопротивления заготовок в процессе сварки (для низкоуглеродистой стали m = 1,0 ... 1,10), для легких сплавов m = 1,2...1,4 , для аустенитных сталей и титана m = 1,1 ...1,2,

t_св - время включения тока, с,

R_H - среднее суммарное сопротивление нагретых заготовок, мкОм, (принимается равным сопротивлению заготовок под электродами к концу сварки, при этом R_св = R_н)

R_н = А_о ´ R_ц,, мкОм

где:

R_ц, - сопротивление столбика металла под электродами высотой (d₁ + d₂) см и диаметром d_э, см.

При сварке двух листов одинаковой толщины

для стали r_t = (120 ... 140)., мкОм ´ см,

А_О - коэффициент, учитывающий характер поля электрического тока в заготовках и зависящий от соотношения между диаметром электрода и толщиной заготовки.

, Дж

где:

d_э - диаметр электрода, см,

d - толщина одной свариваемой заготовки, см, при разных толщинах заготовок принимается их среднее значение,

c₁γ₁ - средняя теплоемкость, Дж/гК, и плотность, г/см³, металла заготовок в диапазоне температур 0... Т_пл

Т_пл - температура плавления металла заготовок, К,

К₁ = 0,8 - коэффициент, учитывающий особенности распределения температур в кольце металла, окружающем ядро точки,

X - ширина кольца нагретого металла, окружающего ядро, см.

а = λ/сγ - коэффициент, учитывающий температуропроводность металла, см /с,

для стали ,

для дюралюминия ,

для меди ,

К - коэффициент формы электродов:

- для цилиндрического электрода К₂ = 1,

- для конического - К₂ – 1,5,

- для сферического – К₂ = 2.

X' - длина нагретого участка электродов, см, X' - 3,6.

γ'с' - теплоемкость, Дж/гК и плотность, г/см³ металла электродов (можно принять при температуре 20°С).

Значения с', T_пл, γ, а, Р_t , λ приведены в табл. Приложения 1.

Общий вторичный ток равен:

При сварке углеродистых статей ток шунтирования (I_ш) можно принять равным 0,3 I_СВ. В современной практике изготовления сварных конструкций балок и ферм стали использовать контактную точечную сварку прокатных профилей большой толщины - от 6 до 30 мм. Операции зачистки такого проката весьма усложняют технологию в целом. Оказалось возможным разработать особый цикл точечной сварки деталей большой толщины без их зачистки от окалины. Вместо такой отдельной операции используют эффект электрического пробоя слоя окалины непосредственно в электродах точечной машины. Рекомендации можно посмотреть по литературному источнику.

2.6. Шовная сварка.

Параметрами режима шовной сварки являются:

- шаг точек - а, мм,

- усилие на электродах - Р, Н,

- ширина рабочей части роликов - В, мм,

- диаметр роликов - D, мм,

- коэффициент цикла сварки - е =

- скорость сварки - V, см/с,

- сварочный ток - I_св, А.

2.6.1. Шаг точек выбирают в зависимости от толщины (h) и материала свариваемых заготовок по соотношению:

а = к ´d,

где к равно:

- для низкоуглеродистой стали 2,8 ... 3,2,

- для аустенитной стали 2,4 ...2,8,

- для алюминиевых сплавов 2,0... 2,4.

2.6.2. Сварочный ток, протекающий по оси свариваемой точки можно определить по той же методике, что и для точечной сварки.

2.6.3. Другие параметры устанавливаются по литературным источникам в зависимости от толщины, формы, режимов, размеров к материала свариваемых заготовок.

2.7. Рельефная сварка.

Параметрами режима рельефной сварки являются:

- сварочный ток - I_св, А,

- диаметр литого ядра рельефа - d_p, мм,

- время сварки - t_св,

- усилие сжатия - F_cв, H.

Рельефная сварка при простейших конструкциях рельефа почти ничем не отличается от сварки точечной, поэтому при расчете параметров режима рельефной сварки можно воспользоваться методикой, предложенной по п. 4.3.

Особенности расчета R_к, R_д, I_св, t_св, F_cв приведены в (7, 9).

Основным параметром, определяющим прочность рельефной сварки для определенного материала, как и при точечной сварке, является диаметр литого ядра соединения d_я. Размеры и форма рельефов зависят от толщины свариваемого металла - d, его марки, места расположения рельефа. Чаще применяют круглый рельеф сферической формы.

Ориентировочно размеры рельефа можно подобрать по следующим соотношениям:

d_p = 2d + 0,75мм; = 0,4d + 0,25мм.

Для определения всех остальных размеров сварных соединений конструкций из низкоуглеродистой и низколегированной сталей необходимо воспользоваться ГОСТ 15878-79. Необходимая плотность тока для концентрированного нагрева при всех способах рельефной сварки создается формой детали в месте сварки. Рельеф является идеальным концентратором электротепловыделения, поскольку это резко выделяющийся выступ, и притом выступ, обычно свободный от окалины и ржавчины. Время включения сварочного тока принимают, поэтому обычно на 30-40 % меньше, чем при точечной сварке ядра таким же диаметром, как диаметр рельефа d_p. Относительная кратковременность включения сварочного тока определяется более высокой концентрацией плотности тока в контакте, особенно в начальный период нагрева. В последующем рельеф сминается, нагрев ведется примерно с такими же скоростями, как и в аналогичных условиях точечной сварки.