2.3 Расчет режима стыковой сварки

2.3.1 Расчёт режима стыковой сварки сопротивлением

Исходными данными стыковой сварки сопротивлением являются:

- диаметр свариваемой заготовки d (или величина поперечного сечения);

- марка свариваемого металла.

Основными расчётными параметрами стыковой сварки сопротивлением являются (рисунок 2.6):

- сила сварочного тока Iсв;

- время пр отекания тока tсв;

- давление сварки и осадки Рсв, (Рос);

- установочная длина детали lо

- припуск на осадку Δ l_ОС;

- усилие зажатия деталей Fз.

Минимальная установочная длина при сварке компактных сечений обычно равна диаметру или 3-4-м толщинам свариваемых деталей. Припуск на осадку дельта l_ОС выбираетсяbp из источника. Усилие зажатия деталей Fз выбирают из условия предупреждения проскальзывания деталей в губках при осадке:

Fз=ko∙Рoc (2.32)

где ko=1,5…4 и зависит от свойств свариваемого металла, конструкции зажимов, наличия упоров, от конфигурации деталей [5].

Давление осадки Рос и давление при сварке Рсв выбираются из источника [11].

Вычисление силы сварочного тока производится по формуле:

I_св =, (Ка) , (2.33)

где Тсв – температура стыка в конце нагрева, принимается равной 1200…1300° С для сталей и равной температуре плавления для цветных металлов:

Рисунок 2.6 – Схема стыковой сварки сопротивлением

Рисунок 2.7 – Схема шунтирования тока при стыковой сварке оплавлением

К – коэффициент потерь, равный 0,9 для нержавеющей стали, 0,75 – для низкоуглеродистых сталей и цветных металлов;

ρ_т – удельное сопротивление свариваемого металла при температуре нагрева до Тсв (мкОм∙см);

t_св – время протекания тока (с);

–плотность свариваемого металла (r/см³);

с – удельная теплоёмкость металла (кал/r·С);

m – коэффициент учёта изменения контактного сопротивления в процессе сварки (m=0.4)

R_к – контактное сопротивление холодного контакта, вычисляется по формуле:

Для стальных заготовок:

R_k=. (2.34)

Для цветных металлов и сплавов:

R_k=. (2.35)

После окончания расчёта режима сварки строится таблица параметров и циклограмма сварки.

2.3.2 Расчёт режима стыковой сварки оплавлением

Исходными данными для расчёта режима стыковой сварки оплавлением являются:

-диаметр свариваемой заготовки d или величина поперечного сечения;

-марка свариваемого металла;

-наличие или отсутствие предварительного подогрева.

Расчётными параметрами стыковой сварки оплавлением являются:

-средняя скорость оплавления и осадки V_опл, V_ос;

-средняя сила тока при оплавлении, I_опл ;

-усилие осадки F_св;

-усилие зажатия F_з;

-режим предварительного подогрева;

-установочная длина l_о ;

-припуск на оплавление дельта l_опл ;

-припуск на осадку.

Средняя скорость оплавления V_опл(мм/с):

V=1,5+(d-12)/(14-1/5d). (2.36)

Средняя скорость осадки V_ос (мм/с)

V_ос=22+(d-12)/(1-0,1d). (2.37)

Установочная длина: для деталей компактного сечения (круг, шестигранник, квадрат, толстостенные трубы)

L_о=(1…0.75)∙d. (2.38)

Для деталей развёрнутого сечения (полосы, тонкостенные трубы)

l_о=(4…5) S. (2.39)

Где S – толщина стенок, мм.

Припуск на осадку под током:

l_ос=0,06d+3 (2.40)

Или

l_ос=0,3∙l_о.

Припуск на оплавление дельта lопл выбирается по литературным данным в зависимости от материала, размера, способа сварки и конфигурации сечения деталей либо берётся равным 0,7·l_о.

Усилие осадки F_св можно рассчитать по рекомендованным удельным давлениям _ос в зависимости от металла (таблица 2.7):

Fсв=_ос∙F, (2.41)

где F – сечение свариваемой заготовки, мм²;

или по формуле:

F_св=1,82·d^2.4+26∙S, (2.42)

где d – диаметр свариваемой заготовки, мм.

Усилие зажатия деталей определяется в зависимости от усилия осадки

Fз=Fсв/2 ƒ, (2.43)

где ƒ – коэффициент трения между свариваемым металлом и металлом губок машины (таблица 2.6), изготовленных из бронзы.

Если детали установлены с жесткими упорами, то усилие зажатия

F_з=0,5·F_св . (2.44)

Таблица 2.6 – Коэффициент трения при стыковой сварке

Твёрдость бронзы, НВ	Коэффициент трения
	трубы, прутки из низкоуглеродистой стали	трубы, прутки из нержавеющей стали	горячекатаная лента из низкоуглеродис-той стали	Горячекатаная лента из нержавеющей стали
Менее100	0,33	0,25	0,24	0,18
100-180	0,25	0,2	0,2	0,15
Более 180	0,23	0,18	0,17	0,14

Режим подогрева определяется температурой предварительного подогрева, количеством циклов пропускания тока, продолжительностью цикла, током подогрева и усилием между деталями.

Ток подогрева I_п:

I_п =, (2.45)

где с - удельная теплоёмкость свариваемого металла;

m - масса металла, зажатого между электродами машины;

То - начальная температура (15-20° С);

Тпод - температура подогрева металла перед сваркой, Тпод=800-900° С;

R - оммическое сопротивление металла на длине 2l;

t - время подогрева выбирается опытным путём; ориентировочно по 0,3-0,5с на каждый импульс.

Средняя сила тока при оплавлении:

I_опл= . (2.46)

где Vопл – средняя скорость оплавления, выбирается по таблице 2.7

Р - плотность свариваемого металла;

F - поперечное сечение заготовки;

С - удельная теплоёмкость свариваемого металла;

Тсв - температура нагрева металла в конце стадии оплавления:

Тсв=Тпл+(200…300) (2.47)

L - скрытая теплота плавления свариваемого металла (табл. 2.8);

к - коэффициент теплопроводности;

dt/dx- градиент температуры у торца.

При сварке с непрерывным оплавлением градиент равен 2000-8000 С/мм; причём верхние значения – для цветных металлов, нижние – для чёрных металлов.

При стыковой сварке с подогревом

=(2000…8000)∙(2.48)

Rопл- контактное сопротивление металла на стадии оплавления.

Rопл=(2.49)

где К – эмпирический коэффициент, равный 1000 для сталей, 900 – для цветных металлов. Vопл выбирается по таблице 2.7.

Таблица 2.7 – Оптимальные значения Vопл, Vос и Рос при сварке оплавлением

Материал	Vопл сред. м/с	Vос, м/с	Рос, Н/м2
Низкоуглеродистые стали	(1-2,5)·10-3	(30-60) 10-3	(60-80) ·10-6
Нержавеющие стали	(2,5-3,5) 10-3	(80-100) 10-3	(120-180)·10-6
Алюминиевые сплавы	(7-15)·10-3	(100-200)∙10-3	(120-150)·10-6

Таблица 2.8 – Скрытая теплота металлов

Материал	L,Дж/кг
Железо и его сплавы	2,74·105
Алюминий (и его сплавы)	3,95·105
Медь (и её сплавы)	2,04·105
Титан (и его сплавы)	3,8·105

При сварке кольцевых деталей, кроме тока оплавления, протекающего через зону контакта, образуется ток шунтирования, протекающий через внешнюю часть кольца, смотрите рисунок 2.7. Сопротивления Rопл и Rш является параллельно включёнными, поэтому для них справедливо соотношение:

, (2.50)

откуда

I_ш=,

Величина Rопл определяется по формуле (2.53), а Rш – по формуле (2.51)

R_Ш=ρ_т , (2.51)

где ρ_т – удельное сопротивление металла, определяемое по формуле (2.52) с учётом нагрева детали шунтирующим током до Т=0,3 Тпл

ρ_т= (1+ßср·(Т-293)) ρ_о (2.52)

где ßср – средний термический коэффициент металла (таблица 2.9);

Lш – длина внешней части кольца между гудками;

F – величина поперечного сечения детали.

Тогда суммарное значение тока во вторичной цепи:

I₂=I_ОПЛ+I_Ш. (2.53)

После расчёта режима сварки параметры её сводятся в таблицу и строится циклограмма стыковой сварки оплавлением.

Таблица 2.9 – Удельное сопротивление металлов и их термический коэффициент

Материал	ρт, Ом·м	Интервал температур, К	ßср, I/К
Низкоуглеродистые стали	13·10-8	293-1773	0,0066
Нержавеющие стали	75·10-8	293-1673	0,00007
Сплав Амг6	7,1·10-8	293-833	0,00073
Алюминий	2,8·10-8	293-923	0,004
Титан	60·10-8	293-1998	0,00164
Латунь	8·10-8	293-1178	0,001
Медь	1,7·10-8	293-1553	0,004