Анализ влияния параметров процесса на температуру при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.791.763

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА НА ТЕМПЕРАТУРУ ПРИ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКЕ КРЕСТООБРАЗНЫХ ПРОВОЛОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: ni1949@mail.ru) Шумаков Артем Александрович, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия

В данной работе с использованием расчетной методики проведен анализ влияния основных параметров процесса конденсаторной сварки на температуру контактной поверхности крестообразных проволочных соединений на начальном и заключительном этапах нагрева. По результатам анализа даны рекомендации по повышению устойчивости процесса сварки к выплескам.

Ключевые слова: конденсаторная сварка, крестообразное соединение, контактная поверхность, этапы процесса нагрева, температура нагрева, приближенные расчетные выражения, устойчивость процесса.

Для разработки средств, обеспечивающих повышение устойчивости процесса конденсаторной сварки малогабаритных крестообразных проволочных соединений, необходимо учитывать закономерности изменения температуры контактной поверхности [1,2], являющейся функцией плотности тока, которая, в свою очередь, определяется характерами изменения импульса тока во времени и площади контактной поверхности в процессе осадки соединяемых деталей [3].

Проведенный анализ процесса конденсаторной сварки [4] показал, что начало интенсивной осадки свариваемых деталей по времени практически совпадает с максимумом тока. В соответствии с этим нагрев конденсаторным импульсом тока при сварке крестообразных проволочных соединений можно разбить на два этапа - начальный, осуществляемый передним фронтом импульса тока при отсутствии заметной деформации проволочных деталей, и заключительный, происходящий после достижения максимума тока при значительной деформации проволок и, соответственно, значительном увеличении площади их контакта.

Для температуры контактной поверхности на начальном этапе нагрева имеем [2]:

е-1]. (1)

где Im - амплитуда тока; tm - время максимума тока; Р - начальное усилие сжатия; k - угловой коэффициент функции h^Р); а - температурный коэффициент; ho - начальная осадка, определяемая усилием сжатия проволок; А - постоянная величина, зависящая от материала и сечения деталей,

А= —Р - удельное электросопротивление материала проволоки; г

радиус проволоки; с - удельная теплоемкость.

Как видно по показателю степени в выражении (1), определяющими температуру параметрами, наряду с основным параметром - током, является время достижения максимума тока и усилие сжатия. Начнем анализ с основного параметра.

На рис. 1 приведены расчетные кривые температуры, построенные по данным осциллограмм [4] процессов конденсаторной сварки никелевых проволок диаметром 0,3 мм токами 500^700 А. С приближением ко времени максимума тока наблюдается крутой рост температуры и очень высокая ее чувствительность к величине последнего. Это свидетельствует о необходимости предъявления жестких требований к степени стабилизации тока. Кроме того, крутой рост температуры при времени I, близком к ¿т, объясняет и то обстоятельство, что начало изменения усилия и деформации почти на всех осциллограммах совпадает со временем максимума. Если этот момент отсчитывать от температуры размягчения материала, которая для никеля составляет Тр = 520 оС, то пользуясь графиками, показанными на рис. 1 можно определить время начала деформации 1Р . Откуда видно, что при токе 1т = 500 А температура на начальном этапе нагрева не достигает температуры размягчения.

Время начала деформации можно получить и прямым расчетом. Для этого в выражение (1) необходимо подставить значение температуры Т = ТР, и после логарифмирования и простых преобразований получим:

С увеличением 1т время начала деформации уменьшается, а с увеличением усилия сжатия Р - увеличивается.

Подставляя в (2) температуру интересующего нас теплового состояния, например плавления и кипения, можно определить соответствующее им время. Кроме того, можно сразу оценить достигает ли материал в зоне контактной поверхности нужного состояния на начальном этапе нагрева. Если расчетное время больше времени максимума тока, то материал заданного состояния не достигает.

Имея в виду, что обычно, при выборе параметров режима, интересуют предельные значения параметров процесса, определяющие выплеск металла, подстановкой в уравнение (2) температуры кипения Ткип находим критическое значение времени:

(2)

где V - скорость нарастания тока 1т^т.

1200

Рисунок 1 - Температура в функции тока на начальном этапе нагрева при сварке никелевых проволок диаметром 0,3 мм (Р = 15 Н, 1т = 3,3*10-4 с): 1- 1т = 700 А; 2 - 1т = 600 А; 3 - 1т = 500 А

С увеличением скорости нарастания тока время начала выплеска уменьшается.

Путем преобразований, аналогичных предыдущим, из выражения (1) для амплитуды тока 1т получаем:

_ 13к2Р21п(1+аТ1) (4)

1т ~ ^ . (4)

С помощью этого уравнения можно определить амплитуду тока, обеспечивающую заданное значением температуры Т тепловое состояние материала, или при заданной амплитуде найти такое время нарастания тока до 1т, которое обеспечит заданную температуру:

_ Зк2Р21п(1+аТг) (5)

~ . (5)

Например, если время достижения максимума - 2*10-4 с, а диаметр С никелевого проводника 0,3 мм, усилие сжатия составляет 10 Н можно определить амплитуды тока, при которых будет достигнута в зоне контакта температура размягчения, плавления и кипения. Подставляя эти данные в уравнение (5), находим: 1т р = 380 А; 1т пл = 680 А; 1т кип = 780 А.

Аналогичным образом, легко по заданным усилию Р и току 1т найти необходимое время т а, следовательно, и необходимую скорость нарастания

тока. Таким образом, уравнения (4) и (5) дают широкие возможности для расчета параметров фронта тока, или расчета по заданным параметрам фронта электрических и механических параметров процесса на начальном этапе нагрева.

Усилие сжатия Р влияет на температуру на начальном этапе нагрева через площадь начальной контактной поверхности. С увеличением усилия площадь увеличивается, снижая температуру контакта. Уравнение (1) показывает, что степень влияния усилия сжатия на температуру такая же, что и степень влияния тока. Расчетные кривые температуры в функции усилия совершенно аналогичны кривым, показанным на рис. 1. С помощью полученных ранее выражений могут быть просчитаны в функции усилия и основные параметры переднего фронта импульса тока. Так же аналогично, решая уравнение (4) относительно Р, получим выражение для расчета усилия на начальном этапе нагрева:

р _ I (6)

1 _ л] Зк21п(1+аТ1) . ( )

Если стремиться к постоянству температуры в контакте, то с увеличением амплитуды тока и времени его достижения необходимо увеличение усилия сжатия. Следовательно, возможно множество сочетаний величин тока 1т и усилия Р, дающих одну и ту же температуру в контакте. Этим можно частично (т.к. рассматривается только начальный этап нагрева) объяснить то многообразие режимов сварки одного и того же изделия, которое имеет место на практике.

Для анализа заключительного этапа нагрева удобнее воспользоваться выражением для приращения температуры [2]:

^[Нщ^)-1] • (7)

где =кР ; = —^-— ; т - масса подвижной части механизма осад-

ЗшСос

ки; Еут - максимальное ускоряющее усилие в процессе сварки с расплавлением, численно равное Р; 1ос - время осадки.

Отличительной особенностью этого выражения является связь температуры контактной поверхности с осадкой электрода в процессе деформации. Анализ этой связи дает возможность проследить влияние динамических характеристик механизма осадки на характер нагрева. Общая зависимость температуры от осадки следует прямо из уравнения - с увеличением скорости осадки интенсивность нагрева на заключительном этапе снижается.

Величина осадки прямо пропорциональна максимальному ускоряющему усилию и обратно пропорциональна массе подвижных частей [3]. Максимальное ускоряющее усилие, в свою очередь, является функцией темпера-

туры, а следовательно, и тока [4]. Увеличение ускоряющего усилия с ростом температуры вызывает увеличение скорости деформации, которая снижает интенсивность нагрева. Следовательно, функция усилия Ру(Т) является отрицательной обратной связью и отражает склонность процесса к саморегулированию. Для более полного рассмотрения этой особенности продолжим расчет температуры по данным осциллограмм, приведенных в

[4].

Кривые приращения температуры на заключительном этапе нагрева для токов 600 и 700 А приведены на рис. 2. Каждая из них имеет два участка -с ростом приращения температуры и с установившимся ее значением. Такой характер кривых приращения температуры на заключительном этапе нагрева связан с тем, что с увеличением скорости деформации интенсивность нагрева падает и в момент перехода к максимальной скорости деформации достигает максимального установившегося значения.

Кривая 1 рассчитана по данным осциллограммы процесса сварки конденсаторным импульсом тока 500 А. Соответствующее ей ускоряющее усилие Гут равно 12 Н. С увеличением тока до 600 А (кривая 2) ускоряющее усилие увеличилось до 15 Н, при этом температура в контакте на заключительном этапе нагрева возросла на 110 оС.

Рисунок 2 - Приращение температуры на заключительном этапе нагрева, рассчитанное по данным осциллограмм: 1 - 1т = 500 А; 2, 3 - 600 А

Для количественной оценки влияния обратной связи Ру(Т) считаем, что с увеличением тока приращения усилия не произошло. В этом случае максимальная температура контакта (кривая 3) будет на 25 оС выше действительного значения. Следовательно, действием отрицательной обратной связи Ру(Т) температура понижена на 25 оС. От общего приращения температуры за время начального этапа нагрева (рис. 1) и заключительного этапа (^Т = 500 + 110 = 610 оС) эта величина составляет 4%. Коэффициент усиления данной обратной связи можно определить по отношению:

кос =АТ/Ыт , (8)

где ЛТ - приращение температуры, вызванное действием обратной связи;

Л1т - соответствующее приращение амплитуды тока.

Для рассматриваемого примера: кос = 0,25 0С/А.

По характеру действия отрицательная обратная связь повышает устойчивость процесса, однако полученные цифры говорят о малой эффективности саморегулирования. Практическая ценность рассмотрения этого вопроса состоит в том, что обратная связь через ускоряющее усилие ¥у подсказывает пути воздействия на процесс для повышения его устойчивости. Если введением внешней обратной связи увеличить приращение максимальной ускоряющей силы в функции тока, то в зависимости от коэффициента усиления этой связи может быть получена любая степень стабилизации температуры на заключительном этапе нагрева.

Ранее было установлено [4], что в процессе сварки с плавлением материала в контакте, максимальное ускоряющее усилие численно равно начальному усилию сжатия. Это позволяет теперь полнее проследить влияние начального усилия как на заключительном этапе нагрева, так и на весь процесс сварки в целом. По уравнениям для температуры на начальном (1) и заключительном (7) этапах нагрева видно, что увеличение усилия сжатия снижает общую интенсивность нагрева и наоборот. Однако необходимо при этом отметить двоякую роль усилия сжатия: с одной стороны оно определяет площадь начальной контактной поверхности, с другой - скорость деформации (через ^у).

Если стремиться к повышению интенсивности нагрева с концентрацией тепла в зоне контактной поверхности путем снижения усилия сжатия, то для сохранения устойчивости процесса необходимо одновременно увеличить усилие для обеспечения соответствующей скорости деформации. Под устойчивостью процесса в этом случае подразумевается сохранение условия Ткп т ^ Ткип.

Таким образом, двоякая роль усилия сжатия препятствует повышению интенсивности процесса нагрева. Устранение этого противоречия возможно в процессе с нарастанием давления, когда малая начальная контактная поверхность обеспечивается малым начальным усилием, а необходимая скорость осадки - соответствующим нарастанием усилия. Это хорошо согласуется с результатами других исследований [5-12].

Рассмотрим влияние массы т подвижной части на температуру на заключительном этапе нагрева. С увеличением массы подвижной части механизма осадки скорость деформации уменьшается, следовательно, температура в контакте возрастает. Осциллограммы, снятые при постоянстве тока и начального усилия сжатия, подтверждают этот вывод.

Увеличением массы подвижной части механизма можно довести процесс до критического состояния, когда температура в контакте достигает

точки кипения. Осциллограммы, представленные на рис. 3 сняты при неизменной амплитуде тока и усилия сжатия. Это значит, что начальный этап нагрева во всех трех случаях одинаков и причиной выплеска в случаях рис. 3,б и рис. 3,в является изменение скорости осадки. Когда скорость осадки достаточно велика (рис. 3,а), процесс протекает нормально, без обрыва кривой тока. Увеличение массы подвижной части механизма сжатия с 1,5 Г*с2/м до 6,0 Г*с2/м заметно снижает скорость деформации, что приводит к значительному возрастанию температуры на заключительном этапе нагрева и выплеску (рис. 3,б).

№

%0.6

о

е

10.4

о |

У

У

0.16

0,5 1,0 1,5 2.0 2,5

2.5 3.0

Время сварки I хЮ с

а б в

Рисунок 3 - Осциллограммы процессов сварки с выплеском никелевых проволок диаметром 0,3 мм на заключительном этапе нагрева (1т = 650 А, Р = 12 Н, т = 3,3*10-4 с): а - т = 1,5 Г*с2/м; б - т = 6 Г*с2/м; в - т = 12

Г*с2/м

Последующее увеличение массы и снижение скорости осадки приводит к сокращению времени начала обрыва цепи и увеличению длительности дугового разряда (рис. 3,в), что свидетельствует о дальнейшем росте скорости нагрева.

На рис. 4 представлены графики температуры, рассчитанные по данным осциллограмм, показанных на рис. 3, на основании уравнений (1) и (7) для обоих этапов нагрева. Ко времени достижения максимума тока температура контактной поверхности во всех трех случаях достигла 1050 оС.

Начальные участки кривых на заключительном этапе, когда осадка практически равна нулю, совпадают и свидетельствуют о снижении интенсивности нагрева после достижения максимума тока. Дальнейший характер кривых определяется осадкой. В случае (а) максимальная температура составила 1550 оС. В случаях (б) и (в), ввиду малой скорости увеличения площади контакта, температура контактной поверхности резко возрастает, достигая температуры кипения (для никеля 3075 оС). Время начала кипения с увеличением массы несколько уменьшается, что соответствует показаниям осциллограмм.

3000

2500

л

2000

£

е | 1500

г?

1000

с

511

Ь-ч 500

1

Ь

А У а

1 1 1

/| 1 1 ' 1

1 1 11т 1т~ 1 5(ос

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 Время /, мс —а»

Рисунок 4 - Температура контактной поверхности на обоих этапах нагрева (расчет по данным осциллограмм на рис. 3)

Уравнение (7) позволяет найти выражения для параметров процесса в функции температуры контакта. Приращение температуры на заключительном этапе нагрева можно выразить разностью Т2 = Ткп - Т1т , где Ткп -температура контактной поверхности; Т1т - максимальная температура на начальном этапе нагрева.

Решая уравнение (7) относительно амплитуды тока, учитывая, что для процесса с плавлением Еут = Р , найдем:

N

АМ

(9)

Это уравнение отражает требования к амплитуде тока в импульсе, исходя из динамических свойств механизма осадки, заданных массой и временем осадки, и в зависимости от соотношения температуры контактной поверхности и максимальной температуры на начальном этапе нагрева. Если температура контактной поверхности задана, то, с увеличением ее максимума на начальном этапе нагрева, амплитуду тока необходимо уменьшить, но, если при этом уменьшить массу подвижной части, то амплитуда тока может оставаться неизменной.

Следовательно, одна и та же температура при постоянной амплитуде тока может быть получена при разных значениях максимума температуры на начальном этапе, если при этом соответствующим образом изменять скорость деформации на заключительном этапе нагрева. С увеличением максимума температуры на начальном этапе нагрева сокращается время достижения заданной температуры на заключительном этапе, следовательно, увеличится время пребывания контакта на уровне заданной температуры.

При прочих равных условиях в этом случае можно рассчитывать на большую прочность соединения.

Пределом увеличения температуры Т1т является возможность по увеличению скорости деформации. С этой точки зрения целесообразно для Т1т выбрать температуру плавления. Она достаточно высока для гарантии образования соединения и не предъявляет чрезмерных требований к последующей скорости осадки. Такой вопрос возникает при поиске параметров импульса и механизма осадки, на стадии проектирования оборудования по заданному виду соединения.

Расчет температуры по данным осциллограмм, приведенных в [4], показал, что к моменту времени ¿=0,5 ¿ос она стабилизируется и имеет максимальное значение. Если это условие ввести в уравнение (9), то получим значения амплитуды тока, соответствующие максимальной температуре контактной поверхности. Задаваясь критической температурой контакта Ткпт = Ткип можно получить предельное значение амплитуды тока. Решая такое уравнение относительно усилия Р, найдем зависимость усилия сжатия от остальных параметров процесса:

Р = Ч

Аи!-т10С

6к(к+0,125^1п[1+а(Ткпт-Т1т)]

(10)

Соотношение амплитуды тока и усилия сжатия, обеспечивающее достижение заданной максимальной температуры, показывает необходимость с увеличением тока увеличивать усилие сжатия, что является основой в практике подбора режимов. С другой стороны оно отражает многообразие сочетаний 1т и Р , обеспечивающих одну и ту же максимальную температуру в контакте. Однако, следует заметить, что это не означает одно и то же качество процесса, т.к. при постоянстве отношения, малые величины 1т и Р обеспечивают заданную температуру в малом объеме, а большие величины 1т и Р обеспечивают ту же температуру в большем объеме, что означает изменение конечной прочности соединения.

Выводы

1. С использованием приближенных выражений для расчета температуры контактной поверхности на начальном и заключительном этапах нагрева при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений определены требования к параметрам импульса тока и усилия сжатия, обеспечивающим повышение устойчивости процесса.

2. Расчетами показано, что усилие сжатия играет в процессе сварки крестообразных проволочных соединений двоякую роль: с одной стороны оно определяет площадь начальной контактной поверхности, с другой - скорость деформации (через Гут).

3. Двоякая роль усилия сжатия порождает внутреннее противоречие в процессе: снижение усилия повышает интенсивность нагрева, что требует

увеличения усилия для обеспечения необходимой скорости осадки, а следовательно, устойчивости процесса (Ткп <Ткип).

4. Устранение этого противоречия возможно в процессе с нарастанием усилия сжатия, когда начальная контактная поверхность обеспечивается малым начальным усилием, а необходимая скорость осадки - соответствующим его нарастанием.

5. Если увеличение амплитуды импульса тока сопровождать соответствующим возрастанием усилия сжатия, максимальная температура в контакте остается постоянной.

Список литературы

1. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Методика исследования процесса конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений / Будущее науки-2016 [Текст]: Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (14-15 апреля 2016 года), в 4-х томах, Том 4, Юго-Зап. гос. ун-т., ЗАО «Университетская книга», Курск, 2016. С. 67-75.

2. Иванов Н.И., Шумаков А.А. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при конденсаторной сварке проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. Научно-практический журнал. 2017. № 1 (9). С. 108-113.

3. Иванов Н.И., Шумаков А.А. Определение закономерности изменения площади контактной поверхности пластически деформируемых крестообразных проволочных соединений в процессе конденсаторной сварки / Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2016: сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (10-11ноября 2016 года), в 3-х томах, Том 3. Юго-Зап. гос. ун-т., А.А. Горохов, Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016. С. 208-212.

4. Иванов Н. И., Шумаков А. А. Определение закономерности перемещения подвижного электрода в процессе конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. Научно-практический журнал. 2016. № 4 (7). С. 73-80.

5. Дюдин В.Н., Строев В.И., Иванов Н.И. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением гальванопокрытых цветных металлов // В сб. II Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Тезисы докладов. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1982. С. 139.

6. Иванов Н.И., Строев В.И., Каганов Н.Л. Рациональная циклограмма процесса контактной автоматической сварки узлов резисторов // Сварочное производство. 1985. №8. С. 17-19.

7. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением цветных металлов и сплавов / В кн.: Актуальные проблемы сварки цветных металлов: Докл II Всесоюзн. конф. - Киев: Наук. думка, 1985. С. 391-394.

8. N I IVANOV, V I STROEV and N L KAGANOV. Rational cyciogram of the process of automatic resistance welding of resistor components // Welding Production. 1985, August. P. 28-30.

9. Иванов Н.И., Строев В.И. Эффективные режимы сварки сопротивлением контактных узлов радиодеталей в массовом производстве // Сварочное производство. 1990. №7. С. 3-5.

10. Иванов Н.И., Рыжков Ф.Н. Повышение эффективности процесса контактной микросварки Т-образных узлов в массовом производстве резисторов / В сб.: Современные проблемы развития сварочного производства и совершенствования подго-

товки кадров. Тез. докл. Международной н.-методич.конф., ПГТУ. - Мариуполь, 1996. С. 130.

11. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Выбор механизма сжатия для контактной сварки малогабаритных деталей / Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике: Региональный сборник научных трудов. Выпуск 5 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 40-45.

12. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Особенности программирования переменного усилия механизма сжатия при контактной сварке малогабаритных деталей / В сб.: Материалы и упрочняющие технологии - 2003: Сборник материалов X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященный 40-летию образования Курского государственного технического университета: В 2 ч. Ч.1 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 34-41.

Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor

(e-mail: ni1949@mail.ru)

Southwest state university, Kursk, Russia

Shumakov Artem Aleksandrovich, postgraduate

Southwest state university, Kursk, Russia

THE ANALYSIS OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF PROCESS ON TEMPERATURE AT CONDENSER WELDING CROSSWISE WIRE CONNECTIONS

Abstract. In the given work with use of a settlement technique the analysis of influence of key parameters of process of condenser welding on temperature of a contact surface of crosswise wire connections at initial and final stages of heating is carried out. By results of the analysis recommendations on increase of stability of process of welding to to splashings are given.

Keywords: condenser energy-storage welding, cruciform bridging, a contact surface, stages of process of a heating, a heating temperature, approximate settlement expressions, stability ofprocess.