Физическая модель объемных пластических деформаций металла в зоне формирования точечного сварочного соединения Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.74.045

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЪЕМНЫХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ МЕТАЛЛА В ЗОНЕ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЧЕЧНОГО СВАРОЧНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Е. О. Осадчий*, П. А. Хорунжин Научный руководитель - Е. Г. Яшметов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассмотрены физические закономерности, связанные с объемной пластической деформации при контактной точечной сварке, систематизирована и описана структура деформаций металла в плоскости контакт-деталь, деталь-деталь.

Ключевые слова: контактная точечная сварка, физическая модель деформации.

PHYSICAL MODEL OF VOLUME PLASTIC DEFORMATIONS OF METAL IN THE ZONE OF FORMATION OF A POINT WELDING CONNECTION

E. O. Osadchy*, P. A. Khorunzhin Scientific Supervisor - E. G. Yashmetov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

*E-mail: [email protected]

The physical regularities associated with volumetric plastic deformation during contact spot welding are considered, the structure of metal deformations in the contact-detail-detail-detail plane is systematized and described.

Keywords: contact spot welding, physical model of deformation.

Контактная точечная сварка (КТС) широко применяется в современном машиностроении. Объемные пластические деформации (ОПД) в зоне формирования соединения наиболее значимо влияют на процесс КТС, в частности, на его устойчивость против образования выплесков и не проваров, а также на тепловые процессы и параметры перемещения электродов.

Экспериментальные исследования процессов ОПД металла в зоне сварки проводились на образцах с предварительно нанесенной координатной сеткой (рис. 1) по методике координатных сеток, известной в теории обработки металлов давлением.

Рис. 1. Вид ОПД в момент окончания импульса тока в контактах электрод - деталь (а), деталь - деталь (б) и в плоскости оси электродов (с).

МА2-1, 2,5+2,5 мм

Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»

При этом параметры ОПД оценивалась только по деформациям сторон координатной сетки, поскольку оценить сдвиговые деформации металла в различных точках зоны сварки затруднительно из-за высокой погрешности измерений угла сдвига, соизмеримой с его величиной [1].

Относительные смещения вС и деформации вд металла оценивались по зависимостям:

£с = № - 1о) / 1о ]-1°° и вд = [(К - К) / Н0 ]-100,

где 10 и /1 - расстояния от базы измерений до и после сварки (при измерении радиальных смещений в плоскости сварочного контакта и в плоскости оси электродов - это ось электродов, а при измерении осевых смещений - это плоскость свариваемого контакта); Ь0 и Ь1 - длина сторон координатной сетки до и после сварки.

Проведенными исследованиями ОПД установлено, что распределение смещений и деформаций металла в зоне сварки при различных условиях КТС носит подобный характер.

При точечной сварке относительные радиальные смещения металла в плоскости контакта деталь - деталь вСд не превышают 2...5 % (рис. 2). Причем, зона пластических деформаций распространяется за контур уплотняющего пояска не больше, чем на 5...15 % от его диаметра [2]. В плоскости контакта электрод-деталь их величину можно считать незначительной, так как она не превышает 0,5...1 %.

о 1,0 2,0 3,0 4,0 5,о тгш

Рис. 2. Изменение значений вСи и вдд в контакте деталь - деталь.

МА2-1, 2,5+2,5 мм. 1 - г = 0,02 с; 2 - г = 0,02 с

В контуре контакта деталь - деталь координатная сетка в основном растягивается. Наибольшая степень положительных деформаций вде (ОПД растяжения), которая достигает 1,5...3 %, наблюдается на оси электродов. На периферии же контакта и за его пределами металл сжимается. Максимальная степень отрицательных деформаций вда (ОПД сжатия), которая достигает 7...15 %, локализована на периферии контакта (в уплотняющем пояске) и в узком кольце вокруг контактов, ширина которого не превышает 5...15 % от их диаметров.

В плоскости контакта электрод-деталь степень радиальных деформаций металла вде незначительна, так как она, даже на периферии контакта, не превышает 2...3 %. Наибольшие относительные осевые смещения вСд металла в плоскости оси электродов наблюдаются в центре контакта. Их величина к концу процесса даже при сварке на режимах близких к оптимальным достигает значений 8...15 %. По толщине детали их величина относительно стабильна. Это объясняется тем, что осевые относительные деформации металла вдг относительно малы. Как показали исследования они не превышают 0,5...3 %. Причем, наименьшие значения они имеют в срединной полосе свариваемых деталей.

Результаты проведенных и известных экспериментальных исследований можно обобщить, в частности, в виде допущений (рис. 3).

- Область интенсивных ОПД (зона сварки) на стадии нагрева в основном локализована в объеме V, ограниченном наружными поверхностями свариваемых деталей и цилиндрической поверхностью, образующая которой Ьг параллельна оси электродов. За направляющую же можно

принять контур контакта, диаметром dП, поскольку диаметр истиной образующей Ь* превышает dп не больше, чем на 5... 15 %.

- Область У, через узкий, вследствие большого радиального градиента температуры, пояс упругопластических деформаций УУП, окружена относительно жесткой оболочкой холодного металла УУ, упругими деформациями которой на стадии нагрева можно пренебречь.

- В процессе формирования соединений, если сварку ведут на режимах близких к оптимальным, осевые смещения металла вне контуров контактов отсутствуют.

Рис. 3. Схема распределения деформаций в зоне точечной сварки

Причем, при появлении ядра УЯ в объеме У, можно выделить две области. Объем УЯЭ/, расположенный между ядром и электродом, смещается в направлении свариваемого контакта практически не деформируясь («проседает в ядро»). Интенсивные ОПД в основном локализованы в объеме УЯП, расположенном между контурами ядра и уплотняющего пояска.

При таких допущениях реальный процесс КТС на стадии нагрева можно описать следующей физической моделью, отражающей основные термодеформационные процессы в зоне формирования соединения [3].

Исходное уравновешенное состояние в зоне сварки нарушается нагревом. Во-первых, это приводит к разупрочнению металла и, вследствие этого, вдавливанию электродов в поверхности

деталей и вытеснению объемов Уи и У2. Во-вторых, при сварке объем У, получает приращение

*

У, вследствие температурного расширения, включая и нагрев выше температуры плавления, и приращения У из-за увеличения объема ядра У®- при его плавлении. Это вызывает течение металла в направлении контакта деталь-деталь с образованием в его контуре рельефа УС (уплотняющего пояска), высотой кП и зазора между деталями. При этом учитывая сделанные допущения и не сжимаемость металла, можно считать, что приращение объема УС, смещенного к свариваемому контакту, равно сумме приращений У , У , Уи и У2.

Уа = У +У**+Уи+У*.

Результаты данных исследований и физическая модель процессов КТС могут быть использованы при их математическом описании и разработке технологий точечной сварки.

Библиографические ссылки

1. Козловский С. Н. Основы теории и технологии программированных режимов контактной точечной сварки. Красноярск, 2006. С. 70-72.

2. Козловский С. Н., Яшметов Е. Г. Объемные пластические деформации металла в зоне формирования точечного сварного соединения // Вестник СибГАУ. 2001. Вып. 2.

3. Орешенко П. Ю., Лецковник А. В., Козловский С. Н. Исследование причин образования непроваров при точечной контактной сварке // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2012. Вып. 8, т. 1.

© Осадчий Е. О., Хорунжин П. А., 2017