CC BY
27
УДК 621.791.76 С.В. НЕСКОРОМНЫЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКИ СТЕРЖНЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПЛОСКИМИ ОСНОВАНИЯМИ*
Рассматривается процесс конденсаторной сварки с магнитно-импульсным приводом. Исследуется влияние энергетических параметров режимов сварки и геометрических параметров сборки на прочностные характеристики сварных соединений типа «корпусная деталь-стержень». Описаны основные процессы, происходящие при конденсаторной сварке.
Ключевые слова: конденсаторная сварка, магнитно-импульсный привод, ковочное усилие.
Введение. В машиностроении, строительстве, автомобилестроении, приборостроении часто приходится сталкиваться с необходимостью выполнять сварные соединения типа "корпусная деталь — стержень» [1]. Для присоединения массивных стержневых элементов к плоским листам из цветных металлов (алюминий, медь) и их сплавов целесообразно использовать импульсные способы сварки, сочетающие в себе тепловое и силовое воздействие на свариваемые детали. Одним из таких способов является конденсаторная сварка с магнитно-импульсным приводом (КС с МИП), исследования которой проводятся в Донском государственном техническом университете (ДГТУ) на кафедре "Машины и автоматизация сварочного производства".
Для проведения экспериментальных исследований процесса КС использовали переналаживаемые магнитно-импульсные установки (генераторы импульсных токов (ГИТ)) энергоемкостью 2-40 кДж, спроектированные и изготовленные плоские индукторы с толкателями из стеклотекстолита с числом витков в диапазоне 5-8, оснастку, обеспечивающую прочность и жесткость при воздействии толкателя на свариваемые детали.
Регистрацию измерений параметров разрядного контура магнитноимпульсной установки МИУ50 с инструментом и оснасткой производили с использованием современного цифрового оборудования на базе научноисследовательской лаборатории НИЛ-41 при Самарском государственном аэрокосмическом университете (СГАУ). Регистрацию напряженности магнитного поля в рабочей зоне индуктора производили высокочувствительным датчиком Холла "Honeywell" SS94 с измерительным преобразователем. Для измерения параметров разрядного тока использовали бесконтактный датчик импульсного тока (пояс Роговского). Анализ полученных данных производили с использованием цифрового многоканального запоминающего осциллографа "Le Croy 424".
Разновидности приемов конденсаторной сварки. На устройство для конденсаторной сварки стержневых деталей с плоским основанием получен патент РФ в ДГТУ [2]. Сущность процесса изложена в статье [3].
' Работа проводилась в рамках гранта ректора ДГТУ по конкурсу "Совершенствование технологий производства и контроля качества в сварочном производстве".
70
В результате теоретических оценок и постановочных экспериментов удалось произвести классификацию приёмов КС с МИП, рис. 1.
Процессы КС различаются формой кривой разрядного тока (колебательный затухающий или однополярный импульс), наличием или отсутствием предварительного формирования стыкуемых поверхностей, способом возбуждения, а также состоянием образования сварного соединения -жидкая или твёрдая фаза.
Авторами [2] исследуется наиболее просто реализуемый и дающий хорошие результаты процесс сварки индуцированными токами, колебательным затухающим синусоидальным разрядом, с реализацией сварки в твёрдой фазе [2], (см. рис.1, заштрихованные приемы). За счет интенсивной деформации сопрягаемых элементов осуществляется твердофазное взаимодействие.
Определение энергетических параметров режима сварки и геометрических параметров стержневого элемента. Установлено [3], что при конденсаторной сварке на качество сварного соединения влияют следующие энергетические параметры: рабочее напряжение ир; ёмкость накопительного блока С; индуктивность рабочего инструмента L, определяемая числом витков индуктора N. Эти параметры процесса и оборудования полностью определяют энергию W и длительность воздействия на свариваемые детали Ьв.
Полученные зависимости прочности сварного соединения от энергии разряда, индуктивности рабочего инструмента, определяемой числом витков индуктора, представлены на рис. 2,3.
Рис.1. Разновидности приёмов КС с МИП
4000
Рис.2. Зависимость усилия на отрыв от энергии разряда: С=2400 мкФ; N=7, Дст=10 мм; 5п=0,8 мм; бв/1в=1,3/1,5 мм; сплав Л63
н
I
Рис.3. Зависимость усилия на отрыв от числа витков индуктора: и=2000 В; С=2000 мкФ; Дст=10 мм; 5п=0,8 мм; ёв/!в=1,3/1,5 мм; сплав Л63
Кроме того, на качество соединения влияют следующие геометрические параметры сборки: диаметр выступа йе и длина выступа 1е, зависящие от диаметра стержня Дст. Влияние геометрических размеров выступа представлено на рис.4.
30
Рис.4. Зависимость усилия на разрыв от длины выступа стержневого элемента
В ходе проведения постановочных экспериментов было выявлено, что наличие выступа на торце шпильки облегчает процесс образования сварного соединения, при этом накопленная энергия ниже по сравнению с приваркой стержней с гладким торцом.
Проведённые экспериментальные и теоретические исследования, анализ аналогичных разрядно-импульсных процессов позволили вскрыть механизм и выдвинуть гипотезу образования соединения в процессе конденсаторной сварки. Основные процессы, происходящие при КС, представлены в табл.1.
Таблица 1
Основные процессы, происходящие при конденсаторной сварке
Наименование этапа
Физическая интерпретация
Графическое изображение
1. Разряд емкостного накопителя на систему индуктор-свариваемые детали, возникновение переменного магнитного поля и магнитного давления
Энергия, запасённая в батареи конденсаторов:
щ Си2 щ ЩС = —:— О Щ
2
Частота разряда: 1
И - Д
f = - ___________
2 -ж ■ л/ L ■ С Индуцирование сварочного
і
1И = ил— ехр(- 2 — si
И 11 Ь
Возникновение
давления:
тн2
М (Св)
Ь
магнитного
2
81П О І
I
2. Взрывообразное испарение и оплавление выступа, горение импульсной дуги, электровзрыв-ная очистка:
ПМ
УТ
> рТ
Толк.
Т .И.
3. Высокоскоростное перемещение толкателя со стержнем в магнитном поле, выплеск жидкого металла:
dr dH Ш VrdH „ Р ■ Г
т
<у
йг
= р -1 М
кйу
йі
р
ПМ '
гйг йг
йг
пер.
т
4. Совместная деформация, твердофазное взаимодействие:
^ > ^р ,
где tв -время взаимодействия; 1а -время активации; tр -время релаксации
Источники вводимой энергии в зону соединения для активации свариваемого контакта:
Q = QК + ^ ,
где QК = 12-джоулево тепло; QМ = f (Н) -механическая энергия
2
На первом этапе осуществляется разряд батареи конденсаторов на рабочий индуктор и сопряженные детали, индуцирование сварочного тока, возникает магнитное давление.
На втором этапе протекающий импульс тока 1р, достигающий несколько десятков тысяч ампер, взрывообразно испаряет часть выступа, оставшаяся часть оплавляется. Дуговой промежуток, равный длине выступа, заполняется парами металла, которые создают естественную защиту сварочной ванны от окружающей среды. В это же время под действием газодинамических сил осуществляется электровзрывная очистка сопрягаемых поверхностей от оплавленного слоя деталей вместе с загрязнениями, включая оксидные пленки.
На третьем этапе в результате возрастания магнитного давления дуговой промежуток уменьшается. Под действием результирующего усилия происходит высокоскоростное перемещение толкателя со стержнем в сварочную ванну, окончательный выплеск из зоны сварки расплавленного металла выступа с оксидами, загрязнениями, неметаллическими включениями, т.е. очистка свариваемых поверхностей, пластическая деформация.
После этого наступает четвертый этап, во время которого под действием ковочного усилия происходит сварка. Очищенные поверхности совместно деформируются: происходит образование сварного соединения в твердой фазе, а жидкая фаза перемещается в галтельную зону соединения.
Основными параметрами процесса КС являются: характер изменения сварочного тока 1р, магнитный поток в рабочей зоне индуктора Н, магнитное давление Рм, давление паров металла Рп.м., высокоскоростное перемещение Sпер, относительная локальная пластическая деформация ел за время однополярного импульса разряда конденсаторов на рабочий инструмент и свариваемые детали.
Для получения качественного сварного соединения импульсное воздействие необходимо формировать таким образом, чтобы часть выступа успела испариться, а остаток необходимо выплеснуть ковочным усилием до полного сближения свариваемых поверхностей.
Постановочные эксперименты по реализации процесса колебательным и униполярным импульсом показали, что качество соединения практически одинаково. Это позволяет сделать вывод о том, что, как и изложено выше, основные процессы (1-^ этапы) происходят в первый полупериод разряда тока емкостного накопителя Т/2.
Примерные соотношения длительности отдельных стадий процесса КС с МИП даны на рис. 5.
Рис.5. Взаимосвязь параметров процесса конденсаторной сварки
Технические науки. Часть I
Таким образом, согласно выдвинутой гипотезе о существовании четырех характерных стадий процесса, в случае однополярного импульса
необходимые условия качественного соединения могут быть сформулиро-
ваны следующим образом:
tопл.+tэво.+tсв.=Т/2, (1)
^ер. — ^пл- +ь во, (2)
Рп.м.2>Рм2; (3)
Р п.м.3<Р м3, (4)
tв> tа > tр, (5)
где Т - период разряда конденсаторов на индуктор - свариваемые детали, ^пл. - время оплавления контактов, ^ер- время перемещения толкателя со стержневым элементом в зону сварки, tэво - время электровзрывной очистки 0:эво.=^.р.+^б), ^.р. - время искрового разряда, Ъб. - время сближения, Рп.м.2 - давление паров металла в момент искрового разряда, Рп.м.3- давление паров металла в период сближения кромок, Рм.2 - магнитное давление на второй стадии искрового разряда, Рм.3 - магнитное давление на третьей стадии высокоскоростного перемещения, tв - время взаимодействия, tа время активации, tр - время релаксации.
Полученные результаты измерений разрядного контура переналаживаемой экспериментальной установки в зависимости от параметров режима сварки и прочностные характеристики сварных соединений из сплава Л63 представлены в табл.2.
Таблица 2
Параметры режима сварки и прочностные характеристики сварных соединений из сплава Л63
Ёмкость накопительного блока батарей конденсаторов С, мкФ Напряжение заряда и, кВ Число витков индуктора N ^ £ а.9 е, Частота разряда тока ^ кГ ц Максимальное значение тока 1мах, кА Усилие отрыва Р, Н
1800 2,0 7 3,6 3,0 60,1 1600
2100 2,0 7 4,2 2,77 73 2500
2400 2,0 6 4,8 2,3 69,5 2740
2400 2,0 7 4,8 2,59 78 3100
2400 2,0 8 4,8 2,86 86,3 2250
2400 2,5 7 7,5 2,59 97,5 4060
2400 2,8 7 9,4 2,59 109,2 3600
Примечание. Диаметр выступа / длина выступа dв/lв при всех экспериментах бв/ 1в=1,3/1,5 мм, диаметр стержневого элемента Дст =10 мм, толщина плоского листа 5=0,8 мм, индуктивность разрядного контура установки Ь=152 нГн
Выводы. Таким образом, исследован принципиально новый способ импульсной сварки с использованием магнитного давления в качестве ковочного усилия. Способ позволяет осуществлять разогрев и интенсивную деформацию соединяемых поверхностей стержневых деталей с плоскими основаниями из цветных металлов и их сплавов.
Библиографический список
1. Калеко Д.М. Ударная конденсаторная сварка / Д.М. Калеко, В.Э. Моравский, Н.А. Чвертко. - Киев: Наукова думка, 1984.-200с.
2. Патент 70839, Российская Федерация, МПК7 В23К 20/06. Устройство для ударной конденсаторной сварки стержневых деталей с плоским основанием / С.В. Нескоромный Е. Л. Стрижаков. - № 2007130908/22; заявл. 13.08.07; опубл. 20.02.2008, Бюл. № 5.-6 с.
3. Стрижаков Е.Л. Ударная конденсаторная сварка с магнитно-импульсным приводом / Е.Л. Стрижаков, С.В. Нескоромный, Р.В. Меркулов // Сварочное производство. - 2009. - № 2. - С.33-35.
Материал поступил в редакцию 20.25.09.
S.V. NESCOROMNIY
THE RESEARCH OF CONDENSER WELDING OF ROD COMPONENTS WITH FLAT BASE
The article presents the research of condenser welding with magnetic pulsed drive. The effect of both energy parameters of welding modes and geometric ones of assembly on welded joints strength such as body part-rod is considered. The processes taking place during condenser welding are described.
НЕСКОРОМНЫЙ Станислав Валерьевич (р.1981), ведущий программист, ассистент кафедры ''Машины и автоматизация сварочного производства" ДГТУ. Окончил ДГТУ в 2005г. Занимается исследованиями в области импульсных методов сварки цветных металлов и их сплавов. Имеет 12 публикаций.
nescoromniy@mail. ru
