CC BY
11
DOI: 10.53078/20778481_2022_3_87 УДК 621.791.763.2
С. М. Фурманов, Д. Н. Юманов, Д. И. Якубович, С. Н. Емельянов, Е. М. Королёв
О ВЛИЯНИИ ТОКА ПОДОГРЕВА НА ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ КОНТАКТНОЙ РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКЕ
S. M. Furmanov, D. N. Yumanov, D. I. Yakubovich, S. N. Emelyanov, E. M. Korolev
ON THE EFFECT OF PREHEATING CURRENT ON STRENGTH OF JOINTS DURING RESISTANCE PROJECTION WELDING
Аннотация
Установлены закономерности влияния тока подогрева на величину осевого перемещения подвижного электрода, используемого для определения степени разогрева рельефа и момента начала нарастания мощности от подогрева к сварке. Предложено в процессе рельефной сварки с программным управлением мощностью использовать величину перемещения электрода как критерий образования качественного соединения. Полученные временные зависимости усилия на отрыв при испытаниях сварных соединений показали, что при оптимальном токе подогрева, равном 45 %...55 % от сварочного тока, происходит образование сварного соединения, обладающего стабильно высокими механическими свойствами. Зависимости ширины линии сплавления показали, что увеличение тока подогрева способствует более быстрому формированию линии сплавления на стадии сварки.
Ключевые слова:
контактная рельефная сварка, система программного управления мощностью, перемещение подвижного электрода, стабильность механических свойств соединений, ток подогрева, сварочный ток, ширина линии сплавления.
Для цитирования:
О влиянии тока подогрева на прочность соединений при контактной рельефной сварке / С. М. Фурманов, Д. Н. Юманов, Д. И. Якубович, С. Н. Емельянов, Е. М. Королёв // Вестник Белорусско-Российского университета. - 2022. - № 3 (76). - С. 87-95.
Abstract
The studies established patterns of the effect of preheating current on the magnitude of axial travel of a movable electrode used to determine the degree of projection preheating and the beginning moment of increase in power from preheating to welding. It is proposed to use the magnitude of electrode travel as a criterion for the formation of a high-quality joint in the process of resistance projection welding with programmed power control. The obtained time dependencies of the pull-off force during testing of welded joints showed that at an optimal preheating current equal to 45 %...55 % of the welding current, a welded joint is formed that has consistently high mechanical properties. Dependencies of the fusion line width showed that an increase in the preheating current contributes to a more rapid formation of the fusion line at the welding stage.
Keywords:
resistance projection welding, programmed control of heat input power, movable electrode travel, stability of strength characteristics of joints, preheating current, welding current, fusion line width.
For citation:
On the effect of preheating current on strength of joints during resistance projection welding / S. M. Furmanov, D. N. Yumanov, D. I. Yakubovich, S. N. Emelyanov, E. M. Korolev// The Belarusian-Russian university herald. - 2022. - № 3 (76). - P. 87-95.
© Фурманов С. М., Юманов Д. Н., Якубович Д. И., Емельянов С. Н., Королёв Е. М., 2022
Разработанная система программного управления (СПУ) мощностью с жестким заданием параметров режима контактной рельефной сварки (КРС) позволяет эффективно наладить процесс работы с ЭВМ [1-3]. Виртуальный блок цикла в программной среде LabVIEW осуществляет задание временных интервалов циклограммы КРС (рис. 1), а также регулирование мощности [4]. Табличные сигналы, снятые с датчиков
в процессе сварки, и адаптация их в виде графических временных зависимостей позволяют анализировать параметры режима сварки, а также оценивать влияние каждого из параметров на качество сварных соединений. На основе анализа сигналов системы возможна корректировка режимов сварки с целью стабилизации механических свойств соединений [5].
Р(1), ^
Тсж
под
рсб ^ков _
/
-Рпод /
/
"г под
ТНАР
. Рев
Тсв
Тков
Рис. 1. Циклограмма рельефной сварки с программным управлением мощностью
Мощность Рпод (ток /под) и усилие сжатия электродов ^под при подогреве оказывают решающее влияние на плавность прохождения последующего этапа сварки и формирование качественного соединения. При подогреве происходит определенное перемещение подвижного электрода, связанное с начальной деформацией рельефа, которое можно использовать для определения момента начала нарастания мощности от подогрева Рпод к сварке Рсв (ток /св) [2].
В процессе рельефной сварки пластины толщиной 4 мм (сталь СтЗпс) с винтом М8 с потайной головкой (ГОСТ 17475-80) задавались следующие параметры режима: время протекания тока подогрева Тпод = 0,3 с; время нарастания тока Тнар = 0,2 с; время про-
текания сварочного тока Тсв = 0,2 с; величина сварочного тока /св = 19...20 кА; усилие сжатия при подогреве, сварке и проковке ^под = ^св = ^ков = 7900 Н; время предварительного сжатия и проковки тсж = тков = 0,5 с. С целью регулирования степени разогрева межэлектродной зоны изменялась величина тока подогрева /под = 6; 7,5; 10; 12 кА. Влияние тока подогрева на мощность Р сварки показано на рис. 2.
При токе /под = 6 кА перемещение электрода за время подогрева Тпод составляло Лэл.под = 20.48 мкм, при выходе на сварочный ток /св появлялись сильные выплески расплавленного металла, что свидетельствует о большой плотности сварочного тока и неэффективности подогрева (рис. 3, ряд 1).
Т ->■
Рис. 2. Влияние тока подогрева на мощность сварки
500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820 840 860 МС 900
Т ->
Рис. 3. Влияние тока подогрева /под на перемещение электрода на стадии подогрева
При токе подогрева /под = 7,5 кА перемещение электрода составляло ^эл.под 32...56 мкм, также наблюдались выплески расплавленного металла, что свидетельствует о недостаточной деформации рельефа на стадии подогрева (см. рис. 3, ряд 2 ). При этом среднее усилие на отрыв образцов составило ^отр = 19,45 кН при разбросе значений от 16,13 до 22,74 кН.
При оптимальном токе подогрева
/под = 10 кА (45 %.. .55 % от сварочного тока /св) перемещение электрода составило ^эл.под = 80.260 мкм при исключении появления выплесков, что свидетельствует об оптимальных параметрах подогрева (см. рис. 3, ряд 3). При этом среднее усилие на отрыв образцов составило ^отр = 25,23 кН при разбросе значений от 20,16 до 31,5 кН. Таким образом, все образцы, сваренные на данном режиме, обеспечивают
необходимое значение усилия на отрыв 19,5 кН для класса прочности винтов 5.6 согласно ГОСТ 1759.4-87.
При токе подогрева /под = 12 кА перемещение электрода составляло ^эл.под = 180.325 мкм, что свидетельствует о чрезмерном нагреве и деформации рельефа на стадии подогрева, быстром увеличении площади контакта деталей, снижении плотности тока на стадии сварки и возможном снижении прочности соединения (см. рис. 3, ряд 4).
Для определения влияния усилия сжатия электродов при подогреве током /под = 9 кА на процесс тепловыделения в зоне сварки усилие было снижено до ^под = ^св = 4750 Н (см. рис. 3, ряд 5). При этом в процессе сварки наблюдались сильные выплески расплавленного металла. Перемещение электрода при подогреве составляло йэл.под = 56.250 мкм, что свидетельствует о нестабильности процесса тепловыделения. При этом среднее усилие на отрыв образцов со-
ставило ^Отр = 24,8 кН при разбросе значений от 21,06 до 27,26 кН. Сварное соединение обеспечивает усилие отрыва не менее 19,5 кН, но имеет плохой внешний вид.
Перемещение электрода при подогреве Лэл.под оказывает влияние на дальнейшее его перемещение на стадии сварки Лэл.св. При токах /под = 6; 7,5; 10 кА наблюдается рост перемещения ^эл.св = 1,6; 2,2; 2,5 мм соответственно (рис. 4, ряд 1-3). Однако при токе /под = 12 кА наблюдается снижение перемещения до Лэл.св = 2 мм, что объясняется значительным увеличением площади контакта рельефа с деталью на стадии подогрева и уменьшением плотности тока на стадии сварки (см. рис. 4, ряд 4).
При снижении усилия до ^под = = ^св = 4750 Н за счет увеличения тепловыделения на контактных сопротивлениях наблюдается рост перемещения до Лэл.св = 2,25 мм.
Рис. 4. Влияние тока подогрева /под на перемещение электрода на стадии сварки
Влияние времени протекания сварочного тока тсв и энергии тепловло-жения Qээ на величину перемещения подвижного электрода Нэл и ширину
линии сплавления Нлс исследовалось при следующих параметрах режима: ТПОД = 0,3 с; ТНАР = 0,2 с; /св = 19.20 кА; усилие сжатия электродов ^под = ^св =
= ^ков = 7900 Н. Исследования проводились для двух серий образцов для токов подогрева /под1 = 7,5 кА и /под2 = 9 кА. При сварке каждой серии образцов изменялось время протекания сварочного тока тсв, которое задавалось равным 0; 0,05; 0,1; 0,15 и 0,2 с.
Графики зависимости перемещения подвижного электрода Нэл, энергии тепловложения Qээ, ширины линии сплавления Нлс и усилия на отрыв ^отр при механических испытаниях в зависимости от времени протекания сварочного тока тсв представлены на рис. 5-8 соответственно.
При тпод = 0,3 с, тнар = 0,2 с, тсв = 0 с (в момент после подогрева и нарастания мощности до максимальной) в зону сварки вложена энергия Qээl = 6890 Дж, Qээ2 = 8120 Дж для токов подогрева /под1 = 7,5 кА и /под2 = 9 кА соответственно (см. рис. 6). Образовавшаяся линия сплавления Нлс не превышала 0,3 мм, в отдельных случаях полностью отсутствовала (см. рис. 7) [6]. Возникший непровар свидетельствует о ещё недостаточном разогреве металла
соединения, однако увеличение энергии Qээ, вложенной на данном этапе, существенно влияет на дальнейший ход процесса сварки и значительно повышает усилие на отрыв ^отр образцов при механических испытаниях (см. рис. 8).
При задании энергии тепловложе-ния в процессе КРС величина осевого перемещения подвижного электрода Нэл использовалась как критерий образования качественного соединения. Как показали эксперименты, средняя величина перемещения Нэл имеет прямую взаимосвязь со средним значением энергии тепловложения Qээ в зону соединения (см. рис. 5 и 6) [7].
Графики временных зависимостей ширины линии сплавления Нлс (см. рис. 7) показывают, что ширина линии сплавления сварного соединения увеличивается пропорционально увеличению времени протекания сварочного тока [7]. При этом увеличение тока подогрева способствует более быстрому формированию линии сплавления.
Рис. 5. График зависимости перемещения подвижного электрода Нэл от времени протекания сварочного тока Тсв: 1 - /под1 = 7,5 кА; 2 - /под2 = 9 кА
Рис. 6. Зависимость энергии тепловложения QЭЭ от времени протекания сварочного тока тСв: 1 - /под1 = 7,5 кА; 2 - /шд2 = 9 кА
ТС8
Рис. 8. График зависимости усилия на отрыв при испытаниях ЕОТР от времени протекания сварочного тока Тсв: 1 - /под1 = 7,5 кА; 2 - /под2 = 9 кА
Для всех образцов проводились механические испытания на отрыв в соответствии с ГОСТ 6996-66. Сварные соединения, выполненные рельефной сваркой, испытывали на отрыв статическим продавливанием образца. Графики зависимостей усилия на отрыв при испытаниях сварных соединений (см. рис. 8) показали, что увеличение времени протекания сварочного тока приводит к образованию более качественного сварного соединения, обладающего высокими механическими свойствами [5]. При этом увеличение тока подогрева от /под1 = 7,5 кА до /под2 = 9 кА позволило при тсв = 0,2 с
увеличить среднее усилие на отрыв от ^отр1 = 19,45 кН до ^отр2 = 25,05 кН. Следовательно, режимы технологического процесса сварки данных соединений можно считать подходящими для получения качественных соединений.
При максимальной энергии теп-ловложения в изделие (тсв = 0,2 с), составившей Qээl = 13050 Дж
и Qээ2 = 14157 Дж для двух режимов сварки (/под1 = 7,5 кА и /под2 = 9 кА), максимально достигнутая ширина линии сплавления составила соответственно Нлс1 = 3,2 мм и Нлс2 = 4,4 мм (рис. 9).
Рис. 9. Линия сплавления сварного соединения при времени тсв = 0,2 с, увеличение х640:
а - /под1 = 7,5 кА; б - /под2 = 9 кА
Таким образом, произведена экспериментальная оценка влияния тока подогрева на формирование качественных сварных соединений, получаемых контактной рельефной сваркой. Применение системы программного управления мощностью тепло-вложения положительно сказывается на механических свойствах Т-образных сварных соединений.
Выводы
1. Установлены закономерности влияния тока подогрева на величину перемещения подвижного электрода, которое используется для определения степени разогрева рельефа и момента начала нарастания мощности от подогрева к сварке; при оптимальном токе подогрева /под (45 %.. .55 % от сварочного тока /св) перемещение ^элпод составля-
ет 80.260 мкм, что способствует снижению вероятности появления выплесков при дальнейшем увеличении тока и стабилизации механических свойств соединений. Диапазон значений усилий на отрыв составляет от 20,16 до 31,5 кН, что соответствует ГОСТ 1759.4-87, регламентирующему значение усилие отрыва более 19,5 кН для класса прочности винтов 5.6.
2. При задании энергии тепловло-жения в процессе КРС величина осевого перемещения подвижного электрода Нэл использовалась как критерий образования качественного соединения. Определена взаимосвязь перемещения Нэл с энергией тепловложения Qээ в зону соединения.
3. Графики временных зависимостей усилия на отрыв при испытаниях сварных соединений показали, что увеличение тока подогрева от /под1 = 7,5 кА
до /под2 = 9 кА позволило при тсв = 0,2 с увеличить среднее усилие на отрыв от ^отр1 = 19,45 кН до ^отр2 = 25,05 кН. Следовательно, режимы технологического процесса сварки данных соединений можно считать подходящими для получения качественного сварного соединения.
4. Произведена экспериментальная оценка влияния тока подогрева на формирование качественных сварных соединений, получаемых контактной рельефной сваркой. Показано, что увеличение тока подогрева способствует более быстрому формированию линии сплавления.
5. Подтверждено, что применение системы программного управления мощностью при рельефной сварке положительно сказывается на стабильности механических свойств получаемых Т-образных соединений.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Климов, А. С. Контактная сварка. Вопросы управления и повышения стабильности качества / А. С. Климов. - Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2011. - 216 с.
2. Фурманов, С. М. Пути совершенствования термодеформационных циклов контактной точечной и рельефной сварки: монография / С. М. Фурманов. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2019. - 274 с.
3. Аппаратная реализация корректирующей системы регулирования мощности тепловложения при контактной рельефной сварке / С. М. Фурманов [и др.] // Сварка и диагностика. - 2018. - № 5. -С. 35-40.
4. Компьютерное управление процессом контактной сварки с помощью среды графического программирования LabVIEW / С. М. Фурманов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2019. - № 2. - С. 54-62.
5. О влиянии параметров режима контактной рельефной сварки с программным управлением мощностью тепловложения на стабильность прочностных показателей соединений / Д. Н. Юманов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2020. - № 3. - С. 118-129.
6. Россошинский, А. А. Металлография сварных швов / А. А. Россошинский. - Москва: Машгиз, 1961. - 207 с.
7. О влиянии энергии тепловложения на ширину линии сплавления Т-образных соединений при рельефной сварке с программным управлением / С. М. Фурманов [и др.] // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. -2021. - № 4. - С. 88-95.
Статья сдана в редакцию 15 июня 2022 года
Сергей Михайлович Фурманов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-295-41-67-99. E-mail: furm@mail.ru.
Дмитрий Николаевич Юманов, ассистент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-339-12-90-00. E-mail: oitsp.dmitriy.y@gmail.com.
Дмитрий Иванович Якубович, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-296-81-14-35. E-mail: d.i.yakubovich@mail.ru.
Светозар Николаевич Емельянов, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-296-62-25-69. E-mail: e_svetozar@mail.ru.
Егор Михайлович Королёв, студент, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-445-98-48-86. E-mail: egorchik2000.com@gmail.com.
Sergei Mikhailovich Furmanov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Tel.: +375-295-41-67-99. E-mail: furm@mail.ru.
Dmitry Nikolayevich Yumanov, assistant lecturer, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-339-12-90-00. E-mail: oitsp.dmitriy.y@gmail.com.
Dmitry Ivanovich Yakubovich, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Tel.: +375-296-81-14-35. E-mail: d.i.yakubovich@mail.ru.
Svetozar Nikolayevich Emelyanov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. Tel.: +375-296-62-25-69. E-mail: e_svetozar@mail.ru.
Egor Mikhailovich Korolev, student, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-445-98-48-86. E-mail: egorchik2000.com@gmail.com.
