Снижение энергоемкости процессов контактной рельефной сварки
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Поляков Андрей Юрьевич
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 216
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0459-4
Артикул: 744500.01.99
Освещены вопросы энергосбережения в сварочном производстве. Рассмотрена контактная рельефная сварка как перспективная разновидность сварки давлением. Уделено внимание возможности получения рельефных соединений как с расплавлением металла свариваемых деталей, так и без расплавления (в твердой фазе) путем реализации циклограмм нагрева межэлектродной зоны, отличных от рекомендуемых в литературе.
Для специалистов в области сварки, студентов машиностроительных направлений подготовки и научных работников.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- ВО - Магистратура
- 15.04.01: Машиностроение
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А. Ю. ПОЛЯКОВ СНИЖЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОЦЕССОВ КОНТАКТНОЙ РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКИ Монография Издание второе, дополненное Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020
УДК 621.791 ББК 34.641 П54 Рецензенты: д-р техн. наук, проф., заслуженный деятель науки Республики Беларусь, чл.-кор. НАН Беларуси, зав. кафедрой порошковой металлургии, сварки и технологии материалов Белорусского национального технического университета Ф. И. Пантелеенко; д-р техн. наук, проф., профессор Высшей школы физики и технологии материалов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого С. Г. Паршин; д-р техн. наук, проф. В. П. Березиенко Поляков, А. Ю. П54 Снижение энергоемкости процессов контактной рельефной сварки : монография / А. Ю. Поляков. - 2-е изд., доп. - Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2020. - 216 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0459-4 Освещены вопросы энергосбережения в сварочном производстве. Рассмотрена контактная рельефная сварка как перспективная разновидность сварки давлением. Уделено внимание возможности получения рельефных соединений как с расплавлением металла свариваемых деталей, так и без расплавления (в твердой фазе) путем реализации циклограмм нагрева межэлектродной зоны, отличных от рекомендуемых в литературе. Для специалистов в области сварки, студентов машиностроительных направлений подготовки и научных работников. УДК 621.791 ББК 34.641 ISBN 978-5-9729-0459-4 © Поляков А. Ю., 2020 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
ВВЕДЕНИЕ Снижение энергоемкости производства является одним из приоритетных направлений развития промышленных комплексов Республики Беларусь и иностранных государств. Современное импортное оборудование ведущих мировых производителей, все чаще встречаемое на отечественных предприятиях, наряду с высокими техническими характеристиками, характеризуется и высокой закупочной стоимостью, что увеличивает сроки его окупаемости, особенно в условиях низких коэффициентов загрузки и сменности. При этом сварочное производство в целом является весьма энергоемким и требует применения достаточно мощных высокоамперных установок. Ввиду этого за последние 40 лет благодаря развитию во всем мире инвертирующих технологий удалось существенно повысить коэффициенты мощности и полезного действия, а также снизить мощность, потребляемую из сети, для оборудования, применяемого при дуговых способах сварки плавлением и термической резке. Однако в области сварки давлением подобных изменений не произошло. Оборудование, работающее на переменном и постоянном токе, до сих пор имеет в своем составе в качестве источников питания массивные сварочные трансформаторы, характеризующиеся значительным энергопотреблением. В дополнение к этому при изготовлении многих ответственных конструкций (например, элементов кузовов автомобилей) в условиях крупносерийного и массового производства контактные сварочные машины потребляют завышенное количество электроэнергии, т. к. такие основные параметры режима сварки, как величина сварочного тока и длительность его протекания, операторами обычно устанавливаются «с запасом» и в соответствии с представленными в различных источниках литературы многолетней давности, которые у различных авторов существенно разнятся между собой. По этим причинам суть проводимых научных исследований должна сводиться к разработке и обоснованию таких параметров режима сварки, которые будут обеспечивать требуемую прочность сварных соединений при минимально возможном тепловложении в межэлектродную зону (энергосберегающие режимы). Сегодня благодаря интенсивному развитию приборостроения созданы различные аналого-цифровые устройства и датчики, позволяющие в режиме реального времени управлять сварочной машиной и, соответственно, кинетикой формирования сварных соединений. С помощью таких устройств снизить энергоемкость процессов контактной сварки, как наиболее производительных и легко поддающихся автоматизации, возможно, но только путем реализации нетипичных циклограмм нагрева металла межэлектродной зоны с итоговым формированием: общей зоны взаимного расплавления металла свариваемых деталей; твердофазной зоны соединения металла свариваемых деталей (без расплавления). 3
1. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОЙ РЕЛЬЕФНОЙ СВАРКИ И ИДЕЯ СНИЖЕНИЯ ЕГО ЭНЕРГОЕМКОСТИ 1.1. Контактная рельефная сварка (КРС) и области ее применения Контактная рельефная сварка является разновидностью контактной точечной сварки (далее - КТС) и ее сущность заключается в том, что формирование неразъемного соединения деталей происходит в результате их сжатия электродами сварочной машины с выделением тепловой энергии в контактах деталь -деталь, электрод - деталь и основном металле при пропускании высокоамперных импульсов тока, причем на одной или на нескольких из деталей имеется естественный или искусственный выступ (рельеф) [1, 2]. Технологически процессы КРС и КТС различаются наличием/отсутствием рельефа, формой и габаритами электродов. При этом общим является конечный результат процесса - сварная точка (литая зона), общая для деталей и обеспечивающая прочность соединения (рисунок 1.1). а ) б ) а - точечная сварка; б - рельефная сварка; в - сварная точка (Fcb - усилие сжатия электродов; Т - сварочный трансформатор) Рисунок 1.1 - Схемы процессов контактной сварки и их конечный результат 4
С целью возможности получения за один цикл нескольких десятков точек оборудование для КРС вместо классических точечных электродов оснащается массивными электродными плитами с пазами под установку электродных узлов, что повышает производительность процесса. Для формирования рельефного сварного соединения необходимо, чтобы под действием процессов сжатия и нагрева со стороны электродов достаточно жесткий рельеф одной детали внедрился в тело другой детали, интенсивно деформируясь и частично расплавляясь [3]. Наличие рельефов является важным преимуществом рельефной сварки перед точечной. Линии протекания тока концентрируются у вершин рельефов в контактах деталь - деталь малой площади, которые к моменту выключения тока определяются диаметрами самих рельефов [4] (рисунок 1.2). Это позволяет осуществлять концентрированный полезный нагрев металла деталей благодаря высокой плотности тока, достигающей 400 А/мм² [5]. Q — условный объем перегретого металла в зоне максимальной плотности тока; С2> - область взаимного расплавления, растущая до закрытия зазора между деталями; - литое ядро (сварная точка) после кристаллизации под действием усилия ковки Qₙ, Qm, Q) — полезная энергия нагрева, энергия теплоотвода в основной металл деталей и в электроды соответственно; 1св — сварочный ток Рисунок 1.2 - Схема процесса КРС нахлесточного соединения, состоящего из двух плоских деталей 5
Рельефной сваркой также можно эффективно соединять три и более деталей за один цикл при последовательном (рисунок 1.3, а) или параллельном (рисунок 1.3, б) протекании через них сварочного тока, т. е. получать пакетные (многослойные, ступенчатые) соединения [1, 4, 6-8]. а ) а, б - при последовательном и параллельном протекании тока через детали соответственно Рисунок 1.3 - Схема процесса КРС пакетного соединения Помимо необходимости получения нахлесточных соединений, состоящих из плоских деталей [9], КРС широко применяется и в тех случаях, когда необходимо сварить между собой: - прутки, стержни или трубки вкрест (рисунок 1.4, а, б) [10-12]; - прутки с пластинами внахлестку (рисунок 1.4, в) [13]; - бобышки с пластинами Т-образно (рисунок 1.4, г) [14]; - специальные болты с пластинами Т-образно (рисунок 1.4, д) [15]; - стержни или бобышки с пластинами острой гранью (рисунок 1.4, е) [16, 17]; - пластины между собой через промежуточные вставки (рисунок 1.4, ж) [1]. 6
a ) б) г ) ж ) Рисунок 1.4 - Схемы взаимного расположения деталей перед КРС различных соединений (кроме нахлесточных соединений пластин) В литературе по контактной сварке встречаются процессы, по своей сущности близкие к КРС: сварка с раздавливанием кромок деталей, расположенных с нахлесткой (рисунок 1.5, a) [18, 19], сварка встык стержня и пластины (рисунок 1.5, б) [20], сварка бобышки с пластиной Т-образно по слою флюса (рисунок 1.5, в) [21]. В свою очередь, форма и размеры рельефа существенно влияют на процесс КРС в целом, т. к. именно эти параметры в каждом конкретном случае (с соответствующей плотностью тока) придают уникальность электротермо-деформационной способности металла в контакте деталь - деталь. При сварке нахлесточных соединений наиболее часто применяются рельефы круглой или 7
продолговатой вытянутой формы, а при необходимости обеспечения герметичности соединений - кольцевой формы [22]. а ) б ) в ) а - сварка с раздавливанием кромок деталей, расположенных с нахлесткой; б - сварка встык стержня с пластиной; в - сварка бобышки с пластиной Т-образно по слою флюса Рисунок 1.5 - Схемы взаимного расположения деталей перед контактной сваркой, близкой к КРС по своей сущности Следует отметить, что для процесса КРС характерна интенсивная радиально направленная пластическая деформация металла в зоне контакта деталь - деталь, в 10-15 раз большая, чем при КТС [1]. Поэтому если сравнить процессы КТС и КРС в условиях схожих колебаний величины и длительности протекания импульса сварочного тока, а также усилия сжатия электродов относительно оптимальных значений, то рельефные сварные соединения в подавляющем большинстве случаев обладают более высокой прочностью по отношению к точечным [23]. Типичные материалы, свариваемые КРС, - стали и титановые сплавы. В отдельных случаях применение рельефов увеличенного диаметра с повышением сварочного тока и усилия сжатия электродов дает возможность сваривать стали с цинковыми или кадмиевыми покрытиями [22]. Жесткие режимы сварки в комбинации с относительно большими значениями сварочного тока позволяют сваривать легкие сплавы [24]. Известны успешные попытки получения биметаллических соединений способом КРС («быстрорежущая сталь + конструкционная сталь», «титан + низкоуглеродистая сталь» и др.) [25-28]. Толщина свариваемого металла при КРС напрямую зависит от технических характеристик и возможностей применяемого сварочного оборудования. Машины контактной точечной сварки при оснащении комплектами электродов с увеличенной площадью контакта успешно используются предприятиями для рельефной сварки деталей небольших толщин (рисунок 1.6). При этом срок службы у электродов с увеличенной площадью контакта на порядок выше, чем у точечных. По этой причине их часто применяют 8
в тяжелых условиях эксплуатации (с частыми перегревами контактной поверхности), например, при многоцикловой КРС арматуры. Установлено, что при КРС арматуры по стойкости к износу материалы электродов можно расположить в ряд в порядке убывания: БрХКд 0,5-0,3; МЦ5 Б; МЦ4; БрХ; М1 [29]. 1 - верхний электрододержатель; 2 - верхний электрод для КРС; 3 - деталь 1 (болт с кольцевым рельефом); 4 - деталь 2 (пластина с отверстием по центру); 5 - промежуточная втулка для фиксации деталей; 6 - нижний электрод для КРС; 7 - нижний электрододержатель; 8 - датчик тока на эффекте Холла; 9 - зажимы датчика напряжения Рисунок 1.6 - Сварка кронштейна лифта способом КРС на машине точечной сварки МТ-3201 Специализированные рельефные прессы позволяют успешно и высокопроизводительно сваривать детали увеличенных толщин токами до 100 кА и более, однако их высокая мощность ограничивает продолжительность включения тока и увеличивает паузы между циклами во избежание перегрузок сварочного трансформатора [30]. В таких условиях предъявляются повышенные требования к системе охлаждения силовых тиристоров системы управления, вторичной обмотки сварочного трансформатора, а также токоведущих элементов вторичного контура контактной машины. В сравнении с дуговой сваркой КРС является не только высокопроизводительным способом соединения тонко- и среднетолщинного листового металла, но и безопасным процессом с высокой культурой производства. В процессе КРС отсутствуют выбросы токсичных газов, ультрафиолетовое излучение и повышенный уровень шума. 9
Однако вследствие воздействия на процесс сварки возмущающих воздействий, например, колебания сетевого напряжения, инерционности привода сжатия электродов или наличия ржавчины на деталях, возможны выплески расплавленного металла из межэлектродной зоны в виде искр. Также может иметь место воздействие электромагнитного поля со стороны вторичного контура контактной машины на механизмы, оказавшиеся в непосредственной близости к нему. Например, величины сварочного тока в 20 кА при КРС или КТС достаточно для совершения нескольких самопроизвольных оборотов стрелками кварцевых часов фирмы CASIO, расположенных на расстоянии 10-20 см от электродов. В промышленности способом КРС изготавливают узлы лифтов (кронштейны, петли и др.) [31], сельскохозяйственной техники (фиксаторы, держатели, проушины и др.) [32], легковых и грузовых автомобилей (тормозные колодки и др.) [33], арматурные узлы (плоские, прямоугольные и цилиндрические объемные каркасы, закладные детали, сетки и др.) [34, 35], а также элементы товаров широкого народного потребления (засовы дверных замков, рамки печных дверец, колодки рубанков, лопаты, корпусы фонарей и др.) [36] (рисунок 1.7). Узлы пассажирского лифта Кронштейн трактора Засов дверного замка Узлы мотоцикла Балка фермы Колодка рубанка Тормозная колодка автомобиля Рисунок 1.7 - Типовые узлы, свариваемые КРС Корпус фильтра 10