Оценка свариваемости материала изделия

Министерство образования и науки, молодежи и спорта

 

Национальный технический университет

 

«Харьковский политехнический институт »

 

Кафедра «Сварка»

 

 

 

 

Расчетно – графическое задание

«Оценка свариваемости материала изделия» 
по дисциплине 
«Технология конструкционных материалов» 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Харьков 2012

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Условные обозначения...…..…………………………………………….3
2. Исходные данные………...........................................................................4
3. Оценка электрического сопротивления………………………………...5

3.1Расчет величины сварочного тока…………………..……………7

3.2 Расчет общего количества теплоты, затрачиваемой на образо-    вание соединения…………………………………….…………….....7  

          3.3Расчет величины тока шунтирования……………………….…10

        4. Материал………………………………………………………………....12

Вывод…………………………………………………………………..….13

Список литературы……………………………………………..…...14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

 

Величина	Обозначение {ед. измерения}
Уд. электро-сопрот.	ρ0, мкОм/ см
Коэф. темпе-ратуропровод.	α, см2/с·10-4
Плотность	γ, кг/м3
Температура плавлення	Тпл, К
Ток шунтирования	, кА
Сварочный ток	, кА
Электрическое сопротивление шунта	, мкОм
Коэффициент неравномерности нагрева деталей	kп
Диаметр рабочей части электрода	dэ, м
Энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления	Q1,  кДж
Теплота, расходуемая на нагрев металла	Q2, кДж
Потери теплоты в электроды	Q3, кДж
Общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения	Qээ, кДж
Коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки	тr
Время сварочного тока	tсв, с
Сопротивление листов к концу сварки	, мкОм
Шаг между точками	tш, м
Коэф.тепло-провод.	λ, кВт/(м К)
Уд. теплоемкость	с, кДж/(кг К)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

№ варианта	Свариваемый материал	Толщина листа δ, мм	Время протекания сварочного тока tсв, с	Шаг точек tш, мм
39	ОТ4	2,5	0,32	60

 

 

 

Свариваемый материал	Уд. электро-сопрот. при 0 оС ρ0, мкОм см	Коэф.тепло-провод. при 20оС λ, кВт/(м К)	Коэф. темпе-ратуропровод. при 20оС  α, см2/с·10-4	Уд. теплоем-кость при 20оС с, кДж/(кг К)	Плотность при 20о С γ, кг/м3	Температура плавлення Тпл, К
Медь	1,75	0,36	1,05	0,38	8900	1356
ОТ4	142	0,01	0,036	0,58	4590	1993

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ К КОНЦУ ЦИКЛА СВАРКИ

Для оценки электрического сопротивления деталей к концу нагрева используем упрощенную схему теплового состояния металла [2, 3]. Сопротивление двух пластин толщиной δ представим как сумму сопротивлений двух других условных пластин I и II, каждая из которых нагрета до средней постоянной температуры Т1 и Т2 (рис.1) и имеет ту же толщину δ. Тогда

                                      ,  (1)

где A – поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность растекания тока в зоне сварки; kп  коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей; ρ1 и ρ2 – удельные электросопротивления материала деталей при температуре Т1 и Т2; dэ – диаметр рабочей части электрода.

 

 

Рисунок 1 – Схема расчета электрического сопротивления к концу цикла сварки

 

Удельные электросопротивления деталей ρ1 и ρ2 зависят от рода металла (табл. 2), вида его термомеханической обработки и температуры. Значения ρ1 и ρ2 определим по соответствующей данному материалу оси ординат для температуры Т1 и Т2 (рис. 2). Так, при сварке деталей из титановых сплавов – Т1 = Т2 = 1660 °С.

Значение коэффициента неравномерности нагрева деталей из титановых сплавов – kп = 2.

Диаметр рабочей части электрода приближенно: dэ = 2δ + 3.

 

 

Рисунок 2 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева

 

Коэффициент А равен отношению , где – электрическое сопротивление цилиндрического столбика металла длиной δ и диаметром dэ. За счет шунтирования тока в массу детали величина всегда меньше , соответственно коэффициент А < 1. Кроме того, А зависит от отношения (рис. 3). Чем меньше это отношение, тем меньше А, тем больше разница между и . При сварке деталей толщиной δ = 0,8 – 3 мм принимают А ≈ 0,8.

 

 

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента А от отношения dэ/δ

 

      Исходные данные:

      kп =2;      ρ1 = 2,1 мкОм∙м;      ρ2  =2,1 мкОм∙м;

     Произведем расчет в следующем порядке

1. м;
2. Вычислим отношение  , следовательно  (из рис. 3);
3. Вычислим сопротивление листов к концу сварки:

   мкОм.

     

   3.1 Расчет величины сварочного тока.

               Для определения сварочного тока воспользуемся формулой:

,   (2)

где Qээ – общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения; тr – коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки.

Для сплавов титана – тr = 1,4; tсв - время сварочного тока, tсв=0.32 с.; - сопротивление листов к концу сварки, =334 мкОм.

 

  

     3.2 Расчет общего кол-ва теплоты (уравнение теплового баланса):

 

Qээ = Q1 + Q2 + Q3,   (3)

 

где Q1 – энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления Тпл центрального столбика металла высотой 2δ и диаметром основания dэ; Q2 – теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х2, окружающего центральный столбик; Q3 – потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х3 до средней температуры электрода Тэ (рис. 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема расчета сварочного тока

 

Среднюю температуру кольца вокруг столбика принимаем равной 0,25×Тпл от достигаемой на его внутренней поверхности при контакте деталей. Считаем, что температура на контактной поверхности электрода с деталью Тэ.д ≈ 0,5Тпл, а температура электрода Тэ ≈ 0,25Тэ.д, можно принять, что Тэ = =Тпл/8 (рис. 4).

Энергия Q1 расходуется на нагрев центрального объема металла (большего, чем объем ядра) до Тпл, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:

, (4)

где с – удельная теплоемкость металла; γ – плотность металла (табл. 2).

При расчете Q2 принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х2 от границы столбика. Значение х2 зависит от времени сварки и температуропроводности металла:

                              , (5)

где a–коэффициент температуропроводности свариваемого металла (табл. 2).

Если площадь кольца , высота 2δ, а средняя температура нагрева , то ориентировочно

                          , (6)

где k1 – коэффициент, близкий к 0,8, учитывает, что средняя температура кольца несколько ниже средней температуры Тпл/4 в связи со сложным распределением температуры по ширине этого кольца, так как наиболее интенсивно нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца.

Потери теплоты в электроды Q3 можно оценить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной и объемом до Тпл/8. Коэффициент k2 учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k2 = 1, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k2 = 1,5 (предпочтителен для сталей и титановых сплавов), а для электрода со сферической рабочей поверхностью k2 = 2 (для алюминиевых сплавов). Тогда:

                          ,         (7)

где сэ и γэ — теплоемкость и плотность металла электрода (табл. 2).

Зная составляющие теплового баланса, по формуле (3) определяем общее количество теплоты Qээ. Далее, пользуясь формулой (2), рассчитывается действующее значение сварочного тока Iсв.

Расчет: Определить силу тока при точечной сварке листов из титаного сплава толщиной δ =   м медными электродами с диаметром рабочей поверхности Ø  м, временем сварки tсв =0.32 с и шагом точек tш =  м.

Температура ликвидуса стали Tпл = 1933 °К, удельная теплоемкость стали c = 0,58 кДж/(кг·К), медного электрода – сэ = 0,38 кДж/(кг·К), плотность титаного сплава γ = 4590 кг/м3, меди – γэ = 8900 кг/м3, температуропроводность сплава – α = 0,036·10-8  м2/с,

меди – α = 1,05·10-8 м2/с, удельное электросопротивление титана при 0 оС – ρ0 = 1,42 мкОм м. Сопротивление листов к концу процесса сварки 2  = 334 мкОм. Произведем расчет в следующей последовательности:

Согласно выражению (4):

кДж.

Определим согласно формуле (6) Q2 при k1 = 0,8 и м. Согласно выражению (7) определим Q3 при k2 = 1,5 и м.

 кДж.

Тогда согласно формуле (3) ≈  кДж, а Iсв согласно (2) Iсв =   ≈ 3,036 кА.

 

 Расчет величины тока шунтирования

 

Шунтирование тока проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ранее сваренные точки (рис. 5) при двухсторонней точечной сварке или через одну из деталей при односторонней сварке. Шунтирование в значительной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом расстоянии или шаге между точками привести к уменьшению плотности тока и размеров литого ядра.

 

Рисунок 5 – Шунтирование тока при двухсторонней точечной сварке

 

Значение тока шунтирования оценим по формуле:

              , (8)

где rш – электрическое сопротивление зоны сварки и шунта;

            , (9)

где ρ0 – удельное электросопротивление материала при 0 оС,  ρ0 =1,42мкОм∙м; bпр = rэ – приведенная с учетом растекания тока ширина шунта, bпр  = ; tш – шаг между точками, tш = м; Кэ ≈ 0,4. Произведем расчет в следующей последовательности:

         для определения тока шунтирования согласно (9) находим:

Согласно (8) имеем:

      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Материал

 

Марка	ОТ4
Классификация	Титановый деформируемый сплав
Дополнение	Титановый деформируемый сплав Сплав хорошо деформируется в горячем и ограниченно холодном состояниях.
Применение	для деталей, работающих при температурах до 350 °С в течение 2000 ч и до 300 °С — 30 000 ч.; коррозионная стойкость хорошая; класс по структуре псевдо α

 

 

Химический состав в % материала ОТ4

 

Fe	C	Si	Mn	N	Ti	Al	Zr	O
до   0.3	до   0.1	до   0.12	0.8 - 2	до   0.05	91.83 - 95.4	3.5 - 5	до   0.3	до   0.15

Свариваемость:

без ограничений.

 

 

   Твердость   ОТ4   ,       HB 10 -1 = 207 - 285   МПа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫВОД

 

В результате вычислений было определено, что для точечной сварки      листов титаного сплава ОТ4 толщиной  м необходим сварочный ток величиной кА, а также выделится такое количество теплоты =1,38 кДж.