книги / Технология и оборудование контактной сварки

где х — расстояние от оплавляемого торца; k — показатель экспо­

температуру 7\ и Т2 в точках Л и £ на поверхности детали. Зная расстояние между ними, по формуле (9.2) рассчитывают температуру Т0 на торцах деталей. Элементы структуры регулятора, решающие эту задачу, включают фотоэлектрические датчики 8 и 9, которые из­ меряют температуру в точках Л и £ и преобразуют ее в напряжение. Это напряжение вместе с напряжением иПу пропорциональным пере­ мещению плиты su, поступает в аналоговое вычислительное устрой­ ство 6. Полученные значения Т0, 7\, Т2, k и su регистрируются само­ писцем 10, Одновременно с этим сигналы напряжения uUt пропор­ циональные T0i сравниваются с заранее заданным базовым напряже­ нием и3 задатчика 7. При равенстве этих напряжений (Ди = 0) срабатывает устройство, дающее команду на осадку.

Измерение температуры осуществляется обычно фотодиодами, установленными в специальных трубчатых кожухах. В некоторых случаях в них размещают оптическую часть в виде фокусирующей линзы. Для предупреждения налипания брызг в процессе оплавле­ ния кожух непрерывно продувают сжатым воздухом.

Обобщающим параметром качества процесса оплавления могут служить также отталкивающие силы, возникающие от теплового расширения и испарения металла (горизонтальная составляющая сил £ п на рис. 2.6, а) в процессе образования и разрушения перемы­ чек в искровом промежутке. По величине этих сил можно судить о площади контактирования, общей и локальной устойчивости опла­ вления. При поддержании базового уровня этих сил обеспечивается высокое качество сварных соединений.

В качестве корректирующих параметров для стабилизации от­ талкивающего усилия используют изменение скорости подачи или амплитуды колебаний подвижной плиты машины (при импульсном оплавлении).

Величина осадки зависит от градиента температур нагретых деталей (см. рис. 9.20) и может соответственно после его вычисления корректироваться при наличии измерительной и регулирующей усилие осадки аппаратуры. Таким образом, градиент температуры можно рассматривать как некий обобщающий параметр этапа осадки.

9.3.3. Многофакторный контроль

На формирование соединений при контактной сварке ока­ зывает влияние большое количество факторов-параметров. Связи их между собой и с качеством сварки недостаточно ясны, что не позво­ ляет дать точное математическое описание протекающих явлений.

В ИЭС им. Е. О. Патона применен специальный метод математи­ ческого моделирования, в основе которого лежит создание (путем машинной обработки экспериментальных данных) многофакторной

Рис. 9.21. Структурная схе­ ма устройства многофактор­ ного контроля процесса то­ чечной сварки

математической модели, формально связывающей основные пара­ метры процесса с качеством сварки независимо от физической при­ роды происходящих процессов. Так, для контроля соединений при точечной сварке легких сплавов многофакторные модели предста­ вляются в виде полинома второго порядка

Вычисление фактического значения диаметра ядра в процессе сварки деталей осуществляется аналого-вычислительным устройст­ вом АВУ аппаратуры пассивного контроля (рис. 9.21). Для этого в АВУ через блок программы БП вводится алгоритм ранее получен­ ного уравнения (многофакторной модели).

Для измерения /св, Fсв и Fк через блок формирования БФ в АЗУ вводятся их соответствующие сигналы.

Результаты расчетов и измерений поочередно поступают через коммутатор К в аналого-цифровой преобразователь АЦ П , где они преобразуются в цифровую форму и отображаются в натуральном масштабе в соответствующих регистрах индикации на цифровом табло блока регистрации и сигнализации БРС. Оптимальные значе­ ния параметров контроля задаются блоком уставки Б У и после окон­ чания цикла сварки сопоставляются с фактическим значением в блоке сравнения БС. При отклонениях свыше допустимых пределов выраба­ тываются сигналы рассогласования, от которых включается световая сигнализация и краскопульт, делающий пометку некачественных соединений на изделии. Такая система информации позволяет судить как о размерах, так и причинах отклонений d.

Для записи фактических значений параметров сварки предусмо­ трено цнфропечатающее устройство ЦПУ

Рассмотренная аппаратура после соответствующей доработки может быть использована и для активного контроля. В этом случае решается как бы обратная задача. По заданному номинальному зна­ чению du и установившемуся в начале сварки значению усилия сжа­

Отработка возмущений в системе осуществляется автоматическим изменением угла включения вентилей контактора сварочной машины таким образом, чтобы Q33. ф стало равно Q33. т- Как показали экс­ перименты, ошибка прогнозирования и регулирования d таких си­ стем составляет 5—6 %; при этом максимальная ошибка с вероят­ ностью 0,95 равна не более 10—12 %. К недостаткам способа отно­ сится некоторая сложность контрольной аппаратуры. Тем не менее, по-видимому, многофакторный контроль — одно из перспективных направлений на пути создания средств автоматического контроля в процессе сварки (см. § 8.3).

Следует отметить, что для реального внедрения пассивного и ак­ тивного контроля соответствующая аппаратура (датчики, приборы) должна составлять единое целое с машиной и устанавливаться на заводах-изготовителях сварочного оборудования.

§ 10. 1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ СОЕДИНЕНИЙ

Сварные соединения при контактной сварке бывают рабо­ чими и связующими. Рабочие соединения передают эксплуатацион­ ные нагрузки с одной детали на другую. При точечной, шовной и рельефной сварке они преимущественно работают на срез и отрыв (рис. 10.1, а, б), а при стыковой сварке на растяжение, сжатие, изгиб.

В связующих соединениях, выполненных точечной, шовной и рельефной сваркой, швы связывают детали между собой (рис. 10.1, в, г). При этом, если весь узел (рис. 10.1, в) работает на сжатие, то соединение часто работает на отрыв. При стыковой сварке соедине­ ния, как правило, являются рабочими.

Действующие силы и эпюры напряжений при нагружении одно­

центриситета Д происходит изгиб нахлестки, и на сварную точку действуют одновременно усилия среза f cp и отрыва F0TXi. В точках 3, 4 возникает концентрация напряжений от сгущения силовых линий при их переходе от основного металла к сварной точке (рис. 10.2, а, в); вдали от этих точек, в сечении / —/, действуют равномерно распре­ деленные напряжения (рис. 10.2, б).

С увеличением силы F система стремится занять устойчивое по­ ложение (рис. 10.2, д) и поворачивается на некоторый угол ос. При этом возрастает сила F0тр (F01V = F sin а). В общем случае, когда отношение d/s^z 3 (группа А ГОСТ 15878—79), сопротивление мс-

Рис. 10.2. Действующие силы и напря­ жения при работе сварного соединения на срез:

^отр от изгиба соединения. Так, например, при шовной сварке пло­ ских образцов из сплава Д20АТ толщиной 4 + 4 мм из-за увеличе­ ния Д разрушающие напряжения сварного соединения составляют всего 57 % разрушающего напряжения при испытании образцов тол­

щиной 1 + 1 мм.

Аналогичные механизмы отмечаются при нагружении рабочих соединений на статический отрыв (рис. 10.3). Скобы 1 сварены между собой одной точкой и через просверленные отверстия болтами при­ креплены к элементам приспособления 2. При нагружении силой F силовые линии сгущаются на периферии ядра, где возникает высокая концентрация растягивающих напряжений. В связи с этим разруше ние заканчивается, как правило, полным вырывом ЛНТОИ ЗОНЫ.

Концентрация напряжений на узком участке периферии шва в ряде случаев в 2—4 раза больше, чем влали от шва. Концентрация напряжений увеличивается с ростом отношения tmtd (где tm — шаг между точками) и с увеличением доли напряжений отрыва. При шов­ ной сварке концентрация напряжений меньше, чем при точеч­ ной.

Анализ процессов нагружения и разрушения нахлесточных соеди­ нений показывает, что им свойственно образование высоких концен­ траций напряжений и деформаций на узком участке периферии сварного шва (на границе литой зоны или пояска). Это приводит к преждевременному образованию локального очага разрушения и общему снижению механических показателей соединения в целом, например, при сопоставлении с прочностью стыковых соединений, выполненных сваркой плавлением. При статических нагружениях за счет перераспределения напряжений в пластической фазе этот эффект проявляется в меньшей степени. Значительно большее сниже­ ние прочности отмечается при циклических нагрузках, при которых многократное приложение относительно малых нагрузок на узком участке соединения приводит к накоплению в нем микропластической деформации, падению пластичности и относительно быстрому обра­ зованию зародыша разрушения и последующего развития усталост­ ной трещины.

Конструирование рабочих соединений, работающих, например, на статический срез, заключается в выборе d (группы А и Б ГОСТ 15878—79), рядности швов и числа точек.

Экспериментально установлено, что в многорядных швах свыше 80 % действующей на соединение нагрузки воспринимается первым рядом точек. Поэтому рационально проектировать соединение с од­

При продольном сжатии элементов конструкции (например, па­ нелей) в связующем сварном шве, соединяющем несущий лист с эле­ ментом жесткости, возникают силы отрыва сварной точки. С увели­ чением числа точек увеличивается монолитность конструкции и по­ теря устойчивости наступает при больших значениях внешней сжи­ мающей силы. Если известны действующие силы отрыва на точку, а также прочность сварной точки на отрыв, можно приближенно рассчитать необходимое число точек. Однако в большинстве случаев эти данные устанавливают экспериментально при испытании маке­ тов.

Сварные швы связующих соединений в конструкциях, работаю­ щих на растяжение (без изгиба), не воспринимают рабочих усилий. Разрушение таких конструкций определяется прочностью несущего элемента и степенью ослабления его сваркой.

Работоспособность сварных швов в условиях циклических на­ гружений, как правило, уточняют при испытании макетов конструк­ ций.

Показатели статической и циклической прочности соеди­ нений повышают снижением концентрации напряжений и повыше­ нием сопротивления опасной зоны металла разрушению. Этого дости­ гают выбором конструкции соединения и режимов сварки, а именно: 1) увеличением жесткости нахлестки; 2) размещением под нахлест­ кой-клеевой прослойки или припоя; уменьшением остаточных растя­ гивающих напряжений; 4) улучшением свойств металла зоны сварки. Первые три мероприятия относятся к нахлесточным соединениям. Последнее — как к нахлесточным, так и к стыковым.

Увеличение жесткости нахлестки препятствует образованию угла а и ^отр (см. рис. 10.2). Если, например, во время испытания образца на статический срез обжать нахлестку специальной оправкой, пре­ пятствующей изгибу соединения, то разрушающее усилие увеличи­ вается на 20—50 %. Аналогичный эффект получают при испытании цилиндрических образцов на срез. Так, среднее разрушающее уси­ лие каждой из шести точек при разрушении цилиндра диаметром 350 мм (сплав АМгб, 4 + 4 мм, d = 12 мм) составило 1811 даН, а при испытании одноточечного образца, вырезанного из цилиндра, только 1325 даН. Статическую прочность на отрыв можно увеличить на 20—30 %, если вместо пластин (см. рис. 10.3) испытывать жесткие стальные стаканчики, выточенные из прутка и сваренные между собой донышками. Эти и другие многочисленные данные показывают, что статическую и циклическую прочность можно повысить на 20 — 60 %, увеличивая жесткость соединений путем соответствующего размещения профилей, накладок, использования телескопических соединений и т. п.

Показатели статической и циклической прочности можно увели­ чить в 2—3 раза при использовании клеесварных и паяно-сварных соединений (см. п. 3.11.2). Монолитный клеевой слой или припой спо­ собствуют равномерному распределению напряжений по всей пло­ щади нахлестки и снижению концентрации напряжений в сварных точках. Так, например, при точечной сварке деталей толщиной 1,2 + + 1,2 мм из сплава Д16АТ точка разрушается при 220—240 даН, при использовании клея ВИ32-ЭМ при 645 даН. При статических нагружениях, близких к разрушающим, клей или припой обычно отслаиваются, и процесс заканчивается вырывом сварного шва. В условиях циклических нагрузок монолитность клеевого слоя или припоя сохраняется до появления усталостной трещины, которая

образуется на периферии шва или у края нахлестки.

Остаточные растягивающие напряжения, которые часто обра­ зуются при точечной сварке (см. п. 1.5.4), снижают в основном пока­ затели циклической прочности соединения. Значение остаточных на­ пряжений уменьшают путем приложения в процессе цикла сварки ковочного усилия или обжатия кольцевой оправкой (см. рис. 3.16, б), а также деформированием периферии сварной точки специальным пуансоном после сварки, что позволяет на 50—80 % увеличить пре­ дел выносливости соединения.

обычно равен 80—90 % и резко снижается для металлов, чувстви­ тельных к термическому циклу сварки (например, на 40—60 % для образцов из сплава Д16АТ и др.). С увеличением толщины деталей наблюдается дополнительное снижение /?р.ш.

Обычно при отношении d/s ^ 3 разрушается основной металл с вырывом точек и изгибом нахлестки.При d/s < 3 разрушение рас­ пространяется по ядру вдоль стыка и завершается срезом точки при незначительном изгибе нахлестки. Герметичные швы разрушаются по зоне термического влияния с большим изгибом.

Для испытания на отрыв в большинстве случаев применяют кре­ стообразные образцы (см. рис. 9.2, е), которые закрепляют в специ­ альном приспособлении. Прочность оценивают по разрушающему

рассеяния прочности одноточечных образцов при их статических испытаниях на срез и отрыв определяют по результатам статистиче­ ской обработки многочисленных экспериментальных данных. .Обычно среднее квадратическое отклонение от среднего значения прочности при испытании на срез составляет не более 15—20 %, при испыта­ нии на отрыв 25—30 %. Большие значения рассеяния отмечаются при сварке алюминиевых сплавов, меньшие — при сварке сталей.

Отношение F0TV/FCV используют в качестве приближенной оценки пластичности соединения, причем большее значение относится к более пластичным соединениям.

Более объективную оценку пластичности дает угол скручивания атах образцов (см. рис. 9.2, е), разрушаемых на машине для испыта­ ния на кручение. Чем больше а, тем пластичнее соединение (для об­

Пластичность швов, выполненных точечной и шовной сваркой, удобно определять также по критерию Я (отношение FHJ F C путем статического разрушения образцов (см. рис. 9.2, в) на срез

П = (Fuc/Fc - 1) 100%,

где Fc — свободное разрушающее усилие; FHC— несвободное, без изгиба нахлестки, обжатой во время испытания специальной оправ­ кой.

Чем меньше отношение Я, тем больше пластичность (для образ­ цов из стали 12Х18Н10Т Я = 11 %; из сплава АМЦАМ Я = 7 %; из сплава ВАД23 Я = 29 %).

Усталостная прочность соединений оценивается циклическими испытаниями, малоцикловыми нагружениями с частотой не более 50 и многоцикловыми с частотой 2000—2500 циклов в минуту. В обоих случаях образцы обычно испытывают при асимметричном осевом рас­ тяжении с коэффициентом асимметрии Я = 0,1. Мало- и многоцикло­ вую выносливость определяют экспериментально соответственно на базе 10-104 и 10* 10е циклов нагружений. Выносливость определяют по экспериментальной кривой, построенной в координатах напряжен ние в образце — число циклов до разрушения.