1. Назначение, техническая характеристика и условия эксплуатации изделия. Выбор материала

В этом разделе освещаются назначение изделия, его техническая характеристика и условия эксплуатации сварной конструкции. Необходимо поместить эскиз изделия (сборочной единицы, сварного узла) с указанием габаритных размеров и теоретической массы конструкции. На эскизе изделия необходимо обозначить сварные швы, указать марку материала и привести спецификацию деталей.

Обоснование выбора материала проводят на основе комплексного анализа:

1) Назначения изделия и степени ответственности сварной конструкции.

2) Физико-механических, электротехнических и теплофизических характеристик материала при обычных и рабочих температурах: Предел прочности _в, и Условный предел текучести _0,2 , МПа; Модуль упругости Е, МПа; Плотность материала , кг/м³; Твердость (НВ, МПа), Характеристики ударной вязкости: KCU, КСV, КСТ, кДж/м²; Температура плавления: T_L - ликвидус, T_S – солидус, ⁰С, Удельное электрическое сопротивление ρ₀, мкОм·м; Коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·⁰С); Коэффициент теплоемкости при постоянном давлении c_p, Дж/(кг·⁰С); Коэффициент температуропроводности a, м²/с.

3) Требований, предъявляемых к удельной прочности _в  кДж/кг и удельной жесткости  МДж/кг материала.

4) Коррозионной стойкости материала в рабочей среде.

5) Технологичности конструкционных металлов и сплавов.

6) Если целесообразно, то полезно отметить коэффициент использования материала (КИМ) сварного узла, а также стоимость сплава или полуфабриката.

Описывается общая характеристика сплава, химический состав и свойства сплава, технические требования, предъявляемые к полуфабрикату.

2.Свариваемость и поведение конструкционного материала при сварке

Оценка свариваемости материала в условиях ТКС основывается на литературных данных, а также на теплофизических характеристиках сплава и общих представлениях о процессе образования соединений.

Кроме того, необходимо проанализировать поведение материала при сварке и степень развития сопутствующих процессов. Например, проводится анализ диаграммы состояния, выбранного сплава; прогнозируются структурно-механические изменения металла под воздействием термомеханического циклов ТКС, условия кристаллизации металла шва, характер и степень формоизменения (поводки, коробление) сборочной единицы.

На основе анализа свариваемости материала устанавливаются требования к технологическому процессу сварки, свойствам и качеству сварных соединений.

Правильность выбора материала, режима нагрева и деформации необходимо иллюстрировать данными о механических, коррозионных и т.п. свойствах сварных соединений.

3.Выбор и расчет основных параметров режима сварки

Выбор и расчет режимов сварки основывается на анализе свойств материала, особенностей свариваемости сплава, толщины и габаритов свариваемых деталей.

1) Исходными данными для определения режима сварки служат:

а) толщина каждой из деталей (сочетание толщин в свариваемом пакете);

б) механические и теплофизические свойства свариваемых материалов,

в) чувствительность металла к воздействию термомеханического цикла при нагреве, плавлении и кристаллизации литого ядра и околошовной зоны.

2) Выбор и расчет параметров режимов сварки.

Основными параметрами режима ТКС являются:

- Циклограмма сварки (программа усилия сжатия деталей и силы сварочного тока во времени), длительность полного сварочного цикла;

- Диаметр торца (d_эд ) или радиус сферы (R_сф ) рабочей поверхности электрода, мм;

- Усилие сжатия деталей (сварочное, ковочное), ( F_св , F_ков), кН;

- Сила сварочного тока, (I_св ), кА. При необходимости сила дополнительного тока (I_под , I_отп), кА;

- Время сварки (длительность сварочного импульса тока), ( t_св ), с.

3) Свойства материала выбирают по литературным данным (стр.18, 92 [1]) и по данным табл. 1 приложения «Методических указаний».

4) При ТКС в зависимости от наименьшей толщины свариваемых деталей выбирается согласно ГОСТ 15878-79 (стр.76 [1]) или ОСТ 92-1144-83 минимально-допустимый диаметр литого ядра (d), ширина нахлестки (В) и минимальный шаг между точками (t_ш ). Для легких сплавов принимается диаметр контакта «электрод – деталь» равным d_эд = 1,25·d_{я ном}, а для остальных сплавов d_эд= d_{я ном}. При этом d_{я ном} для всех материалов находится из следующей зависимости:

d_{я ном.}= 2,5·s +3, мм; (1)

5) Определение времени (длительности импульса) сварки (t_св) и усилия сжатия свариваемых деталей (F_св).

При ТКС продолжительность импульса сварочного тока и сила сжатия деталей могут рассчитываться по следующим эмпирическим зависимостям:

t_св = k_t·s, (2)

F_св = k_f ·s, F_ков=1,5· F_св (3)

где k_t -коэффициент, зависящий от сопротивления пластической деформации свариваемого сплава, с/м (см. таблицу 1, где большие значения берутся при сварке на более мягких режимах);

s- наименьшая толщина свариваемой детали, м;

k_f - коэффициент, зависящий от механических свойств сплава, Н/м (см. таблицу 1, где большие значения берутся при сварке на более жестких режимах).

6) Расчетным путем определяют действующее значение сварочного тока по закону Джоуля-Ленца формула 4 (стр.30 [1]), используя для расчета электросопротивления деталей к концу сварки формулу 10 (стр.17 [1]). А также формулу теплового баланса 5 (стр.22 [1]), см. табл. 1, 7 и рис.3 приложения «Методических указаний».

I_св = [Q_ээ/(m·R_ээ·t_св)]^0,5; (4)

Q_ээ = Q₁ + Q₂+ Q₃; (5)

Q₁ = 0,785·2·s·d²·c·γ·ΔT_пл (6)

Q₂ = k₁·2·s·π·x₂·(d+x₂)·c·γ·0,25·ΔT_пл ; (7)

Q₃ = 2·k₂·x₃·0,785·d²·c_м·γ_м·0,125·ΔT_пл; (8)

х₂ = 4·(a·t_св)^0,5, х₃ = 4·(a_м·t_св)^0,5; (9)

R_ээ= 2·r_дк = A·k_p·s·(ρ₁+ ρ₂)/(0,785·d²_эд). (10)

где - Q_ээ - общее количество теплоты;

- m- коэффициент, учитывающий изменение R_ээ в процессе сварки.

Для углеродистых сталей m= 1…1,15, для алюминиевых и магниевых сплавов 1,1…1,2, для коррозионно-стойких сталей 1,2…1,3, сплавов титана 1,3…1,5;

- a, a_м - коэффициенты температуропроводности для свариваемого материала и для электродного медного сплава, м² /с;

- Q₁ - энергия, затрачиваемая на нагрев до ΔT_пл столбика металла высотой 2s и диаметром основания d , Дж;

- Q₂ - теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х₂ , окружающего ядро; среднюю температуру кольца принимают равной 0,25 ΔT_пл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте деталей;

- Q₃ - потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х₃ до средней температуры Т_эл;

- k₁ - коэффициент, близкий к 0,8, учитывает неравномерность нагрева кольца вокруг расплавленного металла;

- k₂ - коэффициент учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k₂ =1, электрода с конической рабочей частей и плоской рабочей поверхностью k₂ = 1,5, для электрода со сферической рабочей поверхностью k₂ = 2;

- x₃ - расчетная, эффективная длина электрода;

- ΔT_пл= T_пл – T_к температурный интервал нагрева металла от комнатной (цеховой) 20 ^оC до его температуры плавления;

- R_ээ - общее электрическое сопротивление свариваемых деталей при ТКС к концу процесса нагрева при допущении, что контактные электросопротивления «электрод-деталь» и «деталь-деталь» равны нулю r_к =0; r_дд =0;

- r_дк - собственное электросопротивление одной из свариваемой детали к концу процесса нагрева (случай горячего контакта), мкОм;

- A - коэффициент растекания тока, учитывающий снижения плотности тока в зоне формирования литого ядра сварной точки. А= f(d_эд/s) находим по графику рис.1.9. стр.17 [1]. Обычно для ТКС деталей равной толщины, когда толщина детали находится в пределах 0,8…3 мм, значение коэффициента «А» составляет 0,80…0,95 (см. рис.2 приложения «Методических указаний»).

- k_p – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей: для сталей k_p= 0,85, для легких сплавов k_p= 0,9;

- ρ₁, ρ₂ - удельные электросопротивления деталей соответственно для средних температур околошовной зоны (Т₁ ) и литого ядра (Т₂ = Т_пл. ), мкОм м ;

ρ₁ = ρ_о ·[ 1 + α ·(Т₁- Т_к )] , ρ₂ = ρ_о ·[ 1 + α ·(Т₂ - Т_к )] , (11)

- α - температурный коэффициент электросопротивления (ТКЭС) свариваемого сплава Т_к= 20 ⁰С.

Таблица 1. Ориентировочные значения k_t , k_f для различных конструкционных сплавов

Свариваемые материалы, сплавы	kt , с/м.	kf ·10 -6, Н/м.	Марка электрода
Низкоуглеродистые стали типа 08кп, 10, 20	120	2,0	БрХ 1
Среднелегированные стали типа 25ХГСА, 30ХГСА и стали типа 35, 45	425	4,0
Аустенитные стали типа 12Х18Н10Т, Мартенсито-стареющие типа ЭП678	140	5,5	БрНБТ
Титановые сплавы типа: ОТ4, ВТ6С	160	4,5
Сплавы на никелевой основе типа ХН78Т, ЭП 915	525	6,5
Алюминиевые сплавы типа: 1201Т1, 1560 (АМг 6), 01570 , 01420, Д16Т	80	7,0	БрКдХ 0,5-0,15
Магниевые сплавы типа МА2-1, МА8.	60	3,5