ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРИВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

Содержание

1. Характеристики свариваемого материала 3

1.1. Общие сведения об алюминиевом сплаве Д16А

1.2. Свариваемость 9

2. Расчет режима контактной сварки 11

2.1. Расчет электрического сопротивления зоны сварки 16

3. Расчет сварочного трансформатора 20

4. Выбор машины и ее конструкции 28

Литература 31

ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРИВАЕМОГО МАТЕРИАЛА

Общие сведения об алюминиевом сплаве Д16А

Все существующие алюминиевые сплавы по их технологическим свойствам делят на две группы: обрабатываемые давлением (деформируемые) и литейные. Деформируемые сплавы разделяют также на следующие группы:

1. технологический алюминий;

2. алюминиевомарганцевый сплав АМц;

3. алюминиевомагниевые сплавы (магналии); обозначаются буквами АМг (с цифрой, указывающей процент содержания магния. Если цифры нет, то магния в сплаве меньше 2,5%);

4. типа «авиаль» с магнием и кремнием: АД31, АД33, АД35 и А8 (входит немного меди);

5. с медью и магнием типа дюралюминий, обозначаемые буквой Д с цифрой, указывающей номер сплава, например Д1, Д16;

6. высокопрочные алюминиевые сплавы, в которые, кроме алюминия, входят еще три компонента: цинк, магний и в большинстве случаев медь; обозначаются буквой В с цифрой, например В92 (без меди); В95;

7. ковочные (жаропрочные), обозначаемые буквами АК с цифрой (АК2, АК4 и др.) применяемые для поковок и штамповок.

Сплавы групп 1-3 не упрочняются термической обработкой, сплавы групп 4-6 упрочняются (закалкой с последующим старением). Кроме приведенных выше обозначений, к маркам сплава добавляют еще буквы, указывающие состояние изделий или вид обработки. Например, Н – нагартованное состояние; П – полунагартованное; М – обожженное; А – нормальная плакировка; Т – закаленное и естественно состаренное; Т1 – закаленное и искусственно состаренное при 135-180˚С.

Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, высокой коррозионной стойкостью, в 10 – 20 раз превышающей стойкость обычной конструкционной стали, и повышенной пластичностью при низких температурах. Конструкции из алюминиевых сплавов устойчивы против сейсмических нагрузок, огнестойкости.

Характеристики сплава Д16А

Д16 – алюминиевый деформируемый сплав с высоким содержанием меди и магния. Буква Д обозначает дюраль, а цифра 16 указывает на процентную чистоту сплава. Химический состав материала указан в ГОСТ 4784-97. Отбор и подготовку проб для определения химического состава цветных металлов и сплавов осуществляют по ГОСТ 24231-80.

Таблица 1 – Химический состав в % материала Д16 ГОСТ 4784-97

Дюраль марки Д16А (другое обозначение 1160) отличается высокой пластичностью и легко поддается механической обработке. Удовлетворительная свариваемость и коррозионная стойкость материала, улучшаемая с помощью плакирования. Алюминиевые профили изготовляют с нормальной – Д16А и технологической плакировкой – Д16Б. Отжиг при определенной температуре увеличивает способность дюралей к деформации в холодном состоянии.

Таблица 2 – Теплофизические свойства материала

Производство сплава Д16А

Сплав Д16А относится к группе дюралюминов и по ГОСТ 4784-97 имеет следующий состав, приведенный в таблице 1. Его готовят в газовых отражательных печах. Кондиционный сплав из печи сливают в газовый миксер. В миксере сплав рафинируют хлораргонной смесью, вводимой с помощью специальных газов.

При рафинировании из расплава удаляют растворенный водород о твердые частицы в основном виде частичек оксида алюминия (Al₂O₃). Рафинированный расплав разливают в слитки полунепрерывным методом на тросовых литейных машинах с опускающимся столом, либо электромагнитном кристаллизаторе (ЭМК).

Наложения электромагнитного поля на слиток в ЭМК позволяют получить более однородную мелкозернистую макроструктуру слитка, обладающую повышенной прочностью и пластичностью, и обеспечивающую прокатку слитков с более высоким выходом годной продукции. При этом исключается контакт слитка с формообразователем и на этой основе удается получить гладкие слитки без ликвидационных наплывов, с однордным химическим составом по сечению слитка.

Свойства и применение Д16А

Дюралюминий – основной конструкционный материал в авиации и космонавтике, а также в других сферах с высокими требованиями к весовой отдаче.

Плотность сплава 2500-2800 кг/м³, температура плавления 633˚С. Сплав широко применяется в авиастроении, при производстве скоростных поездов и во многих других отраслях машиностроения (так как отличается существенно большей твердостью, чем чистый алюминий). Также детали из сплава Д16 обычно эксплуатируются при температурах не выше 120˚С, так как при высоких температурах он проявляет склонность к межкристаллитной коррозии.

После отжига (нагрева до температуры около 500˚С и охлаждения) становится мягким и гибким (как алюминий). После старения (естественного – при 20˚С – несколько суток, искусственного – при повышенной температуре – несколько часов) становится твердым и жестким. Но при одинаковой прочности дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению.

Дюралюмины упрочняются термообработкой: подвергаются закалке и естественному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450-500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150-175˚С) температурах, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения.

Термоупрочняющая обработка (закалка в воде и старение) позволяют значительно повысить свойства дюралюминов. Нагрев под закалку требует очень точного соблюдения температурного режима: 505±5˚С (для Д1,Д19), 500±5˚С (для Д16, Д18) – опасность расплавления тройных эвтектик. Естественное старение сплавов продолжается от 4 до 10 суток в зависимости от соотношения Mg/Cu.

Недостаток дюралюминов – низкая коррозионная стойкость, изделия требуют тщательной защиты от коррозии. Листы дюралюминов, как правило, плакируют (нанесение на поверхность металлических листов, плит, проволоки, труб тонкого слоя другого металла или сплава термомеханическим способом) чистым алюминием. Также защита алюминиевых сплавов марок Д1А, Д16А, Д19А, Д20А, В95А от коррозии осуществляется с помощью лакокрасочных покрытий – грунтов АЛГ-1 и АЛГ-12, наносимых до сварки на внутренние поверхности нахлестки.

Также основные недостатки алюминиевых сплавов – относительно низкая упругость, высокий коэффициент линейного расширения, сравнительная сложность выполнения соединений из-за ограниченной применимости сварки алюминиевых сплавов, так как прочность сварных швов, особенно у термически упрочняемых сплавов, ниже прочности основного металла. К недостаткам этих сплавов также относятся низкая выносливость в условиях переменных и знакопеременных нагрузок и довольно высокая стоимость. Однако последний недостаток является временным, так как по мере совершенствования технологии стоимость полуфабрикатов из алюминиевых сплавов будет постепенно снижаться.

Железо во всех сплавах алюминия является вредной примесью, так как оно снижает электропроводность и коррозионную стойкость сплавов и ухудшает их пластические свойства. Исключение составляют жаропрочные сплавы, в которых железо – примесь полезная. Кремний растворим в железе при комнатной температуре в количестве не более 0,12%; при 570˚С растворимость его составляет 1,6%.

Для сплавов алюминия характерно, что в результате добавок менее коррозионностойких металлов получаются сплавы высокой коррозионной стойкости (например, типа магналия с 3-5% Mg, сплавы с марганцем и кремнием) и, наоборот, если данный металл более устойчив против коррозии, чем алюминий, то сплавы получаются низкой коррозионной стойкости(например, Al-Cu).

Прокат дюралюминия используется:

¾ в конструкциях самолетов, морских и речных судов;

¾ для производства транспортных деталей и обшивки;

¾ для изготовления бурильных труб;

¾ в химической промышленности;

¾ в строительной области;

¾ в машиностроении;

¾ в топливной промышленности.

Свариваемость

Свариваемость сплавов системы Al-Cu-Mg считается удовлетворительной. Сплав Д16 хорошо сваривается контактной, особенно точечной, сваркой. Способы сварки плавлением для получения соединений из таких сплавов применяются редко. Специфическим для алюминия и его сплавов способом обработки служит холодная сварка. При газовой и аргонно-дуговой сварках с присадкой Д16 склонен к образованию горячих трещин и разупрочнению металла в ЗТВ, этому спсобствует и дендритная ликвация с образованием толстых эвтектических прослоек в литом ядре. Механические свойства металла ядра приближаются к свойствам отожженного сплава.

При сварке сплавов, естественно и искусственно состаренных, структурные изменения в зоне термического влияния зависят от вида старения, однако в обоих случаях наиболее полные превращения наблюдаются при длительном тепловом воздействии на металл. Для сплавов, подвергающихся, например, естственному старению (сравы АВ системы Al – Cu – Mg с упрочняющей фазой Mg₂Si; сплавы Д1 и Д16 системы Al – Cu – Mg с упрочняющими фазами CuAl₂ и Al₂CuMg идр.), можно отметить такие характерные участки в зоне термического влияния:

1) участок неполного расплавления с увеличенной шириной границ между зернами;

2) участок частичного распада пересыщенного твердого раствора с пониженной по сравнению с основным металлм твердостью. Здесь уменьшается ширина границ между зернами, но заметно неравнрмерное распеделение легирующего элемента по обьему зерна;

3) участок полного или частичного отжига. Наибольшее разупрочнение и наименьшая твердость металла на этом участке наблюдаются при нагреве до 350˚С. По мере снижения температуры нагрева эффект возврата снижается повторным действием естественного старения, в связи с чем твердость металла повышается и достигае значений, свойственных металлу вне зоны термического влияния. Для участка отжига характерно укрупненное зерно с увеличенной по толщине сеткой включений второй фазы.

Наибольшую склонность к образованию горячих трещин имеют сплавы Д16, Д18, В95, ВД17, наименьшую – сплав ВАД1 и частично Д19.

Разные механические свойства участков зоны термического влияния и металла шва, получаемые при сварке плавлением термически упрочняемых алюминиевых сплавов, подобных дюралюмину, приводят к тому, что прочность сварных соединений по сравнению с основным металлом снижается в среднем на 50-60%, причем одновременно уменьшается пластичность. Различия в структурах различных участков также снижают коррозионную стойкость металла и усиливают его склонность к межкристаллитной коррозии. Но при перезакалке и естественном старении прочность достигает 90% от прочности основного материала.

Таблица 3 – Результаты расчетов

Таблица 4 – Разбивка первичной обмотки на ступени

Количество витков определяем через соотношение напряжений первичной и вторичной обмотки

3. Определим сечение обмоток

а) сечение первичной обмотки

Определим по длительному номинальному току и допускаемой плотности тока

где 1,05 – коэффициент, учитывающий ток холостого хода;

I_{1 дл. н} – номинальный длительный первичный ток;

j_{1 доп}=3,5 А/мм² – допустимая плотность тока при охлаждении водой вторичного витка.

По таблице в соответствии с ГОСТ 7262-78 и ГОСТ 7019-80 выберем ширину и высоту провода прямоугольного сечения. Они составили 5,5 × 25,5 мм.

б) сечение вторичного витка

где I_{2 дл. н} – номинальный длительный вторичный ток;

j_{2 доп}=4,5 А/мм² – допустимая плотность тока в медном витке.

в) диаметр консоли

Прогиб конца консоли

где E=0,8∙10⁶ даН/см – модуль упругости.

4. Рассчитаем размеры магнитопровода

Рисунок 6 – Магнитная система

где В_т – индукция В_т=1,5 Тл

f – частота сети

где k_з – коэффициент заполнения сечения стержня.

Расчет размера магнитопровода

Принимаем соотношение

Принимаем площадь F^' равную половине F^'_с

Если

Рассчитаем размеры окна и расположение обмоток

где k_{з. о}=0,5 (коэффициент заполнения окна);

q₁, q₂ – сечения первичных и вторичного витков.

Принимаем отношение ширины к высоте окна, то есть

5. Расчет размеров вторичного витка

Поскольку первичная обмотка делится на 3 секции, то соответственно и виток секционируется на 3 пластины.

Пластины вырезаются из цельного листа меди толщиной b₂.

По внутреннему контуру виток должен разместиться на стержне магнитопровода с зазором не менее 2 мм.

Площадь сечения

Ширина дисков h₂ выбирается по высоте окна d и должна быть на 15-30 мм меньше.

Тогда b₂ можно найти, зная площадь F₂

6. Рассчитаем размеры первичной обмотки исходя из того, что ее разбиваем на 3 секции по две катушки в каждой, и выбранного сечения провода (q₁).

Внутренние размеры определяются размерами магнитопровода плюс величина допуска и зазора, которую примем 5 мм в каждую сторону.

Распределим первичную обмотку, делим на шесть катушек (1 катушка на 12 витков и 5 катушек по 13 витков). Высота катушки

7. Определим коэффициент мощности и КПД трансформатора

где m=1 – коэффициент поверхностного эффекта;

– удельные электросопротивления обмоток соответственно при 75˚С (класс изоляции А) и 40˚С.

ВЫБОР МАШИНЫ И ЕЕ КОНСТРУКЦИИ

Машину выбираем однофазную переменного тока по величине сварочного тока I_св и усилию сжатия F_cв. Наиболее подходящая МШ-3201.

Таблица 5 – Характеристики МШ-3201

Машины контактной сварки состоят из двух взаимосвязанных частей – механической и электрической.

Механическая часть – это комплекс конструктивных элементов, создающих жесткость и прочность машины, воспринимающих усилия (корпус или станина, плиты, кронштейны, домкрат, упоры, консоли, электрододержатели, электроды), и механизмов, предназначенных для закрепления, сжатия и перемещения свариваемых деталей. Некоторые конструктивные элементы и узлы механизмов проводят сварочный ток.

Электрическая часть обычно состоит из источника питания, преобразующего энергию сети промышленной частоты для получения сварочного тока (сварочного трансформатора, выпрямителей, иногда батареи конденсаторов), и вторичного (сварочного) контура для непосредственной передачи тока к деталям (гибких и жестких токоведущих шин, консолей, электрододержателей, электродов, роликов, губок).

Кроме жесткости, прочности и эксплуатационной надежности к механической и электрической частям предъявляют следующие требования: быстрота срабатывания и малая инерционность элементов машин, необходимые из-за малой продолжительности сварочного цикла; интенсивное охлаждение нагревающихся элементов; безопасность работы; маневренность элементов сварочного контура, позволяющая использовать машину для сварки изделий различной формы без сложной переналадки; надежная защита трущихся и контактных поверхностей от попадания воды, брызг расплавленного металла, пыли.

Машины контактной сварки классифицируют по разным признакам: виду сварки (точечные, рельефные, шовные, стыковые); назначению (универсальные или общего назначения и специальные); способу установки (стационарные, передвижные или подвесные); роду питания, преобразования или аккумулирования энергии (однофазные переменного тока, трехфазные низкочастотные, с выпрямителем тока во вторичном контуре, конденсаторные); виду привода в механизмах давления (с ручным, грузовым, пружинным, электродвигательным, пневматическим, гидравлическим, электромагнитным приводом); степени автоматизации.

В корпусе 1 машины шовной сварки (рис.7) размещены сварочный трансформатор 3 и механизм вращения роликов с электроприводом 2. Электроды в виде вращающихся роликов 7 вместе с системами токоподвода образуют верхнюю 8 и нижнюю 6 роликовые головки. Верхний ролик перемещается вместе с ползуном 9 от механизма сжатия с пневмоприводом 10. Иначе, чем в машинах точечной сварки, выполнены токоведущие и силовые элементы сварочного контура (консоли, кронштейн 5). При сварке с наружным охлаждением используют корыто 4 для слива воды. В современных машинах шовной сварки обычно предусмотрена несложная переналадка верхней и нижней роликовых головок для сварки поперечных и продольных швов обечаек. Однако выпускаются машины только для поперечных или продольных швов.

Рисунок 7 – Универсальная машина шовной сварки МШ-3201

Литература

1. Марочник сталей и сплавов. Под ред. А.С. Зубченко, 2003.784 с.

2. Технология и оборудование контактной сварки: Учебник для машиностроительных вузов/Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев и др.; Под общ. ред. Б.Д. Орлова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностоение, 1986. – 352с., ил.

3. www.mpstar.ru/splav-D16

4. www.infrastrukturaperm.ru/proizvodstvo/tehnologicheskiy-process07

5. www.etalonstal.ru/d16

6. www.argosvarka.ru/pages/vertikal/stat_i/alyuminiyi_i_ego_splavy/

7. Багрянский К. В., Добротина 3. А., Хренов К. К. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1976. 424 с.

Содержание

1. Характеристики свариваемого материала 3

1.1. Общие сведения об алюминиевом сплаве Д16А

1.2. Свариваемость 9

2. Расчет режима контактной сварки 11

2.1. Расчет электрического сопротивления зоны сварки 16

3. Расчет сварочного трансформатора 20

4. Выбор машины и ее конструкции 28

Литература 31

ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРИВАЕМОГО МАТЕРИАЛА