CC BY
10
УДК 621.791.763
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЗОНЕ КОНТАКТА ПРИ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКЕ ПРОВОЛОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Шумаков Артем Александрович, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной работе рассмотрен подход к методике определения закономерностей изменения температуры в зоне контакта на разных этапах нагрева при формировании крестообразных соединений проволок в процессе конденсаторной сварки.
Ключевые слова: конденсаторная сварка, крестообразное соединение, контактная поверхность, этапы процесса нагрева, температура нагрева, приближенные расчетные выражения.
Для разработки средств, обеспечивающих повышение устойчивости процесса сварки крестообразных проволочных соединений, необходимо знание закономерностей изменения температуры контактной поверхности, которая является функцией плотности тока, определяемой, в свою очередь, характером изменения тока во времени и характером изменения площади контактной поверхности в процессе осадки соединяемых деталей [1].
Анализ осциллограмм процессов сварки конденсаторным импульсом тока соединений проволок в крест, представленных в работе [2], позволяет отметить тот факт, что начало интенсивной осадки свариваемых деталей по времени совпадает с максимумом тока. В соответствии с этим в процессе сварки крестообразных соединений проволок целесообразно выделить два этапа:
1) нагрев зоны сварки до максимума импульса тока, протекающий без заметной деформации проволочных деталей, т.е. при неизменной площади контактной поверхности соединения;
2) нагрев после достижения максимума тока, сопровождающийся значительной деформацией и, соответственно, значительным увеличением площади контакта [3].
Рассмотрим особенности нагрева зоны сварки на каждом из отмеченных этапов.
Первый этап нагрева. При сварке крестообразных соединений проволок из никеля и меди диаметром 0,3 мм длительность первого этапа нагрева составляет доли миллисекунды [2]. Это позволяет в расчете принять допущение отсутствия теплоотвода. Для определения температуры в зоне контакта рассматриваем цилиндрический слой материала бесконечно малой толщины b, прилежащий к контактной поверхности. Для сопротивления данного слоя справедливо выражение:
Якп - р ь 2
п*Г . (1) где р - удельное электросопротивление материала проволоки;
гк - радиус контактной поверхности крестообразного проволочного соединения.
Объем выделенного слоя, соответственно, будет:
Уп -** Гк'* Ь . (2)
Из [2] известно, что радиус контактной поверхности определяется как Г2 - 3Г * к * Р ,
Ко (где г - радиус проволоки; к - угловой коэффициент
функции осадки от усилия к(Р); Р - усилие начального сжатия). Подставляя значение Гк в (1) и (2) получим:
_ - р*Ь
лкп Ъп* Г * к * Р Укп - Ъп* г * к * Р
ж Г к р и кп . (Ъ и 4)
Для приращения температуры в зоне контакта при нагреве протекающим импульсом тока имеем:
Якп (1 + аТ )г2(г )&
ёТ -
с * у
с укп . (5)
где а - температурный коэффициент сопротивления; г - плотность тока; с - удельная теплоемкость. Подставляя в выражение (5) значения Якп, Укп и разделяя переменные, находим:
ёТ р .2 / ч ,
--—2 2 2 2 г(г)&
1 + аТ 9п г ск2Р2 . (6)
Решение этого уравнения имеет вид:
т -1
а
ч ехр к^ ^г 2 ^ ,
-1
(7)
А - Р
где Г с .
Принимая нарастание тока до максимума линейным, для плотности тока г имеем:
г - ^г г
т
где 1т - амплитуда тока;
гт - время достижения максимума тока. Тогда выражение, позволяющее определить температуру на первом этапе процесса нагрева, получает следующий вид
T —
I
а
exp
A aI2mt3 л
m
3k2 P 2t
1
m j
• (8) Второй этап нагрева. Площадь контактной поверхности крестообразных соединений проволок вследствие деформации при нагреве изменяется [3], следовательно, для сопротивления выделенного в зоне контакта слоя в общем виде можно записать:
р* Ь
Кп -
т r
(()
Используя из [2] выражение осадки), получим:
r2 - 3r [k * P+hoc (t
(где hос - величина
R - p*b к Ът r[ho + hoc (t
. (9)
Принимая толщину выделенного слоя неизменной, появляется возможность определить закономерность изменения контролируемого объема:
Гш - 3т*b * r[ho + hoc(t)] .
Приращение температуры в этом случае:
- RKn (t)(1 + aT)i2(t)dt c * V
C Укп . (10)
Подставляя в выражение (10) значения Rm(t), Vm(t) и разделяя переменные, получаем:
dT pi2 (t )dt
dT
1 + aT 9т2 r2 c[h0 + hoC (t
(11)
где
h0
F t3
}>m
3mt„,
Bt3
Решение уравнения (11) имеет вид:
T -1
а
exp Aaj
(t )dt
[ho + Bt3 ]
-1
(12)
В этом выражении остается неопределенной функция тока. Если ставить задачу определения температуры в течение всего времени деформации на втором этапе процесса, то необходимо оперировать спадающей функцией тока. При этом придется после интегрирования иметь дело с очень громоздким, неудобным в анализе выражением. Кроме того в связи со значительным увеличением площади контактной поверхности и расчетного времени придется учитывать теплопередачу.
Наша задача, в конечном счете, сводится к поиску максимума температуры контактной поверхности. Момент достижения максимума температуры следует ожидать в начальной стадии деформации, т.к. ток максимален, а скорость деформации еще очень мала. Последующее значительное увеличение площади контактной поверхности с одновременным спадом тока неизбежно приведет к снижению температуры. Достаточно хорошим критерием максимума температуры является выплеск металла из зоны контакта. Это подтверждают многочисленные осциллограммы процессов с выплеском, одна из которых, являющаяся характерной для процесса конденсаторной сварки с выплеском, показана на рис. 1.
Время сварки х10~"с Рисунок 1 - Осциллограмма процесса сварки с выплеском металла в виде
дугового разряда
Следовательно, решая поставленную задачу, можно считать величину тока на данном этапе нагрева неизменной и равной амплитуде, тогда для определения температуры получим следующее выражение (13):
Т =
а
ехр ЛаТ^
г + 1 1п
3Ко (( + Вг3) 6Ве2 П
(е +г )2
е2+е+г2
1 2г-е 1
+ Т3Вё аГС'^+аКЩТз
V
-1!
где
Л =
Р
9ж2т2е и
Для начального участка функции осадки сумма трех последних членов в показателе степени составляет не более 2^3 % от значения первого члена. Упрощая выражение (13), получим:
£ = 3
К
В
Т = —
2
1
а
ехр
Лаг„ г
3ко [ + Вг31
. (14)
Это выражение дает величину приращений температуры на втором этапе процесса нагрева. Действительное значение температуры на этом этапе определяется суммой максимальной температуры на первом этапе нагрева и полученного значения температуры для второго этапа, т.е.
Т
-»■ Т1
Т + Т
11т Т 1 2
•-П- "1т ' "2 . (15)
Максимум температуры Т1т находится подстановкой времени достижения максимума тока гт вместо текущей ординаты времени выражения (8), т. е.
Т = I
1т
а
ехр-
Ла ¡1 гтл
т т
3к2 Р2
-1
Таким образом, для Тц имеем:
(16)
Т = —
1п
1
а
ехр-
Ла ¡ттл
3к2 Р2
+
Ла ¡У
ехр
3К [ко + Вг3)
. (17)
™ (лп\ г < 0,5г
Выражение (17) имеет смысл только при времени нагрева ос, т.к.
при выводе использовано уравнение осадки для первой половины процесса
деформации при нагреве (выражение (8) в работе [2]).
Выводы
1. Конденсаторная сварка крестообразных проволочных соединений по характеру нагрева разделяется на два этапа: до максимума тока нагрев происходит без заметной деформации, т.е. при неизменной площади контактной поверхности; после максимума, на спадающей ветви тока нагрев сопровождается значительной деформацией и изменением площади контакта.
2. Получено приближенное выражение для расчета температуры контактной поверхности в функции тока и усилия сжатия на первом этапе нагрева, при неизменной площади контактной поверхности.
3. Получено приближенное выражение для расчета температуры на втором этапе нагрева, сопровождающемся значительной деформацией и изменением площади контакта.
Список литературы
1. Иванов Н.И., Шумаков А.А. Методика исследования процесса конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений / Будущее науки-2016 [Текст]: Сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (14-15 апреля 2016 года), в 4-х томах, Том 4, Юго-Зап. гос. ун-т., ЗАО «Университетская книга», Курск, 2016. С. 67-75.
2. Иванов Н. И., Шумаков А. А. Определение закономерности перемещения подвижного электрода в процессе конденсаторной сварки крестообразных проволочных со-
единений // Современные материалы, техника и технологии. Научно-практический журнал. 2016. № 4 (7). С. 73-80.
3. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Определение закономерности изменения площади контактной поверхности пластически деформируемых крестообразных проволочных соединений в процессе конденсаторной сварки / Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2016: сборник научных статей 4-й Международной молодежной научной конференции (10-11ноября 2016 года), в 3-х томах, Том 3. Юго-Зап. гос. ун-т., А.А. Горохов, Курск: ЗАО «Университетская книга», 2016, - с. 208-212.
Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor
(e-mail: [email protected])
Southwest state university, Kursk, Russia
Shumakov Artem Aleksandrovich, postgraduate
Southwest state university, Kursk, Russia
DEFINITION OF LAW OF CHANGE
TEMPERATURES IN THE ZONE OF CONTACT AT
TO CONDENSER WELDING OF WIRE CONNECTIONS
In the given work the approach to a procedure of definition of regularities of change of temperature in a contact zone at different stages of heating surveyed at formation of crosslike connections of proreducing dies during condenser welding.
Key words: condenser welding, crosslike connection, a contact surface, stages of process of heating, a heating temperature, approximate rated expressions.
УДК 621. 81
ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ПРОФИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
С НАТЯГОМ Кокорев Игорь Александрович, к.т.н., доцент Самарский государственный технический университет,
г.Самара, Россия (e-mail: [email protected])
В данной статье рассматривается выбор профильных соединений с учетом натяга посадки. Соединения проверяются расчетом напряженно-деформированного состояния в системе ANSYS Workbench их 3D-моделей, построенных в системе КОМПАС- 3D. В качестве примера выполнен расчет профильных соединений на квадрате. В результате расчетов получено деформированное состояние моделей соединений в целом, распределение контактных давлений, эквивалентных и касательных напряжений. Результаты работы могут быть использованы для проверочного расчета и окончательного конструктивного оформления валов. Развитие данного подхода позволит выбирать профильные соединения с более точным учетом условий их работы.
Ключевые слова: выбор, проверочный расчет, профильное соединение, натяг.
