CC BY
51
_________________________________С
1 МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 620.179; 621.791
С. В. Болотов, канд. техн. наук, А. О. Воробьёв
УПРАВЛЕНИЕ РАЗМЕРОМ ЛИТОГО ЯДРА ПО ВЕЛИЧИНЕ ЭНЕРГИИ, ВЫДЕЛЯЮЩЕЙСЯ В ЗОНЕ КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ
Разработана автоматическая система, позволяющая управлять временем контактной точечной сварки по величине энергии, затрачиваемой на расплавление ядра. С помощью разработанной математической модели процесса сварки исследовано влияние параметров её режима и вводимой энергии на диаметр литого ядра.
Основным параметром, характеризующим качество соединения, выполненного контактной точечной сваркой, является диаметр литого ядра, который определяет размеры области взаимного расплавления свариваемых деталей. Усилие разрушения сварного соединения мало зависит от наличия внутренних дефектов. Снижение диаметра ядра резко ухудшает эксплуатационные характеристики соединения. Поэтому основной задачей дефектоскопии контактной точечной сварки является определение диаметра литого ядра взаимного расплавления.
Уменьшение диаметра литого ядра точки может происходить из-за отклонения параметров режима сварки от заданных значений (снижения силы сварочного тока и времени его протекания, увеличения усилия сжатия), а также от некачественно подготовленной поверхности свариваемых деталей, загрязнения электродов, увеличения их рабочей поверхности и других причин [1, 2].
Условно методы контроля качества контактной точечной сварки можно разделить на две группы - методы приемочного контроля, позволяющие контролировать уже готовое изделие, и активные методы, позволяющие производить контроль в процессе сварки [3].
Активный контроль осуществляют по параметрам процесса сварки. При этом
имеется отрицательная обратная связь по регулируемой величине, с помощью которой обеспечивается стабилизация параметра регулирования. К параметрам, по которым осуществляется контроль, относятся: сварочный ток 1св, параметр f^t, падение напряжения на электродах иээ, сопротивление участка цепи между электродами, мощность, энергия [4].
Зависимость между временем протекания сварочного тока и размерами ядра точек позволяет создать устройство для стабилизации прочности соединения путем регулирования времени сварки. Однако регуляторы, реализующие закон I^ t = const, недостаточно увеличивают время сварки при уменьшении тока, т. е. работают с недокомпенсацией [4]. Лучшее приближение к оптимальному закону изменения времени сварки дают регуляторы, поддерживающие постоянным произведение квадрата сварочного тока (обычно действующего значения) на время сварки 12св t = const. Особенностью этих регуляторов является то, что они воздействуют на время прохождения сварочного тока. При достижении величиной 12св t заданного установкой значения прекращается подача импульсов включения на тиристорный контактор и сварочный ток отключается.
Информационным параметром ре-
жима сварки является также падение напряжения между электродами. В регуляторах напряжения на вход измерительного устройства подается напряжение, снимаемое с электродов сварочной машины. Измерение падения напряжения между электродами связано с определенными трудностями, заключающимися в том, что абсолютное значение иэл обычно невелико и не превосходит 0,5... 1,5 В [4]. В то же время на измерительную цепь действует наводка от прохождения сварочного тока, которая складывается с измерительным напряжением и вносит определенную погрешность.
Отличительная особенность регулятора напряжения - способность реагировать на изменение плотности тока в зоне сварочного контакта, которое может быть вызвано не только изменением величины тока, но и увеличением рабочей поверхности электродов вследствие их износа, а также шунтированием тока ранее сваренными точками. Действие последних двух возмущений можно компенсировать только регулятором напряжения.
Более тесную связь с размерами литой зоны имеют мощность и энергия в зоне сварки. Выходное напряжение измерительного узла регулятора мощности должно быть пропорциональным произведению сварочного тока 1св на падение напряжения между электродами иээ. В регуляторах энергии множительное устройство обеспечивает перемножение трех величин: /св, иээ и 1св. Стабилизация энергии позволяет исключить влияние многих возмущений, включая износ электродов.
Аппаратная реализация регулятора энергии затруднительна, что связано с необходимостью измерения трёх параметров в процессе сварки и их перемножением с погрешностью не более 1 % за время
I = 0,01 с (половина периода питающего напряжения).
С появлением быстродействующих систем сбора данных, подключаемых к ЭВМ, появляется возможность программной реализации регулятора энергии.
Для этого необходимо установить
взаимосвязь между параметрами режима, вводимой в зону сварки энергией и диаметром литого ядра точек. Наиболее целесообразным при этом является математическое моделирование процесса сварки.
Одним из наиболее применимых для моделирования сварочных и родственных процессов является пакет COSMOS/M. Это построенная по модульному принципу автономная система анализа методом конечных элементов. Она включает модули для решения линейных и нелинейных, статических и динамических задач анализа механических конструкций, а также полевых задач теплопроводности [5].
Принципиальным вопросом при моделировании сварки является представление процесса ввода сварочной теплоты в металл. Ввод теплоты для конечных элементов, соответствующих расплавленному металлу и зонам контактирования, моделировался действием в этих элементах распределённых источников теплоты. Теплогенерация при контактной точечной сварке производилась в столбике металла, находящегося под электродами QK и в зоне контактов электрод-металл QЭМ (рис. 1). При этом энергия, затрачиваемая на плавление цилиндрического ядра диаметром и высотой h, определяется [1]:
QK=4 • I2 • рТ • h • t/(n • ё2я), (1)
где рТ - удельное сопротивление металла в момент плавления; I - сварочный ток; t - время сварки.
Эта энергия расходуется на плавление металла ядра и тепловые потери (энтальпия):
ж • d2
Чтс = У • c —~^h Тш, (2)
4
где Тпл - температура плавления металла; у с для стали равно 5 Дж/(см3-°С).
Т -----►
Рис. 1. Зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры поверхности твёрдых тел:
1 - для нижней горизонтальной поверхности; 2 - для вертикальной поверхности; 3 - для верхней горизонтальной поверхности
Тепловые потери в металл от расплавленного ядра:
Ч.
ЯМ
= ТЯ • ^п-Л-у- с - -п-dЯ-И, (3)
где ТЯ - температура ядра.
ТЯ ■ у]Л • у• с для стали равно
2130 Дж/(см2^Л/с ).
Тепловые потери в металл от слоя между ядром и переходным контактом:
Чм
Т + Т
Я П .М
у/п-Л-у •
с X
Хл
л/г-п-dЯ -(28-И),
(4)
где ТП.М - температура поверхности металла под электродами; 8- толщина детали. Тепловые потери в электроды:
для контактной точечной сварки, из которого определяется энергия, затрачиваемая на нагрев контакта электрод-металл QЭМ, имеет вид:
Ок + ОЭМ = Что + Чям + Чм + 2чэ . (6)
Потери теплоты в расчётах при сварке учитывались через конвекцию по закону Ньютона. Излучением и испарением металла из-за малости пренебрегали. Связь коэффициента теплоотдачи с температурой нагрева при различной ориентации поверхностей свариваемых деталей и электродов (см. рис. 1) получена на основании зависимости
ак = А-
Ь
(7)
Чэ
= Тэ^п- (Л-Г- с)м • Л
п-d
Я
4
(5)
где ТЭ - температура электродной плоскости.
у1(Л-У - с) м для меди равно
3,77 Дж/(см2-л/е-°С).
Общее уравнение теплового баланса
где А - коэффициент, зависящий от физических параметров среды; г, - тем-
пература тела и среды; Ь - длина стороны поверхности.
При задании зависимости коэффициента теплопроводности от температуры принимали его резкое увеличение в диапазоне температур, соответствующих расплавленному металлу
2
(в 3.5 раз), для учёта интенсивного перемешивания расплавленного металла литого ядра. Аналогично резким изменением теплоёмкости металла учитывали скрытую теплоту фазовых переходов и структурных превращений. Для удобства работы разработан банк данных по сталям, содержащий информацию о теплофизических и механических свойствах
материалов. Каждое свойство вводилось как функция температуры в пределах от 20 до 2000 °С.
Модель теплового расчёта при контактной точечной сварке представлена на рис. 2. Она состоит из 587 узловых точек и 472 конечных элементов типа РЬАКБ2Э - четырехузловых элементов.
Рис. 2. Конечно-элементная модель теплового расчёта при контактной точечной сварке
Для формирования геометрии модели при изменении толщины свариваемых деталей, размеров электродов разработана программа на языке Эе1рЫ.
Представляет интерес картина распределения теплового поля в момент отключения сварочного тока, когда ядро разогрето до максимальных температур. Она позволяет определить диаметр лито-
го ядра точки. На рис. 3 представлена картина распределения температур при сварке деталей из стали 08кп толщиной
2 + 2 мм, режимы сварки I = 10 кА, г = 0,3 с. Сходимость процесса при расчёте достигалась за три-четыре итерации. При этом диаметр литого ядра точки составил 6,4 мм.
Рис. 3. Картина распределения температур во время выключения сварочного тока и макрошлиф сварного соединения
Для оценки адекватности модели сваривали листы из низкоуглеродистой стали типа 08кп толщиной 2 + 2 мм на машине переменного тока МТ-1617. Сварочный ток варьировали от 8 до 13 кА, время сварки от 0,1 до 0,4 с. Сравнивали геометрию литого ядра, полученного при моделировании с макрошлифами соединений (см. рис. 3).
По результатам 30 опытов получили удовлетворительное совпадение размеров литой зоны в указанном диапазоне параметров. Результаты статистической обра-
ботки данных показали, что погрешности расчётных значений диаметров литого ядра и зоны термического влияния составляют 12,1 и 9,4 % соответственно.
Разработанная модель позволяет определить оптимальные режимы сварки и величину вводимой энергии, соответствующие рекомендуемым значениям литого ядра. В случае сварки пластин одинаковой толщины из низкоуглеродистых сталей рекомендуемые значения размеров литого ядра точки приведены в табл. 1.
Табл. 1. Рекомендуемые размеры электродов и диаметра литого ядра
Толщина пластин 5, мм Диаметр электрода Вз, мм Диаметр контактной поверхности электрода йэ мм Минимальный диаметр литого ядра йтіп, мм Максимальный диаметр литого ядра йтах, мм
1,0 12 5 4,00 5,00
2,0 20 8 6,35 7,94
3,0 25 10 8,32 10,40
Наиболее просто регулятор энергии реализуется по управлению временем сварки. При этом его влияние на размеры литого ядра при сварке деталей из стали
08кп, полученное на основании расчёта по представленной выше методике, приведено на рис. 4.
0,1 0,2
0,3 с 0,4
г
Рис. 4. Влияние времени сварки на размеры литого ядра для различных толщин свариваемых деталей: 1 - я = 1 + 1 мм; 2 - ^ = 2 + 2 мм; 3 - я = 3 + 3 мм
0
В качестве системы сбора данных при реализации регулятора энергии использовали универсальное устройство компании «Нэйшнл Инструменте» ШБ-6009, имеющее восемь каналов аналоговых входов, два канала аналоговых выходов, частоту оцифровки 48 кГц, максимальное входное напряжение ±20 В.
Сварку производили на однофазной машине переменного тока МТ-1617 с регулятором цикла сварки РКС-801. В качестве измеряемых параметров использова-
ли мгновенное значение сварочного тока 1св и напряжение между электродами иээ. Для регистрации 1св применялся датчик тока на основе преобразователя Холла. Для снятия иээ использовали метод компенсации наводки от прохождения сварочного тока при помощи встречновключенного напряжения и*, снимаемого с индуктивности, установленной в контуре сварочной машины (рис. 5).
Энергию, выделяемую в зоне сварки, определяли выражением
^в
Q = JIuээ| •|Ісв Idt . (8)
0
С применением устройства NI USB 6009 в программной среде Lab VIEW l.1 [5] была создана программа измерения параметров контактной точечной сварки с воздействием на регулятор цикла сварки. Внешний вид программы и её интерфейс приведены на рис. 6 и l.
Модуль «DAQ Assistant» позволяет считывать данные с аналоговых входов AI0 и AI1, подключенных к датчикам сварочного тока и напряжения между электродами. Для этого необходимо выбрать номера входных каналов, задать частоту оцифровки, диапазоны входных напряжений и количество точек (samples) записи. Параметры 1св, иээ отображаются в виде графиков.
Значения сварочного тока и напряжения между электродами перемножаются и интегрируются по времени с помощью блоков «Х» и «Integral».
Рис. 6. Внешний вид программы сбора и обработки данных о параметрах процесса контактной точечной сварки
Рис. 7. Интерфейс программы
Полученная энергия Q отображается в виде графика и производится индикация её числового значения в джоулях. В случае равенства Q пороговому значению, соответствующего образованию качественной сварной точки, с помощью блока «Greter or Equal» производится подача сигнала на блок «DAQ Assistant 2», который выдаёт напряжение на аналоговый выход AO0, связанный с регулятором цикла сварки РКС-801. При этом сварочный цикл прекращается.
Запись всех параметров процесса осуществляется в файл с помощью блока «Write LabVIEW Measurement File».
С помощью разработанной системы активного контроля исследовали связь между выделяемой в зоне сварки энергией
и диаметром литого ядра точки. При этом сваривали пластины из стали 08кп толщиной 1 + 1; 2 + 2; 3 + 3 мм до достижения определённого значения энергии (см. нижний график на рис. 7). После этого соединение разрушалось с целью установления размера литого ядра.
Корреляционная связь между энергией и диаметром литого ядра, позволяющая определить пороговые значения энергии для различных толщин свариваемых деталей (см. табл. 1), приведена на рис. 8. Коэффициент корреляции Я = 0,98, регрессионная зависимость
Q = 382,2 + 65,8- d
Я
(9)
Q
6000
Дж
4000
3000
2000
І000 4
8 мм 9
'Я
Рис. 8. Зависимость энергии от диаметра литого ядра
5
6
l
Заключение
1. Управление процессом контактной точечной сварки целесообразно осуществлять с помощью регулятора энергии, что позволяет обеспечить требуемые размеры литой зоны при воздействии различных возмущений.
2. Разработана конечно-элементная модель процесса сварки в среде COSMOS/M, позволяющая установить оп-
тимальные режимы сварки и величину вводимой энергии, соответствующие рекомендуемым значениям литого ядра.
3. Реализована система активного контроля, осуществляющая с помощью системы сбора данных ИББ 6009 в графической среде программирования LabVIEW управление диаметром литого ядра за счёт коррекции времени сварки на регуляторе РКС-801.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кочергин, К. А. Контактная сварка / К. А. Кочергин. - Л. : Машиностроение. 1987. - 240 с.
2. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред. Б. Д. Орлова. - М. : Машиностроение, 1975. - 536 с.
3. Орлов, Б. Д. Контроль точечной и роликовой электросварки / Б. Д. Орлов. - М. : Машиностроение, 1973. - 304 с.
4. Оборудование для контактной сварки : справ. пособие / Под ред. В. В. Смирнова. -СПб. : Энергоатомиздат, 2000. - 847 с.
5. Лашкари, М. Руководство по эксплуатации COSMOS / M / М. Лашкари. - Санта-Моника, 1989. - 326 с.
6. Тревис, Дж. Lab VIEW для всех / Дж. Тревис. - М. : ДМК Пресс ; Прибор Комплект, 2004. - 544 с.
Белорусско-Российский университет Материал поступил 19.02.2008
S. V. Bolotov, A. O. Vorobjev Control of a cast kernel size on magnitude of the energy depositing in the zone of contact spot welding
The automatic system allowing controlling a time of contact spot welding on magnitude of the energy expended on kernel fusion has been developed. By means of designed mathematical model of welding process influence of parameters of its regime and inducted energy on diameter of the cast kernel has been examined.
