Методика расчета изменения диаметра уплотняющего пояска при контактной точечной сварки с обжатием периферии соединения

Расчет изменения диаметра уплотняющего пояска при контактной точечной сварки с обжатием периферии соединения, как и при традиционных способах КТС, представляет собой математическое моделированиепроцесса формирования соединения. Он также осуществляется в отдельные дискретные моменты времени t от начала до окончания импульса тока, но только решением относительного диаметра уплотняющего пояска d _{П t} уравнения (3.17) термодеформационного равновесия процесса сварки с обжатием периферийной зоны соединения. При этом параметры внешнего силового воздействия на детали заданы как параметры режима сварки.

Последовательность и логика выполнения алгоритма (рис. 4.5) для расчета изменения диаметра уплотняющего пояска при КТС с обжатием периферии соединения [211, 212, 243], организация и выполнение в нем циклов по времени t с неизменным шагом Δ t (по блокам 5…13) и по диаметру уплотняющего пояска d _{П t} с изменяющимся шагом Δ d _{П j} (по блокам 7…11) такие же, как и в алгоритме для традиционных способов КТС, показанном на рис. 4.1. Решение задачи также осуществляется методом итераций, так как уравнение (3.17) относительно d _{П t} является трансцендентным. Осуществляется алгоритм следующим образом.

Вводимые исходные данные, рационально также разбить на три группы. Первая группа исходных данных, предназначенная для управления работой программы, естественно должна учитывать ее особенности. Вторая же и третья группы исходных данных, содержащие характеристики свариваемого материала, а также технологии и режима сварки, такие же, как и при решении этой задачи для традиционных способов точечной сварки (табл. 4.1).

В большинстве известных способов точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединения [59…70, 245] силовое воздействие на детали задают двумя силовыми параметрами режима: усилием F _{СВ t} сжатия деталей приводом сварочной машины и усилием F _{0 t} их обжатия кольцевыми силовыми пуансонами в периферийной зоне соединения (см. рис.1.7) как неизменными, так и программированными по величине. В последнем случае их рационально задавать в виде аппроксимированных функций, например, выраженных зависимостями (4.5) и (4.6). Коэффициенты аппроксимации А _{F св}, В _{F св,} C_{F св,} t _1, a ₁, b ₁ и А _{F о}, В _{F о,} C_{F о,} t _1, a ₂, b ₂ в этом случае водятся в исходных данных (табл. 4.3).

Усилие же сжатия на токопроводящем электроде F _{Э t} определяется из соотношения (1.6) усилий сжатия деталей приводом сварочной машины F _СВ, токопроводящими электродами F _{Э t} и обжимными втулками F _{0 t}, которое, с учётом необходимости расчетов в дискретные моменты t процесса КТС, можно преобразовать к следующему виду:

.                                       (4.8)

Вычисление диаметра пояска d _{П t} в фиксированный момент t, осуществляется также методом итераций путем последовательного приближения (рис. 4.3). Цикл по диаметру уплотняющего пояска d _{П t} с уменьшением шага Δ d _{П j} осуществляется блоками 8...12. В блоках 8...10 последовательно вычисляются значения параметров термодеформационных процессов, протекающих при КТС с обжатием периферийной зоны соединения.

Таблица 4.3

Исходные данные силового воздействия на детали при расчете диаметра уплотняющего пояска по уравнению (3.17)

При КТС с обжатием периферийной зоны соединения не все усилие (F _{Э t} + F _{О t}) сжатия деталей электродными устройствами может передаваться в контур уплотняющего пояска. Частично оно может уравновешиваться усилием F _{Д t}, необходимым для сближения деталей до соприкосновения их поверхностей при наличии между ними зазоров. Кроме того, если сумма усилия F _{Д t} и усилия F _{У t}, передаваемого в контур уплотняющего пояска от обжимных втулок меньше, чем усилиесжатия ими деталей F _{О t}, т. е. , оно частично, на величину F _{К t}, зависящую от цилиндрической жесткости деталей и расстояния между контурами уплотняющего пояска и обжимной втулки (см. зависимость (3.19)), которую можно определить по зависимости (3.20), преобразованной к следующему виду:

,                                   (4.9)

уравновешивается в кольцевом контакте.

Поэтому для расчётов d _{П t} уравнение (3.17) рационально преобразовать к виду:

.

Левая часть этого равенства согласно (3.9), (3.10) и (3.21) равна усилию F _{C t}, уравновешиваемому в площади свариваемого контакта давлением в ядре Р_{Я t} и напряжениями в уплотняющем пояске σ _{CР t}. Правая же его часть равна усилию , которое передаётся в контур уплотняющего пояска от воздействия на детали токопроводящими электродами F _{Э t} и обжимными втулками F _{0 t}:

.                              (4.10)

При итерациях по диаметру уплотняющего пояска d _{П t} сравниваются значения  и  (блок 9). Пока выполняется условие, что , циклы по d _{П t} продолжаются с тем же шагом Δ d _{П j} переходом в блок 7. Если же это условие не выполняется, т. е. , а (блок 10), то d _{П t} уменьшается на Δ d _{П j}, затем уменьшается Δ d _{П j} (блок 11) и циклы по d _{П t} продолжаются. Если же , циклы по d _{П t} заканчиваются, фиксируются результаты расчётов (блок 12) и осуществляется переход в цикл по времени (блок 13). После выполнения заданного числа шагов расчетов по времени производится заданный вывод полученных результатов (блок 14) и решение задачи заканчивается.

Оценку адекватности термодеформационной модели процесса точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединения реальному процессу формирования соединения производили так же обобщенно, как и проверку описанной выше термодеформационной модели для традиционных способов точечной сварки. Так же при сварке деталей осуществляли прерывания процесса формирования соединения и измеряли диаметр уплотняющего пояска, а затем сравнивали его значения с расчетными для тех же условий сварки и моментов формирования соединения.

Многочисленные сравнения расчетных и экспериментальных значений диаметра уплотняющего пояска для условий сварки деталей толщиной 1….4 мм из высоколегированных и углеродистых сталей, а также алюминиевых сплавов, показали, что их расхождения не превышают 10…20 %, что в определенной мере, отражает приемлемую для приближенных решений технологических задач степень адекватности термодеформационной модели процесса формирования соединения и реального процесса точечной сварки с обжатием периферийной зоны соединения [210…212, 243].

4.2. Изменение термодеформационных процессов на стадии
нагрева при традиционных способах точечной сварки

Описанные выше методики расчета основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки на стадии нагрева, предоставляют возможность определить их количественные значения в любой момент процесса формирования соединения при заданных параметрах режима сварки. Практически, это означает, что решение уравнений (3.11) или (3.17) относительно диаметра уплотняющего пояска при заданных параметрах режима сварки позволяет проводить численные эксперименты.

Моделированием процессов формирования точечных сварных соединений как при традиционных способах сварки, так и при способах сварки с обжатием периферии соединения по описанным выше методикам расчетов подтверждается существующее мнение [3, 16] о том, что формирование точечных соединений происходит по единой схеме, несмотря на изменение значимости влияния отдельных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, на формирование соединения на отдельных этапах цикла сварки, а также различия количественных их параметров. Так, во всех случаях контактной точечной сварки сохраняется временная последовательность протекания отдельных термодеформационных процессов в зоне сварки, значимость их влияния на процесс формирования соединения и характер изменения при сварке: температура металла в зоне сварки во время импульса сварочного тока, хотя и неравномерно, всегда увеличивается; среднее значение давления в свариваемом контакте, напряжения в площади уплотняющего пояска, а после начала плавления металла в свариваемом контакте и давление в ядре всегда уменьшаются по величине; разупрочнение металла в зоне сварки всегда возрастает, что сопровождается его пластическим течением и непрерывным увеличением площади свариваемого контакта [203…206, 210…212, 218, 243].