Выбор и расчет параметров режима ударной конденсаторной сварки с магнитно-импульсным приводом

Введение. Для широкого внедрения научно-прогрессивной технологии получения сварных соединений крепежных элементов с тонкостенными необходимо разработать научно обоснованные методы расчета параметров процесса и оборудования.

Постановка задачи. Теоретические исследования и результаты экспериментов позволили приступить к разработке методики процесса и проектных изысканий устройств ударной конденсаторной сварки (УКС) с магнитно-импульсным приводом (МИП) [1].

Методика расчета и выбора параметров технологического процесса и оборудования для сварки стержневых элементов с тонкостеснными включает четыре взаимосвязанных этапа (см. рисунок).

Рис.1. Блок-схема выбора и расчёта параметров процесса и оборудования сварки стержневых и тонкостенных элементов

На первом этапе анализируется конструкция изделия и определяется ряд величин и зависимостей с учетом электрофизических свойств свариваемых металлов, необходимых для последующих расчётов.

Для вычислений используются результаты полученных ранее зависимостей :

• –    диаметра и длины выступа стержневого элемента от диаметра стержня, d в = f ( D ст ), l в = f ( D ст ) [5];

• –    энергии импульса от скорости относительной локальной пластической деформации W=f (έ л ) .

На втором этапе определяются параметры:

• –    время релаксации напряжений в зоне соединения t р ;

• –    время деформационной активации контактной поверхности t а ;

• –    время твердофазного взаимодействия t св .

Временные значения должны удовлетворять условию получения сварного соединения в твердой фазе: t св > t а >  t р [2].

В развернутом виде уравнение твердофазного взаимодействия примет вид [2]:

Li * Ь              n 7*0

t^ >-------> to * e R * T , св                   0

• ^е л * S а

• где L – средний путь движения дислокаций до препятствия; b – модуль вектора Бюргерса;

е л - скорость относительной локальной пластической деформации; S a - площадь активного центра; t 0 – постоянная времени, t 0 = 10^–11 с; Е р – энергия релаксации напряжений по границам зерен [3]; R - универсальная газовая постоянная, R =1,987 кал/(К * моль); Т ⁰ - температура процесса, Т =(0,8-0,9) Т пл ), ° С.

Анализ соотношения (1) показывает, что при выборе параметров процесса необходимо в первую очередь определить время активации, главным фактором которого является скорость относительной локальной пластической деформации е л .

Значение скорости относительной локальной пластической деформации ел в зависимости от энергии импульса W (1000-14000 Дж) для сплавов АМг6, М1 и Л63 находится в пределах (0,1-10)*103 с-1 [5].

Энергия импульса характеризует энергетические параметры оборудования [4] и зависит от емкости накопительного блока С , рабочего напряжения U р , индуктивного сопротивления разрядного контура установки L у и определяется на третьем этапе.

Частоту разряда определяют из соотношения:

f р =

2π L _у C ^.

Основные ограничения на рабочую частоту f р накладываются условием малого проникновения магнитного потока в подложку толкателя и необходимой длительностью периода разряда T =1/ f для обеспечения условия реализации твёрдофазного взаимодействия. Для этого, с одной стороны, необходимо уменьшать период разряда, с другой – «растягивать» процесс.

Удовлетворяя эти требования, и определим рациональное значение периода разряда. Это дополнительное условие импульсного воздействия сформулировано соотношением:

° ' ².    >  f >  п * y * 5² * ц ,                                          (3)

E _p

• t о * e R * T°

где γ – удельная электропроводность материала подложки толкателя; δ – толщина подложки толкателя; μ – магнитная проницаемость.

Собственная индуктивность установки для обеспечения максимального магнитного воздействия должна удовлетворять неравенству [4]:

L у <  L и-з ,                                                       (4)

где L и-з – индуктивность системы «индуктор – заготовка».

Число витков индуктора выбираем по рекомендациям [4]:

L

N "j-                                       (5)

где L 1 – индуктивность, приходящаяся на один виток.

На четвертом этапе выполняют уточненный расчет параметров: энергии импульса W , величины сварочного тока I св , магнитного давления р м [4], необходимого для силового воздействия на зону соединения, длительности твердофазного взаимодействия t св .

Далее нужно проверить выполнимость всех соотношений, связанных с условиями формирования соединения, техническими требованиями на изделия, ограничений, связанных с выбором стандартных комплектующих изделий, входящих в разрядно-импульсное обору-             до- вание [4].

В качестве примера в таблице приведены выбранные и расчетные параметры процесса и результаты испытаний сварных соединений различных материалов.

Параметры процесса ударной конденсаторной сварки

Материал стержень – лист	Временные параметры, мкс			Энергия W , кДж	Скорость относительной деформации, £ л ■ 10 3 , C-1	Частота разряда тока f р , кГц	Ёмкость накопительного блока батарей конденсаторов C , мкФ	Напряжение заряда U , кВ	Число витков индуктора N , витк.	Максимальное значение тока I св , кА	Усилие отрыва P , Н
	t р	t а	t св
Л63	37	42	80	9,4	5,6	2,3	2400	2,8	7	97,2	5000
М1	32	35	60	8,1	4,6	2,3	2400	2,6	7	90,3	2900
АМг6	24	28	50	7,5	6,8	2,3	2400	2,5	7	86,8	1890

Заключение. Данная методика апробирована при разработке технологии изготовления крепежной панели (толщина основания δ =0,8 мм, диаметр стержневых элементов D ст =10 мм, сплав – Л63, М1 и АМг6) [4].