УСТРОЙСТВО ДЛЯ УДАРНОЙ КОНДЕНСАТОРНОЙ СВАРКИ СТЕРЖНЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ С ПЛОСКИМ ОСНОВАНИЕМ

Полезная модель относится к конденсаторной сварке, а точнее к устройству соединения стержневых деталей с плоским основанием из цветных металлов и их сплавов с использованием импульсов высокой мощности и может быть использовано при производстве корпусов различного назначения, например, корпусов котлов, баков и др. корпусов имеющих фланец с крепежными стержневыми элементами.
Известно устройство для односторонней контактной точечной сварки, содержащее плоский индуктор, расположенный со стороны верхней детали между двумя электродами и подключенный к источнику переменной ЭДС (патент RU 2235626, С2, МПК 7 В23К 11/10, опубл. 10.09.2004) [1]. Переменный ток пропускают одновременно по индуктору и свариваемым деталям в одном направлении, при этом магнитные потоки от обоих токов в зазоре между проводниками, направленные встречно, ослабляются, а на наружных сторонах проводников, направленные в одну сторону, суммируются. Таким образом, напряженность магнитного поля на наружных сторонах проводника увеличивается, и вследствие этого в этих местах увеличивается плотность тока, возникает шунтирование тока через случайные контакты между деталями или между деталью и боковой поверхностью электрода. При этом происходит принудительное смещение тока из верхней свариваемой детали в нижнюю, ток шунтирования снижается, а сварочный ток увеличивается. Устройство предназначено для сварки плоских деталей внахлестку и не может быть использовано для приварки стержневых деталей с плоским основанием.
Известно устройство для приварки стержней к плоской детали (В.Райский. Технология и оборудование для приварки крепежных изделий. Сварочное производство. №4 (76), 2003 г.с.53-59) [2], которое представляет собой сварочный пистолет, состоящий из цангового зажима, пружины, держателя керамического кольца и подъемника стержневой детали, подключенный к инверторному
источнику питания. Стержневая деталь изготовлена с микровыступом. При соприкосновении стержневой детали с плоским основанием через микровыступ протекает сварочный ток большой плотности, в этот момент происходит поднятие стержневой детали, перегорание микровыступа и возникновение дугового разряда равного высоте микровыступа. При этом разогрев плоской детали более интенсивен и ведет к расплавлению зоны контакта плоского основания и появлению сварочной ванны. В конце цикла сварки шпилька погружается в сварочную ванну, частично при этом расплавляясь. Затем сварочный ток выключается и сварочная ванна кристаллизуется. В зависимости от защиты сварочной ванны от внешней среды, различают приварку шпильки с расплавляемым керамическим кольцом и в среде защитного газа. Разновидностью этой технологии является сварка с контактным поджигом, которую проводят с взрывным нарастанием сварочного тока по зазору или с контактным поджигом. Недостатками известного устройства является:
- использование защитного газа;
- наличие пружинного устройства для подъема и опускания шпильки, которое не обеспечивает ковочного усилия и высокую скорость деформации в зоне соединения для вытеснения окисных пленок и загрязнений из зоны сварочной ванны;
- наличие дополнительной операции, состоящей в удалении керамического кольца;
- получение сварного соединения в жидкой фазе, что нежелательно при сварке цветных металлов и их сплавов из-за образования хрупких включений - интерметаллидов.
Для соединения стержневых деталей с плоским основанием из цветных металлов и их сплавов используется устройство ударной конденсаторной сварки (Калеко Д.М., Моравский В.Э., Чвертко Н.А. Ударная конденсаторная сварка - Киев: Наукова думка, 1984, с.5-6) [3], принимаемое за прототип заявляемой полезной модели.
Устройство для ударной конденсаторной сварки содержит батарею конденсаторов,
пружину вертикального перемещения в зону сварки стержневой детали, имеющей микровыступ к неподвижной плоской детали, ключ, понижающий сварочный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к трехфазной сети переменного напряжения 380 В, а вторичная обмотка соединена последовательно с выпрямителем. При разряде батареи конденсаторов происходит увеличение плотности тока в месте контакта стержневой детали с плоским основанием и возбуждается дуговой разряд, равный высоте микровыступа, происходит оплавление стыкуемых поверхностей стержневой детали с плоским основанием и образуется сварочная ванна. Стержневая деталь опускается пружиной в сварочную ванну и происходит совместная кристаллизация в течение 3-6 мс с образованием сварного соединения. Однако, на поверхности свариваемых деталей образуются слои окислов, адсорбированных газов и других загрязнений, что приводит к ухудшению качества сварного соединения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение качества сварного соединения стержневых деталей с плоским основанием за счет обеспечения выплеска из сварочной ванны окислов, загрязнений и других включений непосредственно в процессе сварки при высокоскоростной деформации торца шпильки и плоского основания в зоне сварки.
Указный технический результат достигается тем, что устройство для ударной конденсаторной сварки стержневых деталей с плоским основанием, содержащее батарею конденсаторов, подключенную параллельно к вторичной обмотке сварочного трансформатора, один конец которой соединен с привариваемой стержневой деталью, а другой конец обмотки соединен с плоской деталью, средство вертикального перемещения стержневой детали в зону сварки и ключ, согласно полезной модели, средство вертикального перемещения стержневой детали в зону сварки содержит плоский индуктор, входной конец обмотки которого соединен через ключ и выпрямительный диод с выходным концом вторичной обмотки сварочного трансформатора, а выходной конец плоского индуктора соединен с привариваемой стержневой деталью, под плоским индуктором расположен толкатель, в основании которого выполнено глухое
отверстие, в котором размещена диэлектрическая вставка с посадочным отверстием для установки стержневой детали.
2
Другое отличие состоит в том, что в частном случае выполнения обмотка индуктора содержит 10-15 витков из меди сечением 20-40 мм.
Перемещение толкателя в зону сварки плоским индуктором вызывает деформацию со скоростью до 72 м/с и удар торца шпильки о плоское основание в зоне сварки, что вызывает выплеск жидкой фазы вместе с загрязнениями из сварочной ванны до получения ювенильных (чистых) слоев, сварка которых происходит в твердой фазе под действием ковочного усилия, что и обеспечивает качество сварного соединения.
На фигуре представлен схематический чертеж устройства для ударной конденсаторной сварки стержневых деталей с плоским основанием которое содержит повышающий трансформатор, первичная обмотка 1 которого подключена к трехфазной сети переменного напряжения 380 В, а вторичная обмотка 2 соединена последовательно с выпрямителем 3 и через ключ 4 с входным концом 5 обмотки плоского индуктора 6, выходной конец обмотки 5 соединен, цанговым зажимом (на чертеже не показан) с привариваемой стержневой деталью 7 к поверхности плоской детали 8. Параллельно вторичной обмотке 2 повышающего трансформатора подключена конденсаторная батарея 9 общей емкостью 4000 мкФ. Под индуктором 6 расположен толкатель 10 в основании которого выполнено глухое отверстие 11, в котором размещена диэлектрическая вставка 12 с посадочным отверстием для установки стержневой детали 7. Обмотка 5 плоского индуктора 6, толкатель 10, диэлектрическая вставка 12 в глухом отверстии 11 образуют магнитно - импульсный привод.
Р
Напряжение 500-900 В от вторичной обмотки 2 повышающего трансформатора через выпрямитель 3 заряжает конденсаторные батареи 9. При замыкании ключа 4 постоянное напряжение от конденсаторных батарей 9 поступает на входную обмотку 5 плоского индуктора 6. В процессе разряда батареи конденсаторов 9 по обмотке индуктора 5 протекает импульс тока I, переменный магнитный поток Н которого обуславливает возникновение индуцированных
И
И
М
2
токов I в толкателе 10. В тоже время, взаимодействие магнитного поля Н индуктора 6 с током I в толкателе 10 приводит к возникновению магнитного давления Р и перемещению толкателя зону сварного соединения. После разряда батареи конденсаторов 9 контакты ключа 4 размыкают цепь обмотки 5 плоского индуктора 6 до следующего цикла сварки. Так как плоский индуктор 6 подключен последовательно к вторичной обмотке 2 повышающего трансформатора, одновременно с перемещением толкателя 10 со стержнем 7 в зону сварки через стержневую деталь 7 и плоское основание 8 протекает сварочный ток, образуя дуговой разряд. Одновременно происходит оплавление торца стержня 7 с образованием сварочной ванны на поверхности плоской детали 8 и удар стержневой детали 7 о плоскую поверхность 8, что приводит к выплеску жидкой фазы из сварочной ванны до получения ювенильных слоев. Это обеспечивает получение сварного соединения в твердой фазе, а не жидкой, как это было у прототипа. В частном примере выполнения число витков обмотки индуктора 6 составляет 10-15 витков сечением 20-40 мм.
Это обеспечивает высокоскоростное перемещение толкателя в зону сварки со скоростью 22÷72 м/с, рассчитанную по формуле
П
V=(P·t)/m,
П
где V - скорость перемещения толкателя в зону сварки, м/с;
2
2
Р - импульс магнитного давления, кг·м/с, который составляет 600-1950 кг·м/с;
t - время разряда батареи конденсаторов, с;
m - масса толкателя, кг, определяемая по формуле:
Т
m=ρ·V,
3
где ρ - плотность материала толкателя, кг/м;
Т
3
V - объем толкателя, м.
3
3
В данном случае стержневая деталь изготовлена из дюралюминия, плотностью ν=2,72·10 кг/м.
Объем толкателя определяется по формуле:
Т
2
V=(π·d)/4·l,
где d - диаметр толкателя, м;
l - высота толкателя, м.
Т
2
2
V=(π·0,17)0,045/4 =0,001 м,
3
тогда масса толкателя m=2,72·10 0,001=2,72 кг.
2
Скорость перемещения толкателя в зону сварки при 600 кг·м/с
П
-3
V=(600·100·10)/2,72=22 м/с
2
Скорость перемещения толкателя в зону сварки при 1950 кг·м/с
П
-3
V=(1950·100·10)/2,72=72 м/с
Изготовлен и апробирован экспериментальный образец устройства для ударной конденсаторной сварки стержневых деталей с плоским основанием и получены следующие технические характеристики:
ковочное усилие, кг·м/с<sup>2</sup>
600÷1950
перемещение толкателя м/с
22÷72
степень пластической деформации
в зоне соединения, %
60
производительность, сварок/ч
30÷45
срок службы, импульсов
10<sup>4</sup>÷10<sup>5</sup>
Изменением числа витков индуктора 6 от 10 до 15 витков достигается заданная величина ковочного усилия и перемещение толкателя.
Источники информации
1. RU. 2235626 Опубл. 10.09.2004 г.
2. В. Райский. Технология и оборудование для приварки крепежных изделий. Сварочное производство №4 (76), 2003 г. с.53-59.
3. Калеко Д.М., Моравский В.Э., Чвертко Н.А. Ударная конденсаторная сварка - Киев: Наукова думка, 1984 - 200 с., - прототип.