УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА-КОЛПАЧКА КОНТАКТНОЙ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ (КТС)
DEVICE FOR COOLING OF CAP ELECTRODE OF RESISTANCE SPOT WELDING

Изобретение относится к сварочному производству и пригодно в электродах КТС, применяемых для сварки между собой листовых заготовок, деталей и т.д.
Известно устройство для охлаждения электрода КТС, имеющего полый и конический снаружи хвостовик, размещенный в передней внутренней конической части полого держателя, в которых с зазором установлена трубка, соединенная задним концом с малой полостью колпака, куда открыто его поперечное окно под хладагент, а второе окно - также под хладагент - в большую полость, выполненную с его переднего торца, в которой с зазором размещена трубка, причем сам колпак присоединен к задней части держателя или может отсутствовать (см. патент RU №2420378 С2, 02.03.2009).
Его недостатки: значительные длина, масса и трудоемкость электрода из-за его конических поверхностей и хвостовика с полостью; эффективное охлаждение только центральной части электрода, расположенной в зоне этой полости и др.
Известно и другое устройство электрода-колпачка, имеющего с заднего торца коническую полость, в которой с осевым зазором размещена передняя часть держателя (удлинителя) с полостью под трубку, установленную задней частью в гнезде колпака, указанного выше, с окнами подвода и отвода хладагента (см. ГОСТ 25444-90 стр. 2), а передняя часть ее не выступает за передний торец держателя.
Этот электрод проще, технологичнее, короче и в несколько раз дешевле предыдущего, но его внутреннее охлаждение недостаточно эффективно из-за омывания хладагентом не всей площади дна его полости, а только части ее, равной поперечной площади полости держателя (удлинителя). Вследствие этого в периферийной зоне дна этой полости образуется застойная зона с хладагентом, где он не циркулирует и поэтому кипит в пленочном режиме, что приводит к кризису теплообмена I-го рода - перегреву не только этой зоны, но и передней части электрода, ускоряющего износ последнего при работе.
Целью предлагаемого изобретения является устранение этих недостатков данного устройства, т.е. повышение эффективности охлаждения электрода-колпачка за счет увеличения охлаждаемой площади его полости и устранения у нее застойной зоны с хладагентом.
Она достигается тем, что в устройстве для охлаждения электрода-колпачка контактной точечной сварки, размещенного конической задней полостью на конической передней части полого держателя с осевым зазором между ее дном и передним торцом последнего, в котором с зазором установлена трубка, соединенная задним концом с малой полостью колпака, куда открыто его поперечное окно под хладагент, а его второе окно под хладагент - в большую полость, выполненную с его переднего торца, в которой с зазором размещена трубка, причем сам колпак присоединен к задней части держателя, между держателем и электродом-колпачком у дна его полости образован кольцевой зазор, открытый в осевой зазор их соединения и соединенный поперечными окнами первого с зазором между ним и трубкой, загерметизированным у ее переднего конца.
Сопоставительный анализ известного устройства с предлагаемым свидетельствует о следующем: у дна конической полости электрода-колпачка образуют сопрягаемыми поверхностями его и держателя кольцевой зазор, который открыт в осевой зазор, образованный дном полости электрода-колпачка и передним торцом держателя. Кольцевой зазор соединяют поперечными окнами держателя с зазором между ним и трубкой и последний зазор герметизируют с ее переднего торца.
Из вышеприведенного следует, что предлагаемое устройство обладает новизной, имеет существенные отличия от известных решений, промышленно применимо и поэтому соответствует критерию «изобретение».
Образованием у дна полости колпачка кольцевого зазора увеличивается его внутренняя охлаждаемая поверхность в несколько раз. Выполнением поперечных окон у держателя в зоне этого зазора обеспечивается циркуляция хладагента по осевому и кольцевому зазорам между передней частью держателя, дном и внутренней боковой поверхностью колпачка, чем существенно повышается эффективность его охлаждения.
Для обеспечения этого условия в кольцевом зазоре между трубкой и держателем размещено уплотнительное устройство между этими окнами и его передним торцом, которая обеспечивает циркуляцию хладагента по осевому и кольцевому зазору между колпачком и держателем, а затем нагретый теплом колпачка хладагент через эти окна отводится в зазор между трубкой и полостью держателя, из которого удаляется за его пределы.
Оно поясняется чертежом, где представлены электрод-колпачок 1 с конической или радиусной передней частью, размещенный своей конической задней полостью на передней конической части держателя 2 (удлинителя), задняя часть которого с присоединенным к нему колпаком с поперечными окнами, не представлены здесь.
Между дном 3 этого электрода и передним торцом 4 держателя имеется осевой зазор 5, а в полости держателя размещена с  зазором 6 трубка 7, не контактирующая своим передним концом с дном 3 электрода-колпачка 1.
У переднего торца держателя 2 выполнены поперечные окна 8, перпендикулярные или наклонные относительно его продольной оси и открытые внешней стороной в кольцевой зазор, образованный боковыми поверхностями полости этого электрода и передней части держателя 2 (у дна этой полости выполняется цилиндрическая проточка или со стороны переднего торца выполняется наружная цилиндрическая или коническая поверхность или комбинация поверхностей этих элементов). Внутренними сторонами окна 8 открываются в зазор 6 между держателем 2 и трубкой 7, который герметизируют кольцом 9, размещенным между ее передним торцом и внутренними сторонами окон 8.
Охлаждение электрода-колпачка 1 осуществляется так: по полости трубки 7 подводится хладагент - вода, которая устремляется в осевой зазор 5 между передним торцом держателя 2 и дном 3 полости электрода-колпачка 1, нагретого теплом сварочной точки соединяемых заготовок или деталей между собой, которое устремляется в основном в осевом направлении от его переднего торца к этому охлаждаемому дну. Хладагент омывает все дно 3, отводя от него поступившее в электрод-колпачок тепло сварки и нагревается сам при этом. Нагретый хладагент устремляется далее из осевого зазора 5 в кольцевой зазор между поверхностями полости электрода 1 и передней части держателя 2, охлаждая и прилегающую к дну 3 полости электрода ее боковую поверхность, дополнительно нагреваясь при этом. Далее нагретый хладагент отводится по поперечным окнам 8 в зазор 6 между трубкой 7 и держателем 2 и из него удаляется за пределы устройства.
Не исключена и противоположная схема циркуляции хладагента, когда его подводят по зазору 6 к зоне охлаждения электрода-колпачка и отводят оттуда по полости трубки 7.
Такой схемой циркуляции исключается застойная зона (без циркуляции хладагента), имевшаяся у прототипа от края отверстия держателя 2 до края дна конической полости электрода-колпачка 3. В ней тепло от этого дна к хладагенту передавалось не конвекцией, а кондукцией (теплопроводностью его), что гораздо менее эффективно и приводило к перегреву охлаждаемой поверхности в этой зоне с образованием пленочного кипения его, уменьшающего в несколько раз теплоотвод от этой поверхности к охлаждающей среде и, следовательно, ее перегрев и локальный перегрев переднего торца электрода-колпачка, приводящий к ускорению его износа.
Благодаря образованию кольцевого зазора у дна 3 конической полости электрода-колпачка соответствующими поверхностями его и держателя увеличилась охлаждаемая площадь дна 3, а наличием поперечных окон 8 в передней части держателя 2 устранена застойная зона с хладагентом у дна полости и возросла также и внутренняя боковая охлаждаемая поверхность этой полости. Этим решением повысилась эффективность жидкостного охлаждения электрода-колпачка в несколько раз по сравнению с прототипом.
Для подтверждения этого рассмотрим уравнение Ньютона-Рихмана
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mo>,</mo><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
по которому определяется количество отведенного хладагентом тепла Q от охлаждаемой поверхности электрода-колпачка площадью F за временной промежуток Δτ, равный для нашего устройства циклу работы сварочной машины.
Здесь α - коэффициент теплоотдачи от нагретых дна и боковой поверхности полости электрода-колпачка к хладагенту, ΔT - перепад температур между этими поверхностями и циркулирующим там хладагентом.
В свою очередь при проточном охлаждении электрода-колпачка α определяется критериальным уравнением Нуссельта-Михеева
<mrow><mi>N</mi><mi>u</mi><mo>=</mo><mn>0,023</mn><msup><mrow><mi>Re</mi></mrow><mrow><mn>0,8</mn></mrow></msup><msup><mrow><mi>Pr</mi></mrow><mrow><mn>0,43</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Pr</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>ϑ</mi><mi>a</mi></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>Re</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>V</mi><mo>⋅</mo><mi>d</mi></mrow><mi>ϑ</mi></mfrac><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где
- критерий Прандтля,
- критерий Рейнольдса, в котором v - скорость циркуляции хладагента; d - эквивалентный гидравлический диаметр одного или нескольких каналов, по которым циркулирует хладагент; ϑ - кинематическая вязкость хладагента - воды; а - ее коэффициент температуропроводности.
При v=0, Re=0 и Nu=0, когда имеется застойная зона с хладагентом, как у прототипа, тогда тепло от периферийной части нагретого дна полости к имеющемуся там хладагенту передается кондукцией, что гораздо менее эффективно, чем конвекцией в предлагаемом устройстве.
В свою очередь
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>N</mi><mi>u</mi><mo>⋅</mo><mi>λ</mi></mrow><mi>d</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                           </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где λ - коэффициент теплопроводности хладагента - воды.
1
2
Оценим численно эффективность охлаждения электрода-колпачка предлагаемым устройством и устройством-прототипом, задавшись одинаковыми продолжительностью цикла Δτ, коэффициентом теплоотдачи а и перепадом температур ΔT. Принимаем диаметр отверстия держателя 2 d=10 мм, диаметр цилиндрической полости электрода-колпачка 1 d=14 мм и ее длину l=4 мм (см. чертеж).
1
Для предлагаемого устройства отводимое количество тепла Q будет равно
<mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mo>,</mo><mtext>                                 </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
а для прототипа -
<mrow><msub><mi>Q</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>α</mi><mi>Δ</mi><mi>T</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi><mtext>                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Их соотношение запишется
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>Q</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>F</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,785</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>14</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>3,14</mn><mo>⋅</mo><mn>14</mn><mo>⋅</mo><mn>4</mn></mrow><mrow><mn>0,785</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>4,2</mn><mtext>                    </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Таким образом, эффективность охлаждения электрода-колпачка в предлагаемом устройстве увеличилась в 4,2 раза по сравнению с эффектом охлаждения этого колпачка у прототипа устройства, чем повышается эффективность охлаждения его переднего торца и, следовательно, стойкость благодаря минимальной температуре его рабочей поверхности к началу цикла сварки деталей или заготовок между собой.
Выполнением, например, цилиндрической полости у дна конической полости электрода-колпачка для образования кольцевого зазора между ним и держателем также упрощается изготовление боковой поверхности этой полости вследствие исключения утыкания режущего инструмента в это дно, что имеет место у прототипа. При этом длина 1 ее определяется размерам окна (его диаметром) +1-2 мм, когда оно выполнено наклонным относительно продольной оси держателя. Например, при диаметре окна в 2 мм длина l=2+(1-2)≤4 мм (см. чертеж устройства).
Таким образом, предлагаемым устройством увеличивается охлаждаемая поверхность электрода-колпачка и эффективность охлаждения электрода-колпачка в несколько раз, чем повышается его стойкость как минимум в 1,5-2 раза.