автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Совершенствование технологии контактной микросварки Т-образных соединений покрытых деталей в массовом производстве резисторов

•Чо С.1

Министерство общего и профессионального образования РФ ЛИПЕЦКИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 621.791.763:669.2.8

ИВАНОВ Николай Иванович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТАКТНОЙ МИКРОСВАРКИ Т-ОБРЙЗННХ СОЕДИНЕНИИ ПОКРЫТЫХ ДЕТАЛЕЙ В НАССОВОН ПРОИЗВОДСТВЕ РЕЗИСТОРОВ

Специальность 05.03.06 - Технологии и нааины

сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Липецк - 1996

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете.

Научный руководитель -

доктор технически;-: наук процессор Рыхков С'.Н.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Пввков Б.Б..

кандидат технически;-: наук, дсиен:. стсоп;;;. научный сотрудник ксаев А.П.

оедуаее предпоиятие

йС. "алектооаппарст . г. Курск

M J-j^

оашита состоится "JISL" карта 123,- года б zK. часов в ауд. 601 на заседании специализированного совета Д o64.22.Cii при Липецком государственном техническом университете по адресу: 398055, г. Липецк, ул.Московская, 3D.

Баши отзывы 1В двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Липецкого государственного технического университета,

нвтореферат разослан _________ 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета к.т.н.. доцент

---"Б. Б. Карих

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной электронной технике с ЭТ 5 применяется бользое количество изделий, в массовом производстве которых необходимо выполнять неразгвмные Т-образные соединенна проволок с тонкостенными корпусными деталями из разноименных металлов, покрытых различными материалами, часто дефицитными и дорогостоящими. Такие соединения получаит на автоматическом оборудовании высокопроизводительным способом - стыковой контактной микросваркой сопротивлением. От качества сварки в сильной мере зависит работоспособность изделий, долговечность и надежность ЭТ при эксплуатация. Поэтому актуальной задачей сварочной техники в электронной промивленности (ЭП) является дальнейпее повызение стабильности и улучпение прочностных свойств Т-образных соединений при снихении себестоимости изделий.

Типичным примером подобных конструкций являптся сварныо узлы резисторов, в которых покрытая недная проволока соединяется с никелированными латунными колпачками. Анализ качества сварки таких узлов на предприятиях "Ресурс", "Орбита" и др. показал, что существующая технология и оборудование не обеспечивают стабильной прочности соединений, а при замене серебра, применяемого для покрытия проволоки, менее дефицитными материалами происходит увеличение брака в 4...5 раз. При этом не только снижается фактическая производительность оборудования и сдерживается зирокое внедрение более деае-вых изделий, но и значительное количество дефектных узлов попадает на последующие операции изготовления резисторов, а затем - к потребителям, Производство и потребители при этой несут значительные материальные и моральные потери.

Эффективность сварочного производства в ЭП может быть повышена при комплексном подходе к соверпенствовании технологии и оборудования, который включает применение более рационального цикла сварки и замену используемого в настоящее время выборочного послеоперационного контроля качества, связанного с разрупениеы сварных соединений и обладавцего низкой достоверностьо и малой производительностью, не-разруыашщим методом контроля кагдого соединения по параметрам процесса. Однако исследования в этом направлении проводились недостаточно. Данная работа выполнялась по задании промыоленности,

Цэль работы. Улучаенив качества и повнаонив производительности контактной стыковой сварки сопротивленцы малогабаритных узлов резисторов путем совершенствования технологии и оборудования и разработки системы автоматического управления процессом и контроля качества соединений по обобцавщим параметрах.

Основные задачи работы. Разработать методы и экспериментальные средства для исследования кинетики процесса сварки и формирования Т-образных соединений покрытых деталей при контактной микросварке с различным характером приложения усилия привода механизма сжатия.

Исследовать особенности формирования соединений при сварке с постоянным усилием и обосновать требования к параметрам рационального цикла сварки с переменным усилием привода.

Разработать оптимальнув технологию сварки узлов резисторов различных типоразмеров.

Исследовать закономерности процесса сварки и формирования соединений при сварке с переменным усилием привода.

Разработать методы и средства организации автоматического управления процессом и контроля качества соединений по параметрам усилия в зоне сварки.

Научная новизна. Установлены особенности кинетики формирования Т-образных г.сэдинений покрытой медной проволоки с тонкостенной корпусной детальс из ки::олирсзгкного томпака при контактной сварке сопротивлением с различным характерен осадки проволочной детали и обоснован характер соединения, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к сварным узлам резисторов. Показано, что необходимым качеством обладают соединения, полученные в твердой фазе по всей площади контакта. включая его периферийную зону.

Доказана возможность значительного повыпения эффективности технологического процесса контактной сварки Т-образных соединений на автоматах путем использования импульса тока трапецеидальной формы и цикла сжатия малым начальным и нарастающим синхронизированно с величиной сварочного тока усилием комбинированного привода. Цикл сжатия переменным усилием привода создает высокую степень локализации пластической деформации металла в приконтактных слоях и благоприятное формоизменение на установочной длине проволочной детали, обусловливающее независимо от материала ее покрытия необходимые условия для образования высококачественного твердофазного соединения по всей площади контакта. Применение импульса тока трапецеидальной формы обеспечивает увеличение стойкости электродной оснастки и повышение производительности автоматического оборудования.

Разработана математическая модель процесса сварки по рациональной циклограмме Т-образных соединений деталей различных типоразмеров, ставгая основой номограммы эффективных ресимов для иирокой номенклатуры маломочных резисторов.

Установлена взаимосвязь кинетики процесса сварки и критериев ка-

чества Т-образных соединений с характером изменения усилия, развиваемого в зоне стыковой сварки сопротивлением. Выявлены наиболее информативные параметры усилия для использования их в качестве обобаавщих.

Разработаны методы и организация автоматического управления циклом нагрева с обратной связьа по средней скорости снижения усилия в зоне соединения при нагреве металла до сварочной температуры и автоматического неразрупавцего контроля по величине максимального усилия, развиваемого в контакте на заключительной стадии осадки проволочного вывода.

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований выявлены условия и пути, обеспечиваваие формирование высококачественных Т-образных соединений тонколистового никелированного томпака с медной проволокой независимо .от натериала ее покрытия. Для реализация условий сварки на серийных автоматах созданы специальные средства получения импульса тока трапецеидальной формы с автоматическим регулированием длительности протекания и цикла сгатия деталей малым начальным и нарастаниям в процессе сварки усилием. Предлозена номограмма эффективных ренинов, обеспечивавших сварку Т-образных узлов различных типоразмеров с нормативной прочностью при повызенной производительности (150 св./мин.) автоматического оборудования.

Разработан метод и средства реализации автоматического неразру-гаавдего контроля сварных узлов, .позволявшие с высокой достоверностью (96%) исключать из дальнейшего технологического процесса соединения низкого качества.

Разработанные средства, технология и резимы сварки по результатам опытно-промышленных испытаний, проведенных в массовом производстве резисторов (ПО: "Ресурс", г.Богородицк; "Орбита", г.Низший Новгород), рекомендованы к внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: II Всесовзной конференции "Актуальные проблемы сварки цвэтных металлов" (Тапк8нт, 1982 г.); Всесоизной научно-технической конференции "Проблемы совериенствова-ния контактной сварки" (Псков, 19G7 г.); Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочнявшие технологии" (Курск, 1994 г.); научных семинарах кафедры "Машины и автоматизация сварочных процессов" НГТУ им.Н.Э.Баумана (1983 г.) и кафедр "Оборудование и технология сварочного производства" Липецко-о (1996 г.) и Курского ( 1982 - 1996 г.г.) государственных технических университетов.

Публикации. По материалам работы опубликовано 14 научно-технических статей и получено 6 авторских свидетельств СССР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, списка использованной литературы и приложений, в которых представлены материалы, отражающие практическую значимость полученных результатов. Общий объзм работы составляет 227 страниц машинописного текста, включая 64 рисунка, 21 таблицу, 166 наименований использованных источников и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе дана характеристика объекта исследования, проведен анализ недостатков существующей технологии сварки и определены пути ее совершенствования. Базовым изделием являлись контактные уз{1ы СКУ) постоянных металлопленочных резисторов мощностью 0.065... 2.0 Вт, выпуск которых составляет сотни миллионов штук в год. КН представляют собой Т-образное сварное соединение колпачка из томпака Л90 толщиной 0.14...0.3 мм с аксиально расположенным выводом из проволоки U1 диаметром 0.5...1.С мм. Для улучшения эксплуатационных характеристик резисторов колпачки покрываются никелем (3../6 мкм), а проволока для выводов чаще подвергается серебрению (3...12 мим). КУ должны обладать высокой прочностью при статических и динамических нагрузках. Этому требовании в полной ыере отвечает сварной узел, в котором высаженный при осадке металл вывода имеет допустимые размеры и благоприятную форму с плавным переходом, а прочное соединение образовано по всей поверхности сопряжения деталей. Стыковая микросварка сопротивлением деталей КУ у нас и за рубежом производится на автоматах, входящих в состав поточных линий. Выполненный статистический анализ массового производства резисторов показал, что брак при сварке по существующей технологии достаточно велик и для узлов разных типоразмеров с различными материалами покрытия проволочной детали составляет от 4...5 до 15...20 X. Наибольшие потери имеют место при сварке КУ, в которых проволока для выводов вместо серебра покрывается сплавами на основе олова: олово-висмут, олово-сурьма, никель-олово и др. Поэтому в данной работе основным объектом исследований с целью улучвения качества сварки принят процесс соединения колпачков с выводами, имеющими оловянистые покрытия.

К настоящему времени работами зарубежных и отечественных исследователей ( Р.Б.Рудзит.Э.В.Бумбиерис.B.Nevilie Cox.J.HattS, П.И.Евти-Феев.Й.Л.Каганов,В.И.Строев и др.) установлено, что основными недостатками процесса контактной микросварки Т-образных соединений является: асимметрия нагреваемых и деформируемых объемов относительно стыка, открытая зона формирования соединения и больная склонность процесса нагрева к образованию выплесков. Перечисленные недостатки

о

существенно затрудняют получение соединений при сварке деталей из металлов с высокой электропроводности и пластичностью, покрытых разноименными материалами с резко различными теплофизическими свойствами. Повышение стабильности качества Т-образных сварных соединений в производстве изделий ЗТ различные авторы (В.И.Матвеев, Г,В. Виноградов, А.П.Ляшок и др.) связывают с применением разных программ тока, обеспечивающих за счет подогрева в начальной стадии процесса снижение величины и рассеяния контактного сопротивления с Як). Однако создание условий, необходимых для формирования высококачественных Т-образных соединений покрытых деталей, не может быть гарантированным без должного внимания к выбору рационального цикла сжатия. При стыковой сварке сопротивлением нагрев является условием необходимым, но не достаточный (Б.Д.Орлов, К.А.Кочергин). Достаточ- . ность определяется циклом сжатия, от которого в наибольпей степени зависит роль Як в нагреве, распределение температурного поля относительно стыка и, соответственно, характер пластической деформации проволочно'й детали.

Как показал анализ существующей технологии, применяемый в массовом производстве цикл сжатия, осуществляемый механизмом с постоянным усилием привода, является далеко не оптимальным. При таком цикле величина усилия привода выбирается достаточной для осадки вывода с необходимой скоростью, поэтому в начальной стадии процесса она является чрезмерно завышенной и независимо от применяемой программы тока приводит к снижению роли Иъ в тепловыделении, неблагоприятному распределении температурного поля вдоль оси деталей и бочкообразной форме осаживаемого объема проволочного вывода. Последнее послужило основанием для принятия гипотезы о переходе боковой поверхности проволоки с покрытием в контакт при осадке и неоднозначном влиянии различных материалов покрытия на механизм формирования соединения. Так замена серебра другими материалами приводит к сниаению прочности КУ и увеличению в 4...О раз брака на сварочной операции.

Более совершенным циклом, который может обеспечить другой характер осадки и повысить качество соединений при стыковой микросварке, является сжатие деталей переманным усилием привода - в начале сварки малым, а в конце значительным. Анализ работ Б.Д.Орлова, Л.А.Любомирского, К.Р,Ваг1ои, Н.Е.КНпвепап и др. показал, что такой цикл сжатия реализуется механизмами с "оыбинированным приводом. Несмотря на то, что изменение усилия пс заданной программе представляет определенные технические трудности, он н^оел применение при точечной и стыковой сварке цветных металлов относительно больших тол-

щин и сечений. Однако используемые на практике программы усилия и средства их реализации не приемлемы в условиях быстропротекавщего процесса микросварки узлов резисторов. Для их разработки должны быть исследованы особенности формирования Т-образных соединений и обоснованы требования к параметрам рационального цикла сварки.

Другим серьезным недостатком существующей технологии является низкая достоверность 1не превышающая 302) используемого выборочного послеоперационного контроля, обусловливающего высокий риск потребителя С 69%). В результате такого контроля, требующего значительных затрат времени, разрушается больное количество КУ. Достаточно перспективными в зтом плане авлявтся методы неразрулавщего активного контроля по обобщавшим параметрам, позволяющие не только определять качество КУ в процессе сварки и проводить их сортировку непосредственно в автомате, но и обеспечивать высокую стабильность качества соединений. Методы активного контроля эффективны только при наличии обобщающих параметров, достаточно четко отражающих ход и результат процесса. Обзор работ различных исследователей (Р.Б.Рудзит, З.В.Бум-биерис, й.П.Исаев , Г.В.Виноградов и др.) свидетельствует о большом разнообразии параметров, используемых для автоматического управления процессом микросварки и оценки качества Т-образных соединений. С учетом доступности получения информации о параметрах процесса в серийном автоматическом оборудовании в настоящее время наибольший интерес для массового производства представляют управление и контроль по различным параметрам усилия, развиваемого в зоне сварки. Однако известные способы и устройства разработаны для определенных условий сварки конкретных деталей из узкого круга материалов. Они не могут быть однозначно рекомендованы для других деталей, отличающихся теп-лофизическими свойствами материалов и размерами, и требуют опроба-ции и совершенствования. Поэтому исследования должны быть направлены на поиск параметров усилия, имеющих наиболее тесную связь с характером протекания процесса и качеством получаемых КУ.

Из проведенного анализа следует, что для существенного повышения эффективности сварочной технологии в массовом производстве резисторов необходим комплексный подход, из которого и вытекают конкретные задачи работы.

Во второй разделе «писана методика и приведены результаты исследования особенностей Формирования Т-образных соединений при сварке с постоянным усилием привода, обоснованы требования к параметрам и средствам реализации рационального цикла. Экспериментальная часть работы проводилась на переоборудованном серийном автомате типа 5303,

позволившем осуществлять сварку по различным циклограммам процесса в ручном и автоматическом режимах с разной производительностью. Он был оснащен специальными контрольно-измерительными средстеами, подключенными через 3-х канальный коммутатор к запоминающему осциллографу С8-7А. Для оценки теплового состояния деталей разработана оригинальная методика, по которой получали количественную информацию о температуре в стыке и качественную картину распределения температурного поля относительно стыка вдоль оси деталей. Температура в стыке определялась с помощью фотопреобразователя ФД-1. воспринимающего инфракрасное излучение с внутренней поверхности колпачка. Средняя по длине вылета температура проволочной детали рассчитывалась на ЗБМ по текучим параметрам деформации осаживаемого объема (по степени, скорости и сопротивлению деформации нагреваемого металла), полученным . при кинетических исследованиях. Они проводились на модельных и обычных образцах путем остановки.нагрева и пластической деформации на различных участках процесса. Текущие размеры соединений КУ после остановок процесса и характер их разрушения определялись на стереоскопическом микроскопе МБС-9. Закономерности формирования контактной поверхности изучались на иодяльних образцах (соединения непокрытых колпачков из томпака и модной проволоки, специально покрытой тонким слоем никеля) по характеру разрушения соединений и на металлографическом микроскопе НИМ-7 по микрошлифаы. При этой тугоплавкое никелевое покрытие проволоки выполняло роль материала-свидетеля. Кинетику развития процесса схватывания металлов в контакте оценивали по изменению прочности соединения обычных деталей - проволоки, покрытой олово-висмутом, и никелированных колпачков.

Металлографические исследования Т-образных соединений, полученных сваркой с постоянным усилием привода, подтвердили принятую ранее гипотезу. На значительном участке, составляющем не менее 55% от всей плоцади, контакт образуется за счет металла боковой поверхности проволоки с ее покрытием. При. этом установлено, что Т-образное соединение формируется по 3-м участкам: центральному, площадью примерно равной сечению проволоки; среднему кольцевому, составляющему до 20% площади контакта; и периферийному. Образование названных участков обусловлено распределением поля деформации в объеме вывода и распределением напряжений в контакте. По распределении касательных напряжений эти участки соответствуют установленный в обработке металлов давлением зонам застоя, торможения и скольжения. Б центральном и среднем участках, где материал покрытия вывода отсутствует, образуется твердфазное сварное соединение. Ьа периферийном

участке, в свази с наличие» материала покрытия проволоки, соединение формируется по механизму контактно-реактивной пайки. На данном участке при злектроконтактном нагреве сере&ро образует эвтектику с медью, являвщувса хоровим припоем для никелевого покрытия. В то же время, получаемый при нагреве олова с медьв реактивный припой по отношению к никелв не обладает необходимыми флюсующими свойствами и не образует паяного соединения с прочными металлическими связями. Это и является причиной низкой прочности соединений. Для получения КУ требуемого качества необходимо создать условия для получения прочного твердофазного соединения по всей плооада контакта. С этой целью были сформулированы требования к параметрам рационального цикла сварки. Цикл сжатия должен: исключить бочкооораэное формоизменение вывода; повысить роль Як как источника тепловыделения; обеспечить скорость осадки вывода не менее 220 мм/с. Программа изменения сварочного тока должна обеспечить: повывение максимальной температуры стыка за счет образования в томпаке литого ядра; нагрев вывода до температуры, близкой к температуре плавления меди; достижение требуемого теплового состояния деталей к моменту начала.осадки вывода на установочной длине; поддержание требуемой температуры в контакте деталей в течение 1.0...1.5 мс.

Для выявления характеристик сварочного оборудования, обеспечивающих реализацию разработанных требований, определялись параметры рациональной геометрии импульса сварочного тока и нарастающего усилия привода механизма сжатия. Параметры импульса тока,' имеющего трапецеидальную форму, определялись расчетно-зкспериментальным методом, разработанным Н.Л.Кагановым. Минимальное время нарастания и амплитудное значение усилия привода определялись расчетно-зксперимен-тальным путем, предложенным В.И.Кашурниковым, при использовании линеаризованного графика сил, развиваемых в зоне соединения на различных этапах процесса сварки с постоянным усилием привода. Расчетные данные в дальнейшем использовались при разработке привода нарастающего усилия механизма сжатия экспериментального автомата.

Третий раздел посвящен разработке средств и эффективных режимов сварки Т-образных соединений по циклу сжатия механизмом с переменным усилием привода. В результате исследований установлено,' что оптимальным конструктивным ремением для автоматов является механизм сжатия с комбинированным приводом, состоящим из пружинного и быстродействующего электромагнитного механизмов. Пружиной создается малое начальное статическое усилие, а электромагнитом - нарастающее в процессе сварки. При определении основных параметров электромагнитного

привода (ЗИП) использована методика, предложенная А.К.ТертАкоповым, по которой его основные динамические характеристики - время трога-ния Ьтр и время движения 1д» - расчитывались по оптимальной индуктивности, Для питания ЗМП в автомате использована отдельная обмотка сварочного трансформатора. При этом регулированием времени Ъд» обеспечивается согласованное действие нарастающего усилия ЗИП относительно момента включения сварочного тока и, при изменении параметров импульса тока, автоматически корректируется амплитуда динамического усилия. Результаты исследования характеристик разработанного ЗМП показали хоропув сходимость экспериментальных данных с расчетными. Различив »среднем не превышает 10...15 X. Изготовленный ЗМП имеет время трогания около 0.6 мс и минмалъное время движения - не более 1 мс. • --•

Вольвое число параметров процесса, влияющих на качество КУ, при широкой номенклатуре типоразмеров соединяемых деталей затрудняет определение оптимальных режимов. С этой целью разрабатывалась математическая модель процесса сварки по рациональной циклограмме (рис.1)

- током трапецеидальной формы при сжатии деталей переменным усилием комбинированного привода. В качестве управляемых переменных, в свя- 0 зи с подобием электрических, тепловых и механических процессов при сварке геометрически подобных соединений, отличающихся только размерами деталей, использовались комплекс-факторы: К1= 1в / <1п: Кч= С1 / <1п3; К*= Г да / (1па ; К»= Ьг / (1пг. Они определяли значения основных технологических параметров - амплитуда 1а и интегрального значения тока О, динамического усиля привода ?ла и времени его приложения

- независимо от диаметра с!п проволочной детали. В результата проведения кногофакторного эксперимента получена адекватная статистическая нелинейная модель, описнвапщая олтимальнуа область процесса сварки узлов различных типоразмеров:

У = 11.32 + 1.04X1 + 5.48X2 + 0.78Хз + 2.64X4 - 1.08X1*2 -- 1.09Х1Хз + 1.53ХгХз + 0.29ХзХл ' К1-3700 ' Кч-13.0 Кг-225 К»-4.7

где Х1 я- , Хг = - , Хз = - , Х4 = —-

: 1.3 25 0.4

- кодированные значения комплекс-факторов: У - расчетное значение критерия качества соединенно рсоо, которым являлась относительная прочность КУ при механических испытаниях на отрыв проволочного вывода под углом 60° относительно нормали к плоскости соединенна (рвОо = 4Рбо<а/ЗИпг). Данный критерий обладает достаточной чувствительности к изменениям условий сварки в вироком

диапазоне и отражает работоспособность КУ в • условиях эксплуатации. Оценка прочности РбОо КУ проводилась на экспериментальном стенде.

На основе графической интерпретации полученной модели построена номограмма параметров эффективных режимов, обеспечивавших формирование сварных соединений с нормативной прочностью (рис.2). Установлено, что средняя прочность КУ с выводами, покрытыми олово-висыу-том, полученных сваркой по рациональной циклограмме на режимах, выбранных по номограмме, на ЗОХ выше, чем при сварке с постоянным усилием привода.

В четвертом разделе исследована взаимосвязь параметров процесса сварки по рациональной циклограмме с особенностями Формирования и качеством Т-образных соединений. Разработана методика автоматического управления качеством сварки. Для выявления закономерностей процесса сварки и формирования соединения проведены кинетические исследования предлагаемого цикла сварки. Установлено, что при цикле сжатия с переменным усилием привода в результате повышенного тепловыделения на переходных сопротивлениях Rk и Яэд I электрод-деталь) максимум температурного поля смещен в колпачок, в котором образуется литое ядро, что обуслбвливает повышение максимальной температуры стыка почти на 100°С. При таком характере нагрева, во-первих, исключается бочкообразное формоизменение'вывода при осадке и, соответственно, предотвращается попадание его покрытия в контакт. Во-вторых, повышается в 2 раза время пребывания металла в стыке при сварочной температуре. Это позволило без снижения качества сварных соединений осуществить замену дефицитного серебра.

При сварке с переменным усилием привода твердофазное соединение с прочными металлическими связями поверхностных атомов образуется на всех трех участках контакта. На периферийном участке этому способствует интенсивное радиальное течение металла приконтактных слоев меди при осадке вывода с высокой скоростью, достигающей 330 кн/с. Такой цикл сжатия обеспечивает формирование КУ с плавный переходом металла в зоне стыка, предопределяющим повышенную усталостную прочность сварного узла. При этом на образование соединения затрачивается почти в 2 раза меньше энергии сварочного тока.

На основе анализа результатов кинетических исследований установлено, что независимо от применяемого цикла сжатия, процесс сварки Т-образных соединений протекает в три этапа, которые в достаточной мере отражаются тремя характерным участкам мгновенных значений усилия в зоне сварки Fob (рис.1). При этом на П-м этапе кривая усилия характеризует теплофизическое состояние металла в зоне сварки, а

Рис.1. Рациональная циклограмма контактной стыковой микросварки сопротивлением Т-образных соединений

Ц Ас 12 8

/

г- 4

А

Ж

р Г1

7 0.8 0 9 <1п мм 1.0 2.0 3.0 4.0

50 90 130

170 210.

Л Е

V я

-к 2

Ро- • = 50 \а*

1

Рис.2. Номограмма параметров эффективных реаимов сварки НУ резисторов различных типоразмеров . ,

на BI-м - пропорционально увеличении усилия растет прочность соединения. Установленная взаимосвязь между различными этапами процесса формирования соединения и характером изменения усилия Fon позволила выявить наиболее информативные параметры данной кривой для использования их в качестве обобщающих.

Для автоматического управления процессом сварки разработан метод, использующий в качестве параметра обратной связи' среднюю скорость снижения усилия Fos в зоне соединения' при нагреве металла до сварочной температуры. По этому параметру осуществляется автоматическое отключение тока в каждом цикле сварки i рис.3 J. Параметры эталонного наклонного уровня Uf,. отражающего среднюю скорость снижения усилия, определяются двумя значениями: первым - соответствующим начальному значению усилия привода Fot; вторым - равным времени снижения эталонного сигнала до нуля. В каждом цикле сварки, в случае отклонения статического усилия, начальное значение эталонного сигнала Uf автоматически корректируется в соответствии с реальным значением начального усилия привода. Автоматическая корректировка практически исключает возможность выплеска при сварке с малым начальным усилием. Исследованиями установлено, что в процессе сварки по предлагаемой циклограмме с автоматическим регулированием времени протекания импульса тока не менее чем в 2 раза распираются диапазоны возможного изменения амплитуды тока 1ю, начального усилия привода Fot и установочной длины вылета 1?от.

Для неразрушающего контроля качества сварки обобщающим параметром является величина максимального усилия Fonn, развиваемого в контакте на заключительной стадии осадки вывода (рис.4). Выбранная характеристика на кривой усилия Foe корреляционно связана с критериями качества Т-образных соединений - прочностью и размерами соединения. Для сварки КУ определен интервал допустимых значений максимального усилия Fcai. Нижнее пороговое значение этого интервала позволяет альтернативно осуществлять сортировку соединений в зависимости от их прочности Рвоо. Верхняя граница интервала служит для сортировки сварных узлов по допустимому размеру соединения dy. Матричным методом сравнительной оценки достоверности установлено, что предлагаемый метод контроля качества НУ обеспечивает достоверность не' ни- • же 962, а риск потребителя не превышает 7'А.

Пятый раздел посвящен разработке средств для автоматического управления качеством сварки и производственной проверке результатов работы. Для реализации автоматического управления процессом сварки и контроля качества соединений разработан прибор (А.с. 1181821,

Рис.3. Принцип автоматического управления процессом сварки по средней скорости снижения усилия Fea

i.F.

U кон

Пярвгрэв С ti» > 2.5dn)

11 111 UüoisBn ''1 " 1 " " 1 " 111 " 1'' " 1 " 11' " 111 "

честпгчтоо соединение

и„о.«НП ..............

О t

Рис.4. Принцип автоматического контроля качоства сварки по Fo=a: иион - пороговое напрязенив источника опорного сигнала (ВП - верхнее; НП - нигнев) .

1743765), который кроме главных функций обеспечивает возможность измерения основных параметров режима сварки." амплитудного Im и интегрального Q значений тока, статического For и динамического Рдт усилия привода, а также величины максимального усилия Feen, развиваемого в зоне сварки. Разработанная электродная головка с пъезоэлектри-ческим преобразователем силы (A.c. 1058739), позволяет получать достоверную количественную оценку параметров усилия сжатия свариваемых деталей при работе автомата в высоком темпе.

Новая технология сварки и средства ее реализации проили опыт-но-промывленную проверку на Богородицком заводе "Ресурс". Б результате замены серебра, повышения стабильности качества КУ и производительности сварочной операции, увеличения стойкости электродной оснастки достигается экономический эффект более 4 тыс.руб. 1в ценах 1УУ1 г.) на один модернизированный автомат.

ОБЦИЕ ВЫВОДЫ ■

1. Разработана методика исследования влияния различных циклов сжатия на характер термодеформационных процессов, учитывавшая асимметрию нагреваемых и деформируемых ооъемов относительно стыка при контактной микросварке сопротивлением Т-образных соединений. Изучены особенности формирования сварных соединений покрытой медной проволоки с никелированным томпаком.

2. Установлено, что независимо от материалов покрытия проволоки соединение образуется по трем участкам: центральному, площадью примерно равной сечении проволоки, и двум кольцевым - среднему, составляющему до 20'/. от всей площади контакта, и периферийному, занимающему остальную площадь. Образование этих участков обусловлено характером поля деформаций в осаживаемом объеме проволоки и распределением контактных напряжений в стыке. В центральном и среднем участках, где материал покрытия проволоки независимо от условий сварки отсутствует, образуются прочные металлические связи твердофазного сварного соединения. Механизм формирования и прочность связей на периферийном участке зависят от характера пластической деформации проволочной детали при ее осадке.

3. Показано, что при сварке по существующей технологии бочкообразное формоизменение проволки на установочной длине обусловлено нерациональным циклом сжатия постоянным усилием привода, предопределяющим недостаточную роль контактного сопротивления Rk в нагреве и неблагоприятное распределение температурного поля относительно стыка, который нагревается почти на 100°С ниже средней температуры металла осаживаемого объема. Осадка сопровождается переходом боковой

поверхности проволоки с покрытием на периферийный участок контакта, на котором прочность металлических связей, образующихся по механизму контактно-реактивной пайки, зависит от сочетания материалов покрытия деталей.

4. Установлено, что при сварке по предлагаемому ци^лу ссатия с переменным усилием призода повышенное тепловыделение на переходных сопротивлениях Иь и [Ьд обеспечивает более благоприятное для формирования Т-образного соединения распределение температурного поля вдоль оси деталей, максимум которого находится в тонкостенной детали вблизи от стыка. При таком характере нагрева осадка проволочной детали, осуществляемая с высокой скоростьв (.достигающей 330 ын/с;, сопровождается интенсивным радиальным течением более нагретого металла приконтактных слоев осаживаемого объема, способствующим формированию сварного узла с плавным, конусообразным переходом металла в зоне стыка, что, соответственно, исключает попадание покрытия проволоки в контакт соединения. В этом случае и на периферийном участке образуется твердофазное сварное соединение, прочность которого не зависит от материала покрытия проволочной детали.

5. Рациональной конструкцией, реализующей предлагаемый цикл сжатия, является механизм с комбинированным приводом, состоящим из пружинного и быстродействующего электромагнитного устройств. Пружиной создается малое начальное усилие, электромагнитом - нарастающее усилие, обеспечивающее поддеряакиэ высокой температуры в контакте и осуществляющее совместно с усилием пружины осадку проволочной детали с достаточной скоростьв при температуре близкой к сварочной.

Основные параметры электромагнитного привода определены рассче-том динамических характеристик, соответствующих его оптимальной индуктивности. Изготовленный по расчетным данным ЭМП имеет минимальное время трогания около 0.6 мс, а время движения - 1.0...2.0 мс. Для строгого согласования моментов включения сварочного тока и приложения нарастающего усилия, ЗИП подключается к отдельной обмотке сварочного трансформатора.

6. Разработана многофакторная математическая модель, описывающая оптимальную область процесса сварки по предлагаемой циклограмме. В качестве управляемых переменных использованы комплекс-факторы, определяющие независимо от размеров свариваемых деталей основные технологические параметры режима. На основе модели построена номограмма для выбора режимов сварки, обеспечивающих получение сварных соединений различных типоразмеров с нормативной прочностью.

7. Установлено, что процесс сварки Т-образных соединений, неза-

висимо от применяемого цикла сжатия, протекает в 3-й этапа, взаимосвязанных с тремя характерными участками мгновенных значений усилия Fco. развиваемого б зоне сварки. Установленная взаимосвязь позволила выявить.наиболее информативные параметры усилия Fob и использовать их в качестве обобщающих при разработке комбинированного метода автоматического управления качеством сварки.

8. Установлено, что управление временем протекания импульса сварочного тока по средней скорости снижения усилия Fob при нагреве зоны соединения до сварочной токпоратуры отрабатывает возмущения технологических параметров относительно оптимальных значений в следующих интервалах: по амплитуде тока - ±17'/.; по начальному усилии привода - ±602: по установочной длине вывода - ±352.

Предлогена методика определения параметров эталонного наклонно-' го уровня Uf. отражающего среднюю скорость снижения усилия Fcd.

У. Установлено, что критерии качества Т-образных соединений -прочность Рбоо и диаметр упирения металла da, высаженного при осадке - имеют наиболее тесную корреляционную связь ir*,y не ниже 0.92) с величиной максимального усилия Fcbq, развиваемого на заключительной стадии осадки-проволочной детали. Использование данного параметра для оценки качества сварных узлов резисторов обеспечивает достоверность контроля 962 .

Граничные значения допустимого интервала Fcseq позволяют осуществлять сортировку сварных соединений по альтернативному принципу: нижнее значение интервала - в зависимости от их прочности РбОо; верхнее - по допустимому размеру da.

10. Разработаны прибор и специальная электродная головка с пьезоэлектрическим преобразователем силы, позволяющие осуществлять автоматическое управление процессом и контроль соединений по параметрам усилия Fob в каждом цикле сварки при работе автомата с темпом до 180 св./мин. Прибор при настройке автомата позволяет измерять основные параметры режима сварки: тока - I» и Q, усилия - Fot и F*n.

11, Разработанные на основа проведенных исследований оборудование, технология и режимы сварки прошли опытно-промывлвнную проверку в кассовом производстве резисторов. Они позволяют: без снижения качества сварных узлов осуществить замену серебряного покрытия проволоки более дешевыми материалами, за счет повышения стабильности качества сократить долю брака до 12, повысить производительность сварочной операции на 24...322 и увеличить стойкость дорогостоящих вольфрамовых электродов в 3...5 раз.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Строев В.И., Иванов Н.И., Дшдин В.Н. Оценка качества сварки контактной арматуры резисторов в массовом производстве // Сварочное производство. 1981. Ш. С. 15-17.

2. Строев В.И.. Дедин В.Н., Иванов Н.И. Повышение производительности автоматов контактной сварки узлов резисторов // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1981, Ж. С. 112-115.

3. Дедин В.Н., Строев В.И., Иванов Н.И. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением гальванопокри-тых цветных металлов // II Всесоюзная конференция по сварке, .цветных металлов. Тезисы докладов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, ¡982. С. 139.

4. Строев В,И., Иванов Н.И., Самсонов И.А. Управление процессом контактной сварки малогабаритных деталей с открытой зоной образования соединения // Электротехн. пром-сть. Сер. Электросварка. 1983. Вып. 6 (81). С. 17-18.

5. Строев В.И., Иванов Н.И. Стабилизация нагрева при контактной импульсной сварке узлов радиодеталей // Сварочное производство. 1983, Jltö. С. 22-23,

6. Строев В.И., Дюдин В.Н., Иванов Н.И. Контроль цикла сжатия при контактной автоматической сварке узлов радиодеталей // Сварочное производство. 1985. ЛЗ. С. 26-27..,..

7. Иванов Н.И., Строев В.И,, Куликов Й.Н. Прибор для измерения тока при автоматической контактной сварке узлов радиодеталей // Сварочное производство. 1985. Х5. С. 30-31.

8. Иванов Н.И., Строев В.И.. Каганов Н.Л. Рациональная циклограмма процесса контактной автоматической сварки узлов резисторов // Сварочное производство. 1985. №. С. 17-19.

9. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением цветных металлов и сплавов / Актуальные проблемы сварки цветных металлов: Докл II Всесовзн. конф. - Киев: Наук, думка, 1985. С. 391-394.

10. Иванов Н.И., Строев В.И,, Двдин В.Н. Приближенная оценка теплового состояния деталей при стыковой сварке сопротивлением контактных узлов // Сварочное производство. 1986. Ю. С. 33-34.

11. Строев В.И., Иванов Н.И. Активный контроль процесса сварки сопротивлением узлов радиоэлектронных приборов // Тез. докл. Все-сопз. научно-техн. конференции. Проблемы совершенствования контактной сварки. Псков, 1987. С.г 81-82.

12. Оптимизация реяимов контактной сварки Т-образных, соедине-

ний узлов радиодеталей в массовом производстве / Иванов Н.И., Строев В.И.; Ред.ж. Автоматическая сварка. - Киев, 198Э. 14 с. - Деп. в ВИНИТИ 27.04.85, .'ЙБ23-В89,

13. Иванов Н.И., Строев В.И. Эффективные режимы сварки сопротивлением контактных узлов радиодеталей в массовом производстве // Сварочное производство. 1990. Ю, С. 3-5.

14. Рыжков Q.H., Иванов Н.И. Автоматическое управление качеством контактной сварки Т-образных соединений в массовом производстве резисторов / Натериалы и упрочнявщие технологии - 94. Тез. и матер, докл. Российской н.-техн.конф., г.Курск, ноябрь 1994. -Курск, 1994. С. 65-69.

15. A.c. Л063244, СССР, кл. В 23К 11/24. Устройство для стабилизации нагрева при контактной точечной сварке / В.Ф.Шанцев, В.И.Строев, п.И.Иванов. Заявлено 22.02.80; Опубл. 15.09.81. Бел. JU8.

16. н.с. Ла65669, СССР, кл. В 23К 11/24. Способ управления процессом контактной сварки и устройство для его осуществления / Ь.К.Строев, Н.П.Иванов и др. Заявлено 03.02.81; Опубл'. 15.10.82. Сил. Л36.

17. A.c. ЛЮ58739 , СССР, кл. В 23К 11/24. Устройство для контактной никросварки / В.И.Строев, В.Н.Двдин, Н.И.Иванов и др. Заявлено 16.07.В2; Опубл. 07.12,83. Бвл. Л45.

18> A.c. 085722. СССР, кл. В 23К 11/24. Устройство для управления процессом контактной сварки / В.И.Строев, А.Н.Куликов, Н.И.Иванов и др. Заявлено 13.07.82; Опубл. 15.04.84. Бвл. Л14.

19. A.c. Ä1181821, СССР, кл. В 23К 11/10, Способ контроля качества соединений в процессе контактной сварки / В.И.Строев, Н.И.Иванов. Заявлено 20.01.84; Опубл. 30,09.85. Бвл. А36.

20. A.c. Л1743765, СССР, кл. В 23К 11/24, Способ управления процессом контактной сварки и устройство для его осуществления / В.И.Строев, Н.И.Иванов и др. Заявлено 31.01.90; Опубл. 30.06.92. Бвл. Д24.

Подписано к печати __________Формат 60x84 1/16.

Печатных листов _______ Тираж 100 экз. Заказ______________

Курский государственный технический университет. 305040, Курск, ул. 50 лет Октября, 94 .