4 Нагрев металла сварочным током

При контактной сварке детали нагревают электрическим током, пропускаемым через место сварки.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца на участке электрической цепи между электродами с активным сопротивлением R_э.э выделяется теплота Q_э.э , благодаря чему металл нагревается в зоне сварки до необходимой температуры.

Условия выделения теплоты при сварке непрерывно изменяются, так как изменяются R_э.э и I_СВ поэтому закон Джоуля-Ленца для данного случая выражается в дифференциальной форме:

Сопротивление R_э.э невелико и измеряется в микроомах. Для точечной и шовной сварки R_э.э складывается (рис. 8, а) из контактных сопротивлений деталь - деталь R_д.д и электрод – деталь R_э.д и собственного сопротивления металла деталей R_д:

Рис. 8. Общее сопротивление зоны сварки:

а – точечной; б – стыковой; в – эквивалентная схема замещения зоны сварки

При стыковой сварке (рис. 8, б) в общем сопротивлении не учитывают сопротивление R_э.д вследствие малого его значения и значительного удаления от места контакта.

Нагрев при контактной сварке имеет следующие особенности: относительно небольшое активное сопротивление; наличие контактного сопротивления; интенсивный отвод теплоты во время нагрева через электроды и окружающий металл; значительное изменение сечения, по которому протекает ток.

На условия нагрева также влияет изменение удельного сопротивления металла вследствие повышения температуры, образования или распада твердых растворов, пластической деформации, поверхностного эффекта и др.

При контактной сварке на общий нагрев оказывает влияние эффект Пельтье. Сущность эффекта заключается в следующем: в металлах средняя энергия электронов различна и изменение ее при нагреве также неодинаково. Эта энергия различна в металлах в твердом и расплавленном состояниях. Если через контакт металлов, разнородных или находящихся в твердом или расплавленном состоянии, пропустить электрический ток, то в зависимости от средней энергии электронов будет наблюдаться поглощение или выделение теплоты в месте контакта.

При симметричном переменном токе эффект проявляться не будет, так как общее количество теплоты, выделяющейся в контакте,

где Q_э.э и Q_П - теплота, выделяющаяся в соответствии с законами Джоуля - Ленца и Пельтье.

Теплота Пельтье пропорциональна I_св и t_св. Доля этой теплоты в общем балансе энергии обычно не превышает 5 - 10 %.

При униполярных импульсах сварочного тока теплота Пельтье искажает симметрию литого ядра, что влияет на глубину провара и остаточную деформацию.

5 Электрическое сопротивление контакта

Если через металлические проводники пропустить ток и замерить падение напряжения на двух участках равной длины (рис. 9), то всегда вследствие контактного сопротивления в месте стыка.

Рис. 9. Схема электрического контакта

1 – линии тока; 2 – отдельные точки касания

В месте контакта из-за касания проводников по отдельным микровыступам резко уменьшается сечение, что приводит к искривлению и локальному сгущению линий электрического тока («ситовой» характер проводимости). Шероховатость, оксиды и различные загрязнения затрудняют образование металлического контакта через микровыступы.

При измерении сопротивления двух холодных пластин из низкоуглеродистой стали толщиной (3 + 3) мм и усилии сжатия 2000 Н по схеме амперметр - вольтметр значение R_э.э изменяется от 100 (шлифованная поверхность) до 80 000 мкОм (ржавчина и окалина на поверхности), при этом R_д < R_д.д + 2К_э.д.

Увеличение усилия сжатия F_св приводит к пластическим дефор­мациям, разрушению оксидных пленок и снижению R_э.э , (рис. 10). При снятии усилия контактное сопротивление оказывается ниже первоначального, что свидетельствует о своеобразном гистерезисе контактного сопротивления. Оксидные пленки и загрязнения способствуют увеличению сопротивления R_э.э. На стальных образцах . При сварке происходит изменение контактной поверхности электрода (окисление, загрязнение, изменение химического состава и др.) и контактное сопротивление существенно увеличивается.

Рис. 10. Гистерезис сопротивление R_э.э при изменении усилия сжатия F_св

При нагреве места сварки развиваются процессы пластической деформации микровыступов, оксидные пленки разрушаются и контактные сопротивления быстро (несколько миллисекунд) снижаются практически до нуля. При сварке сталей это происходит уже при температуре около 600 °С, а при сварке алюминиевых сплавов - около 350 °С.

Контактное сопротивление R_д.д при стыковой сварке сопротивлением аналогично контактному сопротивлению при точечной и шовной сварке.

В общем балансе теплота, выделяемая в контакте, не превышает 15 %. Однако после быстрого исчезновения контактного сопротивления в этом месте остается зона нагретого металла, которая продолжает усиленно генерировать теплоту. Влияние контактного сопротивления на нагрев в зоне сварки возрастает с увеличением жесткости режима, так как время существования контактного сопротивления относительно общего времени прохождения сварочного тока существенно увеличивается.

При стыковой сварке оплавлением контактное сопротивление R_опл имеет другую природу. Между торцами свариваемых деталей образуются контактные перемычки расплавленного металла, которые и создают сопротивление. Их размеры растут с увеличением сечения свариваемых деталей и скорости оплавления. Контактное сопротивление (мкОм) рассчитывают по эмпирической формуле

где k₁ - коэффициент, учитывающий свойства стали, для углеродистых и низколегированных сталей k₁ = 1, для аустенитных сталей k₁ = 1,1; S - сечение свариваемых деталей, см²; v_опл - скорость оплавления, см/с; j - плотность тока, рассчитанная на все сечения, А/мм².

Это контактное сопротивление по значению больше, чем при других способах, оно составляет 100-2500 мкОм и существует почти в течение всего процесса сварки.