7 Тепловой баланс при контактной сварке

Общая характеристика нагрева при контактной сварке выражается формулой теплового баланса

Q_э.э = Q_пол + Q_пот

где Q_э.э - общее количество теплоты, выделенной в зоне нагрева; Q_пол - полезная теплота, расходуемая на нагрев металла в зоне сварки; Q_пот - потери теплоты в окружающий металл, электроды и атмосферу.

В определенных пределах Q_пол не зависит от продолжительности нагрева и определяется объемом нагретого металла V до температуры Т °С при удельной теплоемкости с и плотности :

Q_пол = V^.c^.^.T .

Потери теплоты увеличиваются с увеличением продолжитель­ности нагрева, поэтому растет и общее количество теплоты Q_э.э , (рис. 13). При этом неизбежно расширяется зона нагрева при высоком коэффициенте температуропроводности свариваемого материала.

Рис. 13. Типовая зависимость необходимой для сварки теплоты

от длительности нагрева

Среднее количество теплоты, выделяемой в единицу времени t_св при нагреве,

q = Q_э.э ^. t_св .

Последнее выражение не учитывает неизбежные потери в сварочной машине на нагрев сварочного трансформатора и токоведущих элементов.

С увеличением t_св необходимая мощность уменьшается (рис. 14). Скорость нагрева зоны сварки до заданной температуры зависит от установленной мощности (рис. 15). При большой мощности q₁ температура Т_св, необходимая для сварки, достигается за время t_min. С уменьшением мощности длительность нагрева увеличивается. При использовании недостаточной мощности q₃ нагреть место сварки до необходимой температуры невозможно. В этом случае выделяется недостаточное количество теплоты и вся она рассеивается в виде потерь.

Следовательно, мощность, необходимая для контактной сварки, не является постоянной величиной; она снижается с увеличением продолжительности нагрева, но всегда должна быть больше q_min.

Рис. 14. Типовая потребляемой при сварке мощности

от длительности нагрева

Рис. 15. Типовая зависимость температуры в зоне сварки

от длительности нагрева

Теплота, выделяющаяся на участке между электродами, является основным показателем, ее используют для приближенного расчета силы сварочного тока. Считают, что вся теплота Q_э.э расходуется на нагрев металла в зоне сварки (Q₁), потери вследствие теплопроводности в окружающий металл (Q₂) и электроды (Q₃) т.е.

Q_э.э = Q₁ + Q₂ +Q₃ .

Для точечной сварки зону нагрева теплотой Q₁ до температуры плавления металла Т_пл считают столбик металла высотой 2 и диаметром основания d_э (рис. 16). Теплота Q₂ , расходуемая на нагрев прилегающей зоны металла, представляется в виде кольца шириной Х₂, окружающего литое ядро, близкое по диаметру к d_э. Среднюю температуру кольца принимают равной четверти Т_пл. Теплота Q₃, нагревающая электроды, условно прогревает их на величину Х₃. до средней температуры Т₃, которую принимают равной (1/8)^.Т_пл. Для приближенного расчета Q₁ используют формулу

где с и  — средняя теплоемкость и плотность металла изделия.

Рис. 16. Схема расчета силы сварочного тока при точечной сварке

В этом расчете допускают, что весь объем металла, а не литое ядро, нагрет до Т_пл. В более точных расчетах выделяют отдельно зоны металла, нагретые ниже Т_пл.

При расчете Q₂ принимают, что теплота во время сварки успевает распространиться на расстояние Х₂. Значение Х₂ определяется временем сварки t_св и температуропроводностью а металла гдеа — это отношение теплопроводности  к средней теплоемкости с и плотности  [а = /(с) ]. Если площадь кольца ^.Х₂^.(d_э + Х₂), его высота 2^. и средняя температура нагрева Т_пл/4, то

где к₁ = 0,8 учитывает неравномерность распределения температуры по ширине кольца.

Потери теплоты в электродах Q₃ рассчитывают по формуле

где к₂ - коэффициент, учитывающий форму электродов; при цилиндрическом электроде к = 1, при коническом к = 1,5, а в случае использования электродов со сферической рабочей частью к = 2; с_э и _э — средняя теплоемкость и плотность металла электрода; , гдеа_э.м - температуропроводность материала электродов.

Силу сварочного тока (действующее значение) рассчитывают по формуле закона Джоуля-Ленца:

где к_ис - коэффициент, учитывающий изменение сопротивления во время сварки; для низкоуглеродистых и низколегированных сталей к_ис = 1 - 1,1; для алюминиевых сплавов к_ис = 1,2 - 1,4; для коррозионно-стойких, жаропрочных сталей и титана к_ис = 1,1 - 1,2; t_св - время сварки, которое выбирают по эмпирическим формулам или таблицам рекомендованных режимов.