Электротермические процессы при контактной сварке

1. закон Джоуля-Ленца и удельное сопротивление.

Общее кол-во тепла Q=0,24*R*I²*t

R – активное сопротивление цепи, Ом

I – сила тока, А

t – длительность процесса, с

Для стыковой сварки формула имеет вид Q=0,24*(R_к+2*R_д)*I²*t

R_к ­­­– контактное сопротивление между деталями, Ом

R_д – собственное сопротивление свариваемых деталей, Ом

Для точечной сварки Q=0,24*(2*R_д+R_к+2*R_э)*I²*t

R_э – сопротивление электродов, Ом

В процессе сварки сопротивление и ток не остаются постоянными, т.к. меняются условия контакта.

Омическое сопротивление проводника постоянного сечения (*)

ρ – удельное сопротивление, Ом*см

l – длина проводника, см

F – площадь поперечного сечения, см²

Удельное сопротивление – важнейшая характеристика. С его увеличением уменьшается необходимая для сварки сила тока. Металлы и сплавы с высоким удельным сопротивлением (Нихром, Аустенитная сталь, быстрорежущая сталь) могут свариваться на машинах невысокой мощности.

Удельное сопротивление зависит от химсостава материала и его температуры

ρ= ρ₀*(1+α*Т)

ρ₀ – удельное сопротивление при 0ºС

α – температурный коэффициент

Т - температура ºС

При комнатной температуре удельное сопротивление стали изменяется в широких пределах при изменении её химсостава. После 850-900 ºС разница практически исчезает, т.к. стали имеют общую структуру – аустенит.

2. Электрическое сопротивление контакта

Поверхности свариваемых деталей имеют неровности. Т.о., прижатые детали касаются друг друга в некотором числе отдельных точек. Площадь контакта и кол-во точек зависят от приложенного усилия, сопротивления материалов смятию, состояния поверхности. Если через сжатые детали пропустить ток, то будем наблюдать падение напряжения, указывающий на наличие довольно значительного контактного сопротивления. Чем мягче и ровнее материал – тем плотнее контакт и тем меньше контактное сопротивление.

Контактное сопротивление вызывается двумя причинами: уменьшение сечения проводника вблизи контакта и наличием на поверхности деталей пленок (окислов, грязи т.д.) с пониженной электропроводностью. С увеличением действующего в контакте усилия растет площадь истинного контакта и уменьшается контактное сопротивление.

Зависимость контактного сопротивления от усилия в контакте (эксперимент)

(**)

R – контактное сопротивление, Ом

P – усилие в контакте, кг

r_к – единичное контактное сопротивление при P=1 кг

α – показатель степени, для алюминия (0,75 – 0,85), для сталей (0,65..0,75)

Единичное сопротивление зависит от марки металла и от состояния поверхности. Как правило, уменьшается для мягких металлов и материалов с высокой электропроводностью. Контактное сопротивление не зависит от общей площади контактирующих деталей (эксперимент). Единичное сопротивление зависит от вида металла, и состояния поверхности: хорошо очищенная сталь – 0,005-0,006 Ом; алюминиевые сплавы – 0,001-0,002 Ом.

Пример расчета контактного сопротивления:

Две холодные опескоструенные пластины из малоуглеродистой стали сжаты силой 400кг.

Принимаем α=0,75; r_к=0,006

мкОм

Графики зависимости сопротивления холодного контакта от величины сжимающего усилия

.

Контактное сопротивление между электродом (медь) и стальной деталью приблизительно в 2 раза меньше контактного сопротивления контактного сопротивления между двумя стальными деталями. Сопротивление контакта сильно изменяется при его нагреве. Это связано с увеличением удельного сопротивления и с увеличением площади контакта. Последнее оказывает решающее влияние на величину контактного сопротивления. При повышении температуры контактное сопротивление как правило быстро понижается. Для стальных деталей при температуре 600, для алюминиевых сплавов при 350 контактное сопротивление практически равно нулю.

3. Электрическое сопротивление при стыковой сварке

Контактное сопротивление зависит от метода сварки. При сварке по методу сопротивления детали сжимаются со значительным усилием, и сопротивление контакта может быть найдено по формуле (**). При нагреве деталей свыше 800 этим сопротивлением можно пренебречь.

При стыковой сварке оплавлением электрический контакт осуществляется перемычками расплавленного металла, контактное сопротивление лежит в пределах 100-400 мкОм. Оно уменьшается с увеличением кол-ва перемычек и их размеров. Размеры увеличиваются с увеличением скорости оплавления(скорости сближения деталей) и увеличением сечения деталей.

Эмпирическая формула

F – площадь поперечного сечения свариваемых деталей, кв. см;

v – скорость оплавления, см/сек;

j – плотность тока, А/мм²;

k₁- к-т, учитывающий свойства стали (легированные и конструкционные 1, аустенитные 1,1)

Сопротивление выступающих из зажимов концов деталей определяется по формуле (*)

Поверхностный эффект – электрический ток оттесняется к наружной поверхности проводника магнитным полем, которое он сам и создает.

Следствие пов.эффекта – увеличение активного и индуктивного сопротивления. Заметное влияние на сопротивление холодных деталей из магнитного материала возможно при их диаметре более 20-25 мм. Например, при 40мм – сопротивление растет на 50%, при 60 мм – на 150 % по сравнению с омическим сопротивлением тех же деталей.

При нагреве железа выше точки Кюри (768) магнитные свойства пропадают и поверхностный эффект – тоже.

Пример расчета сопротивления при стыковой сварке

Выводы: при стыковой сварке оплавлением общее сопротивление выше, чем при сварке сопротивлением; при сварке сопротивлением собственное сопротивление относительно велико, при сварке оплавлением – относительно мало.

4. Теплофизические свойства металлов и сплавов

Теплопроводность (λ) и теплоемкость (с) оказывают существенное влияние на нагрев и распространение тепла при сварке.

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость распространения температуры в неравномерно нагретом теле.

, где γ – удельный вес (г/см³)

Теплофизические свойства металлов и сплавов сильно изменяются с изменением температуры. Пик на кривой теплоемкости малоуглеродистой стали с вязан с поглощением тепла при потере сталью магнитных свойств. Немагнитная стать не имеет этого пика. Теплопроводность меди, алюминия и других чистых металлов растет с повышением температуры.

5. Особенности нагрева при контактной сварке.

Тепло расходуется на полезный нагрев деталей и частично уходит в потери.

Уравнение баланса тепла Q=Q_пол + Q_пот

Полезное тепло определяется объемом и температурой металла в зоне сварки, а также – теплоемкостью, но не зависит от длительности нагрева.

, где

V – объем тела, см³

Т – температура, ºС

γ – удельный вес, г/см³

с – теплоемкость

С увеличением времени нагрева растут потери тепла. Соответственно, растет и общее кол-во тепла, необходимое для сварки (рис а).

Повышение температуропроводности также ведет к резкому увеличению потерь тепла.

Мощность, расходуемая в зоне сварки (количество тепла, выделяемое в единицу времени)

С увеличением длительности нагрева необходимая для сварки мощность сначала быстро, а затем медленно уменьшается (рис б).

Закон нарастания температуры в зоне сварки зависит от потребляемой мощности (рис. в). При большой мощности температура растет почти по линейному закону, быстро достигая значения Т_св. С уменьшением мощности скорость нарастания температуры снижается. При некоторой предельной мощности q_пр требуемая температура может быть достигнута лишь за очень большой промежуток времени. При меньших значениях мощности сварка вообще не возможна.

Мощность, необходимая для контактной сварки, не является постоянной величиной: она уменьшается с увеличением времени нагрева, но не может быть меньше предельного значения.

С помощью тепловых расчетов в теории контактной сварки решаются три основные задачи:

1) при заданной длительности процесса (число сварок в час или в смену) определить общее кол-во тепла и мощность, необходимые для осуществления процесса (т.е. определить мощность необходимого оборудования)

2) при заданной мощности определить минимальную длительность сварки (т.е. производительность процесса)

3) найти закон изменения температуры в процессе сварки

Точное решение задач при контактной сварке представляет значительные трудности:

а) в процессе сварки изменяются величины и распределение источников тепла (интенсивность выделения тепла пропорциональна сопротивлению, сопротивление меняется в широких преелах)

б) непостоянство теплофизических свойств металлов и сплавов (см. график теплопроводности и теплоемкости малоуглеродистой стали от температуры)

в) сложные условия теплоотвода

Поэтому допускаются упрощающие допущения, с помощью которых получают приближенное решение задач. В дальнейшем решение может корректироваться после проведения оытов и экспериментов.

6. Нагрев при стыковой сварке

Тепло выделяется в контакте между деталями и в самих деталях.

При сварке сопротивлением кол-во тепла, выделяемого в контакте, относительно невелико и по мере разогрева быстро уменьшается (т.к. уменьшается контактное сопротивление). При сварке оплавлением кол-во тепла в контакте относительно велико и практически не меняется в процессе нагрева, т.к. не сопротивление расплавленных перемычек практически одинаково на протяжении всего процесса.

Температура в стыке может быть найдена как результат тепла выделяемого деталями и в контакте между ними. Для 1 см детали выделится следующее кол-во тепла:

- тепло, затраченное на нагрев 1 см детали.

ρ_t – среднее удельное сопротивление

F – площадь сечения

Это тепло будет затрачено на нагрев деталей и на потери в губки и на лучеиспускание. Для учета этих потерь вводится коэффициент k₂.

Т.о., для нагрева 1 см детали до температуры T₁ понадобится

При сварке малоуглеродистых и конструкционных сталей k₂=0,75

При сварке аустенитных сталей k₂=0,90

Формула для определения T₁

Тепло, выделяемое в стыке, нагревает металл торцов до температуры

q_ср – среднее кол-во тепла, выделяемое в секунду в контакте между деталями

R_к – контактное сопротивление в начале сварки

m₁ – коэффициент, учитывающий изменение контактного сопротивления в процессе нагрева стыка (примерно 0,4)

Общая температура в стыке при сварке сопротивлением T=T₁ + T₂

Приведенные уравнения можно использовать для вычисления тока, необходимого для сварки (нагрева до температуры сварки)

Это же уравнение можно решит относительно t для определения длительности сварочного нагрева.

При сварке сопротивлением средние значения удельного сопротивления ρ_t : 48мкОм см (малоуглеродистая и низколегированная сталь), 96 мкОм см (аустенитная сталь)

На практике при заданной плотности тока нагрев идет тем интенсивнее, чем ниже теплопроводность (λ), чем больше диаметр (уменьшаются потери при лучеиспускании), чем больше установочная длина (уменьшаются потери тепла в электроды).

Для приближенных расчетов при сварке сопротивлением круглых стержней могут быть использованы формулы, связывающие плотность тока j (а/см²) с длительностью нагрева t/

Коэффициент K зависит от свойств материала, сечения и установочной длины.

Анализ данных таблицы

Примеры теплового расчета при стыковой сварке сопротивлением