Основы теории и технологии контактной точечной сварки (стр. 6 из 44)

Режимы точечной сварки конкретного соединения (марка металла и сочетание толщин деталей) определяются совокупностью параметров, из которых основными являются: сила I_СВ импульса сварочного тока; длительность t_СВ импульса сварочного тока (время сварки); усилие сжатия электродов F_СВ; форма и размеры рабочих поверхностей электродов (d_Э — при плоской и R_Э — при сферической).

Режимы КТС принято подразделять на два типа: «жесткие» режимы, характеризующиеся малым t_СВ и большим I_СВ, и «мягкие» режимы с относительно большим t_СВ и малым I_СВ [2…4, 7...11, 13…17].

Известны предложения, по которым можно количественно оценивать жесткость режимов, например, по отношению отдельных параметров режима КТС:

, по показателям, представляющим собой различные интерпретации критерия Фурье [71, 72], среди которых наиболее распространен критерий А.С. Гельмана [10]:

, (1.7)

где s — толщина свариваемых деталей; a — коэффициент температуропроводности их материала;

а также по критерию технологического подобия [13]:

, (1.8)

где Q_Н — энергия, выделившаяся в объеме ядра; Q_М — тепловые потери в массу свариваемых деталей; ρ_ПЛ — удельное электрическое сопротивление металла при температуре плавления Т_ПЛ; d_Я и h_Я — диаметр и высота ядра расплавленного металла; σ_Т — предел текучести свариваемого металла в холодном состоянии; F_Э — усилие сжатия электродов. a — коэффициент теплопроводности; γ — плотность; c_m — удельная массовая теплоемкость.

При увеличении жесткости режимов увеличивается мощность источников теплоты и уменьшается роль теплоотвода в формировании температурного поля, вследствие чего увеличивается проплавление деталей. Вместе с этим возрастает и склонность процесса КТС к образованию выплесков. Поэтому при сварке на жестких режимах применяют большие усилия сжатия электродов, чем при сварке на мягких режимах. [3, 15]

Энергетическое и силовое воздействие на металл зоны формирования соединения при КТС обеспечивается конкретным сочетанием параметров режима. При этом изменение каждого из них приводит к интенсификации или, наоборот, подавлению отдельных термодеформационных процессов, протекающих на отдельных или всех этапах процесса сварки. В конечном итоге, это сказывается на устойчивости процесса формирования соединения и размерах ядра (рис. 1.9).

1.3.1. Время сварки

В теории и практике КТС под термином «время сварки» понимается длительность t_СВ импульса сварочного тока I_СВ. При неизменной силе сварочного тока I_СВ время сварки t_СВ определяет количество теплоты Q_ЭЭ, которое в этом случае выделяется в зоне формирования соединения пропорционально длительности импульса тока. Поэтому с увеличением времени сварки растет проплавление деталей А и, в большей мере, диаметр d_Я ядра расплавленного металла (рис. 1.9, а).

Вместе с этим при увеличении t_СВ возрастает и влияние теплоотвода на характер распределения температуры в зоне сварки, которое сопровождается большим разогревом деталей и увеличением деформаций. Кроме того, при увеличении t_СВ все большая часть Q_ЭЭ отводится в окружающий зону сварки металл Q₂ и в электроды Q₃, что приводит к уменьшению энергетического КПД процесса КТС (см. п. 2.4). При некотором t_СВ может наступить состояние теплового равновесия, при котором вся выделившаяся теплота отводится из зоны сварки, то есть

, а количество теплоты в зоне сварки Q₁ не изменяется. Это приводит к тому, что ядро (А и d_Я) расплавленного металла перестаёт расти. Следовательно, увеличение t_СВ дальше момента теплового равновесия и энергетически, и технологически нецелесообразно потому, что ни к чему кроме увеличения разогрева деталей не приводит.

1.3.2. Сила сварочного тока

Сила сварочного тока I_СВ является одним из основных параметров режима КТС, поскольку при неизменной длительности его импульса t_СВ определяет не только количество энергии, выделяющейся в зоне сварки, но и, что наиболее важно для процесса формирования соединения, градиент её увеличения по времени. Вследствие этого именно сила сварочного тока определяет скорость нагрева металла в зоне формирования соединения.

В ряде случаев сварки, в особенности при малом расстоянии (шаге) между сварными точками, сила сварочного тока I_СВ, т. е. тока который протекает через зону формирования соединения и определяет тепловыделение в ней, и сила тока, который протекает во вторичном контуре сварочной машины I₂, могут различаться между собой. Причиной этого может являться ток шунтирования I_Ш, который протекает вне зоны сварки, в частности, через ранее сваренные точки (рис. 1.10) или контакты деталь-деталь, расположенные вне зоны формирования соединения, например, при точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения. Таким образом, значение вторичного тока сварочной машины I₂ зависит от сварочного тока I_СВ и тока шунтирования I_Ш:

(1.9)

Ток шунтирования. Зона проводимости тока шунтирования представляет собой электрическую цепь с сопротивлением r_Ш, параллельную электрической цепи зоны сварки с сопротивлением r_ЭЭ. Вследствие этого силу тока шунтирования можно вычислить по формуле [3]:

, (1.10)

где

— электрическое сопротивление шунтирующей ветви; ρ — удельное электрическое сопротивление металла свариваемых деталей;
k_Э — коэффициент ( );
s — толщина детали; b_ПР — ширина шунта, приведенная с учётом растекания тока и равная ; d_П и d_Ш — диаметры уплотняющего пояска и шунтирующего контакта соответственно.

Сварочный ток. От силы сварочного тока размеры ядра расплавленного металла зависят в наибольшей степени (рис. 1.9, б). С увеличением I_СВ проплавление деталей А и диаметр ядра d_Я растут почти прямо пропорционально изменению I_СВ.

Силу сварочного тока I_СВ, по той же причине, что и t_СВ, пока определяют только ориентировочно по технологическим рекомендациям или по эмпирическим зависимостям [2…4, 7…11, 13, 15…17]. В отличие от t_СВ, для определения которого расчетные методики вообще отсутствуют, для определения I_СВ в теории КТС предложено много самых разнообразных зависимостей, к сожалению, не отличающихся высокой точностью и универсальностью, например, зависимостей следующего вида [73...76]:

; ;

; ,

где s — толщина деталей; d_Э — диаметр рабочей поверхности электрода;
k_i – опытный коэффициент; θ — температура плавления (с учетом скрытой теплоты плавления); ρ и λ — удельное электрическое сопротивление и коэффициент теплопроводности; d_Т — диаметр ядра (см); ρ_Т — удельное электрическое сопротивление металла в момент его плавления (мкОм/см).

В практике традиционных способов КТС для сварочного импульса, длительностью t_СВ, усредненную силу сварочного тока I_СВ чаще всего приближенно рассчитывают по следующей зависимости, которая получена из общеизвестного закона Джоуля – Ленца [8…11, 16]:

, [3] (1.11)

где Q_ЭЭ — количество теплоты, выделяющееся в зоне сварки, которое требуется для образования сварного соединения заданных размеров (величина Q_ЭЭ определяется по уравнению теплового баланса (см. ниже п. 2.4.3));
m_r — коэффициент, который учитывает изменение сопротивления зоны сварки r_ЭЭ в процессе формирования соединения (для низкоуглеродистых сталей он равен

, для алюминиевых и магниевых сплавов — , для коррозионно-стойких сталей — , для сплавов титана — ; r_ДК — электрическое сопротивление деталей в конце сварки (определение r_ДК см. ниже п. 2.3.3).