Источники нагрева при точечной, шовной и рельефной сварке.

В условиях точечной, шовной и рельефной сварки выделение теплоты вызвано действием рядом источников. Основной источник- объемно распределенный с удельной мощностью j²ρ_t (j - плотность тока) теплота выделяется за счет собственного сопротивления деталей. Второстепенные - плоские источники с удельной мощностью j²r_дд/(πd_k²/4) j²r_эд/(πd_э²/4), связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопротивлениях – теплота, выделяется на контактном сопротивлении. Доля плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10%.

Общая характеристика нагрева при контактной сварке выражается формулой теплового баланса

Q_зс = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄

где Q_зс - общее количество теплоты, генерируемое в зоне сварки; Q₁ - количество теплоты, расходуемое на нагрев до температуры плавления (Т_пл) столбика металла высотой 2d и диаметром dэ; Q₂ - количество теплоты, расходуемое на нагрев металла в виде кольца шириной x₂, окружающего центральный столбик металла; Q₃- количество теплоты, переданноев электроды за счет теплопроводности; Q₄- потери тепла в атмосферу за счет радиационного и конвективного теплообмена с поверхности деталей и электродов.

Полное количество теплоты, выделяемое между электродами за время сваркиt_св определяетсязаконом Джоуля-Ленца: Q_зс = ∫I_св²r_зэ d_.t

гдеI_св - мгновенное значение сварочного тока, меняющееся в процессе сварки; r_зэ – общее сопротивление деталей между электродами. Величина r_зэ и его распределение в зоне сварки зависят от способа сварки и существенно влияют на характер нагрева. В общем случае r_зэ = 2r_д +2r_эд +r_дд; где, r_д - собственное активное сопротивление свариваемых деталей; r_эд - переходное сопротивление в приконтактной зоне между деталью и электродом; r_дд - сопротивление на участке контакта двух деталей.

Потери тепла Q₃ в атмосферу за счет лучеиспускания, ввиду кратковременности процесса, незначительны, и в расчетах ими пренебрегают.

Обычно количество тепла Q₁ необходимого непосредственно на образование сварной точки, называют полезным тепломQ_пол, а тепло, расходуемое на нагрев окружающего ядро металли электроды, называют потерями тепла - Q_пот = Q₂+Q₃.

Потери теплоты увеличиваются с увеличением продолжительности нагрева, поэтому растет и общее количество теплоты Q. При этом неизбежно расширяется зона нагрева при высоком коэффициенте температуропроводности свариваемого материала.

Современная тенденция в развитии контактной сварки основана на применении мощных машин, обеспечивающих снижение времени сварки, что уменьшает потери электрической энергии, в ряде случаев снижает остаточные деформации и повышает производительность.

При контактной сварке во время нагрева возникают два взаимосвязанных поля: электрическое и температурное.

Температурное поле- совокупность температур в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. В общем случае это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи, которые были рассмотрены выше.

Характер тепловыделения определяется электрическим полем в свариваемых деталях и электродах.Электрическое поле- совокупность плотностей тока в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени.

Для контактной сварки характерно неравномерное электрическое поле, его неравномерность зависит от способа подвода тока, температурного и магнитоэлектрического факторов. При подводе тока при точечной, рельефной и шовной сварке на электрическое и как следствие на температурное поля особенно влияет геометрический фактор. При этих способах площадь контактных поверхностей электродов мала по сравнениюс размерами деталей, через которые проходит сварочный ток. Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потенциалов и электрических сопротивлений деталей и электродов.

Температурный фактор проявляется в различном сопротивлении металла, нагретого до разных температур. Проходящий ток обтекает более нагретые участки, имеющие меньшую проводимость. Так, удельное электросопротивление жидкого ядра в 1,5-2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока вблизи границ ядра заметно повышается (более чем на 25%) и снижается над ядром. Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует его росту по мере роста диаметра ядра.

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта и эффекта близости, мало влияет на характер электрического поля.

Температурное поле при сварке не является стационарным, оно быстро видоизменяется и характеризуется значительной неоднородностью. Во время сварки скорость нагрева очень высокая - до 200 000°С/с. Градиенты температур на отдельных участках могут достигать 100 000°С (с особенно при сварке малых толщин). Вначале поле возникает в твердом металле. Через период времени (0,3-0,5)t_cв начинается образование литого ядра в области контакта деталей, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров. Максимальная температура в ядрена 15-20% выше температуры плавления металла.

Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева. Так, при точечной сварке деталей толщиной 1 - 4 мм ядро полностью кристаллизуется через 0,02 - 0,08 секунд [1]. В течение этого времени часть теплоты распространяется вглубь деталей, нагревая околошовную зону.

Взависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жесткие и мягкие режимы сварки.

Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока. Температурное поле определяется преимущественно тепловыделением, потери тепла Q₂+Q₃ - 20% Q_зэ. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, что увеличивает склонность к образованию выплеска расплавленного металла, и для предотвращения этого повышают сварочное усилие.

Мягкий режим характерен значительной длительностью протекания тока относительно малой силы. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами (Q₂+Q₃i80% О_зэ). Скорость нагрева и охлаждения ниже, чем при жестком режиме.

На характер температурного, поля оказывает влияние большое количество факторов: сила сварочного тока и время его протекания, а также форма импульса тока, сварочное усилие, диаметр и форма электродов, свойства электродных свариваемых материалов, размеры свариваемых деталей и др.