Зависимость сопротивления двух деталей от состояния их поверхностей

Влияние состояния поверхности на контактное сопротивление очень велико. При этом на его величину оказывает влияние и шероховатость поверхностей, и параметры поверхностных пленок. Увеличение параметров шероховатости, а также толщины и прочности поверхностных пленок, при одинаковых остальных условиях формирования контактов, приводят к увеличению контактного сопротивления в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз.

С увеличением усилия сжатия электродов при контактной точечной сварке деталей любых толщин и из любых материалов однозначно уменьшаются как величина сопротивления контактов, так и разброс их значений. Такое изменение контактных сопротивлений при увеличении усилия сжатия происходит вследствие интенсификации процессов микропластических деформаций в контактах, которые приводят к смятию микровыступов, разрушению поверхностных пленок и увеличению площадей фактических контактов.

Механические и электрические процессы, протекающие в сварочных контактах и определяющие его электрические параметры, очень сложны. Это затрудняет их математическое описание, т. е. разработку математических моделей контактов при КТС. Задача осложняется еще и неопределенностью, а также случайностью параметров, которые характеризуют шероховатость поверхностей и поверхностные пленки.

Зависимость контактных сопротивлений холодных деталей от усилия сжатия F в некоторых случаях оценивают по эмпирической формуле

,                                          (2.3)

где: F_Э — усилие сжатия электродов; r_ДД0 и а — коэффициенты, определяемые экспериментально: r_ДД0 для стали равен (5…6) 10^-3 и алюминиевых сплавов (1…2) 10^-3; а для стали равен 0,7 и алюминиевых сплавов 0,8;

Однако приведенная формула не учитывает состояния поверхности деталей и может служить лишь для ориентировочных расчетов.

Электрические же сопротивления контактов электрод – деталь r_ЭД. до сих пор, как правило, отдельно не рассчитывают. Их, по предложению А.С. Гельмана, принимают равными половине величины сопротивлений в контактах деталь – деталь r_ДД, т. е.

.                                          (2.4)

Более точные значения электрических сопротивлений контактов деталь-деталь r_дд и электрод-деталь r_эд получают путем их непосредственного измерения.

Экспериментально показано (например, при калориметрировании), что доля теплоты, выделяемой на сопротивлении r_дд, обычно (при сварке деталей толщиной 1 мм) не превышает 5 % общей энергии, генерируемой в зоне сварки. Несмотря на то, что r_дд существует относительно короткое время, оно может оказать влияние на последующий нагрев, особенно при сварке деталей малых толщин, где высота микрорельефа поверхности соизмерима с толщиной деталей. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопротивлением, способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении r_дд стабильность тепловыделения мала, а с ростом r_эд снижается стойкость электродов.

Для стабилизации тепловыделения, размеров соединений и стойкости электродов перед сваркой выполняют подготовку поверхностей деталей с целью удаления толстых поверхностных пленок и загрязнений, обеспечивая тем самым достаточно низкие и стабильные значения контактных сопротивлений. Для этих же целей часто рекомендуется применение повышенных сварочных усилий.

2.3.3. Собственное сопротивление деталей.

Электрическое сопротивление собственно деталей — это сопротивление, которое определенным образом распределено в объеме деталей, расположенном между сжимающими их электродами.

Величину электрического сопротивления собственно детали r_Д в большинстве случаев определяют по методике А. С. Гельмана. Еще в 40-х годах 20-го в. им была теоретически определено распределение потенциалов в свариваемых деталях путем решения методом конечных разностей дифференциального уравнения, описывающего электрическое поле.

Решением этого уравнения с граничными условиями, отражающими особенности протекания электрического тока при точечной сварке на участке электрод – детали –электрод, им определена топография растекания линий тока в деталях до диаметра d_j (см. рис 2.3) при различных условиях сварки и разработана инженерная методика расчета электрического сопротивления r_Д собственно свариваемых деталей:

,                                 (2.16)

где: А_Г — коэффициент (рис.2.7), учитывающий уменьшение сопротивления детали r_Д относительно сопротивления цилиндра r_Ц, высотой s и диаметром d_К, которое происходит из-за растекания линий тока до диаметра d_j; ρ_Т — удельное электрическое сопротивление металла деталей; k_Р — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей.

Рис. 2.7. Кривая А_Г, определяющая сопротивление пластины,

 сжатой медными электродами

Следует отметить поразительную, для того времени и тех вычислительных средств (расчетов на арифмометрах), точность решения
А. С. Гельмана. В 70-х годах многие исследователи подобные задачи начали решать на ЭВМ. Естественно, что некоторые из них пытались уточнить решение А. С. Гельмана. Как это ни удивительно, но значения коэффициента А_Г (сейчас его так и называют — «коэффициент Гельмана»), с помощью арифмометра и значения, полученные на ЭВМ, например, Б.Д. Орловым и А.А. Чакалевым, практически совпадают.