В условиях точечной, шовной и рельефной сварки выделе­ние теплоты вызвано действием рядам источников. Основной источник — объемно распределенный с удельной мощнос­тью j2pT (/’—плотность тока). Второстепенные—плоские ис­точники с удельной мощностью Лл>Л®*2/4)и

связанные с генерированием теплоты на соответствующих кон­тактных сопротивлениях. Доля плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10%.

Общая характеристика нагрева при хонтактной сварке вы­ражается формулой теплового баланса

Q„ = Q — + Q2 ■■ <2, + о;, . . (1.13)

где Q„—общее количество теплоты, генерируемое в зоне свар­ки; Ql—количество теплоты, расходуемое на нагрев до темпе­ратуры плавления (Т„ ) столбика металла высотой 2d и диамет-

Рнс.1.12. Характер нагрева деталей одинаковой толщины при точечной сварке

ром*/, (рис. 1.12); Q. J— количество теплоты, расходуемое на на­грев металла в виде кольца шириной х2, окружающего цент­ральный столбик металла; Q3—количество теплоты, передан­ное.» электроды за счет теплопроводности; QA—потери тепла в атмосферу за счет радиационного и конвективного теплообме­на с поверхности деталей и электродов.

К концу нагрева общее количество теплоты, затрачив аемой на образование сварной точки, определяется законом Джоуля — Ленца

Q)> ~ )

Коэффициентт учитывает изменение сопротивления зоны сварки в процессе нагрева. При сварке малоуглеродистых ста­лей т принимают 1,0+1,1; для алюминиевых и магниевых спла­вов —1,15; сталей аустенитного класса 1,2; титановых спла­вов — 1,4.

Количество тепла, расходуемое на нагрев условно выделенного центрального столбика до температуры плавления (Т^, с учетом скрытой теплоты плавления, определяется по фор­муле

& ^^(31+82)с^Джг (1.14)

где d3 —диаметр контактной поверхности электрода, см; dhи d2—толщины свариваемых деталей, см; с — гудельная тепло­емкость свариваемого металла, Дж/(г х К); g — плотность сва­риваемого материала, г/см3.

Теплота Qly расходуемая на нагрев зоны, прилегающей к центральному столбику металла, представляется в виде коль­ца шириной х2, окружающего литое ядро, близкое по диаметру к dr Среднюю температуру кольца принимают равной четвер­та

Qi= +-t2)(5i + S2)cy ^,Дж, (1.15)

где А] —коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева кольца металла по толщине, так как наиболее нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца (kt = 0,8).

Потери тепла в электроды можно приближенно опреде­лить, принимая, температуру на их контактной поверхности как Тзл = 0,5 Тт. При этом средняя температура интенсивно нагреваемого участка электрода длиной х3 принимается рав­ной TJX.

Q2=2 к2^х3С/^,Дж, (1.16)

где к2—коэффициент формы электрода: при плоской контакт­ной поверхности к2=1,0; при конической—к2= 1,5; при электро­де со сферической контактной поверхностью—к2=2.0; с’—сред­няя удельная теплоемкость материала электрода, Дж/(гхК);у’— плотность материала электрода, г/см3.

Ширина зоны нагрева металла х2 и х3 зависит от времени сварки гсв и температуропроводносш металла деталей или элек — тродая. В общем случае ширина зоны нагрева определяется

х=4^, (U7)

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

Обычно количество тепла Qb необходимого непосредствен­но на образование сварной точки, называют полезным теплом Qn01, а тепло, расходуемое на нагрев окружающего ядро металл

1 и электроды, называют потерями Q/ L тепла Qnom — Q2+Qv

В определенных пределах Qltm не зависит от продолжительности нагрева и определяется обемом нагретого металла V до темпера­туры Т°С при удельной теплоемко­сти с и плотности y (бяв, = Ус у 7).

Потери теплоты увеличивают­ся с увеличением продолжитель­ности нагрева, поэтому растет и общее количество теплоты Q}3 (рис. 1.13). 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. 1

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 малапо сравнению

Рис.1.14. Распределение плотности тока в различных сечениях:

а) в начальный момент сварки; б) при наличии жидкого ядра с размерами деталей, через которые проходит сварочный ток. Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потен­циалов й электрических сопротивлений деталей и электродов. Наибольшие плотности тока {рис. 1.14, а) в сечениях 1-І и Ш-Ш достигаются вблизи границ контактов в результате растекания тока в электродах и деталях. В сечении Н-П плотность тока прак­тически постоянна и постепенно убывает за границами контак­та. Неравномерность электрического поля возрастает с умень­шением отношения 4/5.

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{рис. 1.14, б) 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, мал о влияет на ха­рактер электрического ноля. _

Температурное поле при сварке не является стационарным, оно быстро видоизменяется и характеризуется значителън ой нео — днородностью. 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)^ начинается образование литого ядра в области контакта деталей, где достигается наибольшая плот­ность тока и з меньшей степени сказывается теплообмен с элек­тродами. По мере прохождения тока ядро растет до максималь­ных размеров. Максимальная температура в ядре" на 15-20% выше температуры плавления металла.

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

В зависимости 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+Q120% Q„. Жесткий режим характереауегся 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+Q3i 80%Q3J. Ско­рость нагрева и охлаждения ниже, чем при жестком режиме.

На характер температурного поля оказываем 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.

При стыковой сварке сопротивлением общий нагрев дета­лей происходит теплотой, которая выделяется в них и в контак­тах при прохождении сварочного тока. При сварке сопротивле­нием теплота, выделяющаяся в контакте между торцами свари­ваемых деталей, относительно невелика и по мере нагрева соединения быстро уменьшается, В общем балансе теплоты она не превышает 10-15%. Однако она выделяется на узкой прикон — тактной зоне за небольшой промежуток времени и вызывает быстрое повышение в ней температуры, которая сохраняется и после исчезновения гдд до конца цикла сварки, так как эта зона нагрета сильнее других. Интенсивность тепловыделения в кон­такте определяется начальным усилием сжатия деталей. При малому интенсивность тепловыделения возрастает, но при этом равномерность нагрева по торцу деталей ухудшается из-за ма­лого и случайного расположения участков контактирования.

Нагрев при сварке сопротивлением можно рассматривать как наложение двух процессов: 1) нагрева (до температуры Т,) бес­контактного стержня теплотой, равномерно выделяемой на соб-

ственном сопротивлении по всей его длине на свободном вылете (рис.1.16); 2) дополнительного нагрева (цо температуры Т2) теп­лотой, выделяемой в стыке и распространяющейся в стороны от него. Общая температура нагрева Тв зоне, определяемой коор­динатой х, в момент времени

Т(х, t) = T1(t) + T2(x, t). (1.18)

Распространение тепла в неравномерно нагретом теле без тепловых источников для пространственной задачи описывает­ся уравнением теплопроводности

ЭТ ,Э2Т В2Т д2Т

эГ“(э7+э7+г°

где Э Tfdt —изменение температуры во времени в точке с коор­динатами х, у, z; а—коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость распространения тепла, см2/с.

дт э[3]_Т д2Т

Э2Г q

dz2 +су ’

Распространение тепла в неравномерно нагреваемом теле, т. е. с источником тепла, описывается уравнением

где q—тепловая мощность (количество теплоты выделяемой в секунду), Дж.

Сделав допущения о линейном характере распределения теп­лового потока, (температура в каждой момент времени одина­кова по сечению (рис. 3.13), а удельное электросопротивление металла в вылете /0 постоянно и имеет среднее значение ртср) уравнение (1.20) примет вид

эг э2г

Э/ Эх2 су

В данном уравнении необходимо учесть теплоотдачу с по­верхности деталей, которая равна

ЬТ=—Т Fey ’

тдеЬ—коэффициент температуроотдачи, 1/с; и—периметр сече­ния деталей, см; F— площадь поперечного сечения детали, см2.

Согласно принципу независимости действия источников теп­ла (1.18), подставляя (1.22) в уравнение (1.21), получим систему уравнений

j2Pr„

су

Решая систему (1.23) относительно температуры в стыке (а: =

0) получим выражение для температуры в зоне сварки

ІсвРтг/се ^ м! свгк л/^сГ F2cy F-JnXcy ’

где гк—контактное сопротивление в начальный момент сварки, определяемое по формуле (3.5), мкОм; m—коэффициент, учиты­вающий изменение гк в процессе сварки (т ~ 0,4).

Из уравнения (1.24) можно найти необходимое значение сва­рочного тока.

В отличие от сварки сопротивлением нагрев деталей при сты­ковой сварке оплавлением в основном происходит за счет теп­лоты, выделяющейся в контактном сопротивлении, которое оп­ределяется перемычками расплавленного металла, находящи­мися в искровом промежутке. Доля теплоты, выделяемой с собственном сопротивлении деталей вследствие относительно малой средней плотности тока, невелика и обычно не учитыва­ется в тепловых расчетах.

Жидкие перемычки являются основным источником нагрева торцов деталей. В начальный момент оплавления распределе­ние температуры на оплавленных торцах неравномерно (рис. 1.17). По мере нагрева степень неравномерности уменьша­ется. Средняя температура па торцах растет до тех пор, пока их

поверхности не покроются слоем расплавленного металла. Это ■ обеспечивается при установившемся процессе оплавления, ког­

да перемычки последовательно и многократно с большой часто­той возникают по всей площади торцов деталей.

В секунду в к оитакте с сопротивлением гШ1я выделяется коли­чество тепла ц0!гл — Iaar0lvl которое, расходуется на нагрев метал — ! ла от Т, до Т01и, выбрасываемого из зазора при оплавлении : и на теплопередачу в детали (9”м): .

1 м dT*

Чош — Чопя + я’опя = ~Ti) + щ]+2ЛР — г (1.25)

1 где F—сечение деталей, см2; g, с, 1, т„ — плотность, удельная теплоемкость, коэффициенттеплопроводности и скрытая тепло­та плавления свариваемого материала; Тг— средняя темпера­тура торцов (в начале оплавления равна температуре окружаю­щей среды, к концу—-температуре плавления, при сварке с по — догревом Т,= Тпод) Т01!Я — средняя температура выбрасываемого при оплавлении металла (для стали = 2000

°С); dT/dx — градиент температуры у торца (для стали 2000- 8000 °С/ем).

Из уравнения теплового баланса (1.25) можно опредепитыте — обходимую величину сварочного тока или скорости оплавления.

2*

35

Анализ формулы показывает, что мгновенная скорость оп­лавления растет с увеличением тепловой мощности, суменьше — нием градиента температуры и с повышением температуры Т;. В начале процесса, когда dT/dx велик и Т,» 0, оплавление идет медленно. По мере разогрева торцов v0M растет. Для поддержа­ния непрерывного процесса оплавления при неизменной мощно­сти скорость сближения деталей должна соответствовать голл. Подогрев деталей до Т,= Ттд увеличивает возможную скорость их сближеїшя при данной мощности.