Сварка сопротивлением. Контактное сопротивление оказывает решающее влияние на нагрев деталей в зоне сварки. В общем балансе теплоты [формула (3.2)] при сварке сопротивлением доля теплоты, выделяемой на контактном сопротивлении между деталями, не превышает 10—15%. Однако эта теплота выделяется в узкой при — контактной зоне за небольшой промежуток времени и вы­зывает быстрое повышение температуры в этой зоне. Кроме того, после исчезновения контактного сопротивле­ния повышенная интенсивность тепловыделения в при-‘ контактной зоне сохраняется, так как эта зона нагрета сильнее других участков деталей.

Роль контактного сопротивления в концентрации на­грева в приконтактной зоне возрастает с увеличением жесткости режима, так как увеличение силы тока повы­шает интенсивность тепловыделения, а снижение дли­тельности нагрева уменьшает теплопередачу из прикон­тактной зоны в глубь деталей. Величина контактного сопротивления, а следовательно, и ин­тенсивность тепловыделения в прикон­тактной зоне определяются начальным давлением на торцах деталей. При уменьшении давления возрастает ин­тенсивность приконтактного источника теплоты, но в то же время ухудшается равномерность нагрева деталей по се­чению.

Подпись:Неравномерность нагрева деталей по сечению связана со случайным распо­ложением участков контактирования на торцах деталей и является серьезным недостатком процесса сварки сопротив­лением. Неравномерность нагрева воз­растает с увеличением диаметра или толщины свариваемых деталей и осо­бенно резко проявляется при сварке деталей с развитым сечением. Напри­мер, при сварке полосы из стали СтЗ сечением 160×3 мм даже через 10 с после начала процесса перепад тем­пературы в стыке по его ширине может превышать 800° С (рис. 3.13). При сварке деталей большого сечения не­равномерность нагрева вызывается так­же поверхностным эффектом.

Равномерность нагрева деталей по сечению улучшается при увеличении длительности процесса. Это объясняется тем, что с увеличением времени нагрева распределение тока по сечению выравнивается и возрастает роль тепло — — передачи, которая способствует выравниванию темпе­ратуры в плоскости стыка. Равномерность нагрева можно улучшить специальной подготовкой торцов деталей, по­вышающей равномерность распределения тока по сече­нию. Например, при сварке труб равномерность на­грева значительно улучшается при снятии фасок на их торцах.

При расчете нагрева деталей при сварке сопротивле­нием используют схему неограниченного стержня, нагре­ваемого равномерно распределенным неизменяющимся током и мгновенным плоским приконтактным источником. Предполагается, что температура деталей выравнена по сечению, а теплота, генерируемая током за время сварки на контактном сопротивлении, выделяется в плоскости контакта мгновенно и затем распространяется вдоль сва­риваемых деталей. Изменение теплофизических свойств с температурой описывают линейным соотношением:

JL= Рд_(1 4-рГ),

су (с-у)о 1

где Ро и (су)о — удельное электросопротивление и объем­ная теплоемкость при Т = 0° С; р — температурный ко­эффициент возрастания отношения р/су.

Эта схема позволяет достаточно точно рассчитать рас­пределение температуры в деталях в поздней стадии на­грева, имеющей наибольший практический интерес.

Температуру Т (х, t) рабочих участков представляют суммой двух температур Т (х, t) — 7 (і) — f — Т2 (х, t), где Ту (f) — температура нагрева бесконтактного стержня неограниченной длины током, работающим на собствен­ном сопротивлении стержня, линейно возрастающем с тем­пературой; T2(x, t)—температура нагрева неограни­ченного стержня мгновенным приконтактным источником.

Температура нагрева стержня током Ту (/) выражается экспоненциальным законом:

1) , (3.6)

где w0 — 0,24 /2 — начальная скорость нагрева,

град/с; / — плотность тока, А/см2.

Температуру Т2 (х, t) определяют по формуле

НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙТ2 (х, t) = — у/-—- exp ($w0t су у 4 nat

где Q а — —- г—- v —~—общее количество теплоты, БЫ-

P//0,24Pp0/(tY)0

деляемое в контакте за время сварки, отнесенное к еди­нице площади контакта; с, К, а — средние значения удель­ной теплоемкости, коэффициента теплопроводности и ко­эффициента температуропроводности в процессе нагрева.

Коэффициент k характеризует интенсивность тепло­выделения в контакте и зависит от свойств металла и да­вления. Экспериментально получены следующие значения коэффициента k: сталь 10 — 2,6—3,0; сталь 45 — 2,0— 2,3; сталь 12Х18Н9Т — 0,07—0,08; алюминий — 0,34— 0,36; медь — 0,14—0,15. Большим давлениям соответ­ствуют меньшие значения k.

Подпись:На рис. 3.14 приведена схема распределения темпера­туры вдоль деталей. При большой установочной длине распределение температуры ха­рактеризуется тремя участками: узкой зоной 1, в которой ска­зывается местное выделение теплоты в контакте между де­талями; равномерно нагретыми участками 2 и участками 3, на которых температура посте­пенно понижается в резуль­тате теплоотвода в электроды.

Однако при большой устано­вочной длине в связи с увели­чением 2/?д возрастает потреб­ляемая мощность и возникает опасность потери устойчивости деталей при осадке. Поэтому величина /„ обычно не превы­шает диаметр или толщину сва­риваемых деталей. В этих усло­виях теплоотвод в электроды может значительно по­влиять на температурное поле в деталях и температуру стыка. Охлаждающее влияние зажимов возрастает с уве­личением длительности нагрева.

В общем случае нагрев при сварке сопротивлением обеспечивает благоприятное распределение температуры вдоль деталей, позволяющее осуществить необходимую деформацию их торцов при осадке. Однако неравномер­ность нагрева по сечению и интенсивное окисление тор­цов при нагреве ограничивают применение сварки сопро­тивлением деталями относительно малого сечения.

Сварка оплавлением. Характер распределения темпе­ратурь: вдоль деталей оказывает большое влияние на усло­вия формирования соединений. Во-первых, увеличение глубины прогрева деталей, снижая градиент температуры на торцах, способствует формированию жидкого слоя.

Во-вторых, температурное поле в деталях определяет размер зоны, в пределах которой пластическая деформа-* ция возможна при сравнительно невысоких давлениях, и влияет на характер распределения пластической де­формации в деталях при осадке. В-третьих, распределе­ние температуры определяет тепловое воздействие на металл в приторцовых участках.

1 Главную роль в нагреве деталей при сварке непрерыв­ным оплавлением играет теплота qonn [формула (3.3) 1, которая выделяется сварочным током на сравнительно большом контактном сопротивлении между деталями. Только часть этой теплоты qonji обеспечивает прогрев де­талей; другая часть q’oun теряется с металлом, который выбрасывается из зазора при разрушении контактов — перемычек [см. формулу (3.4)]. Теплосодержание опла­вляемых деталей увеличивается за счет теплоты:

Сл = 9опЛ —SWcTi.

где Sv<sanycT1 — количество теплоты, уже имеющееся в нагретых деталях и удаляемое из них с выплавляемым металлом.

Эффективность нагрева деталей характеризуется тер­мическим к. п. д. процесса оплавления:

т.

^опл ^опл/^опл’

который растет с уменьшением цопл и Тх и имеет наиболь­шее значение в начале процесса (рис. 3.15). В конце про­цесса при приближении к квазистационарному тепловому состоянию т]опл = 0, так как при неизменяющемся тем­пературном поле теплосодержание оплавляемых деталей остается постоянным и, следовательно, q"mJ! = 0.

Детали нагреваются также протекающим через них током. Однако плотность тока в деталях при оплавлении значительно меньше, чем при сварке сопротивлением, и доля теплоты, выделяемая током на собственном сопро — , тивлении деталей, обычно незначительна и не превышает 10—15% общего тепловыделения.

Чтобы рассчитать нагрев деталей при оплавлении, не­обходимо знать либо тепловой поток либо среднюю

температуру на оплавляемых торцах в течение всего про­цесса. Их непрерывное изменение и зависимость от боль­шого числа факторов, а также перемещение границы опла­вления в общем случае с переменной скоростью значи-

НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ

тельно усложняют расчеты теплового состояния деталей. Сравнительно простые формулы для технологических рас­четов получены только для отдельных частных случаев

процесса. у

Подпись:

НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ Подпись: а — с различной постоянной скоростью; б — с различными ускорениями (парабо- лическое оплавление)

При оплавлении с постоянной скоростью сближения деталей температурное поле стремится к квазистацио — нарному. При квазистационарном процессе распределе­ние температуры не за­

го

w

60 tonn, c

Рис. 3.15. Изменение терми­ческого к. п. д. при оплав­лении с постоянной скоро­стью при различных значе-

ПИЯХ еопл и икх:

условиями оплавления. Оценить температурное поле при квазистационарном процессе можно, используя следую­щее приближенное решение:

Т (х) — Т0 = (ТГЛ— Т0) exp (— von„x/2a),

где Тпл — температура на Ігорце, равная при квазиста­ционарном процессе температуре плавления металла; То — начальная температура (Т0 ^ 0 при непрерывном оплавлении и Т0 — ТпоП при сварке с подогревом); а — коэффициент температуропроводности; х — расстояние исследуемой точки от оплавляемого торца.

При увеличении скорости оплавления сужается зона нагрева деталей и увеличивается градиент температуры У оплавляемых торцов (рис. 3.16, а). При оплавлении ме-

Г °С

 

то

 

800

 

НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙ

Подпись:г’ниже напряжение при заданной скорости оплавления. тем выше термический к. п. д. процесса.(см. рис. 3.15) и температурі” оплавленных деталей и их торцов (рис. 3.17). Это объясняется тем, что при уменьшении на­пряжения увеличивается длительность существования контактов-перемычек между торцами и, следовательно, больше теплоты передается в глубь деталей при на­греве контактов. Кроме того, при меньшем напряжении уменьшается интенсивность разрушения контактов и больше расплавленного металла остается на торцах. Значительное увеличение глубины прогрева деталей можно получить только при достаточно низких напряже­ниях, при которых оплавление становится неустойчивым.

L

B этом случае устойчивость оплавления обеспечивается применением специальных регуляторов скорости.

При сварке изделий крупных сечений эффективно при­менение игнитронных регуляторов напряжения. Во-пер-

вых, наличие пауз в протекании тока увеличивает дли­тельность существования контактов и, следовательно, усиливает нагрев деталей. Во-вторых, легко осуществить кратковременное повышение напряжения в периоды, когда оплавление протекает неустойчиво, т. е. предотвра­тить короткое замыкание цепи.

Эффективный способ интенсификации нагрева деталей при оплавлении — способ импульсного оплавления, раз­работанный в Институте электросварки им. Е. О. Патона. При импульсном оплавлении на основное поступательное движение, которое совершает подвижный зажим свароч­ной машины, накладываются дополнительные колебатель­ные движения. При этом происходит периодическое уменьшение зазора между деталями и механическое раз­рушение контактов.

Механическое разрушение контактов в период их су­ществования в твердой фазе приводит к значительному уменьшению объема металла, выплавляемого при взрыве каждого контакта, и к увеличению интенсивности нагрева деталей. Кроме того, механическое разрушение контактов повышает устойчивость оплавления. Применение импульс­ного оплавления с частотой колебаний 20—35 Гц при сварке деталей из алюминиевых сплавов, имеющих тол­щину стенки более 15 мм, позволяет повысить темпера­туру в зоне термического влияния на 100—150° С по срав­нению с обычным оплавлением.

При оплавлении часто применяют параболический закон сближения деталей. С увеличением ускорения k растет градиент температуры у торцов и сужается зона нагрева (рис. 3.16, б). Для приближенных технологиче­ских расчетов нагрева деталей при параболическом опла­влении можно использовать следующую эмпирическую формулу:

Т (х) — Т0 = (Гпл — Т0) ехр [- 0,92 (k/a2)1/3x].

Такое распределение температуры, близкое к квази — стационарному, устанавливается после оплавления деталей на величину припуска:

л __ U m, n (к/а^3 ‘

Если при оплавлении необходимо прогреть зону ши­риной 1Л выше температуры Тд, то максимально допусти-

мое ускорение /г, пах определяется по следующей фор­муле:

^шах=1,3-^(1пГпл/Гд)3.

При оплавлении часто используют другие законы уве­личения скорости, отличные от линейного. Они позволяют получить высокую интенсивность оплавления в конце процесса при более медленном нарастании скорости в на­чале оплавления, что повышает его устойчивость. Вне зависимости от программы изменения скорости ее увели­чение всегда повышает градиент температуры на торце и сужает зону нагрева.

Для увеличения глубины прогрева деталей часто ис­пользуют предварительный подогрев. Он позволяет сни­зить мощность, необходимую для процесса оплавления, и облегчает его возбуждение. Подогрев используют также для управления структурой и свойствами металла в зоне термического влияния. Подогрев проводят при возвратно­поступательном перемещении подвижного зажима сва­рочной машины и включенном источнике тока. Торцы деталей периодически сдавливают, сварочная цепь замы­кается и через детали протекает ток. Импульсы тока дли­тельностью 0,5—4,0 с чередуются с паузами приблизи­тельно такой же длительности.

Аналогично сварке сопротивлением, при импульсном подогреве участки контактирования случайно распреде­ляются по торцовой поверхности деталей и при отдельных импульсах возможна значительная неравномерность на­грева по сечению. Паузы между импульсами тока способ­ствуют выравниванию температуры. Равномерность на­грева улучшается при увеличении усилия сжатия дета­лей, так как происходит деформация неровностей и рас­пределение тока выравнивается по всей площади сопри­касающихся торцов. При увеличении давления резко уменьшается контактное сопротивление и теплота выде­ляется в основном на сопротивлении деталей. При этом резко возрастает потребляемая электрическая мощность.

При расчете нагрева деталей прерывистый подогрев током рассматривают как непрерывный подогрев осред — ненным за все время процесса среднеквадратичным током с плотностью

где Уіп — суммарная длительность периодов включения тока”плотности /; t„ — общая длительность прерывистого подогрева.

Температуру рабочих участкбв представляют суммой двух температур:

T(x, t) = Tl(t) + T2(x, t),

Подпись: Рис. 3.18. Номограмма для расчета местного нагрева деталей в процессе прерывистого подогрева сопротивлением

где Ti (t) — температура нагрева бесконтактного стержня неограниченной длины током плотностью /эф, определяе­мая по формуле (3.6); Т2 (х, t) — температура местного

нагрева неограниченного стержня длительным прикон — тактным источником. Температуру Т2 (х, t) определяют из уравнения

Подпись: dt VI ’ НАГРЕВ ДЕТАЛЕЙТ2 (х, t) = —^==г Г ехр (f>w0t — су V 4 па J

о

где <?2 = 0,24(7К/Эф — мощность контактного источника теплоты; UK — условное падение напряжения на кон-

такте, равное 0,4—0,6 В. Более высокие значения UK соответствуют малым скоростям движения зажима ма­шины и большим сечениям свариваемых деталей.

Значение температуры Та (х, t) вычисляют с помощью номограммы (рис. 3,18) через безразмерные параметры температуры ’kc$>wjqi, расстояния xVpwJa и вре­мени $w0t.

Нагрев деталей при оплавлении после прерывистого подогрева сопротивлением практически не изменяет рас­пределения температуры в деталях, полученное при подо­греве, и вызывает значительное повышение температуры лишь в узкой приконтактной зоне. Поэтому приближенно можно считать, что распределение температуры к концу оплавления одинаково с распределением к концу стадии прерывистого подогрева, а температура торцов равна температуре плавления металла.

При сварке оплавлением возможна неравномерность нагрева деталей по сечению, вызванная неравномерностью оплавления. Неравномерность оплавления связана с на­правленным характером перемещения металла в зазоре и проявляется в более интенсивном оплавлении детали у внешней кромки (по отношению к контуру) и наличии в этой зоне торцов большего количества жидкого металла. Неравномерность нагрева резче проявляется при одно­стороннем токоподводе к деталям.