4 (1088548), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Расчетные значения сопротивлений, как правило, приближаются к экспериментальным данным (табл. 1.2).
1-й учебный вопрос: Общее сопротивление деталей при сварке.
При протекании сварочного тока общее сопротивление, например, двух деталей одинаковой толщины, существенно изменяется. Характер изменения регистрируют осциллографом с использованием измерительной схемы (рис. 1.10, а). При этом измеряют (вибратором В1) напряжение uээ и напряжение, пропорциональное сварочному току (вибратор В2). По полученным данным с учетом масштабов напряжений вычисляют rээ (t). В качестве датчика тока, как правило, используют ДСТ-1. Кинематическая кривая изменения rээ (t) обычно имеет падающую характеристику (рис. 1.10.6).
Сопоставляя кинетические кривые изменения rээ, а также конечные значения rээ. к (при сварке одних и тех же деталей), можно и первом приближении судить об изменениях плотности тока j и общей стабильности процесса сварки.
| Рис.1.10 Схема измерения и кинетика изменения электрических сопротивлений при точечной сварке. | Первый период (/) характеризуется резким спадом rээ за счет снижения rдд и 2rэд, которое не компенсируется повышением 2rд за счет увеличения р. В течение второго периода (II) rээ практически определяется собственным сопротивлением деталей 2rд (так как rдд = 0, а 2rэд невелико). Небольшой спад rээ определяется на этом участке увеличением площади электрических контактов, диаметры которых к концу нагрева rээ. к достигают значений dэ и dп. |
В общем случае характер изменения rээ зависит от свойств металла, толщины деталей, режима сварки, формы импульса тока, размеров ядра, формы рабочей поверхности электродов и т. п. Например, за цикл точечной сварки стали 08кп р увеличивается в 5— 7 раз, что в значительной степени компенсирует увеличение площади контакта, и поэтому значение rээ мало изменяется в процессе сварки. При соединении стали 12Х18Н10Т, сплавов Д16 и ОТ4 имеет место более значительное снижение rээ в области II (рис. 1.10, б), так как p увеличивается за время сварки всего в 1,5—2 раза (рис. 1.11). Значение rээ меньше для сплавов с более низким удельным электросопротивлением (сплавы на основе меди и алюминия). С ростом толщины деталей общее сопротивление за счет увеличения площади контакта в процессе сварки и конечное его значение (rээ. к) заметно снижаются (см. табл. 1.2).
Увеличение диаметра ядра (s=const), которое достигается повышением силы тока и времени сварки приводит, как правило, к снижению rээ и rээ. к.В частности, rээ при А, равном 4, 6 и 8 мм, составляет соответственно 200, 150 и 80 мкОм (сталь 12Х18Н10Т толщиной 1,5 +1,5 мм).
Изменение параметров режима точечной сварки оказывает заметное влияние на rээ (рис. 1.12) в соответствии с изменением теплового состояния металла (р) и площади контактов. Так, увеличение Fсв, Icв приводит к росту диаметра контактов и снижению rээ.
Переход к режимам с большим временем сварки при сохранении одного и того же диаметра ядра вызывает некоторое снижение rэя и rаэ. к , за счет уменьшения сопротивления пластической деформации и роста размеров контактов.
При точечной сварке используются электроды со сферической и плоской рабочей поверхностью.
Сварка электродами со сферической рабочей поверхностью отличается меньшими размерами контакта на первом этапе (см. рис. 1.13), соответственно большей плотностью тока и большей скоростью тепловыделения. Зона расплавления возникает раньше, чем при сварке электродами с плоской рабочей поверхностью, и поэтому область / на рис. 1.10, б характерна меньшей протяженностью и значения rээ в этой области заметно выше (рис. 1.13). При этом скорость повышения rээ возрастает с уменьшением радиуса сферы. Характер изменения rэз в области II для обоих типов электродов примерно одинаков. Однако в течение всего цикла сварки среднее значение rээ на 10—15 % выше для электродов со сферической рабочей поверх ностью. В тоже время среднее значение Iсв и конечный диаметр ядра изменяются незначительно; чем больше zк.з. сварочной машины, тем меньше эта разница. В процессе сварки на сферической поверхности постепенно появляется почти плоская площадка (сферическая поверхность превращается в плоскую), и начальное rээ заметно уменьшается.
При рельефной сварке кинетика rээ в значительной мере отличается от предыдущего случая. В области I (рис. 1.14) происходит резкое падение сопротивления из-за быстрой деформации нагреваемого выступа. Далее в области II значение rээ стабилизируется, а затем (область III) вновь уменьшается в связи с расширением контактов при образовании ядра. На конечной стадии диаметры контактов и тепловое состояние металла стабилизируются, и rээ мало изменяется. Величина rээ.. к при этом меньше, чем при точечной сварке, за счет больших размеров контактов.
При шовной сварке герметичным швом вследствие достаточно высокой начальной температуры Последующей точки заметно снижается роль rдд и 2rэ. д. В начале цикла уже не отмечается увеличение (максимума) rээ (2rэд), и полное сопротивление деталей монотонно уменьшается вплоть до момента выключения тока. Конечные значения rээ. к из-за большей площади контактов заметно меньше, чем при точечной сварке (см. табл. 1.2).
2-й учебный вопрос: Температурные и электрические поля
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. Выделение теплоты вызвано действием ряда .источников. Основной источник — объемно распределенный с удельной мощностью j2р (где j — плотность тока). К второстепенным источникам следует отнести плоские источники удельной мощности j2rдд/(пd2/4) и j2rэд/(пd2k/4), связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопротивлениях, а также плоский источник, обусловленный эффектом Пельтье. Этот эффект проявляется в выделении или поглощении теплоты в контакте двух разнородных металлов, например, электрод — деталь, или на границе жидкой и твердой фаз (ядро и твердый металл). Если направление тока таково, что через контакт переносятся электроны из металла, в котором их энергия больше, то температура в этом контакте возрастает. Однако считается, что основная часть теплоты при точечной, рельефной и шовной сварке выделяется за счет действия объемно распределенного источника и доля указанных выше плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10 %, и обычно ими пренебрегают.
Выделяющаяся в зоне сварки энергия (Qээ) расходуется на нагрев металла до температуры плавления или ликвидуса (Q1 ~ 20-ЗО % QЭЭ), а остальная часть передается теплопроводностью в окружающий ядро металл (Q2) и электроды (Q3). Таким образом, Qээ = Q1 +Q2 +Q3 (1.5)
Радиационным и конвективным теплообменом с поверхности деталей и электродов обычно пренебрегают. Основная часть теплоты (более 50 % QЭЭ) обычно отводится в электроды, что определяет отсутствие сквозного проплавления деталей. Снижение теплоотвода способствует накоплению теплоты в зоне сварки, стимулирует развитие процессов пластической деформации, что часто используется при соединении деталей разной толщины и разноименных металлов.
Характер тепловыделения определяется электрическим полем в свариваемых деталях и электродах.
Электрическое поле — совокупность потенциалов или плотностей тока в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени.
Для сварки характерно неравномерное электрическое поле, что связано с действием геометрического, температурного и магнитоэлектрического факторов.
Геометрический фактор обусловлен тем, что размеры электрических контактов, как правило, намного меньше размеров деталей, а также явлением шунтирования тока. Иллюстрацией влияния геометрического фактора служат характер электрического поля в равномерно нагретых деталях при точечной сварке (рис. 1.15, а). Электрическое поле, характеризуемое в данном случае распределением потенциалов, симметрично относительно г.
1.16. Распределение плотности тока в сечениях II — II и III-III при наличии ЖИДКОГО ядра
Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потенциалов и электрических сопротивлений деталей и электродов. Наибольшие плотности тока (рис. 1.15, б) в сечениях I—I и III—III достигаются вблизи границ контактов в результате растекания тока в электродах и деталях. В сечении II—II плотность тока вблизи оси z практически постоянна и постепенно убывает за границами контакта. Неравномерность электрического поля возрастает с уменьшением отношения dк/S. Например, при dк/S _= 3,3 около 25 % тока протекает вне поверхности цилиндра с основанием dк, а при dв/S = 5 лишь 15 %. Характер поля зависит также от диаметра электрода, расположения в нем охлаждающего канала.Температурный фактор проявляется в обтекании током более нагретых участков соединения, отличающихся повышенным сопротивлением, в условиях неравномерного температурного поля и поля электрических сопротивлений.
Это явление наглядно представляется при наличии расплавленного ядра (рис. 1.16), удельное электросопротивление которого в 1 5—2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока в сечении II—II (z = S/2) вблизи границ ядра заметно повышается (на 25 % и более) по сравнению с рассмотренным ранее случаем равномерно нагретых деталей и снижается над ядром. Во многом аналогичная картина отмечается и в сечении III—III (z= 0). Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует росту этого пояска по мере возрастания диаметра ядра.
Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта, эффекта близости и т. п., мало влияет на характер электрического поля, за исключением случая сварки токами повышенной частоты.
Температурное поле обычно описывается изотермами, расположенными в сечении, проходящем через ось z. В силу симметрии поля относительно оси z изотермы в сечениях, параллельных поверхностям деталей, имеют форму окружности (рис. 1.17). Металл начинает плавиться спустя некоторое время с начала импульса тока (0,3—0,5tсв). Ядро возникает в области контакта деталь— деталь, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. По мере прохождения тока ядро растет в направлении осей z и r (см. рис. 1.9). Максимальная температура в ядре лишь на 15—20 % превышает температуру ликвидуса сплава. Температура в контакте электрод—деталь достигает максимального значения к концу импульса и составляет в среднем 400—500 °С (для сталей, алюминиевых сплавов) и повышается с ростом темпа сварки. Градиенты температур в условиях шовной и особенно точечной сварки, очень велики и могут достигать по оси z, например, при сварке сталей малой толщины, 100 000 °С/см. Температурное поле является крайне нестационарным, так как скорость нагрева очень большая — до 200 000 °С/с, особенно при сварке малых толщин импульсами небольшой длительности.
Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева. Так, при точечной сварке деталей толщиной I—4 мм уже через 0,02—0,08 с ядро полностью кристаллизуется (рис. 1.17, б). И течение этого времени часть теплоты распространяется в глубь деталей, нагревая околошовную зону.
В зависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жесткие и мягкие режимы сварки.
Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока, когда tсв < 0,025 (с) при сварке деталей толщиной 1-4 мм. Температурное поле (в этом случае определяется преимущественно тепловыделением: изотерма температуры ликвидуса имеет при этом в сечении форму, близкую к прямоугольнику (рис. 1.18), углы которого вытянуты в сторону областей с повышенной плотностью тока (к периферии контактов), а Q2 + Q3 < 20 % Qээ. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. При этом обычно увеличивается склонность к образованию выплеска, и для его предотвращения повышают сварочное усилие.
3-й учебный вопрос: Шунтирование тока.
Шунтирование тока проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ранее сваренные точки (рис. 1.23) при двухсторонней точечной сварке или через одну из деталей при односторонней сварке (§ 3.7). Шунтирование в значительной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом расстоянии или шаге между точками (tш) привести к уменьшению плотности тока и размеров литого ядра.
Значение тока шунтирования и других токов можно оценить по формуле
(1,8)
где rээ и rш — электрическое сопротивление зоны сварки (см. п. 1.2.3) и шунта;
(1,9) , где bпр — приведенная с учетом растекания тока ширина шунта, равная (dк + dп)/2, Кэ ~ 0,4.
| Рис. 1.23. Шунтирование тока при двусторонней точечной сварке а- схема шунтирования; б — распределение тока в сечении //—// при наличии шунтирования (кривая 1) и без него (кривая 2) | Как следует из формул (1.8), (1.9), уменьшение tш и рост S вызывают снижение tсв и соответственно размеров ядра, а также приводят к повышению температуры в контакте электрод — деталь и скорости износа электрода. Для каждой толщины и марки металла обычно избирают минимальное значение tш — tш min- При этом принимают, что если tш > tш min, то Iш < 0,05 Iсв, и шунтирование практически не влияет на электрическое поле и размеры ядра. Значения tш min для двусторонней точечной сварки приведены в табл. 3.1. Токи шунтирования обычно снижаются в процессе сварки за счет нагрева шунта и снижения rээ. Также при шовной сварке герметичных соединений (tш ~ 2-3S и tш < d) из-за повышенной температуры предыдущей точки токи шунтирования весьма ограничены, особенно при большой скорости и непрерывном вращении роликов. |
Методические рекомендации:
- обобщить наиболее важные, существенные вопросы лекции;
- сформулировать общие выводы;
- поставить задачи для самостоятельной работы;
- ответить на опросы студентов.
Лекция разработана «___»________200__г.
_______________________И.Н.Гейнрихс
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
