Основные и сопутствующие физические процессы

К основным процессам относятся: нагрев и кристаллизация металла; пластическая деформация; удаление поверхностных пленок непосредственно при сварке в результате электромагнитного перемешивания расплавленного металла.

К сопутствующим - тепловое расширение металла; воздействие термодеформационного цикла на свойства сварных соединений; образование остаточных напряжений; массоперенос в контакте электрод - заготовка.

Типовая термодеформационная циклограмма сварки имеет вид (рис. 6.8.):

Рис. 6.8. Типовая термодеформационная циклограмма сварки: I, II, III - этапыобразования соединения при сварке; 1св —сварочный ток; Δ — деформации; Fсв — сварочное усилие; Fк — ковочное усилие.

На первом этапе сопутствующие процессы не получают большого развития так какмалы деформация металла температура зоны сварки.

Навтором этапе, при появлении жидкого ядра, возрастает тепловое расширение металла, появляется опасность выплеска, нагревается околошовная зона, изменяется исходная структура металла, массоперенос в контакте электрод-заготовка и как следствие, появляется опасность выплеска

На третьем этапе охлаждается металл, происходит кристаллизация металла ядра с образованием литой структуры и значительных остаточных напряжений, продолжается теплопередача в околошовную зону и изменение структуры металла в этой части соединения.

6.2.3. Нагрев металла и сопротивление участка цепи " электрод - электрод"

Нагрев и плавление металла происходят за счет выделения теплоты на электрических сопротивлениях при прохождении через них электрического тока. Общее количество теплоты, выделяемое между электродами за время сварки (t_св), определяется законом Джоуля — Ленца (6.1):

При сварке двух заготовок из одного и того же металла и равной толщины:

(6.6)

где: r_д — собственное активное сопротивление заготовок; r_эд — контактное сопротивление между электродом и заготовкой; r_дд — контактное сопротивление между заготовками (рис. 6.9).

Рис. 6.9. Сопротивление участка " электрод-электрод": rд — собственное активное сопротивление заготовок; rэд — контактное сопротивление между электродом и заготовкой; rдд — контактное сопротивление между заготовками; rээ – сопротивление «электрод - электрод»; dк – условный диаметр контакта; 1 – линии тока

Общим контактным сопротивлением (r_к) называют сумму контактных сопротивлений на участках электрод-заготовка и заготовка-заготовка:

(6.7)

Изменяется площадь контакта участков " электрод — заготовка" и " заготовка — заготовка". Условный диаметр контакта d_к, изменяющийся в процессе сварки, к концу цикла становится равен диаметру рабочей поверхности d_э. На электродах с плоской рабочей поверхностью края площадки в процессе работы постепенно скругляются в результате явлений износа.

Влияние контактных и собственных сопротивлений на процесс тепловыделения целесообразно исследовать, представив уравнение (6.1) в следующем виде:

(6.8)

На сопротивления r_к и r_д влияют: свойства свариваемых материалов; форма соединяемых заготовок; усилие сжатия; неравномерность нагрева и состояние поверхности.

Контактные сопротивления сосредоточены в узкой области участков" заготовка-заготовка" и " электрод-заготовка". При этом, фактическая площадь электрического контакта (S_ф) из-за неровной поверхности заготовок и электродов, а также из-за различных неэлектропроводных поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли, адсорбированных газов и т. п. (рис. 6.10, а) значительно меньше контурной (S_к).Токпроходит по отдельным микроконтактам (S_ф)

Рис. 6.10. Схема образования контактного сопротивления: а — распределение тока в зоне соприкосновения холодных заготовок; б — распределение микроконтактов на контактной поверхности металла; 1 — неэлектропроводные и малоэлектропроводные включения на поверхности металла; 2 — свариваемые заготовки; 3 – линии тока.

Контактное сопротивление зависит от состояния поверхности контактных площадок (табл. 6.1) и от усилия сжатия (рис. 6.11).

Уменьшение r_к при увеличении усилия сжатия можно объяснить увеличением фактической площади электрического контакта за счет смятия выступов, увеличения их числа и разрушения поверхностных пленок и удаления неэлектропроводных поверхностных образований.

Таблица 6.1

Контактноесопротивление(r_к, Ом) пластин из низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм, сжатых электродами d_э = 10 мм) с усилием 2000 Н

Состояние поверхности	rк	Состояние поверхности	rк
Покрытыржавчиной и окалиной	300	Покрыты окалиной	80
Обработаны лезвийным инструментом	1, 2	Обработаны абразивным инструментом	1, 0
Обработаны травлением	0, 3	-

 

Рис. 6.11. Зависимость сопротивления участка электрод-электрод (rээ) от усилия сжатия F, кН (пластины толщиной 1+1 мм; электроды со сферической рабочей поверхностью); обработка торца электрода: 1 – лезвийная; 2 – абразивная.

Зависимость контактных сопротивлений холодных заготовок от усилия сжатия F можно оценить по эмпирической зависимости:

(6.9)

где: r_ддо — постоянный коэффициент равный: для стали (5—6) 10^-3; для алюминиевых сплавов (1…2) 10^-3; α — показатель степени, равный: для стали 0, 7; для алюминиевых сплавов 0, 8; F – усилие сжатии, кН.

После включения сварочного тока микроконтакты нагреваются, снижается сопротивление металла пластической деформации, облегчаются условия разрушения пленок. В конечном итоге сопротивление r_эд участка " электрод-электрод" определяется в основном сопротивлением самих заготовок.

Сопротивление заготовок (r_д) распределено в объеме заготовок. На этом участке выделяется теплота, описываемая вторы членом (Q_ээ.) уравнения (6.8).

При расчете тепловых процессоврассматривают сопротивление заготовок в конце их нагрева r_дк (горячее состояние контакта), используя условную схему термодеформационного состояния металла зоны сварки (рис. 6.12, а).

Рис. 6.12. Реальное соотношение размеров и температур (а) и расчетная схема (б) электрического сопротивления к концу сварки; 1, 2 – пластины; Т1 и Т2 – средние температуры нагрева пластин.

Рассматриваемое сопротивление (2r_дк) представляют как сумму сопротивлений двух условных пластин 1 и 2 одинаковой толщины, каждая из которых нагрета до некоторой средней температуры Т₁ и Т₂ (рис. 6.12, б):

(2.8)

где: ρ ₁ и ρ ₂ – удельные сопротивления пластин при средних температурах Т₁ и Т₂; k – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева пластин (для сталей k_р — 0, 85, для алюминиевых и магниевых сплавов — 0, 9.); А - коэффициент равный отношению электрического сопротивления заготовки (r_д) к электрическому сопротивлению цилиндра между электродами высотой s и диаметром d_э.

Общеесопротивление участка " электрод - электрод" в течение I и II периодов (рис. 6.8) не остается постоянным.

Первый период (рис. 6.13) характеризуется резким спадом сопротивления участка " электрод - электрод" (r_ээ) за счет снижения сопротивления участков " электрод - заготовка" (2r_эд), несмотря на незначительное сопротивления заготовок(2r_д) вследствие роста температуры металла в области контакта заготовка-заготовка.

Рис. 6.13.Изменение электрических сопротивлений при точечной сварке

В течение второго периода r_ээ практически определяется собственным сопротивлением заготовок 2r_д (так как r_дд = 0, а 2r_эд очень мало). Небольшой спад r_ээ определяется в этом периоде увеличением площади электрических контактов, диаметры которых к концу нагрева достигают значений d_э и затем d_п.

При РКСдинамика изменения сопротивления r_ээ значительно отличается от динамики при ТКС.

В течение I периода (рис. 6.14) происходит резкое падение сопротивления из-за быстрой деформации нагреваемого выступа и увеличения площади контакта.

Рис. 6.14. Изменение общих электрических сопротивлений при РКС и ШКС

Затем в периоде II значение сопротивления r_ээ стабилизируется, далее в новом III периоде вновь уменьшается, что связано с расширением контактов при образовании ядра. На конечной стадии диаметры контактов и тепловое состояние металла стабилизируются, и r_ээ изменяется незначительно.

При ШКС герметичным швом снижается роль контактных сопротивлений r_дд и 2r_эд так как начальная температура последующей точки достаточно высока. В начале цикла при сварке второй точки и последующих участков шва контактные сопротивления r_к сравнительно малы из-за пониженного сопротивления пластическим деформациям, а собственное сопротивление r_д заготовок повышено за счет высокой температуры от предыдущих точек, поэтому полное сопротивление заготовок значительных изменений не претерпевает и монотонно уменьшается вплоть до момента выключения тока.

Тепловой баланс

Выделяемая на участке " электрод-электрод" энергия Q_ээ расходуется на нагрев и плавление металла ядра Q_п:

6.10.

Оставшаяся часть теплопроводностью передается в окружающий сварную точку металл, а также электроды (Q_э), что предотвращает сквозное проплавление металла.

6.11.

Конвективным обменом и радиацией в связи с малым временем протека­ния процесса можно пренебречь.

Уравнение теплового баланса при контактной сварке (без учета расхода энергиина конвективный теплообмен):

6.12.

где: Q_орд — объемно распределенный источник; Q_пэд — плоский источник в контакте электрод-заготовка; Q_пдд — плоский источник в контакте заготовка-заготовка; Q_п — теплота, расходуемая на нагрев и плавление металла точки; Q_д — теплота, расходуемая на нагрев металла заготовок вокруг сварной точки; Q_э — теплота, расходуемая на нагрев электродов; J_св, t_св - величина и продолжительность импульса сварочного тока, А, с.

Для описания поля температур обычно используют изотермы, расположенные в проходящих через ось rсечениях(рис. 6.15).

Рис. 6.15. Расчетное температурное поле к моменту выключения тока (точечная сварка листов из низкоуглеродистой стали толщиной 12 + 12 мм)

Температурноеполе симметрично относительно вертикальной оси электродов (ось Z). При сварке заготовок одинаковой толщины плавление металла происходит в области, примыкающей к контакту заготовок (в наиболее горячей зоне) и отличающейся повышенной плотностью тока, сравнительно малыми градиентами температур и относительно небольшим теплообменом с электродами.

Ядро возникает в области контакта " заготовка — заготовка", где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. Время образования жидкого ядрав среднем равно  (0, 1—0, 5) t_св. Затем ядро растет, достигая определяемых режимом размеров. Наибольший градиент температур наблюдается в направлении оси Zи может достигать 100000 °С/см.

Температурное поле и размеры ядра можно регулировать за счет изменения величины энергетических параметров: тока; длительности его протекания и сварочного усилия.Увеличение тока приводит к росту ядра. Однако существует критическое значения тока сварки, при котором увеличение ядра приводит к выбросу жидкого металла (выплеску).

С ростом усилиясжатия ядро уменьшается за счет развития пластической деформации, увеличения площади контактов и снижения плотности тока.

⇐ Предыдущая32333435363738394041Следующая ⇒

Поделиться: