Общее электрическое сопротивления зоны сварки

Многочисленными исследованиями процесса КТС к настоящему времени однозначно установлены зависимости электрического сопротивления участка электрод–электрод r _ЭЭ от основных факторов, воздействующих на него при точечной сварке. В общем случае величина r _ЭЭ и ее изменение при КТС зависят от параметров режима сварки, толщины деталей и свойств их металла, формы и размеров рабочих поверхностей электродов. Наибольшее влияние на исходную величину электрического сопротивления участка электрод–электрод r _ЭЭ оказывают свойства материала деталей, состояние их поверхностей и время t _В выдержки деталей от момента зачистки до сварки, усилие сжатия электродов F _Э, форма и размеры их рабочих поверхностей (d _Э или R _Э).

С увеличением усилия сжатия электродов F _Э исходное электрическое сопротивление участка электрод–электрод всегда уменьшается
(рис. 2.21). При этом одновременно с уменьшением величины r _ЭЭ уменьшается и разброс его значений, т. е. повышается их стабильность. Именно поэтому применение повышенного усилия сжатия электродов является одним из основных и наиболее простых технологических приемов, которым в практике КТС повышают стабильность показателей качества получаемых сварных соединений [2, 3, 8…11, 14…17].

С увеличением времени выдержки деталей от момента зачистки до сварки t _В увеличивается как величина r _ЭЭ, так и разброс его значений. То есть в этом случае, наоборот, стабильность электрического сопротивления участка электрод–электрод уменьшается. Причем наиболее интенсивно рост величины r _ЭЭ и разброса его значений идет в первые двое – трое суток. Это обусловлено увеличением контактных сопротивлений из-за окисления свариваемых деталей, то есть ростом толщины окисных пленок на их поверхностях. Именно поэтому в практике КТС проведение технологических мероприятий (подготовки поверхностей деталей перед сваркой), направленных на уменьшение величины контактных сопротивлений и повышение стабильности их значений, является исходным условием получения качественных сварных соединений. Последнее обстоятельство особенно существенно для технологии сварки деталей из алюминиевых и магниевых сплавов [3, 9, 10, 14, 114].

При увеличении диаметра d _Э (при плоской) или радиуса R _Э (при сферической) рабочих поверхностей электродов величина r _ЭЭ несколько уменьшается. Это обусловлено увеличением площади токопроводящего сечения в свариваемых деталях. Разброс же значений r _ЭЭ при этом увеличивается, то есть стабильность их уменьшается. Это является следствием уменьшения давления в контактах, которое происходит из-за увеличения их площади при неизменном усилии сжатия электродов. Однако влияние этого фактора на процесс КТС не столь существенно, как двух описанных выше. Геометрические параметры электродов (d _Э, d _Э или R _Э) обычно выбирают по технологическим рекомендациям в зависимости от толщины свариваемых деталей (см. табл. 1.2) [3, 9, 11, 15].

При КТС в процессе формирования точечного сварного соединения величина электрического сопротивления участка электрод–электрод r _ЭЭ всегда уменьшается (рис. 2.22). В динамике уменьшения r _ЭЭ выделяют два этапа: I и II, которые существенно различаются градиентом скорости изменения электрического сопротивления участка электрод–электрод.

Этап I характеризуется быстрым уменьшением сопротивления участка электрод – электрод. В основном это обусловлено быстрым уменьшением при нагреве контактных сопротивлений r _ДД и 2 r _ЭД.

В течение этапа II величина сопротивления r _ЭЭ в основном определяется величиной сопротивления деталей 2 r _Д, так как сопротивление контактов электрод–деталь 2 r _ЭД невелико, а сопротивление контакта деталь–деталь r _ДД к этому времени уменьшается практически до нуля. В этот период характер изменения r _ЭЭ определяется в основном двумя процессами: увеличением сопротивления зоны сварки из-за его нагрева и уменьшением ее сопротивления вследствие увеличения площадей контактов. Небольшой спад r _ЭЭ на этом участке обусловлен преимущественным влиянием увеличения площади электрических контактов, диаметры которых к концу нагрева достигают значений d _Э и d _П [3, 4, 7…17, 107, 155, 156].

В общем случае характер изменения r _ЭЭ в процессе сварки зависит от свойств металла, толщины деталей, режима сварки, формы импульса тока, размеров ядра, формы рабочей поверхности электродов и т. п.

Естественно, что величина общего сопротивления участка электрод-электрод r _ЭЭ меньше для сплавов с более низким удельным электросопротивлением (сплавы на основе меди и алюминия (рис. 2.23)). Это обусловлено также и тем, что для всех толщин деталей, независимо от материалов из которых они изготовлены, отношения геометрических параметров рабочих поверхностей электродов и диаметров ядра к толщине деталей примерно одинаковые (см. п. 1.3.4, табл. 1.1 и 1.2).

С увеличением толщины деталей общее сопротивление участка электрод–электрод и конечное его значение r _ЭЭК заметно снижаются в основном за счет увеличения площади контакта в процессе сварки (см. табл. 2.4). Увеличение диаметра ядра при , которое достигается повышением силы тока или времени сварки приводит, как правило, к снижению r _ЭЭ и r _ЭЭК.

Изменение параметров режима точечной сварки оказывает заметное влияние на r _ЭЭ вследствие изменения теплового состояния металла и площади контактов. Так, увеличение F_CB или I _СВ приводит к росту диаметра контактов и снижению r _ЭЭ. Переход к режимам с большим временем сварки при сохранении одного и того же диаметра ядра также приводит к некоторому снижению r _ЭЭ и r _{ЭЭ К} из-за 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, соответственно большей плотностью тока и большей скоростью тепловыделения. Зона расплавления возникает раньше, чем при сварке электродами с плоской рабочей поверхностью, и поэтому область I на рис. 2.22менее протяженна и значения r _ЭЭ в этой области заметно выше. При этом скорость повышения r _ЭЭ возрастает с уменьшением радиуса сферы. Характер изменения r _ЭЭ области II для обоих типов электродов примерно одинаков, но в течение всего цикла сварки среднее значение r _ЭЭ при сварке электродами со сферической рабочей поверхностью на 10…15 % выше, чем при сварке электродами с плоскими рабочими поверхностями.

Таблица 2.4

Значения r _{ЭЭ К} в конце процесса КТС

Таким образом, основным фактором, дестабилизирующим электрическое сопротивление зоны сварки (участка электрод–электрод) и, в конечном итоге, параметры качества получаемых соединений, является в основном электрическое сопротивление контактов. Поэтому при приближённых технологических расчётах, например, сварочного тока по зависимости (1.11), сопротивление зоны сварки r _ЭЭ обычно принимают равным его значению в конце процесса КТС r _ЭЭК. [3]

Для упрощения расчета r _ЭЭ = 2 r _Д (при сварке двух деталей одинаковой толщины) используют условную схему термодеформационного состояния металла зоны сварки. В частности, учитывая, что в контакте электрод–деталь его диаметр d_{K ЭД} примерно равен диаметру рабочей поверхности электрода d _Э (d_{K ЭД} ≈ d _Э) (см. табл. 1.1), а диаметр контакта деталь–деталь d_{K ДД} приближённо равен диаметру уплотняющего пояска d _П (d_{K ДД} ≈ d _П) и то, что d _Э мало отличается от d _П, условно принимают d _П ≈ d _Э (где d _П ≤ 1,2 d _Я). Кроме того, принимают также, что сопротивления контактов r _ЭД и r _ДД равны нулю.

При таких допущениях определяемое сопротивление r _ЭЭ представляют как сумму сопротивлений двух условных пластин одинаковой толщины s, каждая из которых нагрета до некоторой средней температуры Т₁ и Т₂ (рис. 2.24). Тогда искомое сопротивление r _ЭЭК определяется следующей зависимостью [3]:

.                    (2.18)

Удельные электросопротивления деталей ρ₁ и ρ₂ (см. рис. 2.23) определяют соответственно по температурам Т₁ и Т₂ для полулистов, прилегающих к электродам и контакту деталь–деталь соответственно (рис. 2.24). В частности, при сварке деталей из низкоуглеродистых сталей Т₁ и Т₂ принимают соответственно равными 1200 и 1500 °С, а для алюминиевых сплавов — 450 и 630 °С. Коэффициент k_P, учитывающий неравномерность нагрева деталей, для сталей принимают равным ~ 0,85, для алюминиевых и магниевых сплавов — ~ 0,9. При сварке деталей толщиной 0,8…3 мм коэффициент А. С. Гельмана А_Г (см. рис. 2.20) принимают равным ~ 0,8 [3].

Значения сопротивлений, рассчитанные по зависимости (2.18), как правило, согласуются с экспериментальными данными, в частности, приведенными в табл. 2.4.

Таким образом, электрическая проводимость зоны сварки, определяемая электрическим сопротивлением свариваемых деталей и контактов электрод–деталь и деталь–деталь, зависит от большого числа технологических факторов точечной сварки и отличается значительной нестабильностью, в первую очередь, из-за нестабильности электрических сопротивлений контактов электрод–деталь и деталь–деталь. Поэтому при приближенных решениях технологических задач КТС проводимость зоны сварки оценивают по электрическому сопротивлению только свариваемых деталей.