Основы теории и технологии контактной точечной сварки (стр. 11 )

2.2.1. Формирование механических контактов

Реальные поверхности деталей всегда имеют микроскопические неровности (рис. 2.15), поскольку они образуются не только при механической обработке поверхностей [12, 13], но даже и при кристаллизационных [12] или рекристаллизационных [123] процессах в металлах. Эти неровности в технологии машиностроения характеризуют шероховатостью и волнистостью. Их параметры, включая и терминологию, регламентированы ГОСТами [124, 125].

Если бы поверхности деталей были идеально гладкими и плоскими, то контакты между ними существовали бы по всей площади сопрягаемых поверхностей. Эту площадь принято называть «номинальной площадью контакта» и обозначать Аа (рис. 2.16). Следовательно, при точечной сварке «номинальной площадью контакта» Аа является вся площадь нахлестки. Наличие на поверхностях реальных деталей шероховатости и волнистости приводит к тому, контакт между ними не будет сплошным. Лишь отдельные участки поверхностей воспринимают усилия сжатия. Сумма таких дискретных площадок контакта образует «фактическую площадь контакта», которую принято обозначать Аr. Единичные пятна фактического контакта располагаются неравномерно, отдельными областями. Эти области сосредоточения пятен фактических контактов, обведенные контурами, в сумме составляют «контурную площадь контакта», которую обозначают Ас. Тогда можно считать, что при контактной точечной сварке «контурной площадью контакта» Ас является вся площадь внутри контура уплотняющего пояска. Такая классификация площадей контактов общепринята в технологии машиностроения [126, 127] и сварки [4, 12, 13, 92, 128, 129].

При контактировании жестких тел величина контурной площади контакта определяется геометрическими характеристиками их поверхностей, в основном волнистостью, а также, хотя и в значительно меньшей мере, и шероховатостью [126, 127, 130...135]. При точечной сварке кроме волнистости и шероховатости на контурную площадь контактов оказывает влияние распределение нагрузки, которое зависит от площади (при плоской) или радиуса (при сферической) рабочих поверхностей электродов, и толщина свариваемых деталей вследствие относительно небольшой жесткости последних [4, 13,81, 92, 136].

В теории контактной точечной сварки наиболее известны две методики расчетного определения контурной площади контактов АС [10, 13]:

, (2.7)

, (2.8)

где FЭ — усилие сжатия электродов; σТ — предел текучести материала деталей; Аа — номинальная площадь контакта; Z — показатель степени, который учитывает нагрузку и сопротивление деформации металла деталей

или ;

здесь α — опытный коэффициент; Т — температура в контакте; σ — удельная нагрузка: ; ТПЛ — абсолютная температура плавления металла; σСД — сопротивление деформации металла в масштабе волнистости.

Значения контурной площади АС, рассчитанные по зависимости (2.7), значительно превышают экспериментальные значения, например, приведенные в работах [92, 128, 129]. Экспериментальные данные, а также теоретические исследования [81, 136] однозначно показывают, что при точечной сварке контурная площадь практически не зависит от площади нахлестки, то есть от номинальной площади контакта Аа. Поэтому возможность применения зависимости (2.8) для практических расчетов в условиях точечной сварки весьма проблематична. Кроме того, вычисления по зависимости (2.8) весьма трудоемки, так как могут быть произведены только методом итераций, поскольку искомая величина АС входит и в правую ее часть для определения величины удельной нагрузки σ.

Сведения же о фактической площади контактов при точечной сварке и механизме ее формирования весьма ограничены. Так, в работе [92] экспериментально установлено, что она составляет 1…25 % от контурной площади контакта. При этом отмечается, что в случае сжатия деталей электродами с плоской рабочей поверхностью пятна единичных микроконтактов распределяются почти равномерно по всей контурной площади. В случае же сжатия деталей электродами со сферической рабочей поверхностью плотность единичных контактов растет к ее периферии.

Для расчета фактической площади контакта Аr в работе [13] предложена зависимость, которая структурно аналогична зависимости (2.8)

, (2.9)

где: Х — показатель степени, равный

или ;

здесь β — опытный коэффициент; σΔ — давление, действующее в площади единичного микроконтакта; ТΔ — температура микровыступов в контакте; σСДΔ — сопротивление деформации металла в масштабе микровыступов.

Расчеты фактической площади контакта Аr по зависимости (2.9) затрудняются теми же обстоятельствами, что и расчет контурной площади по зависимости (2.8). Причем определение температуры и свойств металла в масштабе микровыступов весьма неопределенно.

При сварке деталей из алюминиевых и магниевых сплавов относительные деформации микрошероховатостей на их поверхности достигают 60…70 %. Причем их значения в контакте электрод–деталь в 1,3...1,4 раза больше, чем в контакте деталь–деталь [129]. Такой уровень микродеформаций в контактах электрод–деталь может приводить к схватыванию металлов детали и электрода (по механизму сварки давлением в твердой фазе [12, 137]) и такому нежелательному при точечной сварке явлению, как массоперенос металлов между поверхностями деталей и электродов [128].

2.2.2. Формирование электрических контактов

Образование механических микроконтактов в фактических площадях контактов еще не гарантирует наличие в нем контакта электрического [4, 13]. Это обусловлено тем, что идеально чистая (ювенильная), металлическая поверхность существует только короткие моменты времени (доли секунды) в изломе металла или в первые мгновения после её механической обработки [4, 12, 13]. Очистка и предотвращение последующего возникновения поверхностного загрязнения деталей в технологических процессах сварки давлением в основном удаётся только в вакуумных устройствах [137...140]. В силу конструктивных особенностей таких устройств [141...144] использовать их при точечной сварке экономически и технологически не целесообразно.

Реальные же поверхности свариваемых деталей всегда покрыты окисной пленкой, состав и толщина которой зависит от рода металла или сплава, от состава, давления и температуры газовой фазы, а так же от продолжительности их воздействия (рис. 2.17).

На поверхности окисных пленок возможно наличие адсорбированных газов, влаги и органических веществ, и прочих наслоений [3, 4, 12, 13, 145...151]. Последние значительно затрудняют сближение металлических поверхностей, так как вещество граничного слоя при сжатии приобретает упругость твердого тела [12, 148]. Поэтому фактическую площадь даже единичного контакта условно можно разделить на три (см. рис. 2.16). К первой, Аrм — относятся участки с металлическим контактом, в которых электрический ток протекает без заметного переходного сопротивления, как это имеет место между кристаллами в компактном металле. Ко второй, Аrпл — участки с квазиметаллическим контактом, поверхность которых покрыта тонкой пленкой, легко пропускающей ток благодаря туннельному эффекту [152] или фриттинг эффекту [13]. К третьей же, Аrмо— участки, не проводящие ток и покрытые мономолекулярными плёнками (окислы, сульфаты и т. п.), которые практически играют роль изоляторов [13, 152].

С целью создания наиболее благоприятных условий для формирования электрических контактов перед их сваркой, как правило, проводят специальную подготовку поверхностей деталей, например, травление с последующей пассивацией или механическую зачистку. При этом время хранения подготовленных деталей до сварки регламентируют. А непосредственно перед ней контролируют электрическое сопротивление участка электрод–электрод [7...17, 111...115].

Таким образом, формирование контактов электрод–деталь и деталь–деталь со стабильными параметрами представляет сложную задачу технологии точечной сварки, так как этот процесс зависит от большого числа факторов, параметры которых на практике зачастую носят случайный характер и имеют большой статистический разброс: от усилия сжатия электродов и геометрии их рабочих поверхностей; от макро - и микрогеометрии поверхностей деталей; сопротивления деформации металла микро - и макромасштабах; поверхностных пленок и др.

2.3. Электрическая проводимость зоны сварки.

Электрическая проводимость зоны сварки характеризуется электрическим сопротивлением участка электрод–электрод rЭЭ (рис. 2.18).

В общем случае, электрическое сопротивление участка электрод–электрод rЭЭ представляют в виде суммы последовательно соединенных активных сопротивлений собственно свариваемых деталей rД1 и rД2, сопротивлений контакта между ними rДД, а также сопротивлений контактов между деталями и электродами rЭД1 и rЭД2 [3, 16]:

. (2.10)

При сварке деталей равной толщины и из одного и того же материала эту зависимость можно упростить и записать в следующем виде: