Основы теории и технологии контактной точечной сварки (стр. 6 )

1.3.2. Сила сварочного тока

Сила сварочного тока IСВ является одним из основных параметров режима КТС, поскольку при неизменной длительности его импульса tСВ определяет не только количество энергии, выделяющейся в зоне сварки, но и, что наиболее важно для процесса формирования соединения, градиент её увеличения по времени. Вследствие этого именно сила сварочного тока определяет скорость нагрева металла в зоне формирования соединения.

В ряде случаев сварки, в особенности при малом расстоянии (шаге) между сварными точками, сила сварочного тока IСВ, т. е. тока который протекает через зону формирования соединения и определяет тепловыделение в ней, и сила тока, который протекает во вторичном контуре сварочной машины I2, могут различаться между собой. Причиной этого может являться ток шунтирования IШ, который протекает вне зоны сварки, в частности, через ранее сваренные точки (рис. 1.10) или контакты деталь-деталь, расположенные вне зоны формирования соединения, например, при точечной сварке с обжатием периферийной зоны соединения. Таким образом, значение вторичного тока сварочной машины I2 зависит от сварочного тока IСВ и тока шунтирования IШ:

(1.9)

Ток шунтирования. Зона проводимости тока шунтирования представляет собой электрическую цепь с сопротивлением rШ, параллельную электрической цепи зоны сварки с сопротивлением rЭЭ. Вследствие этого силу тока шунтирования можно вычислить по формуле [3]:

, (1.10)

где — электрическое сопротивление шунтирующей ветви; ρ — удельное электрическое сопротивление металла свариваемых деталей;
kЭ — коэффициент ();
s — толщина детали; bПР — ширина шунта, приведенная с учётом растекания тока и равная ; dП и dШ — диаметры уплотняющего пояска и шунтирующего контакта соответственно.

Сварочный ток. От силы сварочного тока размеры ядра расплавленного металла зависят в наибольшей степени (рис. 1.9, б). С увеличением IСВ проплавление деталей А и диаметр ядра dЯ растут почти прямо пропорционально изменению IСВ.

Силу сварочного тока IСВ, по той же причине, что и tСВ, пока определяют только ориентировочно по технологическим рекомендациям или по эмпирическим зависимостям [2…4, 7…11, 13, 15…17]. В отличие от tСВ, для определения которого расчетные методики вообще отсутствуют, для определения IСВ в теории КТС предложено много самых разнообразных зависимостей, к сожалению, не отличающихся высокой точностью и универсальностью, например, зависимостей следующего вида [73...76]:

; ;

; ,

где s — толщина деталей; dЭ — диаметр рабочей поверхности электрода;
ki – опытный коэффициент; θ — температура плавления (с учетом скрытой теплоты плавления); ρ и λ — удельное электрическое сопротивление и коэффициент теплопроводности; dТ — диаметр ядра (см); ρТ — удельное электрическое сопротивление металла в момент его плавления (мкОм/см).

В практике традиционных способов КТС для сварочного импульса, длительностью tСВ, усредненную силу сварочного тока IСВ чаще всего приближенно рассчитывают по следующей зависимости, которая получена из общеизвестного закона Джоуля – Ленца [8…11, 16]:

, [3] (1.11)

где QЭЭ — количество теплоты, выделяющееся в зоне сварки, которое требуется для образования сварного соединения заданных размеров (величина QЭЭ определяется по уравнению теплового баланса (см. ниже п. 2.4.3));
mr — коэффициент, который учитывает изменение сопротивления зоны сварки rЭЭ в процессе формирования соединения (для низкоуглеродистых сталей он равен , для алюминиевых и магниевых сплавов — , для коррозионно-стойких сталей — , для сплавов титана — ; rДК — электрическое сопротивление деталей в конце сварки (определение rДК см. ниже п. 2.3.3).

1.3.3. Усилие сжатия электродов

Усилие сжатия электродов (сварочное усилие) FСВ — один из важнейших параметров режима КТС, который оказывает влияние на все основные процессы, ответственные за формирование соединения, в частности, на микро - и макропластические деформации, на выделение и перераспределение теплоты, на охлаждение металла в зоне сварки и кристаллизацию его в ядре.

С увеличением FСВ увеличиваются пластические деформации металла в зоне сварки и площади контактов, уменьшается плотность тока в них, уменьшается электрическое сопротивление участка электрод–электрод и стабилизируется его величина. Поэтому при постоянстве остальных параметров режима увеличение FСВ вызывает уменьшение размеров ядра
(рис. 1.9, в), прочности сварных точек при одновременном понижении и их стабильности. Если же увеличение FСВ сопровождается таким увеличением IСВ или tСВ, что размеры ядра остаются неизменными, то с ростом величины сварочного усилия прочность точек возрастает и становится более стабильной. [10, 77…79]

Как и сварочный ток, сварочное усилие определяют в основном по эмпирическим зависимостям, предложенным для приближенного расчета или пересчета сварочного усилия и основанным на подобии процессов КТС. Методики пересчета FСВ исходят из подобия процессов формирования соединений при сварке деталей из одних и тех же металлов разных толщин. Все они, к сожалению, также не отличаются ни высокой точностью, ни универсальностью. В частности, для пересчетов и расчетов FСВ предложены следующие зависимости [10, 15, 73, 80...82]:

; ;

; ; ;

; ,

где F0 — удельное сварочное усилие; dЯ — диаметр ядра расплавленного металла с известным FСВ; dЯ — диаметр ядра, для которого рассчитывают FСВ; P0 — удельное давление, определяемое экспериментально; dЭ — диаметр рабочей поверхности электрода; s — толщина деталей; k1 и k2 —коэффициенты, учитывающие сопротивление деформации металла и конструктивную жесткость изделия; σ02 — условный предел текучести свариваемого металла при нормальной температуре; — предел текучести свариваемого металла при температуре 300о С;

1.3.4. Форма и размеры рабочих поверхностей электродов

Форма и размеры рабочих поверхностей электродов (рис. 1.3: dЭ — при плоской и RЭ — при сферической), контактирующие со свариваемыми деталями, существенно влияют на качество получаемых сварных соединений. Увеличение площади контакта электрод–деталь, например, из-за износа рабочей поверхности электродов приводят к уменьшению плотности тока и давления в зоне сварки, а, следовательно, к уменьшению размеров ядра и снижению качества готовых точечных соединений (рис. 1.9, г).

Применяемая форма электродов зависит от свойств материала свариваемых деталей. Так, например, для сварки титановых, алюминиевых и магниевых сплавов, как правило, применяют электроды со сферическими рабочими поверхностями. Стали же, в основном сваривают электродами с плоской рабочей поверхностью.

Размеры рабочих поверхностей электродов в большинстве случаев выбирают исходя из толщины свариваемых деталей.

Радиус сферы электрода RЭ определяют, ориентируясь на конечный диаметр отпечатка и допустимую глубину вмятины, которая не должна превышать 10 % от толщины детали [83]. Исходя из этого условия предложены следующие зависимости для определения минимального RЭMIN и максимального RЭMAX радиусов рабочих поверхностей электродов в зависимости от толщины s свариваемых деталей [84]:

.

Диаметры плоских рабочих поверхностей электродов выбирают с учетом диаметров ядра, которые в свою очередь задают по толщине деталей. Значения dЭ определяют по следующим зависимостям [85, 86]: