Контактная сварка

Листать книгу

Страницы: ... ... ... ... ... ... ...

вается до температуры Tcv. Тогда энергетический баланс механического удара электродов запишется таким равенством
...
объема за счет энергии деформации; Як — коэффициент теплопроводности контакта, совершенно отличающийся от коэффициента теплопроводности металла глубинных слоев.
...
Допустим, что в объеме смятой вершины микропирамиды оказываются запрессованными все оксидные наслоения. Тогда следует сопоставить значения энтальпии ус IДж/(см3• °С) ] металла и его оксидов при Т = 900 °С:
...
теристика для контакта такой стали в 160 раз меньше. Контакт весьма нетеплопроводен. Для того чтобы определить температуру мгновенного нагрева поверхности пирамидального выступа шероховатости в момент удара по контакту электродами точечной машины, надо решить два уравнения с двумя неизвестными:
...
Рассмотрим конкретный пример точечной сварки стальны листов толщиной 4 + 4 мм. Для них следует предварительно произвести все расчеты, касающиеся вообще площадей контактиро-
...
Вычисления площадей контактирования по этим формулам, как уже отмечалось, справедливы для контактов, которые создаются статическим давлением, и весьма приближенны для условий ударного сдавливания, характерного для точечной сварки. Наименьшая неточность может быть обеспечена в том случае, если выбирать значения предела текучести металла и сопротивления деформации для шероховатостей, соответствующие максимальному наклепу металла. Принимаем следующие значения этих величин. Сила сжатия электродов 8000 Н. Предел текучести стали
...
: СтЗ от = 250 МПа. Диаметр сварной точки dT = 12 мм. Контактирующие поверхности обработаны наждачным кругом. Соответственно этому А = 60 мкм; b = 1; v = 2 (см. табл. 5 приложения). Отношение а/А
...
Действующее давление Основание пирамиды а = 2А = 0,12 см, тогда Число пирамид в границах контурного круга
...
По формуле (1.11) критерий X = 0,082. Здесь принимаем предел текучести, равный 850 МПа, соответственно наклепу, близкому к 90 %.
...
Сила сжатия, приходящаяся на единичную пирамиду, Энергия удара на одну пирамиду ■
...
Как видно, и при контактной точечной сварке ударный сдвиг в момент торможения создает мгновенную вспышку высокой температуры деформируемых выступов по плоскости свариваемого контакта.
...
Все приведенные соображения и расчеты дают основание сделать весьма существенные новые выводы о роли механических деформаций в электрических процессах в свариваемом контакте.
...
равновесие. Равновесие устанавливается не мгновенно, а вспыхивая импульсом, угасает во времени иногда в течение даже не секунд, а минут.'
...
Степень деформации, ее скорость и геометрия деформируемых микроконтактов различны. В результате между каждой парой выступов получаются различные значения термоэлектродвижущей силы. Эти разности термо-ЭДС создают уравнительные круговые токи по плоскости контакта. Еще большее усложнение вносят оксидные наслоения на металле. Связь металла с его оксидом — чисто электрическая. Всякие разрывы этой связи создают мгновенные электрические микроразряды, которые для тех же микрообъемов вызывают еще один вид активации — электроплазменный.
...
Вполне достоверно предполагать, что для окисленных поверхностей давление сдвига при ударе создает еще более активированный контакт с образованием в нем одновременно вспышек высокой температуры и плазменной среды. Одновременная и высокотемпературная, и электроплазменная активация является, вероятно, постоянно действующим фактором, определяющим прохождение тока через несзариваемый оксидированный контакт электрод — деталь при точечной сварке. В этом контакте непрерывно чередуются, при каждом ударе, разрывы оксидных пленок и новые их формирования после удара, если толщина пленки не станет столь значительной, что удар не обеспечит ее разрывов.
...
На основании изложенных выше физических соображений следует признать, что интервал времени между механическим ударом электродов и моментом включения сварочного тока не может быть любым, произвольным.
...
Все поверхностные и граничные явления, происходящие при неустановившихся состояниях на контактирующих поверхностях, имеют прямое отношение к свариваемым контактам. С этой точки зрения любой способ сварки давлением может быть назван контактной сваркой, но собственно электрическая контактная сварка отличается тем, что через свариваемый контакт специально пропускается электрический ток. Этот факт усложняет все поверхностные и граничные процессы в контакте, превращая их из физико-химических в сложнейшие электрофизические и, наконец, 'в металлоструктурные.
...
Электрический свариваемый контакт или полностью определяет энергетику сваривания, или обеспечивает значительное влияние на тепловой процесс при сварке.
...
Для того чтобы правильно управлять технологией сварки, технолог-сварщик должен отчетливо представлять сущность электротепловых процессов в контакте и правильно оценивать роль контактных сопротивлений.
...
Теория электрических сопротивлений свариваемых контактов
...
К сожалению, до настоящего времени в сварочной литературе часто встречаются такие формулы для определения электрических сопротивлений контактов, которые следует считать неприемлемыми, так как они не отражают физических процессов, происходящих в контакте. Одной из таких следует считать формулу
...
где R„ — электрическое сопротивление контакта. Ом; г,к — сопротивление контакта при единичной силе сжатия; Р — единичная сила сжатия; а — показатель степени, скрывающий влияние всех переменных — геометрических, поверхностных и любых других физических.
...
Формула (1.60) создана Хольмом — Чельчлином 60 лет назад и не для свариваемых, а для шинных контактов с болтовым креплением. Только для такого рода электротехнических контактов она и пригодна.
...
К сожалению, в современную сварочную литературу некоторые авторы настойчиво внедряют формулы, еще более лишенные всякого физического смысла:
...
где ^д — эквивалентная геометрическая составляющая полного сопротивления контакта листов при точечной сварке; d3 и б — диаметр электрода и толщина листа.
...
Опасность и вредность формул типа (1.60) и (1.61) в том, что они внушают неискушенному технологу примитивные представления о свариваемом контакте как о некоем стационарном соединении. Эти формулы закрывают перед технологом все действительные сложные взаимозависимости, благодаря которым величины электрического сопротивления контакта при одних и тех же силах сжатия могут отличаться на несколько порядков.
...
К настоящему времени достоверная теория электрических со противлении свариваемых контактов разработана пока далеко не полно, и те теоретические материалы, которые излагаются ниже, могут считаться достаточными только для сегодняшней технологии.
...
Определим, что такое электрическое сопротивление металлического контакта. Как видно, эта характеристика представляет собой частное от деления приложенного к контакту электрического потенциала UK
...
Следует подчеркнуть, что все физические микроявления в плоскости контакта практически не управляются и не регулируются посредством макроскопических средств. Поэтому в технологической практике придают большое значение стабилизации состояния металлических поверхностей контактаруемых деталей. Однако ни механические, ни химические способы зачистки металла не способны устранить значительную геометрическую и физическую неопределенности поверхностей в зоне контактирования. Так, табл. 5 приложения, показывающая параметры шероховатостей, содержит элементы заметной неопределенности: достаточно посмотреть на возможные размеры высоты и основания пирамид. Мало того, пирамидальное моделирование — это весьма идеализированное моделирование действительности. Механические свойства металла микропирамид тоже весьма неопределенны, так как зависят не только от степени искаженности и дефектности кристаллических организаций, но и от степени насыщенности пирамид оксидными включениями.
...
Структурная нестабильность металлических поверхностей обусловливает и еще одну неопределенность — разброс значений удельного сопротивления пирамид. Так можно ли и нужно ли ставить задачу создания для технологов расчетных систем по определению электрических сопротивлений свариваемых контактов? Безусловно нужно, но не для расчетов. Это необходимо для того, чтобы расчет-, ные формулы возможно более наглядно показывали взаимосвязь Друг с другом большого числа переменных, определяющих контактирование. Теоретические формулы должны показывать и все вероятностные неопределенности, которые могут помешать установить действительные искомые характеристики. За многие десятки лет технологической деятельности автор не знает случаев, когда цеховой или лабораторный технолог производил бы расчеты
...
Правильное же понимание физической сущности электротепловых процессов немыслимо без тех теоретических расчетных формул, которые на сегодня могут считаться достоверными. При этом неоднократно приходится прибегать к использованию понятий подобия и к некоторым аналогиям. Вполне, например, допустимо провести аналогию между течением по трубе вязкой жидкости и течением электрического тока по проводу. Эту анало
...
Рис. 1.19. Модель струйного движения вязкой жидкости по трубе (справа) и течение электрического тока через контакт (слева)
...
Обратимся к модели стыкового контакта, показанного на рис. 1.8. Относительно контурной площади контакта линии электрического тока искривляются так же, как струи жидкости, протекающей сквозь диафрагму. Что же касается группы элементарных площадок контакта ААГ,
...
Рис. 1.19. Модель струйного движения вязкой жидкости по трубе (справа) и течение электрического тока через контакт (слева)
...
где ггс — геометрическая составляющая полного сопротивления стыкового контакта ^кс (эта составляющая определяется искривлением линий электрического тока, определяемым контурной площадью контакта); гмг — внутреннее сопротивление контакта, которое создается искривлением линий электрического тока при протекании через микроконтакты шероховатости. Равенство (1.63) соответствует случаю контактирования идеально чистых метал-, лических поверхностей.
...
Если же шероховатая поверхность к тому же покрыта физически ощутимым слоем оксида, то сумма (1.63) усложняется еще двумя слагаемыми: сопротивлением материала самой оксидной пленки гпл и полярным сопротивлением границы оксид — металл ггрт. Эта последняя составляющая полярна по той причине, что каждый оксид — это полупроводник, и на границе его с чистым металлом создается электронно-дырочный переход. Мало того, если где-то в плоскости контакта возник островок расплавленного металла, то и граница жидкого металла с твердым тоже представляет собой полярное электрическое сопротивление. Всякая граница структурно различных объемов в металле, а также граница химически различных веществ является физическим контактом. Само собой разумеется, что количественный учет сопротивлений '"пл. ^грт
...
Если определить сумму тех главных и основных составляющих полного сопротивления контакта, о которых технолог должен помнить постоянно, то для стыкового контакта
...
Расчет первой составляющей, как будет показано ниже, обеспечивается с достаточной инженерной точностью. Расчет второй составляющей, как уже отмечалось, содержит ощутимую неопределенность. Третья составляющая вообще, пока уверенному расчету не поддается.
...
Для отчетливого представления об электрических сопротивлениях контактов или целых фигур сложной формы, которые приходится подвергать нагреву, необходимо установить: что же такое есть «искривление линий электрического тока» и почему это определяет местную концентрацию электрического сопротивления.
...
Каждый из стержней рис. 1.21, в оказывает ..сопротивление: Однако общее сопротивление rj_4 не будет равно их сумме:
...
Этот факт объясняется тем, что между точками 2—4 будут существовать искривленные линии тока, а по плоскости перехода будет иметь место еще и эффект концентрации плотности тока по границе перехода (рис. 1.21, г).
...
Рис. 1.21, г и особенно рис. 1.21, д наглядно показывают, что геометрия детали и геометрия области распространения линий тока могут решительно отличаться друг от друга. Следовательно, электрическое сопротивление всякого проводящего участка надо определять не по геометрии этого проводника, а по геометрии пространства, в нем, охватываемого линиями тока.
...
Принимая во внимание рассмотренные принципы растекания тока в металле, можно вернуться к понятиям контактных сопротивлений. Теперь уже ясно, что. измеряя полное сопротивление стыкового контакта, мы учитываем все макро- и микроискривления линий электрического тока и можем судить, насколько эта кривизна велика при ступенчатом изменении малого диаметра d на большой D.
...
Если металлические поверхности идеально очищены от оксидных пленок и если оказалось, что по контурному кругу диаметром d детали сварились, то сопротивление стыкового контакта по формуле (1.63) превратится в /?кс = ггс.
...
Эта формула отвечает, как видно, физическому смыслу изменения величины ггс для любого значения р и любого размера d.
...
По этой формуле уже можно вычислять изменения величины ггс при изменении температуры. С другой стороны, изменение полного сопротивления стыкового контакта от температуры можно установить экспериментально. Для этой цели снимают осциллограммы: ик
...
Рис. 1.22. Изменение полного сопротивления стыкового контакта от тем пературы в плоскости контакта (зависимости построены по осциллограммам
...
Рис. 1.23 Расчетно-графическое определение составляющей по зависимостям, приведенным на рис. 1.22, и по формуле (1.72) (стыковое соединение стержней диаметром 1,2
...
с квадратным основанием. Если единичная пирамида деформируется в контакте с плоскостью, то ее электрическое сопротивление согласно формулам (1.65) и (1.68) будет равно (см. рис. 1.3).
...
Формула (1.75) содержит, по крайней мере, три неопределенности: различные условия контактирования шероховатостей и неопределенность размеров пирамид (см. табл. 5 приложения).
...
Если все пирамиды по размерам условно считаем одинаковыми, • то общее электрическое сопротивление контактирующих микропирамид таково:
...
Рис. 1.22. Изменение полного сопротивления стыкового контакта от тем пературы в плоскости контакта (зависимости построены по осциллограммам
...
где р/от — отношение давления, действующего на контурную площадь контакта, к пределу, текучести сильно наклепанного металла. Формула (1.78) показывает, что величина рд тоже вносит в расчет значительную неопределенность. Практически эта характеристика во много раз больше удельного сопротивления самого металла деталей: для металла, зачищенного наждачным кругом, — в десятки раз, для холодного проката — в тысячи раз.
...
Все неопределенности, содержащиеся в формуле (1.75), показывают, что практические расчеты микрогеометрического внутреннего сопротивления контакта по формуле (1.77) возможны только с помощью ЭВМ. Однако существующая технологическая практика пока что таких задач перед технологами не ставит. И тем не менее формулы такого типа, как (1.77), необходимо иметь в виду и технологу, поскольку формулы показывают достоверную теоретическую связь многих переменных, определяющих и поясняющих нестабильность начальных сопротивлений контакта.
...
Рассмотрим, как формула (1.77) отображает процесс деформации пирамид шероховатости и тем самым процесс изменения их электрического сопротивления. При полном смятии пирамиды, т. е. превращении ее в параллелепипед, / = А/3. Относительная деформация при этом, согласно определению (1.3), (1.4), / = = А (1 — е), тогда е = 2/3.
...
Эта формула относится к тому конечному моменту деформации пирамид, когда все они как геометрические фигуры исчезли и создали сплошной слой деформированного металла толщиной от А/3 до 2А/3 (рис. 1.24, а
...
Рис. 1.24. Схема деформации пирамид шероховатости при точечной сварке и формирование из них расплавленного диска высотой h
...
Рассматривая деформацию пирамид как процесс ударного осаживания, можно из равенства (1.32) определить для любой единичной пирамиды
...
Формула показывает неограниченную возможность нагрева деформируемой пирамиды при достаточно высокой скорости ее деформации. Если учесть определение (1.5), то формулу (1.81) можно переписать так:
...
Она показывает., как влияет характер шероховатости на температурные вспышки в плоскости контакта при ударном сдавливании деталей. До сих пор в технологии контактной сварки никто не принимает в расчет бесспорный факт возникновения вспышек температуры в плоскости контакта. Никакая точечная машина не прикладывает давление электродов медленно, статически. Давления прикладываются безусловно и во всех случаях ударно. Отсюда практический вывоД: наиболее достоверные измерения контактных сопротивлений получаются осциллографированием процесса сваривания точки непосредственно на точечной машине. Измерение контактных сопротивлений на каких-либо отдельных приборах при статических давлениях не соответствует реальной действительности.
...
сравнению с контактами стыковыми. Здесь требуются дополнительные пояснения, и притом достаточно подробные. Прежде всего уточним, что мы измеряем при точечной сварке, если речь идет о сварке деталей и шероховатых, и не свободных от оксидных наслоений. В этом общем случае полное сопротивление контакта можно записать равенством, аналогичным (1.64), но только с индексом, указывающим на точечную сварку:
...
Этот вывод проверен многолетней практикой и, таким образом, электрическое сопротивление ядра сварной точки в момент выключения тока можно определить достаточно точно. Моделируя ядро как цилиндр диаметром dT и высотой h
...
Обратимся теперь к типовым зависимостям RKT от времени при точечной сварке, одна из которых представлена на рис. 1.26. Для чистых металлических поверхностей эта зависимость представлена кривой 2, для поверхностей с заметным слоем оксидной пленки — кривой /. В обоих этих случаях при правильном программировании сварочного тока может быть получена сварная точка одного и того же размера, соответственно чему и конечное значение гт будет одинаковым.
...
Построив по данным типовых осциллограмм зависимость £?кт от температуры в плоскости контакта, получим типовую кривую, показанную на рис. 1.27 (для точечной сварки СтЗ толщиной 4 +4мм). Здесь вычисление составляющей ггт нельзя вести с такой же уверенностью, как это делалось для величины ггс при стыковой сварке. Размер области растекания Ьг (см. рис. 1.25, а)
...
1. И экспериментальные, и расчетные определения значений электрических сопротивлений холодных контактов любой конструкции представляют собой весьма неопределенные характеристики. Ориентироваться на них в технологических расчетах — это значит мириться с заведомыми, почти во всех случаях нетерпимыми неточностями.
...
2. Ценность теоретических расчетных формул в том, что они показывают отчетливые взаимосвязи главных переменных, определяющих не только статические состояния металлических свариваемых контактов, но и, самое главное, динамику контактирования на всем протяжении процесса сваривания контакта.
...
3. Для точечной сварки все расчетные соображения по свариваемому контакту весьма рационально ориентировать на электрическое сопротивление контакта в момент выключения тока, что численно с достаточной точностью определяется электрическим сопротивлением расплавленного ядра, моделируемого как цилиндр диаметром dT и высотой h.
...
Вопросы нестабильности сопротивлений начальных холодных контактов еще раз будут рассмотрены в дальнейшем, когда речь пойдет о программировании режимов точечной сварки. Там же будут рассмотрены и вопросы полярности контактных сопротивлений, а также характеристики электрических несвариваемых контактов.
...
До сих пор в описаниях технологии контактной сварки преобладает констатация чисто внешних, явно видимых и легко измеряемых переменных: это осадочное давление, сила сварочного тока и время его действия. Такого рода макромасштабные переменные и записывались в технологические рекомендации. Однако всякий такой параметр и каждый макромасштабный результат определяется, формируется и, по сути дела, целиком зависит от множества тех физических процессов в микромире, которые технологу не только нельзя измерить, но и как-то ощутить. Значит, для глубокого понимания процесса технолог должен получить представление, хотя бы в самом грубом приближении, о физической картине явлений, происходящих при сварке в металле. Все сварочные процессы являются энергетическими не только с внешней, легко наблюдаемой стороны. Формирование сварного соединения — это во всех случаях внутренняя, микромасштабная, физическая -энергетика. Для контактной сварки особый интерес представляют два вида энергии: механическая и электрическая. К настоящему времени программирование электрической энергии доведено в контактных машинах до самых высоких степеней совершенства. Механической энергии отводилась роль второстепенная. Сейчас 58
...
этот факт уже становится препятствием для создания новых способов сварки. Сварочная технология в современных условиях может использовать механическую энергию в каких угодно количествах, по любой программе ее действия.
...
Рассмотрим конкретный пример — стыковой контактной сварки. Для осадки нагретых стержней используют некоторую осадочную силу Р,
...
где ус — теплосодержание единицы объема металла, отнесенное к градусу Цельсия; S — площадь поперечного сечения свариваемых стержней; Гср — средняя температура, какую получает весь нагретый металл за счет энергии осадки Ph.
...
Для стали СтЗ, например, чаще всего рекомендуется величина энергии осадки р = 50Дж/см3. При ус = 5 Дж/(см3-°С) нагретый объем стержней получит в среднем температурную добавку за счет энергии осадки не более 10 "С. Становится удивительным, зачем же вообще эта осадочная операция с ее 10-градусной добавкой температуры.
...
Для оценки важности нагрева за счет осадочной операции следует рассмотреть, чем заканчивается операция осадки по самой плоскости контакта. Осадочная осевая сила в плоскости контакта превращается в радиально расходящуюся, вызывая радиальный сдвиг металла в плоскости контакта. И вот этот сдвиговый эффект, завершающий любой процесс сварки давлением, и есть тот необходимый энергетический, но уже кристаллически микромасштабный всплеск энергии. В дальнейшем будет показано, какие ощутимые температурные импульсы в масштабах элементарных кристаллов создают сдвиговые эффекты, чем вообще завершаются все процессы сварки давлением.
...
Рассмотрим обычный процесс стыковой сварки несколько подробнее с учетом физического воздействия на свариваемые детали каждого вида энергии. Стержни неравномерно нагреты, волна теплопроводности направлена от свариваемого контакта к зажимным губкам, звуковая волна от механической осадочной силы направлена в обратную сторону — от губок к плоскости контакта. Обращается внимание на то, что в описании действия двух видов энергии приходится переходить на волновой язык. Это вызвано тем, что все реальные частицы кристаллической структуры (атомы и свободные электроны) находятся в непрерывном колебании. Этот факт определяет непрерывный волновой поток энергии от уровней большого энергетического возбуждения к меньшим, еальные частицы (атомы, свободные электроны) обладают не
...
только переменной энергией, но и переменной массой. Кроме реальных частиц признаны действующими в кристалле и квазичастицы. Первая из них — фотон — частица электромагнитной (в том числе лучевой) энергии. Частица эта может обладать любой энергией и, следовательно, любой частотой колебаний. Фотон в области сварки сегодня уже очень распространенный «работник», о котором сейчас говорят, имея в виду лазерную технологию.
...
Однако волновое поле в металле создает и механическая энергия. Эти поля в зависимости от частот являются звуковыми, ультразвуковыми и гиперзвуковыми. Вполне естественно было.признать, что для звуковых волновых полей должна существовать своя элементарная квазичастица — носитель энергии. Эту квазичастицу назвали ф о н о н. Она является элементарным квантом звуковой энергии, т. е. энергии механических колебаний. Согласно идеям волновой (квантовой) механики, каждой движущейся микрочастице соответствует определенная волна. И, наоборот, любой волновой поток мы можем представлять как движение массы частиц реальных и квазичастиц.
...
Если признать существование фононов, то любой металл, да и вообще твердое тело, иногда можно рассматривать как объем, наполненный движущимися идеальным «газом» фононов с различной энергией. Понятие газа в данном случае такое же условное, какое иногда допускают для понятий «электронного газа», реже для металла и очень часто для полупроводников. Разница между фононным и обычным газом реальных частиц весьма существенна и очень интересна. В каждом замкнутом сосуде число обычных газовых частиц неизменно. Что же касается фононного газа, то в любом металлическом объеме посредством энергетического и, в частности, механического воздействия на этот металл можно создать любое число фононов, с любыми энергиями каждого.
...
Представления о фотонных (лазерных) процессах для нас давно уже стали привычными и понятными. Нас не удивляет, как фотонные потоки лазерного (квантового) луча обрабатывают и металлические, и неметаллические детали. Фонон для нас — квазичастица, удобная для понимания многих механических и тепловых процессов при сварке. Первый закон термодинамики, особенно хорошо изученный для макроскопических масштабов, определяет привычный кругооборот энергий: механическая энергия превращается в тепловую. Этот же закон природы можно формулировать и для микромасштабов, используя понятие фононов.
...
Фононная волна или фононный поток обладает направленной энергией. Эту энергию мы создали в металле механическим ударом по нему с той или иной скоростью. Фононный волновой поток передает энергию от кристалла к кристаллу. Фонон (подобно фотону) электрическим зарядом не обладает. Соответственно этому фонон может сталкиваться с любой заряженной частицей: электроном, протоном, ионом. При каждом столкновении фонон передает свою энергию и исчезает даже как квазичастица. Фононная волна пере-60
...
носит механическую энергию, передает ее реальным частицам кристалла и обеспечивает увеличение энергии этих реальных частиц, что в общей массе частиц мы и определяем понятием температуры.
...
Возвращаясь теперь к нашему конкретному примеру стыковой сварки, рассмотрим его уже с позиций физических понятий. Не касаясь пока самого процесса электронагрева, рассмотрим конечный результат нагрева стержней и их осадки; т. е. переход механиче-1 ской энергии в тепловую. Вопрос теперь можно поставить так. Если по старой привычной технологии стержни в плоскости контакта нагревали до высокой, может быть близкой к плавлению температуры, то тем самым доводили частицы кристаллической решетки приблизительно до таких частот колебаний относительно их равновесного положения в кристалле:
...
Нагрев до плавления, т. е. до белого свечения металла, создает атомную частицу с частотой только до 7,6-1013 Гц. А вот что касается механической энергии, то она посредством мощного ударного потока фононов может довести частоту колебаний атомов до 1016 Гц, т. е. даже превысить частоту ультрафиолетовой активации. Такие именно картины характерны для сварки взрывом.
...
Что же касается рассматриваемого примера контактной стыковой сварки, то, как было подсчитано, среднее значение температуры нагретого металла от действия механической осадки ничтожно. Но среднее значение относилось к довольно большому объему нагретого металла и расчет этой средней температуры никак не отобразил внутреннюю физическую картину в микроскопическом масштабе. А в этом масштабе происходят весьма интересные процессы: осадочная энергия создает два волновых, встречных фононных потока. Эти волновые потоки, кстати сказать нелинейные, тормозятся, сталкиваясь в плоскости контакта и дают концентрированный энергетический всплеск именно по плоскости сваривания. Этот энергетический всплеск и обеспечивает сдвиговый эффект, который в масштабе тонкого слоя элементарных кристаллов создает значительно больший температурный импульс, чем среднее значение температуры. Разумеется, чем меньше скорость осадочной операции, тем слабее фононный поток, ею созданный. При ударно-стыковой сварке с использованием разряда конденсатора слой кипящего металла выбивается из плоскости контакта и только за счет ударно-волнового всплеска фононной энергии удается безупречно сваривать самые кристаллически неродственные металлы.
...
с их многочисленными посторонними атомами и большим числом микродефектов длина свободного пробега фононов и электронов приблизительно одинакова. Отсюда вклад фононов и электронов в процесс теплопроводности равновелик. Здесь, кстати, уместно определиться в понимании физической сути пластической деформации металлических деталей: любая пластическая деформация нарушает стабильную до того электрическую структуру металла. I
...
Таким образом, с позиций физической сущности любого процесса сварки, в котором действует только лишь одна механическая энергия, нельзя вести о ней речь только с понятий механической силы. В самом металле эта механическая сила превращается в активатор электрических и эквивалентных тепловых эффектов.
...
Теперь рассмотрим физический смысл процесса электрического нагрева того же нашего стыкового соединения, о котором шла речь выше.
...
При малых токах слабое электрическое поле, действующее на сравнительно тяжелые атомы, неспособно обеспечить достаточно сильный сварочный нагрев. Однако токи большой сварочной силы уже настолько активируют электронные плотности (электронный газ), что их направленное перемещение начинает захватывать даже связанные с ними атомы. И вот эффект хотя и волнового процесса, но идет уже частично с переносом вещества. Сильные токи обеспечивают иногда и весьма заметную электродиффузию, т. е. электроперенос. Джоулево тепловыделение при больших плотностях тока заметно отличается от того же эффекта при токах малой плотности. Удельное сопротивление за пределами точки плавления резко увеличивается. Так, в частности, для медных проволок
...
удельное сопротивление в момент начала плавления равно 8мкОм-см, в конце плавления оно возрастает до 20мкОм-см, а к началу испарения становится близким к 40мкОм-см.
...
Аналогичное изменение проводимости известно и для сталей, чего нельзя не учитывать при стыковой и точечной сварках. Для стыковой сварки — это эффект взрыва перемычек при оплавлении, для точечной — это выплески металла из зоны плавления ядра сварной точки.
...
По-видимому, вполне уместно перед рассмотрением вопросов теории не только механического, но и свариваемого контакта сформулировать некоторые общетеоретические выводы о взаимодействии одновременно механической и электрической энергии с металлом, независимо от того, о каком металле идет речь. Прежде всего привычное и сотни раз в день повторяемое в цеху понятие «температура металла» иногда полезно заменить понятием «активация металла». В последнее понятие входят все способы нагрева и тем самым все виды энергии, какие можно вложить в зону свариваемого контакта.
...
Как было показано выше, и механическая, и электрическая энергии в кристаллах делают одну и ту же сложную работу: повышают частоту колебаний частиц решетки, обеспечивают волновое движение энергии от кристалла к кристаллу, создают передвижение частиц в виде отдельных их перескоков или групповое, дислокационное движение вещества. Механизм действия электрической энергии — это возбуждение волнового процесса электронных плотностей свободных электронов. Через воспринятый ими энергетический заряд активируются уже частицы кристаллических организаций, обеспечивая тем самым все виды движения энергии по трем степеням свободы, с разными частотами. Механическая энергия не может непосредственно воздействовать на электронные плотности свободных электронов. Она создает волновые фононные потоки, а фононы с их любой, самой высокой энергией активируют электронные плотности, исчезая в момент передачи электрону своего энергетического заряда.
...
Как видно, суммировать электрическую и механическую энергию в зоне свариваемого контакта технолог может неограниченно, комбинируя эти виды энергии в количественном соотношении.
...
Несмотря на довольно грубые упрощения изложенных здесь физических процессов, наблюдающихся в металле при сварке, на их основе можно сделать практические выводы. Самый главный из них: металл различает все виды энергии, какие с ним взаимодействуют. Однако в макроскопическом масштабе (внешне) на вложение в зону свариваемого контакта любой энергии металл отвечает однозначно — нагревом. Это и есть суть первого закона термодинамики. Но если технолог не будет различать видов энергии, ее количества в контакте и программы введения энергии, то это уже в современных условиях недопустимо.
...
давления ногой на педаль такое-то. На смену этой примитивности пришли таблицы, в которых стали уже указывать: пределы его сварочного тока, силу сжатия и время включения. Отрицать необходимость таких рекомендаций для цехового мышления пока нельзя. Нужно подчеркнуть недостаточность таких таблиц для понимания сущности процесса сварки. Табличные данные, да еще с классификациями, например, больших давлений, средних, малых, импульсных — это уже преграды для творческой мысли технолога и конструктора.
...
Изложенная выше физическая картина взаимодействия металла и энергии показывает, что нет никаких пределов для введения в контакт любой одиночной энергии или пропорционального суммирования в контакте каких угодно энергий. Всякое программирование энергий, рассчитанное технологом, должно приводить к главной цели: контакт должен быть сварен, и сварное соединение должно удовлетворять самым высоким прочностным показателям для данной конструкции.
...
Тепловые, электрические и диффузионные процессы в металле могут математически рассматриваться как потоки энергии, иногда как потоки частиц или даже как процессы массопереноса.
...
Для контактной сварки особое значение имеют некоторые характерные поточные дифференциальные уравнения. Одно из них — уравнение теплопроводности Фурье:
...
где С — концентрация вещества в исследуемом объеме; D — коэффициент диффузии, или коэффициент массопереноса.
...
где Е — электрический потенциал; р — удельное сопротивление среды; р — магнитная проницаемость; / — время; х — координата; В — магнитная индукция в металле.
...
Следует подчеркнуть очень существенное обстоятельство. Электрический ток не может существовать без магнитного потока вокруг исследуемого проводящего участка. Основная и главная роль магнитного поля каждого проводящего участка — это сжатие линий протекающего электрического тока. Если речь идет о о токе по металлическому проводнику ограниченного сечения, например по стержню, то сжатие его магнитным полем хотя и существует, но оно недостаточно для сжатия линий электрического тока в стержне, а распространение тока по сечению ограничивается габаритными размерами стержня. Если же ток проходит между двумя полюсами по среде неограниченных размеров, и притом в любой среде — металлической, газовой или жидкостной, то магнитное поле не позволит растекаться линиям электрического тока на сколько-нибудь значительное расстояние. Этим определяется, например, существование электрической, в том числе сварочной дуги. Докажем это.
...
Давление магнитного поля, создаваемого протекающим током в пространстве проводящего участка на линии этого же электрического тока, определяется следующей формулой:
...
Если бы не существовало этого магнитного давления на пространство, занятое дугой, т. е. заполненное горячим газом и плазмой, то под влиянием внутреннего, газового давления (ргаз = = LkQ) все частицы разлетелись бы в пространство. Число этих частиц, согласно числу Лошмидта, L = 6,02- 102Б частиц/м3, а давление определяется энергией kQ. В действительности магнитное давление рм и газовое ргаз уравновешиваются и получается общеизвестное соотношение
...
Таким образом, невозможно отрицать эффект сжатия линий электрического тока в неограниченной газовой, даже немагнитной среде. Очень странно в связи с этим отмечать, что факт сжатия линий тока в неограниченной металлической, да еще и магнит
...
Сравнивая уравнения (2.1)—(2.4), приходится заметить, что они отличаются друг от друга только физическими константами и природой потенциальных функций Т, С, Е и В. Формально, математически, уравнения полностью подобны. Это значит, что при одинаковости начальных и граничных условий решения конкретных задач обеспечиваются одними и теми же математическими функциями от координат и времени. Однако подобие — это не тождество, особенно для процессов физических, разных по своей природе. Для того чтобы внушить осторожность' при использовании принципов подобия, достаточно рассмотреть два разных потока, движущихся по одной и той же модели (рис. 2.1). На участках АВ по стержням ограниченных размеров оба потока (Q и /) движутся абсолютно подобно. Как только эти потоки вступают в пространство ВС, т. е. в неограниченную металлическую пластину, электрический ток выходит из этой пластины в область CD таким же по величине, каким он и вошел в нее, какие бы искривления он ни претерпел при этом внутри пластины.
...
Что касается теплового потока Q, то в пластине он потеряет значительную долю своего потенциала 2q и выйдет из пластины значительно ослабленным. Таким образом, в отличие от стержня, в пластине ВС подобия между Q и / нет. Это и понятно: тепловой поток внутри пластины не сжимается никакими силами, а электрический ток сжат магнитным полем В. Как было показано, уравнение теплопроводности Фурье дает безразмерные критерии подобия: Фурье (1.42) и М. В. Кирпичева (1.44).
...
Рис. 2.1. Схемы, показывающие отсутствие подобия между тепловым потоком (слева) и электрическим током (справа)
...
Для многих практических электротехнических расчетов академик Л. Р. Нейман ввел несколько видоизмененный критерий, который он назвал символом,
...
Если из формулы (2.12) видно, чему пропорциональна глубина проникания температуры, то формулы (2.13) и (2.14) показывают, чему пропорциональна глубина проникания электрического тока.
...
Для практических расчетов используют не полную глубину проникания тока, а только 0,63 от этого размера и называют ее эквивалентной глубиной проникания тока — 6ЗКВ
...
Таким образом, равенство (2.15) говорит о том, что абсолютная магнитная проницаемость ц. представляет собой число, показывающее, во сколько раз магнитных линий в магнитной среде, окружающей проводник, больше, чем в том же объеме, если бы он был немагнитным.
...
На рис. 2.2 для иллюстрации этой картины представлены кривые В = / (Я) для стали СтЗ [для воздуха кривая изменения В = / (Я) суть прямая под углом 45°].
...
Рассмотрим теперь картины наиболее достоверного распределения электрического переменного тока по свариваемым деталям различной конфигурации при точечной сварке, что представляет наибольший интерес. На рис. 2.3, а
...
ния металла при данной температуре и его магнитной проницаемости р.. Поскольку обе эти характеристики в процессе сварки переменны, то и размер Ь нестабилен. Формула (2.25) правильно отображает физический смысл о о ^определения по сечению металлических листов. Подобно
...
В условиях производства никаких расчетов картин растекания или концентрации тока не производят. Рассмотренные здесь примеры имеют цель дать представление об очень сложной электротепловой динамике, которая имеет место не только по плоскости контакта, но и по толщине металла. Многие расчетные формулы часто имеют большое познавательное значение, показывая, от каких именно переменных величин и в какой их связи зависят электрические, тепловые и другие процессы при контактной сварке.
...
Для технолога первостепенный интерес представляет не только распределение сварочного тока в зоне свариваемого контакта, но, во многих случаях практики, и вдали от него. Для примера на рис. 2.5 и 2.6 показаны картины распределения токов при стыковой сварке колец и при многоточечной сварке листов.
...
Для борьбы с токами шунтирования при стыковой сварке используют два способа. Первый — для кольцевых деталей малого диаметра, но больших свариваемых сечений. Для них проектируют одновременную стыковую сварку двух стыков из двух полуколец. Второй способ пригоден для кольцевых изделий большого диаметра (бочки, колеса, бандажи). В этих случаях токи шунтирования можно свести до ничтожно малого значения, посредством разъемных дросселей (рис. 2.7). Если разъемный железный сердечник надет на кольца, то он становится одновитковым дросселем, через
...
где п — число витков (п — 1); Sm — площадь сечения активного железа сердечника; /ж — длина средней магнитной линии по сердечнику (рис. 2.7).
...
Рис. 2.7. Устранение токов шунтирования при стыковой сварке кольцевых изделий посредством разъемного железного сердечника
...
Рис. 2.6. Распределение токов при многоточечном соединении
...
где Sm —= в м*; Х№ — в Ом. Если напряжение на свариваемом контакте 11
...
Шунтирование тока при точечной сварке — явление значительно более сложное. Бороться с ним физически невозможно. Поэтому представляется необходимым определять масштабы шунтирования, для того чтобы иметь представление о том, насколько может уменьшиться сваривающий ток, рассчитанный на единичную точку.
...
Рис. 2.8. Схема распределения сопро- Рис.- 2.9 График изменения эквива-тивлений и токов при точечной сварке леитной ширины ветви шунтирования с шунтированием в соседнюю точку
...
Если расчет токов шунтирования ведется для немагнитных металлов, у которых р = 1, то индуктивностью ветви шунтирования можно пренебречь и вести расчет только активного сопротивления по формуле (2.29) К сожалению, как показано ниже, величину критерия х приходится определять весьма кропотливо. Во избежание этого вместо активного сопротивления переменному гоку по формуле (2.32) или (2.33) рассчитывают сопротивление постоянному току и мирятся с тем, что расчетное значение тока шунтирования получается несколько выше действительного. Наименьшее расхождение получается, естественно, при точечной сварке униполярным или выпрямленным током.
...
Для сварки переменным током, да еще и магнитной конструкционной стали, расчет токов шунтирования может быть выполнен по следующей методике.
...
Согласно (2.18) и (2.20), имея в виду возможный максимум В = 1,8-10* Тл, подставляя значение р из формулы (2.27) в (2.22) и принимая / = 50 Гц, получаем
...
Рис. 2.8. Схема распределения сопро- Рис.- 2.9 График изменения эквива-тивлений и токов при точечной сварке леитной ширины ветви шунтирования с шунтированием в соседнюю точку
...
Для того чтобы не забывать, что токи шунтирования оказывают практически незаметное влияние на силу суммарного вторичного тока, следует привести численный пример.
...
Если иметь в виду, что индуктивные сопротивления контуров обычно раза в 3 больше активных г„, то видно, что вторичные токи /гед и /2Ш практически мало будут различаться.
...
Отсюда видно, что малое сопротивление ветви шунтирования может значительно снизить сварочный ток по сравнению с тем значением, которое рассчитано или установлено для единичной точки, т. е. когда Rm
...
Рис. 2.10. Измеренные значения вторичного тока /_а и тока шунтирования
...
токи. В сварочных контурах точечных и шовных машин изделия представляют собой фактически некоторые дроссели с переменной индуктивностью. Индуктивность оказывается переменной величиной по причине искажения симметрии плоского поля Фп, если точки ставятся от края к середине (рис. 2.11, а). Индуктивность, создаваемая за- счет кольцевого поля, переменна в зависимости от размера / — длины свариваемой детали, вдвинутой в контур машины. Оценивать величины индуктивных сопротивлений можно на основе следующих соотношений.
...
где А — радиус наиболее удаленной магнитной линии. Отсюда среднее значение абсолютной магнитной проницаемости, согласно (2.35),
...
Несмотря на то что формулы (2.41) и (2.43) дают приближенные результаты, расчет индуктивности производить необходимо, для того чтобы более достоверно определять электрические параметры сварочных машин.
...
Рис. 2.12. Различные формы кривых изменения сварочного униполярного тока от времени Г, а также изменения / при разных я
...
В современной практике контактной точечной сварки на конденсаторных машинах больших мощностей скорости нарастания вторичного тока иногда достигают десятков миллионов ампер в секунду. Такие скорости изменения электромагнитной энергии вызывают эффекты механических сотрясений токоведущих деталей. Ударные электромагнитные волны активизируют также поверхности свариваемых деталей через электронные конфигурации поверхностных кристаллических организаций. Как именно сказываются эти процессы на свариваемых контактах, еще никому не известно, т. е. исследований такого рода никто не производил. Мало того, никто еще не исследовал и электродинамический эффект взаимодействия токоведущих штанг вторичного контура в процессе нарастания тока. Существующие расчеты сил, действующих между двумя проводниками с током, относятся к стационарному значению коэффициентов самоиндукции и отображают картины для неизменяющихся токов во времени.
...
в которой / — сила тока, протекающего встречно в проводах круглого сечения, расположенных параллельно друг другу на расстоянии между осями Ь
...
Рис. 2.12. Различные формы кривых изменения сварочного униполярного тока от времени Г, а также изменения / при разных я
...
Как известно, каждый контур тока в зависимости от его геометрии и формы проводников обладает своим коэффициентом самоиндукции, в связи с чем и электродинамические силы F для разных контуров различны.
...
Формула (2.5) и вытекающая из нее формула (2.7) уже показали, что во всех зонах действия электромагнитной силы она оказывает механическое давление. Однако еще более существенную роль ударное магнитное давление оказывает на металлическую поверхность, активизируя ее и вызывая экзоэлектронную эмиссию. Кроме того, магнитное давление создает и эффект тепловыделения на металлической поверхности, который может заметно сказаться при сварке цветных сплавов на мощных конденсаторных машинах.
...
Стыковая сварка как термин установилась не потому, что геометрия деталей подсказала это название. Главное в том, что тепловые и механические, а в целом энергетические картины сваривания подчиняются расчетным соотношениям с использованием только одной координаты. С этой точки зрения вполне правомерно и не различать иногда, о какой именно стыковой сварке идет речь: с нагревом джоулевой теплотой или с использованием другого вида энергии.
...
Рассмотрим несколько подробнее вопросы энергетики свариваемых контактов, которые были затронуты в п. 1.3. Рассмотрим еще раз формулу (1.39):
...
Здесь не будут рассматриваться вопросы теории и технологии сварки газопрессовой, термитной и кузнечно-горновой. Тогда, следовательно, для контактной стыковой сварки можно ограничиться таким равенством:
...
В п. 1.3 было показано, что современные стыковые машины совсем не проектируются и не строятся с учетом того, чтобы время t00
...
ритных изделий таких машин и нельзя построить. Однако есть много деталей малой массы, которые своей малой инерцией не будут препятствовать ударной осадке. В таких именно случаях третий член равенства (2.47) способен обеспечивать заметную долю нагрева по сравнению с первым или вторым слагаемым. Первое слагаемое определяет нагрев теплотой Джоуля, выделяемой на сопротивлениях контакта RK
...
Это обстоятельство является основным для всех процессов контактной стыковой сварки. Формула (2.47) показывает, что физическая природа процесса сваривания не знает разграничений на способы, сварки; методом сопротивления, методом оплавления, ударно-стыковой и др. Разграничения такого рода введены конструкторами контактных стыковых машин: в них ограничены пределы прикладываемых давлений и, самое главное, механизмы самих машин выбираются такими, что приложение давлений происходит инерционно. В контактные стыковые машины заложены и ограничения электрических параметров. Все эти электрические и механические ограничения приучили технологов отрабатывать предельные значения силы тока и давлений. К сожалению, эти ограничения по существу противоречат физике процесса сваривания, которое обеспечивается непрерывным рядом режимов и нагрева, и давления. Именно об этом и говорит равенство (2.47). В нем целый ряд регулируемых переменных:
...
физическая природа процесса сваривания не знает разграничений на способы, сварки; методом сопротивления, методом оплавления, ударно-стыковой и др.
...
Ручная дуговая сварка за многие годы ее существования претерпела множество качественных скачков в своем развитии. Эти скачки каждый раз определялись введением в процесс какой-то новой переменной. Такими переменными были: качественное покрытие, флюсы, газовая среда и, наконец, сжатие дугового разряда, дугового пространства. Следует подчеркнуть, что последняя переменная по природе своей совсем не металлургическая, но она и дала выдающийся скачок развития совершенно особых плазменных процессов сварки и резки.
...
Контактная сварка уже давно нуждается в новой переменной, акой, судя по изложенным выше соображениям, должна быть механическая энергия во всем многообразии ее программирования. Если сегодня исходить из этих позиций, то все современные технологические схемы и литературные рекомендации выглядят не более, чем описания таких процессов сварки, которые только приспосабливаются к определенным параметрам изготавливаемых машин.
...
Из всех процессов контактной сварки стыковая в наибольшей степени занимала многих исследователей. Особый интерес вызвали электротепловые явления, связанные с нагревом свариваемых стержней. Наиболее известны теоретические расчеты К- К. Хренова, Н. Н. Рыкалина, А. И. Пугина, И. Я- Рабиновича, Т. Окамото. Решения электротепловых задач, особенно для стыковой сварки методом сопротивления, доведены до высокой степени совершенства и позволяют определять не только режимы нагрева, но и структурные картины сварных стыковых соединений.
...
Обращаясь к опытным данным, замечаем (см. рис. 1.22), что в процессе нагрева и сваривания полное сопротивление стыкового контакта падает приблизительно линейно от начального значения в холодном состоянии до нуля в момент сдавливания и сваривания контакта. Кривые, показанные на рис. 1.22 и 1.23, получены путем обработки осциллограмм процесса нагрева контакта. Эти кривые показывают, что при неизменном давлении полное сопротивление стыкового контакта меняется по такой зависимости:
...

Твердые сплавы
Цементация стали
Зварювальні матеріали
Контактная сварка
Термическая обработка в машиностроении: Справочник
Металлургия черных металлов

"Сварка-ЛИБ" - Техническая библиотека сварщика | Сварка, термообработка, материалы, металлы и сплавы

admin

Контактная сварка