Электрические и температурные поля

Электрическое поле сварочного тока наравне с температурным полем нагрева участков свариваемых деталей и электродов определяют характер основных и сопутствующих процессов при сварке. Количественное описание процессов позволяет однозначно определить тепловыделение, пластические деформации, характер охлаждения и кристаллизации, а следовательно, прогнозировать образование возможной структуры, характер и уровень остаточных напряжений и т. д.

Электрическое поле в физике принято характеризовать распределением потенциалов отдельных точек проводника, при контактной сварке — падениями напряжения относительно нулевой точки источника питания. Графически электрическое поле изображают в виде системы эквипотенциальных линий (рис. 2.10, а) или в виде совокупности силовых линий сварочного тока (рис. 2.10, б). Линии тока идут от участков проводника с высоким потенциалом к участкам с низким потенциалом. В каждой точке силовые линии тока ориентированы нормально относительно эквипотенциальных линий, а их плотность пропорциональна местным значениям электропроводимости проводника. Значения потенциалов и плотности тока в различных точках деталей и электродов имеют существенные различия. Поэтому электрическое поле при сварке неоднородно. Неоднородность электрического поля определяется действием геометрического, температурного и магнитоэлектрического факторов.

Рис. 2.10. Электрическое поле при точечной сварке.

Геометрический фактор обусловлен значительной разницей в размерах контактов и деталей и явлением шунтирования тока. Электрическое поле симметрично относительно оси Z. Поле плотности тока определяется абсолютными значениями потенциалов и электрическими сопротивлениями в различных точках зоны сварки и электродов. Наибольшие плотности тока наблюдаются (рис. 2.10, б) в сечениях 1—1 и 111—III, вблизи границ контактов в результате частичного распределения (растекания) тока в деталях и электродах и концентрации на границах. В сечении И—И плотность тока практически одинакова в окрестностях оси Z и монотонно убывает до границ контакта. Неравномерность электрического поля возрастаете уменьшением отношения djs. Например, при djs = 3,3 около 25% тока протекает вне поверхности цилиндра с основанием rf, а при djs = 5 — лишь 15%. Характер поля зависит также от диаметра электрода, расположения в нем охлаждающего канала.

Температурный фактор проявляется в обтекании током более нагретых участков соединения, отличающихся повышенным сопротивлением, в условиях неравномерного температурного поля и распределения электрических сопротивлений зоны сварки. Наиболее существенно это явление проявляется при наличии расплавленного ядра (рис. 2.11), удельное электрическое сопротивление которого в 1,5−2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока в сечении II—II (z = s/2) вблизи границ ядра заметно повышается (на 25% и более) по сравнению с рассмотренным ранее случаем равномерно нагретых деталей и снижается над ядром. Во многом аналогичная картина отмечается и в сечении II1−1II (г = 0). Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует его расширению в направлении оси г по мере роста диаметра ядра.

Рис. 2.11. Распределение плотности тока в сечениях детали при наличии жидкого ядра.

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта (переменный ток высокой частоты при протекании по проводнику распределяется не равномерно по сечению, а преимущественно в поверхностном слое), эффекта близости (сжатие линий тока собственным магнитным полем) и т. п., мало влияет на характер электрического поля, за исключением случая сварки токами повышенной частоты. При шовной сварке электрическое поле носит сложный характер в связи с шунтированием тока в ранее сваренные точки.

Температурное поле — совокупность температур в различных точках свариваемых деталей в отдельные моменты времени. Это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи и изменяется походу сварки. Выделение теплоты вызвано действием ряда источников.

Основной источник — источник, объемно распределенный в деталях на участке электрод—электрод с удельной мощностью/р (J— плотность тока).

Второстепенные источники тепла — плоские источники с удельной мощностью /гц/ (кс1_к²/4) и/г_э/(nd_K²/4) (где d_K — диаметр контакта), связанные с генерированием тепловой энергии на контактных сопротивлениях.

Еще один плоский источник тепла обусловлен эффектом Пельте. Эффект проявляется в выделении или поглощении тепла на границах фаз (например, твердая и жидкая фазы) либо в контакте разнородных материалов. Сущность данного эффекта: если ток направлен так, что электроны переносятся из металла, где их энергия выше, то тепловая энергия выделяется.

Температурное поле при точечной и шовной сварке характеризуется чрезвычайно быстрым изменением температур во времени и весьма значительной неравномерностью.

Температурное поле при точечной сварке (рис. 2.12) симметрично относительно оси г, и температура зависит лишь от двух координат — z и г. Для описания поля температур обычно используют изотермы, расположенные в проходящих через ось г сечениях. В силу указанной симметрии изотермы в сечениях, параллельных поверхности деталей, имеют форму окружностей. При сварке деталей одинаковой толщины плавление металла происходит в области, примыкающей к контакту деталей (в наиболее горячей зоне) и отличающейся повышенной плотностью тока, сравнительно малыми градиентами температур и относительно небольшим теплообменом с электродами.

Рис. 2.12. Расчетное температурное поле к моменту выключения тока (точечная сварка листов из низкоуглеродистой стали толщиной 12+12 мм).

Ядро возникает в области контакта деталь — деталь, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. Расплавленное ядро образуется лишь спустя некоторое время с момента включения тока, составляющее в среднем (0,3−0,5) < t_CB. Затем ядро растет, достигая определяемых режимом размеров. При высокой скорости нарастания тока (большой крутизне фронта нарастания импульса) ядро увеличивается быстрей. Обычно температурное поле рассматривают в момент выключения тока, так как в это время температуры, как правило, достигают максимальных значений. Около ядра изотермы представлены в виде замкнутых кривых линий, на удалении от него — это почти прямые линии, перпендикулярные оси г.

Наибольший градиент температур наблюдается в направлении оси z и может достигать 100 000 °С/см. Весьма характерна максимальная температура в контакте электрод-деталь. Обычно считают, что она достигает 0,5 Т),., свариваемого металла. Эта температура возрастает при увеличении длительности импульса и теплопроводности (температуропроводности) металла. На рис. 2.12 приведено положение изотерм при точечной сварке низкоуглеродистой стали перед началом охлаждения и кристаллизации.

Температурное поле и размеры ядра можно регулировать за счет изменения величины энергетических параметров:

• • тока и длительности его протекания;
• • сварочного усилия.

Увеличение тока приводит к росту ядра. Однако при данных длительности импульса и усилии диаметр ядра имеет предельное (критическое) значение, так как дальнейшее повышение /_св приводит к выбросу жидкого металла (выплеску).

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