Тепловые процессы при стыковой сварке сопротивлением

Характер изменения контактного сопротивления определяет процессы нагрева деталей в зоне сварки. Процесс тепловыделения начинается в контакте деталей и активизируется в узкой области контакта, где наблюдается интенсивный рост температуры. Большая часть теплоты выделяется за относительно короткий интервал времени, но и после снижения контактного сопротивления (практически до нуля) нагрев продолжается до конца цикла, так как эта зона нагрета больше, чем другие участки деталей. На контактном сопротивлении обычно выделяется не более 10— 15% от общего количества теплоты, генерируемого за цикл в зоне сварки.

Интенсивность тепловыделения в контакте сильно зависит от начального давления (для сталей обычно не превышает 15—30 МПа). Очевидно, что при уменьшении усилия сжатия при прочих равных условиях интенсивность тепловыделения будет возрастать, но повысится и неравномерность нагрева по сечению контакта деталей, которая связана со случайным характером распределения контактных участков. Неравномерность нагрева возрастает с увеличением сечения и особенно сильно проявляется при сварке деталей с развитым сечением. Неравномерность распределения контактных участков является серьезным недостатком процесса сварки сопротивлением.

Нагрев при сварке сопротивлением можно привести к схеме наложения двух процессов:

• 1) нагрева (до температуры Т,) бесконтактного стержня теплотой, равномерно выделяемой на собственном сопротивлении по всей его длине (рис. 3.5);
• 2) нагрева этого же стержня (до температуры Т₂) теплотой, выделяемой в стыке и распространяющейся в стороны от него.

Рис. 3.5. Распределение температур при сварке сопротивлением

Теплота, выделяемая на единице длины стержня сечением S, плотностью у, удельной теплоемкостью с и средним удельным сопротивлением р, при протекании через него тока /_св в течение /_св определяется по формуле.

Эта теплота расходуется на нагрев стержня до температуры Т_и которая описывается уравнением

где коэффициент к₂ учитывает потери на нагрев электродов (токоподводов) и в результате лучеиспускания (численное значение этого коэффициента для деталей: из углеродистых конструкционных сталей — к₂ ~ 0,75; из аустенитных сталей — к₂~ 0,9).

Из уравнений (3.1) и (3.2) находят температуру:

Температура Т₂ (х, /) в любой точке на расстоянии л: от плоскости стыка определяется аналитически в предположении, что вся теплота:

• • генерируется током за время сварки в сопротивлении контакта;
• • выделяется в нем мгновенно в начале процесса, а затем постепенно распространяется вдоль свариваемых деталей.

Рассчитанная по этой схеме температура в стыке в начальный момент достигает бесконечности. Тем не менее в представляющей практический интерес конечной стадии процесса такой расчет дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментально полученными температурами.

Температуру Т₂ (х, t) определяют по формуле.

где

р — температурный коэффициент, учитывающий изменение удельного электросопротивления при изменении теплоемкости металла; р — коэффициент, характеризующий интенсивность тепловыделения в контакте и зависящий от свойств металла и давления. Экспериментально получены следующие значения коэффициента р: для низкоуглеродистой стали — 2,5—3; стали 12XI8H9T — 0,07—0,08; алюминия — 0,34−0,36; меди — 0,4−0,15. Большим давлениям соответствуют меньшие значения р.

Поскльку процесс распространения теплоты при сварке сопротивлением описывается уравнением

то, пользуясь формулами (3.3) и (3.4), можно рассчитать по формуле (3.5) температуру в стыке и прилегающей к нему зоне в любой момент времени.