Каталог организаций

Нагрев металла сварочным током

Нагрев металла сварочным током. Закон Джоуля-Ленца. Электрическое сопротивление металла.

Все токоведущи элементы нагреваются электрическим током, а количество тепла, выделяемое на любом участке электрической цепи с активным сопротивлением R=R(t), которое является функцией от t и τ при токе I=I(t) в зависимости от времени t определяется законом Джоуля-Ленца:



Q=I^2Rt

Это общая формула, которая не показывает и не определяет конкретных температур в зоне соединения при нагреве его сварочном током.

Однако надо помнить, что величина R и I в значительной мере зависит от длительности протекания этого тока.

Контактные машины конструктивно изготовлены так, что наибольшее количество теплоты выделяется между электродами.

У шовной точечной сварки наибольшее количество участок электрод-электрод, общее количечтво сопротивления складываются из сопротивления электрод- деталь + деталь- деталь+ деталь+ электрод- деталь

 

Rээ= 2Rэд+Rдд+2Rд

Все составляющие общего сопротивления Rээ непрерывно изменяются в течении термического цикла сварки.

Контактное сопротивление – Rдд является самым большим по величине, т.к. контактирование осуществляется по микровыступам и площадь физического контакта мала.

Кроме того на поверхности детали присутствуют окисные плёнки и различные загрязнения.

Т.к. свариваем в основном стали и сплавы, обладающие значительной прочностью, то полное смятие микроенровностей происходит лишь при нагреве их сварочным током до тепмератур около 600градС

Сопротивление в контакте электрод- деталь значительно меньше Rдд, т.к. более мягкий и более высокотеплоэлектропроводный материал электродов активно внедряется между выступов микронеровностей деталей.

Повышенное сопротивление в контактах также из-за того, что в контактных областях резкое искривление линии тока, что определяет более высокое сопротивление за счёт увеличиния пути тока.

Сопротивление контактов Rдд и Rэд в значительной мере зависит от очистки поверхности под сварку.

Измеряя 2 пластинки, толщиной 3мм очень сильно сжатые 200Н по схеме амперметр-вольтметр, получили следующие значения:

R=U/I

Зачистка поверхностей кругом и шлифованием: 100мкОм

Вывод: шлифовать

На практике применяют травление ( при сварке больших поверхностей), обработка поверхностей металлическими щётками, пескоструйная и дробеструйная обработка.

При контактной сварке стараются применять холоднокатаный прокат на поверхности которого могут быть остатки масла.

Если нет ржавчины на поверхности, то достаточно обезжирить свариваемые поверхности.

Контактное сопротивление чистых, но покрытых окисью деталей уменьшается с ростом усилий сжатия. Это объяснятся большей деформацией микровыступов.

Включаем ток, наибольшая плотность линии тока сосредотачивается на ювенильных поверхностях. Ток через контакты, образовавшегося при деформации микровыступов.

В начальный момент времени плотность тока в материале детали меньше, т.к. линии тока распостранены относительно равномерно, а в контакте деталь- деталь ток течёт только через зоны проводимости, следовательно, плотность тока выше, чем в основной массе детали и тепловыделения и нагрев в этой области более значительны.

Металл в контакте станет пластичным. Он деформируется под действием сварочного усилия, площадь проводящих контактов будет возрастать и при достижении t=600 градС ( ерез сотые доли секунды) микровыступы полностью деформируются, окисные плёнки частично разрушаться, частично диффундируют в массу детали и роль контактного сопротивления Rдд перестанет быть первостепенной в процессе нагрева.

Однако к этому моменту температура в области контакта деталь-деталь будет наиболее высокой, удельное сопротивление материала ρ - наибольшее и тепловыделение будет более интенсивным всё равно в этой зоне.

При достаточных плотностях тока длительности его протекания именно там начинается плавление металла.

Появлению изотермы плавления именно в контакте деталь-деталь будет способствовать наименьший теплоотвод из этой области, собственное сопротивление детали.

Собственное сопротивление детали

Rд=, где

S- сечение проводника

S=

Rд = *A

Коэффициент А увеличивает растекание линии тока в массу детали, при этом происходит увеличение реальной площади растекания

dk- диаметр растекания

А= 0,8-0,95, зависит от твёрдости материала, а в большей степени от удельного сопротивления.

От соотношения dk/δ= 3-5 А=0,8

Очевидно, что сопротивление детали зависит от толщины, это учитывается коэффициентом А и от удельного электрического сопротивления материала детали ρ, оно зависит от химического состава.

Кроме этого удельное сопротивление зависит от температуры

ρ(t)=ρ0*( 1+αp*T)

В процессе сварки при протекании тока t измеряется от контактной до tпл и выше

Tпл=1530 градС

При достижении tпл удельное сопротивление скачком увеличивается.

αρ- температурный коэффициент

αρ=0,004 1/градС- для чистых металлов

αρ=0,001-0,003 1/градС- для сплавов

Значение αρ падает с увеличением степени лигирования.

С ростом температуры металл как в контакте, так и в основной массе под электродами деформируется, площадь контакта возрастает и если рабочая повехность электродов сферическая, то площадь контакта может увеличиваться в 1,5-2 раза.

График изменения сопротивления в процессе сварки.



В начальный момент времени сопротивление детали растёт вследствие увеличения температуры и роста удельного электрического сопротивления , затем метал становится пластичным и начинает увеличиваться площадь контакта вследствие вдавливания электродов в поверхность детали, а также увеличение размеров площади контакта деталь-деталь.

Общее сопротивление будет снижаться по мере выключения сварочного тока. Однако это справедливо для сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Для сварки жаропрочных Ni и Cr сплавов, сопротивление может даже вырастать.

Электрическое и температурное поле.

Закон Джоуля-Ленца Q=IRt показывает тепловыделение в токоведущих элементах, а происходят ещё процессы теплоотвода.

Благодатя активному охлаждению электродов и увеличению теплоотвода в них получаем чечевицеобразную форму литого ядра.

Но такую форму не всегда удаётся получить, особенно при сварке разнородных, разнотолщинных материалов и тонких деталей.

Зная характер температурного поля в зоне сварки можно проанализировать:

1) Размеры литого ядра.
2) Размер ЗТВ (структуры)
3) Величину остаточных напряжений, т.е. свойства соединений.


Температурное поле- совокупность температур в различных точках детали в определённый момент времени.

Точки с одинаковой температурой, соединённые линией называются изотермой.

Размер чистого ядра на микрошлифе называет изотерму плавления по границам литого ядра.

В конечном счёте на температуру и размер изотермы плавления т.е. литого ядра, влияет в основном сопротивление детали.

Основоположник- Гельман, взял две детали 2+2мм, отшлифовал, протравил и получил литое ядро; взял детали и получил тоже литое ядро.

Однако трудности, возникающие при сварке разнородных толщин вынуждают исследовать распределение тепловых полей в зоне сварки.

Плотность тока – это количество зарядов, проходящих в течение 1 секунды через малую площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов, отнесенная к длине ее поверхности.

 

Для использования вычислительной техники разбивают на большое количество ячеек (сетку)

В каждой ячейке считается ее потенциал .

h – размер ячейки сетки

По программе определяем плотность тока в каждой ячейке, строим по сечениям распределение плотности тока.

Распределение плотностей тока показывает лишь зоны, где будет происходить нагрев без учета теплоотвода, нам надо знать распределение температур в зоне сварки.

Для этого используют уравнение Фурье в дифференциальной форме:

Также по теме:

Токи шунтирования. При шовной сварке.

Свариваемость. При контактной точечной и шовной сварке.