При контактировании
жестких тел величина контурной площади контакта определяется геометрическими
характеристиками их поверхностей, в основном волнистостью, а также, хотя и в
значительно меньшей мере, и шероховатостью [126, 127, 130...135]. При точечной
сварке кроме волнистости и шероховатости на контурную площадь контактов
оказывает влияние распределение нагрузки, которое зависит от площади (при плоской)
или радиуса (при сферической) рабочих поверхностей электродов, и толщина свариваемых
деталей вследствие относительно небольшой жесткости последних [4, 13,81, 92,
136].
В теории контактной точечной сварки наиболее известны две методики расчетного определения контурной площади контактов АС [10, 13]:
, (2.7)
, (2.8)
где FЭ — усилие сжатия электродов; σТ — предел текучести материала деталей; Аа — номинальная площадь контакта; Z — показатель степени, который учитывает нагрузку и сопротивление деформации металла деталей
или ;
здесь α — опытный коэффициент; Т — температура в контакте; σ — удельная нагрузка: ; ТПЛ — абсолютная температура плавления металла; σСД — сопротивление деформации металла в масштабе волнистости.
Значения контурной площади АС, рассчитанные по зависимости (2.7), значительно превышают экспериментальные значения, например, приведенные в работах [92, 128, 129]. Экспериментальные данные, а также теоретические исследования [81, 136] однозначно показывают, что при точечной сварке контурная площадь практически не зависит от площади нахлестки, то есть от номинальной площади контакта Аа. Поэтому возможность применения зависимости (2.8) для практических расчетов в условиях точечной сварки весьма проблематична. Кроме того, вычисления по зависимости (2.8) весьма трудоемки, так как могут быть произведены только методом итераций, поскольку искомая величина АС входит и в правую ее часть для определения величины удельной нагрузки σ.
Сведения же о фактической площади контактов при точечной сварке и механизме ее формирования весьма ограничены. Так, в работе [92] экспериментально установлено, что она составляет 1…25 % от контурной площади контакта. При этом отмечается, что в случае сжатия деталей электродами с плоской рабочей поверхностью пятна единичных микроконтактов распределяются почти равномерно по всей контурной площади. В случае же сжатия деталей электродами со сферической рабочей поверхностью плотность единичных контактов растет к ее периферии.
Для расчета фактической площади контакта Аr в работе [13] предложена зависимость, которая структурно аналогична зависимости (2.8)
, (2.9)
где: Х — показатель степени, равный
или ;
здесь β — опытный коэффициент; σΔ — давление, действующее в площади единичного микроконтакта; ТΔ — температура микровыступов в контакте; σСДΔ — сопротивление деформации металла в масштабе микровыступов.
Расчеты фактической площади контакта Аr по зависимости (2.9) затрудняются теми же обстоятельствами, что и расчет контурной площади по зависимости (2.8). Причем определение температуры и свойств металла в масштабе микровыступов весьма неопределенно.
При сварке деталей из алюминиевых и магниевых сплавов относительные деформации микрошероховатостей на их поверхности достигают 60…70 %. Причем их значения в контакте электрод–деталь в 1,3...1,4 раза больше, чем в контакте деталь–деталь [129]. Такой уровень микродеформаций в контактах электрод–деталь может приводить к схватыванию металлов детали и электрода (по механизму сварки давлением в твердой фазе [12, 137]) и такому нежелательному при точечной сварке явлению, как массоперенос металлов между поверхностями деталей и электродов [128].
2.2.2. Формирование электрических контактов
Образование механических микроконтактов в фактических площадях контактов еще не гарантирует наличие в нем контакта электрического [4, 13]. Это обусловлено тем, что идеально чистая (ювенильная), металлическая поверхность существует только короткие моменты времени (доли секунды) в изломе металла или в первые мгновения после её механической обработки [4, 12, 13]. Очистка и предотвращение последующего возникновения поверхностного загрязнения деталей в технологических процессах сварки давлением в основном удаётся только в вакуумных устройствах [137...140]. В силу конструктивных особенностей таких устройств [141...144] использовать их при точечной сварке экономически и технологически не целесообразно.
Реальные же поверхности свариваемых деталей всегда покрыты окисной пленкой, состав и толщина которой зависит от рода металла или сплава, от состава, давления и температуры газовой фазы, а так же от продолжительности их воздействия (рис. 2.17).
На поверхности окисных пленок возможно наличие адсорбированных газов, влаги и органических веществ, и прочих наслоений [3, 4, 12, 13, 145...151]. Последние значительно затрудняют сближение металлических поверхностей, так как вещество граничного слоя при сжатии приобретает упругость твердого тела [12, 148]. Поэтому фактическую площадь даже единичного контакта условно можно разделить на три (см. рис. 2.16). К первой, Аrм — относятся участки с металлическим контактом, в которых электрический ток протекает без заметного переходного сопротивления, как это имеет место между кристаллами в компактном металле. Ко второй, Аrпл — участки с квазиметаллическим контактом, поверхность которых покрыта тонкой пленкой, легко пропускающей ток благодаря туннельному эффекту [152] или фриттинг эффекту [13]. К третьей же, Аrмо— участки, не проводящие ток и покрытые мономолекулярными плёнками (окислы, сульфаты и т. п.), которые практически играют роль изоляторов [13, 152].
С целью создания наиболее благоприятных условий для формирования электрических контактов перед их сваркой, как правило, проводят специальную подготовку поверхностей деталей, например, травление с последующей пассивацией или механическую зачистку. При этом время хранения подготовленных деталей до сварки регламентируют. А непосредственно перед ней контролируют электрическое сопротивление участка электрод–электрод [7...17, 111...115].
Таким образом, формирование контактов электрод–деталь и деталь–деталь со стабильными параметрами представляет сложную задачу технологии точечной сварки, так как этот процесс зависит от большого числа факторов, параметры которых на практике зачастую носят случайный характер и имеют большой статистический разброс: от усилия сжатия электродов и геометрии их рабочих поверхностей; от макро- и микрогеометрии поверхностей деталей; сопротивления деформации металла микро- и макромасштабах; поверхностных пленок и др.
2.3. Электрическая проводимость зоны сварки.
Электрическая проводимость зоны сварки характеризуется электрическим сопротивлением участка электрод–электрод rЭЭ (рис. 2.18).
В общем случае, электрическое сопротивление участка электрод–электрод rЭЭ представляют в виде суммы последовательно соединенных активных сопротивлений собственно свариваемых деталей rД1 и rД2, сопротивлений контакта между ними rДД, а также сопротивлений контактов между деталями и электродами rЭД1 и rЭД2 [3, 16]:
. (2.10)
При сварке деталей равной толщины и из одного и того же материала эту зависимость можно упростить и записать в следующем виде:
. (2.11)
Для определения общего электрического сопротивления зоны сварки по зависимости (2.11) необходимо в любой момент процесса сварки определить величину всех ее составляющих. Очевидно, что математически точно решить эту задачу вряд ли представляется возможным из-за чрезвычайно сложного влияния и взаимовлияния на проводимость зоны сварки параметров термодеформационных процессов, которые протекают в зоне сварки. Например, таких как нестационарный нагрев металла в зоне сварки, обусловленный процессами выделения теплоты и ее отвода в электроды и детали, изменение удельного сопротивления металла при нагреве, микропластические деформации в контактах деталь–деталь и электрод–деталь, макропластические деформации металла в зоне сварки и др. Поэтому в технологических расчетах величину электрического сопротивления зоны сварки определяют приближенно, в большинстве, по эмпирическим зависимостям.
2.3.1. Электрические сопротивления контактов при точечной сварке
Наличие электрических контактных сопротивлений обусловлено относительно небольшой площадью электрического контакта по сравнению с номинальной площадью контактирующих поверхностей. Это происходит из-за наличия неровностей на поверхностях деталей и электродов, а также из-за различных не электропроводных поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированных влаги, масел, пыли и т.п. С увеличением сопротивлений контактов, как правило, уменьшается и стабильность их значений. Большие и не стабильные значения электрических сопротивлений контактов являются основными возмущающими факторами процесса КТС, которые могут приводить не только к отклонениям параметров качества сварных соединений, но и к образованию дефектов типа выплеск или непровар. На сопротивление контактов деталь–деталь и электрод–деталь при точечной сварке наиболее значимо влияют исходное состояние поверхностей деталей и усилие их сжатия (рис. 2.19).
Влияние состояния поверхности на контактное сопротивление очень велико. При этом на его величину оказывает влияние и шероховатость поверхностей, и сопротивление деформации металла в поверхностном слое, и параметры поверхностных пленок. Увеличение параметров шероховатости, а также толщины и прочности поверхностных пленок, при одинаковых остальных условиях, приводят к увеличению контактного сопротивления в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз (табл. 2.3).
С увеличением усилия
сжатия электродов при контактной точечной сварке деталей любых толщин и из
любых материалов однозначно уменьшаются как величина сопротивления контактов,
так и разброс их значений. Такое изменение контактных сопротивлений при
увеличении усилия сжатия происходит вследствие интенсификации процессов
микропластических деформаций в контактах, которые приводят к смятию
микровыступов, разрушению поверхностных пленок и увеличению площадей
фактических контактов [3, 4, 7...17, 107...120, 153, 154].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37
