Механические и электрические процессы, протекающие в сварочных контактах в процессе формирования соединений за цикл сварки и определяющие его электрические параметры, очень сложны. Это затрудняет их математическое описание, т. е. разработку математических моделей контактов при КТС. Задача осложняется еще и неопределенностью, а также случайностью параметров, которые характеризуют шероховатость поверхностей после их технологической обработки и поверхностные пленки. Так, о реальном профиле шероховатых поверхностей авторы работы [127] замечают следующее: «…Надо обладать большим воображением, чтобы в реальных очертаниях выступов увидеть правильную геометрическую фигуру. …Существование неровностей с заостренными вершинами вообще представляется маловероятным».
Для условий точечной сварки наиболее адекватной считается ситовая модель проводимости контактов. На ее основе разработан ряд методик для расчетного определения электрического сопротивления контактов. Из них наибольшую известность получили две методики.
Одна из них — это методика Р. Хольма, разработанная им для шинных контактов и приведенная, например, в более поздней работе [152]. Эта формула затем Ф. И. Кислюком [7, 106] была введенная в теорию контактной точечной сварки и до настоящего времени не претерпела существенных изменений [3]:
, (2.12)
где rДД0 и а — коэффициенты, определяемые экспериментально; FЭ — усилие сжатия электродов.
Другая же методика, первоначально разработанная К. А. Кочергиным для стыковой сварки [107], а затем распространенная им же и на сварку точечную, учитывает в определенной мере реальные микропластические деформации в контактах. В ней микрогеометрия шероховатой поверхности моделируется правильными четырехгранными пирамидами одинаковой высоты и рассчитывается сопротивление системы этих пирамид в условиях их деформирования. По крайней мере, эта методика описывает реальные микропластические деформации качественно [4, 13]:
, (2.13)
где: ρΔ — удельное электрическое сопротивление металла в масштабе микрошероховатости; (1…2) f — толщина контактного слоя; АС — контурная площадь контакта; Х — функция нагрузки и сопротивления деформации металла (определение АС и Х см. в зависимостях (2.8) и (2.9)).
Электрические же
сопротивления контактов электрод–деталь rЭД. до сих пор, как правило, отдельно не рассчитывают. Их, по
предложению
А. С. Гельмана [155], принимают равными половине величины сопротивлений в
контактах деталь–деталь rДД, т. е.:
. (2.14)
Следует отметить, что возможность использования зависимостей (2.13) или (2.14) в современных методиках решения технологических задач точечной сварки весьма проблематична. Очевидно, что зависимость (2.12) не отражает физической сущности проводимости контактов и представляет собой функцию, аппроксимирующую экспериментальные измерения rДД. Поэтому она может быть использована только для тех условий сварки, при которых определялись её коэффициенты. Специализированных же банков данных их значений, как отмечается в работе [156], пока нет, а имеющиеся их значения не точны и зачастую представлены в некорректной форме. Это же в полной мере можно отнести и к значениям ρΔ в зависимости (2.13). Кроме того, вычисление в ней значений АС (см. зависимость (2.8)) при точечной сварке весьма неопределенно.
Таким образом, несмотря на
то, что исследования механизма формирования контактов при контактной точечной
сварке и их влияния на процесс формирования соединения весьма многочисленны и
глубоки, их, по-видимому, нельзя считать завершенными. Отсутствуют приемлемые
для решения современных технологических задач методики расчётного определения
электрического сопротивления участка электрод–электрод и, в частности,
сопротивления контактов. Так, в работе [156] при разработке современных САПР ТП
для точечной сварки рекомендуется использовать все ту же зависимость (2.12). В
работе же [4] автор зависимости (2.13)
К. А. Кочергин отмечает, что существующие методики расчетов описывают процессы,
протекающие в контактах, в основном только качественно, и точность
количественных расчетов по данным методикам весьма низкая.
Поэтому, в большинстве случаев, даже когда решают задачи по определению в зоне сварки полей распределения потенциалов и температуры в относительно точной постановке, например, численным решением дифференциальных уравнений, сопротивления контактов либо вообще не учитывают, либо задают их по зависимостям типа (2.12).
2.3.2. Электрические сопротивления собственно свариваемых деталей
Электрическое сопротивление собственно деталей — это сопротивление, которое определенным образом распределено в объеме деталей, расположенном между сжимающими их электродами.
Величину электрического сопротивления собственно детали rД в большинстве случаев определяют по методике А. С. Гельмана. Еще в 40-х годах 20-го в. им была теоретически определено распределение потенциалов в свариваемых деталях путем решения методом конечных разностей дифференциального уравнения, описывающего электрическое поле
, (2.15)
где φ — потенциал в рассматриваемой точке; z и r — цилиндрические координаты пространства.
Решением этого уравнения с граничными условиями, отражающими особенности протекания электрического тока при точечной сварке на участке электрод–детали–электрод, им определена топография растекания линий тока в деталях до диаметра dj (см. рис 2.18) при различных условиях сварки и разработана инженерная методика расчета электрического сопротивления rД собственно свариваемых деталей [16, 85, 155]:
, (2.16)
где: АГ — коэффициент (рис.2.20), учитывающий уменьшение сопротивления детали rД относительно сопротивления цилиндра rЦ, высотой s и диаметром dК, которое происходит из-за растекания линий тока до диаметра dj; ρТ — удельное электрическое сопротивление металла деталей; kР — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей.
Следует отметить поразительную, для
того времени и тех вычислительных средств (расчетов на арифмометрах), точность
решения
А. С. Гельмана. В 70-х годах многие исследователи подобные задачи начали решать
на ЭВМ. Естественно, что некоторые из них пытались уточнить решение А. С.
Гельмана. Как это ни удивительно, но значения коэффициента АГ
(сейчас его так и называют — «коэффициент Гельмана»), полученные с помощью
арифмометра [155] и ЭВМ, например, в работе [157], практически совпадают.
При решении этой же задачи
растекание линий тока в деталях
К. А. Кочергин моделирует их токопроводящее сечение в виде двух усеченных
конусов, вершинами обращённых к контактам (показаны штриховыми линиями на рис
2.18). Это же сопротивление деталей rД он рассматривает как сумму сопротивлений конусов и
сопротивлений за счет искривления линий тока в близи контакта (уменьшения
площади токопроводящего сечения). В результате такого решения [4, 13] величину rД им предложено определять по
следующей зависимости:
, (2.17)
где φ — коэффициент, который представляет собой отношение электрического сопротивления конусов к сопротивлению цилиндра диаметром dК и высотой, равной толщине деталей s.
При расчетах rД по зависимости (2.17) значение диметра dj, до которого происходит растекание линий тока в деталях, т. е. диаметра основания конуса, определяется через тот же коэффициент А.С. Гельмана АГ:
.
Таким образом, по существу эти методики расчета электрического сопротивления свариваемых деталей представляют собой одно и то же решение данной задачи. Они различаются только тем, что в зависимости (2.16) рассчитывается уменьшение rД, которое происходит из-за растекания линий тока в деталях до диаметра dj, относительно сопротивления цилиндра, диаметром dК, а в зависимости (2.17) — наоборот, рассчитывается увеличение rД относительно сопротивления цилиндра, диаметром dj, которое происходит из-за сужения линий тока у контактов до диаметра dК.
Преимущественное применение в практике расчетов зависимости (2.16) объясняется, во-первых, тем, что диаметр контакта dК, в отличие от dj, в процессе сварки можно легко измерить, а во-вторых, по-видимому, и тем, что методика А.С. Гельмана предложена намного раньше.
2.3.3. Общее электрическое сопротивления зоны сварки
Многочисленными исследованиями процесса КТС к настоящему времени однозначно установлены зависимости электрического сопротивления участка электрод–электрод rЭЭ от основных факторов, воздействующих на него при точечной сварке. В общем случае величина rЭЭ и ее изменение при КТС зависят от параметров режима сварки, толщины деталей и свойств их металла, формы и размеров рабочих поверхностей электродов. Наибольшее влияние на исходную величину электрического сопротивления участка электрод–электрод rЭЭ оказывают свойства материала деталей, состояние их поверхностей и время tВ выдержки деталей от момента зачистки до сварки, усилие сжатия электродов FЭ, форма и размеры их рабочих поверхностей (dЭ или RЭ).
С увеличением усилия сжатия
электродов FЭ исходное электрическое
сопротивление участка электрод–электрод всегда уменьшается
(рис. 2.21). При этом одновременно с уменьшением величины rЭЭ уменьшается и разброс его значений,
т. е. повышается их стабильность. Именно поэтому применение повышенного усилия
сжатия электродов является одним из основных и наиболее простых технологических
приемов, которым в практике КТС повышают стабильность показателей качества
получаемых сварных соединений [2, 3, 8…11, 14…17].
С увеличением времени выдержки деталей от момента зачистки до сварки tВ увеличивается как величина rЭЭ, так и разброс его значений. То есть в этом случае, наоборот, стабильность электрического сопротивления участка электрод–электрод уменьшается. Причем наиболее интенсивно рост величины rЭЭ и разброса его значений идет в первые двое – трое суток. Это обусловлено увеличением контактных сопротивлений из-за окисления свариваемых деталей, то есть ростом толщины окисных пленок на их поверхностях. Именно поэтому в практике КТС проведение технологических мероприятий (подготовки поверхностей деталей перед сваркой), направленных на уменьшение величины контактных сопротивлений и повышение стабильности их значений, является исходным условием получения качественных сварных соединений. Последнее обстоятельство особенно существенно для технологии сварки деталей из алюминиевых и магниевых сплавов [3, 9, 10, 14, 114].
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
