Температурные и электрические поля при точечной и шовной сварке

Температурное поле — совокупность температур в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени. В общем случае это поле формируется в результате протекающих процессов тепловыделения и теплопередачи. Выделение теплоты вызвано действием ряда источников. Основной источник — объемно распределенный с удельной мощностью  (где  — плотность тока). К второстепенным источникам следует отнести плоские источники удельной мощности  и , связанные с генерированием теплоты на соответствующих контактных сопротивлениях, а также плоский источник, обусловленный эффектом Пельтье. Этот эффект проявляется в выделении или поглощении теплоты в контакте двух разнородных металлов, например, электрод — деталь, или на границе жидкой и твердой фаз (ядро и твердый металл). Если направление тока таково, что через контакт переносятся электроны из металла, в котором их энергия больше, то температура в этом контакте возрастает. Однако считается, что основная часть теплоты при точечной, рельефной и шовной сварке выделяется за счет действия объемно распределенного источника и доля указанных выше плоских источников в общем тепловом балансе не превышает 10 %, и обычно ими пренебрегают.

Выделяющаяся в зоне сварки энергия () расходуется на нагрев металла до температуры плавления или ликвидуса  а остальная часть передается теплопроводностью в окружающий ядро металл () и электроды (). Таким образом,

 

.

 

Радиационным и конвективным теплообменом с поверхности деталей и электродов обычно пренебрегают. Основная часть теплоты (более 50 % ) обычно отводится в электроды, что определяет отсутствие сквозного проплавления деталей. Снижение теплоотвода способствует накоплению теплоты в зоне сварки, стимулирует развитие процессов пластической деформации, что часто используется при соединении деталей разной толщины и разноименных металлов.

Характер тепловыделения определяется электрическим полем в свариваемых деталях и электродах.

 

Электрическое поле — совокупность потенциалов или плотностей тока в различных точках свариваемых деталей в разные моменты времени.

Для сварки характерно неравномерное электрическое поле, что связано с действием геометрического, температурного и магнитоэлектрического факторов.

 

Геометрический фактор обусловлен тем, что размеры электрических контактов, как правило, намного меньше размеров деталей, а также явлением шунтирования тока. Иллюстрацией влияния геометрического фактора служат характер электрического поля в равномерно нагретых деталях при точечной сварке (рис. 1, а). Электрическое поле, характеризуемое в данном случае, распределением потенциалов, симметрично относительно .

 

 

Рис. 1. Электрическое поле при точечной сварке:

а — распределение потенциалов ();

б — распределение плотности тока в различных сечениях без учета контактных сопротивлений

 

Поле плотностей тока зависит от абсолютных значений потенциалов и электрических сопротивлений деталей и электродов. Наибольшие плотности тока (рис. 1, б) в сечениях I—I и III—III достигаются вблизи границ контактов в результате растекания тока в электродах и деталях. В сечении II—II плотность тока вблизи оси  практически постоянна и постепенно убывает за границами контакта. Неравномерность электрического поля возрастает с уменьшением отношения . Например, при  около 25 % тока протекает вне поверхности цилиндра с основанием , а при  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 поля электрических сопротивлений.

Это явление наглядно представляется при наличии расплавленного ядра (рис. 2), удельное электросопротивление которого в 1,5…2 раза больше, чем окружающего его твердого металла. Плотность тока в сечении II—II () 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 III—III (). Увеличение плотности тока в области уплотняющего пояска способствует росту этого пояска по мере возрастания диаметра ядра.

 

 

Рис. 2. Распределение плотности тока в сечениях II—II и III—III при наличии жидкого ядра

 

Магнитоэлектрический фактор, связанный с проявлением поверхностного эффекта, эффекта близости и т.п., мало влияет на характер электрического поля, за исключением случая сварки токами повышенной частоты.

Температурное поле обычно описывается изотермами, расположенными в сечении, проходящем через ось . В силу симметрии поля относительно оси  изотермы в сечениях, параллельных поверхностям деталей, имеют форму окружности (рис. 3). Металл начинает плавиться спустя некоторое время с начала импульса тока (). Ядро возникает в области контакта деталь—деталь, где достигается наибольшая плотность тока и в меньшей степени сказывается теплообмен с электродами. По мере прохождения тока ядро растет в направлении осей  и . Максимальная температура в ядре лишь на 15…20 % превышает температуру ликвидуса сплава. Температура в контакте электрод—деталь достигает максимального значения к концу импульса и составляет в среднем,400…500 °С :(для сталей,, алюминиевых сплавов) и повышается с ростом темпа сварки. Градиенты температур в условиях шовной и особенно точечной сварки очень велики и могут достигать по оси г, например, при сварке сталей малой толщины, 100000 °С/см. Температурное поле является крайне нестационарным, так как скорость нагрева очень большая — до 200000 °С/с, особенно при сварке малых толщин импульсами небольшой длительности.

 

 

 

 

 

Рис 3. Изменение температурного поля в процессе точечной сварки сплава АМг6 толщиной 2+2 мм и  с,  — диаметр уплотняющего пояска (данные расчета на ЭВМ):

а — стадия нагрева;

б — стадия охлаждения

 

Скорости охлаждения металла соизмеримы со скоростями нагрева. Так, при точечной сварке деталей толщиной 1…4 мм уже через 0,02…0,08 с ядро полностью кристаллизуется (рис. 3, б). В течение этого времени часть теплоты распространяется в глубь деталей, нагревая околошовную зону.

В зависимости от роли процессов тепловыделения и теплоотвода различают жесткие и мягкие режимы сварки.

 

Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока, когда  (с) при сварке деталей толщиной 1…4 мм. Температурное поле в этом случае определяется преимущественно тепловыделением: изотерма температуры ликвидуса имеет при этом в сечении форму, близкую к прямоугольнику (рис. 4), углы которого вытянуты в сторону областей с повышенной плотностью тока (к периферии контактов), а . Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. При этом обычно увеличивается склонность к образованию выплеска, и для его предотвращения повышают сварочное усилие.

 

 

Рис. 4. Форма ядра при сварке на жестких (1) и мягких режимах (2). Заштрихованы области наибольших плотностей тока

 

Мягкие режимы характерны значительной длительностью протекания тока () относительно малой силы. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами . Изотерма температуры ликвидуса имеет в сечении форму овала или эллипса. Скорость нагрева и охлаждения, а также величина  меньше, чем на жестких режимах.

На характер температурного поля оказывает влияние большое количество факторов.

В первую очередь характер нагрева определяется параметрами режима — силой тока, временем сварки и сварочным усилием. Увеличение силы тока и времени сварки приводит к повышению тепловыделения и росту размеров ядра (рис. 5). На кривых термических циклов отмечаются большие пульсации температур, которые затухают к концу импульса тока. В этих условиях отмечается рост температур в контакте электрод—деталь.

Униполярные импульсы тока отличаются непрерывным нарастанием тока, что обеспечивает непрерывный рост температуры, меньшие градиенты температур и плотности тока, большие размеры ядра и эффективность нагрева, чем при импульсах переменного тока. Повышение сварочного усилия вызывает рост пластической деформации, площади контактов и снижение плотности тока, что приводит к уменьшению размеров ядра (см. рис. 5).

 

 

Рис. 5. Характер изменения диаметра ядра  и проплавления  от параметров режима сварки;  — конечный выплеск

 

На характер температурного поля оказывает влияние и ряд других факторов, в частности, размеры электродов и свойства электродных материалов. Электроды со сферической рабочей поверхностью обеспечивают более интенсивный нагрев при относительно меньших токах, чем электроды с плоской рабочей поверхностью. Снижение теплопроводности электродных материалов приводит к уменьшению теплоотвода в электроды и росту высоты ядра. Следует отметить также, что, например, с уменьшением ширины нахлестки происходит заметное снижение градиентов температур по оси  и перегрев края нахлестки.

Для определения характера электрического и связанного с ним температурного полей используют физическое и математическое моделирование.

Например, для оценки полей потенциалов и плотностей тока в равномерно нагретых деталях применяют плоские модели из электропроводящей бумаги или металлической фольги, которые воспроизводят форму соединений в увеличенном масштабе. При определении распределения  подводит напряжение от источника постоянного тока к медным контактам, имитирующим электроды. С помощью щупа и вольтметра находят положение эквипотенциальных линий. Далее для нахождения плотностей тока «обращают» задачу, подводя напряжение к свободным поверхностям соединения (штриховая линия на рис. 6), и щупом определяют расположение эквитоковых линий.

 

 

Рис. 6. Принцип определения электрических полей при точечной сварке:

1 — детали; 2 — источник тока; 3 — положение токоподводов при определении полей потенциалов; 4 — положение токоподводов при определении поля тока; 5 щуп

 

 

Кинетику формирования температурных полей можно оценить на стальных или титановых моделях, которые помещают между электродами и нагревают сварочным током (рис. 7). При моделировании процесса сварки с расплавлением металла необходимо плотно прижать к торцу образцов пластину из кварцевого стекла. О температуре в зоне сварки можно судить по цветам побежалости, изменению цвета термокрасок, излучению с торца образцов, которое можно фиксировать на цветную или чувствительную к инфракрасным лучам кинопленку.

 

 

Рис. 7. Схема киносъемки моделей точечной сварки:

1 — детали; 2 — электроды; 3 — кварцевое стекло; 4 — сварочный трансформатор; 5 — кинокамера

 

Наиболее точная оценка рассматриваемых полей может быть получена при математическом моделировании процесса на ЭВМ.

В общем случае температурное поле при точечной сварке описывается уравнением теплопроводности Фурье, которое при условии, что теплоемкость и плотность металла не зависят от температуры, имеет следующий вид:

 

.

 

В левой части уравнения — скорость изменения температуры в любой точке соединения, в правой — сумма частных производных, учитывающих теплообмен теплопроводностью внутри детали, а слагаемое  выражает повышение температуры за счет действия источника теплоты, связанного с прохождением тока плотностью  через собственное сопротивление деталей. При решении тепловой задачи необходимо также учитывать условия однозначности: начальные и граничные условия. Последние из этих условий описывают теплообмен в контакте электрод—деталь (обычно условия I или II рода).

Электрическое поле в деталях описывается следующим дифференциальным уравнением:

 

.

 

В этом уравнении учитывается фактическое значение  в каждой точке детали.

При решении уравнений (1.6) и (1.7) возникают определенные трудности из-за непрерывного изменения основных параметров, режима, свойств металла и граничных условий в процессе сварки. Расчеты облегчаются при использовании приближенных численных решений этих уравнений методами конечных разностей, устанавливающих зависимости между конечно малыми изменениями температуры, времени, координат, силы тока и т.д. При этом объем зоны сварки разбивают на ряд конечных элементов (кубиков) со стороной  мм, а время на достаточно малые интервалы  (обычно  с). Расчет ,  и  выполняют дискретно в каждой ячейке с координатами ,  и по времени . В результате можно получить объемную мозаику нагретых колец (рис. 8, а) шириной и высотой , которая наглядно проявляется в поперечном сечении деталей и электродов.

 

 

Рис. 8. Схема расчета в конечных элементах:

а — сечение сварного соединения;

б — вид единичного кольцевого элемента;

в — характер теплообмена в пределах элемента

 

Для пояснения принципов расчета выделим из средней части соединения ячейку объемом  (рис. 8, б). На первом шаге определяем электрическое поле  и по известным потенциалам поле . В общем случае необходимо рассматривать две составляющие : по оси  и по оси . При этом . В ячейках, расположенных в плоскости с координатой   близка к нулю, и при этом условии (рис. 8, а)

 

.

 

С учетом того, что электрическое сопротивление ячейки , энергия, выделяющаяся в ней за время ,

 

.

 

Тогда повышение температуры  за это время

 

.

 

На этом второй шаг расчета — определение температуры ячеек за счет тепловыделения — заканчивается. Следующий шаг учитывает теплообмен внутри системы за счет теплопроводности (рис. 8, в) в электрод (поток ) и в окружающий металл (). В зависимости от соотношения приходящих ( и ) и отходящих ( и ) потоков ячейка будет нагреваться или охлаждаться. С ростом теплопроводности металла и градиентов температур интенсивность теплообмена повышается. Очевидно также, что при точечной сварке поле симметрично относительно оси , и поэтому градиент температур по оси  равен нулю, и изотермы в плоскостях  будут представлять собой окружности с соответствующим радиусом. С учетом теплоотвода новая температура в ячейке будет

 

,

 

.

 

Далее по аналогии с предыдущим шагом находим для  соответствующие значения , , затем  с учетом теплообмена и т.д.

Это интересно

В соответствии с действующим законодательством, для урегулирования отношений между собственником и работниками в области реализации прав на здоровые и безопасные условия труда, льготное пенсионное обеспечение, льготы и компенсации за работу в неблагоприятных условиях и др. выполняется аттестация рабочих мест по условиям труда. Сама процедура включает в себя гигиеническую, техническую и организационную оценку условий труда. Для выполнения данных мероприятий необходимо соответствующее специализированное оборудование. Аттестацию рабочих мест в Великом Новгороде выполняет компания «Эталон-Арм», которая имеет собственную испытательную лабораторию, соответствующую требованиям ГОСТа. Компания аккредитована на техническую компетентность и независимость, что подтверждается действующим аттестатом.