Контроль электрических параметров процесса точечной и шовной сварки

Наиболее перспективные методы контроля качества процесса основаны на измерении следующих параметров: электрической проводимости зоны сварки, падения напряжения на электродах (роликах), дилатометрического расширения металла, температуры в отдельных точках поверхности зоны сварки и проводимости, искусственно созданных ультразвуковых механических колебаний при их прохождении через детали, как во время сварки, так и по окончании процесса.

В зависимости от конкретных условий теснота связи между отдельными физическими параметрами и конечными результатам сварки существенно изменяется. Технические возможности измерений также предопределяют достоверность прогноза и объем применения каждого метода контроля. Особенно большое значение имеет надежность, точность и простота вычислительных элементов, применяемых для автоматизации процесса контроля.

Наиболее точно прогнозировать качество сварки можно на основе одновременного совокупного использования нескольких методов контроля, основанных на измерении различных параметров. Однако из-за технических трудностей реализации развитой системы контроля и сложности обслуживания несовершенной аппаратуры исследователи пока пользуются измерением лишь какого-то одного параметра в условиях наиболее тесной зависимости между данным параметром и результатами сварки.

В связи с тем, что число возможных ситуаций осуществления процесса сварки, отличающихся свойствами спариваемых металлов, применяемым оборудованием, режимами сварки и т.п., весьма велико, статистические данные, полученные на основе изучения какого-то конкретного случая не могут быть применены во всех возможных ситуациях. Приходится либо дублировать исследования, либо искать объяснение наблюдаемых закономерностей в детальном изучении физической природы процесса. Управляемые параметры, внешние возмущения, а также величины, выбранные для характеристики процесса, обычно задаются и измеряются в интегральной форме, в то время как состояние металла в зоне сварки зависит не только от интегральной величины того или иного параметра, но и от распределения воздействий по всему объему зоны расплавления. Успешному выбору метода контроля может способствовать анализ взаимосвязей между параметрами, заданными в интегральной форме, и распределенными параметрами процесса.

Состояние металла (в жидкой или твердой фазе находится он в течение процесса) зависит от распределения температуры в объеме зоны расплавления. Известное уравнение теплопроводности описывает состояние металла в процессе нагрева

,

где  — объемная теплоемкость металла;  — коэффициент теплопроводности металла;  — температура в исследуемой точке зоны сварки;  — объемная производительность источника тепла.

Источник тепла, действующий в том же объеме металла, представим как некоторый ток , протекающий через плоскость  исследуемого объема , нормально ориентированную к линиям тока, который на длине линии тока  вызывает падение напряжения, равное  (). Ток , где  — плотность тока через плоскость. Падение напряжения , где  — вектор напряженности электрического поля.

Будем считать, что ввиду малых геометрических размеров зоны сварки и низкой частоты промышленного тока распределение его следует законам стационарных электрических полей. Магнитные свойства свариваемых деталей также не будем учитывать, тем более что при нагреве до высоких температур плавления магнитные свойства металла проявляются значительно слабее.

Так как , количество тепла , выделяющееся в объеме  за время  будет равно

,

где  — удельное электрическое сопротивление металла, зависящее от температуры;  — удельная электрическая проводимость материала, зависящая от температуры.

Таким образом, объемная производительность источника тепла равна

,

а распределение температуры в зоне сварки описывается уравнением

.

Плотность тока в каждой точке зоны сварки в значительной степени предопределяет скорость нарастания температуры в этой точке. Этот факт, выражаемый уравнением, предопределяет количественные соотношения между всеми интегральными параметрами процесса (, , ).

Из системы известных дифференциальных уравнений, описывающих распределение плотности тока и потенциалов в зоне сварки

,

целесообразно выделить два — уравнение, явно выражающее функциональную зависимость  от , и уравнение Пуассона, отражающее перераспределение потенциалов в зоне сварки, а следовательно, и плотность тока  в зависимости от . У ряда металлов  с нагревом меняется существенно.

Изменение  не является единственной причиной изменения , так как площадь контакта, а следовательно весь объем, подвергающийся воздействию, зависит от величин  и . Для ориентировочной оценки количественных соотношений между размерами зоны воздействия и параметрами  и  воспользуемся решением Герца задачи о площади контакта абсолютно упругого шара с такой же Полуплоскостью. Такое предложение является произвольным, так как имеют место не только пластические деформации, но и расплавление. Условно будем считать, что вся рассматриваемая зона столь большая, что в среднем Контакт остается жестким, а изменяются лишь физические Свойства металла, модуль упругости  и коэффициент Пуассона . Тогда радиус площади контакта электрода с деталью зависит от  и  следующим образом:

,

где ;  — коэффициенты Пуассона для контактируемых металлов; ,  — модули упругости.

По мере нагрева деталей члены равенства  и  будут существенно изменяться, в том числе и в среднем по всей зоне воздействия. Первоначальная площадь контакта мала по сравнению с площадью по окончании процесса. Например, при сварке стали толщиной 2 мм,  кгс и  мм диаметр площадки, рассчитанный по равенству, до включения  будет равен 4,5…5 мм.

До нагрева распределение давлений под электродом будет соответствовать закону, заданному формулой

.

Очевидно, что с нагревом характер распределения давления изменяется.

В распределении воздействий по объему зоны сварки большое значение, имеет процесс саморегулирования — там, где наиболее высокая плотность тока из-за нагрева, металл выдерживает меньшее давление, и оно автоматически перераспределяется на области с меньшей плотностью тока. В сфере воздействия оказываются участки металла, которые до этого оставались незатронутыми. Соответственно перераспределение давления уменьшает плотность тока по всему объему зоны распределения и скорость нарастания температуры металла уменьшается. Для обеспечения качества процесса важно регламентировать скорость роста температуры в зоне сварки, что существенно зависит от плотности тока и объема зоны воздействия (так как  и  заданы), которые определяются распределением давления.

В связи с этим особый интерес вызывают исследования таких параметров, как напряжение , являющееся функцией плотности тока и сопротивление , являющееся функцией геометрических размеров зоны воздействия управляемых параметров процесса и физических свойств свариваемого металла.