Расчет сварочного тока

Детали нагреваются теплом, выделяемым при прохождении тока через них и контакты. При сварке двух деталей из одного и того же металла и равной толщины общее сопротивление r_ЭЭ (Ом) металла между электродами

r_ЭЭ = 2r_Д + 2r_ЭД + r_ДД , (4)

где r_Д – собственное активное сопротивление деталей; r_ЭД – контактное сопротивление между электродом и деталью; r_ДД – контактное сопротивление между деталями (рис. 1).

Экспериментально установлено, что в условиях контактной точечной сварки сопротивления r_ЭД и r_ДД очень быстро снижаются в процессе нагрева и у стали практически становятся равными нулю при температуре 600 ⁰С (для малоуглеродистой стали) (рис. 2).

Таким образом, общее омическое сопротивление участка цепи между электродами в процессе контактной сварки будет определяться собственным сопротивлением свариваемых деталей. Оно может быть найдено, исходя из допущения, что физический контакт между электродом и деталью в конце сварки распространяется на всю площадь диаметром d_К, зависящим от приложенного к электродам усилия и толщины деталей (рис. 3).

Для стали d_К = d_Э + αs (мм), где s – толщина более тонкой детали, мм; α – коэффициент, зависящий от усилия сжатия электродов. При сварке на «жестких» режимах α = 1,5 ÷ 1,7; на «мягких» - 1,0.

Таким образом, к концу сварки ток к каждой детали будет подводиться через площадки с диаметрами d_К и d_Э. Для определения сечения объема, в котором находится поле линий тока, из концов диаметров проводятся прямые под углом 45⁰. При этом деталь условно разбивается на две пластинки неравной толщины δ₁ и δ₂ (рис. 3).

Собственное сопротивление пластинки толщиной δ₁ + δ₂, неравномерно нагретой в условиях точечной сварки с контактами неодинакового размера, можно приближенно рассчитать по формуле как полусумму сопротивлений двух пластинок толщиной 2δ₁ и 2δ₂ , зажатых соответственно между равными электродами d_К и d_Э:

, (5)

где А₁ и А₂ – коэффициенты, зависящие соответственно от соотношений и , учитывающие, что фактическое сопротивление детали меньше сопротивления цилиндра металла, зажатого между электродами диаметром d_К и d_Э, определяются по графику, представленному на рис. 4; и - удельные электрические сопротивления при температурах Т₁ и Т₂ соответственно для пластинок δ₁ и δ₂ (при сварке стали к концу процесса Т₁ = 1200 ⁰С (0,8Т_ПЛ) и Т₂ = 1530 ⁰С (Т_ПЛ)); к – коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева пластинок толщиной δ₁ и δ₂. При сварке большинства сплавов к = 0,85.

Удельные электрические сопротивления определяют по формулам

; (6)

, (7)

где - удельное сопротивление металла при 20 ⁰С (для малоуглеродистой стали = 15·10^-6 Ом·м; = 0,004 ⁰С^-1).

При сварке деталей равной толщины общее сопротивление между электродами равно 2r_Д, при сварке деталей разной толщины производится расчет для обеих деталей и берется их сумма.

		Рисунок 4 - Зависимость коэффициента А от отношения

Количество тепла, необходимого для сварки отдельной точки Q, может быть определено из уравнения теплового баланса

Q = Q_ПОЛ + Q₁ + Q₂ + Q₃ (Дж), (8)

где Q_ПОЛ – тепло, расходуемое на нагрев условно выделенного центрального столбика металла диаметром d_Э, зажатого между электродами (рис. 5); Q₁ – потери тепла на нагрев деталей вне центрального столбика; Q₂ – потери тепла в электроды; Q₃ – потери тепла лучеиспусканием с поверхности свариваемых деталей и конвективным теплообменом (теплообмен с окружающей средой).

С учетом скрытой теплоты плавления за среднюю температуру неравномерно нагретого центрального столбика можно принять температуру плавления Т_ПЛ. Тогда при сварке двух деталей толщиной s

(Дж), (9)

где с – средняя теплоемкость при нагреве до температуры Т_ПЛ (для стали с = 0,15 Дж/г·град); γ – плотность (для стали γ = 7,85 г/см³).

В металле, окружающем центральный столбик, температура постепенно понижается от Т_ПЛ до комнатной (рис. 5). Средняя температура нагреваемого кольца шириной х₁ приближается к Т_ПЛ /4. Ширина кольца х₁ растет с увеличением продолжительности нагрева и повышением температуропроводности свариваемого металла

, (10)

где а – температуропроводность свариваемого металла (для малоуглеродистой стали а = 0,15 см²/с ( ), алюминиевых сплавов и меди ).

Потери тепла на нагрев деталей вне центрального столбика при сварке двух деталей толщиной s равны

(Дж), (11)

где - объем условного кольца; к₁ – коэффициент, учитывающий что действительная средняя температура кольца меньше Т_ПЛ /4 (к₁ ≈ 0,8).

Потери тепла в электроды можно приближенно определить, принимая температуру на их контактной поверхности равной Т_ПЛ /2. При этом средняя температура интенсивно нагреваемого участка электродов длиной х₂ (объем ) равна Т_ПЛ /8 (рис. 11). Область распространения тепла в электроды х₂ определяют из выражения

, (12)

где а_Э – температуропроводность материала электродов ( для латуни Л62 температуропроводность а = 0,26 см²/с, латуни ЛС59-1 - 0,249 см²/с, бронзы БрОЦ-4,5-3 - 0,22 см²/с, бронзы БрОФ-6,5-0,5 - 0,15 см²/с, бронзы БрБ2 – 0,24 см²/с).

Сумма потери тепла в два электрода

(Дж), (13)

где к₂ – коэффициент, учитывающий форму электрода (для конического электрода с плоской контактной поверхностью к₂ = 1,5, для цилиндрического электрода 1, электрода со сферической рабочей поверхностью 2); и - теплоемкость и плотность материала электродов (для медных электродов = 0,095 Дж/г·град; = 8,9 г/см).

При точечной сварке, особенно на «жестких» режимах, величиной Q₃, ввиду кратковременности процесса, можно пренебречь.

Теплофизические свойства различных металлов и сплавов приведены в табл. 5.

Величину сварочного тока рассчитывают по закону Джоуля - Ленца

, (14)

где m_r – коэффициент, учитывающий изменение r_ЭЭ в процессе сварки (для низколегированных сталей m_r = 1, для алюминиевых и магниевых сплавов - 1,15, коррозионно-стойких сталей - 1,2, сплавов титана - 1,4).

При шовной сварке расчет необходимого тока производится также, так и при точечной, полученное значение тока увеличивают на 10 – 30 % для покрытия потерь на шунтирование. За диаметр электрода при расчете тока условно принимается ширина рабочей поверхности ролика (табл. 3).

Таблица 5 - Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов

(средние в интервале исследуемых температур)

Материал	Плотность, г/см3	Температура плавления, 0С	Скрытая теплота плавления, кал/г	Удельная теплоемкость, кал/(г·град)	Теплопроводность, см2/с	Температуропроводность, см2/с	Удельное электрическое сопротивление, мкОм·см	Температурный коэффициент сопротивления, град-1
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Алюминий	2,7			0,25	0,52	0,935	2,8	0,0045
Вольфрам	19,3		61,3	0,03	0,34	0,831	5,5	0,0050
Железо	7,9			0,15	0,13	0,22	9,8	0,0062
Золото	19,6			0,03	0,74	1,32	2,4	0,004
Магний	1,7			0,26	0,353	0,855	4,5	0,00425
Медь	8,9			0,1	0,89	1,05	1,75	0,0043
Молибден	10,2		-	0,065	0,29	0,525	5,14	0,004
Никель	8,9			0,115	0,188	0,23	7,3	0,0068
Титан	4,5		-	0,162	0,036	0,073	60,0	0,0038
Серебро	10,5	960,8		0,057	0,93	0,71	1,6	0,0041
Платина	21,45			0,035	0,18	0,25	10,1	0,00392
Цинк	7,1	419,5		0,0938	0,2	0,386	5,9	0,0042
Тантал	16,6		-	0,034	0,129	0,236	12,6	0,0035
Малоуглеродистая стать	7,85			0,18	0,09	0,15	15,0	0,006

Продолжение табл. 5

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Сталь 30ХГСА	7,85			0,115	0,09	0,1	22,0	0,006
Сталь 40ХНМА	7,85			0,115	0,09	0,1	20,0	0,006
Аустенитная сталь 10Х18Н9Т	7,86			0,125	0,050	0,038	70,0	0,004
Жаропрочный сплав Х20Н80	8,17			0,11	0,025	0,28	100,0	0,8001
Нихром ХН78Т	8,5			0,88	-	0,42	100,0	0,0001
Латунь Л62	8,5			0,1	0,27	0,26	7,1	0,004
ЛатуньЛС59-1	8,5			0,1	0,25	0,249	6,5	0,004
Бронза БрОЦ-4, 5-3	8,8		30,7	0,103	0,2	0,22	18,0	0,0005
Бронза БрОФ-6, 5-0,5	8,65			0,09	0,125	0,15	9,7	0,0005
Д16	2,8			0,12	0,4	0,6	4,5	0,004
АМг6	2,72			0,2	0,37	0,68	5,1	0,004