3.6. Использование тепла проходящего тока при сварке

При наличии в цепи участков с различным сопротивлением тепло выделяется различно, пропорционально их сопротивлениям, согласно (3.14). Сопротивление протеканию электрического тока сплошного проводника определяется выражением (3.8).

С повышением температуры сопротивление чистых немагнитных металлов возрастает по линейному закону за счет роста их удельного сопротивления

, (3.22)

где _T (ом∙м) – удельное сопротивление металла при температуре Т; ₀ − начальное удельное сопротивление;  (1/С) − температурный коэффициент электрического сопротивления, Т − температура нагрева проводника.

Для ферромагнитных металлов и сплавов зависимость (3.22) более сложная. У металлов, изменяющих свою кристаллическую решетку при нагреве (например, у железа), значения  для различных состояний решетки меняются. Наличие легирующих элементов и примесей в металле также изменяет значения  и .

Сопротивление контакта. Если пропускать электрический ток через сжатые металлические детали, то в месте соприкосновения их будет наблюдаться значительное падение напряжения, которое является результатом контактного сопротивления.

Рисунок 3.9

Сопротивление проводников в месте их взаимного соприкосновения (контактное сопротивление) не подчиняется таким определенным зависимостям, как сопротивление самих металлов. Оно зависит от характера механической обработки соприкасающихся деталей, величины давления в контакте, а также температуры и потому меняет свое значение в весьма широких пределах.

Поверхность деталей имеет выступы и впадины, которые при сближении соприкасаются в отдельных точках с образованием контактных участков А, Б и В (рис. 3.8). Так как электрическое сопротивление этих участков неодинаково, то протекающий по этим участкам ток будет разным. Суммарная площадь контактирующих участков значительно меньше сечения всего проводника. Поверхность их также не всегда бывает идеально чистой. Загрязнение ее окислами, маслами и т. п. приводит к увеличению сопротивления контакта.

С ростом давления, приложенного в контакте, часть выступов сминается, площадь соприкосновения деталей увеличивается, окисные и другие пленки на поверхности разрушаются, что, в конечном счете, приводит к падению контактного сопротивления.

Для определения R_к опытным путем выведена формула, которая имеет следующий вид:

ом, (3.23)

где r_к − контактное сопротивление при F = 10 Н (находится опытным путем); F − сила сжатия;  − показатель, зависящий от металла и состояния его поверхности.

Следует обратить внимание, что сопротивление контакта почти не зависит от его кажущейся площади. Контактное сопротивление r_к для стальных пластин с тщательно очищенной поверхностью составляет примерно 0,004 − 0,006 ом, а для алюминиевых сплавов 0,001 − 0,0015 ом.

Сопротивление контакта очень сильно изменяется при его нагреве. С увеличением температуры контакта сопротивление слоя металла вблизи контактирующей поверхности увеличивается, и, казалось бы, следует ожидать повышения общего сопротивления, однако в действительности снижается предел текучести металла, сминаются выступы на поверхностях контакта, растет площадь контактирующих участков и общее сопротивление в контакте падает.

Электрическая контактная сварка. Основные способы данного вида сварки (точечная, шовная, рельефная и стыковая) используют теплоту, выделяющуюся в контакте свариваемых изделий при протекании тока по закону Джоуля–Ленца, с применением давления.

Схема способа точечной контактной сварки (рис. 3.9) содержит детали 1, электроды 2, источник сварочного тока 3.

Точечная сварка характеризуется получением сварного соединения между торцами электродов, которые к свариваемым деталям подводят ток I_св и передают на них силу сжатия F_св. В точечном соединении необходимым условием является образование литого ядра номинальных размеров, определяющего прочность соединения. Сварное соединение может выполняться одной точкой или группой точек, расположенных по заданному направлению.

О бщее сопротивление цепи между электродами сварочной машины при сварке внахлестку двух пластин в начале сварочной операции определяется по формуле

,

Рисунок 3.10.

где R_п – сопротивление металла пластины; R_к – контактное сопротивление между пластинами; R_эл – контактное сопротивление между торцом электрода и поверхностью пластины из низкоуглеродистой стали.

Контактное сопротивление между медным электродом и стальной пластиной много меньше, чем между стальными пластинами. Так, контактное сопротивление медь-железо в пять раз меньше сопротивления железо-железо (R_эл  0,2R_к). Еще меньше сопротивление стальной пластины(2R_п  0,05R_к).

Получаем R  1,45R_к, то есть основную часть сопротивления составляет контактное сопротивление между листами, подлежащими сварке. Естественно, что в начале пропускания тока наибольшее тепловыделение будет происходить в этом контакте. Теплоты должно быть достаточно для нагрева и плавления зоны контакта, которая кристаллизуется в литое ядро после выключения тока сварки.