9.2. Электрическая контактная точечная сварка
Точечная сварка – разновидность контактной сварки, при которой заготовки соединяются в отдельных точках (рис. 9.4).
Рис. 9.4. Схемы контактной точечной сварки: а) двусторонней, б) односторонней: 1 – свариваемые элементы, 2 – медные электроды,
3 – расплавленная зона металла, 4 – источник питания
Точечной сваркой соединяют штампованные элементы заготовок. Машины для точечной сварки выпускают мощностью от 0,1 до 250 кВт. Толщина свариваемых заготовок составляет 0,5–5 мм.
При точечной сварке заготовки собирают внахлест и зажимают с усилием Р между двумя электродами, подводящими ток к месту сварки. При этом соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются меньше, чем внутренние слои. Нагрев продолжают в течение времени , необходимого для расплавления внутренних слоев (некоторой окрестности точки заданного радиуса r) и до пластического состояния внешних слоев. После выключения тока происходит кристаллизация расплавленного металла и образуется литая сварная точка.
Процесс повышения температуры при точечной контактной сварке может быть описан при допущении, что вся теплота выделяется не в некоторой области, а в точке. Для качественного анализа примем также допущение, что свариваемые заготовки можно представить как неограниченное по размерам тело. При кратковременном нагреве и при достаточно толстых заготовках такое допущение не приведет к существенным погрешностям. При сварке тонких листов необходимо учитывать действительную толщину листов (пластин), а в некоторых случаях и охлаждение этих пластин.
Температура в неограниченном теплопроводящем теле от мгновенного точечного источника тепла описывается уравнением:
.
(9.5)
Из-за того, что все тепло условно сосредоточено в точке, температура в этой точке (при R = 0) в любой момент времени остается бесконечно большой. В связи с этим решение может быть применено для точек, находящихся на некотором расстоянии от источника (рис. 9.5).
а) |
|
б) |
|
Рис. 9.7. Зависимости температуры от расстояния от источника тепла в различные моменты времени (а) и стремление температуры от точечного источника к предельным значениям (б) (мощность источника q = 0,22 кВт;
точечная сварка стальных пластин (λ = 360 Вт/(м·К), ω = 100 мм2/с))
В действительности, в некоторой окрестности точки, в которой действует точечный источник тепла, температура превышает температуру плавления и излишнее тепло идет не на повышение температуры, а на расплавление металла.
При проведении точечной сварки возможны одна из двух стратегий. Согласно первой: при меньшей мощности источника осуществлять прогрев и расплавление металла, не следя строго за временем, ориентируясь на предельное температурное состояние. Согласно второй – сварку производить при большей мощности, на более жестком режиме, но при этом своевременно отключать подачу тока, не доводя температуры до предельных значений. Второй путь более производительный, но для исключения перегрева необходимо точно выдерживать рациональное время подачи тока.
По
мере удаления от источника температура
стремится к нулю. С увеличением времени
нагрева (
)
распределение температуры стремится
к предельному состоянию:
.
(9.6)
Как показывают расчеты (рис. 9.7) уже через 1,5–2 с температура становится достаточно близкой к предельной, вычисленной по формуле (9.6).
Существенное влияние на температуру оказывают мощность источника и теплофизические характеристики свариваемого материала. Так, например, при точечной сварке медных пластин необходима на порядок большая мощность источника (рис. 9.8)
Рис. 9.8. Зависимости температуры от расстояния от источника тепла в различные моменты времени при точечной сварке медных пластин. Мощность источника q=2,2 кВт.