Таким образом, в технологических расчетах теплоту, выделяющуюся в зоне сварки QЭЭ, в основном определяют как теплоту QД, выделяющуюся только в свариваемых деталях. Поскольку в большинстве случаев температуру в зоне сварки усредняют, то зависимость (2.19) преобразуют виду
, (2.24)
где IСВ — сила сварочного тока, из которого при усреднении по времени силы сварочного тока IСВ и электрического сопротивления зоны сварки rЭЭ и получают расчетные зависимости типа (1.11) [2, 3].
2.4.2. Температурное поле в зоне формирования соединения
Распределение температуры в зоне формирования соединения измерить непосредственно при КТС пока никому не удалось, несмотря на многочисленные общеизвестные попытки это сделать. Поэтому и мнения о значениях температуры, например, в центре зоны сварки, расходятся от температуры плавления металла до температуры его кипения [7, 11, 107, 161]. Анализ известных аналитических методик расчетов температуры в зоне сварки [107, 158, 162, 163], которые учитывают выделение и перераспределении теплоты в ней, например, приведенный в работе [164], показывает, что пытаться удовлетворить требованиям современной технологии КТС по точности определения температуры в зоне сварки этим путем весьма проблематично. Поэтому и работы в этом направлении, по-видимому, бесперспективны.
А. С. Гельман для исследования температурных полей в зоне сварки, по-видимому, первым применил решение дифференциальных уравнений распределения потенциалов и теплопроводности, которые осуществил численным методом, а точнее — методом конечных разностей [155, 164]. Это позволило ему при решении поставленных задач учесть изменение в процессе КТС теплофизических характеристик металла, геометрических параметров соединений, а также влияние энергетического и силового воздействия на зону сварки и скрытую теплоту плавления металла в ядре.
Эту методику, которая заключается в совместном решении дифференциальных уравнений распределения потенциалов и теплопроводности, в дальнейшем с уточнением граничных условий стали широко использовать при решении различных задач технологии точечной сварки методом конечных разностей и методом конечных элементов, как отечественные [157, 165…174], так и зарубежные [175…179] исследователи.
При исследованиях тепловых процессов в зоне формирования точечного сварного соединения в большинстве случаев осуществляют совместное решение дифференциального уравнения (2.15), описывающего электрическое поле, и дифференциального уравнения теплопроводности Фурье, которое при условии, что теплоемкость и плотность металла не зависят от температуры, записывают чаще всего в следующем виде [3, 16]:
, (2.25)
где сm, γ, λ и ρ — соответственно, массовая теплоемкость, плотность, коэффициенты теплопроводности и удельного электрического сопротивления металла; j — плотность тока.
Сведения о температуре металла в зоне сварки, полученные расчетом по данным методикам, по-видимому, являются наиболее близкими к истинным ее значениям при конкретных условиях сварки. Так, расчетные изотермы температуры плавления (рис. 2.26) по конфигурации и геометрическому положению весьма близки к границам ядра расплавленного металла, экспериментально определяемым на различных стадиях его формирования [165, 172…174].
Теплоту QЭЭ, которая должна выделиться в зоне формирования соединения для получения ядра заданных размеров, можно рассчитать через теплосодержание металла в ней к концу процесса сварки и количество теплоты, отведенное из зоны сварки в процессе формирования соединения. Для этого используют условные схемы теплопередачи в зоне сварки и распределения в ней температуры (рис. 2.27).
В данной методике расчета допускают, что вся теплота QЭЭ выделяется в цилиндре, диаметр которого равен диаметру dЭ контакта электрод-деталь. Выделившуюся теплоту QЭЭ условно разделяют на теплоту Q1, которая расходуется на нагрев и плавление металла в выделенном цилиндре (Q1 ≈ 20...30 % от QЭЭ [3]), а также на теплоту Q2, которая отводится в окружающий его металл деталей (Q2 ≈ 20 % от QЭЭ [3]), и теплоту Q3, которая отводится в электроды (Q3 > 50 % от QЭЭ [3]). Относительно очень небольшая часть теплоты QЭЭ отводится с поверхностей деталей радиационной Q4 и конвективной Q5 теплоотдачей. Такое распределение теплоты QЭЭ описывается так называемым «уравнением теплового баланса», которое было предложено еще в 30-х годах прошлого века [180] и используется до настоящего времени в инженерных методиках расчетного определения силы сварочного тока [3, 10, 16]:
. (2.26)
За прошедший период методики расчета его составляющих неоднократно изменялись и уточнялись [3, 7…11, 16, 85, 87, 161, 164]. По-видимому, наиболее точные, с учетом результатов исследований тепловых процессов с применением ЭВМ [165], методики расчета составляющих уравнения теплового баланса приведены в работе [3].
При расчетах по уравнению теплового баланса (2.26) общего количества теплоты QЭЭ, требуемой для формирования соединения заданных размеров, радиационной Q4 и конвективной Q5 теплоотдачей с поверхностей деталей обычно пренебрегают из-за их относительно малых величин.
Для расчета теплоты в зоне сварки делают ряд допущений. Так, принимают, что средняя температура в цилиндре, диаметром dЭ, который приближенно равен диаметру ядра, и высотой, равной суммарной толщине двух деталей 2s, принимается равной температуре плавления ТПЛ. Считается, что заметное повышение температуры металла в деталях из-за отвода в них теплоты Q2 наблюдается на расстоянии х2 от границы цилиндра, которое определяется временем сварки tСВ и коэффициентом температуропроводности металла аМ:
.
При этом принимается, что средняя температура кольца шириной х2 вокруг цилиндра диаметром dЭ, равна .
Определение потерь тепла в электроды производится аналогичным образом. При этом принимается, что за счет тепла Q3 нагревается до средней температуры, равной , участок электрода длиной
,
где аЭ — коэффициент температуропроводности металла электродов.
С учетом сказанного сокращенное уравнение теплового баланса
в развернутом виде описывают обычно следующим выражением [3]:
,(2.27)
где γМ и γЭ — плотность металла свариваемых деталей и электродов; сМ и сЭ — теплоемкость металла свариваемых деталей и электродов; k1 — коэффициент, который учитывает неравномерность распределения температуры в кольце; k2 — коэффициент, учитывающий влияние на теплоотвод формы рабочей части электродов.
С увеличением времени точечной сварки доля теплоты, отводимой в окружающий металл и электроды, всегда увеличивается, т. е. с увеличением времени сварки всегда уменьшается КПД процесса нагрева [181...184].
Количество теплоты QЭЭ, которое требуется для образования точечного сварного соединения заданных размеров, используют в основном для приближённого определения силы сварочного тока IСВ по зависимости (1.11), обеспечивающего выделение этой теплоты.
2.5. Объемная пластическая деформация металла в зоне формирования точечного сварного соединения
Объемная пластическая деформация (ПД) металла при точечной сварке — это один из основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне формирования соединения и способствующих его образованию. Она вызывается как внешними факторами, в первую очередь силовым воздействием на детали электродов, так и внутренними факторами, в частности, напряжениями, возникающими при несвободном тепловом расширении (дилатации) металла в зоне сварки между электродами сварочной машины. Пластическое течение металла имеет место на протяжении всего процесса сварки — от формирования начальных контактов, до проковки соединения при его охлаждении. На стадии нагрева во время действия импульса сварочного тока металл в зоне сварки деформируется в основном пластически [3, 16].
Пластическая деформация металла в зоне сварки оказывает решающее влияние на характер электрического и температурного полей, а также на процесс формирования ядра расплавленного металла. В первую очередь, величина объемной пластической деформации влияет на процесс нагрева, так как определяет плотность тока в зоне сварки через площади контактов деталь–деталь и электрод–деталь. При этом нагрев металла в зоне формирования соединения, в свою очередь, оказывает влияние на его пластическую деформацию через изменение сопротивления пластической деформации. В результате такой взаимосвязи и такого взаимовлияния описанных выше процессов осуществляется как бы саморегулирование процесса точечной сварки. Это предполагает, что при устойчивом процессе в зоне сварки должно существовать определенное соответствие между нагревом в ней металла и пластической его деформацией [3, 183, 185…187].
Охлаждение металла в зоне сварки и его кристаллизация в ядре сопровождается температурным и фазовым уменьшением объема, которое приводит на этой стадии формирования соединения к возникновению неравномерного поля остаточных растягивающих напряжений. Это является одной из основных причин образования в соединениях дефектов усадочного характера (трещин, пор, раковин). Только пластическое течение металла в этот период может компенсировать его усадку и предотвратить образование вышеуказанных дефектов сварных соединений [3, 16, 62, 188, 189].
Сведения о пластических деформациях при КТС носят преимущественно качественный характер. Это обусловлено как трудностями их экспериментальных исследований, в первую очередь, из-за закрытого характера зоны сварки и малого ее объема [3, 16, 62, 188, 189], так и трудностями точной математической постановки и решения задачи по определению параметров напряжений и деформаций в условиях динамичного процесса формирования соединений [190...195]. Даже численные методы решения дифференциальных уравнений с применением ЭВМ не позволяют пока достаточно точно определить все сложные взаимовлияния и взаимосвязи термодеформационных процессов, протекающих в зоне формирования соединения [169…172, 174...176, 196...198].
В этой связи весьма перспективным представляется использование для исследований термодеформационных процессов при КТС приближенных теорий напряжений и деформаций, а также расчетно-экспериментальных методов, основы которых изложены, например, в работах [199, 200].
2.5.1. Методики экспериментальных исследований макродеформаций металла в зоне сварки
Известные экспериментальные исследования процессов макропластических деформаций металла в зоне формирования соединения при КТС проводились в основном по трем методикам.
По первой из них параметры пластической деформации металла в зоне формирования точечного сварного соединения определяли на образцах с направленной текстурой, как, например, в работе [185]. Суть этой методики заключается в следующем.
Свариваемые образцы изготовляются из заготовок, имеющих ярко выраженную, направленную текстуру (проката, поковок). При этом плоскость поверхностей деталей должна быть либо перпендикулярной, либо параллельной к направлению линий текстуры. О деформации металла в зоне сварки судят по искривлениям текстурных линий (рис. 2.28). Однако эта методика не позволяет количественно определять параметры деформаций металла в зоне сварки и отражает лишь качественную картину пластического течения металла в процессе формирования соединения.
По второй методике [62, 189] исследования деформаций при КТС проводились на моделях деталей, рассеченных по плоскости оси электродов и изготовленных из упругих материалов, в частности, из резины. Основное ее достоинство заключается в том, что она относительно легко осуществима технически. Однако корректность полученных результатов вызывает сомнения, поскольку в этой методике не соблюдается один из
Третья методика — это так называемая «методика координатных сеток», которая широко используется для исследований процессов ПД, например, при обработке металлов давлением. Экспериментальные исследования процессов пластической деформации металла в зоне формирования соединения при контактной точечной сварке по этой методике проводятся на натурных образцах с предварительно нанесенной координатной сеткой, технология изготовления которых предложена и описана в работе [128].
При исследованиях пластических деформаций в плоскостях контактов деталь–деталь и электрод–деталь координатная сетка наносилась на поверхности образцов (рис. 2.29). После этого такие образцы сваривались по обычной технологии точеной сварки, соответствующей материалу деталей и их толщине, а после сварки соединения разрушались. Для выявления динамики изменения параметров макропластических деформаций при КТС по изменению координатной сетки процесс сварки прерывали через заданные промежутки времени, кратные 0,02 с.
При исследовании деформаций в плоскости оси электродов образцы изготовлялись разъемными и координатная сетка наносилась на торцевые поверхности образцов. Перед сваркой образцы совмещались торцевыми поверхностями и зажимались в специальном приспособлении. В этом случае сварку осуществляли так, чтобы плоскость совмещенного разъема образцов совпадала с осью электродов. После сварки такие образцы разрушались по торцевому разъему и производились измерения искажений координатной сетки (рис. 2.30).
Обработка результатов экспериментов в части количественного измерения параметров пластической деформации осуществлялась по методике, описанной в работах [201, 202]. При этом деформация оценивалась только по деформации сторон координатной сетки. Оценить же сдвиговые деформации металла в различных точках зоны сварки затруднительно из-за высокой погрешности измерений угла сдвига, которая в данном случае получается соизмеримой с его величиной.
Относительные смещения металла в зоне сварки и относительные его деформации по координатам z и r в соответствии с принятой методикой оценивались по следующим зависимостям:
, (2.28)
, (2.29)
где l0 и l1 — расстояния от базы измерений до и после сварки (при измерении радиальных смещений по координате r в плоскости сварочного контакта и в плоскости оси электродов за базу принималась ось электродов, а при измерении осевых смещений по координате z за базу принималась плоскость свариваемого контакта); h0 и h1 – длина сторон координатной сетки до и после сварки.
2.5.2. Характер пластических деформаций металла в зоне сварки на стадии нагрева
Проведенными экспериментальными исследованиями [203, 204] установлено, что радиальные (координата r) относительные деформации и смещения металла в плоскости поверхностей свариваемых деталей, в частности в плоскостях контактов электрод–деталь и деталь–деталь (рис.2.31), а также в плоскости оси электродов (координата z) распределяются неравномерно как по площади контактов, так и по толщине деталей.
При точечной сварке легких сплавов относительные радиальные (по координате r) смещения металла в плоскости контакта деталь–деталь (рис. 2.31, а, в, д) не превышают 2...4 %. Причем, зона пластических деформаций распространяется за контур уплотняющего пояска не больше, чем на 5...15 % от его диаметра dП. В плоскости контакта электрод–деталь величину относительных осевых (по координате z) смещений можно считать вообще незначительной, так как они в течение процесса сварки не превышает 0,5...1 % (рис. 2.31, б, г, ж).
Относительные радиальные (по координате r) деформации металла в плоскости контактов электрод–деталь и деталь–деталь распределяются неравномерно. При этом они даже меняют знак.
В контуре контакта деталь–деталь координатная сетка растягивается. Наибольшая степень деформаций растяжения , которая достигает 1,5...3 %, наблюдается на оси электродов. На периферии контакта и за его пределами металл сжимается. Причем сжатие металла локализовано на самой периферии уплотняющего пояска и в относительно узком кольце вокруг контактов деталь–деталь, ширина которого не превышает 5...15 % от их диаметров. Здесь степень деформаций сжатия металла весьма значительна и достигает 7...15 %.
В плоскости контакта электрод–деталь в направлении оси электродов (по координате z) металл сжимается (рис. 2.31, б, г, ж). Однако степень деформации металла по оси z относительно не велика. Она даже на периферии контакта, не превышает 2...3 %.
Вместе с тем, относительные осевые смещения металла в плоскости оси электродов по координате z весьма значительны. Наибольшие относительные осевые смещения металла в плоскости оси электродов наблюдаются в центре контакта. Их величина к концу процесса достигает значений 8...13 % (рис. 2.31, ж). По толщине детали их величина относительно стабильна. Это объясняется тем, что осевые относительные деформации металла не велики и, как показали исследования, не превышают 0.5...3 %. Причем, наименьшие значения они имеют в срединной полосе свариваемых деталей.
Результаты подобных измерений весьма приближённы. Но всё же они позволяют установить качественную картину пластических деформаций металла в зоне сварки, которую можно описать следующей физической моделью.
При КТС металл в зоне сварки нагревается, в результате чего в ее объеме VД (рис. 2.32), деформируемом пластически (выделен темным цветом), он переходит в пластическое состояние, а в объеме ядра VЯ, нагретом выше температуры плавления, он расплавляется. Вследствие этого объём металла в зоне сварки увеличивается (проявляется так называемый эффект дилатации) за счет температурного расширения, а в объеме ядра — дополнительно и за счет изменения фазового состояния. Своеобразная форма зоны формирования соединения, неравномерный нагрев металла в ней, его дилатация и разупрочнение, а также схема силового воздействия на детали определяют неравномерное распределение нормальных и касательных напряжений в контактах и в объеме зоны сварки. В результате наблюдается направленное течение металла (показано стрелками), в основном, к границам контакта деталь–деталь. Причем интенсивные пластические деформации в основном локализованы в объёме VД1 (заштрихован косой линией), расположенном в области уплотняющего пояска, диаметр dД которого на 5...15 % превышает диаметр dП уплотняющего пояска. Объём же металла VД2 (заштрихован сеткой), расположенный над ядром, «проседает» в объём ядра практически не деформируясь.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21
