Источники теплоты. Из формулы вынужденного деформиро sa - ния следует, что из всех приемов по уменьшению £„ самый про­стой — это локальный нагрев. Рассмотрим источники нагрева г ри контактной сварке и условия, обеспечивающие локальность теп­ловыделения в контакте между деталями.

Свариваемые детали являются частью вторичного контура кон­тактной машины. Через детали, как и через любой другой элемент вторичного контура, проходит один и тот же ток — /св. Но сече­ние, материал и электрическое сопротивление этих элементов (вто­ричный виток трансформатора, токоподводящие шины, свечи, электроды) разные. Поэтому во всех элементах выделяется разное количество теплоты. Элементарные расчеты показывают, что в свариваемых деталях выделяется в 200 раз больше теплоты, чем в каком-либо другом элементе вторичного контура.

Теперь рассмотрим полное количество теплоты (?э_э, которое может выделяться в деталях, зажатых между электродами, за все время сварки при пропускании по ним тока /св, и проанализиру­ем источники теплоты, которые могут учитываться при контакт­ной сварке.

В общем случае при контактной сварке могут действовать три источника теплоты:

(?э-э - £?дж + Qn + 2т!

где <2дж — теплота Джоуля, Дж; Qn — теплота Пельтье, Дж; Qj — теплота Томсона, Дж.

Теплота Пельтье характерна для термоэлектрического эффек­та (Ж. Пельтье, 1834), при котором выделение или поглощение теплоты происходит тогда, когда средняя энергия электронов в одной среде отличается от средней энергии электронов в контак­те с другой средой. При этом (в зависимости от направления тока) через контакт перемещаются электроны либо из среды с большей энергией (происходит выделение теплоты), либо из среды с мень­шей энергией (поглощение теплоты). Следовательно, в зависимо­сти от направления тока теплота Пельтье складывается с тепло­той Джоуля или вычитается из нее. Теплота Пельтье проявляется в контакте между электродом и деталью, на границе между жидким ядром и его твердой оболочкой только при постоянном токе.

Теплота Джоуля характерна для электротермического эффекта (Дж. Джоуль и Э. Х.Ленц, 1841 — 1842), при котором выделение теплоты в проводнике происходит пропорционально квадрату силы
тока, сопротивлению проводника и времени пропускания тока. Теплота Джоуля — основной источник теплоты при контактной сварке.

Теплота Томсона характерна для термоэлектрического эффекта (У. Томсон, 1856), который возникает при перепаде температур по длине проводника с током. При прохождении потока электронов от горячего конца проводника к холодному они передают избыток энергии (происходит сложение теплоты Джоуля с теплотой Томсо­на). При обратном движении потока электронов от холодного кон­ца к горячему происходит охлаждение проводника, т. е. потери теп­лоты Джоуля.

Термоэлектрическими явлениями 3-го и 4-го типов при кон­тактной сварке можно пренебречь, так как их доля в общем ба­лансе тепловыделения не превышает 1 %.

Однако, если медные электроды покрыты полупроводниковыми оксидами типа Си203 (оксид меди), в контакте между электродами и деталью из-под плюсового электрода наблюдается мощный вы­плеск тепловой энергии в виде теплоты Пельтье, в 100 раз пре­восходящей теплоту между неокисленными электродами и в 10 раз теплоту Джоуля.

При переменном токе термоэлектрический эффект проявляет­ся в ядре точки сварки и на поверхности деталей только в виде теплоты Томсона. Однако его доля не превышает 3 %, поэтому им можно пренебречь. Но и в этом случае при несимметричной рабо­те игнитронов или тиристоров, когда появляется постоянная со­ставляющая тока, равная 0,5/сн (5000 А), и электроды на рабочей поверхности покрыты оксидом меди Си203, в контакте между плюсовым электродом и деталью генерируется теплота Пельтье, достигающая 250 Дж. Это вызывает поверхностный выплеск ме­талла из-под плюсового электрода. Минусовой электрод в это вре­мя интенсивно охлаждается из-за термоэлектрического эффекта Пельтье обратного знака.

Так как основным источником теплоты при контактной сварке является теплота Джоуля, рассмотрим более подробно места ее вы­деления и условия ее локализации в контакте между электродами.

Сварочное сопротивление. При контактной сварке теплота гене­рируется по всей высоте столбика металла, зажатого между электро­дами. Сопротивление этого столбика металла и есть сварочное со­противление Яев, Ом, которое состоит из суммы трех сопротивлений:

Дс> = 2 Яд + 2Яэ_д + Як,

где Яд и Дэ_д — сопротивление деталей и контактов электрод - деталь соответственно, Ом; Як — сопротивление между деталя­ми, Ом.

Однако при расчетах значение приравнивают только к 2ЯД, которое и является исходным параметром, так как его легко рас­считать, зная материал и толщину s детали. Переходными сопро­тивлениями, т. е. сопротивлениями в контакте между деталями, обычно пренебрегают, так как они играют ведущую роль только в начале процесса сварки (в течение 0,02 с), а затем (спустя 0,04 с) принимают значение, близкое к нулю, и в качестве генератора тепловыделения работает сопротивление материала самих деталей. При расплавлении ядра удельное сопротивление для сталей уве­личивается в 10 раз, алюминиевых сплавов — в 8 раз по сравне­нию с исходным сопротивлением этих материалов при комнат­ной температуре. Данное обстоятельство приходится учитывать при определении оптимальных параметров режима сварки, усредняя теплофизические характеристики свариваемых материалов.

Несмотря на кратковременность действия переходных сопротив­лений Яэ_я и RK, они могут в некоторых случаях играть важную роль в процессе сварки, например при короткоимпульсной прецизион­ной сварке, а также при стыковой сварке методом оплавления.

Казалось бы, что при контактной сварке столбик металла, зажа­тый между электродами, должен проплавиться на всю толщину. Однако этого не происходит, так как электроды интенсивно ох­лаждаются водой и часть теплоты отводится. В результате создаются условия для локального расплавления только центральной части столбика металла, зажатого между электродами. Теплоотвод через электроды и массу детали зависит от жесткости режима, теплопро­водности деталей и электродов и находится в пределах 80...50%. Доля теплоты, оставшаяся для сварки, характеризуется термичес­ким КПД т|т, который находится в пределах 20...50% (20% соот­ветствует максимально мягкому режиму, 50 % — максимально жест­кому).

Понятия жесткого и мягкого режимов станут ясны после рас­смотрения особенностей использования закона Джоуля—Ленца и выявления на его основе характерных точек, разделяющих раз­личные зоны при контактной сварке.