Для большинства способов сварки с местным нагревом, и в частности для сварки сопротивлением, характерна значительная его неравномерность. В этих процессах помимо естественного пони­жения температуры по мере удаления от зоны интенсивного тепло­выделения наблюдается значительная неравномерность темпера­туры в самом нагреваемом сечении.

В процессе сварки сопротивлением нагрев осуществляется теплом, выделяемым электрическим током на контактном сопротив­лении RK между свариваемыми деталями, сжатыми усилием Р, и на собственном сопро­тивлении этих деталей 2Ro - Неровные кон­тактирующие поверхности касаются при сдавливании в отдельных точках. Проводи­мость контакта в целом зависит от суммы проводимостей образующих его так называе­мых а-пятен, т. е. отдельных микроучастков, на которых достигнут токопроводящий физи­ческий контакт. Электрическое сопротивле­ние отдельного а-пятна (контакта радиусом а)

R’K слагается из сопротивления стягивания линий тока, проходящего через контактную площадку (рис. 63), и последовательного с ним сопротивления пленок (обычно окисных) присутствующих на поверхности металла.

В начале процесса сварки при холодном контакте

*;=«;+*;+«f=-&+£+S-. оч

- сопротивление бТяТйваййя кбнТакТИруюЩих Мб* таллов (при однойменних металлах == R'[); Rf — сопротивление пленки;

Pi. Рг и Р/ — удельное сопротивление контактирующих ме­таллов и пленки; s — суммарная толщина пленки.

Рассчитанное по формуле (19) сопротивление пленки даже при малой ее толщине 100 А значительно превосходит сопротивление стягивания а-пятна. Так, Р. Хольм [151] определил отношение Rfl2R для металла с р = 2 • 10_6 ом - см при а = 5 • 10~3 см и пленке

толщиной 1СГ6 см при рf — Ш6 ом-см. Для этого случая - А- = 107.

2 R

Однако при толщине пленок порядка 10—30 А существенную роль уже играет туннельный эффект, т. е. способность электронов с относительно невысоким уровнем энергии проникать сквозь

узкий потенциальный барьер, созда­ваемый такими пленками. Туннель­ное удельное сопротивление от, из­меряемое в ом • см2, снижается с умень­шением высоты потенциального барьера (энергии Ф выхода электрона из металла, составляющей несколько вольт) и уменьшением суммарной толщины пленки s. Оно зависит так­же от приложенного напряжения: с увеличением V туннельное сопро­тивление падает (рис. 64). По Р. Холь­му, у обычных адгезионных и пасси­вирующих пленок от лежит в преде­лах 5-Ю'8—10~4 ом-см2. При а = — 5-Ю'3 см отношение туннельного сопротивления пленки к сопротивле­нию стягивания составит 0,5—1-Ю4. Даже для пленок суммарной толщи­ной 10—20 А их туннельное сопро­тивление относительно велицо. В ус­ловиях сварки давлением, когда в контакте действуют большие сжи­мающие усилия, тонкие пленки раз­рушаются механически и их сопро­тивление, по-видимому, не оказывает решающего влияния на контактное сопротивление в целом.

Как следует из формулы (19), со­противление стягивания а-пятна рас­тет с увеличением удельрого сонро-

ТИвлейия металла и уменьшается с ростом радиуса а-йятна. По­этому с повышением усилия, сжимающего контакт и увеличиваю­щего радиус а, сопротивление контакта падает. Нагрев влияет двояко на элементарный контакт. С одной стороны, с повышением температуры растет р, что увеличивает сопротивление стягива­ния, с другой — уменьшение прочности металла, при нагреве, ведущее к увеличению размеров контактного пятна, понижает сопротивление. Совместное действие этих факторов обычно сни­жает сопротивление контакта.

Между сжатыми перед сваркой металлическими телами, так же как в любых электрических контактах, различают общую площадь соприкосновения или кажущуюся контактную поверх­ность Аа (рис. 65, а), площадь Аь, воспринимающую действующее в контакте усилие сжатия, и площадь Ас — суммарную площадь токопроводящих й-пятен. С уменьшением шероховатости поверх­ностей и с повышением их чистоты, а также с увеличением удель­ного давления (или снижением предела текучести металла при нагреве) площади Аь и Ас растут и в пределе могут достигнуть величины Аа. Однако в условиях сварки при холодном контакте, как правило, Ас <CAb С Аа.

Распределение й-пятен по кажущейся контактной поверхности закономерно или случайно. Например, при сжатии двух тонких и ровных пластин между электродами с плоской рабочей поверх­ностью п-пятна распределяются равномерно по всей площади кажу­щегося контакта. При сжатии таких же пластин электродами со сферической контактной поверхностью плотность й-пятен зако­номерно растет к периферии кажущегося контакта. Распределение микроконтактов на сдавленных пластинах исследовали, распыляя на одной из них в вакууме тонкую угольную пленку.

При сварке сопротивлением, когда соединяют детали, жестко закрепляемые в сварочной машине, распределение й-пятен по кажущейся контактной поверхности носит совершенно случайный характер. Оно зависит от перпендикулярности торцов деталей, соосности их установки и, конечно, от макро-и микрогеометрии по­верхности. Наглядное представление о распределении контактов в начале сварки дают отпечатки на соединяемых поверхностях (рис. 65, в), полученные на стержнях из стали Ст. З диаметром 35 мм через 0,4—0,6 сек после включения сварочного тока (116].

Контактное сопротивление закономерно уменьшается с ростом приложенного усилия (рис. 66, а) в результате увеличения коли­чества й-пятен, площади отдельных пятен и, как следствие, сум­марной площади контакта Ас. В процессе разгрузки контакта его сопротивление вновь растет, но незначительно. Это указывает на то, что увеличение площади с ростом усилия Р идет в основном за счет необратимой пластической деформации поверхностных не­ровностей и лишь в небольшой степени в результате их упругой деформации. Кажущаяся площадь контакта практически не влияет

на его сопротивление (рис. 66, б), хотя сказывается на собственном со­противлении контактирующих тел.

Контактное сопротивление быстро понижается с ростом температуры (рис. 66, в) из-за увеличения площа­ди Ас в результате облегчения плас­тической деформации металла. Об­ратный цикл (понижение темпера­туры) сопровождается дальнейшим уменьшением контактного сопротив­ления из-за понижения удельного

а — схема (Л„ — кажущаяся контактная поверхность; А^ — поверхность, восприни­мающая усилие; Аг — контактные а-пятна, проводящие ток); б — распределение а-пятен при сжатии алюминиевых листов электродами со сферической поверхностью, в — кон­тактные отпечатки на торцах стержней из стали Ст. 3 диаметром 35 мм после включения; сварочного тока в течение 0,4 —0,6 сек (/ —Г5=400 к Г; 2 — /> = 700 кГ 5 — 1000 кГ)

ПО
сопротивления металла (пунктирная линия на рис. 66, в) при неизменной площади Ас.

Приведенные на рис. 66, в зависимости RK — f (Т), получен­ные Ф. Студером на образцах с шлифованными торцами, харак­терны для закономерного распределения а-пятен по площади кажущегося контакта [214]. При стыковой сварке сопротивлением такое распределение не типично и зависимости RK = f (Т) носят более случайный характер.

Изменение начального сопротивления контакта (и приконтакт - ной области толщиной 1-f-l мм) непосредственно в ходе сварки сопротивлением стержней из стали Ст. З диаметром 20 и 35 мм исследовал А. И. Пугин [116]. Сварочный ток и падение напряже­ния (в нескольких точках по периметру образца) на участке дли­ной 2 мм записывали в течение первых 0,4—0,5 сек. При обработке полученных данных небольшим собственным сопротивлением при - контактной области, составляющим по расчету 1 -4-2 • 10"6 ом, пре­небрегали.

С увеличением усилия от 400 до 1400 кГ контактное сопротив­ление понизилось в большей степени для стержней малого диа­метра (рис. 67). С увеличением тока интенсифицировался нагрев и влияние растущего усилия на сопротивление уменьшалось (см. кривую 4). Эти данные не отражают исходного сопротивления холодного контакта, так как оно не может зависеть от тока, про­текающего через контакт. Однако они подтверждают случайное распределение и величину а-пятен в начальном контакте при сварке сопротивлением. Уменьшение сопротивления при увеличе­нии тока связано с тем, что с ростом плотности тока контакт быстрее нагревается и пластически деформируется.

пі

1 — 20 мм, /2 = 11-ь13 ка; 2— 20 мм,
/а = 14,5-4-15,7 ка; 3 — 35 мм, 1Я =
= 14,5-ї-17,5 ка; 4 — 35 мм, I« == 18,6-=-
21,7 ка

С увеличением усилия в контакте начальное сопротивление всей околоконтактной области не только уменьшается, но и ста­новится более стабильным [116]. По мере разогрева контактное сопротивление быстро понижается и сопротивление околоконтакт­ной области к концу сварочного нагрева почти не зависит от усилия.

Собственное омическое сопротивление свариваемых деталей зависит от удельного сопротивления, растущего с повышением температуры медленно для цветных металлов и быстро для сталей (рис. 68). Активное сопротивление при переменном токе увеличи­вается по сравнению с омическим в результате оттеснения тока к поверхности проводника (поверхностного эффекта), проявляю­щегося в наибольшей степени в ферромагнитных материалах и в проводниках большого диаметра.

При диаметре стержней из стали Ст. З до 20 мм и / = 50 гц поверхностным эффектом можно пренебречь (рис. 69) [117]. Актив­ное сопротивление стержней диаметром 60—80 мм в 5 раз выше омического; при нагреве стали выше точки Кюри влияние поверх­ностного эффекта для этих стержней не превышает 10—15%. Суммарное сопротивление Як + 2Rg стержней малого диаметра из магнитной стали изменяется резко, а стержней большого диа­метра — относительно слабо (рис. 70).

Нагрев при сварке сопротивлением можно рассматривать как результат наложения температурных полей, создаваемых током, протекающим по бесконечному стержню, и тем же током, генери­рующим тепло в самом контакте. При большом расстоянии между

т

этого тепла в малом объеме зоны стыка приводит к резкому подъе­му здесь температуры, и хотя RK с нагревом быстро исчезает отно­сительно высокая температура в стыке и связанное с этим высокое удельное сопротивление (особенно для сталей) способствуют более интенсивному нагреву стыка даже после исчезновения RK. В стыке за счет его начального контактного сопротивления со­здается концентратор тепловыделения.

С уменьшением скорости сварки роль этого концентратора уменьшается из-за выравнивания температуры в результате тепло­проводности. Это видно (рис. 72) при сопоставлении распределения температуры в стержнях из стали 10 диаметром 7 и 28 мм, сварен­ных соответственно при ^ — 2,33 сек (/ = 65 а! мм2, Р = 100 кГ) и 4в = 10,48 сек (j = 27 а/мм2, Р = 500 кГ). Градиент темпера­туры у стыка меньше (концентрация тепловыделения проявляется здесь слабее) при большем tce. Градиент температуры уменьшается также с ростом. удельного сопротивления свариваемого металла, в частности при сварке аустенитной стали. Если при сварке стер­жней диаметром 33 мм из стали Ст. 3 максимальный градиент температур достигал 220е С 1см, то при сварке стержней из аусте­нитной стали близкого диаметра (34 мм) максимальный градиент температуры не превышал 160° С 1см. Следует отметить, что это не связано с теплопроводностью материала, так как с ее уменьше­нием градиент должен расти, а не падать.

В общем случае распределение температуры вдоль свариваемых деталей при сварке сопротивлением вполне благоприятно: гра­диент температуры не настолько велик, чтобы существенно затруд­нить пластическую деформацию в стыке из-за близости к нему от­носительно холодных слоев метал­ла, и не слишком мал для того, чтобы препятствовать локальной и направленной деформации металла в зоне соединения.

Неблагоприятным фактором при нагреве сопротивлением яв­ляется его неравномерность по сечению свариваемых деталей, вы­зываемая двумя причинами: слу­чайным распределением п-пятен в стыке (в особенности в начале нагрева) и поверхностным эффек­том. На рис. 73, а показаны изо­хроны температуры в двух диа­метральных точках (/и 2) стыка при нагреве сопротивлением стер­жней диаметром 20 мм из низко­углеродистой стали с торцами,

обработанными на токарном станке [116]. Через 1 сек после на­чала нагрева перепад температуры достигал почти 900° С, через 2 сек — 1100° С. Только через 5 сек он снизился до 250° С. Зна­чительная неравномерность нагрева по периметру сохранилась даже на расстоянии 6 мм от стыка; через 5 сек перепад температур еще составлял около 400° С.

Неравномерность нагрева в стыке особенно резко прояв­ляется на деталях с развитым сечением: трубах, широких и тонких листах. Даже через 10 сск по ширине ленты сечением 160x3 мм перепад температуры превышал 800° С (рис. 73, б). Выравниванию температуры по сечению способствуют два процесса: увеличение площади физического контакта по мере нагрева и пластической деформации (после исчезновения сопротивления ток течет по всему сечению деталей) и теплопередача в плоскости стыка. Од­нако их эффект заметен только при длительном нагреве, который при сварке без защиты от окисления, как правило, нежелателен (см. ниже).

Поверхностный эффект наиболее существенен в начале про­цесса и растет с увеличением диаметра или толщины свариваемых деталей. При быстром нагреве поверхностный эффект может при­водить к дополнительному перепаду температур по сечению.

Таким образом, при Сварке Сопротивлением, в первую Очередь из-за случайного расположения мест физического контакта, на­грев идет очень неравномерно, с тем большим перепадом темпера­тур по сечению свариваемых деталей, чем оно больше и чем больше развит его периметр. Это одна из основных причин, ограничиваю­щих практическое применение сварки сопротивлением деталями относительно малого сечения (проволоками).

На практике встречается еще одна причина неравномерного нагрева при сварке сопротивлением — неравенство сечений свари­ваемых деталей. Например, при сварке труб из-за допустимых отклонений в размерах проката разница сечений может достигать 10—15%. Неравенство сечений приводит к соответствующему раз­личию плотностей тока. Если учесть, что выделение тепла в про­воднике пропорционально квадрату плотности тока, то разница в температуре может достигнуть 20—30%. Следствием этого яв­ляется неодинаковая деформация свариваемых деталей при осадке, что ведет к понижению качества соединений.

Равномерность нагрева можно повысить специальной подго­товкой торцов соединяемых деталей. Для стержней целесообразна коническая подготовка одного из торцов; для труб — снятие фа­сок под небольшим углом [70]. Так, в процессе сварки сопротив­лением труб из стали 20 размером 32 X 5,5 мм нагрев до максималь­ной температуры 1200° С сопровождался перепадом температуры, достигавшим 400° С для. плоских торцов за /со = 8-н10 сек и только 50—60° С для скошенных кромок под углом 6° за tcB — ~ 5-ИЗ сек.

При сварке сопротивлением без защиты качество соединений, и в особенности их пластичность, в решающей степени зависит от того, насколько удалось избежать окисления в стыке. Исклю­чить доступ воздуха в зону стыка путем тщательной торцовки и установки свариваемых деталей в машине не удается. Однако наличие больших зазоров между торцами (при их конической под­готовке) облегчает окисление.

При умеренной толщине окалины ее можно разрушить (см. § 3) путем направленной деформации с коэффициентом площади /е„л =

= -|г > 5 (для стали). Необходимость в большой деформации,

требующей в условиях принудительного формирования очень высо­ких давлений осадки, наряду со значительной неравномерностью нагрева резко ограничивает область рационального применения сварки сопротивлением (на воздухе). Особенно трудно сваривать детали с развитым периметром. При сварке труб с необходимой деформацией исчезает проходное отверстие в стыке. Сварка деталей компактного сечения требует очень больших усилий осадки, пере­дача которых трением через токоподводящие зажимы затруднена.

При сварке сопротивлением проволоки значительная неравно­мерность нагрева отсутствует, а силовые параметры не имеют 116

решающего значения. Поэтому этот процесс широко используется. Однако необходимая степень деформации для некоторых материа­лов (ряда высоколегированных сталей, сплавов на никелевой ос­нове) ведет к образованию недопустимых надрывов в зоне соедине­ния, что иногда ограничивает применение сварки сопротивлением.

Г. П. Сахацкий показал, что при равномерном нагреве торцов за счет их специальной подготовки и при быстрой осадке на зна­чительную величину по достижении заданной температуры сварка сопротивлением стержней диаметром до 50 мм и полос толщиной до 20 мм из нелегированной стали может обеспечить соединения с удовлетворительной структурой и свойствами [125]. Общая осадка в процессе нагрева и после его окончания составляет 14— 18 мм при давлении 10—13 кГ1ммг. Для предупреждения образо­вания толстой окалины процесс должен идти с большой скоростью. Время сварки 2—5 сек обеспечивает высокую пластичность соеди­нений с углом загиба 180° . Такой быстрый нагрев возможен при высокой плотности тока, порядка 30—40 а/лш2. В работе [125] нет данных по коэффициенту площади. Ориентировочный расчет по­казывает, что при суммарной осадке на 18 мм стержней диамет­ром 40—50 мм КПл ^ 4. Необходимость в специальной обработке торцов ограничивает эффективное применение такой технологии, а использование ее для сварки деталей с развитым профилем вряд ли даст надежные результаты из-за трудно устранимой в ^том случае неравномерности нагрева.