Проводимость зоны сварки характеризуется электрическим сопротивлением участка электрод-электрод r _ЭЭ (рис. 2.3).

В общем случае, сопротивление участка электрод-электрод r _ЭЭ представляют в виде суммы последовательно соединенных активных сопротивлений собственно деталей r _Д1 и r _Д2, контакта между ними r _ДД, а также контактов между деталями и электродами r _ЭД1 и r _ЭД2:

.

При сварке же деталей равной толщины и из одного и того же материала эту зависимость можно существенно упростить:

. (2.2)

Для определения общего электрического сопротивления зоны сварки по зависимости (2.2) необходимо определить величину всех ее составляющих для конкретного процесса формирования соединения.

Контактные сопротивления

Контактные сопротивления — сопротивления, сосредоточенные в узкой области контактов деталь – деталь и электрод – деталь.

Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади электрического контакта из-за неровной поверхности деталей и электродов, а также из-за различных неэлектропроводимых поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и т. п.

Реальные поверхности деталей всегда имеют микроскопические неровности, поскольку первые образуются не только при механической обработке поверхностей, но даже и при кристаллизационных или рекристаллизационных процессах в металлах. Эти неровности в технологии машиностроения характеризуют шероховатостью и волнистостью.

Если бы поверхности деталей были идеально гладкими и плоскими, то контакты между ними существовали бы по всей площади сопрягаемых поверхностей. Эту площадь принято называть "номинальной площадью контакта" и обозначать А_а. Следовательно, при точечной сварке "номинальной площадью контакта" А_а является вся площадь нахлестки (рис. 2.4).

Наличие на поверхностях реальных деталей шероховатости и волнистости приводит к тому, контакт между ними не будет сплошным. Лишь отдельные участки поверхностей воспринимают усилия сжатия. Сумма таких дискретных площадок контакта образует "фактическую площадь контакта", которую принято обозначать А _r. Единичные пятна фактического контакта располагаются не равномерно, отдельными областями. Эти области сосредоточения пятен фактических контактов, обведенные контурами в сумме составляют «контурную площадь контакта», которую обозначают А_с. Такая классификация площадей контактов общепринята в технологии машиностроения и сварки.

При контактировании жестких тел контурная площадь контакта определяется в основном геометрическими характеристиками их поверхностей, то есть волнистостью и шероховатостью. При точечной сварке кроме волнистости и шероховатости на контурную площадь контактов оказывает влияние распределение нагрузки и толщина свариваемых деталей вследствие относительно небольшой жесткости последних.

При точечной сварке контурная площадь практически не зависит от площади номинальной, а фактическая площадь составляет всего 1...25 % от контурной площади контакта. Причем, в случае сжатия деталей электродами с плоской рабочей поверхностью пятна единичных микроконтактов распределяются почти равномерно по всей контурной площади. В случае же сжатия деталей электродами со сферической рабочей поверхностью плотность единичных контактов растет к ее периферии.

Реальные поверхности свариваемых деталей (рис. 2.5) всегда покрыты окисной пленкой, состав и толщина которой зависит от рода металла или сплава, от состава, давления и температуры газовой фазы, а так же от продолжительности их воздействия. На поверхности окисных пленок возможно наличие адсорбированных газов, влаги и органических веществ, и прочих наслоений. Последние значительно затрудняет сближение металлических поверхностей, так как вещество граничного слоя при сжатии приобретает упругость твердого тела. Поэтому фактическую площадь даже единичного контакта условно можно разделить на три (см. рис. 2.3). К первой, А _{r м} — относятся участки с металлическим контактом, в которых электрический ток протекает без заметного переходного сопротивления, как это имеет место между кристаллами в компактном металле. Ко второй, А _{r пл} — участки с квазиметаллическим контактом, поверхность которых покрыта тонкой пленкой, легко пропускающей ток благодаря туннельному эффекту или фриттинг эффекту. К третьей же, А _{r мо}— участки, не проводящие ток и покрытые мономолекулярными пленками (окислы, сульфаты и тому подобные), которые практически играют роль изоляторов.

С целью создания наиболее благоприятных условий для формирования электрических контактов перед их сваркой, проводят специальную подготовку поверхностей деталей, например, травление с последующей пассивацией или механическую зачистку. При этом время хранения подготовленных деталей до сварки регламентируют. А непосредственно перед ней контролируют сопротивление участка электрод – электрод.

С увеличением электрических сопротивлений контактов, как правило, уменьшается и стабильность их значений. Большие и не стабильные значения электрических сопротивлений контактов являются основными возмущающими факторами процесса КТС, которые могут приводить не только к отклонениям параметров качества сварных соединений, но и к образованию дефектов типа выплеск или непровар.

На электрическое сопротивление контактов деталь – деталь и электрод – деталь при точечной сварке наиболее значимо влияют исходное состояние поверхностей деталей и усилие их сжатия (рис. 2.6).

Влияние состояния поверхности на контактное сопротивление очень велико. При этом на его величину оказывает влияние и шероховатость поверхностей, и параметры поверхностных пленок. Увеличение параметров шероховатости, а также толщины и прочности поверхностных пленок, при одинаковых остальных условиях формирования контактов, приводят к увеличению контактного сопротивления в десятки, сотни, а иногда и тысячи раз (таблица 2.1).

С увеличением усилия сжатия электродов при КТС деталей любых толщин и из любых материалов однозначно уменьшаются как величина сопротивления контактов, так и разброс их значений. Такое изменение контактных сопротивлений при увеличении усилия сжатия происходит вследствие интенсификации процессов микропластических деформаций в контактах, которые приводят к смятию микровыступов, разрушению поверхностных пленок и увеличению площадей фактических контактов.

Механические и электрические процессы, протекающие в сварочных контактах и определяющие его электрические параметры, очень сложны. Это затрудняет их математическое описание, т. е. разработку математических моделей контактов при КТС. Задача осложняется еще и неопределенностью, а также случайностью параметров, которые характеризуют шероховатость поверхностей и поверхностные пленки.

Зависимость контактных сопротивлений холодных деталей от усилия сжатия F в некоторых случаях оценивают по эмпирической формуле

,                                          (2.3)

где: F _Э — усилие сжатия электродов; r _ДД0 и а — коэффициенты, определяемые экспериментально: r _ДД0 для стали равен (5…6) 10^-3 и алюминиевых сплавов (1…2) 10^-3; а для стали равен 0,7 и алюминиевых сплавов 0,8;

Однако приведенная формула не учитывает состояния поверхности деталей и может служить лишь для ориентировочных расчетов.

Электрические же сопротивления контактов электрод – деталь r _ЭД. до сих пор, как правило, отдельно не рассчитывают. Их, по предложению А.С. Гельмана, принимают равными половине величины сопротивлений в контактах деталь – деталь r _ДД, т. е.

.                                          (2.4)

Более точные значения электрических сопротивлений контактов деталь-деталь r_дд и электрод-деталь r_эд получают путем их непосредственного измерения.

Экспериментально показано (например, при калориметрировании), что доля теплоты, выделяемой на сопротивлении r_дд, обычно (при сварке деталей толщиной 1 мм) не превышает 5 % общей энергии, генерируемой в зоне сварки. Несмотря на то, что r_дд существует относительно короткое время, оно может оказать влияние на последующий нагрев, особенно при сварке деталей малых толщин, где высота микрорельефа поверхности соизмерима с толщиной деталей. Первоначально нагретая зона контакта, обладающая повышенным сопротивлением, способствует большему тепловыделению. Однако при увеличении r_дд стабильность тепловыделения мала, а с ростом r_эд снижается стойкость электродов.

Для стабилизации тепловыделения, размеров соединений и стойкости электродов перед сваркой выполняют подготовку поверхностей деталей с целью удаления толстых поверхностных пленок и загрязнений, обеспечивая тем самым достаточно низкие и стабильные значения контактных сопротивлений. Для этих же целей часто рекомендуется применение повышенных сварочных усилий.

2.3.3. Собственное сопротивления деталей

Электрическое сопротивление собственно деталей — это сопротивление, которое определенным образом распределено в объеме деталей, расположенном между сжимающими их электродами.

Величину электрического сопротивления собственно детали r_Д в большинстве случаев определяют по методике А. С. Гельмана. Еще в 40-х годах 20-го в. им была теоретически определено распределение потенциалов в свариваемых деталях путем решения методом конечных разностей дифференциального уравнения, описывающего электрическое поле.

Решением этого уравнения с граничными условиями, отражающими особенности протекания электрического тока при точечной сварке на участке электрод – детали –э лектрод, им определена топография растекания линий тока в деталях до диаметра d_j (см. рис 2.3) при различных условиях сварки и разработана инженерная методика расчета электрического сопротивления r_Д собственно свариваемых деталей:

,                                 (2.16)

где: А_Г — коэффициент (рис.2.7), учитывающий уменьшение сопротивления детали r_Д относительно сопротивления цилиндра r_Ц, высотой s и диаметром d_К, которое происходит из-за растекания линий тока до диаметра d_j; ρ_Т — удельное электрическое сопротивление металла деталей; k_Р — коэффициент, учитывающий неравномерность нагрева деталей.

Следует отметить поразительную, для того времени и тех вычислительных средств (расчетов на арифмометрах), точность решения
А. С. Гельмана. В 70-х годах многие исследователи подобные задачи начали решать на ЭВМ. Естественно, что некоторые из них пытались уточнить решение А. С. Гельмана. Как это ни удивительно, но значения коэффициента А_Г (сейчас его так и называют — «коэффициент Гельмана»), с помощью арифмометра и значения, полученные на ЭВМ, например, Б.Д. Орловым и А.А. Чакалевым, практически совпадают.