Теплофизические свойства некоторых металлов и сплавов

Металл	Уд. электро-сопрот. при 0 оС, ρ0 ,мкОм см	Коэф.тепло-провод. при 20оС, λ, кВт/(м К)	Коэф. темпе-ратуропровод. при 20оС, α, см2/К·10--4	Уд. теплоем-кость при 20оС, с, кДж/(кг К)	Плотность при 20о С, γ, кг/м3	Температура плавлення, Тпл, о С
1	2	3	4	5	6	7
Алюминий	2,7	0,2	0,73	1	2800	658
Алюминиевые сплавы: АМц	4,2	0,16	0,65	0,82	2800	654
Д16Т	7,3	0,125	0,5	0,9	2900	633
АМг6	7,5	0,1	0,45	0,82	2780	620
Бронза БрБ2	6,5	0,08	0,24	0,47	8230	-
Вольфрам	5,5	0,17	0,35	0,25	19300	3500
Жаропрочные сплавы: ХН78Т	98	0,015	0,038	0,46	8350	-
ХН60ВТ	120	0,01	0,025	0,44	8800	1400
Продолжение таблицы 2
1	2	3	4	5	6	7
Магниевый сплав	12	0,1	0,52	1,04	1780	632
МА 2-1
Медь	1,75	0,36	1,05	0,38	8900	1083
Молибден	5,5	0,17	0,5	0,25	10220	2622
Стали: Низкоуглеродистая 08 кп	13	0,06	0,15	0,46	7800	1530
30ХГСА	21	0,04	0,104	0,48	7850	1480
Х15Н5Д2Т	85	0,018	0,05	0,46	7760	-
12Х18Н10Т	75	0,016	0,04	0,46	7860	1440
Титановые сплавы: ОТ4	142	0,01	0,036	0,58	4590	1660
ВТ6	160	0,008	0,03	0,54	4600	-
ВТ15	155	0,008	0,03	0,5	4890	-
Цирконий	41	0,017	0,09	0,28	6500	-

Сварочный ток рассчитывают по закону Джоуля – Ленца:

, (2)

где Q_ээ – общее количество теплоты, затрачиваемой на образование соединения;

т_r – коэффициент, учитывающий изменение общего сопротивления металла между электродами в процессе сварки.

Рисунок 2 – Коэффициенты удельного электросопротивления некоторых металлов в зависимости от температуры нагрева

Рисунок 3 – Зависимость коэффициента А от отношения dэ/δ

Для низкоуглеродистых сталей т_r ≈ 1, для алюминиевых и магниевых сплавов – 1,15, для коррозионно-стойких сталей – 1,2, для сплавов титана – 1,4.

В свою очередь Q_ээ определяется по уравнению теплового баланса:

Q_ээ = Q₁ + Q₂ + Q₃, (3)

где Q₁ – энергия, затрачиваемая на нагрев до температуры плавления Т_пл столбика металла высотой 2δ и диаметром основания d_э;

Q₂ – теплота, расходуемая на нагрев металла в виде кольца шириной х₂, окружающего ядро; среднюю температуру кольца принимают равной 0,25Тпл, достигаемой на его внутренней поверхности в контакте деталей;

Q₃ – потери теплоты в электроды, которые учитываются нагревом условного цилиндра в электродах высотой х₃ до средней температуры Т_э.

Считая, что температуру на контактной поверхности Т_эд ≈ 0,5Т_пл, а Т_э ≈ 0,25Т_эд, можно принять, что Т_э = Т_пл/8 (рис. 4).

Энергия Q₁ расходуется на нагрев до Т_пл объема металла большего, чем объем ядра, что дает возможность учесть скрытую теплоту плавления металла:

, (4)

где с – удельная теплоемкость;

γ – плотность.

Рисунок 4 – Схема расчета сварочного тока

При расчете Q₂ принимаем, что заметное повышение температуры наблюдается на расстоянии х₂ от границы ядра. Значение х₂ определяется временем сварки и температуропроводностью металла:

, (5)

где  – коэффициент температуропроводности металла.

Если площадь кольца , высота 2δ, а средняя температура нагрева , то ориентировочно

, (6)

где k₁ – коэффициент, близкий к 0,8, учитывает, что средняя температура кольца несколько ниже средней температуры Т_пл/4 в связи со сложным распределением температуры по ширине этого кольца, так как наиболее интенсивно нагретые участки расположены у внутренней поверхности кольца.

Потери теплоты в электроды Q₃ можно оценить, принимая, что за счет теплопроводности нагревается участок электрода длиной и объемом до Т_пл/8. Коэффициент k₂ учитывает форму электрода: для цилиндрического электрода k₂ = 1, для электрода с конической рабочей частью и плоской рабочей поверхностью k₂ = 1,5, а для электрода со сферической рабочей поверхностью k₂ = 2, Тогда

, (7)

где с_э и γ_э — теплоемкость и плотность металла электрода.

Зная составляющие теплового баланса, по формуле (2) определяем Q_ээ. Далее, пользуясь формулой (1), можно рассчитать действующее значение сварочного тока.

Шунтирование тока проявляется в протекании части тока вне зоны сварки, например, через ранее сваренные точки (рис. 5) при двухсторонней точечной сварке или через одну из деталей при односторонней сварке. Шунтирование в значительной мере нарушает симметрию электрического поля и может при малом расстоянии или шаге между точками привести к уменьшению плотности тока и размеров литого ядра.

Рисунок 5 – Шунтирование тока при двухсторонней точечной сварке

Значение тока шунтирования можно оценить по формуле

, (8)

где r_ээ и r_ш – электрическое сопротивление зоны сварки и шунта;

, (9)

где b_пр – приведенная с учетом растекания тока ширина шунта;

t_ш – шаг между точками;

К_э ≈ 0,4.