Вопрос о сваривании контактов изучался многократно и при этом обычно определялся сваривающий ток, т. е. ток, при котором происходит сваривание контактов 1т. Была найдена зависимость 1т от давления в контактах Р:
(IV.4)
Было установлено, что для медных контактов 4100 в случае несамоустанавливающихся контактов и k = 6000 при самоустанавливающихся контактах. Эта зависимость была получена при пальцевых контактах с односторонним нажатием (рис. 1V.9, а). При двустороннем нажатии (рис. IV.9, б) сваривающий ток каждого пальца повышается на 10%. У розеточных контактов сваривающий ток, отнесенный к одному пальцу розетки, в 1,5 раза выше, чем при одностороннем пальцевом контакте. При увеличении времени действия сваривающего тока его величина падает. Эти данные изображают процесс формально.
В последнее время были проведены исследования, которые осветили физику процесса и дали новые критерии сваривания контактов. Для понимания процесса сваривания контактов обратимся к осциллограмме (рис. IV.10, а), полученной при кратковременном воздействии тока. На ней можно отметить три области. Первая область — АВ. Здесь и ток г, и падение напряжения в контактах ∆UK растут. Происходит разогревание контактов. Во второй области ВС ток растет, а падение напряжения приблизительно постоянно. В точке В ток достиг величины, которая названа граничным током сваривания. Ему соответствует наибольшее падение напряжения. Область ВС—область сваривания контактов. Третья область — CD. В ней ток и падение напряжения уменьшаются. Происходит остывание контактов. По кривым i и ΔUΚ можно вычислить сопротивление контакта
.и построить зависимость RK=f(AUK) (см. рис. IV. 10, б). На участке АВ сопротивление растет по закону
В точке В начинается плавление металла контактов. При этом сопротивление RK падает, так как удельное сопротивление расплавленного металла относительно мало. На участке CD сопротивление RK падает вследствие уменьшения тока и падения напряжения, вызываемых остыванием контактов.
Рис. IV. 10. Осциллограммы сваривания медных контактов:
а — зависимость тока и падения напряжения о контактах от времени: б — зависимость переходного сопротивления контактa от падения напряжения в нем
Приведенная осциллограмма относится к медным контактам. Аналогичные осциллограммы получаются и при других материалах контактов. Приведем еще характеристики сваривания для серебряных контактов (рис. IV.11).
Важной характеристикой процесса сваривания является сила Рот, необходимая для отрыва друг от друга сварившихся контактных элементов.
Рис. IV.9. К определению сваривания клиновых контактов:
a — одностороннее; б — двустороннее нажатие
На рис. IV. 12 приведена зависимость граничного тока сваривания Iгр, а на рис. IV. 13—отрывной
силы Рот от давления в контактах Р. С увеличением давления в контактах граничный ток растет сравнительно медленно. Наоборот, отрывная сила растет очень быстро. Наиболее высок граничный ток сваривания у серебра, несколько меньше — у меди. Поэтому отрывная сила при Рк>5кГ больше у меди. У металлокерамики меньше и граничный ток сваривания и отрывная сила.
где σ—предел прочности материала контактов на смятие;
Расчет граничного тока сваривания и отрывной силы сварившихся контактов представляет собой очень сложную и трудно разрешимую задачу. В этих расчетах необходимо учитывать давление в контактах, свойства их материала, время действия тока и температуру контактов. Неоднократно высказывалось мнение, что электродинамические силы сужения играют существенную роль в процессе сваривания контактов. Однако прямые опыты доказали, что эти силы играют малую роль, и их можно не учитывать. Приближенно можно подойти к определению граничного тока сваривания с помощью формулы
Рис. IV.12. Зависимость граничного тока сваривания от давления в контактах
t — время действия тока.
Коэффициент k должен учитывать изменения размеров контактной площадки стоком и постоянных материалов контактов с ростом температуры, а также отличие действительной формы кривой тока от расчетной (прямоугольной).
Рис. IV.11. Осциллограммы сваривания серебряных контактов (а и б см. на рис. IV.10)
Рис. IV. 13. Зависимость отрывной силы сварившихся контактов от давления в контактах
Очевидно, величина этого коэффициента может быть установлена только из опытных данных. Функция z дана Η. Е. Лысовым в его докторской диссертации и представлена в виде графиков.
Сравнение расчетных и опытных данных приведено на рис. IV. 14. Из рисунка видно сильное влияние как давления Р, так и материала контактов. Наиболее важный результат этого исследования заключается в установлении очень сильного влияния на ток сваривания материала контактов. Чем тверже материал, тем меньше граничный ток сваривания. Формула (IV.4) этих влияний не учитывает.
Опыты показывают, что при многократном воздействии тока величина граничного тока сваривания значительно возрастает. Приведенные результаты относятся к одноточечным контактам.
При сваривании контактов, конечно, решающую роль играет их температура, особенно температура контактной площадки. Надо различать нагревание контактной площадки и всей контактной поверхности. Для разрешения вопроса о нагревании точечного контакта (контактной площадки) рассмотрим тепловое поле в нем. Представим контактную площадку в виде тонкого диска, через который ток входит в проводящее пространство неограниченных размеров. Тогда тепловое поле, приближенно совпадающее в данном случае с полем тока, будет таким, как изображено на рис. IV. 15. Здесь v=const— линии тока и теплового потока, и=const—равнопотенциальные линии и изотермы. Уравнение нагревания для такой системы имеет вид
Рис. IV.14. Зависимость граничного тока сваривания от давления в контакте:
1 — медь — медь (мягкая); 2 — медь — медь (твердая); 3 — латунь; 4 — сталь; опыт; расчет
где Δ — оператор Лапласа, т. е. сумма вторых производных от ϑ по координатам. В данном случае будет удобно пользоваться криволинейными координатами и, v, w.
Рис. IV. 15. Тепловое поле и поле тока в теле контакта около контактной площадки
