Холодный металлический контакт

Вопросами теории холодных контактов металлических поверхностей задолго до сварщиков занимались технологи машиностроения. В этой области накоплен большой опыт, который и следует позаимствовать для контактной сварки, но если речь идет только о холодном контакте, находящемся под статическим давлением.

Показатели шероховатости после различных видов механической обработки поверхностей представлены в табл. 5 приложения. Здесь же даны значения коэффициентов b и v, введенные в практику Н. Б. Демкиным и И. В. Крагельским [3].

Как было ранее обусловлено, шероховатость моделируется в виде пирамид с квадратным основанием. Моделирование такого рода безусловно идеализировано, но без систематизации размеров и форм шероховатостей невозможны никакие расчеты и даже качественные выводы. На основании конкретных значений шероховатости можно сделать вывод, что при всех видах обработки пирамиды представляют собой сильно сплюснутые геометрические фигуры: размеры основания в десятки или сотни раз превышают высоту пирамид. Такая форма выступов определяет разную деформационную картину в зависимости от программы приложения действующего давления и температуры пирамиды.

Для ударного давления плоской пластиной по холодной пирамиде она получает деформацию по схеме рис. 1.3, б. Нагретая целиком под действием статической или медленно изменяющейся силы пирамида деформируется по схеме рис. 1.3, в. Такого рода деформации характерны только для сил, сдавливающих пирамиду от ее вершины точно по оси симметрии. Однако практически почти при всех способах сварки давлением осевое давление сочетается со сдвиговым в какую-либо сторону. Мало того, и чисто осевое давление в свариваемом контакте как в отдельных микропирамидах, так и по всей плоскости контакта всегда завершается сдвиговым эффектом. Как будет показано в дальнейшем, этот эффект является самым главным фактором формирования сварного соединения вообще.

Для равномерной осевой деформации при полном смятии пирамида превращается в параллелепипед. Частичная деформация создает идеализированную усеченную пирамиду. Единичную площадь контакта смятой пирамиды у² принято обозначать так:

y ²=∆A_r           (1.1)

В плоскости реального металлического контакта (рис. 1.8) мо жет образоваться п таких площадок. Если считать все ∆ A , одинаковыми, то в сумме они составят так называемую фактическую пло щадь контакта

A_r =n ∆A_r                (1.2)

Фактическая площадь контакта — это в значительной мере показатель поверхностной шероховатости,   но не только. Число элементарных площадок n определяется и волнистостью контактируемых деталей (см. рис. 1.2).

В связи с этим введено понятие контурной площади контакта. Эту площадь обозначают Ас и ее размер определяют теми границами, в пределах которых вписываются все элементарные площади контакта ∆Аr.

Размер площади сечения всей свариваемой детали, или размер предельно возможной площади контактирования деталей, называют номинальной площадью контакта и обозначают символом Аа.

В технологии машиностроения принято определять относительную деформацию единичной пирамиды следующим образом (см. рис. 1.3):

Относительную деформацию группы микропирамид, составляющих фактическую площадь контакта, согласно экспериментальным данным Н. Б. Демкина [3], принято вычислять так:

           (1.5)

В этой формуле коэффициенты b и v характеризуют деформационную способность шероховатой поверхности чисто геометрически, без учета способа обработки поверхности ее физического состояния; р — давление, усредненное по контурной площади контакта; Pс.д — сопротивление деформации микропирамид, это показатель в значительной степени неопределенный, его величина зависит от способа обработки поверхности металла и энергии, с какой это делалось.

В технологии машиностроения величину P с.д для всех видов станочной обработки рекомендуют принимать, в среднем, равной тройному пределу текучести металла

Опыт показал, что для свариваемых контактов при точечной и стыковой сварке это соотношение дает удовлетворительные результаты при расчетах площадей контактирования.

Контактные площади определяются критериальным числом [7]

где θ — температура металла в зоне контактирования; θхол. — температура плавления.

Контурная площадь контакта определяется [7] в зависимости от критерия деформационного подобия Z по формуле

в холодном контакте при θ — θхол такое равенство может наступить при Р == Рс.д. Тогда, приравнивая

определяем коэффициент

Подставляя его в формулу (1.7), получаем значение критерия Z как для холодного, так и для горячего контактов

где θхол — комнатная температура, равная примерно 300 К; θ — температура горячего металла в зоне контактирования. Значение Рс.д можно принимать по соотношению (1.6), т. е. равным тройному пределу текучести.

Если контурная площадь под действием давления и нагрева стремится в пределе к номинальной, то, видимо, фактическая площадь имеет своим пределом контурную. Закономерность изменения фактической площади под действием давления и нагрева, очевидно, также должна определяться критериальным числом, аналогичным Z. В [7] он был обозначен символом X и определен следующими соотношениями:

для грубообработанных поверхностей, когда значение показателя степени в формуле (1.5) принимается равным двум (см. табл. 5 приложения), критерий X равен

для тонкой (чистой) обработки при v = 3

Для холодных контактов, когда температуру выступа можно считать θ_∆ = θхол эти формулы соответственно принимают вид:

где σ_т — предел текучести металла в предельно наклепанном состоянии (при деформации 80—90 %). Коэффициент Ь приведен в табл. 5 приложения.

Фактическую площадь контакта определяют по формуле

Формулы (1.11)—(1.15) полностью достоверны для машиностроительных контактов, в которых все деформационные, структурные и, следовательно, электрические микропроцессы успокоились и стабилизировались.

Для свариваемых контактов в моменты их образования определение площади весьма затруднительно, особенно при действии ударных сдавливающих сил. Для такого рода нагрузок на контакт значения величин Рс.д, σ_т входящих в структуру критериев Z и X, могут заметно различаться в зависимости от программы приложения давления, действующего на контакт и, следовательно, в зависимости от мгновенной концентрации энергии в плоскости контакта.

Вопросам концентраций и распределения действующих механических напряжений посвящено много литературы. Для условий контактной и некоторых других процессов сварки давлением схемы силового взаимодействия представляют значительный интерес.

На рис. 1.9 показаны эпюры распределения механических напряжений по плоскостям контактирования и плоскостям резкого изменения сечений.

Для практических расчетов принимают, что под абсолютно жестким пуансоном (рис. 1.9, а) абсолютно жесткая плита равномерно нагружается силой Р, т. е. полагают, что

В действительности распределение давления происходит по закону

Формула (1.16) дает теоретически бесконечно большие значения давления по образующей цилиндрического пуансона. Практически идеально жесткого пуансона не бывает, так же как не бывает пуансона хотя бы без самых малых закруглений по краю опорного круга 1—1 (рис. 1.9, а). При наличии таких закруглений кривая распределения давлений также превращается в закругленную: кривая 2—2 (рис. 1.9, б). Если плита сама оказывается к тому же не абсолютно жесткой, а обладает пластичностью, то кривая давлений резко меняет свое очертание, превращаясь в кривую 3—3. По этим кривым, в согласии с формулой (1.16), видно, что в центре, по осевой линии пуансона, во всех случаях действует давление

или несколько меньшее этой величины. На рис. 1.9, в показано внедрение пуансона в металл (прошивка металла). Стрелки показывают течение слоев металла радиально осевой линии пуансона. Для определения действительных напряжений в металле при деформировании по схеме рис. 1.9, в существует известная формула Е. П. Унксова

Как видно из формулы (1.18), для прошивки металлической болванки толщиной δ и диаметром D необходимо создать напряжения сжатия, превышающие предел текучести на некоторый коэффициент (приведен в квадратных скобках), зависящий от размеров заготовки и глубины проникновения пуансона. Первые два члена этого коэффициента показывают, какие должны быть приложены давления, чтобы деформировать цилиндрическую заготовку abed (рис. 1.9, е) без окружающей ее массы металла. Вторая часть коэффициента, In (D/d), определяет увеличение доли тех напряжений, которые действуют радиально, вызывая распор металла.

Рассмотрим некоторые схемы пластической деформации при стыковом контакте.

Если сжатию подвергается целый стержень из жесткого, непластичного металла, то никаких пластических деформаций нет, и эпюра действующих напряжений сжатия представляется в виде равномерно распределенной нагрузки (рис. 1.9, г). Если на стержне из такого же жесткого материала сделан кольцевой вырез (или два идеально подогнанные друг к другу по плоскости контакта стержня, которые по краю не соприкасаются) (рис. 1.9, д), то у вершины выреза концентрируются пиковые напряжения. Если целый стержень из пластического металла деформируется между двумя плитами, в которых он жестко закреплен (абсолютное трение), то распределение напряжений сжатия представляется эпюрой, изображенной на рис. 1.9, е. Уравнение этой кривой определяется формулой

При стыковой сварке двух стержней (рис. 1.9, ж) эпюра действующих давлений на практике оказывается более сложной, чем для целого стержня (рис. 1.9, е). При значительных деформациях с небольшими скоростями по краям свариваемого контакта появляются напряжения σr обратного знака, разрывающие металл (рис. 1.9, ж).

Рассмотренные модели позволяют сделать заключение о том, что в свариваемых контактах только в редких случаях получается равномерное распределение напряжений сжатия. Неравномерность распределения этих напряжений определяется и формой деталей, и механическими свойствами металла при температурах сваривания. Все рекомендуемые в литературе нормы для величин таких напряжений исходят из условий не только равномерного распределения напряжений, но и равенства приложенных напряжений пределу текучести металла.

Теория пластических деформаций показывает, что средние действующие напряжения сжатия, при которых металл течет, определяются равенством

где S — площадь сечения сжимаемой детали; u — периметр сечения; h — высота заготовки (расстояние между зажимными губками).

Для круглых заготовок формула (1.20) принимает вид

О зависимости такого рода уже говорилось при рассмотрении модели, показанной на рис. 1.9, в. В связи с этим формулы полезно сравнить (1.21) и (1.18).

Все приведенные выше формулы, относящиеся к деформационным напряжениям и их концентрациям, справедливы только для статических нагрузок или нагрузок, прикладываемых с малыми скоростями. Для ударных же давлений все общепринятые показатели механических свойств металла недостоверны. При каждом способе сварки давлением деформационные картины в контакте различны. При сварке взрывом момент образования контакта и момент его сваривания по времени неразличимы. Поведение металла в контакте при холодной сварке и трением — это течение металлических слоев под давлением, а не стабильное соприкосновение поверхностей. Для этих способов сварки представления о контакте, принятые в машиностроении, не применимы. Богатый теоретический и экспериментальный материал, накопленный в технологии машиностроения, может быть использован для приближенных расчетов только при контактной точечной и рельефной сварке.