Физическая сущность активации свариваемых контактов

Активация контакта — это процесс преднамеренного повышения энергии в поверхностных слоях или по плоскости контакта, или, плюс к этому, в некотором объеме металла вокруг контакта. Конечная цель активации — создание сварного соединения. Активирование металла может производиться как в микро-, так и в макрообъемах. Энергия активации может быть получена за счет любого физического процесса, ограничением обычно служит технологическая целесообразность.

Для сваривания энергию, вводимую в контакт, программируют весьма разнообразно. Поскольку программирование энергии — это количественное изменение ее во времени, то можно сравнивать инерционности приложения каждого вида энергии. С этой точки зрения механическая энергия, вводимая в свариваемый контакт для его активации, весьма универсальна и безынерционна по сравнению с энергией тепловой. Если иметь в виду электрическую природу строения вещества вообще и металла в частности, то можно говорить, что всякая активация контакта — это активация внутренней электрической структуры металла. На первый взгляд поэтому кажется, что механическая энергия, по закону термодинамики, способна непосредственно превращаться только в энергию тепловую. И как будто бы только сама электрическая энергия способна электрически активировать металл. В действительности это не так. Механическая энергия — это отличный активатор внутренних электрических процессов в свариваемом контакте в частности, а в металле — и вообще во всем объеме.

На рис. 1.10 дана экспериментальная кривая, показывающая термоэлектродвижущую силу U_TЭ отожженных и деформированных кристаллитов железа, измеренную через длительный промежуток времени после деформации. Такая стабилизированная картина устанавливается через несколько минут с момента деформации. В начальный же момент значение этой термо-э. д. о. превышает стабилиаированное в 10—15 раз. Такое или даже большее превышение определяется скоростью деформации, которая может обеспечить и весьма ощутимое повышение температуры зоны контакта. Таким образом, механическая активация свариваемого контакта обеспечивает в нем не только развитие теплового, очень привычного вам эффекта но и одновременно создает явно электрические процессы. Однако сварщики не должны пренебрегать электротепловыми эффектами в свариваемых соединениях. Их признание весьма заметно поможет более глубоко и достоверно понимать физическую сущность металлического контактирования вообще. Каждый процесс сварки давлением завершается операцией сдавливания — операцией осадки. Все процессы сварки давлением отличаются друг от друга временной программой операций осадки. Эти операции могут быть:

1) длительно действующими при постоянном давлении; это соответствует процессу диффузионной сварки;

2) ударно-импульсными — характерными для сварки взрывом и магнитно-импульсной сварки;

3) специально программированными, т. е. переменными по силе сдавливания и времени действия этой силы. К этой области относятся, по сути дела, все процессы сварки давлением, имеющие наибольшее применение в современной технике: контактная, холодная, трением, ультразвуковая и даже диффузионная. Ультразвуковая представляет собой способ сварки с наиболее сложной временной программой приложения давления, сочетая ударно-импульсное действие с переменной во времени силой удара.

Каждый процесс сварки давлением может обеспечить высокие качества соединения при соблюдении только двух обязательных условий.

I условие: или все оксидные и адсорбционные наслоения в плоскости свариваемого контакта в процессе плавления контакта растворяются в расплаве;

II условие: или все оксидные и адсорбционные наслоения полностью выдавливаются из плоскости свариваемого контакта при операции осадки.

Вакуумирование свариваемого контакта, даже весьма высокое, не может полностью освободить поверхность металла от оксидных и адсорбционных загрязнений.

Условие I полностью соблюдается при контактной точечной и шовной сварке; условие II выполняется для всех остальных процессов сварки: контактной стыковой, трением, холодной, ультразвуковой.

Особый характер имеет очистка плоскости свариваемого контакта при сварке взрывом. При ней свариваемые поверхности очищаются воздушно-плазменной кумулятивной струей.

Как видно из изложенного выше, для основных процессов сварки — контактной стыковой, трением, холодной и ультразвуковой — представляется весьма существенным выяснить физкческую сущность операции сдавливания как главной операции, завершающей формирование сварного соединения.

При этом в первую очередь следует подчеркнуть, что сваривание может свершиться только в результате пластической деформации и уж никак не упругой. На основании этого можно утверждать: в зависимости от величины сдавливающей силы и от программы ее действия в плоскости контакта могут происходить процессы межкристаллического разрыва; межкристаллического сдвига; всестороннего сжатия кристаллов. Эти процессы могут происходить в любой комбинации друг с другом, каждый по отдельности и даже все вместе взятые одновременно в любом соотношении.

Для того чтобы хотя бы весьма приближенно оценить количественно межкристаллические пластические деформации, рассмотрим некоторые достоверные модели. Постараемся при этом возможно более строго разграничивать понятия масштабов. В частности, если вести речь о действиях в масштабе элементарных кристаллов, то уже не делать попытки использовать для них константы, известные для макроскопических объемов металла. Это касается не только физических, электрических, механических но и других конетант. Это, к сожалению, касается даже целых понятий таких, например, как температура.

Физически точное определение этого понятия формулируется так: температура — это мера энергии массы движущихся частиц. При этом, вообще говоря, безразлично, о каком движении идет речь — поступательном или колебательном относительно точки равновесного состояния.

Как видно понятия температура и энергия неразделимы. Они и в самом деле неразделимы, даже и в микрообъемах. Допустим, у нас речь идет всего о двух связанных друг с другом атомах кристаллической решетки. Эту модель можно представить в Биде схемы, приведенной на рис. 1.11. Собственные гармонические колебания атома относительно точки равновесия — это энергия потенциальная равная

где h — постоянная Планка, равная 6,62.10-34 Дж.с; v — частота колебаний.

Кинетическая энергия атома в целом

где k — постоянная Больцмана; θ — абсолютная температура пространства, в котором расположены атомы или, точнее, это тот самый показатель который определяет кинетическую энергию

одной частицы и который для п частиц привыкли называть температурой.

Полная энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии при трех степенях свободы.

поскольку Епот = Екин.

Модель, показанная на рис. 1.11, для условий холодного металла представляет собой равновесную систему со стабильным расстоянием между центрами шаровых моделей атомов. Это параметр кристаллической решетки δ. Что будет происходить при изменениях этого расстояния, можно выяснить исходя из следующих соображений. По образной терминологии Я. И. Френкеля, в холодном металле атом находится в состоянии оседлой жизни. Если же сообщить ему импульс тепловой энергии, характерный для плавления кристалла, то атом способен мгновенно (снова по образной терминологии Я. И. Френкеля) совершить прыжок в соседнюю вакансию, проделав тем самым путь, равный параметру решетки δ. Но ведь можно, следовательно, рассуждать и обратным путем: если мы смогли какой-то силой переместить атом из его стабильного положения на такое расстояние δ, значит обязательно тем самым сообщили кристаллу энергию, эквивалентную энергии плавления. А эта энергия совсем необязательно должна быть тепловой, она может быть и электрической, и, что самое интересное, — механической.

Прыжок атома в соседнюю вакансию совершается, разумеется, уже не с той холодной частотой, с какой он пребывал в состоянии равновесия, а с той мгновенно высокой, какая характерна для частоты плавления. Но как только атом оседлает вакансию он мгновенно отдает избыточный импульс колебательной энергии в пространство, т. е. соседним атомам, и система успокаивается, снова на низкой частоте холодного металла. Таким образом, если сдвинуть (рис. 1.12) один целый кристалл относительно другого на единичный параметр б, то эта операция будет эквивалентна энергии плавления, но в объеме, занимаемом только этими двумя кристаллами. Все остальные кристаллические соседи вокруг этих двух сдвинутых почувствовали этот сдвиг только как факт звуковой затухающей волны. В этом и заключается особенность высокоэнергетического процесса в микромасштабе: механической силой был создан элементарный сдвиг, не разрушивший целостность кристаллической связи и совершенно не замеченный большой массой металла. Тем не менее мгновенная энергетическая вспышка в двух элементарных кристаллах эквивалентна акту их плавления Эту формулировку полезно запомнить для дальнейшего понимания операции осадочного давления при сварке давлением.

С изменением межатомного расстояния δ связаны еще и следующие процессы. Так, в частности, известно, что при всестороннем сжатии кристалла, когда удается уменьшить его параметр только на одну четверть, на такой эффект затрачивается энергия, равная энергии плавления. С учетом этого на рис, 1.13 построена кривая изменения энергии кристалла в зависимости от изменения расстояния между его частицами. Точка 1 соответствует энергии холодного металла, для которого и измерены расстояния б. Сдвиг атома до точки 2 создает разрыв связи и это соответствует энергии плавления Е_пл. Вся правая часть энергетической кривой от точки 1 показывает изменение энергии кристалла при деформациях сдвига. При этом, если сдвиг от точки 1 до точки 2 дает атомный прыжок в соседнюю вакансию, и это является случаем пластической деформации, то движение атома от точки 1 к 4 обратимо и характерно для упругих деформаций. То же происходит и при сжатии, когда атом смещается в точку 3 и также с увеличением энергии. Разумеется, не следует забывать, что деформации кристалла— это одновременно и деформация внешних орбит свободных электронов. Схематически такую деформационную картину можно представить с помощью рис. 1.14, на котором изображена энергетическая кривая свободных электронов.

Расстояние r0 соответствует размеру электронной оболочки невозбужденного атома, т. е. не подверженного пока никакой активации. Но вот кристалл подвергнут растяжению силой F. Здесь прежде всего следует отметить существенную разницу между параметром решетки б и расстоянием r0. Связь друге другом частиц кристаллической решетки иногда справедливо моделируют в виде пружин, которые при отклонении от своего равновесного состояния сопротивляются и сжатию, и растяжению, возвращаясь в исходное состояние, если деформации были в пределах упругости, и разламываясь, разрываясь, если деформации были пластическими.

Никаких разрывов электронных конфигураций не наблюдается. Эти конфигурации подвижны и непрерывно обеспечивают или мгновенные, или даже длительные равновесные электрические состояния всех зон деформируемого металла. Электроны в атомах при этом непрерывно меняют и свои орбиты, и свои частоты, а каждый переход с одной орбиты на другую сопровождается или поглощением прилагаемой энергии, или ее излучением в пространство.

При любом изменении стабильного радиуса r0 (рис. 1.14, а) на ∆r электрон или поглощает энергию, или излучает. Электрон может, однако, и уйти далеко от равновесного расстояния r0, если ему передана достаточная энергия. При сообщении ему энергии, равной или большей работы выхода, такие электроны могут в зоне разорванных кристаллов А создать облако отрицательного заряда, компенсирующего положительный потенциал разъединенных кристаллов.

Рассматривая рис. 1.14, б, можно дать некоторое физическое объяснение явлению концентрации механических напряжений сжатия или растяжения относительно трещины, надреза или даже постороннего включения в исследуемом контакте.

Зона D соответствует ненапряженному участку металла и стабильному радиусу максимума электронной конфигурации свободных электронов r0. Зоны В и С — зоны упругих напряжений, зона А — это разрыв металлической связи. Если измерять действующие силы связи как действующие локальные напряжения, то в зонах В они особенно велики и не зависят от того, является ли действующая сила растягивающей F или сдавливающей Р. Независимо от знака деформации свободные электроны мгновенно перераспределились и создали временную равновесную электрическую структуру в зонах В и С.

Каждое движение атома — это одновременно и движение связанных с ним свободных электронов, поскольку только такое совместное движение обеспечивает сохранение электрической нейтральности. Но вот представим себе поверхность, которую механически деформируем и нагреваем. Такая поверхность обеспечивает, очевидно, выброс в пространство свободных электронов за счет одновременно и термоэлектронной и экзоэлектронной эмиссий. Значительная убыль свободных электронов в пространство над кристаллом весьма снижает отрицательный потенциал внутри кристалла. Положительно заряженные частицы кристаллической решетки начинают друг друга взаимно отталкивать и выталкивать из кристалла, а если уход массы свободных электронов происходит быстро, то это может привести к взрыву кристалла. Если оценить энергетические характеристики этого эффекта, то такого рода разрушение кристалла далеко выходит за пределы понятия плавления.

Однако эти процессы плавления или даже кипения могут быть и не замечены любой термопарой. И не только термопарой. Атомные осколки разрушенных кристаллов мгновенно, вслед за разрушениями, строят новые, обычно дефектные кристаллы. И это происходит по плоскости контакта и иногда в объеме только нескольких кристаллических слоев, что совсем не мешает называть это микродефектное строительство свариванием. Какой бы ни возник по плоскости контакта атомно-электронный беспорядок, он обязательно после прохождения энергетического максимума превратится в металлическую связь, не только не уступающую связи межкристаллитной, но по прочности даже превосходящую ее. Тот факт, что каждый процесс сварки давлением заканчивается плоским сдвигом, становится ясным из рассмотрения энергетической кривой, показанной на рис. 1.13, и технологических схем, приведенных на рис. 1.15. Деформации растяжения и сдвига (см. правую часть рис. 1.13) идут при значительно меньших затратах энергии, чем всестороннее сжатие. Вполне естественно поэтому, что сила сжатия Р (рис. 1.15) при всех способах сварки давлением обязательно превращается по плоскости свариваемого контакта в силу сдвига F. Это превращение всегда оказывается самым последним эффектом при формировании сварного соединения. Межзеренный и межкристаллнческий сдвиг по плоскости контакта, деформация сдвига металла вокруг плоскости контакта - вот чем заканчивается каждый процесс сварки давлением.

Произведем некоторые расчеты. Если на какой-то объем металла действует сила сжатия Р и деформирует этот объем на размер h, то механическая энергия Ph (Дж), по первому закону термодинамики, за счет внутреннего трения б металле неизбежно перейдет в энергию тепловую. Это бесспорное положение можно записать в виде

— подъем теплосодержания деформируемого объема Поскольку сила Р = pS, то

Как видно по единице физической величины, η (Дж/е)/см3 — это динамическая вязкость или (по другой терминологии) внутреннее трение. Эта характеристика часто используется и ее численные значения определены для многих веществ, в том числе н металлов но только для жидкого или даже парообразного состояния. Для металлов в твердом состоянии опытных значений коэффициента η нет. Определим эту характеристику расчетным путем, используя для этой цели принцип механического подобия.

Соотношение (1.25) может быть отнесено к любому как макро-, так и микроскопическому объему. Существуют и механические понятия, которые можно использовать как в отношении макроскопических моделей, так и микроскопических. Например, энергию пружины (Дж) определяем так:

где D — жесткость пружины; δ— ее деформация.

Упругопружинными свойствами обладает и любая кристаллическая система. Ее потенциальную энергию (Дж) можно также определить, если вместо константы жесткости D использовать другую константу, которая пригодна для любой кристаллической организации независимо от ее объема. Такой константой, согласно (1.26), является динамическая вязкость. Приравнивая энергии из формул (1.26) и (1.27)

Пружинная анергия кристаллов при их деформации н сдвиге превращается в потенциальную

Из равенства формул (1.27) и (1.22), заменяя константу D константой η, по формуле (1.28) находим

Если в этой формуле δ — параметр кристаллической решетки; ε — относительная деформация, равная единице при сдвиге на один параметр решетки б; время t тоже полагать равным единице, то при v (частоте колебаний атомов холодного металла), значение динамической вязкости η может быть вычислено по табл. 1.2.

В качестве примера можно привести расчет для меди:

Расчетная формула (1.29) может быть выведена и из других соображений, относящихся непосредственно к деформации сдвига кристаллов.

Если для сдвига кубического кристалла на один параметр решетки необходима сила Р, то энергия сдвига

Эта энергия превращается в потенциальную hv, т. е.

Подставляя сюда значение р, получаем

И, соответственно, динамическая вязкость определяется, как и было записано выше, по формуле (1.29)

  (1.30)

Соотношение (1.25) не зависит от величины деформируемого объема, оно определяется по первому закону термодинамики, который действителен и для кристаллических масштабов.

Динамическая вязкость в зависимости от температуры меняется по сложной кривой. Нулевое значение для металлов лежит за пределами точки плавления. Если иметь в виду процессы сварки давлением, для которых температура в плоскости контакта не выходит за границу плавления, то для приближенных расчетов можно положить

Таблица 1.2.

Физические свойства металлов

Сопоставляя это допущение с формулой (1.26), получим

В этой формуле константы γ с относятся все же к макрообъемам металла. Формула (1.32), как будет показано дальше, дает вполне удовлетворительные результаты расчета во всех случаях, когда речь идет о некоторых объемах металла или о контактных плоскостях, где нагретые слои по толщине много больше чем размеры элементарных кристаллов. Если же исследуется, например, чисто плоскостной сдвиг, то формулу (1.26) следует переписать с учетом того, что процесс происходит в микрообъемах. Тогда

где k — поетояниая Больцмана, равная 1,38.10-23 Дзк/К-атом; n — число атомов в 1 см3; θ — температура, К.

Соответственно с ощутимой неточностью, вызванной заменой абсолютной температуры на температуру в °С, получим из (1.32)

В этой формуле относительная деформация всегда равна единице, поскольку здесь сдвиг меньшим не может быть. Практически формула (1.34) более достоверна, чем (1.32), для деформации пирамидальных выступов шероховатых поверхностей, контактирующих друг с другом. В знак именно такой ориентации формулы (1.34) символу температуры придан индекс ∆.

Согласно предшествующим теоретическим соображениям, мы приняли, что независимо от используемой энергии эффект сваривания свершается в самый последний момент осадки, в момент максимальной концентрации энергии и sa короткий промежуток времени. Формула (1.34) позволяет оценить значение той мгновенной вспышки температуры в плоскости контакта, при которой и формируется сварное соединение по этой плоскости идеально чистых кристаллов. Следовательно, идеальная чистота должна быть на таком же уровне чистоты, как и межкристаллитные границы внутри металла, которые не препятствуют ни размельчению зерен, ни их новому объединению.

Таким образом, всякая операция сдавливания при всех процессах сварки давлением принципиально делится на два этапа: первый этап — подготовительный — это удаление, выдавливание из зоны свариваемого контакта всех загрязнений; второй — непосредственное сваривание. Если металл не подвергается никакому предварительному подогреву, как это имеет место при холодной сварке, то подготовительная операция обычно требует выдавливания заметного слоя металла по обе стороны от плоскости контакта.

Перейдем к исследованию процессов активации не только плоскости свариваемого контакта, но и некоторого слоя металла вокруг него. Никаких ограничений по видам энергии вводить не будем. Тогда для любого распределения температуры вокруг контакта можно будет написать равенство (рис. 1.16)

  (1.35)

где qt — энергия, введенная в контакт, Дж; Тcp — среднее значение температуры металла в объеме Sx, °С.

Значение этой температуры зависит от формы температурной кривой, которая по координате и времени определяется различными решениями уравнения теплопроводности Фурье,

Как известно, а — коэффициент температуропроводности, см2/с. В зависимости от начальных и граничных условий уравнение Фурье дает различные кривые распределения температуры в глубину металла от плоскости контакта. Так, в частности, если вводимая в контакт мощность постоянна (q = const), то уравнение Фурье имеет решение в виде такой сложной функции:

Параметр функции

Выражение для G

тоже представляет собой одно из решений уравнения Фурье. Для случая, когда под действием мощности q в плоскости контакта мгновенно вспыхивает температура Тк, распределение температуры вокруг контакта определяется формулой

На рис. 1.17 графически представлены эти функции.

Для технологических расчетов достаточны меньшие точности и более простые формулы, сохраняющие наглядность связей всех переменных. Имея это в виду, можно аппроксимировать без больших ошибок кривые рис. 1.17 средней прямой, которая пересечет ось параметра ξ при его значении ξ = 1. При этом условии глубина. на которой температура не будет повышаться (см. рис. 1.17), определится так:

Такую величину для х и можно принять при развертывании формулы (1.35). Тогда среднее значение температуры нагретого металла Тср в зависимости от формы температурной кривой может быть принято таким:

Для прямолинейного падения температуры т = 1/2, при выпуклости и вогнутости кривых значение т практически не выходит за пределы 1/3-2/3

Учитывая (1.37) и (1.38), перепишем равенство (1.35):

откуда

Эта формула позволяет сделать далеко идущие теоретические и практические выводы. Прежде всего следует еще раз подчеркнуть, что для числителя qt мы не ставили никаких ограничений. Это — энергия, и притом какая угодно: однородная или комбинированная. Следовательно, для случая приложения к контакту только механической энергии формулу (1.39) можно переписать так: если

то

Эта формула еще раз отчетливо показывает, что в стремлении получить в контакте максимально возможную вспышку температуры Tк, необходимо механическую энергию PhM вводить в плоскость контакта или ударно-импульсным режимом, или кратковременным сдвигом.

где Fo — безразмерная критериальная величина at/x2, или критерий Фурье.

Кривые, приведенные на рис. 1.17, показывают, что различные решения уравнения Фурье являются функциями от критериальной величины (1.36), или, что тоже самое, критерия Фурье. Можно показать, что уравнение теплопроводности Фурье построено на этом критерии. Если отбросить знаки дифференциала и разделить обе части равенства на отношение T/t, то получим определение (1.42).

теплового источника,

где q0 = qlx,  Вт/см.

Разделив обе части равенства (1.43) на T/t, получим:

Как видно, здесь фигурирует еще один критерий, который получил имя академика М. В. Кирпичева,

где q — мощность источника, Вт.

Оба критерия (и Фурье, и Кирпичева) позволяют создать для некоторых процессов сварки расчетные формулы по определению сварочных режимов. Закономерность их применимости может быть доказана следующими выводами.

Из формулы (1.39) получаем

Умножаем числитель и знаменатель на коэффициент теплопро водности λ. Тогда

Этот вывод дает право сформулировать общее заключение: тепловое состояние свариваемого контакта, активированного любым видом энергии, определяется произведением критерия Кирпичева в первой степени на критерий Фурье в половинной.

Вывод (1.45) можно записать такими формулами, вводя обобщенный критерий подобия К:

Вернемся еще раз к формуле (1.39), обратив внимание на то, что для энергии qt мы не ставили никаких ограничений, т. е. она может быть любой: тепловой от экзотермической химической реакции, электрической, механической и пр. Если иметь в виду современные используемые виды энергии, то qt может быть представлено суммой:

где RK и RM — изменяющиеся в процессе нагрева электрические сопротивления контакта и самого металла; tH — время действия сварочного тока l, т. е. время нагрева.

Из этой суммы энергий технолог может выбирать или любой один вид, или любые комбинации из членов в сумме, если только это может дать желаемый технологический эффект. Первое слагаемое в равенстве (1.48) относится, например, к газовому или термитному нагреву, второе — к контактной сварке, третье — к ней же для процесса оплавления или искрового разряда; eUn — это лучевая энергия; μH2 — энергия магнитная и, наконец, PhM — это энергия механическая. Как ни странно на первый взгляд, о последней надо говорить особо. Дело в том, что простейшее понятие PhM как силы, умноженной на путь, в сварочных процессах может быть реализовано разными путями. Сила может быть статической, ударно-импульсной и знакопеременной. Путь может равняться линейной осадке, но может быть и иным. Так, при сварке трением

В этой сумме у — это путь трения, равный

где d — средний диаметр стержней; п — частота вращения детали; tтр — время операции трения.

Формула (1.41) получает такой вид:

где Pтр — давление при операции трения; рос — осадочное давление по окончании нагрева, которое, как видно, нужно прикладывать за короткое время toc, чтобы, во-первых, не упустить состояния подогрева, достигнутое за время tтр, и, во-вторых, осуществить кратковременный, окончательный, сваривающий сдвиг.

Энергия может быть и комбинированной — электрическая плюс механическая. Их соотношение также может быть разнообразным. Например, для стыковой сварки методом сопротивления

Для стыковой сварки методом оплавления и ударно-стыковой

где toп — время процесса оплавления при действующем токе оплавления lоп и напряжении на свариваемых деталях Uon.

Имея в виду все изложенные выше частные соображения о видах энергии, которые можно вводить в контакт, и о величине температуры в плоскости контакта, которая развивается за счет этих энергий, следует написать:

Здесь первое слагаемое определяется формулой (1.39), а второе — ранее исследованной формулой (1.34). Если полностью развернуть сумму (1.54) по всем возможным составляющим вводимой энергии, то получим общее энергетическое равенство для любых процессов сварки

Равенство (1.55) интересно тем, что оно показывает, как можно комбинировать виды энергии для известных и освоенных процессов сварки. Например, стыковую сварку методом сопротивления определяют только два слагаемых равенства (1.55) — это первое и третье; для сварки непрерывным оплавлением — второе и третье; для сварки оплавлением с подогревом — первое, второе и третье. Однако это чисто внешние технологические признаки. Вскрыть внутреннюю сущность, а точнее, определить вклад каждого из слагаемых равенства (1.55) может только численный расчет. Для некоторых способов сварки, как, например, контактной точечной и шовной, можно и без расчета определить, что для них используется только первое слагаемое, поскольку металл доводится до плавления и поэтому осадочное давление не нужно. В этих процессах давление обеспечивает другие функции: оно создает начальный холодный контакт и во многих теперь случаях осуществляет операцию проковки уже сваренного горячего металла. Равенство (1.55) может быть продолжено, например, для ультразвуковой сварки

где Р — сила сжатия; ξ — амплитуда колебаний; ω — частота колебаний; t — время полного цикла.

Соответственно  (1.56)  в  сумме  (1.55)  появится  слагаемое

(1.48) еще более существенно и в другом. Оно позволяет предсказать возможность создания новых, пока не используемых процессов сварки. Вряд ли, например, можно отрицать, что когда-нибудь не окажется целесообразным использовать одновременно и энергию трения, и электрический нагрев, т. е. суммировать первое и четвертое слагаемые. Могут быть и другие комбинации, например, любого из электрических нагревов с колебаниями ультра-, гипер- или просто звуковыми. Последние, например, С. И. Кучук-Яценко уже сочетает со вторым и третьим слагаемыми равенства (1.48).

Единственно, какой процесс сварки давлением не вписывается в равенство (1.48), так это диффузионная сварка в вакууме. Для нее, в классическом ее виде, при постоянных температуре и давлении в этом равенстве не подходит ни одно слагаемое.

Коэффициент диффузии, согласно определению Я. И. Френкеля, для условий печного нагрева

где Rθ — тепловая энергия, которая сосредоточена в свариваемых деталях; при диффузионной сварке она равномерно распределена как по зоне контакта, так и по всей детали в целом; η — динамическая вязкость, или внутреннее трение; δ — параметр кристаллической решетки.

В последние годы для диффузионной сварки стали использовать программированное ударное давление. Мало того, замечено, что внешнее магнитное поле тоже оказывает влияние на процесс диффузии. На основании этих фактов формулу Я. И. Френкеля (1.57) следует дополнить механической ударной энергией фононов hv и магнитной μH2. При этих условиях коэффициент диффузии можно определить по такой формуле

В знаменателе этой формулы коэффициент, характеризующий внутреннее трение, как и ранее, определяется формулой (1.31).

Формула (1.58) показывает, что коэффициент диффузии по свариваемому контакту может возрасти действительно в миллионы или даже миллиарды раз против его значения, известного для условий статического нагрева всего объема металла. Такие именно миллионнократные возрастания за счет ударных давлений и были зафиксированы экспериментально Л. Н. Лариковым, В. Р. Рябовым и В. М. Фальченко.

Формула (1.58) дает объяснение совершенно необычной скорости диффузии при сварке взрывом. В момент соударения зафиксированы частоты более жесткого излучения, чем ультрафиолет. Следовательно, это частоты порядков 10¹⁵—10¹⁶ Гц. Температура свариваемых поверхностей в результате значительно превышает точки кипения. Внутреннее трение η стремится к нулевому значению. Соответственно всем этим фактам коэффициент диффузии D возрастает при сварке взрывом в миллиарды раз по сравнению с тем значением, которое характерно для статических печных нагревов.

Энергетическое равенство (1.48) хотя и содержит много переменных, но не все те, какие вообще участвуют в процессе формирования сварного соединения.

Обратимся к некоторым типовым примерам из практики.

Рассмотрим стыковую сварку методом сопротивления стержней из стали СтЗ диаметром 12 мм. Осциллограмма зафиксировала: среднее значение тока нагрева l = 6350 А. Время нагрева 2,3 с. Сила сжатия Р = 5650 Н. Время осадочной операции t_oс = 1 с. Размер осадки h = 5 мм. Коэффициент аккумуляции теплоты для

  коэффициент

Т = 1/2. Тогда при Ph = 5650.5.10-3 = 28,52 Дж

А это уже такая существенная добавка, которая или весьма приблизит суммарную температуру Т_св = Г_к + Т_∆ к точке плавления, или даже превысит ее, стоит только слегка ускорить операцию осадки. Превышение точки плавления по плоскости контакта не только реальная вещь, но, вероятно, даже желательная. Не следует только забывать, что добавление температуры Т_∆ имеет место только в самой плоскости сдвига, а не в глубинных слоях металла вокруг контакта.

Можно привести и другой характерный пример. Это ударно-стыковая сварка с разрядом конденсатора на свариваемый контакт. Одна из осциллограмм зафиксировала длительность процесса сварки медных проволок 0,003 с. Время осадки и, следовательно, время деформации сдвига t_oc = 0,001 с. По формуле (1.34) для меди

Отсюда приходится делать вывод, что ударное давление выбивает из контакта весь кипящий металл, нагретый разрядом конденсатора. Сдвиговый же удар по плоскости контакта обеспечивает температуру плавления. Этот факт вполне объясняет структуру сваренного контакта. Его плоскость раздела не отличается от межкристаллитных границ. Таким образом, медленная (за 1 с) осадочная операция при сварке методом сопротивления не дает заметной температурной добавки, но скоростная осадка обеспечивает решающий температурный эффект по плоскости контакта. Достаточно заметная по величине составляющая Т_∆ получается и при сварке трением.

На основании приведенных конкретных примеров равенство (1.55) можно расценить как основное технологическое. В нем несколько слагаемых, обусловленных разными видами энергии, но все эти слагаемые дают общую, уже не разделяемую сумму температур. Это значит, что все виды энергии можно регулировать с любой точностью, причем особенно гибко регулируется энергия механическая. В связи с этим следует сделать вывод, что проектировщики современных машин для сварки контактной, трением, холодной мало интересуются скоростью действия сил сжатия, а в основном только их величиной. Характерно, что до сих пор ни в одном литературном источнике не приводится данных о том, какая именно скорость деформации может и должна быть обеспечена. Даются только предельные значения давлений, которые может развить машина. Энергетическое равенство (1.55) убедительно показывает полную недостаточность существующих технологических рекомендаций по параметрам давления. К тому же эти рекомендации неопределенны, поскольку не говорят о программе приложения рекомендуемых давлений. Вот в этой неопределенности и заложены главные причины нестабильности качества сварных соединений. Все приведенные теоретические материалы убедительно говорят о том, что давление должно выжать из плоскости контакта все загрязнения — это условие необходимости. Условие же достаточности обеспечивает завершающий момент деформации сдвига: формируется сварное соединение. И чем кратковременнее осуществляется сам сдвиг, тем стабильнее и выше прочность сварного соединения.

Энергетическое равенство (1.48) говорит о том, что любые, до сих пор отработанные и общепринятые режимы могут быть полностью отвергнуты. Вместо них с их установившимися в практике нормами сил сжатия, сил токов и времени действия этих переменных для любого металла могут быть найдены пока не рекомендуемые, но еще лучшие характеристики технологических режимов. Рассмотренные выше теоретические и расчетные материалы дают полное основание сделать вывод: главным и решающим фактором, определяющим все процессы сварки давлением, является механическая энергия, которую благодаря малой ее инерционности можно вводить в свариваемый контакт по любой программе.

Правильное понимание этого принципа позволяет пересмотреть устарелые границы рекомендуемых режимов и найти новые сочетания, например, между электронагревом и осадочными давлениями.

Равенство (1.55) позволяет предсказывать появление новых способов сварки давлением. Их многообразие, однако, будет определять не тепловая, в том числе электрическая энергия, а энергия механическая, различным образом программированная. И термин контактная сварка получит, вероятно, более широкое содержание.

Зная, что для плавления достаточно сблизить атомы на одну четверть параметра решетки (см. рис. 1.13), можно определить

Значения этих

скоростей для некоторых металлов приведены в табл. 1.2. Как известно, такие или несколько менее высокие скорости удара имеют место при сварке взрывом.

Все изложенное выше убедительно говорит о том, что свариваемый контакт только в редких случаях подобен статическому контакту между металлическими поверхностями. Этот вывод может быть подтвержден и еще одним расчетом применительно к контактированию холодных деталей при точечной сварке. Сохраняя принятую выше пирамидальную модель шероховатости, рассмотрим процесс деформации некоторой единичной пирамиды (рис. 1.18). Допустим, электрод точечной машины своим ударом деформирует эту единичную пирамиду так, что ее поверхность за счет сдвига получает нагрев до температуры T_∆ , а весь смятый объем нагревается до температуры T_cp .

Тогда энергетический баланс механического удара электродов запишется таким равенством

  — теплосодержание объема за счет энергии деформации; λк — коэффициент теплопроводности контакта, совершенно отличающийся от коэффициента теплопроводности металла глубинных слоев.

Значение средней температуры Т_ср , можно, по-видимому, положить равным T_∆ /2. Тогда энергетический баланс

Если коэффициент теплопроводности контакта λк значительно отличается от той же характеристики металла, то следует оценить, в какой мере правомерно учитывать ус для контакта как характеристику целого металла.

Допустим, что в объеме смятой вершины микропирамиды оказываются запрессованными все оксидные наслоения. Тогда следует сопоставить значения энтальпии γс [Дж/(см3.СС) ] металла и его оксидов при Т = 900 °С:

В результате можно сделать вывод, что если смятая железная пирамида будет хотя бы наполовину состоять из оксидов, то и в этом случае величину ус для контакта следует принимать такой же, как и для чистого металла.

Согласно достоверным исследованиям В. М. Попова [16], коэффициент теплопроводности контакта вычисляется по формуле

где ∆₁ и ∆₂ — высоты контактирующих пирамид; R — тепловое сопротивление их контакта.

Существуют опытные данные для контакта поверхностей из стали 45, обработанных шлифованием, с высотой пирамиды 1 = ∆2 = 40 мкм. При давлении 58 МПа тепловое сопротивление оказалось равным R = 1,6.104 (м2 . °С)/Вт. Согласно этому,

Поскольку коэффициент теплопроводности конструкционной стали составляет 0,4 Вт/(см . °С), то, следовательно, эта же характеристика для контакта такой стали в 160 раз меньше. Контакт весьма нетеплопроводен. Для того чтобы определить температуру мгновенного нагрева поверхности пирам и дальнего выступа шероховатости в момент удара по контакту электродами точечной машины, надо решить два уравнения с двумя неизвестными:

Неизвестными здесь являются Т∆ и t

Рассмотрим конкретный пример точечной сварки стальных листов толщиной 4 + 4 мм. Для них следует предварительно произвести все расчеты, касающиеся вообще площадей контактирования, с использованием формул (1.10), (1.13), (1.15), (1.8).

Вычисления площадей контактирования по этим формулам, как уже отмечалось, справедливы для контактов, которые создаются статическим давлением, и весьма приближенны для условий ударного сдавливания, характерного для точечной сварки. Наименьшая неточность может быть обеспечена в том случае, если выбирать значения предела текучести металла и сопротивления деформации для шероховатостей, соответствующие максимальному наклепу металла. Принимаем следующие значения этих величин. Сила сжатия электродов 8000 Н. Предел текучести стали СтЗ σ_т = 250 МПа. Диаметр сварной точки d_т = 12 мм. Контактирующие поверхности обработаны наждачным кругом. Соответственно этому ∆ = 60 мкм; b = 1; v = 2 (см. табл. 5 приложения). Отношение а/∆ = 25. Учитывая все это, производим расчеты:

Действующее давление

а = 2∆ = 0,12 см, тогда

Число пирамид в границах контурного круга

По формуле (1.11) критерий X = 0,082.

Здесь принимаем предел текучести, равный 850 МПа, соответственно наклепу, близкому к 90 %.

Фактическая площадь контакта А_r — 0,047 см2. Площадь элементарного контакта смятой пирамиды

Высота смятой пирамиды исходя из постоянства объема определится так:

В данном случае f = 35,35 мкм. Осадка пирамиды (см. рис. 1.18)

Объем смятого участка

деформация

приходящаяся на единичную пирамиду, Энергия удара на одну пирамиду

Теперь, имея все постоянные величины, напишем для (1.59):

получаем:

Скорость деформации оказывается около 0,14 см/с.

Как видно, и при контактной точечной сварке ударный сдвиг в момент торможения создает мгновенную вспышку высокой температуры деформируемых выступов по плоскости свариваемого контакта.

Все приведенные соображения и расчеты дают основание сделать весьма существенные новые выводы о роли механических деформаций в электрических процессах в свариваемом контакте.

В этой книге неоднократно подчеркивалось отличие свариваемого, весьма динамического в своем поведении контакта, от контакта статического, машиностроительного: скоростное введение механической энергии в свариваемый контакт вызывает в нем одновременно и тепловую, и электрическую активацию.

Основная роль электронных конфигураций в металле проявляется в том, что при всех деформациях, т. е. при любых нарушениях исходной структуры, перемещение электронных конфигураций стремится привести систему в новое, последеформационное равновесие. Равновесие устанавливается не мгновенно, а вспыхивая импульсом, угасает во времени иногда в течение даже не секунд, а минут.

Степень деформации, ее скорость и геометрия деформируемых микроконтактов различны. В результате между каждой парой выступов получаются различные значения термоэлектродвижущей силы. Эти разности термо-ЭДС создают уравнительные круговые токи по плоскости контакта. Еще большее усложнение вносят оксидные наслоения на металле. Связь металла с его оксидом — чисто электрическая. Всякие разрывы этой связи создают мгновенные электрические микроразряды, которые для тех же микрообъемов вызывают еще один вид активации — электроплазменный.

Вполне достоверно предполагать, что для окисленных поверхностей давление сдвига при ударе создает еще более активированный контакт с образованием в нем одновременно вспышек высокой температуры и плазменной среды. Одновременная и высокотемпературная, и электроплазменная активация является, вероятно, постоянно действующим фактором, определяющим прохождение тока через несзариваемый оксидированный контакт электрод — деталь при точечной сварке. В этом контакте непрерывно чередуются, при каждом ударе, разрывы оксидных пленок и новые их формирования после удара, если толщина пленки не станет столь значительной, что удар не обеспечит ее разрывов.

На основании изложенных выше физических соображений следует признать, что интервал времени между механическим ударом электродов и моментом включения сварочного тока не может быть любым, произвольным.