Роль пластической деформации.

Пластическая деформация металла — один из основных процессов, способствующих формированию соединений, вызывается как внешними факторами — усилием со стороны электродов, так и внутренними — напряжениями, возникающими при несвободном расширении металла зоны сварки. Пластическая деформация металла имеет место на протяжении всего процесса сварки: от формирования холодного контакта до проковки соединения.

Процесс пластической деформации неразрывно связан с процессом нагрева. Тесная взаимосвязь этих двух процессов проявляется в эффекте саморегулирования теплового состояния зоны сварки путем соответствующего изменения сопротивления пластической деформации, размеров контактов и плотности тока. Так, при случайном увеличении тока и росте температур снижается сопротивление пластической деформации, что приводит к увеличению площади контактов, снижению плотности тока, уменьшению интенсивности нагрева и определенной стабилизации температурного поля и размеров ядра.

В зависимости от объема деформируемого металла различают микропластическую деформацию рельефа контакта поверхности и объемную пластическую деформацию значительных масс металла зоны сварки. Пластическая деформация при сварке участвует в следующих термодеформационных процессах, способствующих формированию соединений:

- в формировании электрического контакта;

- в образовании пластического пояса для удержания расплавленного металла от выплеска и ограничения растекания сварочного тока во внутреннем контакте;

- в уплотнении металла на стадии охлаждения.

Непосредственная роль пластической деформации в образовании металлических связей при точечной и шовной сварке невелика из-за малой относительной сдвиговой деформации в пояске. Лишь при сварке титановых сплавов за счет растворения оксидов в основном металле отмечается область развитой связи, повышающей прочность соединений. Возможно образование также связей в твердой фазе при микросварке некоторых металлов и наплавке.

При рельефной сварке за счет деформации выступов относительная сдвиговая деформация возрастает, что позволяет в ряде случаев получать достаточно прочные соединения без расплавления металла преимущественно при сварке углеродистой стали.

Микропластическая деформация.

Микропластическая деформация идет на протяжении I и II этапов формирования соединения (см. рис. 2.1). Однако, при обычных циклах сварки образование электрического контакта — снижение контактного сопротивления — в основном завершается спустя время, равное 0,1…0,2t _св. Например, при сварке алюминиевых сплавов рельеф поверхности в контакте электрод - деталь деформируется на 70…80 % первоначального значения, становится равным рельефу поверхности электрода и при дальнейшем увеличении усилия сжатия практически не изменяется.

Объемная пластическая деформация при точечной сварке.

При точечной сварке вследствие неравномерного нагрева образуется зона металла с различным сопротивлением пластической деформации. Тепловое расширение происходит в стесненных условиях и сопровождается возникновением неравномерного распределения внутренних напряжений, которые в сочетании с постоянно действующим внешним усилием сжатия F_CB вызывают необратимые объемные пластические деформации.

Упрощенная качественная модель напряжений, сил и деформации на стадии нагрева представлена на рис. 2.13. Объемно-напряженное состояние зоны сварки характеризуется сжимающими радиальными (σ_r), окружными (σ_θ) и осевыми (σ_z) напряжениями, а также деформациями ε_r, ε_θ и ε_z).

Рис. 2.13. Характер пластической деформации при точечной сварке

Наибольшие значения σ_z) отмечаются вблизи оси z, где напряженное состояние близко к всестороннему сжатию. Наименьшее значение σ_z) и соответственно σ_д — на периферии контактов и особенно на границе контакта деталь - деталь. Это объясняется наличием зазора между деталями, в который относительно свободно течет деформируемый металл.

Наибольшая степень пластической деформации (ε_z, ε_θ и ε_r) отмечается в области пояска (z = 0). Так, на рис. 2.13 приведено распределение ε_z, и ε_r (сечение II — II), которое показывает, что по оси z происходит деформация укорочения, а по оси r — деформация удлинения. Например, при точечной сварке двух деталей из алюминиевых сплавов толщиной 2 + 2 мм
ε_{z шах} ≈ 20 %, а ε_{r шах} ≈ 15 %. Вблизи поверхностей деталей ε_z, ε_r и ε_θ практически равны нулю.

Тепловое расширение металла в области контакта деталь - деталь — основная причина образования зазора, в который происходит пластическое вытеснение части нагретого металла.

До расплавления снижение σ_д и избыток металла за счет дилатометрического эффекта компенсируются небольшим раздвиганием электродов, а также вытеснением части металла в зазор, что обеспечивает во внутреннем контакте рельеф, ограничивающий растекание сварочного тока.

При расплавлении в замкнутом объеме резко увеличивается объем металла ядра, возбуждаются электромагнитные силы (последние составляют ~5 % F_cв); в результате возникает гидростатическое давление (р_я), определяемое общим балансом напряжений в зоне сварки. Дилатометрический эффект и общее снижение о_д компенсируются раздвиганием электродов и дальнейшим вытеснением в зазор деформируемого металла. Это способствует образованию не только рельефа, ограничивающего растекание сварочного тока, но и герметизацию литого ядра, предохраняя металл от выплеска и контакта с атмосферой.

Сварочное усилие F_cв на стадии плавления должно быть наибольшим, так как оно контролирует устойчивость процесса против образования выплеска. Это усилие возрастает при увеличении σ_д металла, например, при жестких режимах сварки или при сварке жаропрочных металлов. Оно может быть уменьшено путем предварительного подогрева деталей.

Внутренняя граница металла пояска имеет температуру, близкую к температуре плавления, и низкое значение σ_д; соответственно температура внешней границы намного ниже, а σ_д больше. Металл пояска находится в объемно-напряженном состоянии, при этом сжимающие напряжения (σ_zп) и сила F_п стремятся увеличить зазор между деталями.

Рассмотренный характер объемной деформации приконтактной области I — I (см. рис. 2.13) деталей вызывает «оседание» верхних слоев металла и образование вмятины от электрода на поверхности. Скорость этого оседания и размеры вмятины резко возрастают при образовании внутреннего выплеска.

Рис. 2.14. Направление пластической деформации при нагреве целой пластины:

1 — зона интенсивной деформации; 2 — расплавленный

При нагреве до плавления целой пластины (рис. 2.14) сопротивление деформации в радиальном направлении весьма велико. Поэтому пластическая деформация проявляется в образовании рельефа на поверхности деталей — в области с наименьшим сопротивлением деформации. При этом увеличивается раздвигание электродов и уменьшаются размеры вмятины на поверхности детали.

При обычной схеме сварки можно предполагать наличие некоторого динамического равновесия между величиной F_cв средним сопротивлением пластической деформации зоны сварки и количеством вытесненного металла в зазор между деталями.

Нарушение такого равновесия приводит или к быстрому росту пластического пояска, снижению плотности тока и замедлению роста литого ядра — устойчивый процесс сварки, или, наоборот, к быстрому росту литого ядра, увеличению давления р_я, замедлению роста пояска, разгерметизации расплавленной зоны и конечному выплеску.