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).

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.

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.

2.6.4. Особенности объемной пластической деформации при шовной
и рельефной сварке

При шовной сварке выполнении первой точки шва характер пластической деформации такой же, как при точечной сварке. Однако при сварке следующих точек перед роликом металл деформируется в зазор, как и при точечной сварке, а позади ролика металл вытесняется под ролик (рис. 2.15), как и в случае нагрева целой пластины (см. рис. 2.14). На поверхности шва образуется серповидный рельеф. Вследствие относительно высокого теплосодержания зоны соединения при шовной сварке общая степень пластической деформации и размеры уплотняющего пояска больше. Это дает возможность несколько уменьшить время сварки и усилия по сравнению с режимами точечной сварки.

Пластическая  деформация поверхностных слоев металла приводит к ускоренному загрязнению и износу роликов. Кроме того, образование значительной вмятины по роликом в момент формирования объема расплавленного металла, затрудняет его перемещение и может служить причиной пробуксовки ведущего ролика по поверхности детали.

С другой стороны, пластическая деформация может оказать благоприятное влияние на плотность шва. Так, при сварке последующих точек и повторном нагреве несплошности (раковины) в предыдущих точках могут заполняться деформируемым металлом.

При рельефной сварке отмечается интенсивная деформация (осадка) рельефа на первом и особенно на втором этапе формирования соединений. При рельефной сварке в твердом состоянии стремятся обеспечить большую степень пластической деформации в радиальном направлении в контакте деталь - деталь, что способствует очистке поверхности и образованию металлических связей (рис. 2.16, а). Одновременно происходит деформация вдоль оси z и заполнение впадины под электродом. Обычно соединение в твердом состоянии образуется по кольцу по периферии контакта. Дальнейший нагрев металла приводит к образованию ядра по обычной схеме точечной сварки (рис. 2.16, б). Рельеф при этом полностью деформируется, но под электродами остаются небольшие вмятины.