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 
вызывают необратимые объемные
пластические деформации.
Упрощенная качественная модель
напряжений, сил и деформации в стадии нагрева представлена на рис. 1.
Объемно-напряженное состояние зоны сварки характеризуется сжимающими
радиальными (
), окружными (
) и осевыми (
) напряжениями (последние суммируются с и ), а также деформациями 
, 
и 
.
Рис. 1. Характер пластической деформации при точечной сварке
Наибольшие значения отмечаются вблизи оси 
, где
напряженное состояние близко к всестороннему сжатию. Наименьшее значение и соответственно 
— 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 (, и ) отмечается в области пояска (
). Так, на рис. 1 приведено
распределение и (сечение II—II), которое
показывает, что по оси происходит деформация укорочения, а по
оси 
— деформация удлинения. Например, при
точечной сварке двух деталей из алюминиевых сплавов толщиной 2+2 мм 
, а 
. Вблизи поверхностей деталей , и 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 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 
); в результате возникает
гидростатическое давление (
), определяемое общим балансом
напряжений в зоне сварки. Дилатометрический эффект и общее снижение 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 на стадии плавления должно быть наибольшим,
так как оно контролирует устойчивость процесса против образования выплеска. Это
усилие возрастает при увеличении 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 ; соответственно температура внешней
границы намного ниже, а больше. Металл пояска находится в
объемно-напряженном состоянии, при этом сжимающие напряжения (
) и сила 
стремятся увеличить зазор между
деталями.
Рассмотренный характер объемной деформации приконтактной области I—I (см. рис. 1) 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) или при сварке двух деталей с автономным обжатием периферии соединения 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.
Рис. 2. Направление пластической деформации:
а — нагрев целой пластины;
б — шовная сварка герметичных швов: 1 — зона интенсивной деформации; 2 — расплавленный металл
При обычной схеме сварки можно
предполагать наличие некоторого динамического равновесия между величиной , 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 , замедлению роста пояска,
разгерметизации расплавленной зоны и выплеску.
Приближенно объективным критерием оценки
устойчивости процесса к выплеску может служить общая степень пластической
деформации 
, которая определяется отношением
смещенного объема 
к деформируемому объему металла 
: 
, %.
Деформируемый объем представляется
условно в виде цилиндра с основанием 
, и тогда 
. В свою очередь 
, где 
— изменение объема цилиндра вследствие
нагрева; 
— объем вытесненного металла при
вдавливании электрода. Так, например, для алюминиевых сплавов 
. Отмечается определенное постоянство , что объясняется необходимостью перемещения
заданных объемов металла в зазор для образования уплотняющего пояска и
компенсации теплового расширения.
Это интересно
Для предотвращения различного рода утечек жидкостей или газов в местах соединения между деталями применяются уплотнительные устройства, изготавливаемые из специальных уплотнительных материалов. Известны два вида уплотнительных устройств:
- неподвижные (герметики, пробки, прокладки, контактные уплотнения, конусная резьба, шайбы и пр.);
- подвижные (лабиринты, кольца, манжеты, шевроны, сальниковые уплотнения, сильфонные уплотнения и пр.).
Одним из современных уплотнительных материалов является фторопласт. Он хороший диэлектрик, имеет низкий коэффициент трения, стойкий к агрессивной среде, не горючий и обладает высокой нагревостойкостю. Из фторопласта изготавливают FC сальниковые набивки, WT-A ePTFE листы, WT-B ePTFE, WT-E ePTFE и WT-M ePTFE ленты.