До сих пор в описаниях технологии контактной сварки преоб­ладает констатация чисто внешних, явно видимых и легко измеряе­мых переменных: это осадочное давление, сила сварочного тока и время его действия. Такого рода макромасштабные переменные и записывались в технологические рекомендации. Однако всякий такой параметр и каждый макромасштабный результат опреде­ляется, формируется и, по сути дела, целиком зависит от множе­ства тех физических процессов в микромире, которые технологу не только нельзя измерить, но и как-то ощутить. Значит, для глу­бокого понимания процесса технолог должен получить представ­ление, хотя бы в самом грубом приближении, о физической картине явлений, происходящих при сварке в металле. Все сварочные про­цессы являются энергетическими не только с внешней, легко наблюдаемой стороны. Формирование сварного соединения — это во всех случаях внутренняя, микромасштабная, физическая - энергетика. Для контактной сварки особый интерес представляют два вида энергии: механическая и электрическая. К настоящему времени программирование электрической энергии доведено в кон­тактных машинах до самых высоких степеней совершенства. Механической энергии отводилась роль второстепенная. Сейчас 58

этот факт уже становится препятствием для создания новых спо­собов сварки. Сварочная технология в современных условиях может использовать механическую энергию в каких угодно коли­чествах, по любой программе ее действия.

Рассмотрим конкретный пример — стыковой контактной сварки. Для осадки нагретых стержней используют некоторую осадочную силу Р, которая и обеспечивает на пути h энергию осадки. Осадка производится достаточно быстро, чтобы считать, что справедливо равенство

Ph = у cShTcp,

где ус — теплосодержание единицы объема металла, отнесенное к градусу Цельсия; S — площадь поперечного сечения сваривае­мых стержней; Тср — средняя температура, какую получает весь нагретый металл за счет энергии осадки Ph.

Проведя сокращение, равенство можно переписать так:

Р = ТсТср.

Для стали СтЗ, например, чаще всего рекомендуется величина энергии осадки р = 50Дж/см3. При ус = 5 Дж/(см8-°С) нагретый объем стержней получит в среднем температурную добавку за счет энергии осадки не более 10 °С. Становится удивительным, зачем же вообще эта осадочная операция с ее 10-градусной добав­кой температуры.

Для оценки важности нагрева за счет осадочной операции сле­дует рассмотреть, чем заканчивается операция осадки по самой плоскости контакта. Осадочная осевая сила в плоскости контакта превращается в радиально расходящуюся, вызывая радиальный сдвиг металла в плоскости контакта. И вот этот сдвиговый эффект, завершающий любой процесс сварки давлением, и есть тот необ­ходимый энергетический, но уже кристаллически микромасштаб­ный всплеск энергии. В дальнейшем будет показано, какие ощу­тимые температурные импульсы в масштабах элементарных крис­таллов создают сдвиговые эффекты, чем вообще завершаются все процессы сварки давлением.

Рассмотрим обычный процесс стыковой сварки несколько под­робнее с учетом физического воздействия на свариваемые детали каждого вида энергии. Стержни неравномерно нагреты, волна теплопроводности направлена от свариваемого контакта к зажим­ным губкам, звуковая волна от механической осадочной силы направлена в обратную сторону — от губок к плоскости контакта. Обращается внимание на то, что в описании действия двух видов энергии приходится переходить на волновой язык. Это вызвано тем, что все реальные частицы кристаллической структуры (атомы и свободные электроны) находятся в непрерывном колебании. Этот факт определяет непрерывный волновой поток энергии от уровней большого энергетического возбуждения к меньшим. Реальные частицы (атомы, свободные электроны) обладают не

только переменной энергией, но и переменной массой. Кроме реальных частиц признаны действующими в кристалле и квази­частицы. Первая из них — фотон — частица электромагнитной (в том числе лучевой) энергии. Частица эта может обладать любой энергией и, следовательно, любой частотой колебаний. Фотон в области сварки сегодня уже очень распространенный «работ­ник», о котором сейчас говорят, имея в виду лазерную технологию.

Однако волновое поле в металле создает и механическая энер­гия. Эти поля в зависимости от частот являются звуковыми, ультра­звуковыми и гиперзвуковыми. Вполне естественно было. признать, что для звуковых волновых полей должна существовать своя элементарная квазичастица — носитель энергии. Эту квазичастицу назвали фонон. Она является элементарным квантом звуковой энергии, т. е. энергии механических колебаний. Согласно идеям волновой (квантовой) механики, каждой движущейся микрочастице соответствует определенная волна. И, наоборот, любой волновой поток мы можем представлять как движение массы частиц реаль­ных и квазичастиц.

Если признать существование фононов, то любой металл, да и вообще твердое тело, иногда можно рассматривать как объем, наполненный движущимися идеальным «газом» фононов с различ­ной энергией. Понятие газа в данном случае такое же условное, какое иногда допускают для понятий «электронного газа», реже для металла и очень часто для полупроводников. Разница между фононным и обычным газом реальных частиц весьма существенна и очень интересна. В каждом замкнутом сосуде число обычных газовых частиц неизменно. Что же касается фононного газа, то в любом металлическом объеме посредством энергетического и, в частности, механического воздействия на этот металл можно создать любое число фононов, с любыми энергиями каждого.

Представления о фотонных (лазерных) процессах для нас давно уже стали привычными и понятными. Нас не удивляет, как фотон­ные потоки лазерного (квантового) луча обрабатывают и металли­ческие, и неметаллические детали. Фонон для нас — квазичастица, удобная для понимания многих механических и тепловых процес­сов при сварке. Первый закон термодинамики, особенно хорошо изученный для макроскопических масштабов, определяет привыч­ный кругооборот энергий: механическая энергия превращается в тепловую. Этот же закон природы можно формулировать и для микромасштабов, используя понятие фононов.

Фононная волна или фононный поток обладает направленной энергией. Эту энергию мы создали в металле механическим ударом по нему с той или иной скоростью. Фононный волновой поток пере­дает энергию от кристалла к кристаллу. Фонон (подобно фотону) электрическим зарядом не обладает. Соответственно этому фонон может сталкиваться с любой заряженной частицей: электроном, протоном, ионом. При каждом столкновении фонон передает свою энергию и исчезает даже как квазичастица. Фононная волна пере - 60

носит механическую энергию, передает ее реальным частицам кристалла и обеспечивает увеличение энергии этих реальных частиц, что в общей массе частиц мы и определяем понятием температуры.

Возвращаясь теперь к нашему конкретному примеру стыковой сварки, рассмотрим его уже с позиций физических понятий. Не ка­саясь пока самого процесса электронагрева, рассмотрим конечный результат нагрева стержней и их осадки; т. е. переход механиче­ской энергии в тепловую. Вопрос теперь можно поставить так. Если по старой привычной технологии стержни в плоскости контакта нагревали до высокой, может быть близкой к плавлению температуры, то тем самым доводили частицы кристаллической решетки приблизительно до таких частот колебаний относительно их равновесного положения в кристалле:

Температура металла, °С 700—800 800—900 900—1150

Атомная частота, Гц. . . . (3,8—4) 1013 (4—4,6) Ю13 (4,6-:-5) 1013

Как видно из этих данных, чистый нагрев металла не очень сильно повышает энергию частиц кристаллической решетки.

Нагрев до плавления, т. е. до белого свечения металла, создает атомную частицу с частотой только до 7,6-1013Гц. А вот что касается механической энергии, то она посредством мощного ударного потока фононов может довести частоту колебаний атомов до 1015 Гц, т. е. даже превысить частоту ультрафиолетовой акти­вации. Такие именно картины характерны для сварки взрывом.

Что же касается рассматриваемого примера контактной стыко­вой сварки, то, как было подсчитано, среднее значение температу­ры нагретого металла от действия механической осадки ничтожно. Но среднее значение относилось к довольно большому объему на­гретого металла и расчет этой средней температуры никак не отобра­зил внутреннюю физическую картину в микроскопическом мас­штабе. А в этом масштабе происходят весьма интересные процессы: осадочная энергия создает два волновых, встречных фононных потока. Эти волновые потоки, кстати сказать нелинейные, тормб - зятся, сталкиваясь в плоскости контакта и дают концентрирован­ный энергетический всплеск именно по плоскости сваривания. Этот энергетический всплеск и обеспечивает сдвиговый эффект, который в масштабе тонкого слоя элементарных кристаллов соз­дает значительно больший температурный импульс, чем среднее значение температуры. Разумеется, чем меньше скорость осадоч­ной операции, тем слабее фононный поток, ею созданный. При ударно-стыковой сварке с использованием разряда конденсатора слой кипящего металла выбивается из плоскости контакта и только за счет ударно-волнового всплеска фононной энергии удается безупречно сваривать самые кристаллически неродствен­ные металлы.

Приведем некоторые факты из жизни и взаимодействия в ме­талле реальных частиц и квазичастиц. Физики о металле иногда

говорят так: металл — это сосуд, наполненный электронами и фононами. Разница только в том, что электронов в одном куби­ческом сантиметре всегда только около 1023 шт., а фононов можно создать сколько угодно, независимо от числа атомов металла. Такое понимание физического существа металла может быть при­нято с добавлением, что никакая его частица никогда не находится в покое. Они все время обмениваются друг с другом своими мгно­венными энергиями. И здесь уместно обратить внимание на энер­гетическое взаимодействие микрочастиц для понимания значений самых распространенных при сварке физических констант. Осо­бенно часто при сварке приходится говорить о коэффициентах теплопроводности, температуропроводности, электропроводности, коэффициенте аккумуляции теплоты. Все эти коэффициенты так или иначе входят в расчетные дифференциальные или алгебраи­ческие уравнения. Следует особо подчеркнуть, что и расчетные уравнения, и расчетные физические константы, какими заполнена до сих пор вся сварочная литература, взяты от металлургов и электриков еще прошлого века.

Измерение всех констант, о которых идет речь, проводилось посредством медленных нагревов в печах, т. е. в условиях, кате­горически отличающихся от современных импульсных ударных и просто скоростных вложений энергии в металл. Рассмотрим, на­пример, коэффициент теплопроводности меди. По всем справочным таблицам среднее его значение от холодного состояния до точки плавления равно К = 3,35 Вт/(см-°С). Для процесса же сварки взрывом X = 11,17 Вт/(см-°С), т. е. в 3,3 раза больше. Почти во столько же раз больше и коэффициент температуропроводности а. Эта разница объясняется физической сущностью самого понятия теплопроводности. Она определяет процесс волнового движения энергии, какой обеспечивается энергетическими зарядами фононов и электронов. Теплопроводность и есть волновой энергетический фононно-электронный поток от места приложения любого вида энергии к зоне спокойно колеблющихся частиц кристаллической решетки. Поскольку каждый вид энергии превращается в тепло­вую, а мерой теплоты массы движущихся частиц принято называть температуру, то все и привыкли к макроскопическим представле­ниям: теплота распространяется от горячего конца к холодному. Физически это значит, что от горячего, т. е. энергетически акти­вированного конца стержня, идет фононно-электронная волна, активируя по дороге все встречные частицы и теряя на них посте­пенно весь свой энергетический заряд. А заряд этот все тому же стержню можно сообщать посредством самых различных видов энергии по любой программе действия этих энергий. Но соответ­ственно виду энергии и теплопроводность будет в основном фонон­ной природы, электронной или же фононно-электронной. Послед­няя форма теплопроводности является самой распространенной для реальных металлов. Электронная теплопроводность харак­терна, как правило, для чистых металлов. В реальных металлах 62 с их многочисленными посторонними атомами и большим числом микродефектов длина свободного пробега фононов и электронов приблизительно одинакова. Отсюда вклад фононов и электронов в процесс теплопроводности равновелик. Здесь, кстати, уместно определиться в понимании физической сути пластической дефор­мации металлических деталей: любая пластическая деформация нарушает стабильную до того электрическую структуру металла. Электрическую структуру непрерывно поддерживают не отно­сительно тяжелые и относительно инертные атомы решетки, а сво­бодные электронные плотности, помещающиеся в кристаллах, блоках и даже кристаллитах. Любое установившееся электриче­ское состояние в каждом микрообъеме пластическая деформация разрушает. Электронные плотности, воспринимая импульс меха­нической энергии в виде фононной волны, стремятся рассредото­чить повышенный электрический потенциал и вновь создать новое электрическое и в связи с этим — микроструктурное равновесие. Но это происходит только в момент прекращения действия меха­нической энергии. Таков процесс разрядки импульса механиче­ской энергии, действующего на свариваемый контакт. Нагрев контакта только помогает, ускоряет процесс кристаллической, как видно всегда по природе электрической, стабилизации. Отсюда можно сделать твердое заключение, что ни электронные плотно­сти, ни фононные потоки не подчиняются табличным рекоменда­циям и ограничениям, какие во всех книгах определяются вели­чинами осадочных сил. И электронные, и фононные волновые процессы в зонах свариваемых контактов могут действовать В лю­бых соотношениях друг с другом, но их действие никогда нельзя разделить.

Таким образом, с позиций физической сущности любого про­цесса сварки, в котором действует только лишь одна механическая энергия, нельзя вести о ней речь только с понятий механической силы. В самом металле эта механическая сила превращается в ак­тиватор электрических и эквивалентных тепловых эффектов.

Теперь рассмотрим физический смысл процесса электрического нагрева того же нашего стыкового соединения, о котором шла •речь выше.

При малых токах слабое электрическое поле, действующее на сравнительно тяжелые атомы, неспособно обеспечить достаточно сильный сварочный нагрев. Однако токи большой сварочной силы уже настолько активируют электронные плотности (электронный газ), что их направленное перемещение начинает захватывать даже связанные с ними атомы. И вот эффект хотя и волнового про­цесса, но идет уже частично с переносом вещества. Сильные токи обеспечивают иногда и весьма заметную электродиффузию, т. е. электроперенос. Джоулево тепловыделение при больших плотно­стях тока заметно отличается от того же эффекта при токах малой плотности. Удельное сопротивление за пределами точки плавле­ния резко увеличивается. Так, в частности, для медных проволок

удельное сопротивление в момент начала плавления равно 8мкОм-см, в конце плавления оно возрастает до 20мкОм-см, а к началу испарения становится близким к 40мкОм-см.

Аналогичное изменение проводимости известно и для сталей, чего нельзя не учитывать при стыковой и точечной сварках. Для стыковой сварки — это эффект взрыва перемычек при оплавлении, для точечной — это выплески металла из зоны плавления ядра сварной точки.

По-видимому, вполне уместно перед рассмотрением вопросов теории не только механического, но и свариваемого контакта сфор­мулировать некоторые общетеоретические выводы о взаимодействии одновременно механической и электрической энергии с металлом, независимо от того, о каком металле идет речь. Прежде всего при­вычное и сотни раз в день повторяемое в цеху понятие «температура металла» иногда полезно заменить понятием «активация металла». В последнее понятие входят все способы нагрева и тем самым все виды энергии, какие можно вложить в зону свариваемого контакта.

Как было показано выше, и механическая, и электрическая энергии в кристаллах делают одну и ту же сложную работу: повы­шают частоту колебаний частиц решетки, обеспечивают волновое движение энергии от кристалла к кристаллу, создают передвиже­ние частиц в виде отдельных их перескоков или групповое, дисло­кационное движение вещества. Механизм действия электрической энергии — это возбуждение волнового процесса электронных плот­ностей свободных электронов. Через воспринятый ими энергети­ческий заряд активируются уже частицы кристаллических орга­низаций, обеспечивая тем самым все виды движения энергии по трем степеням свободы, с разными частотами. Механическая энер­гия не может непосредственно воздействовать на электронные плотности свободных электронов. Она создает волновые фононные потоки, а фононы с их любой, самой высокой энергией активируют электронные плотности, исчезая в момент передачи электрону своего энергетического заряда.

Как видно, суммировать электрическую и механическую энер­гию в зоне свариваемого контакта технолог может неограниченно, комбинируя эти виды энергии в количественном соотношении.

Несмотря на довольно грубые упрощения изложенных здесь физических процессов, наблюдающихся в металле при сварке, на их основе можно сделать практические выводы. Самый главный из них: металл различает все виды энергии, какие с ним взаимодей­ствуют. Однако в макроскопическом масштабе (внешне) на вложе­ние в зону свариваемого контакта любой энергии металл отвечает' однозначно — нагревом. Это и есть суть первого закона термо­динамики. Но если технолог не будет различать видов энергии, ее количества в контакте и программы введения энергии, то это уже в современных условиях недопустимо.

Еще не забыто время, когда технологические рекомендации сводились к указаниям: номер ступени включения такой-то, время 64

давления ногой на педаль такое-то. На смену этой примитивности пришли таблицы, в которых стали уже указывать: пределы его сварочного тока, силу сжатия и время включения. Отрицать необ­ходимость таких рекомендаций для цехового мышления пока нельзя. Нужно подчеркнуть недостаточность таких таблиц для понимания сущности процесса сварки. Табличные данные, да еще с классификациями, например, больших давлений, средних, малых, импульсных — это уже преграды для творческой мысли техно­лога и конструктора.

Изложенная выше физическая картина взаимодействия металла и энергии показывает, что нет никаких пределов для введения в контакт любой одиночной энергии или пропорционального сум­мирования в контакте каких угодно энергий. Всякое программи­рование энергий, рассчитанное технологом, должно приводить к главной цели: контакт должен быть сварен, и сварное соедине­ние должно удовлетворять самым высоким прочностным показа­телям для данной конструкции.