Все основные технические достижения нашего века — развитие атомной н авиационной промышленности, успехи строительства, машиностроения и ра­диоэлектроники — определяются, в первую очередь, развитием технология. В связи с этим следует дать общую формулировку этого понятия. Технология— это процесс взаимодействия вещества и энергии, организованный в определен­ной среде с келью создания новых материалов, новых конструкций, новых ма­шин и даже новых сооружений.

Машиностроительному комплексу принадлежит исключительно важная роль в реализации задач, поставленных XXVII съездом КПСС по дальнейшему уско­рению экономического н социального развития советского общества. Однако новое машиностроительное оборудование будет работать наиболее эффективно и производительно в том случае, если в основе его действия будут лежать новые прогрессивные технологические процессы.

Если в качестве вещества, подвергаемого обработке, рассматривать металлы и сплавы, а конечным технологическим результатом считать сварные соединения и конструкции, то сварочная технология поистине не имеет границ применения ин в современности, нн в будущем. Это определяется таким энергетическим бо­гатством и разнообразием сварочного производства, каким не обладает ни. одна другая отрасль обработки металла. О таком именно богатстве говорится н в «Ос­новных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986— 1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных на XXVII съезде КПСС: «Расширить в двенадцатой пятилетке в 1,5—2 раза применение прогрессивный базовых технологий. Обеспечить широкое внедрение в народное хозяйство прин­ципиально новых технологий — электронно-лучевых, плазменных, импульс­ных, ..., позволяющих многократно повысить производительность труда Современные процессы сварки давлением — это и есть одна из разновидно­стей импульсных технологий. Контактная точечная сварка современных кон­струкций ответственной службы целиком построена на принципах синхронного сочетания импульсных режимов электрической и механической энергии. Импульс­ные принципы построения режимов стыковой контактной сварки, разработанные Институтом электросварки им. Е. О. Патона, стали обеспечивать непревзойден­ное качество сварных соединений магистральных трубопроводов. Дальнейшее развитие новых способов контактной сварки будет определяться сочетанием но­вых программ приложения электрофизической н механической энергий и ме­таллу..

Отзывы и эамечання по книге просим направлять по адресу: 191065, Ленин­град, ул, Дзержинского, 10, издательство «Машиностроение».

Около 35 лет тому назад появились и стали привлекать к себе внимание некоторые новые для того времени процессы сварки. Среди них оказались: холодная, сварка трением, ультразвуковая, взрывом и другие, для которых механическое давление было глав­ной и обязательной технологической операцией. Возникла необ­ходимость не только формально выделить эти виды сварки. Они оказались особыми и по технологической сущности, и по времени появления. Последний показатель подсказал название: «новые способы сварки». Это термин свое существование оправдывал не­долго. В производство начали вводиться еще более новые виды сварки: плазменная, электронно-лучевая и лазерная. Стало ясно, что в направлении реализации новых процессов сварка способна развиваться бесконечно.

Заслуженный деятель науки и техники профессор Николай Оскарович Окерблом все известные в 50—60-х годах способы сварки предложил тогда же разделить на две группы: плавлением и давлением. Название привилось и было принято повсеместно, всеми школами. Однако сейчас и такое разделение начинает ка­заться недостаточным.

Для современных концентраций энергии в металлических деталях процессы идут далеко за пределами кипения металла и все ближе подходят к атомно-электронным процессам и масштабам, а в ближайшем будущем подойдут к ядерным.

Таким образом, изучение современных сварочных процессов совсем не обязательно связывать с той или иной рекомендуемой классификацией способов сварки. Гораздо существеннее научиться понимать физические явления в свариваемом контакте между дета­лями в зависимости от тех видов энергии, которые используются при разных способах сварки. Нужно отметить при этом, что ника­кая другая отрасль обработки металла, кроме сварки, не распола­гает в своем арсенале таким широким ассортиментом видов энер­гии. Достаточно перечислить хотя бы такие основные виды энер­гии, обеспечивающие так называемые процессы сварки плавлением:

1) энергия горения (газовая и термитная);

2) дуговой, искровой и другие виды электрического раз­ряда;

3) плазменная энергия;

4) джоулева теплота;

5) энергия электронного луча;

6) энергия лазерного излучения.

Каждый из перечисленных видов энергии переходит (по первому закону термодинамики) в энергию тепловую, доводя температуру металла в зоне свариваемого контакта до величин, иногда весьма превышающих точки плавления и в сотни тысяч раз больших, чем это необходимо для связи пограничных кристаллических слоев металла. Отсюда неизбежна тепловая инерция металла зоны сва­риваемых контактов при приложении всех перечисленных выше видов энергии.

Но есть еще и седьмой вид энергии — энергия механическая, которая может быть какой угодно: инерционной статической, ви­брационной, знакопеременной и, самое существенное, ударно-им­пульсной, т. е„ вовсе безынерционной.

Если" комбинация каких-либо двух видов энергии из шести, перечисленных первыми, для одного и того же способа сварки встречается редко, то комбинация разнопрограммированной меха­нической энергии с любым другим ВИДОЇІІ энергии создает все из­вестные современные способы сварки. Мало того, будут созда­ваться еще и новые, пока не известные сварочные процессы из комбинаций двух видов энергии, одна из которых — безынер­ционная механическая. Но и это не все, чем замечательна механи­ческая энергия. Она одна определяет целую серию новых, весьма эффективных процессов сварки (холодная, взрывом, трением). Для сварочной технологии механическая энергия используется, главным образом, как сдавливающая сила. При этом, если в ред­ких случаях сдавливаемый объем металла не имеет возможности пластического течения, то сдавливающая сила создает всестороннее сжатие. Если сдавливаемый объем может течь и деформиро­ваться, то операция сдавливания неизбежно и обязательно превра­щается в сдвиговый процесс и этим процессом завершается. Сдвиг по плоскости свариваемого контакта в зависимости от вида свар­ного соединения и нашего желания может быть одного направле­ния, радиально растекающимся или вращательным.

Сдвиг по плоскости контакта и только сдвиг — вот обязатель­ная завершающая операция любого способа сварки давлением, в том числе и электрической контактной сварки.

J Именно с этих позиций в данной книге впервые рассматриваются процессы формирования сварных соединений при электрической контактной сварке. Такое название за ней и должно оставаться, поскольку оно определяет главную часть энергии, необходимую для создания сварного соединения. Однако это не значит, что ме­ханическая энергия, используемая при электрическом нагреве контакта, будет и впредь играть вторую роль. Да она и сейчас вторая, но не второстепенная. Для того чтобы наглядно убедиться в огромных и неисчерпаемых возможностях механической энергии,

5

как самой по себе, так и в совокупности с другими видами энергии, рассмотрим некоторые элементарные схемы сварки.^/

Каждая металлическая деталь в реальных условиях покрыта защитным слоем оксидной пленки с дополнительными адсорбен­тами на ней. Если речь идет о сварке плавлением, за счет любого из перечисленных выше шести видов энергии обеспечиваем соедине­ние деталей слоем самопроизвольно кристаллизирующего расплава толщиной б. Этот слой, получивший энергию kn8 (Дж/сма), по прочности металла может быть хуже основного, равен ему или лучше его. Все это во власти технологии. Толщина б химически и структурно постороннего металла в сотни тысяч раз превышает тот двойной слой поверхностных кристаллов, которые могли бы сформировать непрерывную кристаллическую структуру и соз­дать прочное сварное соединение. Если такая задача ставится, то в действие вводится второй вид энергии — механическая. Давление, обеспечивающее осадочную операцию, может вы­теснить практически весь слой б химически и структурно разно­родного металла и обеспечить соединение действительно однород­ных элементарных кристаллов только с различной структурой зерен и с различным насыщением микродефектами этой структуры Отсюда хотя и очевидный, но необходимый вывод: для обеспече­ния сварного соединения свариваемые контакты могут получать любые соотношения двух видов энергий. Это и есть акты физиче­ской активации металла. Однако самым главным является ие ста­тическое соотношение тепловой и механической энергий, а ди­намика изменения их во времени, особенно механической энергии. Важна не только общая величина последней (непосредственно число джоулей), которая может быть введена в деформируемый металл, — это сила, умноженная на путь, но и скорость, с какой приклады­вается эта сила.

Отсюда ясно, что недостаточная тепловая активация или даже ее полное отсутствие может с избытком компенсироваться скорост­ной механической деформацией. Следовательно, для каждого температурного состояния контакта существует определенная сила сдавливания, прикладывая которую с определенной скоростью, обязательно получаем качественное сварное соединение. Сущест­вует, таким образом, непрерывный ряд значений давления, осу­ществляемых с соответствующими скоростями, для непрерывного ряда температур — от комнатной до точки плавления. Однако ударно-импульсные давления, или скоростные сдвигово-поворот­ные для электроконтактного нагрева практически не используются.

Для процессов сварки понятия температуры и давления неотде­лимы друг от друга., поскольку они определяют энергию кристаллов. Деление всех способов сварки на две группы (плавлением и давле­нием) отображает только чисто внешние технологические действия. Что же касается физической сущности всех сварочных процессов, то для них единственно общим является количество вводимой в металл энергии и программа введения ее во времени. Однако раздельное, долевое участие механической энергии все же разли­чается. Механическая энергия вводится в виде силы: статической, ударной или вибрационной. Эта сила может деформировать макро­масштабный объем и тем самым активировать весь этот объем за счет массовой всеобщей деформации электронных конфигураций. Но механическая сила, приложенная к плоскости контакта, мо­жет деформировать (и притом неодинаково) отдельные микро­объемы. Неодинаковая механическая деформация создает неодно­родную активацию электронных плотностей. Этот факт опреде­ляет энергетический и, следовательно, электрический контраст между соседними неравномерно деформированными микрообъема­ми. Электрический контраст выражается разностью электриче­ских потенциалов (мВ); а электрическое сопротивление металла между деформированными микрообъемами составляет микроомы. Следовательно, плоскость механического контакта — это поле электрических замкнутых токов еще без приложения какой-либо электрической, а только механической энергии. Отсюда видно, насколько еще пока примитивно во многих случаях мы рассма­триваем электрическое сопротивление свариваемых контактов, если имеем в виду только статическую силу, действующую на контакт.

До сих пор было как-то очень привычно считать, что электрон­ные конфигурации и электронные концентрации подвластны только электрическим силам и температуре, но природа преду­смотрела значительно большие возможности для этого. Каждый вид механической обработки металлической поверхности различ­ным образом изменяет приповерхностные значения плотности электронов и тем самым заставляет эмиттировать в пространство электроны с относительно высокой энергией.

Испускание электронов металлическими поверхностями под влиянием механической обработки получило название экзоэлек - тронной эмиссии. Исследование этого процесса показало, что метал­лическая поверхность может получить значительную способность эмиттировать электроны за счет механической деформации, разры­ва, сдвига, трения, изгиба. Интенсивность экзоэлектронной эмиссии носит пока что загадочный характер. Длительность эмиссии ино­гда определяется десятками минут после механической дефор­мации, а максимум эмиссии наступает через несколько минут. Например, на алюминиевой поверхности максимум эмиссии от момента трения поверхности со сдвигом наступил через 2 мин, а полностью эмиссия угасла только через 30 мин, на железной — максимум через 5 мин, а угасание через 30 мин. Эффект электри­ческой, а следовательно, и структурной перестройки оказывается, как видно, весьма растянутым по времени.

Ток экзоэлектронной эмиссии измеряют и тем самым опреде­ляют интенсивность механических деформаций. Для стационар­ных механических контактов эти измерения не нужны и неинте­ресны, так как эмиссия, даже если она н не угасла, не оказывает влияния на чисто механическую деформацию поверхностных слоев металла. Что же касается электрических свариваемых кон­тактов, с которыми приходится иметь дело при точечной и шовной сварке, то здесь о существовании экзоэлектронной эмиссии сле­дует помнить. Это значит, что важно не только учитывать, как обработаны (с точки зрения, например, шероховатости) контакти­рующие поверхности, но и сколько времени прошло после этой обработки.

На основании вышесказанного можно сделать вывод, что ме­ханическая энергия, вводимая в свариваемый контакт, создает не только механические деформации, но порождает сложный физиче­ский комплекс электрических эффектов. Отсюда следует, что тех­нолог в своем мышлении не должен замыкаться на учете действия только явно видимых внешних сил. Имея в виду принцип всеобщей связи явлений, надо думать и о других, сопутствующих и невиди­мых силах, далеко не всегда играющих второстепенную роль.