4. Сопутствующие процессы

ПРИ ОБРАЗОВАНИИ СОЕДИНЕНИЙ

Развитие сопутствующих процессов в значительной мере является следствием протекания рассмотренных выше основных процессов.

4.1. Тепловое расширение металла при сварке

Нагрев металлических тел сопровождается увеличением их линейных размеров и объема (дилатометрический эффект). В част­ности, при температуре Т твердого тела его длина l_Т и объем V_T равны

l_Т = l₀ (1+αT) и V_T = V_o(1+βT),

где l₀ и V₀ - длина и объем тела при Т₀; α и β - термические коэффициенты линейного и объемного расширения.

При плавлений объем тела резко увеличивается, достигая 8-10 % V₀.

В условиях точечной и шовной сварки увеличение толщины и объема деталей происходит преимущественно в направлении оси z, так как возрастание объема в направлении оси r сдерживается более холодной массой соседних участков металла.

Тепловое расширение металла при сварке вызывает перемещение (раздвигание) электродов машины, в основном верхнего подвижного электрода. Данное явление в некоторой степени компенсируется вследствие развития парал­лельного и одновременного процесса пластической деформации металла в зазор между листами и вдавливания электродов.

Характерно, что при шовной сварке, когда металл предварительно нагрет тепло­той от сварки предыдущей точки и имеет меньшее сопротивление деформации и перемещение электродов, чем при точечной.

Заметное перемещение верхнего электрода наблюдается с момента расплавления металла (появления ядра) и далее происходит в соот­ветствии с изменениями температурного поля и ростом размеров ядра.

В отдельных случаях сварки перемещение верхнего электрода используется для неразрушающего контроля размеров литого ядра.

4.2. Процессы массопереноса в контакте электрод-деталь

При сварке имеет место взаимный перенос небольших масс металла электродов и деталей через границу контактов элек­трод-деталь механическим путем или вследствие диффузии.

При приложении сварочного усилия до включения сварочного тока в контакте электрод - деталь идут процессы упругопластической деформации микровыступов, внедрение выступов во впа­дины (рис. 38, а), их срез и «застревание», частичное разрушение находящихся на их поверхности оксидов и образование относительно небольшого количества локальных, преимущественно физических связей. Этим процессам способствуют также сдвиговые деформации, вызванные перемещением электродов относительно поверхности де­талей из-за различной жесткости нижней и верхней консолей силовой системы сварочной машины. На этой стадии цикла сварки ука­занные процессы находятся в зачаточном состоянии, и массоперенос практически не отмечается.

При включении сварочного тока, по мере нагрева приэлектродной области деталей сопротивление пластической деформации микрорельефов снижается, соответственно возрастает их пластическая деформация, расширяются участки фактического контактирования, создаются условия образования очагов не только физических, но и химических связей. Получают развитие процессы взаимной диффузии металлов (рис. 38, б).

Р

а

а

б

в

г

д

ис. 38. Схема процесса массопереноса в контак­те электрод-деталь: а - контакт до включения тока; светлая граница - про­дукты взаимодействия и оксиды на электроде, темная граница - оксидная пленка на детали; б - взаимная диффузия металлов; в - локальное плавление и взаимная диффузия; г - вторичное окисление и направление сил распорного эффекта (Fр); д - раздвигание электродов (частицы детали, захваченные электродом, заштрихованы).

В частных случаях сварки, например оцинкованной стали, магниевых сплавов и других металлов, возможно локальное плавле­ние (рис. 38, в) из-за образования легкоплавких эвтектик (магния или цинка с медью). При плавлении резко возрастает скорость взаимной диффузии. При недостаточно тщательной зачистке поверх­ностей деталей или электродов изолированные полости, образован­ные между микрорельефами, оказываются заполненными оксидными и гидроксидными пленками и адсорбированными веществами. С ро­стом температуры гидрооксиды разлагаются с выделением газа, в частности кислорода. Возникающее при этом избыточное давление создает так называемый «распорный» эффект, который снижает давление в контактах, а избыток кислорода вторично окисляет осно­вания выступов, препятствуя расширению площади электрических контактов (рис. 38, г). Вторичное окисление и распорный эффект соответственно препятствуют снижению локальной плотности тока и увеличивают контактное сопротивление, что способствует повы­шению температуры в контакте электрод - деталь.

При выключении сварочного тока и снятии усилия сжатия, обра­зовавшиеся локальные связи разрушаются от действия упругих сил, накопленных при деформации микровыступов, а также частично от распорного эффекта. При подъеме электрода обычно дополнительных сил для разрушения связей не требуется.

На поверхности электродов остаются частицы свариваемого металла, перешедшего в результате диффузии или механических деформационных процессов (рис. 38, д). Активность последних в значительной мере зависит от соотношения твердости металла электродов и деталей. Так, частицы мягкого металла (например, алюминия) легко «захватываются» относительно твердым рельефом поверхности электрода. Этот процесс практически не отмечается при сварке стальных деталей.

В процессе эксплуатации электродов скопление на их поверх­ности продуктов взаимодействия от массопереноса увеличивается. При этом возникают участки, где образуются металлические связи, препятствующие проведению нормального процесса сварки.

На поверхности деталей остаются включения электродного ме­талла (рис. 38, д), их количество увеличивается по мере увеличения продуктов взаимодействия на электродах.

Таким образом, скорость массопереноса контролируется темпе­ратурой в контакте, временем пребывания металлов при повышенных температурах, состоянием поверхностей деталей и электродов, сте­пенью деформаций сдвига и физическими свойствами электродного и свариваемого металлов.