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 й 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

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.

Глава 2

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ

2.1. Элементы теории потоков применительно к контактной сварке

Тепловые, электрические и диффузионные процессы в металле могут математически рассматриваться как потоки энергии, иногда как потоки частиц или даже как процессы массопереноса.

Для контактной сварки особое значение имеют некоторые характерные поточные дифференциальные уравнения. Одно из них - уравнение теплопроводности Фурье:

Полностью подобным этому уравнению является уравнение Фика, описывающее процессы диффузии и массопереноса

-D, (2.2)

где С - концентрация вещества в исследуемом объеме; D - коэффициент диффузии, или коэффициент массопереноса.

Дальше следуют два уравнения Максвелла: одно определяет электрическое поле в металле ,

дЕ р . (п о\

3 к. А. Кочеррнн