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 ф о и о и. 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 механиче-

I ской 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 .... (3,84) 10i=* (4-4,6) (4,65) 10 =*

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 7,6-10 Гц. А вот что касается механической энергии, то она посредством мощного ударного потока фононов может довести частоту колебаний атомов до 10 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 10 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 % = И, 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 фонон-ной 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