Те же формулы (3.44) и (3.46), имея в своем составе скорость звука, для трения должны давать значительно меньшие значения. Это следует из формулы (3.45), в которой модуль сдвига G сильно падает для горячего металла, особенно нагретого до температуры, близкой к точке плавления. Согласно выражениям (1.39) и (1.51), температуру в плоскости контакта за счет энергии трения можно определить так:

240

где - энергия в контакте, вызываемая трением; dcp - средний размер диаметра свариваемой детали; п - частота вращения детали, об/мин; - длительность операции трения.

Завершающая осадочная операция в зоне свариваемого контакта обеспечивает подъем температуры в результате межзерен-ного радиального сдвига, который может быть учтен формулой

При практических расчетах по этой формуле tgc - время действия завершающего осадочного давления.

Относительная деформация е при сварке трением для разных металлов и различных осадочных давлений получается в пределах 0,5-0,7, редко достигая 0,8. Этот размер можно приближенно определить по формуле (3,31)

8 1 - d/D (3.49)

где d - диаметр свариваемого стержня; D - диаметр деформированного контакта.

Учитывая все это, произведем конкретные расчеты для сварки трением круглых стержней диаметром 2 см. Средний размер диаметра будем, следовательно, принимать dcp = 1 см. Опытные данные ВНИИЭСО для стержней из стали СтЗ: рр == 50 Дж/см; тр = 6.25 с; п - 1000 об/мин. Коэффициент аккумуляции

/3 = 1,47 Дж/см2. cV2, ° С.

Температура плоскости контакта за счет операции трения по формуле (3.47)

г Б0-3,14-1000-2,5 nioop

-lioTuiT-

По размерам D и d, согласно формуле (3.49), относительная деформация оказалась порядка 0,7. По этим данным можно определить: достаточной ли была осадочная энергия 100 Дж/см. Допустим, что динамическая вязкость, вычисленная для чистого железа, такая же и у стали СтЗ. Тогда

Ч = Чо (1 - TjTnn) 1836 (1 - 1112/1450) =- 422 Дж-с/смЗ.

Длительность операции осадки не измерялась, но это время можно считать, как и время сдвига tc, равным 1 с. Тогда

Рое = nBy(2t) =

= 422(0,7)V{2-I) - 103,4 Дж/см .

Как видно, действовавшее осадочное давление и расчетное совпадают. Теперь можно определить, какой температурный вклад в микрообъеме создает сдвиг, завершающий сварку,

я 2,5-1/(1836-0,5)+ ,1/1450

Вклад сравнительно небольшой. Он, суммируясь с температурой Гтр, дает общую температуру в плоскости контакта 1112 + + 86 = 1198 °С. Действовавшее при сварке давление р превышает то необходимое, какое требует формула (1.21):

р = аЛ1 + d/(6A)J.

Можно проделать аналогичные расчеты и для дюралюминия. Для стержней диаметром 2 см опытные данные таковы: tp = 3,5 с;

Ртр = 50 Дж/см; /кус = 2,35 Дж/см-с/г.с ; pc = ЮО Дж/см; п = 1000 об/мин. Тогда

50-3.14-ЫООО-1,87 ср Р - 240-2,35 ~

Относительная деформация, согласно формуле (3.49), близка к 0,8. При времени /ос = 1 с

да 2,27-1/(1Ш -0.64)+ 1/650 103° С.

Суммарная температура контакта 623° меньше точки плавления. Осадочная энергия р = 100 Дж/см не только значительно превышает предел текучести при действующей температуре, но и давление, устанавливаемое из формулы (1.21). Проделанные расчеты дают основание для следующих выводов.

Основной подъем температуры при сварке трением обеспечивается именно операцией трения. Однако и осадочная операция, согласно формуле для температуры сдвига Гсдв, может вносить заметный вклад, если операцию осадки делать ускоренной, например вместо I с осаживать за 0,5 с. Однако это повлечет за собой необходимость заметного увеличения осадочного давления. Такого увеличения можно избежать и избегают при инерционной сварке трением. В этом процессе осевая осадка суммируется с пЪ-воротом по плоскости контакта.

Расчеты по формуле (3.44) для горячего металла дают ничтожно малые значения температур. Для контактной стыковой сварки действительны те же выводы о влиянии осадочных скоростей на температурную картину в зоне свариваемого контакта. Здесь oi носительная деформация может достигать значения в = 80 %,

Если время осадочной операции вместо одной секунды сократить до половины, то, согласно формуле (3.48), получим

Я 2.5.0.5/(1836 0,64) + 1/1450 202° С.

Такая мгновенная температурная добавка в момент осадки вполне объясняет задержку охлаждения сваренного контакта, что было показано на рис. 3.14. Ускорение осадки можно получить только увеличением осадочного давления.

Осевое сжатие может быть заменено поворотной деформацией, которая в некоторых случаях может оказаться рациональной, обеспечивая после процесса оплавления устранение непроваров и не-сплошностей. Если, для примера, те же стальные стержни диаметром 2 см нуждались при сварке трением в осадке на 3 мм, то достаточно одного неполного поворота, заменяющего такую осадку. Кстати сказать, инерционная сварка трением, какую по сути дела предложил А. И. Чудиков, дает большую стабильность прочности, чем принцип машин трения ВНИИЭСО, где процесс сварки завершается остановкой вращения и осевой осадкой. У А. И. Чу-дикова осевая осадка завершалась последним поворотом.

Неоднократно возникал вопрос о возможностях холодной сварки стальных деталей. При таком же времени осадки в 1 с, как это характерно для холодной сварки алюминия и меди, сталь сваривать весьма затруднительно. Следует учесть, что динамическая вязкость, равная 1836, рассчитана для чистого железа. Для сталей это число должно быть, вероятно, большим, в такой же пропорции, как больше оказывается предел текучести стали по сравнению с этой же величиной для армко-железа. Практически динамическая вязкость перейдет за 2500. Встает вопрос, какими же должны быть все зажимные и осадочные механизмы, чтобы выдерживать секундные удары давлением, выше 2500. Вряд ли возможны такие конструкции машин. Вполне понятно, что технология сварки пошла по пути полного освобождения от металлических зажимных и осадочных устройств. Такой технологией стала сварка взрывом. Для этого процесса формулы (3.41) и (3.48) непригодны. Первая из них потому, что физическая константа кус, известная по статическим печным измерениям, вряд ли справедлива для ударных процессов, а вторая, (3.48), вообще не предусматривает какого-либо значения для коэффициента динамической вязкости при температурах выше точки плавления. Температура при сварке взрывом, судя по авторитетным вычислениям, значительно превышает точку плавления. Произведем и здесь некоторые ориентировочные расчеты. Еще раз обратим внимание на две возможные ошибки, какие довольно часто допускают исследователи в различных расчетах.

1. Все физические, электрические и механические константы для металла получены в экспериментах с печным нагревом и медленным изменением действующих механических сил. Использо-152