ванных электронов через плоскость контакта и переноса части энергии через эту границу. Если группу электронов одного и того же вещества активировать любым видом энергии (тепловой, механической и т. д.), то, как это показано штриховой линией для кривой 2 рис. 4.4, некоторая доля свободных электронов приобретет избыточную энергию Ед - Е. Активируя, таким образом, какой-то объем одного и того же вещества, мы создаем энергетическое неравновесие у границы исходного и активированного веществ. Этот эффект обсуждался в гл. 1. Сейчас представляет интерес рассмотреть контактирование разнородных материалов, особенно таких контрастных, как, например, медь и никель, для которых граничные энергии весьма различны. Для такого контакта, если его нагревать током / (рис. 4.4, б), общее тепловыделение в зоне контакта будет определяться суммарно теплотой Джоуля и Пельтье, т. е.

Q = PRt т ПИ. (4.8)

В зависимости от направления тока теплота Пельтье будет или понижать температуру по какую-то сторону плоскости контакта, или повышать ее против того значения, какое обеспечивает теплота Джоуля. Оценивать относительную роль теплоты Пельтье для различных контактов можно посредством показателей термоэлектродвижущей силы, поскольку

Я = аб, (4.9)

где сс - в мкВ, отнесенных к абсолютной температуре. Так, в частности, для контактов медь + никель а = +24; медь + + сплав константан а = +42; направление термотоков - от меди к никелю и константану. В связи с этим на схеме рис. 4.4, б при указанных на нем направлениях внешнего тока / охлаждающее действие эффекта Пельтье будет проявляться на левой модели в меди и на правой - в никеле. Особенно контрастны картины термо-ЭДС на границах металлов и оксидов. На рис. 4.4, в показано реальное контактирование медного электрода с никелевой пластиной. Размеры оксидных слоев масштабно весьма преувеличены, но значения термо-ЭДС в милливольтах даны действительные при температуре контакта 1000 К. Суммарная термо-ЭДС может составлять q=20 % от падения напряжения на контакте за счет сварочного тока. Этот эффект и обусловливает различное проплавление деталей в зависимости от направления сварочного униполярного тока для разнородных металлов, если они несут на себе еще соответствующие оксидные наслоения. Что же касается оксидных наслоений на электродах, то они практически всегда действуют как микротермогенераторы, так как никто и никогда не зачищает электроды после каждой точки.

Вообще технологам следует иметь в виду особую роль или естественных, или даже искусственно наносимых наслоений как на свариваемые детали, так и на наконечники электродов. Твор-

Рис. 4.5. Возможные распределения твердости в зоне точечно-сварного соединения, схема строения ядра и концентрация напряжений вокруг него:

/ - столбчатые дендриты; - мелкие разориеитированные зерна; III - зона термического влияния

ческие возможности здесь не ограничены ничем. Наибольший успех ожидает технологов, вероятно, тогда, когда искусственные покрытия электродных наконечников по своей стабильности и стойкости приблизятся к стойкости естественных оксидов.

Недооценка эффекта Пельтье неоднократно имела место в условиях производства, в частности при сварке никелевых сплавов с конструкционной сталью, когда сварку производили на конденсаторных машинах, т. е. униполярным током. Для обеспечения стабильного провара в таких случаях следует обеспечивать одинаковое направление сварочного тока. Если же располагать мелкие детали безразлично, создавая через них различное направление тока, то по статистике закономерно непровар наблюдается у половины всех сваренных деталей. Форма ядра сварной точки, его расположение относительно площади контакта и его размеры -это главные факторы, определяющие прочность единичной сварной точки. Вообще-то трудно себе представить более несовершенную прочностную модель, чем единичная сварная точка. Выше уже отмечалось, что вокруг ядра получается резкая концентрация механических напряжений. Картина таких напряжений изображена на рис. 4.5. Никакие ухищрения посредством термомеханической обработки не могут изменить геометрию конструкции соединения с ее концентраторами в точке К- Это значит, что резкость концентрации обязательно сохраняется для любых точечно-сварных соединений из любых металлов. Действие концентрированных напряжений может быть несколько смягчено созданием пластического металла по кольцу концентрации или, наоборот, усилено сохранением послесвароч-ной закаленной структуры. На рис. 4.5 даны типовые графики ядра и зоны термического влияния вокруг него. Сохранение одинаковой твердости ядра и зоны термического влияния (примерно по кривой )-1-1) свойственно коррозионно-стойким аустенит-ным хромоникелевым сталям. Твердость по кривой 2-2-2 характерна для незакаливающихся металлов и сплавов, упрочненных холодной деформацией. В этом случае в зоне термического влияния происходит операция отжига, которая завершается снижением показателей твердости. Кривые t-3-1 или 1-2-/ 166

относятся к легированным металлам, способным принимать резкую {1-3-/) или умеренную (1-2-/) закалку.

Все эти кривые твердости показаны как типовые для сварных соединений, не подвергнутых после выключения сварочного тока каким-либо термомеханическим операциям. Операции такого рода, следующие непосредственно в том же цикле сварки, способны обеспечивать все современные точечные машины. Структура самого ядра как типовая была представлена на рис. 4.2. Кристаллизация по схеме нижней части рис. 4.2, а, когда столбчатые дендриты непосредственно стыкуются друг с другом по плоскости контакта, характерна для металлов и сплавов, обладающих малым интервалом температур кристаллизации. Сюда относятся многие высоколегированные, жаропрочные и коррозионно-стойкие стали, а также сплавы титана, циркония и магниевые.

Сплавы алюминия обладают относительно большим пределом температур кристаллизации. Для них в средней зоне ядра характерен переход столбчатых кристаллов в мелкозернистые раз-ориентированные (верхняя схема на рис. 4.2, а). Для ядра и его структуры следует еще раз подчеркнуть главное: важны его размеры, но не структура. В ядре сварной точки стальных деталей допускаются единичные поры, раковины и даже трещины, если их размер не превышает V4-Vg высоты ядра. Такого рода дефекты не оказывают заметного влияния не только на статическую, но даже и на вибрационную прочность. Вот насколько сильно для точечно-сварного соединения сказываются концентрации напряжений вокруг ядра. Именно они и определяют, прочностную картину в целом. В связи с этим значительно больший интерес вызывает структура зоны термического влияния вокруг ядра, а не структура ядра. Структура зоны термического влияния управляется и регулируется посредством электротермомеханических операций, которые осуществляются непосредственно после кристаллизации ядра. Эти операции вписываются в общую программу сварочного цикла и должны быть рассмотрены отдельно, с некоторыми подробностями.

4.2. Технологические циклы точечной сварки

Главным и самым ответственным моментом в формировании ядра сварной точки является первая операция - нагрев. Наиболее отчетливую связь основных переменных, обусловливающих начальный процесс нагрева свариваемого контакта, дает формула (2.79).

Как видно, главными переменными являются: плотность тока i, начальное электрическое сопротивление контакта шероховатых поверхностей Гмго. сопротивление оксидных наслоений Гцло и п - показатель формы кривой сварочного тока. Для первого момента включения тока можно считать, что расплавленный диск из двух слоев пирамидальных шероховатостей образуется в результате