Основы теории и технологии контактной точечной сварки (стр. 28 )

3.5.2 Определение степени и скорости пластической деформации
металла в зоне точечной сварки

По-видимому, в теории точечной сварки понятия степени и скорости пластической деформации металла в зоне формирования соединения определяются не совсем корректно (см. п. 2.5) и математические зависимости для расчёта их параметров не в полной мере отражают сущность этих процессов при КТС и не пригодны для решения практических задач. Ниже описана методика определения степени и скорости деформации в процессе формирования соединения [203, 215, 240], разработанная для условий КТС и вполне приемлемая для решения технологических задач.

В теориях пластичности и обработки металлов давлением, деформацией называют изменение размеров и формы рабочего тела без изменения его массы и объема. При этом, понятие «деформация» относят как к изменению размеров и формы элементарных объемов тела, так и к изменению макроскопических параметров формы и размеров. Количественное определение абсолютной, относительной либо логарифмической (истинной) деформации неизбежно связано с измерением расстояний между точками тела, в том числе и внутри его, поскольку пластическая деформация представляет собой перемещение элементарных объемов тела (точек) относительно друг друга [220, 221, 225, 226]. Однако в условиях точечной сварки сделать это экспериментально с достаточной степенью точности, используя существующие методики (см. п. 2.5.1), не представляется возможным.

Вместе с тем, в теории обработки металлов давлением известен так называемый «метод определения степени пластической деформации по смещенному объёму». Так, при деформации (осадке) цилиндра объёмом VД силами σ (рис. 3.27), которые распределены по его торцевым поверхностям, степень деформации ε, определяемая по смещенному объему VСМ (заштрихован), равна [221]:

.

На основании физической модели процессов макропластических деформаций при формировании точечных сварных соединений, которая была сформулирована выше в п. 2.5.2, процесс пластической деформации металла зоны сварки на стадии нагрева может быть уподоблен описанному выше процессу деформации цилиндра при его осадке (рис. 3.28). Это можно сделать на основании результатов экспериментальных исследований пластических деформаций металла в зоне сварки, в частности приведенных в разделе 2.5.2 и в работе [204], если физическую модель (см. рис. 2.32) несколько идеализировать, сделав следующие допущения (рис. 3.28, а):

-  пластические деформации металла при КТС локализованы в объеме металла зоны сварки Vt, ограниченном наружными поверхностями свариваемых деталей и цилиндрической поверхностью, образующей которой является контур L1, а направляющей — линия, на 10...18 % выходящая за контур уплотняющего пояска: (см. зависимость (3.58))

-  зона пластических деформаций Vt вне контура L1 окружена жесткой оболочкой, так как радиальные деформации металла в относительно узком (вследствие большого градиента температуры) поясе VУП между контурами L1 и L2, находящегося в упругопластическом состоянии, а также окружающего холодного металла VУ вне контурами L1 и L2, который деформируется только упруго, незначительны и ими можно пренебречь;

- 
осевое пластическое течение (выдавливание) металла, формирующее уплотняющий поясок и являющееся причиной образования вмятин на поверхности электродов, вне контуров контактов деталь–деталь и электрод–деталь отсутствует.

В любой дискретный момент времени t процесса формирования соединения при КТС на цилиндрический пластически деформируемый объем Vt металла зоны сварки, со стороны жесткого кольца VУ холодного металла, который деформируется только упруго, через относительно узкий пояс металла VУП, находящегося в упругопластическом состоянии, действуют радиальные напряжения σr. В результате этого при КТС пластическое течение металла возможно в основном лишь в осевом направлении. Перемещение основного объема деформируемого металла, вследствие наличия осевого градиента температуры, происходит в направлении свариваемого контакта (см. п. 2.5.2). При этом элементарные объемы металла при его пластическом течении в зоне сварки перемещаются так же, как при деформации цилиндров 1 и 2, сжатых силами σ1, радиальными напряжениями σr, которые распределены по боковым их поверхностям (рис. 3.28, б). Таким образом, пластическое течение элементарных объемов металла в зоне сварки при КТС и при деформации цилиндров, напряжениями σr, распределенными по боковым их поверхностям, происходит так же, как при описанной выше пластической деформации цилиндра при его осадке (см.
рис. 3.27), но только в обратном направлении.

Степень деформации металла в зоне сварки εt, в любой момент времени t процесса формирования соединения при при контактной точечной сварке, на основании сказанного выше (см. рис. 3.28, б) можно определить по зависимости (рис. 3.29):

, (3.61)

где VСМt и Vt — смещенный и деформируемый объемы в момент времени t.

Физическая модель процессов макропластических деформаций при формировании точечных сварных соединений (см. п. 2.5.2) и сделанные выше допущения, позволяют определить смещенный объем металла при КТС (рис. 3.29). В любой момент t процесса формирования точечного сварного соединения смещенный объем металла равен сумме приращения деформируемого объема Vt вследствие температурного расширения, включая и нагрев выше температуры плавления в объеме ядра VЯt, увеличения объема металла ядра VЯt при его плавлении, а также объемов металла и , вытесняемых при вдавливании электродов в детали на глубину c1t и c2t:

. (3.62)

Элементарные объемы dV в разных областях зоны сварки, ограниченной контуром L1, испытывают различное тепловое воздействие, а также претерпевают разные агрегатные превращения. С учетом этого в любой момент t процесса КТС на стадии нагрева приращение смещенного объема из-за температурного расширения металла деформируемого объема Vt, и приращение смещенного объема из-за увеличения объема металла ядра VЯt при его плавлении могут быть определены по следующим интегральным зависимостям:

, (3.63)

, (3.64)

где для момента времени t, βT(Т) — температурный коэффициент объемного расширения; Т(z,r,φ,t) — функция, описывающая изменение температуры в зоне сварки; β* – коэффициент объемного расширения при плавлении металла, примеры значений которого показаны в табл. 3.3.

Приращения смещенного объема из-за объемов металла и , смещаемых при вдавливании электродов в детали, для момента времени t могут быть определены как объемы геометрических фигур по следующим интегральным зависимостям:

, (3.65)

, (3.66)

где для момента времени t, и — функции, описывающие геометрию рабочих поверхностей электродов и их положение относительно поверхностей свариваемых деталей; с1t и с2t – глубины вдавливания электродов в поверхности деталей; S1Эt и S2Эt — площади соответствующих контактов электрод–деталь.

Подставив зависимости (3.63…3.66) в (3.62) получаем интегральное выражение, которое позволяет определить смещенный объем металла VСМt в любой момент процесса точечной сварки: