Максимальная температура деформируемого объема металла, которой он достигает в конце процесса формирования соединения, в зависимости от условий сварки изменяется в относительно широких пределах, составляющих 60…95 % от температуры плавления ТПЛ свариваемого металла.

Изменение толщины свариваемых деталей в пределах 1…4 мм приводит к изменению температуры деформируемого металла, примерно на 5…15 % от ТПЛ. Причем, с увеличением толщины деталей она возрастает (рис. 4.8), что в основном объясняется уменьшением ее градиента в направлении координаты r.

Изменение времени сварки влияет на максимальную температуру металла в большей степени (рис. 4.9), чем изменение толщины деталей. Так, изменение времени сварки в пределах, применяемых в практике КТС режимов, приводит к изменению температуры металла на 10…25 % от ТПЛ. При этом с увеличением времени сварки (уменьшением жесткости режимов) она возрастает. Это обусловлено некоторым уменьшением градиента температуры в металле зоны сварки, прилегающем к ядру.

Такие результаты расчетов температуры металла в зоне сварки вполне согласуются с существующими представлениями, результатами экспериментальных и теоретических исследований процессов выделения и перераспределения теплоты в условиях формирования точечных сварных соединений.

Степень пластической деформации металла в зоне сварки монотонно увеличивается в течение всего процесса его нагрева, т. е. в течение длительности действия импульса сварочного тока при любых условиях точечной сварки. Причем, во время формирования соединения степень деформации увеличивается неравномерно (рис. 4.10). За первые 5…20 % от времени tСВ действия импульса сварочного тока она достигает значений, составляющих 25…40 % от конечных. После этого степень деформации металла в зоне сварки увеличивается практически линейно.

Динамика изменения степени пластической деформации металла в зоне сварки и ее величина определяются в основном его температурным расширением. Так, характер изменения εt  в процессе формирования соединения определяется в основном ее приращением за счет температурного расширения εt1, (первое слагаемое в зависимости 3.78), плавления металла в ядре εt2 (второе слагаемое) и вдавливания электродов в поверхности деталей εt3 (третье слагаемое). В момент выключения тока при t = tСВ приращение степени пластической деформации за счет температурного расширения металла εt1, составляет 55…65 % от всей ее конечной величины εt, за счет вдавливания электродов в поверхности деталей εt2 — 20…30 %, за счет приращения объема металла ядра при его расплавлении εt3 — 8…17 %.

К моменту окончания импульса сварочного тока при t = tСВ степень пластической деформации металла в зоне сварки может достигать значений 12…15 %. При проплавлении деталей на 40…60 %, которое наиболее характерно для большинства соединений в практике точечной сварки, конечная степень деформации составляет 9…12 %.

При сварке на жестких режимах с меньшей длительностью импульса сварочного тока степень деформации на 5…12 % меньше, чем на мягких (рис. 4.11). Это объясняется большим градиентом температуры металла в зоне сварки и большей зоной его нагрева.

С увеличением толщины свариваемых деталей от 1 до 4 мм степень пластической деформации металла в зоне сварки также уменьшается на 8…14 % (рис. 4.12), что объясняется в основном увеличением зоны нагрева при формировании точеного сварного соединения.

Скорость пластической деформации ut металла в зоне сварки изменяется в соответствии с изменение степени его деформации (рис. 4.13), поскольку является ее производной (см зависимость 3.79).

Наибольшие ее значения наблюдаются в начале процесса нагрева и составляют через 10 % от времени tСВ действия импульса сварочного тока 0,2…3,6 с-1. В процессе формирования соединения скорость деформации металла зоны сварки уменьшается неравномерно. За последующие 10…15 % от времени нагрева она уменьшается на 20…60 % от значений, которые были при t ≈ 0,1tСВ . После этого она либо монотонно уменьшается до конечных значений, либо остается практически неизменной.

С увеличением жесткости режима сварки скорость деформации возрастает (рис 4.14). Причем, в начале процесса сварки она возрастает примерно в 2,5…3,5 раза, а в конце процесса нагрева — в 1,5…2.5 раза. С увеличением же толщины свариваемых деталей от 1 до 4 мм она уменьшается в 5…6 раз. Это в основном обусловлено увеличением времени сварки tСВ, поскольку степень εt деформации металла зоны сварки с увеличением толщины деталей уменьшается всего на 8…14 %.

Сопротивление пластической деформации σДt металла в области уплотняющего пояска в процессе КТС монотонно уменьшается (рис. 4.15).

Причем, уменьшение сопротивления пластической деформации происходят неравномерно, что обусловлено, в основном, неравномерным изменением теплового состояния металла в области уплотняющего пояска (см. рис. 4.6, б и 4.7, б). Наибольший градиент его уменьшения, как и уменьшения температуры, наблюдается в первые 10 ¸ 25 % от времени tСВ длительности импульса сварочного тока. Это является следствием того, что основным фактором, определяющим сопротивление пластической деформации металла процессе формирования точечного сварного соединения, является его температура. Такое заключение подтверждается характером изменения при сварке термомеханических коэффициентов кТ, кε, ки (рис. 4.16) и их соотношением в дискретные моменты процесса формирования соединения, а также характером изменения их комплексного воздействия на металл зоны сварки, которое можно охарактеризовать коэффициентом разупрочнения  (см. зависимость (3.60)).

С увеличением жесткости режима сварки сопротивление пластической деформации металла увеличивается в довольно широком диапазоне (на 15…80 %) (рис. 4.17). При этом кратность его увеличения возрастает с повышение прочности металла. С увеличением толщины свариваемых деталей от 1 до 4 мм сопротивление пластической деформации уменьшается: при сварке на жестких режимах — в 1,5…2 раза, а при сварке на мягких режимах — на 10…30 %. Причем кратность уменьшения в начале процесса сварки больше, чем в конце импульса тока и зависит она как от теплофизических свойств металла, так и от параметров режима сварки.

Основным фактором, определяющим сопротивление пластической деформации металла при сварке, является его температура. Вместе с тем и роль степени и скорости пластической деформации металла, как упрочняющих факторов, весьма существенна. Они повышают сопротивление пластической деформации металла зоны сварки на 30…60 % по сравнению со статическим пределом текучести при той же температуре. На рис. 4.18 показано изменение в процессе сварки сопротивления пластической деформации металла (кривая 1) рассчитанное по вышеописанной методике и изменение предела текучести металла (кривая 2) для той же температуры. Поэтому при решении теплодеформационных задач точечной сварки, определяя механические характеристики металла зоны формирования соединения, следует учитывать процессы его упрочнения и разупрочнения, в особенности при сварке деталей малых толщин на жестких режимах.

Среднее значение напряжений в площади уплотняющего пояска и
давление расплавленного металла в ядре в процессе формирования соединения монотонно уменьшаются (рис. 4.19 и 4.20). Это обусловлено тем, что их величину σСРt и РЯt (см. зависимости (3.51) и (3.59)) в основном определяют одни и те же параметры деформационных процессов: сопротивление деформации металла в области уплотняющего пояска σДt и ширина уплотняющего пояска, которая в зависимости (3.51) выражена разностью диаметров уплотняющего пояска dПt и ядра dЯt, а в зависимости (3.59) — их отношением. А поскольку при любых условиях точечной сварки, как было показано выше, и сопротивление деформации металла, и ширина уплотняющего пояска в процессе формирования соединения на стадии нагрева всегда уменьшаются, то вследствие этого уменьшается и величина напряжений в площади уплотняющего пояска, и давление расплавленного металла в ядре. Их значения к концу процесса нагрева монотонно приближаются к величине сопротивления деформации металла в области уплотняющего пояска.

С увеличением жесткости режимов сварки как среднее значение напряжений в площади уплотняющего пояска (рис. 4.21), так и давление расплавленного металла в ядре (рис. 4.22) увеличивается. Это в основном является следствием увеличения сопротивления пластической деформации металла в области уплотняющего пояска из-за снижения в нем средней температуры, которое происходит вследствие увеличения в в области уплотняющего пояска ее градиента.

С увеличением толщины свариваемых деталей как среднее значение нормальных напряжений в площади уплотняющего пояска, так и давление расплавленного металла в ядре уменьшаются. Основной причиной этого является то, что с увеличением толщины свариваемых деталей увеличивается и разогрев металла в области уплотняющего пояска. Кроме того, с увеличением толщины свариваемых деталей весьма существенно уменьшается скорость пластической деформации металла и, следовательно, его влияние как упрочняющего фактора. Изменение этих факторов приводит к уменьшению сопротивления пластической деформации металла и, в конечном итоге, к уменьшению напряжений в площади уплотняющего пояска и давления расплавленного металла в ядре.

Таким образом, параметры основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне формирования точечных сварных соединений, существенно зависят от параметров режимов сварки. Вследствие этого выбор оптимальных параметров режима КТС является исходным условием устойчивого протекания процесса формирования соединении и получения его высокого качества. Наиболее комплексным показателем оптимальности режимов контактной точечной сварки для конкретных ее условий является показатель их жесткости, который рассмотрен ниже.

4.3. Критерий оценки режимов контактной точечной сварки

Описанное выше изменение основных термодеформационных процессов, протекающих в зоне сварки, показывает, что при устойчивом процессе формирования соединения в зоне сварки существует определенное соответствие между нагревом в ней металла и пластической его деформацией, и подтверждает, существовавшее ранее [3, 165, 185… 187] об этом предположение. Кроме того, взаимозависимость и взаимовлияние основных термодеформационных процессов, в особенности нагрева и пластической деформации металла, зависимость их от параметров режима точечной сварки, что количественно характеризуется критерием жесткости режимов контактной точечной сварки, подтверждает: саморегулирование процесса КТС существует.

В настоящее время оценку и сравнение режимов контактной точечной сварки по показателю их жесткости в основном производят только качественно, несмотря на то, что этот показатель является наиболее комплексным показателем из всех известных, предназначенных для решения этих задач. Это обусловлено тем, что, несмотря на известные предложения количественно оценивать жесткость режимов, например, по отношению отдельных параметров режима КТС, по показателям, представляющим собой различные интерпретации критерия Фурье и т. п., «абсолютный показатель степени жесткости режима пока не найден [15]» (см п. 1.3).

Общепринятым можно считать, что понятие «жесткость режима» отражает положение процесса КТС между его противоположными и предельными состояниями — непроваром и выплеском. К предельно мягким режимам относят такие режимы, при которых возникают непровары, а к предельно жестким — режимы, при которых возникают выплески. Соответственно и значения показателей жесткости таких режимов являются предельными. Например, в работе [4] указано, что при оценке жесткости режима по показателю K2 (см зависимость (1.8)) для любых сочетаний толщин и материалов деталей при K2 < 25 режимы КТС уже недопустимо мягкие, а при K2 > 50 — граница выплесков, т. е. режимы сварки уже предельно жесткие.

Вместе с тем, классификация режимов, отработанных практикой КТС (например, приведенных в табл. 4.5 и близких к рекомендуемым [2, 3, 7…11, 15] для данных деталей), по известным показателям жесткости (в частности, по критериям К1 (см зависимость (1.7)) и К2) показывает, что они не всегда располагаются в соответствии с этим понятием. Так, при оценке режимов по К1 не бесспорно соотношение их жесткости не только при различной толщине деталей, что объясняется не соблюдением в практике КТС критерия геометрического подобия сварных соединений ( [15] (см. зависимость 1.12)), но и при одинаковой толщине деталей, например, из сплава АМг6 и стали 12Х18Н10Т. Не бесспорно и то, что при оценке по К2 жесткость режимов КТС деталей из сплава АМг6 и стали 08кп примерно одинакова, а режимы КТС деталей из стали 12Х18Н10Т относятся к недопустимо мягким (К2 < 25) и их жесткость меньше, чем при КТС деталей из стали 08кп.

Характеристики материалов, при которых проводили расчеты показателей жесткости режимов КТС, в частности, показателей К1 и К2, приведены в табл. 4.6.

Таблица 4.5

Результаты расчетов при сравнении режимов сварки по критериям
 их жесткости КЖ, К1 и К2