Размеры перемычки определяются действием двух основных сил: поверхностного натяжения о, стремящегося увеличить диаметр перемычки йп в особенности при сближении деталей (так как с увеличением йп уменьшается поверхность металла и, как следствие, ее свободная энергия), и электромагнитных сил Рс, стремящихся сжать проводник, обтекаемый током, и разорвать его ,8].

Силы Рс пропорциональны квадрату тока и отношению 1п Кроме того, силы взаимодействия тока в перемычке с магнитным полем вызывают ее перемещение между торцами и выталкивание из сварочного контура.

В момент перехода переменного тока через нуль Рс = 0 и форма перемычки определяется только поверхностным натяжением. При этом непрерывное сближение деталей увеличивает &п. Однако в следующий момент ток в перемычке быстро нарастает и йп начинает уменьшаться под действием сил Рс. Растущая плотность тока в результате его синусоидального изменения и стягивания перемычки ведет к интенсивному ее нагреву. При достаточной плотности тока металл в центре перемычки испаряется. Одновременно возможно и выделение из металла газов, в частности, кислорода (в результате диссоциации окислов при высокой температуре). Стремительный рост давления паров металла и газов внутри перемычки приводит к ее взрывообразному разрушению. Расплавленные частицы металла выбрасываются в виде искр, а оплавляемые детали несколько укорачиваются. Плавное их сближение ведет к последовательному возникновению и разрушению перемычек с образованием непрерывного потока искр, характерного для сварки оплавлением.

Ускоренная киносъемка (3000 кадров в секунду) показала, что начальная скорость частиц металла, выбрасываемых при взрыве перемычки, достигает 60 м1сек [35]. Исходя из предположения, что в момент взрыва вся энергия, накопленная в перемычке под давлением, переходит в кинетическую энергию вылетающих частиц, рассчитали это давление. При V = 60 м/сек оно составляет для стали рвэ = 140 кГ/см2 [38]. Другой метод расчета, основывающийся на осевом усилии, развиваемом в момент взрыва перемычки (15—20 кГ), дает рвз — 320-н1600 кГ/см2. При таком давлении железо может находиться в виде пара только при Т = 7000 -?-8000° К 115]. В опытах по взрыву током очень тонких проволок экспериментально установлено повышение температуры до 20000° С (139]. Температуры такого порядка возможны только в центре перемычки. В ее основании, находящемся на оплавляемом торце, температуоа вряд ли намного превышает температуру плавления металла. Это подтверждается тем, что в зоне стыка при сварке стали оплавлением не обнаруживается следов ее взаимодействия с азотом [45].

После взрыва перемычки на торцах остаются лунки-кратеры

диаметром £)„. Следующий контакт-перемычка, как правило, образуется на другом участке там, где расстояние между торцами минимальное. Так как глубина отдельного кратера всегда намного меньше суммарного укорочения деталей при оплавлении, перемычки многократно образуются по всему оплавленному сечению. Тепло, выделяемое током на сопротивлении перемычек, — основной источник нагрева оплавляемых деталей. При оплавлении всего их сечения на одинаковую величину среднее количество тепла, выделяемое на торцах, одинаково и, как следствие, средняя температура любого их участка должна быть также одинаковой. Однако мгновенное распределение температуры на торцах может быть очень неравномерным. Там, где в данное время существует перемычка, металл расплавлен, а на дне соседнего кратера в результате отвода тепла возможно его охлаждение ниже температуры солидуса с образованием окислов.

Оплавленные торцы имеют неровную поверхность. При осадке для закрытия зазора Да (см. рис. 106) и дальнейшего сближения торцов до полного удаления из стыка жидкого металла и окислов требуется некоторое время Дг, тем меньшее, чем ровнее торцы и чем выше скорость осадки. Между разрушением и возникновением двух последовательных перемычек в одной точке проходит время Дгг. Поэтому на отдельных участках торцов от момента разрушения последней перемычки до фактического закрытия зазора при осадке проходит время Дг = Дгх + Дг2, в течение которого металл на дне кратера может остывать в контакте с атмосферой. Для сохранения возможности удаления из стыка окислов (при относительно небольшой деформации осадки, характерной для сварки оплавлением) температура на торцах не должна опускаться ниже Т2 — температуры плавления окислов (легкоплавких) или температуры, при которой оплавленный металл теряет свойства жидкотекучести (при тугоплавких окислах).

Интервал времени Аг0) достаточный для охлаждения металла на торцах от 7\ (средней температуры оплавленных торцов перед осадкой) до Т2, в первом приближении, равен

л/ _ йрУИГ! —+ «о!(21)

гдебр — толщина слоя жидкого металла на торцах;

у, с, т0 — удельный вес, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности и скрытая теплота плавления свариваемого металла;

— градиент температуры у торца (вдоль оси свариваемых деталей). Числитель в уравнении (21) — количество тепла, на которое уменьшается теплосодержание слоя расплавленного металла единичной площади при охлаждении от 7\ до Тй, а знаменатель —