§3.Способы сварки со свободным деформированием.

Схематически процесс диффузионной сварки можно представить следующим образом. Свариваемые заготовки собирают в приспособления, позволяющие передавать давление в зону стыка, вакоумируют и нагревают до температуры сварки от 0,5 до 0,9 Т_пл (Т_пл – температура плавления свариваемого металла), (см. рис.1)

Рис.1

После этого прикладывают сжимающее давление. В зависимости от напряжений, вызывающих деформацию металла в зоне контакта целесообразно различать сварку с высокоинтенсивным (Р≥20 мПа) и низкоинтенсивным (Р≤20 мПа) силовым воздействием. Давление прикладывается при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Давление влияет на скорость образования диффузионного соединения и величину накопленного деформации свариваемых заготовок. В большинстве случаев, чем выше давление, тем меньше время сварки и больше деформация. Для снижения сжимающего давления температуру нагрева свариваемых деталей следует устанавливать более высокой, т.к. металл при этом обладает меньшим сопротивлением пластической деформации.

При диффузионной сварке однородных металлов в зоне контакта должны образовываться общие для соединяемых металлов зёрна. Это возможно за счёт развивающихся в полном объёме процессов диффузии и первичной рекристаллизации. При сварке разнородных металлов из-за развития процессов гетеродиффузии, приводящих к образованию в зоне соединения хрупких интерметалидных фаз, стараются ограничивать температуру и время сварки.

§4.Способы сварки с принудительным деформированием.

Холодная сварка.

Холодная сварка – сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пластической деформации. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающего напряжённого состояния, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение. В зависимости от схемы пластической деформации заготовок, сварка может быть точечной, шовной и стыковой. При холодной точечной сварке зачищенные детали устанавливаются внахлёстку между пуансонами, имеющими рабочую часть и опорную поверхность, площадь которой (опорной поверхности) значительно превосходит площадь рабочей поверхности. (Рис.2)

Рис.2

Шовная роликовая сварка создаётся вращающимися роликами, имеющими в центре рабочий выступ. (Рис.3)

Рис.3

Собранные внахлёстку заготовки устанавливаются между роликами, сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов в металл. Ролики приводят во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную деформацию, в результате которой образуется шов. Шовная сварка бывает двухсторонняя (оба ролика имеют рабочие выступы), односторонняя (один ролик имеет выступ) и несимметричная (ролики имеют различные по размерам и форме рабочие выступы).

Холодная стыковая сварка производится между торцами двух стержней установленных в конусные зажимы. Осадочное усилие приводит к сжиманию торцов деталей с образованием сварного соединения.

Сварка трением.

Сварка трением осуществляется за счёт небольшого сжимающего усилия между поверхностями стыкуемых деталей с одновременным вращением одной детали относительно другой и возвратно поступательном движении в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами при их звуковой ч астоте.(рис.4)

При этом между соприкасающимися деталями возникают силы трения. Температура контакта между трущимися (при сухом трении) деталями растёт пропорционально скорости относительного перемещения деталей и давления, с которым создаётся контакт. Одновременно с повышением температуры на контактирующих поверхностях происходит разрушение поверхностных оксидных плёнок, деформация микровыступов и образование ювенальных участков с насыщенными связями поверхностных атомов. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала. Под действием сжимающего давления происходит осадка свариваемых поверхностей. Часть металла с оксидными плёнками выбрасывается наружу, а активированные контактные поверхности сближаются до межатомных расстояний и между ними образуются металлические связи.

Сварка трением применяется при соединении стержней и труб диаметром от 6 до 100 мм, при изготовлении режущего инструмента, при производстве сварно-кованных, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Особенно эффективно её применение при сварке разнородных материалов, не сваривающихся другими способами, например, стали с алюминием. В 1991г в Англии был запатентован способ сварки трением перемешиванием. Схема этого процесса представлена на рис.5.

Рис.5

Сварка выполняется вращающимся инструментом, состоящим из утолщённой части – заплечника и выступающей части – штыря. В начале стыка двух деталей штырь со специальным профилем вступает в контакт с поверхностью жёстко зафиксированных на массивной подкладке деталей и при вращении инструмента внедряется в них до тех пор, пока заплечник не коснется поверхностей деталей. Вращающийся штырь доводит металл до пластического состояния и при перемещении его вдоль стыка на последнем образуется шов.

Заплечник формирует поверхность шва. Этим способом можно сваривать алюминий, медь и их сплавы. Основные виды сварных соединений представлены на рис.6.

рис.6

Сварка прокаткой.

Сварка прокаткой это высокопроизводительный технологический процесс получения биметаллов, как из разнородных металлов, так и из металлов близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам. Этот процесс применяется для производства листов, полос, лент, фасонных профилей, прутков, проволоки. Соединение компонентов биметалла происходит при их совместной горячей или холодной пластической деформации, осуществляемой в прокатных станах в вакууме или на воздухе. Исходной заготовкой для получения биметалла служит пакет, состоящий из двух и более слоёв в виде слябов и пластин.

При сварке прокаткой образование соединения происходит в условиях малой длительности процессов взаимодействия. Поэтому при определённых температурно-скоростных условиях деформирования в зоне соединения не успевают развиться релаксационные процессы (самодиффузии и гетеродиффузии) настолько значительно, чтобы существенно изменить структуру зоны соединения. Поэтому при сварке прокаткой можно полагать, что стадия объёмного взаимодействия заканчивается схватыванием контактных поверхностей.

Сказанное выше позволяет применять холодную сварку прокаткой для трёхслойных биметаллов, состоящих из стальной основы и плакирующих слоёв из титана, алюминия, меди, латуни, и т.д.

При горячей прокатке для уменьшения степени окисления поверхностей заготовок пакеты перед нагревом герметизируют сварным швом, а в ряде случаев производят это в вакууме или инертном газе.