3. Сущность основных способов сварки давлением.

1. Холодная сварка пластичных металлов. Как указывалось выше, для получения в сварном соединении таких же энергетических связей, как и в свариваемом материале необходимо пограничные слои узлов кристаллической решетки одной свариваемой детали приблизить к пограничным слоям решетки другой детали на такие расстояния, при которых между ними возникает единое энергетическое поле.

Имея в виду, что даже на очищенных поверхностях металла всегда имеются оксиды, толщина слоя которых больше необходимого для сварки расстояния, и для сближения ювенильных поверхностей надо разрушить эти пленки. Это можно сделать, локализуя пластическую деформацию таким образом, чтобы выдавить из зоны контакта эти пленки. Практически такое локальное пластическое деформирование может быть осуществлено при соединении этим способом пластичных металлов: свинца, алюминия, меди.

В практике используют две разновидности холодной сварки: точечную и стыковую.

Схема точечной холодной сварки представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Точечная холодная сварка:

а–схема процесса, б–разрез сварной точки; 1–свариваемые детали, 2–пуасоны, 3–выступы на пуасонах, 4–опорные поверхности пуасонов, Р–усилие сжатия

У

Листы металла с тщательно зачищенными поверхностями мест сварки помещают между пуансонами 2 (рис. 3.1, а) с рабочей частью - выступами 3. Действием пресса, сжимающего пуансоны усилием Р, выступы 3 вдавливаются в металл на всю их высоту, пока опорные поверхности 4 не сдавят металл. Этим обеспечиваетется необходимая пластическая деформация и образуется сварная точка.

В местах вдавливания остаточная толщина должна составлять лишь часть суммарной толщины листов (рис. 3.1, б). Для получения качественного сварного соединения необходимо, чтобы остаточная толщина имела определенную величину: для алюминия, например, она должна составлять 30 - 40, для меди - около 14 %.

На рис. 3.1, б стрелками показано направление течения металла при вдавливании выступов пуансонов.

На рис. 3.2 приведена схема процесса стыковой холодной сварки.

Рис. 3.2. Схема стыковой холодной сварки:

1–соединяемые детали, 2–зажимы (“губки” машины), 3–насечка на губках

Подлежащие сварке стержни 1 зажимают в «губках» машины 2. При осадке в результате сдавливания правый и левый зажимы сближают до соприкосновения и острый край зажима, как нож, срезает излишний выдавленный металл - грат. В процессе осадки сближающиеся зажимы затрудняют течение металла и позволяют увеличить давление осадки. Деформируемый и текущий металл стержней заполняет насечку 8, играющую роль уплотнителя и мешающую проскальзыванию металла в губках. Величина удельного давления для осуществления пластической деформации должна быть достаточно большой: для алюминия, например, 500 - 700 МПа, для меди еще больше.

Холодной сваркой можно получать соединения на разнородных металлах. Широко практикуется, например, облицовка алюминиевых шин в местах контакта в распределительных устройствах электростанций листовой медью для улучшения качества соединений.

2. Электрическая контактная сварка. По форме выполняемых соединений различают три основных вида контактной сварки: стыковую, точечную и шовную или роликовую (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Виды контактной сварки:

а–стыковая, б–точечная, в–шовная;

1–соединяемые детали, 2–электроды, 3–сварочный трансформатор, Р–усилие сжатия

При стыковой сварке (рис. 3.3, а) через стык соединяемых деталей пропускают электрический ток. После разогрева зоны сварки производится осадка.

При точечной сварке (рис. 3.3, б) соединяемые детали, чаще всего листы, собирают внахлестку и зажимают между двумя медными, охлаждаемыми изнутри проточной водой электродами, подводящими ток к месту сварки и имеющими вид усеченного конуса. Ток проходит от одного электрода к другому через толщу соединяемых металлов и контакт между ними и производит местный нагрев их (вплоть до температуры расплавления). Давлением Р, приложенным к электродам, производят осадку. Полученное сварное соединение в плане имеет форму пятна диаметром в несколько миллиметров. Это пятно называют точкой.

При шовной сварке электроды, подводящие ток к изделию и осуществляющие осадку, имеют форму роликов, катящихся по изделию, в связи с чем эту разновидность контактной сварки называют также роликовой (рис. 3.3, в). При шовной сварке листы соединяются непрерывным плотным швом.

Тепловая энергия, выделяемая проходящим электрическим током через контакт соединенных деталей, может быть выражена следующей формулой:

где R_м - сопротивление металла свариваемой детали; R_к - сопротивление контакта между соединениями деталей; R_э - сопротивление контакта между электродом и изделием.

Полезной для процесса сварки является энергия, выделяемая в контакте (I²R_кdt) и энергия, выделяемая в толще свариваемого металла (2R_мI²dt). Энергия, выделяемая на контактах между электродами и основным металлом, расходуется на подогрев поверхности свариваемых деталей и ускоряет износ электродов, в связи с чем является вредной. Для уменьшения износа электродов обычно предусматривается водяное охлаждение их.

Все разновидности электрической контактной сварки широко используют в промышленности, а в ряде отраслей (например, в автомобилестроении и др.) находят наибольшее по сравнению с другими способами сварки применение.

3. Ультразвуковая сварка. Способ основан на использовании механических ультразвуковых колебаний, вводимых в металл, и имеет две разновидности: точечную и шовную (рис. 3.4) сварку. Свариваются этими способами металлы малых толщин (обычно от нескольких микрон до 1,5 мм), а также некоторые пластмассы.

Ультразвуковые колебания, т. е. механические зазвуковых частот (около 20 кГц), создаются преобразователем 1, сердечник которого изменяет свои размеры при намагничивании и размагничивании (т. е. обладает так называемым магнитострикционным эффектом). Обмотка сердечника питается от высокочастотного генератора. Эти колебания через волновод 2 и 3 передаются на электрод 6. Свариваемые детали 4 зажаты между опорой 5 и электродом 6. Поэтому все колебания передаются в свариваемые детали.

Рис. 3.4. Схема ультразвуковой сварки:

а–точечной, б–шовной;

1–магнитострикционный преобразователь, сердечник и обмотка, 2 и 3–волновод, 4–свариваемые детали, 5–опора, 6–наконечник из твердого металла, передающий колебания свариваемому изделию, 7–направление сдавливающего усилия

Продольные механические колебания очищают поверхность металла, вследствие трения разогревают поверхностные слои под наконечником (электродом) и в зоне соприкосновения деталей.

В результате происходит очистка поверхности металлов, их сближение на расстояния при которых начинает действовать единое энергетическое поле и, как следствие возникает сварка (сращивание границ).

Усилие, сдавливающее детали, в разных случаях составляет 100 - 2000 Н, амплитуда колебаний детали составляет 10 - 20 мкм; время сварки одной точки 0,5 - 3 с. Потребляемая мощность из сети 4 - 6 кВ А. Свариваемая толщина верхнего листа не более 2 мм (как правило, до 1,5 мм); нижний лист может иметь большую толщину. Хорошо свариваются медь, титан, многие сплавы, пластмассы, Плохо свариваются стали.

4. Кузнечно-rорновая сварка - один из наиболее старых способов сварки. При использовании этого способа нагретые до температуры 1100 - 1300˚С детали из стали складывают внахлестку, вразруб или врасщеп (рис.3.5) и подвергают сдавливанию путем проковки, прокатки, прессования, волочения и т. д.

Так как поверхности свариваемых деталей, даже тщательно зачищенные, в процессе нагрева обычно значительно окисляются, слой оксидов делает сварку невозможной. Для очистки сопрягаемых поверхностей от оксидов применяют флюсы, которые разжижают окалину и тем самым создают возможность прямого контакта металлических поверхностей при сжатии. В качестве флюсов чаще всего применяют буру, борную кислоту или их смеси с поваренной солью.

Рис. 3.5. Подготовка изделий под кузнечн-горновую сварку:

1–внахлестку, 2–вразруб, 3–врасщеп

В настоящее время объем применения кузнечно-горновой сварки весьма мал.

5. Разновидностью кузнечно-горновой сварки является газопрессовая сварка. Сущность ее заключается в том, что изделие для нагрева не помещается в печь, а место сварки нагревается специальными газосварочными горелками ацетилено-кислородным пламенем. Используются многопламенные горелки с десятками и сотнями пламен, охватывающие всю периферию стыка. На рис. 3.6, в качестве примера приведена горелка для газопрессовой сварки труб.

Устройство для газопрессовой сварки стыков трубопроводов представляет собой сложный механизированный агрегат, самостоятельно перемещающийся вдоль трубопровода. Все необходимое оборудование размещается на мощном гусеничном тракторе повышенной проходимости. Для выполнения грузоподъемных операций трактор снабжен боковой

Рис. 3.6. Горелка для газопрессовой сварки труб:

1–горелка, 2–труба, 3–пламя горелки

стрелой. В периоды остановок двига тель трактора приводит в действие все

необходимые механизмы: подъемный кран, масляный насос, питающий механизм зажатия и осадки (сжатия труб после нагрева стыка до необходимой температуры кромок). На прицепе к трактору помещены мощный ацетиленовый генератор и батарея кислородных баллонов.

6. Диффузионная сварка в вакууме. Способ основан на использовании процесса диффузии, Соединяемые детали помещают в сварочную камеру, заполненную инертным газом или вакуумированную с поддержанием постоянного вакуума 133,3 (10^-2 - 10^-5) Па и сдавливают удельным давлением 0,5 - 2,0 кгс/см². Вакуум поддерживается непрерывной работой вакуумных насосов, откачивающих газы, поступающие в камеру через неплотности, а также адсорбированные поверхностями аппаратуры и непрерывно выделяемые нагреваемым металлом. Температура нагрева соединяемых деталей (чаще всего с помощью индуктора) должна составлять (0,55 - 0,60) Т_пл: для стали, например, около 800˚С.

Процесс сваривания (очистки поверхностей и диффузии) идет довольно медленно: для завершения процесса сварки требуется 5 - 20 мин, а иногда и более, однако способ отличается большой универсальностью: возможна сварка многих сочетаний разнородных металлов, а также металлов с металлокерамическими сплавами, металлов с керамикой, с графитом и т. д.

7. Св арка трением основана на использовании для нагрева соединяемых деталей превращения механической энергии трения в тепловую.

Способ применяется для соединения стрежневых деталей, труб небольшого диаметра и других подобных изделий. Сварка выполняется на специальных машинах, в зажимах которых закрепляют свариваемые детали. Одна из деталей остается неподвижной, а другая приводится во вращение и торцом с определенным усилием прижимается к торцу неподвижной детали (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Схема процесса сварки трением:

а–схема процесса, б–спаренные стержни;

1–неподвижная деталь, 2–губки машины, 3–вращаемая деталь, P1–давление в процессе вращения, P2–давление осадки

Частота вращения детали составляет 500 - 1500 мин^-1. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через относительно короткое время происходит их оплавление, автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей.

Способ весьма экономичен и обладает высоким к. п. д. Потребляемая мощность составляет 15 - 20 Вт/мм², а затраты электроэнергии в 7 - 10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке.

Способ позволяет сваривать не только однородные, но и разнородные металлы (например, алюминий с медью; алюминий со сталью, медь со сталью и пр). Особенно эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента: сверл, метчиков, резцов и другого инструмента из углеродистой и быстрорежущей стали.

8. Сварка взрывом. Схема процесса представлена на рис. 3.8. На поверхность привариваемой (метаемой) детали 2 равномерным слоем распределяется взрывчатое вещество 4, (тол, гексаген и т. п.); масса взрывчатого вещества составляет 10 - 20 % от массы метаемой детали; на нижнем крае метаемой детали располагают детонатор 5. Неподвижная деталь 1 для увеличения массы укладывается на опорный фундамент 3. Метаемая (ударяющая) деталь располагается под углом 3 - 10˚ к поверхности плиты 1. Скорость движения ударяющей детали к моменту соударения достигает нескольких сотен метров в секунду. При таких скоростях в зо не соударения металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение. Таким образом взрыв распространяется в направлении стрелки (рис. 3.8) и происходит как бы выстрел листом 2 в плиту 1. Сначала ударяется и приваривается к плите 1 нижний край листа 2, затем зона соударения и сварки перемещается вправо и лист в конечном счете приваривается к плите 1. Процесс длится тысячные доли секунды.

Рис. 3.8. Схема процесса сварки взрывом:

1–неподвижная деталь, 2–метаемая деталь, 3–опорный фундамент, 4–слой взрывчатого вещества, 5–детонатор

Граница между соединяемыми деталями на макрошлифах имеет характерный вид волнистой линии. Таким способом могут быть соединены разнородные металлы, например к плите из углеродистой стали может быть присоединен лист коррозионностойкой стали, никеля, титана, меди, алюминия и др.

Полученную взрывом заготовку затем прокатывают в листовой биметалл. Сварка взрывом может применяться и при изготовлении других изделий. Например, могут свариваться стыки труб или ввариваться медные стержни в пазы роторов специальных быстроходных электродвигателей, работающих с частотой вращения десятки тысяч оборотов в минуту. При такой скорости вращения любой другой способ закрепления обмотки не может обеспечить необходимую прочность.

9. Индукци онная высокочастотная старка. При этом способе кромки изделия, подлежащие сварке, нагреваются до необходимой температуры пропусканием токов высокой частоты и сдавливаются. Токи высокой частоты наиболее удобны для введения в металл индукционным {бесконтактным) способом. Наряду с этим использование токов высокой частоты обеспечивает концентрацию нагрева у поверхности свариваемых кромок вследствие резко выраженного поверхностного эффекта, эффекта близости и большого индуктивного сопротивления шунтирующих путей.

Схема сварки труб с индукционным подводом приведена на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Схема процесса индукционной сварки труб:

1–труба, 2–индуктор, 3–сердечник, 4–обжимные ролики

Ток высокочастотного генератора подводится к индуктору 2, который индуктирует ток в заготовке трубы 1. Для уменьшения шунтирования сварочного тока внутрь заготовки вводится ферритный сердечник 3, вследствие чего сопротивление шунтирующих путей для токов высокой частоты становится очень большим и практически весь ток проходит через свариваемый стык. Нагрев до сварочного жара кромки обжимаются роликами 4, которые одновременно являются и ведущими.

Такие трубосварочные станы весьма производительны: трубы диаметром 12 - 60 мм свариваются со скоростью до 50 м/мин. Питание током осуществляется от высокочастотных ламповых генераторов мощностью 160 кВт при частоте 440 и 880 кГц.

Изготавливаются трубы и больших диаметров, например 325 и 426 мм с толщиной стыка 7 - 8 мм, со скоростью до 30 - 40 м/мин.