Тема 3.4.2 Виды механической сварки

Вопросы:

1. Сварка трением, сущность и применение.

2. Сварка взрывом, сущность и применение.

3. Ультразвуковая сварка, сущность и применение.

4. Холодная сварка. Сущность и применение стыковой, точечной, шовной и контурной сварки.

1 . При сварке трением используется превращение механи­ческой энергии в тепловую. При вращении металлических заготовок 1 одна относительно другой одна установлена в неподвижном зажиме 2, а вторая в подвижном зажиме 3 (рис. 98), их торцы разогреваются вследствие трения поверхностей соприкосновения. Разогрев производят до пластического состояния, а затем прикладывают осевое усилие Р. Образование сварного соединения происходит в результате возникновения металлических связей меж­ду контактирующими поверхностями. Окисные пленки, имеющиеся на металлических поверхностях в точке сое­динения, разрушаются трением и удаляются в результате пластической деформации в радиальных направлениях.

Основными параметрами процесса сварки трением являются: скорость относительного перемещения сваривае-мых поверхностей; величина удельного давления, при­лагаемого к свариваемым поверхностям; величина пла­стической деформации, т. е. осадки. Необходимый для сварки нагрев при прочих равных условиях обусловлен скоростью вращения и величиной осевого усилия.

При сварке трением по сравнению с контактной Рис.98

сты­ковой сваркой снижаются затраты энергии и требуемые мощности. Так, при свар­ке стали трением требует­ся энергии в 5…10 раз меньше, чем при контак­тной сварке. Параметры режима сварки трением (угловая скорость, вели­чина усилия сжатия и осадки, продолжитель­ность нагрева) зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения и конфигурации изделия.

Сваркой трением можно соединять однородные и раз­нородные металлы, причем соединение получается с до­статочно высокими механическими свойствами.

В промышленности сварка трением применяется при изготовлении составного режущего инструмента, различ­ных валов, штоков с поршнями, пуансонов и др.

Для сварки трением применяют специальное оборудо­вание, рассчитанное на работу при достаточно больших скоростях вращения и больших осевых усилиях, облада­ющее достаточной прочностью для восприятия и погаше­ния значительных радиальных вибраций, возникающих в процессе сварки, и удовлетворяющее ряд других тре­бований.

2. Большинство технологических процессов сварки взрывом основано на использовании направленного (комулятивного) взрыва. При этом привариваемая или ударяющая деталь с большой скоростью бросается к уда­ряемой детали. Скорость движения ударяющей детали к моменту соударения достигает нескольких сотен метров в секунду, приближаясь к скорости пули огнестрельного оружия.

В зоне соударения металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение. Ударяющая деталь бросается зарядом взрывчатого вещества, масса которого состав­ляет 10…20% от массы детали.

Ударяемая неподвижная деталь может иметь любую массу; при недостаточности массы ее укладывают на массивное основание, увеличение массы ударяемой де­тали улучшает использование энергии взрыва. Одно из наиболее известных применений сварки взрывом – изго­товление биметаллических заготовок (рис. 99).

Основную ударяемую плиту 1 для увеличения массы укладывают на опорный фундамент 3 ударяющий лист металла 2 располагают под углом 2…16° к поверхности плиты 1.

Рис. 99 Принципиальная схема сварки взрывом биметаллической заготовки

По верхней поверхности листа 2 равномерным слоем распределяют взрывчатку, в качестве которой в разных случаях используют аммонал, тол, гексоген и т. п. На конце листа 2 располагают детонатор 4. Взрыв распространяется в направлении стрелки и происходит как бы выстрел в плиту 1. Сначала ударяется и при­варивается к плите 1 ниж­ний край листа 2, затем зо­на соударения и сварки пе­ремещается вправо и лист 2 всей поверхностью привари­вается к плите 1. Граница между соединенными деталями на микрошлифах имеет характерный вид вол­нистой линии.

Таким способом могут быть соединены разнородные металлы, например, к плите углеродистой стали может быть присоединен лист нержавеющей стали никеля, титана, меди, алюминия и т. д.

Применение сварки взрывом требует, конечно, стро­гого соблюдения правил техники безопасности и хране­ния взрывчатки. Сварка взрывом достаточно удобна для изготовления отдельных изделий сравнительно простой формы; регулирование процесса сварки возможно лишь приблизительно, так как результат зависит от плотности взрывчатки, равномерности ее размещения и прочих па­раметров, поддающихся лишь приблизительному регу­лированию.

Для серийного и массового производства небольших деталей иногда более удобным может оказаться способ магнитно-импульсной сварки, во многом подобной свар­ке взрывом. Например, для магнитно-импульсной сварки стыка труб на стык вместо кольцевой полосы взрывчатки надевают соленоид из нескольких витков, и через него подается мощный импульс электрического тока от бата­реи электрических конденсаторов; возникновения кратко­временного магнитного потока высокой плотности произ­водит действие, аналогичное взрыву, трубы прочно сва­риваются, причем они могут быть из разнородных металлов, например алюминия и меди. Магнитно-импульсная сварка допускает точное регулирование и удоб­на для массового изготовления однотипных изделий не­больших размеров.

3. Для получения неразъемного соединения при сварке ультразвуком детали в точке требуемого соединения предварительно сжимают, а затем к зоне контакта С помощью специального инструмента подводят ультра­звуковые колебания частотой 15…70 кГц.

В результате в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия меж­атомных сил между ними возникает прочная связь.

Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивают минимальные из­менения их структуры, механических и других свойств.

Рис. 100 Схема ультразвуковой сварки

Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600°С, а при сварке алюминия 200…300°С. Это особенно важно при сварке активных метал­лов, а также металлов, которые в результате нагрева де­лаются хрупкими.

Принципиальная схема машины для точечной ультра­звуковой сварки показана на рис. 100. Высокочастотный генератор 1 служит для преобразования энергии низкой частоты (50 Гц) в выходную энергию высокой частоты (до 15…17 кГц).

Питание от высокочастотного генератора с плавной настройкой частоты тока подводится к магнитострикционному преобразователю 2, являющемуся источником ультразвуковых колебаний и трансформатором амплитуд колебаний. Длина инструмента 3 обычно равна целому числу полуволн ультразвуковой волны. Колеблющийся в осевом направлении инструмент 3 имеет на конце ра­бочий наконечник 4. Свариваемые заготовки 5 помеща­ются между наконечником 4 и опорой 6. Возникающие под воздействием усилия Р трения обусловливают обра­зование соединения.

Машины для шовной ультразвуковой сварки в прин­ципе аналогичны машинам для точечной сварки. Отличие их заключается лишь в том, что рабочий инструмент и опора выполнены в форме роликов.

Одним из достоинств ультразвуковой сварки является возможность соединения заготовок различной толщины, например тонких листов и фольги с деталями большой толщины. Другое существенное преимущество сварки ультразвуком заключается в хорошей свариваемости этим методом металлов в разнородных сочетаниях, на­пример алюминия с медью, цинком и оловом, меди со сталью, никеля с вольфрамом, тугоплавких металлов со сталью м металлов с керамическими материалами.

Ультразвуковым методом спаривают и пластмассы, однако в отличие от сварки металлов ультразвуковые колебания подводятся к деталям Не тангенциально, а вертикально.

Прочность соединений металлов, выполненных ульт­развуковой сваркой, составляет не менее 90% прочности наиболее прочного металла в соединении, а в некоторых случаях превосходят эту величину, что объясняется час­тичным наклепом в процессе сварки.

4. Соединение заготовок при холодном сварке осуще­ствляется путем совместного пластического деформиро­вания деталей при комнатной и даже отрицательных температурах. Образование неразъемного соединения происходит в результате возникновения металлических связей при сближении соприкасающихся поверхностей до расстояния, при котором возможно действие межатом­ных сил, причем в результате большого усилия сжатия пленка окислов разрывается и образуются чистые по­верхности металлов.

Крупнозернистая отожженная структура более бла­гоприятна для сварки, чем мелкозернистая. Сваривае­мые поверхности должны быть тщательно очищены от адсорбированных жировых пленок. Холодной сваркой могут быть выполнены точечные, шовные и стыковые соединения.

На рис. 101, а представлен процесс холодной точеч­ной сварки. Листы металла 1 с тщательно зачищенной поверхностью в месте сварки помещают между пуансона­ми 2, имеющими выступы 3. Пуансоны сжимают с неко­торым усилием Р, выступы 3 вдавливаются в металл на всю их высоту, пока опорные поверхности 4 пуансонов не упрутся в наружную поверхность свариваемых заго­товок. Форма сваренной точки (рис. 101, б) зависит от формы выступа на пуансоне.

Рис. 101. Схема холодной сварки

При стыковой сварке (рис. 101, в) стержни 1 зажима­ют в специальных зажимах 2. При осадке левый и пра­вый зажимы сближают до соприкосновения и ножи 3 срезают ливший выдавленный металл.

При соединении металлов холодной сваркой происхо­дит уменьшение толщины свариваемых деталей. Проч­ность соединения определяется остаточной толщиной металла в месте пластической деформации. При этом следует учитывать, что прочностные свойства металла в зоне сварки повышаются в результате наклепа в холод­ном состоянии.

Холодной сваркой выполняют соединения внахлестку, соединение проволок и шин встык, заварку отверстий труб, сварку полых деталей по контуру. Внахлестку сва­ривают листы толщиной от 0,2 до 15 мм. Соединение выполняется отдельными точками или непрерывным швом. Давление выбирают в зависимости от состава и толщины свариваемого материала, в среднем оно состав­ляет 15…100 кгс/мм².

При непрерывной сварке листов, полос, труб приме­няют специальные ролики. Непрерывное шовное соедине­ние может быть получено путем сдавливания одновре­менно по всей длине или прокатыванием ролика. Этот способ применяется главным образом для соединения деталей из сплавов алюминия, дюралюминия, сплавов кадмия, свинца, меди, никеля, золота, серебра, олова, цинка и т. п. Металлы и сплавы можно сваривать в одно­родных и разнородных сочетаниях. К преимуществам холодной сварки относится малый расход энергии, незна­чительное изменение свойств металла, высокая производительность, легкость автоматизации. В настоящее время холодная сварка нашла применение в электротехниче­ской и приборостроительной промышленности.

Оборудованием для холодной сварки служат винто­вые, гидравлические, рычажные, эксцентриковые прессы. В зависимости от типа соединения и размера сваривае­мых деталей промышленностью разрабатываются соот­ветствующие сварочные установки и полуавтоматы.