Тема 1.1. Холодная сварка

Тема «Холодная сварка» относится к разделу – сварка в твёрдой фазе. Для контроля качества усвоения изученного материала в конце данной темы предлагаются вопросы для самопроверки, а в виде текущего контроля тест №1 в блоке текущего контроля освоения дисциплины.

Холодная сварка, как метод создания неразъёмного соединения используется применительно к пластически деформируемым металлам (сплавам). В сварочной практике длительное время применяются процессы сварки с использованием высокотемпературных источников теплоты, при этом металл изделия в местах сварки доводится до плавления или тестообразного со­стояния. В последнее время показано, что металлы можно сваривать и при комнатных температурах без нагрева металла до высоких температур. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Для идеального случая процесс образования металли­ческого соединения при холодной сварке можно предста­вить следующим образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми по­верхностями. Так как металлы представляют собой кон­гломерат из положительно заряженных ионов и электро­дов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей проис­ходит коллективизация электронов, вылетающих из по­верхностей, в результате чего возникают силы взаимо­действия между поверхностями, образуется общее электрон­ное облако и, следовательно, единый агрегат. Из приведенных выше рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и чистых поверх­ностей между ними самопроизвольно возникают межатом­ные силы взаимодействия, т. е. происходит образование прочного соединения.

Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Геометрию по­верхности можно представить в виде двух кривых: кривой волны (рис. 1, а) и частотной кривой шероховатостей (рис. 1, б), которая накладыва­ется на кривую волны.

Рис. 1. Профилограмма волнистой и шероховатой поверхности

После механиче­ской зачистки поверхности металла в атмосфере сухого воздуха на ней образуется окисная пленка.

Слой окислов сохраняет на границе с металлом отри­цательный потенциал против положительного потенциала самого металла. Наружная поверхность слоя окислов имеет положительный потенциал и они адсорбируют ки­слород, имеющий отрицательный потенциал. Таким образом, поверхность металла (рис. 2) покрывается двумя двойными электрическими слоями. Окисные пленки обычно очень хрупкие и обладают высокой твердостью.

Рис. 2. Строение поверхности металла в воздушной атмосфере

А - глубинный слой металла, не затронутый пластическими деформациями;

Б - поверхностный слой полностью разориентированных кристаллитов

с прослойкам окислов;

В - окисный слой, характерная полярность внутренних и внешних границ, а также

полярность верхних слоев металла показана знаками «+» и «-»;

Г - адсорбированный слой кислородных анионов и нейтраль­ных молекул воздуха;

Д - слой водяных молекул;

Е - слой жировых молекул;

Ж - ионизированные пылевые частицы

Образование прочного сварного соединения реальных металлов при сварке в твердой фазе совместным деформи­рованием происходит в три условных этапа:

1) сближе­ние свариваемых поверхностей;

2) возникновение металлического контакта;

3) создание прочного сварного соединения.

Первый этап определяет сближение свариваемых поверхностей, характеризуется деформацией как микрошероховатостей, так и волнистостей.

Второй этап начинается в процессе сближения и дефор­мирования поверхностных слоев и неровностей. Этот этап характеризуется увеличением площади металличе­ского контакта свариваемых поверхностей и возникновением общих кристаллов на них.

Третий этап характеризуется различного рода переме­щениями на определенные расстояния относительно больших масс частиц вследствие диффузии, этот процесс требует значительного времени. Эти процессы имеют от­ношение к холодной и диффузионной сварке и к сварке трением.

Процесс сварки при действии импульсных давлений — сварка взрывом, электромагнитным импульсом, ультра­звуковая будет проходить в те же три этапа, однако отличия состоят в том, что отдельные этапы в этих мето­дах сварки трудно различимы вследствие малого времени образования сварного соединения.

Для осуществления холодной сварки необходимо удалить со свариваемых поверхностей окислы и загрязне­ния и сблизить соединяемые поверхности на расстояние параметра кристаллической решетки. На практике создают значительные пластические деформации. Холодной сваркой можно получать соединения встык, внахлестку и в тавр. Перед сваркой, поверхности, подлежащие сварке, очищают от загрязнений обезжириванием, обработкой вращающейся проволочной щеткой, шабре­нием. При сварке встык проволок обрезают только торцы. Листы толщиной 0,2 - 15 мм сваривают внахлестку путем вдавливания в толщу металла с одной или с двух сторон пуансонов (рис. 3). Соединения выполняют в виде отдельных точек или непрерывного шва. Ширину или диаметр пуансона выбирают в зависимости от толщины δ свариваемого материала, r - (1÷З) δ.

Рис. 3. Схемы холодной сварки внахлестку:

а — вдавливанием, одного пуансона; б — вдавливанием двух пуансонов;

в — вдавливанием пуансонов с заплечиками;

г — вдавливанием пуансонов с пред­варительным зажатием изделия

Основной параметр, определяющий процесс холодной сварки, величина деформации металла в месте соединения, которая зависит от свойств металла, его толщины, типа соединения и способов подготовки поверхностей.

Степень, необходимой деформации при сварке разно­родных металлов определяется свойствами того из свариваемых металлов, при сварке которого требуется мень­шая деформация. Этим пользуются при сварке малопластичных металлов, применяя прокладки из пластичных металлов.

Герметичное шовное соединение может быть достигнуто вдавливанием пуансона по всей длине шва или путем прокатывания ролика (рис. 4).

Рис.4. Схема холодной шовной сварки с деформированием:

односторонним (а), двусторонним (б)

Прочность стыковых соединений обычно выше проч­ности основного металла. Это объясняется тем, что в ме­стах соединения металл упрочняется вследствие наклепа.

Холодную сварку можно осуществлять путем сдавли­вания соединяемых изделий с одновременным их танген­циальным относительным смещением. Этот способ сварки получил название сварки сдвигом. При сварке сдвигом механизм образования сварного соединения иной.

При приложении тангенциальной силы начинается перемещение поверхностей в процессе чего окисные пленки и загрязнения сдираются и образуются отдельные мостики контакта. Тангенциальное сме­щение соединяемых изделий дает возможность получить сравнительно большие площади очищенных от пленок по­верхностей при небольшом растекании каждой из них. Наличие тангенциальной силы уменьшает сопротивление металла пластическим деформациям и при данной нормальной силе позволяет получить большую площадь контакта. Это ведет к тому, что при точечной сварке сдвигом схватывание происходит при малых деформациях и усилиях

Доста­точная площадь сцепления поверхностей, обработанная напильником, возникнет после сдвига на 5÷7 мм.