§ 7. Соединения при специальных методах сварни соединения при электрошлаковой сварке

Электрошлаковая сварка является одним из прогрессивных Осздуговых процессов сварки. Она обеспечила создание комби­нированных прокатно-дито-ковано-штамповапиых изделий, соединяемых в единый агрегат. Этот метод позволяет осуществ-

Рис. 4-25. Соединения при роликовой сварке:

а) внахлестку без скоса кромок; б) внахлест­ку со скосоч кромок (редко применяемые); в) встык без подготовки кромок (ij^e-дкю при­меняемые); г) после сварки; i5) после прило­жения рлстятквающей силы

Л.

la

(4.30)

69

лять соединения при отсутствии подготовки кромок и при предельно экономном расходовании флюсов и присадочного ме­талла. Укладка швов производится в вертикальном положении. Этим способом хорошо свариваются конструкции рам, бараба­нов, крупных машиностроительных узлов, изделий металлурги­ческого комплекса и т. п. из углеродистых сталей.

При электрошлаковой сварке соединения выполняют встык, в угол и втавр. Нередко эти соединения являются связующими, но их применяют и в качестве рабочих. Электрошлаковой свар­кой соединяют в основном элементы, имеющие толщины от 30 до 1000 мм и более, но в некоторых случаях этим же способом сваривают и меньшие толщины.

Щ

Рис. 4-26. Соединения при электрошлаковой сварке:

пример шва; б) схема формирования; I — изделие; 2 — электрод, 3 — флюс, '/ — металл шаа, 5 — формы

Этим методом соединяют между собой листы, плиты, тела круглого сечения, толстостенные трубы (например, пустотелые валы) и т. п.

Электрошлаковой сваркой можно соединять различные марки сталей: малоуглеродистые, углеродистые, низколегированные и др. Она не требует скоса кромок, очень производительна п эко­номична (мало расходуется присадочной проволоки и-.флюсов). Однако конструкции, сваренные электрошлаковой сваркой, при большой толщине стенок, часто приходится подвергать термиче­ской обработке: отпуску и нормализации для снятия остаточных напряжений и улучшения структуры. Это несколько удорожает производство.

Освоена электрошлаковая сварка элементов большой толщи­ны из крсмпемарганцовистой и высокохромистой, а также дру-

70

гих легированных сталей. Пластические свойства сварных соеди­нений в конструкциях, отпущенных при Г—600° С, соответству­ют пластическим свойствам основного металла.

Хорошо соединяются электрошлаковой сваркой детали из титановых сплавов ВТ5-1 и др. Металл шва и околошовная зона имеют a^ = 5,5—5,7 кГ-м/см². Отжиг существенным образом не меняет механических характеристик.

Электрошлаковой сваркой соединяют алюминиевые сплавы марок АД, АМгб, АдМ и др.; электродами при этом служат пла-

стины толщиной 8—20 мм. Этим способом успешно сваривают элементы толщиной свыше 100 мм\ о"_в основного сплава АМгб составляет 30 кГ/мм², прочность же сварного соединения о_е— около 90% а_в.

На рнс. 4-26 приведен пример соединения, выполненного электрошлаковой сваркой.

В большинстве случаев расчет швов при злектрошлаковой сварке не отличается от проверки напряжений-в основном эле­менте конструкции, так как площадь шва бывает при этом экви­валентной площади основного металла. Приходится лишь в неко­торых случаях в месте стыков понижать допускаемое напряже­ние. Примеры соединений (угловых и тавровых), полученных электрошлаковой сваркой, приведены на рис. 4-27.

СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ

Некоторые изделия сваривают методом трения. Метод эф­фективен, так как при этом расходуется малое количество энергии. Зона разогрева имеет • небольшую протяженность,

71

а соединения — достаточно высокую прочность. Этим методом сваривают инструменты, например, при приварке режущей части к державке из поделочной стали, при изготовлении закладных частей арматуры железобетона, при сварке некоторых трубных изделий и т. п.

в)

m

г\

", р

ш ^ ш

г)

$'///А

wr

Рис. 4-28. Схема сварки трением:

а) при вращении одной детали; б) при вращении обеих дега-лей; в) сварка ао вращающихся подставках; г) при поступа­тельно- возвратном движении

Сварка трением производится согласно одной из схем, изо­браженных на рис. 4-28. В процессе относительного вращения деталей торцы соединяемых элементов разогреваются. При достижении нужной температуры они сдавливаются. Эта сварка

может применяться для соедине­ний различных металлов. Хорошо соединяются между собой не только однородные, но и разно­родные металлы, например: сталь+медь+алюминий и т. п.; трубы из алюминиевого сплава АМц с трубой из нержавеющей стали 1Х18Н9Т. Предел прочно­сти соединений этого вида а_в = 12 кГ/мм², \тол изгиба а'^180°.

При сварке трением обеспечи­вается получение соединений, сваренных встык и втавр (рис. 4-29), с высокими механиче­скими свойствами. Расчетные напряжения в сварном соединении при этом оказываются эквивалентными напряжениям в основ­ном металле. Допускаемые напряжения устанавливаются на основе специальных опытов.

Рис. 4-29. Примеры сварки трением:

а) ссп.'к; б) втавр

72

СОЕДИНЕНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКЕ

Сварка ультразвуком металлов имеет некоторое применение в приборостроении. Наиболее хорошо свариваются ультразвуком алюминиевые сплавы. При сварке ультразвуком изделий точка­ми и роликовым швом сварные соединения получаются доста­точно удовлетворительными. При ультразвуковой сварке соеди­няются поверхностные слои металла, освобожденные от окисных пленок и адсорбированных газов (рис. 4-30).

Способность ультразвуковых колебаний разрушать поверх­ностные пленки создает возможность сварки металлов с защит­ными покрытиями. Ультразвуком соединяются пластичные металлы: алюминий, медь, аусте-нигная сталь, тантал и др. Воз­можно сваривание неметалличе­ских материалов, например кера­мики.

Ультразвуком сваривают эле­менты малых толщин, как прави­ло, не свыше 1-^-2 мм и особенно хорошо соединяются очень тонкие элементы. Возможна приварка тонкого элемента к толстому.

При ультразвуковой сварке применяют точечные и роликовые соединения, аналогичные кон­тактной сварке. Расчет прочности производят на срез так же, как и расчет соединений, выполнен­ных контактной сваркой. Допу­скаемые напряжения определя­ют на основе специальных экспе­риментов.

Механические свойства соединений, полученных ультразвуко­вой сваркой, зависят от технологического процесса: времени пропускания ультразвука, обжатия при заданной толщине соеди­няемых частей и свойств материала. На рис. 4-31 приведена за­висимость прочности сварных соединений алюминия от усилия Р и длительности процесса,

Рис. 4-30. Схема ультразву­ковой сварки металлов:

/ — колебания; 2 — жьлновод;

3 — детали; 4 — опора (колеба­ния волновода параллельны стыкуемым плоскостям)

СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ

Диффузионная сварка позволяет соединять различные метал­лы. неметаллические материалы и металлы с неметаллическими материалами. Сварка производится в вакуумных камерах при сжатии соединяемых металлов и их нагреве, который не дости­гает температуры плавления металлов. Поэтому в таких сварных

73

соединениях не наблюдается существенных изменений физико-механических свойств по сравнению с металлами. Очень боль­шое влияние на механические свойства соединений оказывает температура нагрева, удельное давление па контактных поверх­ностях, величина вакуума в камере, способ подготовки поверх­ностей, продолжительность процесса и т. п.

Способ диффузионной сварки позволяет осуществить много­образные формы соединений: по плоскости (например, при сварке резцов), конической поверхности (корпуса радиоламп),

11 0,2 0,3 "Ofi 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,8 1.7 <3 19 сел \ ' Длительность пропускания ультразвука

Рнс. 4-31. Зависимость прочности сварных точек алюминия от

длительности пропускания ультразвука при разных Р:

/-Р-100 кГ; 2 — Р~40 кГ; 3 — Р=20 кГ; 4 - Р=Ю кГ; 5-Р-5 кГ

цилиндрической поверхности (подпятники). Пуансон создает необходимое удельное давление на контактных поверхностях. Возможны также соединения по поверхностям (облицовка

труб), по сложным рельефным поверхностям и т. п.

Определение расчетных напряжений в соединениях при этом способе сварки производится так же, как и в элементах основ­ной конструкции. Допускаемые напряжения должны быть назна­чены согласно проведенным специальным экспериментам.

74

СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ХОЛОДНОЙ СВАРКЕ

Холодной сваркой называют процесс соединения металлов в пластическом состоянии без нагрева путем осадки. Наилучшим образом соединяются холодной сваркой металлы с кубической гранецентрированной структурой, обладающие хорошими пла­стическими свойствами: алюминий, медь и их сплавы, аустенит-ная сталь и т. д. Вакуум значительно улучшает условия холод­ной сварки. Чтобы осуществить холодную сварку, необходимо удалить слой металла на поверхности и привести в соприкосно­вение слои, лежащие под поверхностными.

Процесс холодной сварки происходит следующим образом: сначала под большим давлением в металле образуются пласти­ческие деформации, сопровождающиеся разрушением поверх­ностного слоя и выделением газов, окислов, загрязнений; далее зерна сращиваются. В этой зоне повышается предел прочности, текучести, снижается пластичность. Процесс осуществляется в течение очень малого промежутка времени.

Стыковой сваркой соединяют элементы малых, средних и больших сечений площадью до 100 см,² н выше. Для удаления вредных жировых загрязнений применяют нагрев до 400—450° в течение нескольких десятков минут и зачистку, например, про­волочной щеткой. Количество потребляемой энергии при холод­ной сварке в десятки раз меньше, чем при контактной.

При холодной сварке соединения выполняют встык и вна­хлестку.

Соединения встык при холодном способе сварки осуществля­ют следующим образом. Элементы, подлежащие стыкованию, например, стержни круглого сечения, проволоку и т. п. закреп­ляют в специальных приспособлениях. Их торцы предваритель­но очищают от загрязнений и масла, а затем элементы сдавли­вают (рис. 4-32,а). Соединение происходит при значительных пластических деформациях. Так как в зоне стыка имеет место наклеп, то при рационально выбранных режиме и технологии очистки получаются соединения, по прочности эквивалентные целым элементам.

Разновидностью стыковой сварки является сварка сдвигом. Детали обжимаются при небольших давлениях и подвергаются воздействию касательных усилий. Под влиянием касательных усилий происходит развитие пластических деформаций, способ­ствующих сращиванию.

Схема точечной, холодной сварки изображена на рис. 4-32,6, в, г: 1 — свариваемые листы, 2— пуансоны. При уг­лублении пуансона 2 начинается пластическая деформация. Под пуансоном металл растекается, при этом площадь соприкоснове­нии растет. Форма сварной точки бывает различной, ее площадь больше площади пуансона. Так как при постановке точки металл

75

уплотняется, в ее зоне образуются вмятины двусторонние или односторонние. Иногда применяют многоточечные штампы, кото­рые ставят группу точек за один ход пресса.

Если заменить точечные пуансоны роликовыми, то можно получить холодной сваркой шовное соединение, применяемое в производстве труб.

Соединения холодной сварки могут быть рабочими и связу­ющими. Точечная и роликовая холодные сварки чаще применяют в связующих или слабо напряженных соединениях, так как вдав­ливание вызывает концентрацию напряжений.

Рис. 4-32. Соединения при холодной сварке-.

о) встык проволоки; 6, в, г) внахлестку плоских элементов

Несущая способность точечной и роликовой холодных сварок устанавливается экспериментально с учетом свойств металлов и технологии производства работ.

Холодная сварка встык часто позволяет получить соединения. равнопрочные металлу.

Расчет прочности соединений, сваренных холодным способом встык, может не производиться вовсе, так как их свойства часто не отличаются от основных элементов.

Расчет прочности сварных точек в соединениях внахлестку производится на срез, аналогично электрозаклепкам. Работа на отрыв таких точек недостаточно удовлетворительна. Наиболее целесообразно применять точки в связующих или рабочих соеди­нениях при действии статических нагрузок. Допускаемые напря­жения назначаются по опытным данным.

76

Холодная сварка начинает получать распространение в элект­ровакуумном машиностроении, электротехнике, а также в строи­тельстве: при декоративных отделках, изготовлении оконных рам и т. п.

СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКЕ

Электронно-лучевая сварка производится почти всегда в ва­кууме в специальных камерах. Поэтому ее применяют лишь в тех случаях, когда необходимо обеспечить весьма хорошую защиту сварочной ванны от попада­ния в нее азота, кислорода и т. д. Эту сварку применя­ют для тугоплавких и актив­ных металлов, например: тантала, циркония, молибде­на и др. С расширением при­менения электронно-луче­вой сварки на заводах мо­жет оказаться целесообраз­ным и использование ее для некоторых марок титановых и алюминиевых сплавов, а также для соединений разнородных металлов.

При электронно-лучевой сварке источник тепла име­ет концентрированный ха­рактер, поэтому зона про-плавлення приобретает

весьма малую ширину. На рис. 4-33 показаны примеры проплавления металла при укладке шва электронно-лу­чевой сваркой. Благодаря относительно высокой сте­пени вакуумирования каме­ры (10~³-ь Ю^-4 мм рт. ст.) механические свойства сварных соединений при этом способе сварки оказываются высокими. Этой сваркой элементы сваривают встык и внахлестку. Кроме того, оказывается возможным укладывать швы в замкнутых объемах,

Зоны влияния при электронно-лучевой сварке имеют очень малую ширину. Укладка швов может производиться при разных их положениях в пространстве. Процесс укладки автоматизи­рован.

Рис, 4-33, Соединения при элект­ронно лучевой сварка:

а) внахлестку. 6) встык

77

Расчет прочности соединений при электронно-лучевой сварке во многих случаях сводится лишь к расчету прочности основной детали, так как соединения могут быть приняты равнопрочными целому элементу. Нередко правильная оценка прочности соеди­нений, особенно разнородных металлов, производится на основе специально проведенных экспериментов.

СВАРКА ВЗРЫВОМ

Сварка взрывом является одним из наиболее новых процес­сов соединения однородных и разнородных металлов. Перспек­тивно использование эффекта взрыва для получения двуслойных элементов, производства наплавок. Сварка взрывом очень про­изводительна. При правильном технологическом процессе меха­нические свойства соединений оказываются стабильными и вы­сокими.

СПОСОБЫ СВАРКИ МИКРОДЕТАЛЕЙ

Для сварки микррдеталей в радиотехнической промышлен­ности применяют разные способы. Лазером соединяют различ­ные тончайшие детали, в частности драгоценные; конденсатор­ной роликовой и точечной сваркой, термокомпрессионным способом, крутильными колебаниями, восста­новлением солей и т. п. сваривают платы и другие микроминиатюрные детали.

РАДИОЧАСТОТНАЯ СВАРКА

Рнс. 4-34. Схема радноча- <?^ХСМа радиочастотной СВарКИ

стотной сварки с нндукци- изображена на рис. 4-34. Сваривае-онным подводом тока мая конструкция / (как правило,

тонкостенная труба) нагревается охватывающим ее высокочастотным индуктором 2, во внутреннюю часть трубы вводится ферритовый сердечник 3. Индуцируемый на кромках стыкуемых труб, ток высокой частоты расплавляет металл кромок и обжимные роли­ки 4 соединяют кромки. Радиочастотная сварка весьма произво­дительна, ее скорость при s=5 мм достигает 50 mjmuh. и более, Она может быть применена для связующих соединений про­фильных элементов. Количество потребляемой энергии и темпе­ратурное влияние ее на основной металл весьма незначительны. Ток протекает главным образом по торцовым поверхностям трубы, которая нагревается до температуры плавления. Глуби­на проникновения тока определяется формулой

л *

где / — частота тока;

к — коэффициент, зависящий от магнитной проницаемости и удельного сопротивления металла.

Например, для технического титана, у которого 6 = 390 мм-сек~I при Г=20° и 670 мм-секг^ при Г=1500°, ча­стота f может быть принята равной 440 тыс. гц. При этом А со­ставляет 0,6—1,0 мм.

Радиочастотной сваркой соединяют не только стальные тру­бы, но и трубы из цветных металлов, в частности из латуни. Швы образуются так же, как и при обычной стыковой контакт­ной сварке, но при большой скорости процесса, преду­преждающей расплавление и испарение цинка в поверх­ностном слое.