4.1.2. Кузнечная сварка

Кузнечная сварка возникла в ходе освоения человечеством формообразования нагретого металла при кузнечной обработке. Для осуществления кузнечной сварки металл сначала нагревают (чаще всего в печи) до «сварочного жара». Применительно к стали эта температура составляет 1500…1600 К. Затем соединяемые детали подвергают совместной проковке и в ходе нее вследствие пластической деформации образуется сварное соединение. Основным достоинством кузнечной сварки следует считать, получение сварного соединения со значительной степенью деформации металла шва, что повышает его механические характеристики и приближает их к свойствам основного металла.

Развитие технологии и оборудования кузнечно-прессового производства привело к возникновению нескольких разновидностей кузнечной сварки, которые нашли применение в промышленности:

1)собственно кузнечная сварка, когда для осуществления процесса используют кузнечные молоты и гидравлические прессы;

2)сварка прокаткой в результате совместной деформации деталей (чаще всего листов) при их прокатке. Этот процесс применяется при изготовлении различных биметаллических заготовок, листовых теплообменников и т. д;

3)сварка волочением, когда детали подвергают деформированию при их протягивании через специальную фильеру (волоку). Такая технология используется при изготовлении различных биметаллических проволок, трубок, лент.

Сэнергетической точки зрения процессы кузнечной сварки достаточно выгодны

-не требуют высококонцентрированных источников энергии, но для их осуществления, как правило, необходимо сложное и металлоемкое кузнечно-прессовое оборудование.

4.2. Механические процессы

Механические сварочные процессы обычно протекают без введения тепловой энергии извне, хотя при механическом воздействии в ряде случаев возможно частичное преобразование механической энергии в зоне соединения в тепловую. Нагрев зоны сварки в данном случае снижает предел текучести свариваемых материалов, улучшает условия их деформирования, но иногда может оказать вредное воздействие на соединяемые детали (например, в случае герметизации сваркой собранных полупроводниковых приборов).

Энергия для механических сварочных процессов может вводиться сдавливанием, трением, ультразвуковым воздействием, взрывной волной, причем давление в данном случае прикладывается к месту образования соединения во всех случаях без исключения. В связи с этим при классификации в название процессов введена приставка «прессовые».

К наиболее распространенным механическим сварочным процессам относятся способы холодной сварки, сварка ультразвуком, сварка трением и сварка взрывом.

4.2.1. Прессово-механический контакт и холодная сварка

Метод сварки с использованием прессово-механического контакта основан на использовании пластической деформации металлов в месте их соединения (контак-

126

та) при сдавливании или сдвиге. Поскольку для пластичных металлов в ряде случаев сварочный процесс ведут без подогрева, эта его разновидность получила название холодной сварки.

Деформация металла при холодной сварке зависит от его свойств и должна быть не ниже определенного уровня, причем существенную роль играет и сама схема течения металла при деформировании. В процессе течения металла при холодной сварке происходит образование ювенильных (свободных от оксидных и газовых пленок) участков на соединяемых поверхностях, и эти участки служат начальными очагами образования соединения на линии будущего сварного шва.

Процесс холодной сварки протекает в условиях нормальной или даже отрицательной температуры почти мгновенно - только в результате схватывания и диффузионные процессы в данном случае практически не успевают развиться. В связи с этим холодную сварку целесообразно применять для соединения таких разнородных материалов, которые могут давать при плавлении и диффузионном взаимодействии хрупкие интерметаллиды (например, для соединения меди с алюминием).

Обязательное довольно значительное деформирование при холодной сварке ограничивает область ее применения как по материалам (преимущественно медь, алюминий и другие пластичные материалы), так и по площади соединяемых поверхностей ввиду необходимости приложения значительных усилий для деталей с большой свариваемой поверхностью.

Применение дополнительного нагрева, т. е. фактический перевод холодной сварки в термо-прессовую, снижает предел текучести материала, уменьшает необходимое для сварки усилие и улучшает условия пластической деформации металла, что расширяет технологические возможности процесса.

Для объяснения процесса холодной сварки существует ряд различных гипотез, однако, как справедливо указывается в paботах А. А. Кочергина, наиболее важен тот фактор, что энергия пластической деформации выделяется непосредственно в микрообъемах, участвующих в схватывании. Поэтому температура в элементарных кристаллитах при схватывании может повышаться вплоть до температуры плавления металла.

Из опыта холодной сварки установлено положительное влияние твердых поверхностных пленок на свариваемость пластичных металлов. Всякое разрушение этих пленок, скольжение по металлу в процессе сварки может способствовать повышению температуры в зоне сварки и тем самым улучшать условия схватывания и образования сварного соединения. Поверхностные загрязнения, газовые и сплошные оксидные пленки ухудшают условия образования физического контакта соединяемых поверхностей при холодной сварке и поэтому перед началом процесса эти поверхностные слои надо, по возможности, удалять. Оставшиеся на поверхности оксидные пленки и особенно газовые молекулы обычно удаляются с поверхности металла и частично «замешиваются» в объеме материала шва в ходе его пластического деформирования.

Сцепление адсорбированных газовых молекул с металлом достаточно велико, и только в глубоком вакууме при давлении; ниже 10−4 Па поверхность металла может оставаться ювенильной достаточно долго. В этом случае процесс вакуумного схватывания может идти достаточно эффективно с наименьшей затратой энергии (и даже

127

с выделением энергии в месте соединения в результате химических реакций). Вакуумное схватывание возможно в основном для металлов при давлении ниже

10−8 Па при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей по значительной поверхности, что пока затрудняет его промышленное применение.

Ультразвуковая сварка может считаться дальнейшим логическим развитием холодной сварки. При ультразвуковой сварке наряду с давлением к месту сварки прикладывается высокочастотное (f = 20…75 кГц) поле механических напряжений. В начальной стадии процесса свариваемые детали перемещаются одна относительно другой с ультразвуковой (20…75 кГц) частотой и амплитудой 10…25 мкм. При этом происходит эффективная очистка соединяемых поверхностей от загрязнений и газовых пленок, повышается температура и создаются лучшие условия образования соединения, чем при холодной сварке без ультразвукового поля механических напряжений.

В зависимости от вида соединения и свойств свариваемого материала при ультразвуковой сварке в материале могут создаваться сдвиговые (в металлах) или нормальные (в пластмассах) колебания, причем для сварки пластмасс основным фактором служит нагрев вещества при возбуждении в нем механических ультразвуковых колебаний.

4.2.2. Трущийся контакт и сварка трением

При сварке трением процесс организуют так, что механическая энергия вращающихся (или поступательно перемещающихся друг относительно друга) контактирующих тел переходит в тепловую. Выделение теплоты при этом происходит непосредственно на свариваемых поверхностях, и после разогрева поверхностей до требуемых температур осуществляется остановка деталей и их сдавливание (осадка), в ходе которого образуется сварное соединение.

Вначальный момент при сварке трением коэффициент трения максимален. Соответственно затраты мощности и тепловыделение в месте трущегося контакта возрастают. На этом участке движения коэффициент трения падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700…800 К испаряются и выгорают жировые пленки, а коэффициент трения растет. Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Понижается также и тепловыделение вследствие уменьшения коэффициента трения в результате появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. На этом участке движения устанавливается квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка.

Вотличие от контактной стыковой сварки, сварка трением требует меньших затрат энергии (поскольку нет потерь на выделение теплоты в объеме свариваемых деталей и в токоподводящих элементах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное распределение температур в зоне сварки. Это особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовлении биметаллического инструмента из углеродистых и быстрорежущих сталей).

Впоследние годы находит все большее применение способ сварки трением с перемешиванием, позволяющий получать различные соединения листовых заготовок. Сварочный процесс (рис.4.3) при этом способе сварки происходит следующим

128

образом. Специальный инструмент, вращающийся со скоростью (200…3000 об/мин), состоящий из утолщенной части (заплечика) и выступающей части (штыря), в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок так, чтобы штырь внедрился в заготовки, а заплечик коснулся их поверхности. В результате трения штыря и заплечика о заготовку выделяется тепло, которое доводит металл вокруг инструмента до пластического состояния. Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки 4,5…6,0 м/мин при давлении его на заготовку 0,2…0,5 МПа, и материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает штырь и образует соединение. По характеру протекания процесса образования соединения этот способ имеет много общего с термопрессовой сваркой.

Рис. 4.3. Схема сварки трением с перемешиванием

4.3.3. Ударный контакт и сварка взрывом

Сварка взрывом характеризуется использованием энергии взрыва и образующихся затем мощных газовых потоков для перемещения свариваемых деталей и создания в них пластических деформаций, приводящих к образованию соединения в твердой фазе (рис. 4.4). Основной энергоноситель — взрывчатое вещество (ВВ) 3 наносится толщиной δо инициируется детонатором 4. Метаемая пластина 2 толщиной δ1 под воздействием продуктов взрыва приобретает определенную скорость полета vo. Точка контакта свариваемых под углом γ пластин передвигается по поверхности неподвижной пластины 1 толщиной δ2 со скоростью vк , равной или меньше скорости детонации ВВ D. Предполагается что все точки метаемой пластины движутся одновременно нормально к ее поверхности; решающую роль играет давление и установочный угол α. Продукты горения ВВ оказывают давление на поверхность свариваемой детали и с большой скоростью «мечут» ее в сторону другой детали. При соударении поверхностей детали очищаются от оксидов, загрязнений и адсорбированных газов, а возникающие при этом деформации обеспечивают образование сварного соединения.

129