Tehnologiya_konstruktsionnyh_materialov

Ультразвуковая сварка Ультразвуковая сварка - сварка давлением, осуществляемая при воз-

действии ультразвуковых колебаний. Сущность процесса ультразвуковой сварки (УЗС) состоит в приложении высокочастотных колебаний (16…20

КГц) к свариваемым заготовкам. В заготовках возникают касательные на-

пряжения, вызывающие пластическую деформацию материала свариваемых поверхностей. В месте соединения развивается повышенная температура (0,4…0,6Тплавления), зависящая от свойств свариваемых материалов. Эта температура способствует возникновению пластического состояния сваривае-

мых материалов и их соединению. В месте сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Одновременно,

под действием ультразвука разрушаются окисные пленки на поверхностях заготовок, что облегчает получение соединения.

Типовая схема УЗС (рис. 5.19, а) состоит из электромеханического Рис. 5.19 Ультразвуковая

сварка:

а - типовая схема; б – при-

меры сварки;

1 – неподвижная опора; 2 –

регулируемая опора; 3 – кор-

пус установки; 4 - акустиче-

ская развязка; 5 – магистраль охлаждения; 6 – акустиче-

ский узел; 7 – кожух; 8 -

электромеханический преоб-

разователь; 9 – ультразвуковой генератор; 10 - концентратор колебательной скорости; 11 - сварочный наконечник; 12, 13 – свариваемые заготовки; 14 -

кривая упругих колебаний.

преобразователя 8, волноводного звена - трансформатора или иначе концен-

тратора колебательной скорости 10, акустической развязки системы от кор-

171

Технологическое оборудование для ультразвуковой сварки состоит из следующих узлов: источника питания, аппаратуры управления сварочным циклом, механической колебательной системы и привода давления.

УЗС применяют в приборостроении, радиоэлектронике, авиационной промышленности.

Сварка трением Сварка трением – сварка с применением давления, при которой нагрев

осуществляется трением, вызванным относительным перемещением свари-

ваемых частей или инструмента.

Простейшая и наиболее распространенная схема сварки приведена на рис. 5.20, а. Две детали, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажи-

мах машины; одна из них - неподвижна, а другая приводится во вращение вокруг их общей оси. На сопряженных торцовых поверхностях деталей, при-

жатых одна к другой осевым усилием Р, воз-

никают Рис. 5.20. Сварка трени-

ем:

а - схема; б – примеры сварки; в – участок свар-

ки трением задних мос-

тов; Р – осевое усилие.

силы трения. Работа, за-

трачиваемая при относи-

тельном вращении сва-

риваемых заготовок на преодоление этих сил трения, преобразуется в тепло,

которое выделяется на поверхностях трения и нагревает прилегающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования сварного соединения (при сварке, черных металлов температуры в стыке достигают

173

1000…1 300° С). Таким образом, в стыке, действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий быстрый локальный нагрев небольших объ-

емов металла. В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальном направлении под воздействием осевого усилия и тангенциальных сил, возникающих в стыке при вращении одной детали относительно другой.

Выдавленный металл «грат» - имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны плоскости стыка. При выдавливании пластичного металла, хрупкие окисные пленки,

покрывавшие торцовые поверхности соединяемых заготовок до начала свар-

ки, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых пленок и другие инородные включения вместе с металлом удаляют-

ся из стыка в грат. Нагрев прекращается путем быстрого (практически мгно-

венного) прекращения относительного вращения. При этом в контакт оказы-

ваются введенными очищенные торцовые поверхности соединяемых деталей,

металл которых доведен до состояния повышенной пластичности. Для полу-

чения прочного соединения достаточно такой, подготовленный к сварке ме-

талл, подвергнуть сильному сжатию - проковать. Это достигается с помощью продолжающего еще некоторое время действовать осевого усилия. Таким образом, прочность образующегося сварного соединения непосредственно связана с величиной пластического деформирования торцов свариваемых де-

талей и с режимом проковки.

Сварка трением широко применяется при изготовлении: в автомобиле-

строении - деталей рулевого управления, карданных валов легковых и грузо-

вых автомобилей, полуосей, задних мостов автомобилей (рис. 5.20, в), клапа-

нов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидравлических систем и др.; в тракторостроении - деталей рулевого управления, планетарных пере-

дач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбо нагнетателей ди-

зельного двигателя и др.; в электропромышленности - деталей высоковольт-

ной аппаратуры, выводов бумаго-масляных конденсаторов, кислотных акку-

муляторов и анодов игнитронов, поршней пневматических цилиндров сва-

174

стыкуемых торцов. Для правильного формирования сварного шва необходи-

мо протекание процесса сварки в определенной последовательности.

Совместное графическое изображение тока и давления, называют цик-

лограммой сварки (рис. 5.21, б). Процесс сварки идет в три этапа: предвари-

тельный прижим заготовок; разогрев торцов; проковка (прижим заготовок и выдержка). Перед сваркой заготовки необходимо очистить от оксидных пле-

нок, их торцы должны по форме соответствовать друг другу (рис. 5.21, в).

Торцы должны иметь простой периметр (круг, квадрат, прямоугольник с ма-

лым соотношением сторон) и быть плотно прижаты друг другу предвари-

тельной механической обработкой. Соединения, сваренные стыковой сваркой сопротивлением, характеризуются плавным очертанием (рис. 5.21, г). Свар-

кой сопротивлением соединяют заготовки из низкоуглеродистых, низколеги-

рованных конструкционных сталей; алюминиевых сплавов; сечением до 200 мм2.

СКС оплавлением – стыковая контактная сварка, при которой нагрев металла сопровождается оплавлением стыкуемых торцов. СКС оплавлением имеет две разновидности: сварка с непрерывным и прерывистым оплавлени-

ем. При непрерывном оплавлении заготовки устанавливают в электродах машины с набольшим зазором по торцам. После подключения источника то-

ка, заготовки сближают. Вначале соприкосновение заготовок происходит по небольшим площадкам, через которые протекает ток высокой плотности.

Между торцами заготовок появляются перемычки из жидкого металла. Од-

новременно возрастает сварочный ток и развивается температура до 8 000оС.

Под воздействием высокой температуры перемычки испаряются. Под дейст-

вием магнитного поля, часть металла в виде искр (капель) и паров выбрасы-

вается из стыка. Вместе с металлом из стыка выбрасываются и загрязнения

(оксидные пленки), которые находились на торцах. По мере сближения заго-

товок число контактов (оплавляемых выступов) увеличивается. После равно-

мерного оплавления всей поверхности свариваемого стыка, отключают сва-

рочный ток и осаживают заготовки. При этом жидкий металл и часть пласти-

177

чески деформированного металла из стыка, выдавливается наружу, образуя грат 9 (рис. 5.21, д). При прерывистом оплавлении, заготовки под током при-

водят в кратковременное соприкосновение и вновь разводят на небольшое расстояние. При смыкании заготовок происходит прерывистое оплавление торцов, заготовки укорачиваются на заданную величину и одновременно равномерно разогреваются по сечению. Число смыканий может быть от двух до нескольких десятков, в зависимости от размеров сечения заготовок. После равномерного оплавления всей поверхности свариваемого стыка, отключают сварочный ток и осаживают заготовки. В процессе сварки оплавлением вы-

равниваются неровности стыка, удаляются из стыка все оксиды и загрязне-

ния. Поэтому не требуется особой предварительной подготовки торцов.

Сварка позволяет соединять заготовки из разнородных металлов (быстроре-

жущая и углеродистая стали; медь и алюминий …) сечением сложной фор-

мы.

Контактная стыковая сварка широко применяется: для получения из проката длинных изделий или заготовок, поступающих в дальнейшую пере-

работку (сварка трубчатых змеевиков поверхностей нагрева котлов; сварка на трассе стыков труб газопроводов; сварка концов рулонов стальной ленты для пропуска через линии непрерывного волочения; сварка железнодорож-

ных рельсов в длинные плети, улучшающие условия прохождения по ним подвижного состава); для изготовления деталей замкнутой формы (звеньев цепей; ободов автомобильных колес; колец жесткости для реактивных двига-

телей; зубчатых венцов; оконных переплетов из легких сплавов); для эконо-

мического образования сложных деталей из простых катаных, кованых,

штампованных или механически обработанных заготовок, часто прошедших перед сваркой окончательную термическую обработку (кожух карданного вала автомобиля, можно сваривать из трубы и двух поковок; тягу самолета,

сваривают из трубы и двух штампованных проушин); для экономии легиро-

ванных сталей (рабочая часть сверла из быстрорежущей стали сваривается с хвостовиком из низкоуглеродистой стали; заготовку клапана двигателя внут-

178

Прогрев осуществляют до появления жидкой точки 3 между контакт-

ными поверхностями. После этого производят проковку. Для соединения за-

готовок одновременно в двух точках применяют одностороннюю сварку

(рис. 5.22, б). Для этого, заготовки устанавливают на медную плиту - под-

кладку 5 и прижимают электродами, расположенными с одной стороны заго-

товок. При односторонней сварке необходимо учитывать шунтирование тока:

в верхней заготовке (I1ш), между сварными точками (I2ш) и в медной пластине (Icu). 2Iсв=I1ш-I2ш-ICu; где: Iит –ток источника тока; Iсв- сварочный ток, необходимый для получения одной сварной точки.

ТКС всегда начинается с предварительного сжатия деталей для обеспе-

чения хорошего контакта. Если при включении тока усилие Р0 , развиваемое электродами недостаточно, то контактные сопротивления велики и на них почти мгновенно выделяется очень много тепла: металл в контактах плавится и быстро выбрасывается в виде искр; происходит так называемый начальный выплеск. При малом усилии, возможен, прожег деталей, и обгорание элек-

тродов. Нагрев при точечной сварке характеризуется малой продолжительно-

стью (от тысячных долей секунды до нескольких секунд) и значительной не-

равномерностью. Наиболее интенсивно нагревается центральный столбик, в

пределах которого плотность тока наибольшая. Окружающий металл нагре-

вается протекающим в нем током малой плотности и за счёт теплопередачи

(скорость нагрева значительно меньше). В начале нагрева ток имеет наи-

большую плотность в области, прилегающей к контакту между свариваемы-

ми деталями, а в дальнейшем интенсивное тепловыделение поддерживается здесь из-за роста удельного сопротивления при нагреве. Поэтому наиболее быстро нагревается центральная зона точки – её чечевицеобразное ядро 3.

Образованию ядра такой формы способствует интенсивный отвод тепла в охлаждаемые электроды. При нагреве до некоторой критической температу-

ры в контакте между деталями под действием силы Р начинают образовы-

ваться общие зёрна – начинается сварка без расплавления. Дальнейший на-

грев ведёт к расплавлению ядра, образующего после кристаллизации прочное

180