Материаловедение и технология конструкционных материалов

Рис. 20.6. Этапы образования соединений при стыковой сварке:

а — сопротивлением; б — оплавлением (Д3 — зазор между деталями; 5Ж—

слой расплавленного металла; F„— начальное усилие; Foc — усилие осадки)

Первый этап при стыковой сварке сопротивлением в значи­ тельной мере аналогичен процессам, протекающим до образо­ вания расплавления в контакте деталь — деталь при точечной сварке.

При стыковой сварке оплавлением нагрев деталей происхо­ дит до образования на торцах слоя расплавленного металла тол­ щиной 6Жв результате локального расплавления и разрушения перемычек.

Второй этап включает в себя деформацию нагретых поверх­ ностей — осадку.

Условия образования межатомных связей определяются со­ стоянием поверхностей и для методов сварки сопротивлением и оплавлением различны.

При сварке сопротивлением температура торцевых поверхно­ стей ниже температуры плавления. В общем случае поверхность покрыта оксидными пленками, и формирование металлических связей происходит в ходе пластической деформации металла в твер­ дом состоянии.

При сварке оплавлением оксиды находятся на поверхности тонкого слоя расплавленного металла. При сближении деталей они вместе с расплавом вытесняются в грат, и формирование свя­ зей происходит в жидком и частично твердом состоянии.

Основными процессами при контактной сварке являются на­ грев и охлаждение металла, пластическая деформация и удаление оксидных пленок.

Оборудование для контактной сварки

Современное сварочное оборудование можно классифициро­ вать:

□по способу преобразования энергии — машины переменного тока и импульсные;

□способу сварки — стыковые, точечные, рельефные и шовные;

□характеру установки — стационарные, передвижные и под­ весные;

□характеру действия — автоматические, полуавтоматические

Ит.д.

Общим для всех контактных машин является то, что теплота, необходимая для получения сварного соединения, выделяется в результате действия электрического тока, подводимого элек­ тродами непосредственно к месту сварки.

В зависимости от способа сварки применяется та или иная система электродов: для стыковой сварки — зажимные контакт­ ные губки, для точечной —>стержневые электроды, для шовной — роликовые электроды.

Принципиальная электрическая схема контактной машины для точечной сварки изображена на рис. 20.7. Ее основными элементами являются:

□вторичная цепь машины, состоящая из электродов 1, хобо­ тов (консолей) 2, гибких токоведуших шин 3 и вторичного вит­ ка 4 трансформатора;

□сварочный трансформатор 5 с секционированной первичной обмоткой 6;

Сеть-

4 ,

3о

Рис. 20.7. Принципиальная электрическая схема машины

для точечной сварки

□переключатель ступеней 7;

□контакты 8 для включения и выключения сварочного транс­ форматора;

□регулятор времени 9;

□выключатель 10 для включения и выключения машины. Принципиальные схемы других контактных машин точно

такие же.

Напряжение, ток и сопротивление в контактных машинах свя­ заны определенными зависимостями. Сопротивление контакт­ ных машин общего применения составляет (100...300) • 10~6 Ом, сварочный ток — 5000...50 000 А. Столь значительный ток обес­ печивается сварочным трансформатором с напряжением холо­ стого хода вторичной обмотки 1...15 В.

Машины для точечной и шовной сварки (рис. 20.8) долж­ ны обеспечивать сжатие деталей с определенным усилием и под­ вод к ним сварочного тока. Они имеют, соответственно, привод сжатия 3 и источник тока 2. Машины для шовной сварки имеют привод вращения роликов 13 (рис. 20.8, б). Конструктивные эле­ менты машин воспринимают значительные усилия от привода сжатия и теплового расширения металла в зоне сварки. Некото-

Рис. 20.8. Схемы машин для точечной (а) и шовной (б) сварки:

1 — корпус; 2 — сварочный трансформатор; 3 — привод сжатия; 4 — консоли; 5 —электродержатели; 6 —электроды; 7 — детали; 8 — подкос; 9 — крон­ штейн (держатель); 10 — гибкие шины; 11 — вторичный виток трансформа­ тора; 12 — шкаф управления; 13 — привод вращения электродов (роликов)

Рис. 20.9. Конструктивная схема машины для стыковой сварки

рые из них, входящие во вторичный контур машины, служат одновременно токопроводящими элементами.

Машины для стыковой сварки имеют следующие основные узлы и элементы (рие. 20.9): станину 2, неподвижную плиту 4, подвижную плиту 8, которая перемещается по направляющим 10 приводам подачи 9, зажимные устройства 6 и 7, трансформатор 1, токоподводы 3, губки 5 и аппаратуру управления 11.

рЩЛ Сварка трением

Сварка трением является одной из разновидностей сварки дав­ лением. Сварное соединение образуется в твердой фазе без рас­ плавления металла свариваемых деталей. При сближении поверх­ ностей подлежащих сварке деталей до очень малых расстояний, соизмеримых с межатомными, между ними образуются метал­ лические связи.

От других видов сварки давлением сварка трением (рис. 20.10) отличается способом нагрева деталей или, точнее, способом вве­ дения теплоты в свариваемые детали. В этом процессе необходи­ мый для сварки нагрев осуществляется путем непосредственного преобразования механической энергии в теплоту благодаря ра­ боте сил трения.

536 Раздел V. Сварочное производство

а

Р

в

Рис. 20.10. Принципиальная схема процесса сварки трением:

а — сварка с вращением одной детали; б — сварка с вращением двух дета­ лей; в — одновременная сварка трех деталей; г — сварка вибротрением

Простейшая и наиболее распространенная схема такого про­ цесса показана на рйс. 20.10, а. Две детали, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах. На сопряженных торцевых по­ верхностях деталей, прижатых одна к другой осевым усилием Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая при относитель­ ном вращении одной детали относительно другой на преодоление этих сил трения, преобразуется в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и нагревает прилегающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования свар­ ного соединения. Так, например, при сварке черных металлов температура в стыке достигает 1000...1300 °С.

Впроцессе трения пластичный металл стыка выдавливается

врадиальных направлениях под воздействием осевого усилия и тангенциальных сил, возникающих в стыке деталей. Выдав­ ленный металл имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе сторо­ ны плоскости стыка.

Процесс нагрева завершается быстрым прекращением относи­ тельного вращения. При этом в контакт вводятся очищенные тор­ цевые поверхности соединяемых деталей, металл которых доведен до состояния повышенной пластичности. Для получения прочного соединения достаточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию — проковать. Это достигается при помощи продолжающего еще некоторое время действовать осево­ го усилия.

Основными параметрами процесса сварки трением являются:

□частота относительного вращения свариваемых деталей;

□осевое усилие при нагреве;

□осадка при нагреве;

□осевое усилие проковки;

□длительность приложения усилия проковки.

Усилия нагрева и проковки обычно задаются в виде давле­ ний, так как установлено, что их оптимальные значения прямо пропорциональны площади поперечного сечения свариваемых деталей в месте сварки.

Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и техно­ логические преимущества. К ним в первую очередь относятся высокая производительность, хорошие энергетические показате­ ли процесса, хорошее качество сварного соединения, возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях, гигиенич­ ность процесса, простота механизации и автоматизации.

а

Рис. 20.11. Типы соединений, выполняемых с помощью сварки

трением:

а— стержня встык; б — трубы встык; в — трубы со стержнем встык; г, д —

Т-образные соединения стержня и трубы с плоской поверхностью контр-

детали

Но сварка трением не является универсальным процессом. С ее помощью могут осуществляться соединения лишь таких пар деталей, из которых хотя бы одна является телом вращения (круглый стержень или труба), ось которого совпадает с осью вращения. При этом другая деталь может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой при­ варивается первая деталь. На рис. 20.11 показаны основные ва­ рианты таких соединений.

ратуры. При этом способе сварки прочность соединения зависит от температуры, давления и времени выдержки.

Температура сварки для однородных металлов, как правило, должна составлять (0,5...0,7) Тпяметалла или сплава. Такая тем­ пература необходима для ускорения взаимной диффузии атомов материалов через поверхность контакта и обеспечения некото­ рого размягчения металла, которое способствует сглаживанию неровностей поверхности.

Давление обеспечивает плотный контакт поверхностей, подле­ жащих соединению. При деформировании поверхностных слоев происходит разрушение поверхностных оксидов, что обеспечи­ вает контакт ювенильных (химически чистых) поверхностей.

Время выдержки при заданных температуре и давлении в боль­ шинстве случаев должно быть минимальным, что обосновано как физико-механическими, так и экономическими соображениями.

Диффузионная сварка имеет ряд важных преимуществ по сравнению с другими способами сварки и пайки: высокое каче­ ство сварных соединений, возможность соединения металлов и сплавов с резко различающимися теплофизическими харак­ теристиками, гигиеничность процесса.

20.6. Холодная сварка

Холодная сварка — один из видов сварки в твердом состоянии со значительной объемной пластической деформацией в зоне кон­ такта соединяемых материалов. Ее осуществляют давлением на воздухе при комнатной температуре, которая для большинства металлов значительно ниже температуры рекристаллизации. Основной технологический вариант холодной сварки предусмат­ ривает совместную пластическую деформацию соединяемых дета­ лей за счет приложения сил, нормальных к поверхности соеди­ нения. Иногда для интенсификации и облегчения относительных смещений соединяемых поверхностей дополнительно прилагают тангенциальные усилия.

Холодную сварку осуществляют внахлестку вдавливанием пуансонов с усилием Р в предварительно зажатые или неза­ жатые детали или встык с использованием зажимных приспо­ соблений (рис. 20.13). Для получения качественного соединения

Рис. 20.13. Схема холодной сварки:

а — внахлестку без зажатия и с зажатием свариваемых деталей перед сваркой; б — встык с зажимами (1 — свариваемые детали; 2 — прижимы; 3 — пуансоны; 4 — зажимы)

вобоих случаях необходима значительная деформация металла

вместе соединения, которая способствует разрушению и выносу

оксидных пленок из зоны контакта, сглаживанию поверхностных микронеровностей и образованию активных центров схваты­ вания.

Холодная сварка применяется для соединения как одноимен­ ных (Pb, Al, Си, Sn, Ag, Аи, In), так и разнородных металлов. Примером может служить армирование алюминиевых проводов медными наконечниками, получение двух- и многослойного проката из лент (никель — низкоуглеродистая сталь — никель, Al—Fe—А1, Си—А1—Си, серебро — бронза — серебро, Ag—Ni— Си и т.д.).

Для осуществления холодной сварки, как правило, используют стандартное прессовое и прокатное оборудование, которое оснаща­ ют специальным инструментом в соответствии с типоразмерами свариваемых деталей. Наиболее широкое применение холодная сварка нашла в производстве изделий домашнего обихода из алю­ миния и его сплавов, в электротехнической промышленности и электротранспорте для соединения алюминиевых и медных проводов, а также алюминиевых проводов с медными наконеч­ никами.