Технология конструкционных материалов

шин общего применения составляет (100...300) • 10 6 Ом, сварочный ток — 5000...50 000 А. Столь значительный ток обеспечивается сва­ рочным трансформатором с напряжением холостого хода вторичной обмотки 1...15 В.

Сеть~

*

Рис. 19.4. Принципиальная электрическая схема машины для точечной сварки

Зависимость между вторичным напряжением и сварочным током может быть выражена кривой, которая называется внешнейхарактери­ стикой контактной машины. Обычно внешние характеристики кон­ тактных машин падающие, но могут быть крутые или пологие.

Для получения одинаковых по качеству сварных соединений при работе на точечных и шовных машинах нежелательно изменять их электрические параметры. Поэтому целесообразно, чтобы точечные и шовные машины имели крутопадающие характеристики.

Для стыковых машин, наоборот, рекомендуется пологая внешняя характеристика. В этом случае при уменьшении сопротивления сва­ рочной цепи машины в момент возникновения перемычек между оп­ лавляемыми торцами деталей резко увеличивается ток, ускоряющий их нагрев и разрушение. Врезультате процесс оплавления идет устой­ чивее.

Машиныдля точечной и шовнойсварки (рис. 19.5)должны обеспечи­ вать сжатие деталей с определенным усилием и подвод к ним свароч­ ного тока. Они имеют, соответственно, привод сжатия 3 и источник тока 2. Машины для шовной сварки имеют привод вращения роли­ ков 13(рис. 19.5, б). Конструктивные элементы машин воспринимают значительные усилия от привода сжатия и теплового расширения ме­ талла в зоне сварки. Некоторые из них, входящие во вторичный контур машины, служат одновременно токопроводящими элементами.

Рис. 19.5. Схемымашиндля точечной (а) и шовной (б) сварки: 1—корпус; 2—сварочныйтрансформатор; 3— привод сжатия; 4—консоли; 5—электродержатели; 6—электроды; 7—детали; 8—подкос; 9—кронштейн (держатель); 10— гибкиешины; 11—вторичныйвитоктрансформатора; 12—

шкаф управления; 13— приводвращения электродов (роликов)

Рис. 19.6. Конструктивная схема машиныдля стыковой сварки

Машины для стыковой сварки имеют следующие основные узлы и элементы (рис. 19.6): станину 2, неподвижную плиту 4, подвижную плиту 8, которая перемещается по направляющим 10 приводам пода­ чи 9, зажимные устройства 6 и 7, трансформатор 1, токоподводы 3, губки 5 и аппаратуру управления 11.

Глава 20

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ

20.1. Сваркатрением

Сварка трением является одной из разновидностей сварки давлением. Сварное соединение образуется в твердой фазе без расплавления ме­ талла свариваемых деталей. При сближении поверхностей подлежа­ щих сварке деталей до очень малых расстояний, соизмеримых с меж­ атомными, между ними образуются металлические связи.

Отдругих видов сварки давлением сварка трением (рис. 20.1) отли­ чается способом нагревадеталей или, точнее, способом введения теп­ лоты в свариваемые детали. Вэтом процессе необходимый для сварки нагрев осуществляется путем непосредственного преобразования ме­ ханической энергии в теплоту благодаря работе сил трения.

Простейшая и наиболее распространенная схема такого процес­ са показана на рис. 20.1, а. Две детали, подлежащие сварке, устанав­ ливают соосно в зажимах. На сопряженных торцевых поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевым усилием Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая при относительном вращении однойде­ тали относительно другой на преодоление этих сил трения, преобразу­ ется в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и нагревает прилегающие к ним тонкие слои металладо температур, необходимых для образования сварного соединения. Так, например, при сварке чер­ ных металлов температура в стыке достигает 1000...1300 °С.

Рис. 20.1. Принципиальная схема процесса сварки трением:

а— сварка с вращением одной детали; б — сварка с вращением двухдеталей;

в— одновременная сварка трех деталей; г —сварка вибротрением

В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в ра­ диальных направлениях под воздействием осевого усилия и танген­ циальных сил, возникающих в стыке деталей. Выдавленный металл имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правиль­ ного кольца, расположенного по обе стороны плоскости стыка.

Процесс нагрева завершается быстрым прекращением относитель­ ного вращения. При этом в контакт вводятся очищенные торцевые по­ верхностисоединяемыхдеталей, металл которыхдоведен до состояния повышенной пластичности. Для получения прочного соединения дос­ таточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию — проковать. Это достигается при помощи продолжающего еще некоторое время действовать осевого 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 давлений, так как установлено, что их оптимальные значения прямо пропорцио­ нальны площади поперечного сечения свариваемых деталей в месте сварки.

Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных сло­ ях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и технологические преимущества. К ним в первую очередь относятся высокая производи­ тельность, хорошие энергетические показатели процесса, хорошее ка­ чество сварного соединения, возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях, гигиеничность процесса, простота механиза­ ции и автоматизации.

Но сварка трением не является универсальным процессом. С ее по­ мощью 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 де­ таль может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую по­ верхность, к которой приваривается первая деталь. На рис. 20.2 пока­ заны основные варианты таких соединений.

Рис. 20.2. Типы соединений, выполняемых с помощьюсварки трением:

а— стержнявстык; б—трубывстык;в— трубысостержнемвстык; г,д — 7-об­ разные соединения стержня и трубы с плоскойповерхностьюконтрдетали

20.2.Диффузионная сварка

Диффузионная сварка — разновидность сварки давлением — проис­ ходит за счет взаимной диффузии атомов контактирующих поверхно­ стей при относительно длительном воздействии повышенной темпе­ ратуры и незначительной пластической деформации. Если процесс соединения протекает при наличии жидкой фазы, то потребность в давлении отпадает, поскольку происходит предварительное смачи­ вание соединяемых поверхностей жидкой пленкой.

Диффузионную сварку производят в специальных сварочных ус­ тановках (рис. 20.3). Свариваемые детали помещают в вакуумную ка­ меру для защиты от интенсивного окисления и азотирования в про­ цессе разогрева и сварки.

Источником нагрева служит высокочастотный генератор, сжимаю­ щее усилие обеспечивается гидросистемой. После сварки детали охла­ ждаются в вакуумной камере до комнатной температуры. При этом способе сварки прочность соединения зависит от температуры, давле­ ния и времени выдержки.

Температурасваркидля однородных металлов, как правило, должна составлять (0,5...0,7) Ттметаллаили сплава. Такаятемпература необхо­ дима для ускорения взаимной диффузии атомов материалов через по­ верхность контакта и обеспечения некоторого размягчения металла, которое способствует сглаживанию неровностей поверхности.

Давление обеспечивает плотный контакт поверхностей, подлежа­ щих соединению. При деформировании поверхностных слоев проис­

ходит разрушение поверхностных оксидов, что обеспечивает контакт ювенильных (химически чистых) поверхностей.

Время выдержки при заданных температуре и давлении в боль­ шинстве случаевдолжно быть минимальным, что обосновано как фи- зико-механическими, так и экономическими соображениями.

Рис. 20.3. Принципиальная схемаустановки длядиффузионной сварки в вакууме:

1— вакуумная камера; 2— цилиндр гидропривода; 3 —поршень; 4 —индук­ тор; 5— свариваемые детали; 6 — столдля креплениядеталей

Диффузионная сварка имеет ряд важных преимуществ по сравне­ нию с другими способами сварки и пайки: высокое качество сварных соединений, возможность соединения металлов и сплавов с резко различающимися теплофизическими характеристиками, гигиенич­ ность процесса.

20.3. Холоднаясварка

Холодная сварка — один из видов сварки в твердом состоянии со зна­ чительной объемной пластической деформацией в зоне контакта со­ единяемых материалов. Ее осуществляют давлением на воздухе при комнатной температуре, которая для большинства металлов значи­

тельно ниже температуры рекристаллизации. Основной технологиче­ ский вариант холодной сварки предусматривает совместную пласти­ ческую деформацию соединяемых деталей за счет приложения сил, нормальных к поверхности соединения. Иногда для интенсифика­ ции и облегчения относительных смещений соединяемых поверхно­ стей дополнительно прилагают тангенциальные усилия.

Холодную сварку осуществляют внахлестку вдавливанием пуансо­ нов в предварительно зажатые или незажатые детали или встык с ис­ пользованием зажимных приспособлений (рис. 20.4). Для получения качественного соединения в обоих случаях необходимо значительная деформация металла в месте соединения, которое способствует раз­ рушению и выносу оксидных пленок из зоны контакта, сглаживанию поверхностных микронеровностей и образованию активных центров схватывания.

Рис. 20.4. Схема холодной сварки усилиями, нормальными к поверхности соединения:

а — внахлестку без зажатия и с зажатием сваривае­ мых деталей перед сваркой; 6 — встык с зажимами (7 — свариваемыедетали; 2—прижимы; 3 —пуансо­ ны; 4 —зажимы)

Холодная сварка применяется для соединения как одноименных (Pb, Al, Си, Sn, Ag, Аи, In), так и разнородных металлов. Примером может служить армирование алюминиевых проводов медными нако­ нечниками, получение двух- и многослойного проката из лент (ни­ кель — 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 оснащают

специальным инструментом в соответствии с типоразмерами свари­ ваемых деталей. Наиболее широкое применение холодная сварка на­ шла в производстве изделий домашнего обихода из алюминия и его сплавов, в электротехнической промышленности и электротранспор­ те для соединения алюминиевых и медных проводов, а также алюми­ ниевых проводов с медными наконечниками. Разработаны образцы специализированного прессового оборудования, позволяющего осу­ ществлять сварку с комбинированным приложением нормальных и тангенциальных усилий.

20.4. Ультразвуковая сварка

При сварке ультразвуком неразъемное соединение металлов образу­ ется при совместном воздействии на детали механических колебаний высокой частоты и относительно небольших сдавливающих усилий. В принципе этотметод сваркиимеетмногообщегос холоднойсваркой.

Машины для ультразвуковой сварки состоят из следующих основ­ ных узлов: источника питания, аппаратуры управления, механиче­ ской колебательной системы и привода давления.

Механическая колебательная система служит для преобразования электрической энергии в механическую, передачи этой энергии в зону сварки, концентрирования этой энергии и получения необходимой ве­ личины колебательной скорости излучателя.

Установка для сварки ультразвуком (рис. 20.5) состоит из электро­ механического преобразователя 1с обмотками, заключенного в метал­ лический корпус 7, охлаждаемый водой; трансформатора продольных упругих колебаний 6; сварочного наконечника 5 и механизма давления 3, между которыми помещают свариваемые детали 4. Крепление коле­ бательной системы производят с помощью диафрагмы 2. Трансформа­ тор упругих колебаний вместе со сварочным наконечником представ­ ляет собой волновод.

Питание электромеханических преобразователей осуществляется от источника электрической энергии — генератора с частотой коле­ баний тока 18...30 кГц. Рабочая частота генератора определяется соб­ ственной частотой механической колебательной системы, выходная мощность составляет 0,01... 10,0 кВт.

При включении в цепь высокочастотного генератора преобразова­ теля создающееся в нем переменное магнитное поле приводит к воз­ никновению в волноводе продольных упругихколебаний, которые пе­

редаются в свариваемые детали. Поддействием этих колебаний вблизи места сварки в металле возникают сдвиговые деформации, которые разрушают оксидные пленки и обнажают ювенильные (чистые) по­ верхности металла. В результате на границе раздела соприкасающих­ ся поверхностей свариваемых элементов осуществляется межатомное взаимодействие, образуются общие зерна и в целом сварное соединение.

Токопровод

Рис. 20.5. Схема установки для точечной сварки ультразвуком

Процесс ультразвуковой сварки происходит при воздействии сдви­ гающих высокочастотных колебаний, давления, приложенного пер­ пендикулярно к поверхности деталей, и теплового эффекта, сопрово­ ждающего процесс сварки. В результате в зоне сварной точки наблю­ дается небольшая пластическая деформация.

Сварка ультразвуком имеет следующие преимущества:

□ возможность соединения химически активных металлов или металлов, склонных образовывать хрупкие интерметаллические со­ единения;

□ возможность соединения тонких и ультратонких деталей, при­ варки тонких листов и фольги к деталям неограниченной толщины.

20.5. Сварка взрывом

Сварка взрывом — это Процесс соединения материалов, находящихся в твердом состоянии, за счет пластической деформации соударяющихся под углом поверхностей заготовок при воздействии импульса давле­ ния, создаваемого взрывом. Пластическая деформация в зоне соеди­ нения приводит к образованию физического контакта и активации контактных поверхностей. Особенностью сварки взрывом является