4.1.2. Кузнечная сварка

Кузнечная сварка возникла в ходе освоения человеком формо­образования нагретого металла при кузнечной обработке. Для осуществления кузнечной сварки металл сначала нагревают (чаще всего в печи) до «сварочного жара». Применительно к стали это составляет 1500... 1600 К. Затем соединяемые детали подвергают совместной проковке, во время которой 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.

С энергетической точки зрения кузнечные сварочные процессы достаточно выгодны - не требуют источников с высокой концент­рацией энергии, но для их осуществления, как правило, не­обходимо сложное и металлоемкое кузнечно-прессовое оборудо­вание.

4.2. Механические сварочные 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 быть введена сдавливанием, трением, ультразвуковым воздействием, взрывной волной, причем давление прикладывается к месту обра­зования соединения во всех случаях без исключения. 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 (контакта) 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 участков (свободных от ок­сидных и газовых пленок) на соединяемых поверхностях, и эти участки служат начальными очагами образования соединения на линии будущего сварного шва.

Образование сварного соединения при холодной сварке проис­ходит в условиях нормальной температуры или даже ниже 0°С 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, при плавлении и диффу­зионном взаимодействии которых могут образоваться 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 термопрессовую, 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 работах 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 применения холодной сварки установлено положи­тельное влияние твердых поверхностных пленок на свариваемость пластичных металлов. Всякое разрушение этих пленок, скольже­ние по металлу во время сварочного процесса 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 сварочного 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 сильное, и только в глубоком вакууме при давлении ниже 10^-4Па поверхность металла может оставаться ювенильной достаточно долго. В этом случае процесс вакуумного схватывания может идти достаточно эффективно с наименьшей затратой энер­гии (и даже с выделением энергии в месте соединения в результате химических реакций).

Вакуумное схватывание возможно в основном для металлов —8 при давлении ниже 10^-8 Па при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей на большой площади поверхности, что пока затрудняет его промышленное применение.

Ультразвуковая сварка может считаться дальнейшим логиче­ским развитием холодной сварки. При ультразвуковой сварке на­ряду с давлением к месту соединения прикладывается высокочас­тотное (20...75 кГц) поле механических напряжений. В начальной стадии процесса свариваемые детали перемещаются одна относи­тельно другой с ультразвуковой частотой (20...75 кГц) и амплиту­дой 10...25 мкм. При этом происходит эффективная очистка со­единяемых поверхностей от загрязнений и газовых пленок, повы­шается температура и создаются более благоприятные 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 нагрева вещества являются возбужденные в нем механические ультразву­ковые колебания.