Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

обов'язковим попереднім затисненням. Різнотовщинність заготовок може складати 1:4 і більше. Отримані стикові з'єднання дротів і прутків діаметром від 0,8 до 30 мм, смуг прямокутного перерізу з максимальною площею до 1000 мм2 (100×10 мм) для міді та до 1500 мм2 для міді з алюмінієм.

Оптимальною атомною будовою металів для холодного зварювання є гранецентровані кубічні гратки (алюміній, мідь, нікель, сви-

нець, срібло, золото, γ-залізо). Холодним зварюванням з'єднують висо-

копластичні метали. Сплави зварюються значно гірше.

Холодне зварювання найбільш широко застосовується в електротехнічній промисловості та на транспорті для з'єднання алюмінієвих і мідних дротів, а також алюмінієвих дротів із мідними наконечниками, в електромонтажному виробництві, при виробництві теплообмінників та побутових приладів.

Особливий вид холодного зварювання – з'єднання листів прокатуванням на вальцях. Таку технологію використовують, наприклад, при виготовленні теплообмінників для холодильників. На поверхню листів з алюмінієвого сплаву наносять спеціальну фарбу в місцях, де не повинно бути зварювання, листи складають і виконують загальне прокатування. За рахунок пластичних деформацій листи зварюються по всій площі, крім зафарбованих місць. Потім листи відпалюють і затискають у пресі з фігурними виїмками на плитах там, де повинні бути трубки теплообмінника. Через ділянки, раніше покриті фарбою, пропускають під тиском рідину. Під внутрішнім тиском ці ділянки приймають форму трубок і утворюють канали теплообмінника.

У суднобудівній промисловості холодне зварювання застосовується в електроцехах та при монтажі електроустаткування.

143

2.2.Ультразвукове зварювання

2.2.1.Суть способу. Ультразвукове зварювання (ultraschallschweissen; ultrasonic welding; ультразвуковая сварка) – це зварювання тиском при дії ультразвукових коливань. З'єднання утворюється в результаті спільної дії на деталі стискуючого зусилля і високочастотних механічних коливань, що супроводжується відносним тангенціальним зміщенням малої амплітуди з'єднуваних поверхонь і нагріванням металу в зоні зварювання. Зусилля діє перпендикулярно до з'єднуваних поверхонь, а коливання викликають їх незначний зсув з ультразвуковою частотою. При цьому відбувається невелика пластична деформація приповерхневого шару металу в зоні зварювання і утворення ювенільних поверхонь та їх з'єднання. Тривалість процесу виміряється секундами і долями секунд. Ультразвукове зварювання (у.з. зварювання) застосовують для одержання точкових і шовних з'єднань, а також для зварювання по контуру. Принципову схему зварювання ультразвуком показано на рис.2.14.

Рис.2.14. Принциповасхематочкового(а) ішовного(б) зварювання ультразвуком:

1 – зварювані деталі; 2 – трансформатор пружних коливань, Р – стискуюча сила; 3 – зварювальний наконечник (ролик); 4 – маятникова опора (опорний ролик); 5 – зварна точка (шов); у.з.к. – ультразвукові коливання

144

Зварювальний наконечник 3 (при шовному зварюванні – ролик) визначає площу і об'єм джерела ультразвукових механічних коливань безпосередньо в зоні зварювання. Він повинен передавати коливання для здійснення тертя між поверхнями з'єднуваних деталей із мінімальними втратами між ним і верхньою деталлю. Величина амплітуди коливань звичайно знаходиться в інтервалі 10…25 мкм.

Таким чином, процес ультразвукового зварювання відбувається в умовах тертя, викликаного мікроскопічним відносним зворотно-по- ступальним переміщенням ділянок поверхонь у зоні стискування, що супроводжується виділенням теплоти.

Розповсюдження у.з.к. при зварюванні показано на рис.2.15.

Рис.2.15. Розповсюдження у.з.к. при зварюванні:

а – початок зварювання; б – процес зварювання; в – кінець зварювання

Дослідження показали, що при у.з. зварюванні діють два основних джерела тепла [124,140]. Одне знаходиться в зоні контакту зварювального наконечника (ролика) з деталлю, друге – у зоні з'єднання деталей. Виділення теплоти біля зварювального наконечника обумовлено його тертям із деталлю і призводить до пластичного деформування зовнішньої поверхні деталі під наконечником. Виділення теплоти між деталями обумовлено дією нормальних стискуючих напружень і напружень зсуву, що призводить до зовнішнього і внутрішнього тертя в металах і пластичної деформації в зоні зварювання.

Вібруючий зварювальний наконечник у перший момент зварю-

145

вання розвиває інтенсивне виділення тепла в зоні його контакту з деталлю. У зону зварювання у.з.к. передаються з деяким запізненням

(див. рис.2.15).

Уявлення про максимальні температури в зоні зварювання різних металів дає табл.2.4 [124,140].

Таблиця 2.4. Температури в зоні зварювання металів

Максимальна температура залежить від амплітуди коливань та стискуючого зусилля. Характер цієї залежності при зварюванні заліза (δ = 10 мм) з константаном (δ = 0,65 мм) показано на рис.2.16.

Із рис.2.16 видно, що збільшення амплітуди у.з.к. від 10 до 30 мкм підвищує максимальну температуру в контакті між деталями від 400 до 900 °С. Цей вплив пов'язаний зі збільшенням енергії звукового поля та інтенсивності ультразвукової енергії. Середня щільність енергії звукового поля Е, ерг/см2, залежить від щільності середовища ρ, г/см3,

де k – коефіцієнт пропорціональності; f – частота коливань; с – швидкість звуку в середовищі; інші величини ті ж, що в рівнянні (2.3).

146

де β – кут між перпендикуляром до поверхні S і напрямком розповсюдження хвилі.

Рис.2.16. Залежність максимальної температури від величини амплітуди ξm у.з.к. при зусиллі стиснення 700 Н (а) і від стискуючого зусилля

при амплітуді 14…16 мкм (б):

1 – у контакті під зварювальним наконечником; 2 – у контакті між деталями

Зусилля стиснення забезпечує передачу у.з.к. до зони зварювання. Його мінімальне значення, при якому починають утворюватися з'єднання, залежить від зварюваних матеріалів та їх товщин, а оптимальне значення зростає зі збільшенням амплітуди у.з.к. При збільшенні контактного тиску початкова швидкість нагрівання росте за рахунок покращення зв'язку між зварювальним наконечником і деталями. Швидкість нагрівання деталей залежить також від форми та стану поверхні наконечника.

147

Сумісний вплив дії у.з.к. та зусилля стиснення на температуру в зоні зварювання алюмінію товщиною 0,5 + 0,5 мм показано на рис.2.17 [120]. При надмірному зусиллі температура в контакті між деталями значно зменшується внаслідок виходу з резонансу коливальної системи і падіння величини енергії, що передається в контакт між деталями.

Рис.2.17. Вплив часу дії у.з.к. та зусилля стиснення на температуру в контакті між деталями при зварюванні алюмінію товщиною 0,5 + 0,5 мм

Температура в зоні зварювання залежить від твердості і теплофізичних властивостей зварюваних матеріалів, потужності коливальної системи та параметрів режиму зварювання. Нагрівання в зоні зварювання звичайно не перевищує 0,6 температури плавлення. Під дією тертя, нагрівання і пластичного деформування плівки забруднень руйнуються, дезорієнтуються і видаляються із зони стискування, завдяки чому стає можливим утворення вузлів схоплювання, їх розширення і формування зварного з'єднання. Встановлено, що у.з.к. сприяють видаленню жирових плівок завдяки розвитку кавітаційних процесів в умовах дії в окремих мікрооб'ємах поперемінних високих тисків та розріджень. Тому у.з. зварювання може виконуватися навіть при наявності жирових забруднень поверхонь. Однак прийнято знежирювати поверхні перед зварюванням, оскільки це збільшує діаметр точок зварювання. У.з.к. також знижують поверхневий натяг металів, значно прискорюють утворення активних центрів і схоплювання поверхонь, процеси дифузії та рекристалізації. Тому формування кристалічної структури в зоні з'єднання при у.з. зварюванні відбувається досить швидко.

148

У.з. зварювання може виконуватись з імпульсним нагріванням місця зварювання від окремого джерела тепла, що дозволяє зменшити зусилля стиснення, амплітуду і час дії у.з.к. та деформації металу. Такий спосіб розроблено для у.з. зварювання мікродеталей. Зварювані елементи підлягають дії у.з.к. і нагріванню одночасно або в певній послідовності [86]. Процес виконується наступним чином. Спочатку зварювальний інструмент невеликим зусиллям притискається до деталей, потім через нього пропускається електричний струм для його нагрівання та одночасно (або з певним випередженням або запізненням) включаються у.з.к. Спосіб дозволяє зварювати матеріали з різними фізико-хімічними властивостями.

Існує думка, що успішне ультразвукове зварювання різнорідних матеріалів можливе за умови різниці атомних радіусів з'єднуваних металів не більше 15…18 %. Ця умова відповідає загальному уявленню про існування твердих розчинів. При різниці атомних радіусів у межах 19…44 % зварювання металів ускладнюється. Дослідження А.О. Россошинського дозволили отримати за допомогою ультразвукового зварювання надійні з'єднання між матеріалами з істотними різницями атомних радіусів та відмінностями фізико-хімічних властивостей, наприклад, між керамікою і металами [121]. Утворення з'єднань автор пояснює певним переміщенням металу в зоні зварювання. Деформація мікровиступів під дією коливань і стиснення призводить до взаємного проникнення і перемішування матеріалів, які з'єднуються, що і забезпечує якість зварювання.

При ультразвуковому зварюванні можна виділити процеси утворення фізичного контакту, активації поверхонь та об'ємної взаємодії, незважаючи на короткочасність процесу. Всі ці процеси протікають в умовах дії у.з.к. Тому в роботі [140] відзначається можливість розвитку процесів стомленості в зоні зварного з'єднання під впливом довготривалої дії у.з.к. та зниження міцності з'єднань унаслідок часткового руйнування вузлів схоплювання.

149

2.2.2. Технологія зварювання. Основними параметрами режиму у.з. зварювання є зусилля стиснення (контактне зусилля) Р, час зварювання t, амплітуда ξm і частота f у.з.к. Важливе значення мають потужність у.з. обладнання, форма та стан поверхні зварювального наконечника. Оскільки потужність ультразвукового перетворювача, частота та амплітуда у.з.к. визначаються характеристиками ультразвукового обладнання, то його потрібно вибирати стосовно конкретних деталей. Зусилля стиснення та час зварювання легко регулюються при розробці режиму зварювання. Зварювальний наконечник працює в складних термодеформаційних умовах. Тому його матеріал, форма та обробка поверхні також визначаються матеріалами, що зварюються.

Вплив тривалості дії у.з.к. на руйнуюче зусилля і міцність з'єднань при зрізі, а також площу вузлів схоплювання при зварюванні мідних зразків (δ = 0,35 + 0,35 мм) показано на рис.2.18 [120].

Рис.2.18. Залежність руйнуючого зусилля (а), площі з'єднання (б) та границі міцності при зрізі (в) від часу у.з. зварювання

в

Із рис.2.18,а видно, що руйнуюче зусилля зростає зі збільшенням часу зварювання. Це пояснюється розширенням площі з'єднання

150

(рис.2.18,б), оскільки границя міцності не змінюється (рис.2.18,в). Аналогічні результати отримані при у.з. зварюванні алюмінію.

Випробування на відрив зварних з'єднань мідних зразків показали границю міцності біля 200 МПа. Це свідчить про утворення у вузлах схоплювання металічних зв'язків, що мають таку ж природу і міцність, як основний метал.

Сумісний вплив контактного зусилля та часу зварювання алюмінієвих пластинок унапуск на руйнуюче зусилля при розтягуванні–зрізі показано на рис.2.19 [120].

Рис.2.19. Вплив часу дії у.з.к. та зусилля стиснення на руйнуюче зусилля при зварюванні алюмінієвих пластинок унапуск

При малих контактних тисках міцність зварної точки значною мірою залежить від часу дії у.з.к. Чим більшим є стискуюче зусилля, тим менший час дії у.з.к. забезпечує високу міцність з'єднань. Як видно з рис.2.16,б, зі збільшенням стискуючого зусилля значно зростає також максимальна температура, якщо зусилля не надмірне і не впливає на резонансний стан коливальної системи. При дуже тривалому часі дії у.з.к. спостерігаються значні пластичні деформації металу, його приварювання до наконечника та погіршення якості зварювання.

Як було показано на рис.2.16,а, сильно впливає на максимальну температуру в контакті між деталями величина амплітуди у.з.к. Амплітуда у.з.к. аналогічно впливає і на міцність з'єднань (рис.2.20) [124].

Численні дослідження показали [124], що для кожного конкрет-

151

ного випадку залежності міцності з'єднань на зсув від амплітуди у.з.к існує своє оптимальне значення амплітуди. Оптимальне та граничне значення амплітуди у.з.к. визначаються властивостями і товщиною зварюваних матеріалів, величиною зусилля стискування і часом зварювання. Мінімальне значення амплітуди обумовлене необхідністю забезпечення відносного переміщення в контакті між деталями, нагрівання й активації в зоні з'єднання. Із ростом товщини зварюваних деталей (при рівних інших умовах) необхідне мінімальне значення амплітуди збільшується внаслідок збільшення втрати енергії в деталі. Мінімальне значення амплітуди у.з.к. збільшується також зі збільшенням твердості металу верхньої деталі, що обумовлено необхідністю більш високої температури в зоні зварювання.

Рис.2.20. Вплив амплітуди у.з.к. на руйнуюче зусилля при випробуваннях на розтягування–зріз з'єднань унапуск:

1 – Д16М товщиною 1,2 мм, стискуюче зусилля 800 Н, час зварювання 2,0 с; 2 – АМг 6 товщиною 0,5 мм, стискуюче зусилля 500 Н, час зварювання 1,5 с

Максимальне значення амплітуди не повинне призводити до руйнування з'єднання, отриманого на більш ранній стадії зварювального циклу, руйнування основного матеріалу та недопустимих деформацій.

Слід відзначити, що ефективна передача у.з.к. від зварювального наконечника можлива лише при певних значеннях амплітуди у.з.к. і контактного зусилля.

152