Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

такі хвилі називають подовжніми (хвилі розтягування-стискування).

Якщо частки середовища коливаються у хвилях перпендикулярно напрямку їх розповсюдження, то такі хвилі називають поперечними (хвилі зсуву). У твердому тілі можуть виникати подовжні і поперечні хвилі, у рідинах і газах – лише подовжні.

Швидкість розповсюдження подовжніх коливань у стержні, діаметр якого менший довжини хвилі

де Е і ρ – відповідно модуль пружності і щільність матеріалу стержня. Швидкість розповсюдження поперечних хвиль Ct визначається

рівнянням

де G – модуль зсуву.

Швидкість розповсюдження в сталі подовжніх хвиль звукових коливань складає 5400…5850 м/с, поперечних – 3100…3230 м/с.

Довжина хвилі λ пов'язана зі швидкістю С її розповсюдження рівнянням

де f – частота коливань.

Із рівняння (2.8) знаходимо, що довжина подовжньої хвилі у.з.к. при частоті 20 кГц у сталі дорівнює 28 см. Схему трансформації і розповсюдження хвиль у коливальній системі зварювальної машини показано на рис.2.23.

Між магнітострикційним перетворювачем 1 і трансформатором 2 повинен бути надійний акустичний контакт. Тому їх з'єднують паянням. Як показано на рис.2.23, трансформатор коливань одночасно виконує функції хвилеводу. Він має вигляд стержня змінного перерізу.

163

Залежно від форми утворюючої бокової поверхні стержня, хвилеводи поділяють на конусні, ступінчасті, експоненціальні тощо. Вони можуть бути складеними. Коефіцієнт трансформації амплітуди (також швидкості) коливань визначається рівнянням

K = ξm2 ξm1 ,

де ξm2 і ξm1 – амплітуди коливань відповідно на кінці та на початку хвилевода. Найменший коефіцієнт трансформації мають конічні хвилеводи, експоненціальні забезпечують великий коефіцієнт трансформації, а ступінчасті – найбільший.

Рис.2.23. Схема зміни амплітуди при передачі коливань від магнітострикційного перетворювача до зварювального інструмента:

1 – магнітострикційний перетворювач;

2 – діафрагма; 3 – трансформатор коливань (хвилевід); 4 – зварювальний інструмент; 5 – деталь; 6 – опора

Коефіцієнт збільшення амплітуди коливань експоненціального хвилеводу

K = D1 , D2

де D1 і D2 – діаметри перерізу хвилеводу відповідно з боку магнітострикційного перетворювача і зварювального інструмента.

Звичайно для зварювання металів використовують хвилеводи з коефіцієнтом підсилення коливальної швидкості близько 5.

На рис.2.23 показано діафрагму 2, яка встановлюється у вузловій площині і служить для акустичної розв'язки коливальної системи від корпусу магнітострикційного перетворювача.

Схему ультразвукової установки для точкового зварювання показано на рис.2.24, а для шовного зварювання – на рис.2.25 [61].

164

Магнітострикційний перетворювач 2, обмотка якого живиться струмом високої частоти від у.з.г., звичайно виготовляють із пермендюра К-49Ф2. Механічні коливання передаються хвилеводу. Хвилевід є трансформатором коливальних швидкостей. Він передає коливання до місця зварювання, забезпечує необхідну величину коливальної швидкості і збільшення амплітуди коливань зварювального наконечника в порівнянні з амплітудою вихідних хвиль перетворювача, концентрує енергію коливань у зоні зварювання.

Рис.2.24. Схема установки для точкового зварювання ультразвуком:

1 – живлення від у.з.г.; 2 – магнітострикційний перетворювач; 3 – діафрагма; 4 – механізм стискування; 5 – деталь; 6 – зварювальний наконечник; 7 – маятникова опора; 8 – хвилевід; 9 – кожух водяного охолодження; 10 – охолоджуюча вода

Рис.2.25. Схема установки для шовного зварювання ультразвуком:

1 – живлення від у.з.г.; 2 – магнітострикційний перетворювач; 3 – хвилевід; 4 – зварювальний ролик; 5 – притискний ролик; 6 – деталь; 7 – кожух перетворювача; 8 – привід; 9 – охолоджуюча вода

На кінці хвилеводу є зварювальний наконечник 6 (див. рис.2.24) для точковного зварювання або ролик 4 для шовного зварювання (див. рис.2.25). При точковному зварюванні деталь 5 затискають між нако-

165

нечником 6 і механізмом стискування 4. Зварювання відбувається при включеному магнітострикційному перетворювачі і дії певного зусилля стиснення. Тривалість процесу залежить від металу, який зварюється, його товщини і тиску.

На якість з'єднання суттєво впливає форма зварювального наконечника. Звичайно його виготовляють у формі циліндричного стержня з робочою поверхнею у вигляді сфери або зрізаної сфери. У роботі [140] рекомендується робоча поверхня у вигляді зрізаного конуса. Вибір матеріалу наконечника залежить від зварюваних металів. Використовують сталь 45, ШХ-15, Р-18, тверді наплавлення різними електродами.

При шовному зварюванні (див. рис.2.25) магнітострикційний перетворювач, хвилевід та ролик обертаються. Високочастотні коливання передаються хвилеводом 3 на ролик 4. Деталь 6 встановлюється між роликом 4 і притискним роликом 5.

Зварювання по контуру забезпечує шви будь-якої конфігурації. У цьому випадку робочий інструмент виготовляють за формою контуру зварювання [97].

Незалежно від форми зварного з'єднання і опору навантаження, для забезпечення стабільності процесу зварювання механічна коливальна система повинна працювати на резонансній частоті.

Високочастотні ультразвукові генератори випускаються відповідно до стандарту, який регламентує вихідну потужність і частоту генераторів. Для зварювальних установок використовують генератори з вихідними потужностями від 0,01 до 10,0 кВт. Найчастіше частота струму складає 18, 22, 44 і 66 кГц.

Для ультразвукового зварювання розроблено багато різних за призначенням установок. Установки типів МТУ-0,4, КТУ-0,1 (0,63), КТУ-1,5, ММУ-0,63, АСУ-1,5 дозволяють здійснювати зварювання великої кількості виробів [97,121,122]. Для зварювання елементів мікросхем розроблені установки ЭМ-417, ЭМ-404, УЗСКН-1, напівавтомати МС41П2-1, МС4ПЗ-2, "Контакт-4". Машини марок ЭМ-417,

166

УЗСКН-1, МС41ПЗ-2 призначені для ультразвукового зварювання з підігрівом. Універсальну машину "Контакт-4" використовують для зварювання в захисному газі. Для мікроелектроніки перспективним є використання ультразвукового зварювання з досить малими амплітудами коливань зварювального наконечника, але з істотним підвищенням частоти ультразвукового генератора для забезпечення в зоні контакту необхідної потужності. Зварювання товстостінних деталей доцільно вести при більш низьких частотах ультразвукових коливань.

Характеристики деяких машин для у.з. зварювання наведено в табл.2.7.

Таблиця 2.7. Технічні характеристики деяких машин для ультразвуко-

вого зварювання

2.2.4. Особливості та сфери застосування ультразвукового зварювання. Основною перевагою у.з. зварювання є можливість з'єд-

нання тонких і ультратонких (0,3…0,5 мкм) деталей, приварювання тонких дротів і фольги до деталей будь-якої товщини, зварювання пакетів із фольги. Завдяки унікальній можливості зварювання мініатюрних деталей, інтегральних схем тощо ультразвукове зварювання найбільш широко застосовують у приладобудуванні, електронній та радіоелектронній техніці.

У.з. зварювання проводиться без суттєвого нагрівання, що дає можливість з'єднувати метали, які при інших способах зварювання між собою схильні до утворення крихких інтерметалідних прошарків.

167

Висока ефективність ультразвукового очищення поверхонь дозволяє виконувати зварювання плакованих та оксидованих деталей, а також покритих різними ізоляційними плівками. Для зварювання високоактивних металів створено спеціальне обладнання з газовим захистом.

Безумовними перевагами у.з. зварювання є низька енергоємність процесу, простота устаткування і його обслуговування. Наприклад, при контактному точковому зварюванні алюмінію товщиною 1 мм використовується машина потужністю 100…150 кВ А, а для у.з. зварювання аналогічного з'єднання – 2,5…5 кВ А, тобто достатньо машини МТУ-4.

При у.з. зварюванні зварювальний метал не змінює суттєво своїх властивостей, не забруднюється сторонніми домішками. Спосіб зварювання характеризується хорошими санітарно-гігієнічнимиумовами праці.

Використовуючи у.з. зварювання, слід мати на увазі, що робота устаткування не в режимі резонансу не раціональна. Тому необхідно врахувати всі фактори, які впливають на частоту системи. Налагодження устаткування на конкретний режим включає в себе регулювання струму підмагнічування, зусилля стиснення, часу зварювання. Зварювальний інструмент є складовою частиною акустичного вузла, що розраховується на певну частоту, і заміна інструмента має певні складності. Тому важливе значення має строк роботи зварювального інструмента в умовах дії у.з.к. та ерозії його робочої поверхні. Необхідно враховувати також деформацію поверхні зварюваних деталей під робочим інструментом.

У.з.к. широко застосовуються в промисловості також для зміцнення приповерхневого шару, зняття напружень у зварних конструкціях, зварювання пластмас тощо. Із допомогою ультразвуку можна поліпшити якість металу шва при дуговому та електрошлаковому зварюванні. Обробка металу шва при кристалізації ультразвуком сприяє дегазації металу, подрібненню структури і підвищенню механічних

168

властивостей. Перспективне використання ультразвуку при контактному та дифузійному зварюванні. Під дією ультразвукових коливань у результаті фрагментації поверхневих шарів електричний опір контакту зростає, що підвищує ефективність використання енергії в зоні зварювання і дозволяє знизити потужність контактних машин. Сприятливий вплив ультразвуку при дифузійному зварюванні обумовлений значним підвищенням інтенсивності дифузійних процесів. У суднобудуванні ультразвук найбільш широко застосовується для контролю якості зварних з'єднань. Ультразвукові методи діагностики та контролю якості металевих конструкцій є провідними в різних галузях. В обладнанні для цих цілей використовують п'єзоелектричний ефект.

2.3.Зварювання тертям

2.3.1.Суть способу. Зварювання тертям (reibschweissen; friction welding, сварка трением) – це зварювання тиском із нагріванням металу в зоні з'єднання внаслідок тертя його поверхонь під час обертання або зворотно-поступального руху однієї поверхні відносно іншої. Деякі схеми процесу зварювання показано на рис.2.26.

Звичайно зварювання тертям застосовується при виготовленні деталей, які мають форму тіл обертання. Співвісно розташовані деталі стискуються зварюваними поверхнями з певним зусиллям, а одній із деталей надається обертання. При зварюванні сталей і алюмінію швидкість відносного переміщення поверхонь складає 0,5…3,0 м/с. При обертанні відбувається притирання торців та інтенсивне тепловиділення. Забруднення разом із розігрітим до пластичного стану металом витискаються зі стику. Після досягнення в стику достатньої температури відносне переміщення деталей миттєво припиняють і стискують їх із певним зусиллям осадки. У цей момент і утворюється з'єднання.

Можливі варіанти зварювання з обертанням у різні сторони обох

169

деталей, з обертанням вставки між деталями, з вібротертям. В останньому випадку можна передавати вібрацію одній із деталей або проміжній вставці і зварювати деталі, які не мають форми тіл обертання. Деталі будь-якої форми можна зварювати також за схемою рис.2.26,е. Обидві деталі стискають та обертають в одну сторону. Внаслідок зміщення їх вісей між стиснутими поверхнями виникає тертя.

Рис.2.26. Схеми процесів зварювання тертям:

а – з обертанням однієї з деталей; б – з обертанням двох деталей у різні сторони; в – з обертанням вставки; г – з вібрацією однієї з деталей; д – із вібрацією вставки; е – із синхронним і синфазним обертанням в одну сторону двох деталей, осі яких зміщені на відстань е

Розроблено способи наварювання тертям із використанням обертання або вібрації присадного металу. Схему наварювання тертям показано на рис.2.27,а,б.

У кінці 90-х років минулого століття почало інтенсивно розвива-

тися зварювання тертям із перемішуванням металу (friction stir welding). Воно розроблено Британським інститутом зварювання. Схему

170

процесу показано на рис.2.27,в [132]. При цьому використовується зварювальний інструмент 1 із штирем 4 спеціальної форми. Інструмент обертається зі швидкістю до 15000 об/хв. і переміщується вздовж стику. Штир 4 проникає в метал до торкання заплечиком інструмента поверхні зварюваних деталей. Внаслідок тертя штиря і заплечика з металом виділяється теплота, яка доводить метал навколо інструмента до пластичного стану. Під час руху інструмента вздовж стика матеріал деталей, переміщуючись із зони нагрівання в зону охолодження, огинає штир і утворює зварне з'єднання.

а б в

Рис.2.27. Схеми процесів наварювання тертям з обертанням дроту (а), вібрацією дроту (б) та зварювання тертям із перемішуванням (в):

1 – дріт (а,б) або зварювальний інструмент (в); 2 – виріб; 3 – шов; 4 – штир спеціальної форми

Розроблено різновид зварювання тертям, що має назву інерційного зварювання. Його суть полягає в тому, що механічна енергія спочатку передається електродвигуном маховику для накопичення, а потім віддається маховиком у стик зварюваних деталей, де перетворюється в теплоту. Це дозволяє вести зварювання на жорстких режимах. Схематично протікання процесів інерційного зварювання та за класичною схемою показано на рис.2.28. Зварювання тертям за класичною схемою називають конвенційним.

171

а б в

Рис.2.28. Зміни в процесі зварювання числа обертів і зусилля стиснення при конвенційному зварюванні тертям (а) та при інерційному зварюванні з повним використанням накопиченої енергії (б) та її частини (в)

Тепловий режим при зварюванні тертям має важливе значення. Якісне з'єднання утворюється в результаті встановлення металічних зв'язків між ювенільними поверхнями деталей. Плівки різної природи, що є на з'єднуваних поверхнях, руйнуються при терті та видаляються із зони зварювання внаслідок значної пластичної деформації. Для досягнення необхідної деформації метал нагрівається під впливом теплоти, що виділяється при терті. Механічна енергія перетворюється безпосередньо в теплову локалізовано в тонких приповерхневих шарах. Робота, що витрачається на подолання сил тертя, перетворюється в теплоту, яка нагріває метал до необхідних температур. Для сталей, залежно від режиму зварювання, ці температури складають 950…1100 °С. Метал може нагріватися тертям і до більш високих температур, але він витісняється зі стика діючим аксіальним тиском нагрівання. Після досягнення потрібної температури відносне переміщення поверхонь повинно бути якомога швидше (миттєво) зупинено. Нагріті поверхні стискуються зусиллям осадки (проковки). Об'єм тон-

172