13.4. Ультрозвуковая сварка

При этом способе используется давление и нагрев за счет взаимного трения свариваемых поверхностей. Силы трения возникают в результате воздействия на заготовки, сжатые внешней силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой (15–80 кГц). Температура заготовок в месте контакта достигает 0,3–0,4 от температуры кристаллизации сплава.

Для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эффект, который заключается в изменении размеров некоторых материалов (металл, сплавы, керамика) под действием переменного электромагнитного поля. Для усиления этого эффекта используют волноводы суживающиейся формы (рис. 13.4.). Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. Амплитуда колебаний наконечника рабочего инструмента – 0,001–0,003 мм.

В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Одновременно тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл обретает пластичность и под действием сжимающегося усилия Р деформируется. При сближении поверхностей между ними возникает межатомное взаимодействие и формируется точка сварки. Температура нагрева заготовок относительно невысокая (при сварке меди до 600 С, при сварке алюминия 200–300 С).

Способы соединения заготовок – точечные и шовные соединения внахлестку, а также по контуру. Толщина заготовок – от 0,001 до 1 мм. Возможно сваривать однородные и разнородные металлы (сталь с медью, алюминий с медью, цинк с оловом).

Область применения – радиоэлектроника, точное машиностроение, приборостроение и др.

Колебательные сварочные системы бывают с продольным (горизонтальным) и вертикальными колебаниями. Последние применяют для сварки пластмасс.

Достоинства процесса: возможность сварки особо тонкостенных заготовок (до 0,001 мм); пониженные требования к чистоте свариваемых поверхностей; исключительно минимальная зона термического влияния; небольшая мощность сварочного оборудования; возможность приваривать заготовки к деталям, имеющих покрытия (хром, никель, цинк); возможность сварки разнородных металлов; высокая прочность сварных соединений; гигиеничность процесса; возможность получения многослойных изделий.

Недостатки: ограничение заготовок по толщине (до 1 мм); высокая сложность и стоимость сварочного оборудования; возможность сварки только нахлесточных и стыковых соединений; ограниченная номенклатура сварных изделий.

13.5. Диффузионная сварка в вакууме

Это – сварка давлением с длительным нагревом в вакууме. При диффузионной сварке соединение заготовок достигается в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Температура нагрева примерно равна температуре рекристаллизации более легкоплавкого из свариваемых материалов (для стали – 1000–1100 С).

Способ нагрева заготовок – индукционный, проходящим током (ток сопротивления), электронно-лучевой, в расплаве солей, электроспиралями. Контакт заготовок возможен и через прослойки (фольга, порошок). Время сварки 5–20 мин, величина разрежения – (133·10^-3–133·10^-5) Н/м².

Поверхности заготовок перед сваркой тщательно зачищают. Схема способа представлена на рис. 13.5.

Сжимающее усилие должно быть ниже предела текучести свариваемого металла и составляет от 7 до 20 МН/м². Время сварки определяется родом свариваемых металлов, размерами и конфигурацией заготовок. Нагрев заготовок по сечению должен быть крайне равномерным. Перед сваркой поверхности очищают от окислов и загрязнений, масляные пленки – испаряются при нагреве в вакууме.

При сварке чистых и однородных материалов (сталь со сталью, алюминий с алюминием) граница раздела отсутствует. При сварке разнородных материалов (при ограниченной взаимной растворимости) на границе раздела образуется хрупкая интерметаллическая прослойка, снижающая прочность соединения. В этом случае применяют промежуточные прокладки из специально подобранного материала. При этом удается сварить сталь с алюминием, сталь с чугуном, платину с титаном и т.п.

Область применения способа: радиоэлектроника, приборостроение, текстильное машиностроение, судостроение, инструментальное производство, в вакуумных приборах и др. Различные установки применяют в единичном, серийном и массовом производстве.

Достоинства способа: отсутствие электродов, припаев и флюсов; возможность сварки разнородных материалов; практическое сохранение свойств свариваемых материалов; возможность получения многослойных заготовок; возможность сварки заготовок по сложным поверхностям; возможность получения прецизионных соединений без последующей механообработки; отсутствие шлака, грата и окалины.

Недостатки: образование хрупкой прослойки при сварке металлов, не обладающих взаимной растворимостью; высокая стоимость технологической оснастки и оборудования; низкая производительность (длительность технологического цикла); высокие требования к качеству контактных поверхностей (R_а<1,25 км); затруднительность контроля качества сварки.