12.2. Сварка металлов давлением

При всех способах сварки давлением происходит пластическая деформация в зоне соединения деталей. Пластически деформировать металл можно с нагревом и без него. Место соединения нагревают до расплавления или до пластичного состояния.

Контактная сварка. Свариваемые заготовки нагреваются проходящим электрическим током небольшого напряжения (3-10 В), но большой плотности (десятки кА на 1 см²). Место стыка обладает большим сопротивлением для прохождения тока (неровности поверхности, окисная пленка), здесь выделяется максимальное количество тепла. При достижении необходимой температуры прикладывается давление. Контактную сварку делят на стыковую, точечную, шовную.

При стыковой сварке соединение заготовок происходит по всей поверхности их соприкосновения. Заготовки 1 зажимают в колодках (зажимах) 2, подключенных к вторичной обмотке 3 сварочного трансформатора (рис. 12.12,а). Включается ток, в месте стыка торцы нагреваются. После отключения тока производится сдавливание нагретых заготовок – осадка. Заготовки свариваются. Прочность шва не уступает прочности основного металла. Сварка применяется для соединения ответственных деталей типа стержней, толстостенных труб, рельсов.

При стыковой сварке сопротивлением торцовые поверхности заготовок выравниваются, заготовки соединяются. Включается ток, нагрев ведется до пластичного состояния металла. Способ стыковой сварки оплавлением не требует предварительной обработки торцов. Подается напряжение, заготовки соединяются. Неровности поверхности торцов оплавляются и выдавливаются на край шва.

Т очечная сварка. Изделия свариваются в отдельных точках. Заготовки собирают внахлест и сжимают между медными электродами, подключенными к трансформатору (рис. 12.12,б). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются более медленно (до пластичного состояния), чем внутренние поверхности (до расплавления). После выключения тока и снятия давления образуется литая сварная точка. Прочность сварного соединения высокая. Способ применяют в массовом производстве: сварка кузовов легковых автомобилей, сборка электрических схем.

Шовная (роликовая) сварка осуществляется по линии качения роликов (рис. 12.12,в). Листовые заготовки 1 собирают внахлест между роликами – электродами 2, подключенными к вторичной обмотке трансформатора, работающего в импульсном режиме. При прокатывании роликов происходит образование сплошного шва состоящего из ряда перекрывающихся сварных точек. Как и при точечной сварке, внутренние слои нагреваются до расплавления. Сваривают: листы из низкоуглеродистой стали, латуни, бронзы, алюминиевые сплавы.

Конденсаторная сварка – разновидность контактной сварки. Она бывает стыковой, точечной и шовной. При разрядке конденсатора накопленная энергия за короткое время преобразуется в тепло, которое используется при сварке деталей в основном небольшой толщины.

Диффузионная сварка. Отличительная особенность этого вида от других способов сварки давлением – применение не высоких температур нагрева (0,7 Т_пл) и низких сжимающих давлений (0,5 МПа) при длительной изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Свариваемые заготовки тщательно зачищают, собирают, сжимают и нагревают выше температуры рекристаллизации в вакууме или среде инертных и защитных газов (гелий, аргон, водород) для предотвращения окисления свариваемых заготовок. В результате пластической деформации происходит сближение свариваемых поверхностей по микровыступам и идет взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях. Плавление металла отсутствует, свойства после сварки изменяются незначительно, остаточные напряжения и деформации минимальны. После снятия давления изделие дополнительно выдерживают при температуре сварки для полного протекания рекристаллизационных процессов, способствующих формированию качественного соединения. По окончании сборку охлаждают в вакууме, инертной среде или на воздухе в зависимости от типа оборудования. Метод применяется для высококачественного соединения материалов, которые обычными методами сварки соединить трудно или невозможно. Сваривают сталь с ниобием, титаном, чугуном, вольфрамом; металл со стеклом, графитом, керамикой; композиционные и порошковые материалы и др.

С варка трением является разновидностью сварки давлением. Заготовки прижимаются друг с другом торцами, одна из них вращается (рис. 12.13). Механическая энергия трения превращается в тепло: заготовки разогреваются до пластичного состояния. Неровности и оксидные пленки разрушаются. Пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях. Выдавленный металл (грат) имеет характерную форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны от плоскости стыка. Вращение быстро останавливается и заготовки сдавливаются дополнительной силой Р. При пластической деформации между атомами свариваемых заготовок возникают связи, образуется сварное соединение. Возможности применения сварки трением ограничиваются формой и размерами сечения свариваемых деталей. Сваривают: цилиндрические заготовки сплошного сечения, трубы диаметром до 140 мм.

С варка взрывом – способ, основанный на использовании энергии взрыва (рис. 12.14). Привариваемая (подвижная) листовая заготовка 2 с взрывчатым веществом 4 и детонатором 5 располагается под углом к неподвижной заготовке (мишени) 1, укрепленной на опорной плите 3. При взрыве образуется ударная волна и происходит соударение поверхностей заготовок. Процесс длится доли секунды. Кумулятивная струя разрушает и уносит оксидные пленки с поверхностей. В зоне соударения металл течет подобно жидкости, и образуется прочное соединение по всей плоскости. Сваривают: листовые заготовки большой площади из разнородных металлов (биметаллические пластины), из нержавеющих сталей, цветных металлов, тугоплавких сплавов, которые трудно поддаются обычным способам сварки.

Х олодная сварка – способ сварки без нагрева, только за счет пластической деформации металла в местах соединения. Металл заготовок должен быть достаточно пластичен при комнатной температуре (алюминий, медь, серебро, цинк, никель и их сплавы). Для холодной сварки (рис. 12.15) зачищенные детали 1 устанавливаются внахлестку между пуансонами 2, имеющими рабочую часть 3 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит деформация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная часть пуансонов ограничивает глубину их погружения в металл и уменьшает коробление изделия. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения (сварка полых деталей по контуру, проволоки и шин встык).

И ндукционная и контактная сварка труб. Заготовка трубы 1 перемещается поступательно и дожимается обжимными роликами 4. Зазор до сварки регулируется так, чтобы кромки были расположены под острым углом и сходились в точке сварки. При сдавливании разогретых кромок заготовки происходит сварка. Ток подводится к заготовке через контакты 2 (рис. 12.16,а), либо от лампового или машинного генератора к спиральному индуктору 2 (рис. 12.16,б). При прохождении по индуктору переменного тока высокой частоты в металле наводятся вихревые токи, и он нагревается. Бесконтактный индукционный способ подвода тока к заготовке более рационален. В зависимости от частоты тока нагрев может происходить как с оплавлением, так и без оплавления поверхностей. Температура на поверхности выше по сравнению с внутренними слоями за счет скин-эффекта. Для уменьшения утечки тока помимо места сварки в трубу вводится ферритный сердечник 3. Способ применяют для сваривания шовных труб на непрерывных станах.

К узнечная (горновая) сварка. Процесс состоит из следующих операций: подготовка торцов, нагрев, сварка, проковка шва. В зависимости от толщины поковок, подлежащих сварке, их торцы подготавливают различным способом (см. рис. 12.17). Тонкие прутки предварительно нагревают и сваривают встык. Изделия толщиной до 100 мм сваривают внахлестку. При толщине концов более 600 мм применяют сварку в разруб (или в паз): концы заготовок нагревают, один осаживают и затем разрубают, а другой вытягивают клином.

П осле подготовки изделия нагревают в кузнечном горне до 1300 °С до белого каления. Во время нагрева сталь покрывается окалиной. Для ее удаления используется флюс – мелкий чистый кварцевый песок, бура, борная кислота. Флюс сплавляется с окалиной, образуя легкоплавкий шлак. Тонкая пленка шлака предохраняет сталь от дальнейшего окисления. Нагретые поковки очищают от шлака, кладут на наковальню и доковывают стык.

Разновидность кузнечной сварки – газопрессовая сварка: место сварки нагревается пламенем горелок, соединение происходит при сдавливании. Применяется при сварке газо- и нефтепроводов.

Ультразвуковая сварка. Сварное соединение образуется под действием ультразвуковых (частотой 20-40 кГц) колебаний и сжимающих давлений, приложенных к свариваемым деталям. Ток от ультразвукового генератора (рис. 12.18) подается на обмотку магнитострикционного преобразователя (вибратора), который собирается из пластин толщиной 0,1-0,2 мм. Материал пластин способен изменять свои геометрические размеры под действием переменного магнитного поля. Вибратор соединяется с концентратором (инструментом). Колебательные движения ультразвуковой частоты разрушают неровности поверхности и оксидный слой. Воздействие на соединяемые детали механических колебаний сварочного волновода и небольшого давления создаваемого концентратором обеспечивает течение металла в зоне соединяемых поверхностей без внешнего подвода тепла. За счет трения, вызванного возвратно-поступательным движением сжатых контактирующих поверхностей, происходит разогрев поверхностных слоев заготовок. Трение не является доминирующим источником теплоты, но его вклад в образование сварного соединения является существенным. Ультразвуковая сварка применяется для соединения металла небольших толщин, для сварки полимерных материалов.

Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых заготовок (рис. 12.19).