Сварка металлов давлением

При всех способах сварки давлением происходит пластическая деформация в зоне соединения деталей. Деформировать металл, в месте соединения, можно с нагревом и без оного. Если металл нагревают, то до пластичного состояния или до расплавления.

Контактная сварка. Свариваемые заготовки нагревают пропуская электрический ток небольшого напряжения (3–10 В), но большой плотности (десятки кА на 1 см²). Место стыка обладает более высоким электрическим сопротивлением для прохождения тока (неровности поверхности, окисная пленка) чем свариваемые детали, поэтому здесь выделяется максимальное количество тепла. При разогреве соединяемых поверхностей до пластичного состояния к деталям прикладывается дополнительное усилие для формирования сварного соединения. 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. 15.12, а). Электрическая цепь замыкается, включается ток, в месте стыка торцы разогреваются. 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 очищаются и выравниваются. Сварочный ток подается после сжатия заготовок.

Способ стыковой сварки оплавлением не требует предварительной обработки торцов. На заготовки подается напряжение и только после этого они соединяются. Цепь работает в режиме короткого замыкания, все неровности на торцах деталей мгновенно оплавляются и выдавливаются на край шва, далее процесс сварки идет в обычном режиме.

Точечная сварка. Листовые заготовки свариваются в отдельных точках. Заготовки собирают внахлест и сжимают между медными электродами, подключенными к вторичной обмотке трансформатора (рис. 15.12, б). При пропускании тока поверхности, зажатые между медными электродами, нагреваются медленнее (только до пластичного состояния), а внутренняя точка контакта между листами в это время уже плавится. После выключения тока и снятия давления образуется литая сварная точка – ядро сварки. Прочность сварного соединения высокая. Аппаратами точечной сварки оснащают высокопроизводительные роботизированные автоматические комплексы по сборке кузовов легковых автомобилей и электрических схем в массовом и крупносерийном производстве.

Шовная (роликовая) сварка осуществляется по линии качения контактных роликов (рис. 15.12, в). Листовые заготовки 1 собирают внахлест и сжимают 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 соединяемых заготовок нагреваются до плавления. Используется сварка для получения герметичных сварных швов, при изготовлении тонкостенных сосудов низкого давления из низкоуглеродистой стали, латуни, бронзы или алюминиевых сплавов.

Конденсаторная сварка или сварка аккумулированной энергией, разновидность контактной сварки. Она бывает стыковой, точечной и шовной. При разрядке конденсатора накопленная энергия за короткое время преобразуется в тепло, которое используется при сварке тонколистовых малогабаритных деталей.

Диффузионная сварка. Отличие этого вида от других способов сварки давлением – низкие температуры нагрева (до 0,7 Т_пл) и длительная изотермическая выдержка (от нескольких минут до нескольких часов) при сжимающих давлениях до 0,5 МПа. Свариваемые заготовки тщательно зачищают, собирают, сжимают и нагревают выше температуры рекристаллизации в вакууме или среде инертных, защитных газов (гелий, аргон, водород) для предотвращения окисления свариваемых заготовок. В результате плавного развития пластической деформации происходит сближение свариваемых поверхностей на микровыступах, идет взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях. Плавления поверхностей не происходит, 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; металлы со стеклом, графитом, керамикой; композиционные и порошковые материалы и др.

Сварка трением – разновидность сварки давлением. Заготовки, цилиндрической формы прижимаются торцами, одна из них вращается. Работа трения превращается в тепловую энергию и трущихся торцевые поверхности свариваемых заготовок быстро разогреваются до пластичного состояния (рис. 15.13). Неровности и оксидные пленки разрушаются. Пластичный металл выдавливается из стыка в радиальных направлениях.

Выдавленный металл (грат) имеет характерную форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны от плоскости стыка. Вращающаяся заготовка мгновенно останавливается и соединяемые заготовки дополнительно сжимаются. При пластической деформации свариваемых заготовок возникают новые атомные связи, образуется неразъемное соединение

Возможности применения сварки трением ограничиваются формой и размерами сечения свариваемых деталей. Сваривают: цилиндрические заготовки сплошного сечения и трубы диаметром до 140 мм. Основное преимущество сварки трением перед стековой сваркой это возможность соединять заготовки из металлов с резко отличающимся удельным электрическим сопротивлением, например жаропрочный сплав с конструкционной сталью.

Сварка взрывом – способ, основанный на использовании энергии взрыва (рис. 15.14). 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, в воздушном зазоре между листами образуется ударная волна, которая разрушает и уносит оксидные пленки с соединяемых поверхностей. Процесс длится доли секунды, после чего заготовки соударяются уже чистыми поверхностями. В зоне соударения металл течет подобно жидкости и образуется плотное соединение заготовок по всей площади поверхности. Таким способом получают сварные швы с большой площадью поверхности на листовых заготовках из разнородных металлов (биметаллические пластины), из нержавеющих сталей, цветных металлов, тугоплавких сплавов, которые невозможно соединить другими способами сварки.

Холодная сварка – способ сварки без нагрева, только за счет пластической деформации металла в местах соединения Металл заготовок для такого способа сварки должен быть достаточно пластичен при комнатной температуре (алюминий, медь, серебро, цинк, никель и их сплавы).

Для холодной сварки (рис. 15.15) зачищенные детали 1 устанавливаются внахлестку между пуансонами 2, имеющими рабочую часть 3 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит глубокая пластическая 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 внахлест).

Индукционная 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. 15.16, а), либо от лампового или машинного генератора к спиральному индуктору 2 (рис. 15.16, б). При прохождении по индуктору переменного тока высокой частоты в металле наводятся вихревые токи Фуко, 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.

Кузнечная (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. Тонкие прутки предварительно нагревсваривают 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 (рис. 15.17).

После подготовки изделий проводится их нагрев в кузнечном горне до температуры не менее 1300 °С (до белого каления). За время нагрева поверхность стали покрывается слоем окалины. Для ее удаления используется флюс – мелкий чистый кварцевый песок, бура или 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 проковывают, формируя, прочный сварной шов.

Современная мобильная разновидность кузнечной сварки – газопрессовые передвижные сварочные комплексы, применяются сегодня при сварке газо- и нефтепроводов: место сварки нагревается пламенем газовых горелок, а формирование сварного соединения происходит при сдавливании разогретых торцов труб.

Ультразвуковая сварка. Сварное соединение образуется под действием ультразвуковых (частотой 20–40 кГц) колебаний и сжимающих давлений, приложенных к свариваемым деталям. Переменный ток ультразвуковой частоты подается от генератора (рис. 15.18) 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 через волновод, увеличивающий амплитуду колебаний преобразователя, соединяется с концентратором (сварочным инструментом). Высокочастотные колебательные движения концентратора легко разрушают оксидный слой на свариваемых поверхностях. Воздействие на соединяемые детали механических колебаний сварочного волновода и небольшое давление, создаваемое концентратором, обеспечивают течение металла в зоне соединяемых поверхностей без дополнительного подвода внешнего тепла. За счет трения, вызванного возвратно-поступательным движением сжатых контактирующих поверхностей, происходит разогрев поверхностных слоев свариваемых заготовок. Трение не является доминирующим источником теплоты, но его вклад в образование сварного соединения является существенным. Ультразвуковая сварка применяется для соединения металлических пластин небольшой толщины (0,01– 0,5 мм) и для сварки полимерных материалов.

Тип сварного соединения определяется взаимным расположением свариваемых заготовок (рис. 15.19).