§ S3. СВАРКА ХОЛОДНАЯ. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ,

ВЗРЫВОМ, ТРЕНИЕМ, ДИФФУЗИОННАЯ

К сварке термомеханической и механической (давлением) относят несколько способов, которые были предложены сравнительно недавно и продолжают совершенствоваться.

Сварка холодная или прессовая осуществляется путем совместного пластического деформирования соединяемых материалов при ком­натной или более низкой температуре. Не исключено, что этот процесс применяли еще в глубокой древности для соединения бла­городных металлов, о чем свидетельствует анализ технологии из­готовления некоторых художественных изделий эпохи поздней бронзы. Поверхность деталей перед холодной сваркой тщательно обезжиривают и очищают от пленок оксидов. При совместном пла­стическом деформировании оксидные пленки окончательно раз­рушаются и вместе с другими загрязнениями выдавливаются из зоны сварки. В месте соединения возникают зоны атомно-чистых (ювенильных) поверхностей, где и происходит сварка.

Пластическое деформирование должно сопровождаться направ­ленным течением металла вдоль свариваемых поверхностей. При то­чечной и шовной сварке этим способом такое течение металла до­стигается во время сжатия металла глубокими пуансонами (рис. 171). Большая деформация — непременное условие образования прочного соединения. Пока деформация не достигнет некоторого критического значения (порога деформации — ПД), прочность низкая. Считают, что для большинства металлов оптимальная прочность достигается при деформации 70—80 %. При точечной сварке можно ограничиться вдавливанием пуансона только с одной стороны, подводя с другой стороны плоскую опору. При шовной сварке роль пуансона выпол­няет выступ на боковой поверхности ролика. Стыковая сварка (рис. 172) осуществляется непосредственно сдавливанием деталей. Стержни 1 зажимают в зажимах с насечкой 2. При осадке зажимы сближаются до соприкосновения и их острый край 3, как нож, отрезает выдавленный металл. Насечка на зажимах при сварке заполняется деформируемым металлом и препятствует проскаль­зыванию.

Холодной сваркой хорошо свариваются пластичные металлы, имеющие кристаллическую решетку гранецентрированной кубиче­ской формы (алюминий, медь, свинец, серебро, золото и др.). Сплавы свариваются хуже, чем одноатомные металлы. Холодной сваркой можно соединять и разнородные металлы, при этом не образуются хрупкие и втер металл иды в переходной зоне. Улучшает сварнвае-

8 Гуляев А. И СІП

Рис. 171. Схема холодной точечной или шовной сварки:

I — детали; 2 — рабочая часть пуансонов

Рис. 172. Схема холодной стыковой сварки

мость сплавов небольшой подогрев металла для увеличения пластич­ности.

Точечной сваркой успешно соединяют детали толщиной 0,1— 15 мм. Усилие на одну точку при сварке алюминия достигает в сред­нем 15—120 кН при давлении на рабочую поверхность пуансона 600—800 МПа.

Вылет стержня диаметром d при стыковой сварке для меди (1,25ч-1,5) d, для алюминия (1-М,2) d. При сварке алюминия с медью вылет медного стержня должен быть на 30—40 % больше, чем алю­миниевого. Давление при стыковой сварке составляет для алюминия 700—800 МПа, для меди 2000—2500 МПа, для меди с алюминием 1500—2000 МПа. Усилие зажатия образцов в зажимах с насечкой должно превышать усилие осадки более чем на 50 % при сварке алюминия и более чем на 80 % при сварке меди.

Скорость деформации места сварки в процессе сварки практи­чески не влияет на прочность соединения, поэтому производитель­ность холодной сварки может быть высокой.

Для осуществления холодной сварки внахлестку могут быть использованы любые прессы. Однако ВНИИЭСО и ИЭС нм. Е. О Па - тона разрабатывают специализированное оборудование для сварки различных деталей.

В современной промышленности наибольшее применение полу­чила холодная и прессовая сварка деталей из алюминия и алюминие­вых сплавов. Этими способами сваривают оболочки кабелей, корпуса полупроводниковых приборов, некоторые бытовые приборы, раз­личные каркасы, теплообменники и др.

Широко применяют холодную сварку проводов и шнн внахлестку и встык. Сварку такими способами выполняют как в цеховых, так и в монтажных условиях. В электротехнической промышленности холодную сварку используют для армирования медными пластин­ками контактных разъемных поверхностей алюминиевых шин.

Сварка ультразвуковая разработана в 1930—1940 гг. Сущность способа состоит в следующем. Два свариваемых металла сжимают устройством 2 между стальными наконечниками 3 с небольшим усилием (рис. 173). Один из электродов, связанный с электроме-

ханнческим преобразователем 5, колеблется с ультразвуковой ча­стотой (>20 кГц). Для получения механических колебаний исполь­зуют магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении размеров некоторых металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Генератором механических колебаний является своеобразный электромагнит, сердечник - которого изготовлен нз металлов с наибольшим магнитострикционным эффектом (никель, железокобальтовые сплавы, титанат бария и др.). Этот эффект уси­ливается волноводом 4, имеющим переменное сечение, что позво­ляет усилить амплитуду колебаний в 5 раз. Благодаря механиче­ским колебаниям очищается поверхность металла в месте соприкос­новения, происходит местное повышение температуры нагрева по­верхностных слоев металла. Это способствует испарению пленок жира и влаги и растрескиванию оксидных пленок. Дальнейшее сближение очищенных поверхностей приводит к межатомному взаимо­действию и образованию сварного соединения. Полностью процессы образования сварных соединений при этом способе сварки еще не изучены. Ультразвуковая частота создается специальным генера­тором 1. Опыт применения выявил следующие преимущества ультра­звуковой сварки:

сварка происходит в твердом состоянии, без существенного нагрева места соединения, что позволяет соединять химически активные металлы нли металлы, склонные к образованию хрупких интерметаллидов;

возможность соединения очень тонких металлов и ряда пласт­масс;

значительное снижение требований к очистке поверхности, а также возможность сварки плакированных и оксидированных деталей;

небольшое сжимающее усилие незначительно деформирует по­верхность детали;

небольшая энергетическая мощность оборудования.

Этот способ позволяет сваривать различные металлы и сплавы — алюминий, никель, высоколегированные стали, а также тугоплав­кие металлы — ниобий, тантал, молибден и др.

Ультразвуковую сварку широко применяют в микроэлектронике для приварки токоподводов к интегральным схемам. Токоподводы в виде тонких проволок диаметром 0,25—0,35 мкм или плоских проводников толщиной 0,1 мм из алюминия или золота приваривают к тонким пленкам из этих же металлов, напыленных па поверхности

полупроводниковых кристаллов. Ультразвуковую сварку исполь­зуют также для сварки пластмасс. Для применения ультразвуковой сварки в массовом производстве в нашей стране выпускается значительное количество в основном специализированного оборудо­вания.

На рис. 174 показан автомат для ультразвуковой сварки инте­гральных схем, распространенный в электронной промышленности. Этот автомат представляет собой трехкоордннатный робот, выпол­няющий установочные, сварочные и контрольные операции. Он пред­назначен для приварки выводов к металлическим пленкам, напылен­ным на полупроводниковые кристаллы. Производительность авто­мата до 120 сварок/мин. Управление автомата осуществляет ЭВМ.

В перспективе ультразвуковая сварка будет расширяться как самостоятельный способ, а также в сочетании с другими способами сварки (контактной, диффузионной) и пайкой.

Сварка взрывом разработана сравнительно недавно. В 1944— 1946 гг. акад. М. А. Лаврентьевым и его сотрудниками в институте математики АН УССР была установлена возможность сварки взры­вом. Соединение при этом способе получается в твердом состоянии в результате высокоскоростного соударения тел с помощью энергии взрывчатых веществ (ВВ).

Схема процесса представлена на рис. 175. Пластина 4 устанавли­вается на жесткое основание 5. Метаемая пластина 3 располагается над пластиной 4 на определенном небольшом расстоянии. На всю поверхность пластины 3 укладывают ВВ равномерным слоем 2. Заряд взрывают электродетонатором 1. Для сварки применяют ВВ

типа аммонитов и др.

При установившемся про - неесс сварки метаемая пластина на некоторой длине дважды перегибается (рис. 176) и ее наклонный участок со скоро­стью ок, равной скорости дето­нации, движется за фронтом детонационной волны, а уча­сток, на котором находится не - продетонированная часть заря­да ВВ, остается под действием

Рис. 175. Схема сварки взрывом пло­ских параллельно расположенных эле­ментов

Рис. 176„ Схема установившегося процесса соударения свариваемых пластин:

1 — фронт детонационной волны: 2 — фронт раз­лета продуктов взрыва В В; 3 — фронт волны раз­режения: D — скорость детонанни В В; и — ско­рость соударения пластин: t»K — скорость пере­мещения «динамического» угла встречи, соударяе - мых пластин в направлении сварки, — толщина метаемой (верхней) пластины; — толщина не­подвижной пластины; И — толщина слоя В В; h расстояние между деталями во время сварки;

■у — угол соударения двух пластин

сил инерции в исходном состоянии. В месте соударения двух пластин возникает давление в несколько тысяч МПа. В местах прикосновения пластин появляется тангенциальная составляющая скорости соуда­рения пластин в направлении движения фронта детонационной волны, вследствие чего происходит совместное деформирование поверхностных слоев свариваемых пластин и образуется сварное соединение. Профиль зоны соединения имеет волнообразный вид. Часть поверхностных загрязнений выносится под действием куму­лятивного эффекта.

Сварное соединение образуется в течение миллионных долей секунды в результате совместного пластического деформирования свариваемых поверхностей под большим давлением. Малая продол­жительность процесса исключает развитие диффузионных процессов, и хрупкие ннтерметаллиды не образуются. Этим способом можно сваривать плоские многослойные соединения, используя кольцевые заряды ВВ, приваривать наружную облицовку цилиндров, свари­вать биметаллические трубчатые переходники, приваривать трубы к трубным решеткам теплообменников. Сварку взрывом начинают применять и для стыковых нахлесточных соединений. Этим способом хорошо сваривается большинство пластичных металлов. Сварка хрупких металлов (чугун и др.) вызывает затруднения, так как они могут разрушаться при взрыве. Сваркой взрывом можно полу­чать соединения площадью до 20 м2.

Подготовка к сварке заключается в очистке поверхности до металлического блеска и обезжиривании ее перед сваркой. Затем детали собирают, фиксируя зазор проволочными штырями, а в ци­линдрических заготовках специальным конусом и кольцами. Заряды ВВ фиксируются контейнерами из картона. Плоские детали уста­навливают на жестком основании.

Сварку осуществляют на открытых полигонах, если масса заряда достигает десятков или сотен килограммов. Сварка изделий зарядом небольшой массы производится в вакуумных камерах, установлен­ных в цехе.

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для получения биметалла, для плакирования поверхности различных деталей, для соединения многожильных токопроводящих элементов и др.

К наиболее перспективным областям применения этого способа следует отнести: получение многослойных армированных компо-

знционных материалов, плакирование цветными металлами крупных изделий для химического и нефтяного машиностроения, изготовле­ние переходных элементов из трудносвариваемых металлов н спла­вов, соединение многожильных кабелей н др.

Сварка трением — один из новых способов, получивших раз­витие в нашей стране с 50-х гг. Возможность использования трения для получения сварного соединения была запатентована (США) еще в конце прошлого столетия. Развитию этого способа в наше время послужили работы токаря-новатора А. И. Чудикова и последующие работы во ВНИИЭСО.

При сварке трением (рис. 177) обычно обеспечивается вращение одной детали (рис. 177, а) или противоположное вращение двух деталей (рис. 177, б), сжимаемых усилием F. При трении происходит генерирование теплоты вследствие преобразования механической энергии в тепловую. Теплота образуется в тонких приповерхност­ных слоях металла в месте последующего образования сварного соединения. Это одно из основных преимуществ такого способа нагрева. Во время трения различные включения и загрязнения, пленки оксидов, покрывающие торцовые поверхности деталей, раз­рушаются и удаляются нз зоны сварки в радиальном направлении. Это способствует образованию ювенильных поверхностей. По до­стижении требуемой температуры вращение быстро останавливают и прикладывают усилие проковки, под действием которой продол­жает развиваться пластическое деформирование. В результате воз­никают металлические связи и процесс сварки заканчивается.

Основные преимущества сварки трением следующие: высокая производительность, высокое качество соединения, стабильность параметров процесса, возможность сварки большого количества одноименных и разноименных материалов. Кроме того, процесс легко поддается механизации и автоматизации, н оборудование для сварки трением успешно встраивается в механизированные потоки и автоматические линии.

Сварка трением отличается высокими энергетическими харак­теристиками процесса. Расход энергии и мощность машин для сварки трением в 5—10 раз меньше мощности оборудования для контактной сварки. При этом обеспечивается равномерная загрузка фаз сети и высокий коэффициент мощности.

Сваркой трением сваривают тела вращения сплошного, трубчатого сечения и Т-образные соединения (рис. 178). Установлена принци­пиальная возможность сварки деталей компактных сечеиий типа

квадрата, многогранника и др. На рис. 179 показан внешний вид и макроструктура соединений, выполненных сваркой трением.

Параметрами режима при сварке трением являются окружная скорость на поверхности детали (или частота вращения в единицу времени), усилие при нагреве и осадке. При сварке ннзкоуглеро - дистой стали скорость вращения выбирают равной 1 м/с, давление при нагреве 40 МПа и при проковке 80—100 МПа.

Поверхности трения перед сваркой необходимо очистить от масла и других загрязнений. Тонкие оксидные пленки на этих по­верхностях почти не влияют на процесс нагрева. Механические свойства сварных соединений, полученных трением, высокие.

Схема машины для сварки трением показана на рис. 180. Де­тали 6 зажимаются в двух зажимах 5 и 7. Зажим 5 вращается от электродвигателя 1 через ременную передачу 2, фрикционную муфту 3 п переднюю бабку 4. Невращающийся зажим 7 смонтирован на подвижном основании 8, через которое сжимающее усилие от штока рабочего цилиндра 9 передается на деталь. Фрикционная муфта 3 смонтирована вместе с тормозным устройством, они обеспечивают быструю остановку шпинделя.

Весь цикл работы машины выполняется автоматически после нажатия пусковой кнопки. На машине может быть установлена контрольная аппаратура, стабилизирующая качество соединения. Наиболее распространена аппаратура контроля процесса по времени нагрева или по величине осадки.

Машины общего применения для сварки трением серии МСТ выпускаются трех типоразмеров МСТ-23, МСТ-41 и МСТ-51. Мощ­ность их электродвигателей находится в пределах 10—75 кВт, частота вращения 12—25 с-1, усилие осадки 50—400 кН. На этом оборудовании можно сваривать заготовки диаметром 10—75 мм. Производительность машин 150—70 сварок/ч. Кроме этих машин разработано и успешно эксплуатируется много различных специаль­ных машин, предназначенных для сварки узкой номенклатуры дета­лей в условиях массового и крупносерийного производства.

Сварку трением успешно применяют для изготовления режущего инструмента — сверл, разверток, фрез, мерительного и другого инструмента из быстрорежущей и других инструментальных сталей. Сваркой трением обычно сваривают клапаны двигателей внутреннего сгорания, карданные валы автомобилей, балки задних мостов с флан­цами, различные тяги с вилками и многие другие детали.

В настоящее время в разных отраслях промышленности работает около 1000 ед. оборудования для сварки трением, на котором сва­риваются детали сечением 30—10 000 мм2. Несмотря на достигнутые успехи при исследовании и внедрении сварки трением, остается немало нерешенных задач. Предстоит освоить сварку новых мате­риалов и деталей, создать модульные конструкции, позволяющие производить сборку машин различного назначения из унифициро­ванных узлов, разработать системы программного управления, в том числе системы с самонастройкой на заданный режим.

Диффузионная сварка — разновидность сварки, при которой свар­ное соединение образуется в результате совместного давления и нагрева. Нагрев производится до сравнительно высоких температур при низком давлении и в течение длительного времени. При форми­ровании соединения преобладают диффузионные процессы. Диффу­зионную сварку обычно выполняют в вакууме, который препят­ствует окислению. Возможно осуществление этого процесса в за­щитных газах или жидких средах.

Способ разработан в 50-х гг. в нашей стране Н. Ф. Казаковым.

Преимущества диффузионной сварки: отсутствие в соединении расплавленного металла и связанного с ним резкого различия между структурами соединения и основного металла; малые пластические деформации сварного соединения; возможность сварки многих ме­таллов, сплавов и неметаллов в различных сочетаниях. Этот способ позволяет получить после сварки деталь, точную по размерам. Основной недостаток — низкая производительность, так как тре­буется много времени для создания вакуума и длительного нагрева.

Поверхность детали в месте сварки должна быть гладкой и чистой, при необходимости ее шлифуют или полируют н тщательно очищают от масла, оксидов и различных загрязнений. Затем деталь помещают в вакуумную камеру, где создается вакуум 132-10-3—132- 10_fi Па. После создания вакуума деталь нагревают чаще всего индукционным способом. Иногда применяют нагрев электроконтактный или ин­фракрасным излучением. Усилие сжатия прикладывают после вы­равнивания температуры и поддерживают постоянным в течение всего процесса. Известны также циклы с переменным усилием сжатия. Продолжительность выдержки под нагрузкой зависит от многих факторов и может достигать десятков минут.

Режимы сварки зависят от физико-химических и механических свойств свариваемого металла. Давление колеблется в пределах 3—100 МПа. Температуру нагрева для разных случаев выбирают в пределах (0,7ч-0,9) Тпл. С повышением температуры и увеличе­нием продолжительности нагрева обычно повышается прочность соединения.

Разнородные металлы при значительном различии свойств или неблагоприятной структуре соединений сваривают через прокладки.

Для диффузионной сварки выпускают специальные установки (рис. 181), которые обычно состоят из нескольких узлов. Свариваемые детали / помещают в рабочую камеру 3. Необходимое разрежение в ней создается воздушной системой 4, состоящей из насосов (обычно два) с аппаратурой их подключения к рабочей камере. Детали в камере сжимаются механизмом 7 с гидра­влическим приводом 5. Для нагрева деталей используется источник пита­ния 6 с индуктором и необходимой аппаратурой управления. Система охлаждения 2 обеспечивает отвод теплоты от индуктора и других частей установки. Для увеличения производительности на некоторых установках используют шлюзовые камеры, подключение которых уско­ряет создание необходимого ва­куума.

Диффузионной сваркой соеди­няют около 400 различных компо-
знциіі металлов, сплавов и неметаллических материалов. Этот способ применяют при сварке относительно мелких деталей. Способ не­прерывно совершенствуется в направлении освоения сварки новых композитных и других материалов.