Простейшая схема ультразвуковой сварки металлов предста­влена на рис. 187, а. Свариваемые детали 4 помещают на массивной опоре 5. Наконечник 6 рабочего инструмента 3 соединен с двигате­лем магнитострикционного преобразователя 1 через трансформа­тор 2 продольных упругих колебаний, представляющий вместе с рабочим инструментом волновод. При включении преобразова­теля в цепь высокочастотного генератора (обычно 18—30 кгц) создающееся в нем переменное магнитное поле приводит к периоди­ческому удлинению и укорочению сердечника. Продольные упру­гие колебания усиливаются в волноводе и через наконечник 6 передаются в свариваемые детали в виде сдвиговых колебаний. Амплитуда этих колебаний обычно не превышает20—30мкм.

Ее максимальное значение огра­ничивается усталостной проч­ностью материала волновода,

Рис. 187. Схемы ультразвуковой сварки металлов:

а — инструментом, совершающим продольные колебания; б — инструментом, нагружен-
ным присоединенной массой и совершающим нзгибные колебания

испытывающего знакопеременные напряжения, пропорциональные амплитуде колебаний.

При ультразвуковой сварке соединяемые детали должны быть сжаты нормальной силой N. В рассматриваемой схеме эта сила создается моментом М в узле колебаний. Дополнительные изгиб - ные напряжения понижают работоспособность волновода. Этот недостаток устраняется в схеме (рис. 187, б) с инструментом 3, передающим изгибные напряжения, к концу которого в узле ко­лебаний присоединяется масса, создающая усилие N.

Колебания инструмента передаются свариваемым деталям и опоре. Однако амплитуды колебаний инструмента верхней и нижней деталей £в. а и д и опоры £0, естественно, различны. В зависимости от материала свариваемых деталей, состояния поверхности и формы рабочего инструмента, а также параметров процесса (в первую очередь амплитуды и усилия ^распределение этих амплитуд различно. Изменение амплитуд колебаний в ходе сварки Константина (б = 1,6 мм) с железом (6 = 8 мм) при N = = 200 кг и |ы = 12 - И4 мкм показано на рис. 188, а {13]. Разности амплитуд — 1„.д, Ъе. д — %Н'д и |н. а — £0 соответствуют вза­имному смещению инструмента по отношению к верхней детали, свариваемых деталей между собой и нижней детали по отношению к опоре. В рассматриваемом частном случае д ^ 2 -4-

-ь 4 мкм д—д 5 - ч - 8 мкм и д — £0 2 мкм. В зависимости

от величины взаимного смещения оно может сопровождаться об­щим проскальзыванием одного элемента относительно другого или

соответствовать стадии предварительного

циальной сил приводит только к местному проскальзыванию в ограниченной зоне контакта (при о >/*>«', см. рис. 175, а).

Некоторые исследователи в за­висимости от наличия или от­сутствия общего проскальзыва­ния между свариваемыми дета­лями различают два варианта процесса [46, 107, 205]. Однако, как отмечается в работе 1107], для образования прочного сое­динения и в режиме предвари­тельного смещения необходимо, чтобы его амплитуда (£„. н — gH. д) приближалась к пороговому значению, т. е. к переходу в ре­жим общего скольжения. При этом почти вся поверхность контакта деталей охватывается процессом трения.

Ультразвуковая сварка начинается со сглаживания поверх­ностных неровностей. Например, при сварке меди толщиной 1 + 1 мм (N = 4(J(J кГ, = 13-Я 4 мкм и £».а-£«.о = Ь мкм) уже через U, 1 сек заметно сглаживание поверхности (рис. 189). Пластическая деформация при этом способствует разрушению окисных пленок, фрагменты которых остаются в соединении в виде отдельных включений. В зависимости от свойств окислов и тем­пературы эти включения имеют округлую форму, например при сварке меди (рис. 190, с), или представляют собой плоские осколки [9]. При турбулентном характере деформации (см. ниже) окисные включения внедряются в металл на большую глубину. Рассошин- ский А. А. и др. отмечают, что толщина включений на несколько порядков больше толщины исходной пленки [119]. Это свидетель­ствует об одновременном разрушении пленок и интенсивном оки­слении, которому способствует активное состояние трущихся ме­таллических поверхностей. Таким образом, при ультразвуковой сварке, как и при сварке трением, защита от окисления отсутству­ет — создаются лишь благоприятные условия для удаления оки­слов.

Условия формирования соединения при ультразвуковой сварке зависят от распределения амплитуды колебаний инструмента в си­стеме инструмент—свариваемые детали—опора. Эту зависимость легко проследить при анализе температурного поля в свариваемых деталях и характера их пластической деформации.

Одна из схем измерения температуры представлена на рис. 191,а [134]. В тело свариваемых деталей были зачеканены хромель-

а — включения окислов по линии сое­динения образцов из меди; б — сварка алюминия АВООО (6=1 + 1 мм; N — 100 кГ; 15 мкм); X 600; в—то

же. N=220 кГ. £ = 4 мкм, t= 0,15 сек;
X 200; [107]

копелевые термопары диаметром 0,2 мм, а температура в контактах инструмента с верхней деталью и между деталями измерялась естественной термопарой железо—константан. При этом удалось измерить усредненную температуру контакта, а не ее максималь­ное значение в месте фактического контакта между трущимися поверхностями. Для устранения шунтирования термоэлектродви­жущей силы случайными контактами, лежащими вне центральной зоны, за её пределами между свариваемыми деталями проклады­вали тонкую изоляцию.

Истинную температуру при ультразвуковой сварке оценивали на образце из исследуемого металла (алюминия, меди, молибдена), зажатом па сварочной установке в паре с пластинкой из прозрач­ного материала так, чтобы через нее можно было видеть нагретые точки на трущихся поверхностях при включении ультразвука [217]. Наблюдаемая температура достигла у молибдена 1400° С, а у меди и алюминия в зависимости от параметров процесса она

а — расположение термопар (/ — сталь; 2 — констангаи; 3 — тефлоновая прокладка; 4 — армко-железо); б — распределение темперагуры в верхней (константан С = 0,65 мм) и нижней деталях (железо 6 = 10 мм); в — типы термических циклов [134]; г — изме­нение температуры в контакте деталей (медь) во время сварки (У — при наличии общего скольжения в контакте деталей; 2 —без обцего скольжения) [107] лежала в интервале красного и белого каления. Таким образом, локальная температура при ультразвуковой сварке может дости­гать температуры плавления. При сварке меди по периферии соеди­нения обнаружили шарики закристаллизовавшегося металла[217].

Распределение температуры при сварке константана с железом, полученное ее измерением по схеме на рис. 191, а в различные мо­менты времени, указывает на наличие трех источников тепла (рис. 191, б): а) в контакте инструмент—деталь; б) в контакте между свариваемыми деталями и в) по наружному периметру кон­такта, о чем свидетельствует интенсивное повышение температуры через 0,13—1,0 сек в зоне, расположенной на расстоянии 1,5 мм от оси соединения. Первые два источника связаны с трением в кон­тактах; третий — либо с увеличенной амплитудой проскальзы­вания на их периферии, либо с энергичным передеформированием металла в этой зоне под действием ультразвуковых колебаний.

Следует отметить, что даже усредненная температура в зоне сварки выше температуры рекристаллизации. Например, средняя температура в контакте свариваемых деталей равна: для алюминия и его сплавов 300—350° С; меди 400—450° С; титана 500—600° С [134].

Очевидно, что при ультразвуковой сварке наиболее полезным является тепловыделение в контакте соединяемых деталей. Интен­сивный нагрев контакта инструмент—деталь, свидетельствующий о большой амплитуде их взаимного смещения, ведет к износу ин­струмента и повреждению поверхности детали. Обычно взаимное скольжение сопровождается значительной пластической деформа­цией, распространяющейся на большую или меньшую глубину в тело деталей.

В зависимости от распределения температуры в зоне сварки Л. Л. Силин и др. различают несколько типичных термических циклов [ 134 ]. Два из них схематически представлены на рис. 191, в (Тх —температура в контакте инструмент—деталь; Тг — в кон­такте между деталями). Там же схематически показаны контуры соответствующей зоны интенсивной пластической деформации, определенные металлографически.

Лучшие результаты дает цикл А, при котором Тг быстро дости­гает максимума, взаимное скольжение инструмента и верхней де­тали прекращается и Т2 стабилизируется. При этом получают со­единения устойчивого качества при малом износе инструмента и незначительном повреждении поверхности верхней детали. По­вышение Ту к концу процесса можно объяснить теплопередачей из зоны соединения через верхнюю деталь. Совершенно неприем­лем цикл Б, при котором, по существу, взаимное скольжение идет только в контакте инструмент—деталь и полностью отсутствует в зоне сварки, нагрев которой осуществляется только за счет теп­лопередачи. В этом случае получить прочное соединение не удается, несмотря на затрату большой энергии и широкую зону пластиче - 296

ской деформации. Тип термического цикла зависит от многих па­раметров: амплитуды усилия Nm, материала, состояния поверх­ности и формы наконечника инструмента; материала и состояния поверхности свариваемых деталей и др. Очень существенна роль Ъи и N.

Уже упоминалось, что иногда различают два типа процесса в зависимости от наличия или отсутствия общего скольжения в кон­такте свариваемых деталей. При достаточно высоком усилии N и умеренной амплитуде удается получить соединения повышен­ной прочности (табл. 44). При этом усредненная температура в кон­такте свариваемых деталей растет медленно (кривая 2, рис. 191, г)

и остается существенно ниже, чем при сварке с общим скольже­нием (кривая /). Однако во всех случаях кинетика формирования соединения имеет близкий характер: после сглаживания и очистки контактирующих поверхностей между ними образуются узлы схватывания, площадь которых по мере разогрева контакта уве­личивается, пока она не охватит всю контактирующую поверх­ность. Как показал Н. А. Ольшанский, увеличение разрушающей нагрузки соединения с удлинением времени сварки связано не с по­вышением его удельной прочности (которая почти не меняется), а с ростом площади этого соединения [111]. Обычно установившая­ся прочность соединения получается вскоре после достижения ма­ксимальной температуры в зоне контакта свариваемых деталей (рис. 192).

Возникает принципиальный вопрос: когда формируется соеди­нение — еще в процессе действия ультразвуковых колебаний или только в момент их прекращения. По-видимому, как при наличии общего проскальзывания, так и, тем более, при сварке в условиях предварительного смещения соединение начинает формироваться еще в процессе ультразвуковых колебаний. Узлы схватывания, образующиеся между контактирующими поверхностями после до­статочного их нагрева (а локальная температура в контакте может

приближаться к точке плавления), могут не разрушаться в результате пластической деформации окружаю­щего их металла. Эта деформация существенно облегчается благодаря одновременному действию нормаль­ной и тангенциальной сил. В зависи­мости от амплитуды взаимного сме­щения деталей (1„. д — д) деформа­ция в зоне соединения меняет свой характер. При значительном смеще­нии наблюдается турбулентная дефор­мация (см. рис. 190, б); при относи­тельно малом смещении деформация равномерна. В структуре при этом хорошо видны общие зерна (см. рис. 190, в). Характер деформации обычно различен в центральной зоне и на периферии соединения [19]. В центре, где велики нормальные напряжения сжатия, а смещение относительно мало, турбулентной деформации нет и осколки раздробленной окисной пленки постепенно перемещаются к краю; на периферии напряжения сжатия могут переходить в растяги­вающие.

При одной и той же амплитуде колебаний инструмента (£„) ампли­туда взаимного смещения деталей (!„. д — %н. д) зависит от силы N (или пропорционального ей удельного давления р в зоне соединения), что показано на рис. 188, б для сварки меди толщиной 1 + 1 мм. В этом случае рабочий диапазон удельных давлений, обеспечи­вающий д — а — 12 - ИЗ мкм и получение прочного соедине­ния, оказался равным 4—12 кГІмм2 (при % 25 мкм).

Значительная пластическая деформация в зоне соединения при воздействии ультразвуковых колебаний приводит к возникнове­нию и движению множества дислокаций и к образованию большого количества вакансий. Все это способствует резкому ускорению диф­фузии в этой зоне, которое наиболее заметно проявляется при сварке разноименных металлов. Ряд исследований на микрорент- геновском анализаторе показал, что в зависимости от характера процесса диффузия проявляется в различной степени. Так, при сварке титана с медью было установлено проникновение меди в титан на глубину до 4 мкм от линии соединения и соответственно титана в медь на 2,5мкм с образованием твердых растворов и интер - 298

металлидной фазы [57]. В то же время X. Даниэльс, осуществляя сварку разнородных металлов с относительно малой амплитудой, не обнаружил диффузии (при разрешающей способности микроана­лизатора 1 мкм) [183]. Следует отметить, что в работе [107] даже при сварке по «оптимальному» режиму, т. е. при умеренной ам­плитуде колебаний и большой силе N в соединении меди с алюми­нием, наблюдалась интерметаллидная прослойка, свидетельствую­щая об относительно высокой температуре в их контакте при сварке.

Нагрев и значительная пластическая деформация, сопровождае­мые разрушением окисных пленок, способствуют образованию прочных соединений. Возможна ультразвуковая сварка (рис. 193) как взаимно растворимых (Си—Ni и др.), так и нерастворимых металлов (Fe—Ag, Си—Мо и др.), а также металлов, образую­щих интерметаллиды (Си—Al, Fe—Ті и др.).

Необходимая амплитуда колебаний быстро растет с увеличе­нием толщины свариваемых деталей 1217]. Максимальная ампли­туда этих колебаний, как правило, ограничивается прочностью волновода при действии циклических напряжений. В результате этого ультразвуковая сварка практически применима для присоеди­нения детали небольшой толщины (обычно до 1 —1,5 мм) к ниж­ней детали любой толщины. ВІесмотря на существенные достоин­ства (отсутствие небольшой макропластической деформации, воз­можность соединения одноименных и разнородных металлов при резком различии деталей по толщине), ультразвуковая сварка пока получила ограниченное применение. Это связано с некоторой неустойчивостью распределения колебаний в системе инструмент— свариваемые детали—опора, понижающей стабильность качества соединений, а также с наличием взаимного смещения между инструментом и верхней свариваемой деталью, иногда ведущего к повреждению поверхно­сти этой детали.

ностные пленки и между чистыми металлическими поверхностями, интенсивно нагреваемыми со значительной пластической деформа­цией, способствующей их выравниванию, возникают узлы схваты­вания. Л. Л. Силин идр. считают, что в конечной стадии процесса эти узлы могут подвергаться значительной деформации турбулентного характера без разрушения и сварное соединение, таким образом, уже существует до прекращения ультразвуковых колебаний [134]. Этой же точки зрения придерживаются А. А. Алов и В. Байер, ко­торые для объяснения относительно легкого взаимного переме­щения уже соединенных деталей в процессе действия ультразву­ковых колебаний вводят понятие о квазижидком состоянии поверх­ностных слоев металла [9]. Вряд ли можно ожидать, что в усло­виях ультразвуковой сварки при действии небольших нормальных и тангенциальных сил твердый металл может перейти в квази- жидкое состояние, возможное только в условиях чрезвычайно вы­соких трехосных напряжений (например, в условиях сварки взры­вом). Однако в ряде случаев вероятно образование тонкой пленки жидкого или полужидкого металла.

Отсутствие прямых экспериментальных данных оставляет воп­рос о моменте формирования соединения (при действии ультра­звуковых колебаний или после их прекращения) открытым.

Положительный эффект ковочного давления, показанный в ра­боте [9 ], свидетельствует о том, что завершающая стадия процесса, протекающая после отключения ультразвуковых колебаний, также играет важную роль в формировании соединения. Это все же не дает основания считать, что при ультразвуковой сварке роль коле­баний сводится только к нагреву поверхностных слоев металла и разрушению окисных пленок [1]. По-видимому, еще при дей­ствии этих колебаний начинается формирование соединения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ основных технологических процессов сварки давлением в твердом состоянии показал, что при сварке металлов разрушение поверхностных окисных пленок является одним из обязательных условий образования соединений с высокими механическими свой­ствами, хотя при достаточно продолжительном нагреве возможно ее осуществление и через окисные пленки, но, как правило, при пониженных пластических свойствах соединения.

Второе, достаточно очевидное условие выполнения сварки давлением — образование между соединяемыми поверхностями физического контакта. Однако даже наличия физического контакта между чистыми поверхностями реальных металлических тел еще недостаточно для их сварки в твердом состоянии; для этого необ­ходима некоторая активация атомов на соединяемых поверхно­стях; механическая за счет движения дислокаций и вакансий при пластической деформации или термическая. Нельзя считать вполне установленным, нужна ли такая активация для взаимной «под­стройки» атомов на соединяемых поверхностях или также для частичного разрыва связей этих атомов со своими соседями.

Способность к схатыванию и к сварке в твердом состоянии как одноименных, так и разноименных металлов и сплавов весьма различна и зависит от рода соединяемых металлов, а также от особенностей применяемого технологического процесса. Нет экс­периментальных оснований для того, чтобы считать невозможным схватывание в твердом состоянии тех или иных разноименных ме­таллов, тем более это справедливо для одноименных металлов. Ни резкое различие в размерах атомов, ни отсутствие взаимной растворимости, ни различие в типе кристаллической решетки не являются препятствием для схватывания разноименных металлов. Трудности, нередко встречающиеся на пути получения прочного соединения при сварке давлением как одноименных металлов (на­пример, железа при холодной сварке), так и разноименных, по - видимому, связаны не с их неспособностью к схватыванию, а с не­возможностью сохранения образовавшихся узлов схватывания при возврате к нормальным условиям (снятии внешнего давления, охлаждении до каинатной температуры). Однако необходимы даль­нейшие исследования для того, чтобы однозначно установить вза­имосвязь условий образования прочных соединений при сварке давлением с теми или иными физическими свойствами и особен­ностями строения соединяемых металлов и сплавов.

'Mb