ТЕОРИЯ сварочных процессов

Прессовые процессы

СПОСОБЫ ТЕРМОПРЕССОВОЙ СВАРКИ

Термопрессовая сварка (ТП) осуществляется нагревом с при­ложением сопутствующего или последующего давления или при их сочетании. В большинстве П-процессов используют последую­щее давление, обеспечивающее осадку соединения.

Значительная часть П-процессов может быть реализована с теми же источниками нагрева, что термические (Т-процессы). Исключение составляет контактная сварка, где давление обяза­тельно как элемент образования контакта для генерации теп­лоты.

К наиболее распространенным способам ТП-сварки следует отнести контактную сварку со всеми ее разновидностями: газо­прессовую, дугопрессовую и сварку в тлеющем разряде с дав­лением; индукционно-прессовые способы сварки, диффузионную сварку и, наконец, различные способы кузнечной сварки — са­мого первого сварочного процесса, осуществленного человеком и до сих пор применяющегося в различных модификациях (сварка на кузнечно-прессовом оборудовании, сварка прокаткой, сварка волочением).

Схема классификации процессов контактной сварки (наибо­лее обширной группы ТП-процессов) приведена на рис. 4.1.

Способы ногреба и защиты при дисрсрузионной сборке

I

Способ защиты

Вакуум

Инертная среда —

АктиВные среды —

- Проходящим током

- Тлеющим разрядом

Рис. 4.2. Классификация способов нагрева и защиты при диффузионной сварке

Кроме основных пара­метров — температуры нагрева Т и давления р — характер ТП-процессов в значительной мере опре­деляется временем свар - . ки t. Если в обычных ТП - процессах время свар­ки составляет единицы и десятки секунд, то в диф­фузионных оно может сос­тавлять несколько десят­ков минут.

Поскольку диффузион­ный процесс можно обес­печить с различными ис­точниками нагрева, целе­сообразно не выделять диффузионную сварку как отдельный метод, а счи­тать ее способом и клас­сифицировать по схеме, приведенной на рис. 4.2.

Контактная сварка. Этот процесс применяют только для сварки метал­лов н основным источ­ником энергии в нем слу­жит теплота, выделяемая электрическим током в зо­не контакта соединяемых деталей, электрическое сопротивление которой выше сопротивления ос­новного металла. Некото­рое количество теплоты при контактной сварке может выделяться и в объеме свариваемых дета­лей вследствие работы электрического тока при прохождении через внут­ренний объем деталей, имеющих некоторое элек­трическое сопротивление.

Для процессов «токо­вой пайки» и поверхност­ной сварки по методу Игнатьева выделение

джоулевой теплоты в объеме деталей является доминирующим фактором, а выделение теплоты в контакте электрод — деталь незначительно.

Давление при контактной сварке служит как для формиро­вания устойчивого электрического контакта с определенными характеристиками, так и для последующего деформирования (проковки) зоны сварочного соединения с целью улучшения структуры сварного шва и уменьшения деформаций и напряже­ний в зоне сварки. Количество энергии, затрачиваемое на созда­ние давления при контактной сварке, обычно невелико и состав­ляет всего несколько процентов от общей вводимой энергии.

Общее количество теплоты Q, выделяемое в электрическом контакте, в соответствии с законом Джоуля—Ленца определя­ется как

Q = I2Rt, .

где I — ток, текущий через контакт; R — контактное сопротив­ление; t — время.

Для реальных металлов значение R обычно мало (единицы — десятки микроом), время t также нельзя выбирать большим из-за возможности газонасыщения металла при сварке (обычно это доли секунды). В результате для выделения достаточного коли­чества энергии при контактной сварке необходимо применение значительных токов /, что в основном и определяет специфику оборудования для контактной сварки. Эта специфика состоит в том, что контактная сварочная машина при непосредственном питании от сети должна кратковременно потреблять значитель­ную мощность, (десятки и сотни киловатт). Это крайне невы­годно с энергетической точки зрения и для процессов контактной сварки в ряде случаев стараются применять системы электро­питания с накоплением энергии (в конденсаторах, аккумулято­рах, вращающихся маховиках). Такое сварочное оборудование равномернее загружает питающую сеть, имеет меньшую сред­нюю установочную мощность, но обычно дороже и сложнее в эксплуатации.

При контактной сварке принципиально возможно вести про­цесс в двух вариантах: 1) с нагревом металла до высокопластич­ного состояния без плавления; 2) с плавлением металла в зоне сварки и образованием литой структуры (литого ядра).

Оба эти процесса находят промышленное применение, однако сварка с плавлением энергетически выгоднее, так как сопротив­ление переходного контакта в этом случае обычно больше и тре­буются меньшие сварочные токи. Кроме того, образование лито­го ядра — известная гарантия получения качественного сварного соединения, так как ядро может быть значительно более просто проконтролировано, чем зона деформации при сварке без плав­ления.

Сварка токами высокой частоты (ТВЧ). Применение токов повышенной частоты (2,5...450 кГц) позволяет благодаря воз­никающему при этом поверхностному эффекту (иногда его назы­вают «скин-эффектом») локализовать выделение теплоты в опре­деленной, достаточно узкой зоне, что представляет определенный интерес для целей сварки и наплавки.

Кроме того, при высокой частоте возможна бесконтактная передача энергии в зону сварки даже сравнительно тонкостен­ных деталей в результате наведения в свариваемых кромках вихревых токов при помощи индукторов.

Достоинства высокочастотного нагрева легли в основу не­скольких разновидностей процессов сварки и пайки, применяе­мых в промышленности.

При сварке металлов ТВЧ процесс может вестись как плавле­нием соединяемых кромок, с образованием сварочной ванны, так и давлением, в результате последующей пластической де­формации.

Относительная сложность и энергоемкость оборудования для сварки ТВЧ делают эти процессы наиболее приемлемыми для сварки в условиях непрерывного производства (изготовление труб, специальных профилей, биметаллических лент), где необ­ходимо обеспечить большую скорость сварки (десятки метров в минуту), так как процесс сварки обычно представляет собой лимитирующее звено в общей достаточно сложной и дорогой цепи технологического оборудования.

Нагрев ТВЧ применяют и для сварки пластмасс, однако частота используемого там тока значительно выше — до 40 МГц, причем свариваться могут лишь пластмассы с относительно боль­шим тангенсом угла диэлектрических потерь (lg б) —полиметил - метакрилат, поливинилхлорид и т. д.

КУЗНЕЧНАЯ СВАРКА

Кузнечная сварка возникла в ходе освоения человечеством формообразования нагретого металла при кузнечной обработке, откуда и получила свое название.

Для осуществления кузнечной сварки металл сначала нагре­вают (чаще всего в печи) до «сварочного жара». Применительно к стали эта температура составляет 1500...1600 К - Затем соеди­няемые детали подвергают совместной проковке и в ходе нее вследствие пластической деформации образуется сварное соеди­нение.

Основным достоинством кузнечной сварки следует считать получение сварного соединения со значительной степенью де­формации металла шва, что повышает его механические ха­рактеристики и приближает их к свойствам основного металла.

Развитие технологии и оборудования кузнечно-прессового производства привело к возникновению нескольких разновиднос­тей кузнечной сварки, которые нашли применение в промыш­ленности:

1. Собственно кузнечная сварка, когда для осуществления процесса используют кузнечные молоты и гидравлические прессы.

2. Сварка прокаткой в результате совместной деформации деталей (чаще всего листов) при их прокатке. Этот процесс применяется при изготовлении различных биметаллических за­готовок, листовых теплообменников и т. д.

3. Сварка волочением, когда детали подвергают деформиро­ванию при их протягивании через специальную фильеру (воло­ку). Такая технология используется при изготовлении различ­ных биметаллических проволок, трубок, лент.

С энергетической точки зрения процессы кузнечной сварки достаточно выгодны, не требуют высококонцентрированных ис­точников энергии, но для их осуществления, как правило, не­обходимо сложное и металлоемкое кузнечно-прессовое оборудо­вание.