СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Холодная сварка

Холодная сварка — это разновидность высокоинтенсивной свар­ки давлением без нагрева, при которой контактирование и акти­вирование свариваемых поверхностей происходит за счет вынуж­денной пластический деформации с предварительной тщатель­ной очисткой поверхностей от органических покрытий.

Холодная сварка появилась в 1947—1948 гг. в США. В СССР использование холодной сварки началось в 1949 г.

С позиций современного представления о трехстадийном меха­низме образования сварного соединения (контактирование, схва­тывание, релаксация) холодная сварка — это, как и при любом другом способе сварки, результат электронного взаимодействия возбужденных атомов соединяемых поверхностей.

Особенность механизма образования соединения при холод­ной сварке на каждой из трех стадий состоит в следующем.

Первая стадия — физическое контактирование, т. е. сближение поверхностей на параметр электронного взаимодействия соеди­няемых атомов путем пластического деформирования при меха­ническом сжатии деталей в холодном состоянии до полного смя­тия макронеровностей, волнистостей, микрошероховатостей, суб­микрошероховатостей. Так как все эти неровности и шероховато­сти в сумме не превышают 0,5 мм, то проблем со смятием и иде­альным согласованием контакта на первый взгляд нет. Только не­обходимо убрать со свариваемых поверхностей адсорбированные газы и органические пленки (жиры, масла), которые имеют свой­ство экранировать электронное взаимодействие даже при толщи­не в один атомный слой. Таким образом, главная особенность хо­лодной сварки — перед механическим контактированием деталей необходимо самым тщательным образом удалить органические пленки и любыми путями сохранить созданную чистоту. Это пер­вая особенность холодной сварки.

Для физического контактирования чистых поверхностей исполь­зуют механизм пластического деформирования. Пластичностью называют способность материала сохранять полностью или час­тично полученную под действием внешних сил деформацию по прекращению действия этих сил. Однако при пластическом де­формировании происходит крайне нежелательное явление — уп­рочнение (наклеп) шероховатого приконтактного слоя. При этом

коэффициент упрочнения достигает Ку = 3...4 значений предела текучести для данного материала. При таком большом упрочне­нии для полного завершения контактирования за счет пластичес­кой деформации необходимо усилие сжатия довести до 4 преде­лов текучести при сдвиге (осж = 4тт) свариваемых материалов (или одного из них). Это вторая особенность холодной сварки.

Вторая стадия — активирование поверхностных атомов при хо­лодной сварке происходит в процессе пластического контактиро­вания шероховатых поверхностей автоматически. Это объясняется тем, что главные напряжения и главные пластические деформа­ции совпадают и направлены перпендикулярно к плоскости кон­такта, куда и происходит сток свободных дислокаций. Такие дисло­кации несут с собой массу активированных (возбужденных) ато­мов. Взаимодействие встречных возбужденных атомов приводит к схватыванию поверхностей, т. е. к сварке соединяемых деталей.

Наконец, наступает третья стадия — релаксация (снятие) на­пряжений в объеме сварного соединения. В случае пластического кон­тактирования релаксация происходит мгновенно после прекра­щения действия внешних сжимающих сил. Так как межатомное взаимодействие на три порядка выше сжимающих сил, разрыв межатомных связей и разрушение сварного соединения в момент релаксации не происходит. Соединение сохраняется. Это третья особенность холодной сварки.

Основным недостатком холодной сварки является большая вы­нужденная деформация свариваемых деталей, достигающая для пластичных материалов 60...70%. Возникновение деформации объясняется теорией вынужденного деформирования (см. форму­лу (9.3)).

В условиях холодной сварки металл сварного соединения де­формационно упрочнен, а вынужденная пластическая деформа­ция в зависимости от подготовки поверхностей находится в пре­делах 50... 80 %. Для снижения вынужденной деформации при хо­лодной сварке используют несколько приемов:

• повышают класс точности сопрягаемых поверхностей и чис­тоту обработки вплоть до полировки;

• применяют предварительный подогрев деталей до 300 °С или нагрев сжимающих пуансонов до 400 °С ;

• повышают интенсивность сжатия вплоть до ударной нагрузки;

• применяют схемы предварительного обжатия детали вокруг силового пуансона по схеме И. Б. Баранова или по схеме, предло­женной авторами, позволяющие довести вынужденную деформа­цию до 10 % (рис. 11.1);

• применяют промежуточные пластичные прослойки толщи­ной 2...5 мм, что позволяет сваривать непластичные материалы стыковой сваркой;

• производят сварку в вакууме.

Рис. 11.1. Схема точечной сварки без предварительного зажатия при дву­стороннем (I) и одностороннем (II) деформировании; с предваритель­ным зажатием в процессе сварки (III) и обжатием перед сваркой (IV):

а, б — положение до и после сварки соответственно; 1 — свариваемые детали; 2 — рабочий выступ; 3 — опора на рабочем пуансоне; 4 — прижимной или обжимной пуансон; 5 — удвоенная толщина детали; Рж (Рся) — усилие осадки; Рж — усилие зажатия; Р^ — усилие обжатия

При любом из этих приемов необходимо перед сборкой дета­лей под сварку самым тщательным образом подготовить поверх­ности, т. е. удалить органические пленки й любыми путями сохра­нить созданную чистоту на контактируемых поверхностях дета­лей.

Разновидности холодной сварки. Точечной сваркой соединяют детали внахлестку. Соединение, получающееся под действием при­ложенного усилия от вдавливания пуансонов в подготовленные к сварке детали, называют сварной точкой. Сварная точка образует­ся в результате значительной деформации металла под пуансона-
ми. В связи с этим сварная точка упрочнена по отношению к неде - формированному металлу. Площадь сварной точки, как правило, равна площади сечения вдавленной части пуансона или превы­шает ее, но при определенных условиях, рассматриваемых далее.

Общепринято характеризовать точечную холодную сварку вы­нужденной степенью деформации, выраженной отношением глу­бины вдавливания пуансонов к толщине соединяемых деталей, в процентах.

Минимальная вынужденная степень деформации eBmin, необ­ходимая для точечной холодной сварки различных металлов и сплавов, представлена в табл. 11.1.

Точечная сварка может быть выполнена как с предваритель­ным зажатием соединяемых деталей, так и без него.

Наиболее простыми являются схемы точечной сварки без пред­варительного зажатия деталей путем их двустороннего (рис. 11.1, /) или одностороннего (рис. 11.1, ІГ) деформирования. Пуансон имеет рабочий выступ 2 и опору 3 большего сечения. Под действи­ем приложенного усилия осадки Рж рабочий выступ вдавливается полностью в детали 1 и образуется сварная точка. Усилие переда­ется деталям не только через рабочие выступы, но и через опор­ные части.

Способ холодной сварки без предварительного зажатия соеди­няемых деталей может быть с успехом применен для соединения главным образом деталей малых толщин. Существенным его недо­статком является то, что когда рабочие выступы вдавливаются в металл, вызывая его течение, происходит коробление деталей. В конце процесса опорные части пуансонов (заплечики) прижи­мают детали и выправляют их. Однако, вследствие коробления сварка каждой последующей точки ослабляет, а иногда и разру­шает смежную, ранее выполненную точку. Это особенно затруд­няет холодную сварку деталей больших толщин (свыше 4 мм) и деталей, изготовленных из материалов, обладающих сравнитель­но малой пластичностью (нагартованный алюминий, медь, дюр­алюминий). При сварке без предварительного зажатия деталей из

этих металлов в тех случаях, когда это возможно, необходимо пользоваться многоточечными пуансонами и осуществлять сварку всех точек соединения одновременно за один ход пресса.

Чтобы устранить разрушение или ослабление ранее выполнен­ных сварных точек и получить прочные и надежные соединения при сварке одноточечными пуансонами, был разработан способ холодной сварки с предварительным зажатием деталей вокруг зоны приложения рабочего давления. Рабочий выступ пуансона изго­тавливают в виде отдельной детали, подвижной относительно опорной части (прижима), которая служит для зажатия деталей с начального момента сварки до его окончания. Схема этого спосо­ба сварки показана на рис. 11.1, ///. Зажатие деталей между при­жимами начинается до вдавливания рабочих выступов пуансонов в металл или одновременно с ним. Благодаря этому коробление деталей в процессе сварки устраняют и увеличивают периферий­ную зону сварной точки, что приводит к увеличению прочности соединения.

Для уменьшения вмятины под рабочим выступом пуансона до полного ее устранения предлагают схему (рис. 11.1, IV) с предва­рительным обжатием материала детали вокруг последующей точ­ки. Материал, выдавленный при обжатии, попадает в полость при­жимного пуансона над выступом основного пуансона, создавая местное удвоенное утолщение детали. При вдавливании рабочих выступов по созданному утолщению образуется соединение прак­тически без вмятины.

Холодная шовная сварка при выполнении сварного соединения внахлестку позволяет получать непрерывный шов неограничен­ной длины. В этом случае деформирование металла осуществляют вдавливанием в него рабочих выступов вращающихся роликов. Однако прямолинейный непрерывный шов вследствие значитель­ного уменьшения сечения по всей длине соединяемых деталей сильно снижает прочность сварного соединения. Так, например, две полосы алюминия, сваренные внахлестку непрерывным про­дольным швом, могут легко по этому шву перегибаться.

Отмеченный недостаток шовной холодной сварки значительно меньше проявляется в кольцевых замкнутых швах, так как доста­точная механическая прочность обеспечивается жесткостью са­мой кольцевой конструкции. Уменьшение сечения в месте шва у таких соединений может не иметь практического значения.

На рис. 11.2 показана схема шовной холодной сварки с одно­сторонним и двусторонним деформированием.

Стыковая сварка — это способ холодной сварки, при котором детали соединяют по всей площади стыкуемых торцов хотя бы одной детали. При этом детали вначале зажимают в специальных губках, а затем сжимают и выдавливают металл в грат. Интенсив­ность деформации, необходимая для получения качественного

Рис. 11.2. Схема шовной (роликовой) холодной сварки:

а — с односторонним деформированием; б — с двухсторонним деформирова­нием

соединения, зависит от свойств металла и наличия оксидной плен­ки на нем. Встык можно сваривать медь, алюминий, свинец, оло­во, кадмий, никель, титан и их сплавы.

Удовлетворительное качество соединения получают при вели­чине осадки, примерно равной толщине (диаметру) свариваемых деталей. Прочность соединения при этом составляет 0,8 —0,9 проч­ности исходного металла.