СВАРКА, РЕЗКА И ПАЙКА МЕТАЛЛОВ

ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Значительный принципиальный интерес, а в ближайшем будущем, вероятно, и большое практическое значение представляет способ сварки металлов при комнатной температуре без подогрева. Прин­ципиальная возможность сварки металла без подогрева давно извест­на, но до последнего времени не ставился вопрос о практическом ис­пользовании этой принципиальной возможности и не велось серьёз­ных исследований в этом направлении. Сварка по этому методу осуще­ствляется одним давлением, прилагаемым к месту сварки посред­ством специальных штампов без применения нагрева. Прилагаемое давление должно вызвать значительную пластическую дефор­мацию и течение металла в зоне сварки, почему способ применим

лишь к металлам, достаточно пластичным при низких темпера­турах. «

Особенно хорошие результаты даёт холодная сварка алюминия и его сплавов. Важнейшим условием для холодной сварки является абсолютная чистота соединяемых поверхностей металла; самые не­значительные загрязнения и тонкие плёнки окислов делают невоз­можным получение удовлетворительной сварки. Всегда имеющаяся на поверхности металлов плёнка окислов должна быть полностью удалена, причём способ удаления не должен оставлять на поверх­ности каких-либо загрязнений или посторонних частиц и не должен вызывать быстрого восстановления окисной плёнки на зачищенной поверхности металла. Хорошо обработанная и зачищенная поверх­ность может сохранять способность к сварке несколько часов. Очистка поверхности должна быть чрезвычайно тщательной, при­косновение руками к зачищенной поверхности часто делает сварку невозможной.

Осадочное давление должно быть приложено таким образом, чтобы выдавливаемый металл мог свободно течь в обе стороны от места сварки. Для получения удовлетворительной сварки необ­ходимо вызвать течение металла в месте приложения давления, и обеспечить необходимое смещение частиц металла. Величина сме­щения может измеряться уменьшением суммарной толщины соеди­няемых частей под штампами, выраженным в процентах. Необходим определённый минимум уменьшения толщины соединяемых частей для обеспечения достаточной прочности сварки, дальнейшее умень­шение толщины металла будет лишь вредным, снижая общую проч­ность сварного соединения. Поэтому штампы или прессы для хо­лодной сварки должны иметь ограничители, мешающие излишнему углублению штампа в основной металл. Для различных толщин металла применяется одно и то же относительное уменьшение тол­щины, выраженное в процентах. Ширина штампа увеличивается с возрастанием толщины свариваемого металла.

Предложено несколько приёмов выполнения холодной сварки, которые в различных сочетаниях позволяют получить разнообраз­ные сварные соединения. Например, возможно выполнить на листо­вом металле:

1) прямолинейный шов определённой длины с помощью штампа, показанного на фиг. 187;

2) круговой шов с помощью кольцевых штампов соответствую­щих размеров, например для приварки донышка к цилиндрической коробочке;

3) непрерывный шов произвольной длины с помощью штампов, имеющих форму роликов (фиг. 188), катящихся по шву. В данном случае одновременно со сваркой излишний металл подрезается и удаляется. Так можно изготовлять, например, сварные трубы.

Сварочные штампы устанавливаются в прессы или другие под­ходящие устройства достаточной мощности. Мелкие детали тонкого металла могут свариваться простейшим ручным приспособлением типа пломбировальных щипцов. Возможна сварка разнородных

металлов, например меди с алюминием, что важно в электротех­нике. Для таких соединений оба штампа имеют различные разме­ры для того, чтобы создать необходимую пластическую деформацию и смещение частиц обоих металлов.

Для холодной сварки важное значение имеет подготовка и за­чистка поверхности металла под сварку. Химические методы очист­ки непригодны, так как последующая промывка восстанавливает плёнку окислов. Непригодна также обработка напильником и абра­зивами. Напильник оставляет на поверхности мелкие частицы ме­талла, абразивы оставляют твёрдые частицы, вклинивающиеся в по­верхность металла. Удовлетворительные результаты получаются при очистке вращающимися щётками из стальной проволоки с мотор­ным приводом, а также при шабрении поверхности.

Относительно механизма холодной сварки в литературе приво­дятся следующие соображения. Вдавливание штампов в холодный металл значительно упрочняет его, и настолько раздробляет и из­мельчает зёрна металла, что вызывает процесс рекристаллизации, интенсивно и со значительной скоростью проходящий уже при ком­натной температуре. В процессе рекристаллизации осколки кристал­лов, раздроблённых пластической деформацией, снова срастаются в более крупные и правильные кристаллы. Вдоль поверхности раздела частей, соединяемых сваркой, рост кристаллов в процессе кристалли­зации происходит за счёт материала обеих соединяемых частей, так что поверхность раздела физически исчезает, и происходит сращи­вание частей в один монолит, что наблюдается при хорошо выпол­ненной сварке. Обычно принимается, что для достаточного разви­тия рекристаллизации таких металлов, как алюминий, медь, никель, необходим подогрев металла. При комнатной температуре рекри­сталлизация если и происходит, то в совершенно ничтожных раз­мерах. Успешное выполнение сварки различных металлов при ком­натной температуре заставляет изменить сложившиеся представле­ния и признать, что достаточная деформация металла может вы­звать интенсивную рекристаллизацию уже при комнатной темпера­туре. Скорость деформации не оказывает заметного влияния на процесс холодной сварки, которая получается одинаково хорошей
как при быстром, ударном приложении давления к штампам, так и при очень медленном.

Указанные соображения являются дискуссионными; для лучшего понимания сущности процесса холодной сварки требуется дальней­шее более глубокое и всестороннее его изучение. Весьма вероятным является предположение, что сущность холодной сварки состоит в сближении атомов до расстояний порядка атомного радиуса, при этом возникает взаимодействие электронных оболочек атомов и их прочное сцепление.

Снижение прочности сварного соединения за счёт уменьшения толщины металла в месте сварки до известной степени компенси­руется повышением прочности деформированного металла, полу­чающего наклёп. Например, предел прочности технически чистого алюминия в зоне максимальной деформации возрастает примерно в два раза.

Холодная сварка пригодна для различных металлов, достаточно пластичных при комнатной температуре. Свариваемость металлов холодным способом может быть оценена максимальной остающейся толщиной металла в месте сварки, выраженной в процентах по от­ношению к первоначальной толщине металла до сварки. Предва­рительные исследования свариваемости различных металлов при холодной сварке показывают следующие результаты:

Металл Свариваемость

в %

TOC o "1-5" h z Алюминий особо чистый.................................. 40

Алюминий технически чистый............................... 30

Дуралюмиеий.......................................................... 20

Кадмий................................................................... 16

Свинец.................................................................... 16

Медь....................................................................... 14

Никель.................................................................... 11

Цинк.......................................................................... 8

Серебро.................................................................... 6

Из этих данных видно, что наилучшие результаты холодной сварки дают алюминий и алюминиевые сплавы, удовлетворительные результаты даёт медь. Довольно удовлетворительную свариваемость даёт никель, имеющий высокую температуру плавления (1450°).

В лабораторных условиях удалось также осуществить холодную сварку стали. Штампы для холодной сварки могут изготовляться из углеродистых или легированных сталей, износ которых незначи­телен. Давление, отнесённое к рабочей поверхности штампа, дол­жно превышать предел текучести свариваемого металла. Для хо­лодной сварки алюминия давление составляет от 20 до ЗО кгімм2; для меди это давление должно быть в два-три раза больше, чем для алюминия. При конструировании приспособлений принимается в расчёт не давление, а величина пластической деформации.

Холодная сварка в настоящее время может найти практическое применение для сварки электрических проводов, алюминиевых и медных, в производстве алюминиевых труб, кабелей с алюминиевой оболочкой, алюминиевых контейнеров для герметической укупорки различных продуктов и изделий и т. д.

Сварка токами высокой и повышенной частоты. Применение то­ков высокой и повышенной частоты в сварочной технике уже нача­лось и несомненно получит в будущем широкое развитие. Препят­ствием к широкому использованию токов высокой частоты в сва­рочной технике пока является высокая стоимость установок и их довольно низкий коэффициент полезного действия. Токи высокой и повышенной частоты могут применяться в сварочной технике для питания дугового разряда и промежуточных форм разряда для на­грева металла. Основное преимущество токов высокой и повышен­ной частоты в этом случае состоит в очень высокой устойчивости разряда.

Ещё более важным для сварочной техники является нагрев ме­талла индуктированными токами высокой частоты. Такой нагрев отличается удобством и гибкостью выполнения, возможностью ре­гулирования в очень широких пределах, быстротой, чистотой прове­дения процесса. Нагрев может осуществляться индукторами самой разнообразной формы, подводимыми к месту сварки. Индуктор представляет собой обычно катушку с небольшим числом витков, изготовляемую из красномедной трубки, охлаждаемой проточной водой. При пропускании высокочастотного тока индуктор создаёт в окружающем пространстве переменное магнитное поле той же частоты. Высокочастотное магнитное поле, создаваемое индуктором, в свою очередь, создаёт вторичные индуктированные токи в металле, внесённом в поле индуктора. Вследствие явлений поверхностного эффекта, индуктированные токи сосредоточиваются в наружном слое нагреваемого металла. Чем выше частота тока, тем тоньше слой металла, пронизываемый индуктированными токами. Регули­руя частоту тока, можно менять толщину прогреваемого слоя метал­ла. В короткий промежуток времени нагреваемый тонкий слой в зоне действия индуктора может быть доведён до любой темпера­туры, до сварочного жара или оплавления, позволяющих выполнить процессы пайки и сварки как давлением, так и плавлением.

Электролитическая сварка. Если опустить два металлических стержня в водный раствор щёлочи, поташа или соды и пропускать через электролит постоянный ток от одного стержня к другому, то при достаточной плотности тока можно наблюдать, что поверхность стержня, присоединённого к отрицательному полюсу источника тока, т. е. катоду, быстро разогревается до сварочного жара и оплавле­ния. Подобный разогрев наблюдается при питании установки посто­янным током напряжением 110—220 в и достаточных плотностях тока. Это явление объясняется тем, что при прохождении тока по­верхность катода покрывается тонкой плёнкой пузырьков водорода, увеличивающей сопротивление прохождению электрического тока, создающей значительный перепад напряжения и потери мощности в тонком слое у поверхности катода. Освобождаемая значительная тепловая мощность и идёт на нагрев поверхностного слоя катода. Для выполнения сварки разогретые детали вынимают из ванны и

производят осадку. Соединяемые детали нагревают в ванне одно­временно. Способ этот пока не нашёл промышленного применения.

Механическая сварка. Для нагрева места сварки можно исполь­зовать превращение механической энергии в тепловую. Например, быстро вращающийся стальной стержень может нагреть кромки ли­стов и произвести сварку. Механическая сварка иногда используется для заварки днища у баллона для сжатых газов. Отрезок цельно­тянутой стальной трубы с предварительно нагретым концом наса­живается на быстро вращающуюся оправку. К вращающейся заго­товке приближается обжимка, осаживающая металл и придающая ему полусферическую форму днища баллона. При быстром враще­нии заготовки трение между обжимкой и заготовкой быстро разо­гревает осаживаемый металл, и его температура в процессе осадки не снижается, а растёт за счёт механической работы сил трения. В результате трения металл днища сильно разогревается, осажи­вается, доводится до сварочного жара и заваривается, образуя утол­щённое сплошное полусферическое днище. Механическая сварка; практически применяется лишь в очень редких случаях.