ТЕОРИЯ сварочных процессов

Механические процессы

Механические сварочные процессы обычно протекают без введения тепловой энергии извне, хотя при механическом воз­действии в ряде случаев возможно частичное преобразование механической энергии в зоне соединения в тепловую. Нагрев зоны сварки в данном случае снижает предел текучести сва­риваемых материалов, улучшает условия их деформирования, но иногда может оказать вредное воздействие на соединяемые детали (например, в случае герметизации сваркой собранных полупроводниковых приборов).

Механическая энергия для М-процессов может вводиться сдавливанием, трением, ультразвуковым воздействием, взрывной волной, причем давление в данном случае прикладывается к месту образования соединения во всех случаях без исключе­ния. В связи с этим при классификации в название процессов введена приставка «прессовые».

К наиболее распространенным М-процессам относятся спосо­бы холодной сварки, сварка ультразвуком, сварка трением и сварка взрывом.

ПРЕССОВО-МЕХАНИЧЕСКИЙ КОНТАКТ

И ХОЛОДНАЯ СВАРКА

Этот метод сварки основан на использовании пластической деформации металлов в месте их соединения (контакта) при сдавливании или сдвиге. Поскольку для пластичных металлов в ряде случаев процесс ведут без подогрева, эта его разновид­ность получила название холодной сварки.

Деформация металла при холодной сварке зависит от его свойств и должна быть не ниже определенного уровня, причем существенную роль играет и сама схема течения металла при деформации. В процессе течения металла при холодной сварке происходит образование ювенильных (свободных от окис - ных и газовых пленок) участков на соединяемых поверхностях, и эти участки служат начальными очагами образования соеди­нения на линии будущего сварного шва.

Процесс холодной сварки протекает при нормальной или да­же отрицательной температуре практически мгновенно, только в результате схватывания, и диффузионные процессы в данном случае практически не успевают развиться. В связи с этим хо­лодную сварку целесообразно применять для соединения таких разнородных материалов, которые могут давать при плавлении и диффузионном взаимодействии хрупкие интерметаллиды (на­пример, для соединения меди с алюминием).

Необходимость довольно значительной деформации при хо­лодной сварке ограничивает область применения этого процесса как по материалам (преимущественно медь, алюминий и другие пластичные материалы), так и по площади соединяемых по­верхностей из-за необходимости приложения значительных уси­лий для деталей с большой свариваемой поверхностью.

Применение дополнительного нагрева, т. е. фактический пере­вод холодной сварки в термопрессовую, снижает предел теку­чести материала, понижает необходимое для сварки усилие и улучшает условия пластической деформации металла, что расширяет технологические возможности процесса.

Для объяснения процесса холодной сварки существует ряд различных гипотез, однако, как справедливо указывается в ра­ботах А. А. Кочергина, наиболее важен тот фактор, что энергия пластической деформации выделяется непосредственно в микро­объемах, участвующих в схватывании. Поэтому температура в элементарных кристаллитах при схватывании может повы­шаться вплоть до температуры плавления металла.

Из опыта холодной сварки установлено положительное влия­ние твердых поверхностных пленок на свариваемость пластич­ных металлов. Всякое разрушение этих пленок, скольжение по металлу в процессе сварки может способствовать повышению температуры в зоне сварки и тем самым улучшать условия схватывания и образования сварного соединения.

Поверхностные загрязнения, газовые и сплошные оксидные пленки ухудшают условия образования физического контакта соединяемых поверхностей при холодной сварке и поэтому перед началом процесса эти поверхностные слои надо, по возможности, удалять. Оставшиеся на поверхности оксидные пленки и особенно газовые молекулы обычно удаляются с поверхности металла и частично «замешиваются» в объеме материала шва в ходе его пластической деформации.

Сцепление адсорбированных газовых молекул с металлом до­статочно велико, и только в глубоком вакууме при давлении ниже 1 • 1СГ4 Па поверхность металла может оставаться юве­нильной достаточно долго.

В этом случае процесс вакуумного схватывания может идти достаточно эффективно с наименьшей затратой энергии (и даже с выделением энергии в месте соединения в результате химиче­ских реакций).

Вакуумное схватывание возможно в основном для металлов при давлении ниже 1 • 10-8 Па при условии тщательной под­гонки и соприкосновения деталей по значительной поверхности, что пока затрудняет его промышленное применение.

Ультразвуковая (УЗ) сварка может считаться дальнейшим логическим развитием холодной сварки; при УЗ-сварке наряду с давлением к месту сварки прикладывается высокочастотное (f=20...40 кГц) поле механических напряжений.

В начальной стадии процесса свариваемые детали переме­щаются одна относительно другой с УЗ-частотой и амплитудой в несколько десятков микрометров. При этом происходит эффек­тивная очистка соединяемых поверхностей от загрязнений и га­зовых пленок, повышается температура и создаются лучшие условия образования соединения, чем при холодной сварке без УЗ-поля.

К зависимости от вида соединения и свойств свариваемого материала при УЗ-сварке в материале могут создаваться сдвиго­вые (металлы) или нормальные (пластмассы) колебания, при­чем для сварки пластмасс основным фактором служит нагрев вещества при возбуждении в нем механических УЗ-колебаний.

ТРУЩИЙСЯ КОНТАКТ И СВАРКА ТРЕНИЕМ

При сварке трением процесс организуют так, что механиче­ская энергия вращающихся (или поступательно перемещающих­ся друг относительно друга) контактирующих тел переходит в тепловую. Выделение теплоты при этом происходит непосредст­венно на свариваемых поверхностях, и после разогрева поверх­ностей до требуемых температур осуществляется остановка дета­лей и их сдавливание (осадка), в ходе которого образуется сварное соединение.

В начальный момент при сварке трением коэффициент тре­ния максимален. Соответственно затраты мощности и тепловыде­ление в месте трущегося контакта возрастают. В первый период движения коэффициент трения падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700...800 К испаряются и выгорают жировые пленки и коэффициент трения растет. Одно­временно начинает проявляться местное схватывание соединяе­мых поверхностей, что вызывает интенсивное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Снижается также и тепловыделение из-за уменьшения коэффициента трения вследствие появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. В этот период устанавливается квазиравновесное со­стояние, затем следуют резкое торможение и осадка.

В отличие от контактной стыковой сварки сварка трением требует меньших затрат энергии (нет потерь на выделение теп­

лоты в объеме свариваемых деталей и в токоподводящих эле­ментах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное распределение температур в зоне сварки, что особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовле­нии биметаллического инструмента из углеродистых и быстро­режущих сталей).

УДАРНЫЙ КОНТАКТ И СВАРКА ВЗРЫВОМ

Для сварки взрывом характерно использование энергии взры­ва и образующихся затем мощных газовых потоков для пере­мещения свариваемых деталей и создания в них пластических деформаций, приводящих к образованию соединения в твердой фазе.

Основной энергоноситель — взрывчатое вещество (ВВ) 2 на­носится на одну (иногда на обе) из соединяемых деталей 3, 4 и подрывается при помощи инициатора (запала) 1 (рис. 4.3).

Продукты горения ВВ оказывают давление на поверхность свариваемой детали и с большой скоростью «мечут» ее в сторону другой детали. При соударении поверхностей детали очищаются от оксидов, загрязнений и адсорбированных газов, а возникаю­щие при этом деформации обеспечивают образование сварного соединения.

ВВ для сварки взрывом должны иметь скорость горения (детонации) не менее 1500...2000 м/с (так называемые бризант­ные ВВ). Так как ВВ обычно равномерно распределяется по поверхности свариваемой детали, то скорость сварки практически соответствует скорости детонационной волны.

Скорость соударения свариваемых элементов зависит от ха­рактеристик ВВ, конструкции и материала соединения. Эта ско­рость может быть рассчитана по формулам гидрогазодинамики и составляет для стальных пластин около 1500 м/с. Давление, возникающее при этом между элементами, достигает 103... 105 МПа.

Благодаря высоким скоростям сварки даже при значительном повышении температуры контактирующих слоев металла, вы­званном соударением и деформацией пластин, процессы диффу,- зии не успевают пройти. Поэтому сварка взрывом перспективна для получения соединений разнородных материалов (сталь— медь, сталь — алюминий, алюминий — титан и т. д.) и применяет­ся как заготовительная операция в про­катном производстве при получении биметалла.

Энергетически процесс сварки взры­вом весьма выгоден, однако он приме - Рис. 4 3 Схема процесса ним лишь для ограниченного класса сварки взрывом конструкций и типов соединений и,

кроме того, его осуществление требует специальных мероприятий по технике безопасности и организации рабочего места.