ТЕОРИЯ сварочных процессов

Механические сварочные 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).

Энергия для механических сварочных процессов может быть введена сдавливанием, трением, ультразвуковым воздействием, взрывной волной, причем давление прикладывается к месту обра­зования соединения во всех случаях без исключения. К наиболее распространенным механическим сварочным процессам относятся способы холодной сварки, сварка ультразвуком, сварка трением и сварка взрывом.

Метод сварки с использованием прессово-механического кон­такта основан на использовании пластической деформации метал­лов в месте их соединения (контакта) при сдавливании или сдвиге. Поскольку для пластичных металлов в ряде случаев сварочный 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 де­формировании. В процессе течения металла при холодной сварке происходит образование ювенильных участков (свободных от ок­сидных и газовых пленок) на соединяемых поверхностях, и эти участки служат начальными очагами образования соединения на линии будущего сварного шва.

Образование сварного соединения при холодной сварке проис­ходит в условиях нормальной температуры или даже ниже О °С почти 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, при плавлении и диффу­зионном взаимодействии которых могут образоваться хрупкие ин - терметаллиды (например, для соединения меди с алюминием).

Обязательное довольно значительное деформирование при хо­лодной сварке ограничивает область ее применения как по мате­риалам (преимущественно медь, алюминий и другие пластичные материалы), так и по площади соединяемых поверхностей ввиду 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, уменьшает 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 применения холодной сварки установлено положи­тельное влияние твердых поверхностных пленок на свариваемость пластичных металлов. Всякое разрушение этих пленок, скольже­ние по металлу во время сварочного процесса 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 сварочного 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 пластического деформирования.

Сцепление адсорбированных газовых молекул с металлом до­статочно сильное, и только в глубоком вакууме при давлении

4

ниже 10 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 —8

при давлении ниже 10 Па при условии тщательной подгонки и соприкосновения деталей на большой площади поверхности, что пока затрудняет его промышленное применение.

Ультразвуковая сварка может считаться дальнейшим логиче­ским развитием холодной сварки. При ультразвуковой сварке на­ряду с давлением к месту соединения прикладывается высокочас­тотное (20...75 кГц) поле механических напряжений. В начальной стадии процесса свариваемые детали перемещаются одна относи­тельно другой с ультразвуковой частотой (20...75 кГц) и амплиту­дой 10...25 мкм. При этом происходит эффективная очистка со­единяемых поверхностей от загрязнений и газовых пленок, повы­шается температура и создаются более благоприятные условия образования соединения, чем при холодной сварке без ультразву­кового поля механических напряжений.

В зависимости от вида соединения и свойств свариваемого ма­териала при ультразвуковой сварке в материале могут создаваться сдвиговые (в металлах) или нормальные (в пластмассах) колеба­

ния, причем для сварки пластмасс основным фактором нагрева вещества являются возбужденные в нем механические ультразву­ковые колебания.