Технологические основы сварки плавлением и давлением

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Кафедра сварки, литья и технологии конструкционных материалов КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ дисциплины Технологические основы сварки плавлением и давлением Часть II «Сварка давлением» для студентов направления 150200 “Машиностроительные технологии и оборудование” специальности 150202 “Оборудование и технология сварочного производства” (дипломированный специалист) Содержание Лекция №1. Физические основы процесса сварки давлением. Контактные сопротивления. Классификация контактной сварки........................................4 Лекция №2. Формирование соединений при точечной и шовной сварке......8 Лекция №3.Формирование соединений при стыковой сварке сопротивлением и оплавлением..........................................................................17 Лекция №4.Формирование соединений при диффузионной и термокомпрессионной сварке..............................................................................23 Лекция №5.Формирование соединений при конденсаторной и дугоконтактной сварке..........................................................................................33 Лекция № 6. Формирование соединений при холодной и ультразвуковой сварке......................................................................................................................40 Лекция №7. Формирование соединений при сварке трением и сварке взрывом..................................................................................................................52 Лекция №8.Методы выбора параметров режима сварки давлением. Компоновка машин для контактной сварки.......................................................60 Лекция № 9. Основные виды дефектов сварных соединений..........................69 Задания для самоконтроля...................................................................................75 Список литературы...............................................................................................77 Лекция №1 Физические основы процесса сварки давлением. Контактные сопротивления. Классификация контактной сварки Физические основы процесса сварки давлением. При сварке давлением получение неразъемного сварного соединения двух металлических деталей осуществляется главным образом за счет их совместной пластической деформации в зоне контактирования. При этом нагрев деталей выступает в качестве активирующего фактора и для некоторых разновидностей сварки давлением может отсутствовать Технологические процессы различных способов сварки давлением управляются всеми или частью следующих пяти основных параметров: давлением (деформацией), температурой, временем, средой (составом газовой фазы), скоростью взаимного перемещения. На практике выбор способа сварки давлением, пригодного для решения конкретных технологических задач, осуществляется в значительной мере в зависимости от сочетания свойств соединяемых материалов (однородные, разнородные) и их совместимости, которая определяется прежде всего вероятностью образования интерметаллидов. В соответствии с этим различают две группы способов сварки давлением. В первую группу следует отнести способы сварки, при которых соединение завершается на стадии схватывания контактных поверхностей. В этой группе стадия объемного взаимодействия не получает развития вследствие низких температур (холодная сварка, сварка взрывом) или ввиду сравнительно высоких скоростей деформирования (ударная сварка в вакууме, сварка прокаткой, термокомпрессионная сварка). Поэтому зона контакта, как правило, четко выражена. Способы этой группы наиболее пригодны для сварки разнородных материалов при опасности образования интерметаллидов в контакте. Вторая группа включает способы, при которых объемное взаимодействие получает заметное развитие и соединение завершается образованием общих зерен в зоне контакта. Такие процессы наиболее пригодны для сварки материалов в однородных сочетаниях. К о н т а к т н а я с в а р к а — это процесс образования неразъемных соединений конструкционных металлов в результате их кратковременного нагрева электрическим током и пластического деформирования усилием сжатия. Согласно ГОСТ 2601-84 контактная сварка принадлежит к термомеханическому (термодеформационному) классу способов сварки. Это один из наиболее распространенных способов получения неразъемных соединений самых разнообразных конструкционных материалов в широком диапазоне толщин и сечений. В настоящее время более 30% всех сварных соединений выполняется с помощью контактной сварки. Схема, поясняющая сущность контактной сварки, представлена на рис. 1.1 Место соединения сжатых между собой усилием Р заготовок разогревается проходящим по металлу электрическим током. При этом максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта. Количество выделяемой теплоты определяется законом Джоуля-Ленца: , где Q - количество теплоты, выделяемое в контуре, через который проходит сварочный ток, Дж; I - сварочный ток, A; R - полное электросопротивление сварочного контура, Ом; t - время протекания тока, с. Рис.1.1. Схема контактной сварки Полное электросопротивление сварочного контура R состоит из электросопротивления выступающих концов L свариваемых заготовок Rзаг сварочного контакта Rк и электросопротивления между электродами и заготовками Rэд: R =Rзаг + Rк + Rэд Электросопротивление Rk имеет наибольшее значение, так как из-за неровностей поверхности стыка даже после тщательной обработки заготовки соприкасаются только в отдельных точках. В связи с этим действительное сечение металла, через которое проходит ток, резко уменьшается. Кроме того, на поверхности свариваемого металла имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводимостью, которые также увеличивают электросопротивление контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до термопластичного состояния или до оплавления. При непрерывном сдавливании нагретых заготовок пластичный металл в местах контакта деформируется, поверхностные оксидные пленки разрушаются и удаляются к периферии стыка. В соприкосновение приходят совершенно чистые слои металла, образующие сварное соединение. Контактные сопротивления. Контактные сопротивления — сопротивления, сосредоточенные в узкой области контактов деталь—деталь и электрод—деталь. Наличие контактных сопротивлений rк можно обнаружить, если через металлические детали, сжатые усилием F, пропустить небольшой ток и измерить падение напряжения на участках равной длины в области контакта и на самих деталях (рис. 1.2, а). При холодных деталях rк обычно составляет значительную долю от гээ. Наличие контактных сопротивлений связано с ограниченностью площади электрического контакта из-за неровной поверхности деталей и электродов, а также из-за различных неэлектропроводимых поверхностных образований: оксидных и гидрооксидных пленок, адсорбированной влаги, масел, продуктов коррозии, пыли и т. п. (рис. 1.2, б). Поэтому фактическая площадь контакта (SФ) до нагрева деталей значительно меньше контурной площади контакта (SK), определяемой диаметром электрода dэ или диаметром пластического пояска dп (рис. 1.2, в). В этих условиях имеет место так называемый «ситовый» характер проводимости — ток проходит по отдельным микроконтактам (Sф). Влияние состояния поверхности деталей на контактное сопротивление очень велико. Так, контактное сопротивление (по результатам измерения) двух различно обработанных пластин из низкоуглеродистой стали толщиной 3 мм, сжатых электродами диаметром 10 мм, составляло (мкОм): травленых — 300; очищенных наждачным кругом и шлифованных — 100; обработанных резцом — 1200; покрытых окалиной — 80000; покрытых ржавчиной и окалиной — 300000. Рис. 1.2. Схема образования контактного сопротивления: а — распределение тока в зоне соприкосновения холодных деталей; б — строение реальной поверхности тел: 1 — металл; 2 — оксидные и гидрооксидные пленки; 3 — продукты коррозии; 4 — адсорбированная влага; 5 — масло; 6 — адсорбированные газы; 7 — пыль; в — распределение микроконтактов Контактное сопротивление деталей уменьшается при росте усилия сжатия и зачистке поверхности, а затем стабилизируется. В первом случае увеличивается SФ за счет смятия выступов, увеличения их числа и разрушения поверхностных пленок. Во втором — в той или иной степени происходит удаление неэлектропроводимых поверхностных образований. Классификация контактной сварки. Известные способы контактной сварки классифицируются по ряду технических и технологических признаков (ГОСТ 19521-74): 1) по технологическому способу получения соединений — точечная, рельефная, шовная, стыковая; 2) по конструкции соединения: – нахлесточные и стыковые (торцевые); 3) по предельному состоянию металла в зоне сварки — с расплавлением металла и без расплавления; 4) по способу подвода тока — одно- и двусторонняя; 5) по роду сварочного тока и форме импульса тока (переменный — промышленной, повышенной и пониженной частоты, постоянный, униполярный (изменяющийся во времени ток одной полярности); 6) по числу одновременно выполняемых соединений — одноточечная, многоточечная, сварка одним или несколькими швами и т. д. Лекция №2 Формирование соединений при точечной и шовной сварке При точечной сварке заготовки соединяются в отдельных точках. Заготовки 1 собирают внахлестку и сжимают двумя электродами 2 силой Р, после чего через детали пропускается электрический ток (рис. 2.1). Соприкасающиеся с медными электродами поверхности свариваемых заготовок нагреваются медленнее их внутренних слоев. Наибольший нагрев происходит в контакте этих заготовок, имеющем высокое контактное сопротивление. Нагрев продолжают до пластичного состояния внешних и до расплавления внутренних слоев. После этого выключают ток и несколько увеличивают, а затем снимают давление. В результате образуется литая сварная точка. Процесс точечной сварки характерен весьма малым временем сварки при больших сварочных токах и усилиях, обеспечивающих локальное плавление металла. Необходимым условием формирования соединения является образование общей зоны расплавления заданных размеров, что обеспечивает важнейшие эксплуатационные свойства — прочность и герметичность соединения. Рис. 2.1. Схема контактной точечной сварки Точечная сварка в зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым заготовкам может быть двусторонней и односторонней. При двусторонней сварке (рис. 2.1, а) две (или больше) заготовки 1 сжимают между электродами 2 точечной машины. При односторонней сварке (рис. 2.1, 6) ток распределяется между верхним и нижним листами 3 и 4, причем нагрев осуществляется частью тока, протекающего через нижний лист. Для увеличения тока, проходящего через нижний лист, предусматривается медная подкладка 5. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одновременно двумя точками. Циклограмма точечной сварки, поясняющая процесс формирования соединения, представлена на рис.2.2. Образование соединения происходит в три этапа I—III. Первый этап начинается с момента обжатия деталей усилием сжатия электродов Fсв , вызывающем пластическую деформацию микронеровностей в контактах электрод—деталь и деталь—деталь. Последующее включение тока и нагрев металла облегчают выравнивание микрорельефа, разрушение поверхностей пленок и формирование электрического контакта. При рельефной сварке на данном этапе начинается осадка рельефа. Нагретый металл деформируется преимущественно в зазор между деталями, и образуется уплотняющий поясок. Рис. 2.2. Циклограмма контактной точечной сварки Второй этап характеризуется расплавлением металла и образованием ядра. По мере прохождения тока ядро растет до максимальных размеров — по высоте и диаметру. При этом происходит перемешивание металла, удаление поверхностных пленок и образование металлических связей в жидкой фазе. Продолжается процесс пластической деформации и тепловое расширение металла. К концу этого этапа при рельефной сварке отмечается почти полная осадка рельефа. Третий этап начинается с выключения тока, сопровождающегося охлаждением и кристаллизацией металла. Образуется общее для деталей литое ядро. При охлаждении уменьшается объем металла и возникают остаточные напряжения. Для снижения уровня этих напряжений и предотвращения усадочных трещин и раковин требуются значительные усилия. Для получения следующего соединения цикл через определенную паузу вновь повторяется. На практике в зависимости от толщины, свойств, конфигурации и ответственности узлов, качества сборки, а также реальных возможностей сварочного используют различные циклограммы усилия сжатия. При точечной сварке чаще используют циклограмму с постоянным усилием сжатия деталей в течение всего процесса сварки. Для толстых деталей и металлов, склонных к горячим трещинам, используют циклограмму с ковочным усилием (рис. 2.2). Программу нагрева зоны сварки в большинстве случаев задают в виде одного импульса сварочного тока, как это показано на рис.2.2. Регулируя соответственно длительность сварочного импульса, его форму и величину, получают жесткий или мягкий режим. Обеспечение высокого качества сварки и максимальной производительности процесса для данной толщины, формы и материала изделий определяется правильностью выбранного режима сварки. В зависимости от процессов тепловыделения и теплоотвода на участке электрод-электрод различают жесткие и мягкие режимы сварки. Жесткий режим характеризуется кратковременным мощным импульсом тока, когда время прохождения импульса сварочного тока tсв < 0,02 с при сварке деталей толщиной 1—4 мм. Жесткий режим характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения. При этом обычно увеличивается склонность к образованию выплеска, и для его предотвращения повышают сварочное усилие Fсв. Мягкие режимы характерны значительной длительностью протекания импульса тока (tсв > 0,l с) относительно малой величины. При этом происходит значительный теплообмен внутри деталей и с электродами. Скорость нагрева и охлаждения, а также величина Fсв меньше, чем на жестких режимах. Существенное влияние на режим сварки оказывают многие теплофизические, физико-химические и механические свойства металлов и др. Удельное электросопротивление металла ρ0 во многом определяет сварочный ток и тип машины. Чем меньше ρ0, тем больше должен быть сварочный ток. Например, при сварке алюминиевых сплавов требуются токи значительно большие, чем при сварке сталей. Коэффициент теплопроводности λ и связанный с ним коэффициент температуропроводности α обусловливают рассеяние теплоты в околошовной зоне, протяженность последней, а также температуру в контакте электрод—деталь. С увеличением λ уменьшают tсв , используют более жесткие режимы. Температура плавления сплава (Тпл) влияет на затраты теплоты, на значение Iсв, а также на температуру в контакте электрод—деталь и интенсиность массопереноса. С увеличением коэффициента линейного расширения а и сопротивления пластической деформации σд металла повышается склонность к внутренним выплескам, возрастает уровень остаточных напряжений и деформаций. При сварке металлов с большими значениями σд приходится резко увеличивать сварочное усилие Fсв, устанавливать более мягкий режим. Точечной сваркой изготовляют штампосварные конструкции при соединении отдельных штампованных элементов сварными точками. В этом случае упрощается технология изготовления сварных узлов и повышается производительность. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из низкоуглеродистых, углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов. Толщина свариваемых металлов составляет 0,5 ... 5 мм. Рельефная сварка — одна из разновидностей точечной сварки, позволяющая повысить производительность процесса сварки. При этом на поверхности одной из деталей предварительно формируют выступ — рельеф (рис. 2.3), который ограничивает начальную площадь контакта деталей, в результате чего при сварке в этой зоне повышаются плотность тока и скорость тепловыделения. При нагреве под действием усилия сжатия электродов 2 рельеф постепенно деформируется; на определенной стадии процесса сварки формируется ядро 4 как при обычной точечной сварке. Часто на поверхности детали выполняют несколько рельефов или один протяженный выступ замкнутой формы, например, в виде кольца. Рис.2.3. Конечная стадия процесса рельефной сварки: 1 — детали; 2 — электроды; 3 — сварочный трансформатор; 4 — ядро, образовавшееся на месте деформированного рельефа После прохождения сварочного тока получают одновременно несколько точек или непрерывный плотный шов (контурная рельефная сварка). Многоточечная контактная сварка - разновидность точечной сварки, когда за один цикл сваривается несколько точек. Многоточечную сварку выполняют по принципу односторонней точечной сварки. Машины для многоточечной сварки могут иметь от одной пары до 100 пар электродов. Соответственно, можно сваривать 2 ... 200 точек за одну установку изделия. Шовная сварка — способ получения герметичного соединения (шва) путем образования ряда перекрывающихся точек. Подвод тока и перемещение деталей осуществляют с помощью вращающихся дисковых электродов — роликов 2 (рис. 2.4). Как и при точечной сварке, металл нагревается кратковременными импульсами сварочного тока. Перекрытие точек достигается соответствующим выбором паузы между импульсами тока и скорости вращения роликов. Шовную сварку, как и точечную, можно выполнить при двустороннем (рис. 2.4, а) и одностороннем (рис. 2.4, б) расположении роликов. Рис. 2.4. Схемы шовной сварки Сварочный ток в процессе сварки может быть включен непрерывно или включаться прерывисто при вращающихся роликах. Последовательность этапов технологических операций вначале и по завершении сварки шва такая же, как при точечной. Сварку по циклограмме с непрерывным включением тока (рис. 2.5, а) применяют для коротких швов и соединения металлов и сплавов, не склонных к росту зерна и не претерпевающих заметных структурных превращений при перегреве околошовной зоны (низкоуглеродистые и низколегированные стали). Циклограмма с прерывистым включением тока (рис. 2.5,б) обеспечивает стабильность процесса и высокое качество сварного соединения при малой зоне термического влияния. Ее используют при сварке длинных швов на заготовках из высоколегированных сталей и алюминиевых сплавов. В зависимости от того, вращаются ролики непрерывно при сварке шва или останавливаются на время прохождения сварочного тока, различают непрерывную и шаговую сварку. Шаговая сварка отличается относительно небольшой производительностью, однако при этой сварке уменьшаются скорость износа рабочей поверхности роликов и вероятность образования дефектов шва (трещин, раковин) по сравнению с непрерывной сваркой, когда прохождение сварочного тока и кристаллизация литого ядра осуществляются при вращении роликов. Рис. 2.5. Циклограммы шовной сварки: а - при непрерывном включении тока, б - при прерывистом включении тока, Р - усилие сжатия; S - перемещение роликов; I - сварочный ток; t- время Качество сварных соединений, выполненных точечной и шовной сваркой в значительной степени определяется наличием дефектов, которые в свою очередь зависят от технологии сварки. Основными дефектами являются непровар, выплески, несплошности зоны сварки (трещины, раковины), снижение коррозионной стойкости соединений, неблагоприятные изменения струк­туры металла. Из них непровар — наиболее опасный и трудновыявляемый дефект, при котором зона взаимного расплавления меньше требуемой в чертеже изделия. Общая причина непровара — изменения параметров режима сварки, приводящие к снижению плотности тока (тепловыделения). Для предупреждения непроваров следует обеспечить стабильность технологических факторов и работы сварочного оборудования, а также удалить перед сваркой тугоплавкие оксиды и плакирующий слой, препятствующие процессу образования зоны взаимного расплавления деталей. Детали для точечной и шовной сварки обычно изготовляют из листов и профилей. Наиболее технологичны узлы открытого типа, облегчающие доступ электродов (роликов) к месту сварки. Выбор способа сварки обусловлен толщиной и материалом деталей, конструкцией узла, требованиями к качеству соединений, характером конкретного производства. Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют детали толщиной 0,5—6 мм. Однако нижний предел (в микросварке) может доходить до 2 мкм, а верхний — до 30 мм. Толщина свариваемых деталей может быть одинаковой или различной (при соотношении толщин до 1:5 материал деталей может быть одноименным и разноименным, особенно в микросварке). Если герметичность не требуется, то применяют точечную сварку. Прочноплотные соединения выполняют шовной сваркой. Чаще применяют двустороннюю сварку, однако при ограниченном доступе к месту сварки — одностороннюю. Типовой технологический процесс производства сварных узлов с помощью точечной и шовной сварки состоит из ряда основных операций в определенной последовательности: изготовление деталей, подготовка свариваемых поверхностей, сборка, прихватка, сварка, правка и механическая обработка, антикоррозионная защита, контроль. Лекция №3 Формирование соединений при стыковой сварке сопротивлением и оплавлением. С т ы к о в а я с в а р к а — способ контактной сварки, когда детали соединяются по всей площади касания (по всему сечению). Свариваемые заготовки закрепляют в зажимах стыковой машины (рис. 3.1). Зажим 3 установлен на подвижной плите 4, перемещающейся в направляющих, зажим 2 укреплен на неподвижной плите 1. Сварочный трансформатор соединен с плитами гибкими шинами и питается от сети через включающее устройство. Плиты перемещаются, и заготовки сжимаются под действием силы Р, обеспечиваемой механизмом осадки. Место соединения разогревается проходящим по металлу электрическим током, причем максимальное количество теплоты выделяется в месте сварочного контакта. В результате в точках контакта металл нагревается до температуры, близкой к температуре плавления или до оплавления. По характеру нагрева металла торцов деталей различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. Рис. 3.1. Схема контактной стыковой сварки Стыковая сварка сопротивлением и оплавлением происходят практически по единой схеме и состоят из двух этапов — нагрева торцов деталей и осадки. На первом этапе при стыковой сварке сопротивлением (рис. 3.2,а) сжатые детали нагреваются током в контакте до пластического состояния. На втором этапе после приложения значительного усилия происходит осадка, в результате которой нагретый металл деформируется, большая часть окисных пленок из контакта выдавливается, контактные поверхности сближаются на расстояния, когда начинают действовать металлические связи. При стыковой сварке оплавлением (рис. 3.2, 6) нагрев деталей происходит до образования на торцах слоя расплавленного металла толщиной δж в результате локального расплавления и разрушения перемычек. Второй этап сопровождается деформацией нагретых поверхностей — осадкой. Рис. 3.2. Этапы образования соединений при стыковой сварке: а — сопротивлением (Fн — начальное усилие; Fос — усилие осадки); б — оплавлением (∆3 — зазор между деталями; δж — слой расплавленного металла) Условия образования межатомных связей определяются состоянием поверхностей и для методов сварки сопротивлением и оплавлением различны. При сварке сопротивлением температура торцовых поверхностей ниже температуры плавления. В общем случае поверхность покрыта оксидными пленками, и формирование металлических связей происходит в ходе пластической деформации металла в твердом состоянии. Однако относительно малая деформация не обеспечивает полного удаления оксидов. При сварке оплавлением оксиды находятся на поверхности тонкого слоя расплавленного металла. При сближении деталей они вместе с расплавом вытесняются в грат. Формирование связей происходит в жидком и частично в твердом состоянии. Основными процессами являются нагрев и охлаждение металла, пластическая деформация и удаление оксидных пленок. Для правильного формирования сварного соединения необходимо, чтобы процесс протекал в определенной последовательности. Совместное графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки во времени, называют циклограммой сварки. Циклограмма контактной сварки сопротивлением представлена на рис. 3.3. Заготовки сдавливаются силой Р, после чего включается ток и детали, зажатые в губках машины, начинают нагреваться. Контактное сопротивление (сопротивление в контакте деталь – деталь) оказывает решающее влияние на нагрев деталей. За счет этого сопротивления температура в контакте быстро повышается. Металл в этом месте разупрочняется до пластического состояния. После этого заготовки сдавливают более высоким усилием - производят осадку, одновременно отключая ток. Для этого способа сварки предъявляются высокие требования к предварительной подготовке деталей. Перед стыковой сваркой сопротивлением заготовки должны быть очищены от оксидных пленок и торцы их плотно пригнаны друг к другу предварительной механической обработкой. Рис. 3.3. Циклограмма контактной стыковой сварки сопротивлением Параметрами режима контактной стыковой сварки сопротивлением являются плотность тока j, сила сжатия торцов заготовки P и время протекания тока t , которое определяют косвенно через величину осадки, зависящую от установочной длины L. Установочной длиной L называют расстояние от торца заготовки до внутреннего края электрода стыковой машины, измеренное до начала сварки. Она зависит от теплофизических свойств металла, конфигурации стыка и размеров заготовки. Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой сопротивлением, представлены на рис. 3.4. Этим способом соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм2), так как при больших сечениях нагрев будет неравномерным. Для лучшего формирования соединений сечения заготовок в зоне сварки должны быть одинаковыми по форме, размерам и с простым периметром (круг, квадрат, прямоугольник с малым отношением сторон). Сваркой сопротивлением можно сваривать низкоуглеродистые, низколегированные конструкционные стали, алюминиевые сплавы. Рис. 3.4. Типы сварных соединений, выполняемых стыковой сваркой сопротивлением Стыковая сварка оплавлением имеет две разновидности: непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. При непрерывном оплавлении между заготовками, установленными в электродах машины, оставляют зазор, подключают источник тока и равномерно сближают заготовки. Соприкосновение происходит вначале по отдельным небольшим площадкам контактирования, через которые протекает ток высокой плотности. Под действием этого тока происходит быстрое плавление и образование перемычек из жидкого металла. За счет сил от поверхностного натяжения и электромагнитных сил (пропорциональных квадрату сварочного тока), стремящихся сжать и разорвать перемычки, они взрываются. При непрерывном поступательном перемещении подвижной плиты происходит образование и разрушение новых перемычек. Расплавленный металл выбрасывается из зазора в виде искр. После достижения равномерного оплавления всей поверхности стыка заготовки осаживают повышенным усилием сжатия. Циклограмма сварки непрерывным оплавлением показана на рис. 3.5. При оплавлении с подогревом при включенном трансформаторе зажатые заготовки сближают, приводят их в кратковременное соприкосновение и вновь отводят на небольшое расстояние. Быстро повторяя одно за другим сближения и разъединения, выполняют нагрев и оплавление всего сечения. Затем выключают ток и сдавливают заготовку. Под давлением часть расплавленного металла вместе с оксидами выдавливается из зоны сварки. Сварка оплавлением определяется следующими основными параметрами: скоростью оплавления, плотностью тока при оплавлении, припуском на оплавление, временем оплавления, величиной осадки, ее скоростью, длительностью осадки под током, величиной осадки под током, усилием осадки или давлением осадки, установочной длиной деталей. Рис 3.5. Циклограмма контактной стыковой сварки оплавлением: S - перемещение плиты, Р - сила сжатия заготовок, I- сварочный ток Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением. В процессе оплавления выравниваются все неровности стыка, а оксиды и загрязнения удаляются, поэтому не требуется особой подготовки места соединения. Непрерывным оплавлением сваривают детали компактного сечения (до 10 см2) из малоуглеродистой стали и несколько большего (развитого) сечения детали (трубы, листы). Сварка оплавлением с подогревом используется для сечений 5-100 см2. Можно сваривать заготовки с сечением сложной формы, а также заготовки с различными сечениями, разнородные металлы (быстрорежущую и углеродистую стали, медь и алюминий и т.д.). При оптимальных режимах соединения, выполненные сваркой оплавлением по прочности и пластичности близки к основному металлу. При сварке сопротивлением в большинстве случаев не удается добиться полного удаления оксидов из стыка. Поэтому оценочные показатели таких соединений (особенно по пластичности) ниже, чем у основного металла. Однако различные возмущающие воздействия могут вызвать отклонение условий формирования соединений от оптимальных и появление дефектов, ухудшающих заданные свойства соединений. Основными дефектами являются непровары, рыхлоты, искривление волокон, расслоения и трещины, а также дефекты структуры металла зоны сварки. Среди указанных дефектов непровар является наиболее опасным дефектом. Непровар характеризуется полным или частичным отсутствием металлической связи из-за оставшейся невыдавленной из стыка оксидной пленки, а также из-за отсутствия образования общих пограничных зерен металла несмотря на удаление оксидов. Непровар снижает пластичность и прочность соединения. Причина непровара при отсутствии оксидов — недостаточный нагрев торцов. В изломах таких холодных стыков наблюдается хрупкое межзеренное разрушение. Параметры режима оплавления следует выбирать из условия отсутствия глубоких кратеров и существования перед осадкой равномерного слоя расплавленного металла на торцах. Соблюдение этих требований облегчает удаление оксидов и способствует образованию общих пограничных зерен металла. Лекция №4 Формирование соединений при диффузионной и термокомпрессионной сварке Отличительной особенностью диффузионной сварки является применение относительно высоких температур нагрева и сравнительно низких удельных давлений, меньших предела текучести свариваемых металлов при температуре сварки. Сварное соединение образуется в результате взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов, находящихся в твердом состоянии. Диффузионные процессы в поверхностных слоях контактирующих заготовок протекают достаточно активно при нагреве до температур рекристаллизации (0,4 Тпл) и давления, необходимого для пластического деформирования микровыступов и их смятия с целью обеспечения физического контакта по всей поверхности. Диффузионную сварку в большинстве случаев выполняют в вакууме, однако она возможна в атмосфере инертных и защитных газов. Свариваемые поверхности предварительно должны быть обработаны Процесс сварки металла в твердом состоянии при диффузионной сварке условно можно разделить на две стадии. На первой стадии процесса на линии раздела двух деталей создаются условия для образования металлических связей. Для возникновения на линии раздела металлических связей необходимо обеспечить тесный контакт свариваемых поверхностей и создать условия для удаления поверхностных пленок окислов, жидкостей, газов и различного рода загрязнений. Использование повышенных температур при диффузионной сварке приводит к уменьшению сопротивления материала пластическим деформациям. Вследствие этого имеющиеся в зоне действительного контакта выступы на металле деформируются при значительно меньших нагрузках, что облегчает сближение атомов металла на всей площади свариваемой поверхности. Для получения качественного соединения нагрев заготовок по всему сечению должен быть равномерным, а их поверхности предварительно очищены от оксидов и загрязнений. При нагреве в вакууме тончайшие адсорбированные и масляные пленки испаряются и не препятствуют образованию соединения. Удаление поверхностных пленок и предупреждение возможности образования их в процессе сварки достигается использованием вакуумной защиты и тщательной предварительной зачисткой свариваемых поверхностей. Таким образом, первая стадия процесса диффузионной сварки основывается на образовании металлических связей на свариваемых поверхностях материалов при нагревании их в вакууме с применением сдавливающего усилия. На второй стадии процесса диффузионной сварки происходят процессы взаимной диффузии атомов свариваемых материалов. Эти процессы приводят к образованию промежуточных слоев, увеличивающих прочность сварного соединения. Однако в некоторых случаях образование промежуточных слоев нежелательно. Схема установки для диффузионной сварки представлена на рис. 4.1. Свариваемые заготовки 3 устанавливают внутри охлаждаемой металлической камеры 2, в которой создается вакуум 133 (10-3 ... 10-5) Па, и нагревают с помощью вольфрамового или молибденового нагревателя либо индуктора ТВЧ 4. Все вводы в камеру (5 - к вакуумному насосу, б - к высокочастотному генератору и др.) хорошо герметизируются. С целью ускорения процесса в камеру может быть введен электронный луч, позволяющий нагревать заготовки с еще более высокими скоростями, чем при использовании ТВЧ. Обычно такой нагрев применяют при диффузионной сварке тугоплавких металлов и сплавов. Рис. 4.1. Схема диффузионной сварки в вакууме После того как достигнута требуемая температура, с помощью механического 1, гидравлического или пневматического устройства к заготовкам прикладывают небольшое сжимающее давление (1 ... 20 МПа) в течение 5 ... 20 мин. В зависимости от свойств свариваемых материалов степень разрежения в вакуумной камере может быть различной. На воздухе сваривают малоуглеродистые и некоторые инструментальные стали. При этом контактные поверхности заготовок после механической обработки защищают от окисления консервирующим покрытием: эпоксидной смолой или глицерином. При нагреве зоны стыка в процессе сварки покрытие выгорает без остатка, а образующиеся газы защищают зону сварки от окисления. С помощью диффузионной сварки сравнительно легко могут быть получены соединения большинства конструкционных материалов: металлов и сплавов на их основе как в однородных, так и в разнородных сочетаниях, включая материалы с резко различающимися свойствами (например, металл — керамика). Для защиты от окисления в процессе нагрева при сварке сплавов, в состав которых входят активные по отношению к кислороду элементы (Cr , Al и др.), на поверхность деталей перед сваркой наносят никелевое, медное или серебряное покрытие толщиной 5 – 10 мкм. В однородных сочетаниях структура и свойства сварного соединения практически не отличаются от основного материала. При соединении разнородных материалов, образующих в контакте при температуре процесса интерметаллидные фазы, необходимо использование барьерных прослоек. Для этого могут быть использованы покрытия достаточной толщины, а также фольговые прокладки, изготавливаемые по форме площади контактирования. В этом случае основное требование при выборе типа покрытия или прокладки – совместимость с каждым из свариваемых сплавов. Ту же цель достигают применением порошковых прокладок, изготовленных предварительным формованием в виде лент, шайб, таблеток из промышленных порошков никеля, меди, титана и др. (размер частиц 50 – 100 мкм). Особое место в технологии диффузионной сварки занимают расплавляющиеся прослойки, имеющие температуру плавления ниже температуры плавления свариваемых материалов. Такие прослойки применяют в виде покрытий, фольг и порошковых смесей. Наличие жидкой фазы в зоне контакта в процессе сварки позволяет уменьшить деформационную нагрузку, снизить температуру сварки, активизировать процесс формирования контакта, что важно, например, при соединении трудно деформируемых жаропрочных сплавов, сложнолегированных сплавов и других материалов. Особенностью диффузионной сварки является возможность ограничения общей деформации соединяемых деталей, что позволяет получать прецизионные соединения, в необходимых случаях не требующих последующей механической обработки. Основными параметрами диффузионной сварки являются температура Т, давление р; время выдержки t (или степень остаточной деформации есв). Указанные параметры являются взаимозависимыми величинами, одинаково влияющими на прочность сварного соединения. Поэтому оптимальные их значения обычно устанавливают экспериментально. В ряде случаев перед сваркой рекомендуется проведение термической обработки деталей, в том числе в активных газовых средах (вакуум, водород). Целью обработки является стабилизация структуры материала, а также исходного состояния контактных поверхностей, что заметно улучшает свариваемость. Температуру сварки выбирают в диапазоне (0,7—0,8) Тпл, иногда несколько ниже, до 0,5ТПл (здесь ТПл — температура плавления свариваемого материала). Для тугоплавких и жаропрочных материалов температура может быть выше указанного диапазона. Давление выбирают в диапазоне 0,8—0,9 предела текучести при температуре сварки. Для известных конструкционных материалов оно может изменяться в диапазоне 1—100 МПа. Время выдержки в зависимости от температуры, давления, допустимой остаточной деформации, чистоты обработки контактных поверхностей и деформационной способности материала может колебаться от нескольких секунд до нескольких часов (чаще 5—10 мин). Установки для диффузионной сварки выпускают для единичного производства с обычным ручным управлением и для серийного поточно-массового производства с полуавтоматическим или автоматическим программным управлением. Универсальные установки для диффузионной сварки в общем случае имеют рабочую камеру, механизм для создания сварочного давления или деформирования, систему для получения рабочей среды (вакуума или газовой среды), аппаратуру управления и контроля. Применяемое на практике оборудование имеет большое разнообразие конструктивного решения функциональных узлов и систем, обусловленное, главным образом, габаритами свариваемых узлов, применяемыми материалами и необходимой производительностью. Эти требования определяют в основном выбор систем нагрева, вариантов рабочей среды, нагружения или деформирования. Применение диффузионной сварки крупногабаритных деталей сдерживается отсутствием специализированного оборудования. В связи с этим для практики представляют интерес технические решения, предполагающие использование стандартного прессового оборудования. Свариваемые заготовки предварительно укладывают в тонкостенный контейнер, изготовленный по форме собранного узла. Контейнер герметизируют, обваривая по периметру, и после вакуумирования внутренней полости осуществляют нагрев и сжатие заготовок с помощью пресса, оснащенного сравнительно простыми нагревательными элементами (рис. 4.2). В некоторых случаях герметизируют пространство только между соединяемыми поверхностями. Для этого обваривают детали по периметру контактных поверхностей непосредственно или с использованием специальных манжет из жаропрочного сплава или гофрированных элементов. Недостатками процесса диффузионной сварки является: - сложность оборудования; - значительная длительность цикла сварки, что ограничивает производительность процесса; - высокие требования к качеству контактных поверхностей, что удорожает процесс в целом. Рис. 4.2. Диффузионная сварка в герметичном контейнере: 1 — плита пресса; 2 — свариваемые детали; 3 — контейнер; 4 — вакуумная трубка; 5 — вакуумный насос; 6 — нагревательные плиты; 7 — нагреватели Повышение производительности процесса возможно главным образом за счет усовершенствования сварочного оборудования в направлении сокращения наиболее длительных этапов цикла сварки – вакуумирования, нагрева, охлаждения. Интенсивное развитие новых отраслей промышленности – полупроводникового приборостроения и микроэлектроники потребовало разработки новых способов сварки давлением. Выполнение неразъемных соединений в полупроводниковых приборах имеет ряд специфических особенностей: большая разница толщин соединяемых изделий — металлические проводники толщиной (или диаметром) 10—150 мкм должны привариваться к тонким пленкам (0,5—5 мкм), нанесенным на диэлектрические, полупроводниковые или металлические подложки. Для выполнения таких соединений разработаны способы – термокомпрессионная сварка или кратко термокомпрессия и сварка косвенным импульсным нагревом (СКИН). Термокомпрессия — это способ соединения металлов с металлами и неметаллами давлением с подогревом при относительно невысоких удельных давлениях. По терминологии, которая принята в области сварки (ГОСТ 2601—84), более правильно термокомпрессию называть микросваркой давлением с подогревом соединяемых деталей. Термокомпрессионная сварка является наиболее широко применяемым способом монтажа полупроводниковых микроприборов и интегральных схем в разнообразных корпусах с проволочными проводниками (выводами). Один из соединяемых элементов (обычно вывод) при термокомпрессии должен обладать достаточно высокой пластичностью. Температура при термокомпрессии не превышает температуры образования эвтектики соединяемых материалов и обычно равна температуре отпуска или отжига более пластичного металла. Разновидности термокомпрессионной сварки могут быть классифицированы по трем основным признакам: по способу нагрева, по способу выполнения соединения и по типу образующегося соединения, обусловленного формой применяемого инструмента. Подвод тепла в зону сварки осуществляют тремя способами: нагрев только рабочего столика, нагрев рабочего инструмента, одновременный нагрев рабочего столика и инструмента (рис. 4.3). Рис. 4.3. Разновидности термокомпрессии в зависимости от способа нагрева: а — нагрев только рабочего столика; б — нагрев рабочего инструмента; в — одновременный нагрев рабочего столика и инструмента; 1 — рабочий инструмент (пуансон); 2 — присоединяемый проводник; 3 — подложка или кристалл полупроводникового прибора; 4 — рабочий столик; 5, 6 — спираль для нагрева. Применяют следующие способы выполнения соединений при термокомпрессионной сварке: внахлестку и встык. При сварке внахлестку проволочный вывод накладывают на металлизированную контактную площадку. Ось вывода располагают параллельно плоскости контактной площадки, а вывод подают под инструмент сбоку через специальную дюзу или непосредственно через рабочий инструмент. При сварке встык конец проволочного вывода (ось вывода перпендикулярна плоскости контактной площадки) предварительно оплавляют. Конфигурация нахлесточного соединения зависит от формы торца рабочего инструмента. На основании проведенных исследований процесс соединения кристаллических материалов при сварке давлением с подогревом в атмосферных условиях происходит в три стадии: 1. Сближение соединяемых материалов (образование физического контакта). 2. Активация контактных поверхностей. 3. Объемное развитие взаимодействия. Длительность каждой из стадий зависит от физико-химических свойств соединяемых материалов и определяется способом сварки и его параметрами. Микросварка давлением элементов полупроводниковых приборов должна осуществляться с наименьшим развитием объемного взаимодействия, чтобы сохранить исходные параметры полупроводниковых элементов. Это условие выполняется при кратковременном (импульсном) нагреве. Основными параметрами режима термокомпрессии с использованием статического нагрева являются: усилие сжатия (давление Р), температура нагрева соединения или инструмента Т, длительность выдержки под давлением t. Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника и допустимым механическим воздействием на полупроводниковый прибор. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и определяется экспериментально путем оценки прочности соединений. Основные достоинства процесса термокомпрессии: - возможность сварки мягких высокоэлектропроводных материалов в виде круглых и плоских проводников с тонкими металлическими пленками, напыленными на хрупкие диэлектрические подложки; - стабильность сварочного инструмента и его высокая стойкость; - малая чувствительность к изменению режима (во многих случаях изменение параметров в пределах ±10% не влияет на качество соединений); - простота контроля и регулирования основных параметров процесса (усилие сжатия, температура и длительность); - возможность контроля качества соединения по деформации проводника и форме сварной точки; возможность сварки без применения припоев и флюсов, что предотвращает появление загрязнений и газонасыщения приборов. Недостатки процесса термокомпрессии: - ограниченное число сочетаний свариваемых материалов (термокомпрессией весьма трудно сварить ковар, никелевые и железные сплавы); - материал подложки должен обладать малой чувствительностью к термическому удару и хорошей адгезией с напыленными пленками (кремний, в том числе окисленный, ситалл или другая керамика); - ограничение геометрических размеров свариваемых деталей; необходимость весьма тщательной подготовки соединяемых материалов (травление, зачистка, обезжиривание, защита от окисления). Разновидностью способа сварки давлением с подогревом является сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИН). В способе СКИН в отличии от термокомпрессии инструмент (пуансон) импульсно нагревается проходящим по нему током. Из-за кратковременности процесса нагрева металлический проводник в месте контакта может нагреваться до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это дает возможность приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким пленкам на керамических подложках. Методом термокомпрессии присоединяются золотые, алюминиевые и медные проводники диаметром 10—150 мкм к разнообразным пленкам, напыленным на диэлектрические или полупроводниковые подложки. Лекция №5 Формирование соединений при конденсаторной и дугоконтактной сварке Контактная сварка – весьма энергоемкий процесс и поэтому вызывают большой интерес машины с накоплением энергии. В этом случае достигается медленное накопление энергии и быстрый ее расход в виде очень мощного импульса тока. Существуют четыре разновидности сварки аккумулированной энергией: конденсаторная, электромагнитная, инерционная и аккумуляторная. Накопление энергии соответственно происходит в батарее конденсаторов, в магнитном поле специального сварочного трансформатора, во вращающихся частях генератора или в аккумуляторной батарее. Наибольшее промышленное применение получила конденсаторная сварка. Принципиальная схема взаимосвязи аккумулирующей системы (рабочая батарея конденсаторов емкостью Ср, заряженная до напряжения Uc) с источником зарядки КЗ и сварочным контуром СК (сварочной цепью) при всех способах конденсаторной сварки имеет вид, представленный на рис. 5.1. Зарядка конденсатора Ср (левое положение ключа К) до напряжения Uс, обусловливает аккумулирование в нем энергии WK: (5.1) Формула (5.1) показывает, что при конденсаторной сварке энергия WK может регулироваться изменениями емкости конденсаторов и напряжения их зарядки, а также одновременно изменениями и емкости и напряжения. Все эти способы нашли практическое применение и по-разному реализованы во многих типах оборудования для конденсаторной сварки. Однако, как правило, в целях расширения технологических возможностей такого оборудования и, в первую очередь, при его универсальном назначении наиболее целесообразно регулировать как емкость конденсаторов, так и напряжение их зарядки. Рис. 5.1. Принципиальная схема зарядно-разрядного контура Используют два принципиально различных вида контактной конденсаторной сварки: бестрансформаторную сварку, когда конденсатор разряжается непосредственно на свариваемые детали, и трансформаторную сварку, когда конденсатор разряжается на первичную обмотку сварочного трансформатора, а свариваемые детали находятся во вторичной его цепи. Бестрансформаторной сваркой можно сваривать встык проволоки и тонкие стержни разной толщины из разнородных металлов (вольфрам - никель, молибден - никель, медь - константан). Трансформаторная конденсаторная сварка находит большее применение и предназначена в основном для точечной и шовной сварки, но может быть использована и для стыковой. Упрощенная электрическая схема трансформаторной конденсаторной сварки представлена на рис. 5.2. Рис. 5.2. Электрическая схема конденсаторной сварки и графики сварочных токов: СТР — сварочный трансформатор; КП — переключатель ступеней; П — переключатель цепей заряда и разряда; ВС — выпрямитель; Кс — коэффициент трансформации В правом положении переключателя П полупроводниковый выпрямитель ВС заряжает батарею конденсаторов большой емкости (до 0,3 Ф). Для выполнения сварки переключатель переводится в левое положение и конденсаторы разряжаются на первичную обмотку сварочного трансформатора СТР. При этом во вторичной обмотке индуктируется очень кратковременный импульс сварочного тока (рис. 5.2), обеспечивающий сварку предварительно зажатых между электродами заготовок. Форма и параметры импульса регулируются изменением коэффициента трансформации kc, емкости С и зарядного напряжения Uc. Импульсы сварочного тока характеризуются высокой скоростью нарастания и своей кратковременностью. Конденсаторная сварка имеет ряд технологических преимуществ: 1. Строгая дозировка накапливаемой в конденсаторах и расходуемой на сварку электрической энергии обусловливает при прочих равных условных расплавление вполне определенного объема металла, что позволяет получать соединение стабильного качества. 2. Возможность точного дозирования накопленной в конденсаторах энергии и получения практически любых малых ее количеств имеет важное значение для получения высококачественных сварных соединений из металлов очень малых толщин и диаметров. 3. Весьма незначительное время процесса конденсаторной сварки (довольно часто это тысячные и десятитысячные доли секунды) и высокие плотности сварочного тока способствуют концентрированному выделению тепла в местах сварки металлических деталей (скорости нагрева металла составляют сотни тысяч и более градусов в секунду), что обеспечивает минимальную зону термического влияния, ширина которой составляет 0,1—0,5 (нередко и менее) толщины или диаметра свариваемого металла. Конденсаторная сварка позволяет получать неразъемные соединения металлических деталей при огромной разнице в их толщине или диаметрах (например, 10000 : 1 и намного больше), а также при их различных теплофизических свойствах. Однако наряду с указанными преимуществами эти машины обеспечивают очень жесткий режим, что обусловливает их применение лишь для сварки металлов с относительно невысоким сопротивлением пластической деформации (алюминиевых, титановых и магниевых сплавов, малоуглеродистых сталей). Указанные достоинства конденсаторной сварки сделали ее одним из самых эффективных и востребованных способов сварки давлением, особенно в тех областях, где ее преимущества неоспоримы. Конденсаторную сварку применяют в производстве электроизмерительных и авиационных приборов, часовых механизмов, фотоаппаратов, в микроэлектронике, полупроводниковом приборостроении и т.д. На рис. 5.3 показана схема сварочного инструмента для герметизации корпуса полупроводникового прибора конденсаторной контурной сваркой. Взаимная центровка соединяемых элементов, исключающая их смещение, осуществляется сварочными электродами 1 и 5 с вставками 3. Электроды перемещаются в металлических втулках 2, запрессованных в текстолитовый стакан 6 и разделенных изолирующим кольцом 4. Рис. 5.3. Сварочный инструмент для герметизации корпусов контурной контактной сваркой Способ сварки дугой, вращающейся в магнитном поле, с последующей механической осадкой получил название дугоконтактная сварка. Рассмотрим этот способ на примере сварки труб встык. Две трубы 1 и 1', подлежащие сварке, и катушки электромагнитов 2 и 2' располагаются соосно (рис. 5.4). Катушки создают магнитные потоки, направленные навстречу один другому. В результате в зазоре между деталями магнитное поле имеет радиальную составляющую. Дугу возбуждают между торцами деталей. Одна из свариваемых деталей является анодом, вторая — катодом. Рис. 5.4. Схема процесса сварки дугой, горящей между свариваемыми частями изделия При взаимодействии тока дуги I и радиальной составляющей магнитного поля ВР создается усилие Pд, приводящее дугу во вращение. Эта сила, направление которой перпендикулярно направлению тока в дуге и направлению магнитного поля, заставляет дугу перемещаться по поверхности торцов со скоростью, достигающей нескольких десятков метров в секунду. При многократном обходе дуги по торцу трубы разогрев происходит по всему периметру. При достижении на торцах разогрева производится сдавливание (осадка) аналогично тому, как это делается при контактной сварке. Основными параметрами при дугоконтактной сварке являются: сварочный ток, время разогрева, скорость перемещения дуги, скорость и усилие осадки, величина рабочего зазора между свариваемыми частями. Удовлетворительное формирование шва возможно при разных значениях сварочного тока и длительности разогрева. Каждому сечению соответствует свой диапазон сварочных токов, в пределах которого обеспечивается удовлетворительное формирование шва. Дугоконтактной сваркой могут свариваться любые детали с замкнутой линией шва: трубы, трубы с фланцами, трубы с ниппелями, сплошные сечения, изделия некруглого сечения (квадратные, прямоугольные, овальные), а также могут быть приварены трубы и стержни к плоской поверхности и др. С помощью дугоконтактной сварки свариваются: малоуглеродистая сталь, легированная сталь, аустенитные стали, медь, латунь, бронза, возможна также сварка металлов и в таких сочетаниях, как сталь с медью, алюминий с медью и др. Хорошо свариваются металлы и сплавы с разными видами покрытий (оцинкованные, омедненные и др.). Условия сварки наилучшие при одинаковой толщине стенки. В случае сварки изделий разных сечений, например трубы со стержнем, желательно обеспечить одинаковые сечения в зоне сварки на глубину всего лишь 2—3 мм. Основные направления применения дугоконтактной сварки: - сварка трубопроводов в монтажных условиях непосредственно на объектах строительства, сварка на производственных базах труб в плети, заготовка сварных блоков с последующим соединением их на объектах; - сварка деталей транспортного и сельскохозяйственного машиностроения: валов, осей, амортизаторов, патрубков и др.; - сварка Т-образных соединений: приварка фланцев, угольников, тройников. Основными преимуществами дугоконтактной сварки являются: - высокая производительность процесса — в 2—5 раз больше, чем при общепринятых способах сварки; - не требуются сварочные материалы; - незначительный расход электроэнергии — в 3—5 раз меньше по сравнению с другими способами сварки; - экономия материала свариваемых деталей. Припуск на оплавление в 3—4 раза меньше, чем при контактной сварке оплавлением и сварке трением; - прочность сварного соединения выше прочности основного металла без заметного снижения пластичности; отсутствуют поры, раковины, инородные включения и другие дефекты; - высокая герметичность. Сварные соединения выдерживают высокое давление; - сохранение антикоррозионных покрытий; покрытие разрушается только в зоне шва; - грат (наружный и внутренний) значительно меньше, чем при стыковой контактной сварке, и равномерно распределен по периметру. Лекция № 6 Формирование соединений при холодной и ультразвуковой сварке Холодная сварка - один из наиболее рациональных способов сварки давлением однородных и разнородных пластичных (в первую очередь, цветных) металлов и сплавов. Холодная сварка осуществляется при значительной совместной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых деталей. Сварное соединение образуется за счет возникновения металлических связей между соединяемыми частями при их совместной пластической деформации, в процессе которой поверхностные оксидные пленки разрушаются и выносятся из зоны контакта, образуются участки контакта ювенильных поверхностей. По мере развития принципиальных основ технологии холодной сварки металлов и разработки оборудования число металлов, соединяемых данным способом, непрерывно возрастает. Сначала холодная сварка применялась преимущественно для соединения алюминия, меди и алюминия с медью. Уже эта область применения подняла роль холодной сварки от второстепенного, «экзотического» способа до прогрессивного, во многих случаях незаменимого, открывшего много новых технических возможностей. В настоящее время число металлов и сплавов, соединяемых холодной сваркой, намного возросло. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды. Благодаря отсутствию нагрева, способ холодной сварки обладает автономностью, его удобно использовать в полевых условиях, например, для соединения контактных проводов железнодорожной тяги, линий связи и др. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения. Среди разновидностей сварки давлением холодная точечная сварка — наиболее простой и распространенный способ сварки. Холодной точечной сваркой (ХТС) называется способ соединения металлов при комнатной и отрицательных температурах путем зачистки поверхностей, установки деталей внахлестку так, чтобы контактировали чистые свариваемые поверхности, и последующего вдавливания пуансонов на глубину, при которой вследствие деформации образуется монолитное соединение. Технология ХТС в обычном виде сравнительно простая: детали в местах соединения очищаются от загрязнений масла и пленок поверхностных окислов. Затем они собираются в специальном устройстве так, чтобы их чистые поверхности находились в контакте. Собранные детали (рис. 6.1) устанавливаются между пуансонами 2, имеющими рабочую часть 3 и опорную ограничивающую поверхность 4. К пуансонам прикладывается сжимающее усилие Р, вдавливающее рабочую часть пуансонов до опорной поверхности. При погружении пуансонов под их торцами создается деформация, вызывающая одновременное течение металла обеих соединяемых частей в месте их контакта, а также определенное напряженное состояние. Монолитное соединение достигается лишь при весьма глубоких вмятинах в свариваемых деталях под пуансонами. Рис. 6.1. Схема холодной точечной сварки: а — схема сварки; 1 — детали; 2 — пуансон; 3 — рабочая часть; 4 — опорная поверхность; б — сечение места сварки; h — остаточная толщина; Н — суммарная толщина листов. Точечная сварка, выполняемая с зажимными устройствами 3, располагаемыми вокруг пуансонов 2, ограничивающих боковое течение металла и обеспечивающих стесненную деформацию к концу процесса, предполагает избавить ХТС от основных ее недостатков — искажения размеров и формы деталей ( рис. 6.2). Рис. 6.2. Схема ХТС с предварительным обжатием. Ввиду простоты способа специальные машины для ХТС достаточного развития не получили. Сварку успешно выполняют на самых различных серийных прессах. ХТС желательно производить одновременно группой точек, при этом возникает минимальное влияние деформации на взаимное их ослабление, а также на изменение формы изделий. Холодная шовная (роликовая) сварка характеризуется непрерывностью монолитного соединения. По механической схеме эта сварка аналогична холодной точечной сварке прямоугольными пуансонами (рис. 6.3). Ролики имеют кольцевые выступы, играющие роль пуансонов при ХТС. Они вдавливаются в металл и вызывают деформацию, необходимую для образования монолитного соединения. Кроме того, имеются опорные поверхности, ограничивающие углубление рабочих выступов и создающие напряженное состояние в зоне сварки. Рис. 6.3. Схема холодной шовной сварки:1 — приводной ролик; 2 — холостой (опорный) ролик; 3 — детали; 4 — рабочая часть; 5 — опора. Изделия, предварительно обезжиренные и зачищенные в месте сварки, собираются внахлестку так, чтобы они соприкасались чистыми поверхностями. Собранные изделия устанавливаются между роликами и сжимаются ими до полного погружения выступов в металл детали. Затем ролики приводятся во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную деформацию, в результате которой образуется непрерывное монолитное соединение — шов. Холодная шовная сварка применяется в основном для обеспечения герметичности соединений. Холодная стыковая сварка - способ соединения расположенных соосно и закрепленных с вылетом в специальных зажимах деталей посредством деформации (осадки) их свободных концов под действием приложенного осевого усилия с образованием прочного сварного стыка. В результате сварки соединение сохраняет форму и сечения свариваемых деталей. Этот способ стыковой сварки уникальный, он намного повышает прочность соединений по сравнению с прочностью основного металла, сохраняя сечение изделий. В общем случае процесс ХСС осуществляется по следующей схеме. Детали предварительно зачищаются в торцовых частях и устанавливаются в зажимах так, что из зажимов выступают заданные припуски на сварку l1+l2 (рис. 6.4). Рис. 6.4. Схема ХСС: а — начало сварки; б — конец сварки; 1 — деталь; 2,4 — зажимы; 3 — упор; 5 — выдавленный металл; l1, l 2 — установочная длина; l — общий припуск на сварку. Затем детали зажимаются усилием N так, что исключается возможность течения металла по оси в зажимах по всему сечению деталей. Надежное зажатие деталей является необходимым условием ХСС, без которого невозможно получить полноценный провар. Один или два зажима подвижны. Усилием Рос, приложенным к зажимам, вызывается их сближение и деформация припусков на сварку (вылетов) l1 + l 2. В начальный момент вылеты деформируются свободно симметрично и в торцах образуется утолщение («бочка»). После заполнения металлом полостей между фасками формирующих частей создаются затрудненные условия деформации. Они вызывают резкое возрастание усилия осадки и, следовательно, возрастание напряженного состояния и интенсивность деформации в зоне сварки. При этом пленки окислов предельно утоняются и уносятся истекающим металлом в периферию. Очищенные соединяемые поверхности сближаются до истинного контакта так, что возникает взаимодействие силовых полей решеток. При достижении удельных давлений (напряжений) на контактных поверхностях определенной критической величины, превосходящей энергетический уровень — порог активации атомов, образуется прочное монолитное соединение. В конечный момент осадки режущие кромки формирующих частей срезают выдавленный металл. Затем открываются зажимы и освобождается сваренное изделие. Технологические возможности холодной сварки. Диапазон размеров свариваемых деталей определяется возможностями сварочного оборудования. Холодной сваркой соединяют однородные или неоднородные металлы и сплавы, обладающие высокой пластичность при нормальной температуре. Хорошо свариваются сплавы алюминия, свинца, меди, никеля, золота. Точечной сваркой (ХТС) соединяют листы, ленты; полосы толщиной до 12—15 мм. Форма сварных точек разная (в частности, круглая, прямоугольная, крестообразная, сферическая). В многоточечном соединении все сварные точки выполняются, как правило, одновременно. Наиболее рациональна ХТС алюминия, несколько менее — алюминия с медью, меди. Основное назначение ХШС — получение герметичных швов при соединении корпусов изделий с крышками. Толщина деталей от 0,3 до 3—5 мм, диаметр цилиндрических обечаек — до 200 мм (возможно, и более). ХШС соединяют алюминий и его сплавы, медь, алюминий с медью, медь с коваром. Стыковая сварка (ХСС). Этим видом сварки соединяют проволоку, стержни, полосы и профили сечением, определяемым возможностями существующего оборудования: до 15 см2 из алюминия и до 10 см2 из меди. Встык можно сваривать алюминий и его сплавы с медью, никелем, цинком, медь с серебром и др. К преимуществам холодной сварки относятся: малый расход энергии, незначительное изменение свойств металла в зоне сварного соединения, высокая производительность, возможность автоматизации. К недостаткам способа следует отнести относительно ограниченное количество сплавов, обладающих необходимой пластичностью (5 > 30 %), а также снижение несущей способности сварных соединений из-за глубоких вмятин на поверхности, оставляемых пуансонами. Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний. В настоящее время ультразвуковая сварка (УЗС) является одним из самых современных и перспективных способов сварки давлением. Для сварки используется давление и взаимное трение в свариваемых поверхностях. Силы трения возникают в ре­зультате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. Для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эффект, открытый Джоулем в 1847 году. Этот эффект основан на изменении размеров некоторых материалов под действием переменного магнитного поля. Наибольшими магнитострикционными свойствами обладают железо, никель, кобальт и разнообразные их сплавы. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, поэтому для увеличения амплитуды S и концентрации энергии колебаний, а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев сужающейся формы. При УЗС энергия вибрации создает сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости соединяемых металлов происходит пластическая деформация в зоне их контактирования. В результате пластической деформации и действия ультразвука происходит разрушение и удаление поверхностных пленок различного происхождения, а также образование сварного соединения. При этом отмечается резкая интенсификация процесса образования соединения в результате ультразвукового воздействия на свариваемые материалы. Температура нагрева в зоне контакта мала и обычно не превышает 0,3—0,5 от температуры плавления соединяемых металлов. Повышение температуры не является определяющим фактором в образовании сварного соединения и не оказывает значительного воздействия на свариваемые металлы. При УЗС происходит лишь незначительное изменение структуры и свойств свариваемых металлов. Сварку с помощью ультразвука осуществляют на специальных машинах, состоящих из источника генерации высокочастотных (ультразвуковых) электромагнитных колебаний, механической колебательной системы, аппаратуры управления сварочным циклом и привода сварочного усилия. Механическая колебательная система служит для преобразования электромагнитных колебаний в механические и введения последних в зону сварки. Типовые колебательные системы для УЗС металлов приведены на рис.6.5. Основным звеном колебательных систем является преобразователь 1, который изготавливают из магнитострикционных или электрострикционных материалов (никель, перминдюр, титанат бария, ниобат свинца и др.). Преобразователь является источником механических колебаний. Волновод 2 осуществляет передачу энергии к сварочному наконечнику 4 рабочего инструмента и обеспечивает увеличение амплитуды колебаний по сравнению с амплитудой исходных волн преобразователя, а также концентрирует энергию в заданном участке свариваемых деталей 5. Акустическая развязка 3 от корпуса машины позволяет практически всю энергию механических колебаний трансформировать и концентрировать в зоне контакта. Рис. 6.5. Схема типовых колебательных систем для УЗС металлов: а — продольная; б — продольно-поперечная; в — продольно-вертикальная; г — крутильная В настоящее время преимущественное распространение для ультразвуковой сварки получили акустические системы, состоящие из электроакустического преобразователя, концентратора продольных колебаний и сварочного инструмента, крепящегося к концентратору перпендикулярно его оси. В зависимости от формы сварочного наконечника колебательной системы УЗС металлов может быть точечной, шовной или кольцевой. Простейшая схема, поясняющая процесс ультразвуковой точечной сварки металлов, представлена на рис. 6.6. Перед сваркой свариваемые заготовки 5 размещают на опоре б. Наконечник 4 рабочего инструмента 3 соединен с магнитострикционным преобразователем 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, представляющий вместе с рабочим инструментом волновод. При включении преобразователя в цепь высокочастотного генератора (обычно 15 – 80 кГц) создающееся в нем переменное магнитное поле приводит к периодическому удлинению и укорочению сердечника. Продольные упругие колебания усиливаются в волноводе и через наконечник 6 передаются в свариваемые детали в виде сдвиговых колебаний. Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний. В результате ультразвуковых колебаний в тонких слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в этих слоях немного размягчается и под действием силы Р пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь. Рис. 6.6. Схема ультразвуковой точечной сварки Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивает минимальные изменения их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а при сварке алюминия 200 ... 300 °С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов. Неразъемное соединение получается в процессе сжатия соединяемых элементов с относительно небольшим усилием (десятые доли или единицы Ньютона при соединении элементов микросхем и полупроводниковых приборов и не более 104 Н при сварке относительно толстых листов) при одновременном воздействии на зону контакта механических колебаний с частотой 15—80 кГц. Схема типового технологического процесса при УЗС металлов представляет собой комплекс последовательно выполняемых операций, основными из которых являются: подготовка свариваемых поверхностей, сборка узлов, прихватка, сварка и правка. Объем работ по каждой операции определяется особенностями технологии изготовления конкретных изделий. Прихватка при ограниченном числе сварных точек может не выполняться. Большинство исследователей отмечают, что влияние поверхностных пленок на прочность соединений, выполненных УЗС, невелико. Вместе с тем в некоторых работах указывается на целесообразность удаления поверхностных пленок с соединяемых поверхностей, так как они не только снижают возможность образования сварного соединения, но в ряде случаев исключают получение технологического эффекта. Основными технологическими параметрами режима УЗС металлов являются амплитуда колебаний сварочного наконечника, сварочное усилие и время сварки. Амплитуда колебаний сварочного наконечника А является важнейшим параметром режима сварки, влияющим на создание необходимых условий для удаления поверхностных пленок, нагрев, расположение и размеры зоны пластической деформации свариваемого металла. В каждом конкретном случае амплитуду назначают в зависимости от наличия оксидной пленки и ее толщины, а также от свойств (предела текучести и твердости) и толщины свариваемого металла. При этом она растет пропорционально пределу текучести, твердости и толщине свариваемого металла. Величина А обычно находится в пределах от 0,5 до 50 мкм. Сварочное усилие Р обеспечивает передачу ультразвуковых колебаний и вызывает пластическую деформацию металла в зоне соединения. С увеличением предела текучести, твердости и толщины свариваемого металла величина Р растет. УЗС позволяет соединять разные элементы изделий толщиной 0,005—3,0 мм или диаметром 0,01—0,5 мм. При приварке тонких листов и фольг к деталям толщина последних практически не ограничивается. Разнотолщинность свариваемых деталей при УЗС может достигать 1 : 100. С помощью ультразвука можно сваривать металлы и сплавы как между собой (в однородном или разнородном сочетании), так и с некоторыми неметаллическими материалами. Свариваемость металла зависит от его твердости и кристаллической структуры. С увеличением твердости свариваемость ухудшается. При сварке металла с решетками г. ц. к., о. ц. к. и гексагональной свариваемость ухудшается в пропорции 24 : 8 : 6. Это обусловлено тем, что металлы с разной кристаллической структурой обладают неодинаковой способностью проводить ультразвуковые колебания. Областями использования УЗС являются: производство полупроводников, микроприборов и микроэлементов для электроники, конденсаторов, предохранителей, реле, трансформаторов, нагревателей бытовых холодильников, приборов точной механики и оптики, реакторов. Особенно широкое применение она находит при сварке пластмасс. Перспективной областью использования УЗС является медицина, где в последние годы УЗС успешно используется при сварке костей, сосудов и т.д. Накопленный опыт применения УЗС выявил следующие преимущества этого процесса: 1. Сварка осуществляется в твердом состоянии металла без существенного нагрева места сварки, что дает возможность соединять химически активные металлы и разнородные металлы, склонные к образованию хрупких интерметаллидов в зоне соединения. 2. Возможность получения сварных соединений, которые трудно выполнить с помощью других видов сварки из-за больших энергетических и технологических затрат (например, сварка меди, алюминия и др.). 3. Возможность соединения тонких и ультратонких деталей, возможность приварки таких листов и фолы к деталям практически неограниченной толщины, сварка пакетов из фольги. 4. Снижение требований к чистоте свариваемых поверхностей дает возможность проводить сварку деталей с плакированными и оксидированными поверхностями, а также деталей, поверхности которых покрыты разными изоляционными пленками. 5. Незначительная деформация поверхности деталей в месте их соединения вследствие применения небольших сварочных усилий. 6. Малая мощность сварочных машин и несложность их конструкции. 7. Простота автоматизации. 8. Гигиеничность процесса. Лекция №7 Формирование соединений при сварке трением и сварке взрывом Сварка трением (СТ) - технологический процесс получения неразъемного соединения, осуществляемый за счет использования теплоты, образующейся на поверхности контакта двух заготовок, прижатых одна к другой н участвующих в относительном движении. После прерывания или полного прекращения относительного движения СТ завершается приложением усилия проковки. Как и при других способах сварки давлением, сварное соединение при СТ образуется в результате совместного пластического деформирования приконтактных объемов свариваемых заготовок. Отличительной особенностью СТ является получение теплоты непосредственно в зоне контакта за счет прямого преобразования работы, затрачиваемой на преодоление сил трения, возникающих при взаимном перемещении трущихся поверхностей заготовок. Трение поверхностей осуществляется вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок (рис. 7.1). Рис. 7.1. Схемы сварки трением: a - с вращением одной детали; б - с вращением обеих деталей; в - с вращающейся вставкой; г - с возвратно-поступательным движением одной детали В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. Оксидные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и удаляются в радиальных направлениях за счет пластической деформации. Основные стадии процесса сварки трением с непрерывным приводом представлены на рис. 7.2. Одной из заготовок сообщается вращательное движение, после чего заготовки соприкасаются и к ним прикладывается осевое усилие нагрева Рн. Рис. 7.2. Стадии процесса сварки трением с непрерывным приводом: 1 — тормоз; 2, 3 — свариваемые заготовки Стадия нагрева в существующих маши­нах СТ регламентируется либо временем нагрева, либо степенью совместной деформации заготовок. Далее следует торможение подвижной заготовки и проковка повышенным усилием Рпр. На рис. 7.3 представлена зависимость потребляемой мощности М и частоты вращения n на различных фазах процесса. Во время первой фазы ti устанавливается номинальная частота вращения. Эта фаза характеризуется малыми значениями коэффициента трения вследствие перехода от твердого к жидкому трению. Происходят нагрев и схватывание отдельных точек. Во время второй фазы t2 происходит быстрое нарастание потребляемой мощности и температуры в контакте; в трении участвует вся поверхность стыка. Наиболее длительная третья фаза t3, во время которой выделяется основная часть теплоты и происходит выравнивание температуры по стыку. Это сопровождается спадом потребляемой мощности, что объясняется снижением прочности металла в стыке в связи с повышением температуры. Рис. 7.3. Зависимость потребляемой мощности М и частоты вращения п на различных фазах процесса сварки трением Основные параметры сварки трением: скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей, продолжительность нагрева, сила сжатия, величина пластической деформации, т.е. осадки. Требуемый для сварки нагрев обусловлен скоростью вращения, осевой силой и временем вращения. Для получения качественного соединения в конце процесса необходимы быстрое прекращение движения и приложение осадочного сдавливания. Параметры режима сварки трением зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения, конфигурации изделия. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с различными свойствами, например медь со сталью, алюминий с титаном и др. Соединения получают с достаточно высокими механическими свойствами. Состояние контактных поверхностей свариваемых заготовок при СТ влияет на качество сварных соединений в значительно меньшей степени, чем при других способах сварки давлением. Поверхности могут быть получены резкой ножницами, дисковой пилой и даже газопламенной резкой. Влияние неровностей можно уменьшить притиркой или дополнительным временем нагрева. Непараллельность контактных поверхностей может достигать 5—7° без заметного влияния на качество. Небольшие очаги коррозии, грязь, масло, краска и другие загрязнения на контактных поверхностях в процессе СТ удаляются на стадии нагрева. Исключение составляют ржавчина, а также окалина, образованная при прокатке, ковке или горячей объемной штамповке. При СТ разнородных металлов необходима более тщательная подготовка контактных поверхностей, в частности, при СТ алюминия со сталью торцевое биение стальной заготовки должно быть менее 0,2 мм. Термическая обработка соединений, полученных трением, служит для снижение внутренних напряжений, повышения пластичности, рекристаллизации и улучшения качества соединения в результате протекания диффузионных процессов. Малоуглеродистые (до 0,26% С), низколегированные, высоколегированные хромоникелевые аустенитные и хромистые ферритные стали, сваренные в однородном и разнородном сочетаниях, термообработке не подвергают. Среднеуглеродистые (0,26—0,45 % С) легированные и нелегированные, высоколегированные аустенитно-мартенситные и хромистые феррито-мартенситные стали, сваренные в однородном и разнородном сочетаниях, подвергаются термообработке. Наиболее трудной является термическая обработка сварных соединений разнородных сталей. В этих случаях первоначально назначается смягчающий отжиг, а затем термическая обработка для получения заданных свойств с учетом теплофизических характеристик обоих материалов. Преимущества СТ по сравнению с другими способами соединения заготовок, предопределили ее широкое внедрение в промышленность. Главными причинами возрастающего интереса к СТ являются: возможность соединения металлов и других материалов в разнородном сочетании, что позволяет получать детали с принципиально новыми потребительскими свойствами; значительное снижение затрат на механическую обработку вследствие высокой размерной точности сваренных заготовок; повышенная надежность и низкая стоимость сварного соединения. Преимущества СТ особенно проявляются в массовом и крупносерийном производстве при изготовлении деталей из заготовок, полученных литьем, ковкой, штамповкой или прокаткой. Несмотря на свою сравнительную «молодость», СТ уже довольно широко применяется в машиностроении, ядерной энергетике, в инструментальном производстве, в электротехниче­ской промышленности, тракторо- и автомобилестроении, а также в самолетостроении, космической технике, химическом и нефтяном машиностроении. Следует отметить, что возможности СТ далеко еще не исчерпаны. Мировая практика использования СТ в промышленности показывает, что этот вид сварки является одним из наиболее интенсивно развивающихся технологических процессов. Сварка взрывом (CВ) — один из видов сварки давлением, осуществляемый под действием энергии, выделяющейся при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ). Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Принципиальная схема осуществления сварки взрывом изображена на рис. 7.4. Неподвижную пластину 4 и метаемую пластину 3 располагают под углом α на заданном расстоянии h от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд 2 ВВ. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5 (металл, песок и т. д.). Площадь метаемой пластины, как правило, больше площади основной пластины. На практике чаще всего применяется более простая, так называемая параллельная схема, когда угол α=0. Эти базовые схемы положены в основу многочисленных технологических схем, разработанных для СВ конкретных изделий . Рис. 7.4. Схема сварки взрывом под углом При инициировании взрыва по заряду ВВ распространяется детонационная волна, скорость фронта которой D измеряется тысячами метров в секунду (см. рис. 7.4). Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость V0 порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной под определенным углом γ = β + α. В окрестности точки соударения развиваются высокие давления, на порядок превосходящие пределы прочности материалов, которые, согласно гидродинамической теории, текут подобно жидкостям. Течение в зоне соударения определяется углом соударения γ и скоростью точки контакта VК, которые связаны с исходными параметрами соударения и позволяют изменять режим сварки. В определенном диапазоне изменения этих двух параметров впереди точки контакта возникает стационарный поток массы соединяемых материалов в виде кумулятивной струи, которая разрушает и уносит оксидные поверхностные пленки и другие загрязнения, подготовляя тем самым поверхности для сварки. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил взаимодействия, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для протекания диффузионных процессов, в сварных соединениях не образуются промежуточные соединения между разнородными металлами и сплавами. Сварку взрывом с одинаковым основанием можно отнести как к способам сварки с оплавлением при кратковременном нагреве, так и к холодной сварке. При исследовании места соединения можно обнаружить как участки оплавленного металла, так и участки со структурой, характерной для холодной сварки. Прочность соединений, выполненных сваркой взрывом, выше прочности соединяемых материалов. Разрушение при испытании происходит на некотором расстоянии от плоскости соединения по наименее прочному металлу. Это объясняется упрочнением тонких слоев металла, прилегающих к соединенным поверхностям, при их пластической деформации. Параметры режима сварки взрывом: скорость детонации D, нормальная скорость Vh , метаемой пластины при соударении с основанием и угол γ их встречи при соударении. Скорость детонации, определяемая типом взрывчатого вещества и толщиной его слоя, должна обеспечивать образование направленной (кумулятивной) струи без возникновения опасных для металла ударных волн. Перед сваркой взрывом соединяемые материалы должны быть соответствующим образом подготовлены. Загрязнения свариваемых поверхностей масляными пленками, ржавчиной, окали­ной и т. п. недопустимы при СВ, так как при скоростях детонации 2000—2500 м/с с контактной поверхности удаляется только тонкий слой толщиной до 12 мкм . Опыт, полученный при СВ, показал, что свариваемые поверхности должны быть зачищены до металлического блеска или протравлены и обезжирены. Исходные материалы не должны иметь внутренних дефектов (включений, пор, трещин), в противном случае возможно разрушение. Сваркой взрывом можно соединять практически любые разнородные металлы и сплавы. Число получаемых композиций достигает нескольких сотен. С ее помощью можно соединять между собой металлы и сплавы, сварка которых другими способами затруднена. Это относится, в частности, к металлам и сплавам, образующим твердые и хрупкие интерметаллиды, например стали с алюминием или титаном. При этом прочность соединения в большинстве случаев не ниже прочности более слабого металла. Сварка взрывом используется при получении как биметаллических заготовок, так и готовых деталей. При этом форма и размеры плакируемых изделий практически не имеют ограничений. Толщины плакирующих слоев могут быть от 0,01 до 45 мм. Весьма эффективным является использование сварки взрывом при плакировании труб или цилиндров, а также деталей с криволинейной поверхностью (лопасти гидротурбин, подпятники и др.). Определенные трудности возникают при сварке взрывом материалов с пониженными пластическими свойствами (молибден, вольфрам, закаленные и высокопрочные стали, чугун и др.). Материалы с пластичностью δ ≤ 5 % надо сваривать с применения дополнительных технологических приемов, например предварительного подогрева. Основным дефектом при сварке малопластичных материалов являются трещины. Достаточно сложной технологической задачей является получение сваркой взрывом равнопрочного соединения материалов, образующих хрупкие интерметаллиды. Такие композиции, как сталь-алюминий, сталь-титан и т. п., сваривают на умеренных режимах. В случае сварки толстых листов таких материалов, требующей значительных энерговложений, применяют промежуточные прослойки из материалов, не образующих интерметаллидов с соединяемыми материалами. Лекция №8 Методы выбора параметров режима сварки давлением. Компоновка машин для контактной сварки Технологические процессы сварки проектируют для конкретных изделий, когда известны металл и, следовательно, все его свойства, размеры деталей и сварных соединений. Параметры режима сварки зависят также от технологической свариваемости металлов. По результатам комплексного анализа свойств и свариваемости металлов и обработки большого количества экспериментальных данных в литературе для некоторых наиболее широко используемых свариваемых сплавов (преимущественно для средних компактных сечений) даны рекомендации по выбору исходных значений параметров сварки. На этапе создания технологии сварки очень трудно оценить точное значение параметров сварки, которое обеспечит получение заданных размеров шва. Ещё труднее оценить качество шва. Поэтому при создании технологии сварки обычно прибегают к опытным сваркам, несмотря на большую трудоёмкость и затраты на материалы и оборудование. Благодаря развитию компьютерной техники появилась возможность более широкого использования теоретических исследований при решении прикладных технологических задач. С этой целью создано специальное программное обеспечение, позволяющее заменить реальные процессы сварки компьютерными имитаторами (рис.8.1). Компьютерные имитаторы сварочных процессов выполняют численное решение уравнений, которые описывают физические процессы при формировании соединения. Исходными данными в этих программах являются параметры свариваемого стыка, марка свариваемого сплава и параметры источника энергии. Их интерфейс приближен к органам настройки сварочных установок. Все необходимые данные о свойствах свариваемого сплава и характеристики оборудования считываются из баз данных. Результат имитации представляется в форме, понятной технологу (рис.8.2). Рис. 8.1. Вид экрана программы SpotSim после выполнения имитации сварки листов из стали 20 толщиной 1.7+2.3 мм на машине МТ1613. Рис. 8.2. Результаты имитации процесса контактной точечной сварки. Машины контактной сварки состоят из двух взаимосвязанных частей — механической и электрической. Механическая часть — это комплекс конструктивных элементов, создающих жесткость и прочность машины, воспринимающих усилия (корпус или станина, плиты, кронштейны, упоры, консоли, электрододержатели, электроды), и механизмов, предназначенных для закрепления, сжатия и перемещения свариваемых деталей. Электрическая часть обычно состоит из источника питания, преобразующего энергию сети промышленной частоты для получения сварочного тока (сварочного трансформатора, выпрямителей, иногда батареи конденсаторов и др.), и вторичного (сварочного) контура для непосредственной передачи тока к деталям (гибких и жестких токоведущих шин, консолей, электрододержателей, электродов, роликов, губок). Управление и регулирование основных механических (усилие сжатия деталей, скорость вращения роликов, перемещение деталей и т. д.) и электрических (сварочный ток, вторичное напряжение, мощность) параметров машины осуществляются аппаратурой управления через соответствующие блоки. Несмотря на большое многообразие типов, конструктивного оформления, мощности и назначения, машины контактной сварки классифицируют по разным признакам: виду сварки (точечные, рельефные, шовные, стыковые); назначению (универсальные или общего назначения и специальные); способу установки (стационарные, передвижные или подвесные); роду питания, преобразования или аккумулирования энергии (однофазные переменного тока, трехфазные низкочастотные, с выпрямлением тока во вторичном контуре, конденсаторные); виду привода в механизмах давления (с ручным, грузовым, пружинным, электродвигательным, пневматическим, гидравлическим, электромагнитным и реже с другими типами приводов); степени автоматизации. Классификацию можно продолжить и внутри каждого типа машин для различных видов сварки. Универсальные машины применяют для сварки различных металлов и деталей разнообразной формы, сечения и размеров. В таких машинах стараются расширить диапазоны свариваемых толщин более глубоким регулированием усилия сжатия, сварочного тока, совершенствованием динамических характеристик механизма сжатия, стабилизацией параметров режима. Среди универсальных машин точечной, рельефной и шовной сварки более 90 % составляют машины прессового типа с двусторонним подводом тока, в которых электроды перемещаются прямолинейно, чаще вертикально. На рис.8.3 на примере машины точечной сварки прессового типа МТ-2101 представлены основные узлы, характерные для большинства точечных, рельефных и шовных машин. Рис. 8.3. Конструкция машины типа МТ-2101 Основу машины составляет корпус 6. В корпусе расположены: аппаратура управления (регулятор цикла сварки) 7, сварочный трансформатор 8 с переключателем ступеней вторичного напряжения 9 и тиристорный контактор 10 — устройство, подключающее напряжение на первичную обмотку трансформатора 8 и отключающее его. Пневматическое устройство 4 установлено на приводе усилия и верхнем кронштейне. В консолях 1 и 12 установлены электрододержатели 13 с электродами 14. На кронштейне 5 закреплено направляющее устройство 2, внутри которого перемещается ползун, несущий верхнюю консоль 1. Механический контур машины образуют: корпус (передняя стенка), верхний и нижний кронштейны, консоли, электрододержатели и электроды. Эти части механического контура нагружены (упруго деформируются) усилием привода верхнего электрода. Вторичное напряжение от сварочного трансформатора подается по токоведущим шинам (жестким и гибким), консолям, электрододержателям к электродам машины, между которыми зажаты усилием привода свариваемые детали. В машинах контактной сварки используются небольшие напряжения 2—8 В. Все рельефные машины выполняются прессового типа, имеют небольшой вылет (расстояние от центра контактных плит до передней стенки корпуса), не более 300 мм и редко 500 мм, и не имеют каких-либо конструктивных отличий от точечных машин прессового типа. Отличительной особенностью шовных машин является наличие привода вращения электродов-роликов и электродных роликовых головок с роликами. Машина стыковой сварки имеет следующие основные узлы и элементы (рис. 8.4). На станине 1 установлены неподвижная 4 и подвижная 8 плиты с размещенными на них устройствами 6 и 7 для зажатия свариваемых деталей. Подвижная плита перемещается по направляющим 10 с помощью механизма подачи 9. Вторичной виток сварочного трансформатора 2 через токоподводы 3 и губки 5 зажимных устройств подключен к свариваемым деталям. Рис. 8.4. Машина стыковой сварки Наиболее распространенными являются машины переменного тока, рассчитанные на сварку деталей из металлов с относительно высоким электрическим сопротивлением – сталей, сплавов титана, никеля и т.д. Эти машины отличаются простотой конструкции, малой стоимостью и высокой производительностью. Во всех современных электросварочных контактных машинах в качестве источника питания используются сварочные трансформаторы. В каждой машине трансформатор занимает как бы центральное место (рис. 8.5). Первичная обмотка включается в сеть через коммутирующий тиристорный контактор КТ, управляемый регулятором времени РКС, обеспечивающим оче­редность и длительность всех сварочных и вспомогательных операций, в том числе и продолжительность протекания импульса сварочного тока. Вторичная обмотка трансформатора электрически соединена с внешним контуром машины, электродами которого и осуществляется сварка. Таким образом, сварочный трансформатор предназначается для преобразования электрической энергии, подводимой к его первичной обмотке из сети, в электрические энергию с большим вторичным током и низким напряжением холостого хода. Форма импульса сварочного тока полностью представляется тем или иным схемным решением силового промежуточного звена, от которого осуществляется или питание трансформатора (как в трехфазных низкочастотных или конденсаторных машинах), или питание сварочного контура машины (как в машинах постоянного тока с выпрямлением тока на стороне низкого напряжения. Рис. 8.5. Принципиальная электрическая схема контактной машины: ВК — внешний контур, ТС — трансформатор сварочный; КТ — контактор тиристорный; РКС — регулятор контактной сварки. Для ступенчатого регулирования сварочного тока первичную обмотку трансформатора изготовляют секционной. Это обеспечивает изменение числа рабочих витков обмотки при переключении ступени. Вторичная обмотка трансформатора состоит из одного или двух витков (вторичное напряжение 1 ... 12 В). При изменении числа витков первичной обмотки изменяется коэффициент трансформации К: K = 1 / 2 = U1 / U2, где 1 и 2 - число витков первичной и вторичной обмоток; U1 и U2 - соответственно первичное и вторичное напряжения обмотки. Вторичное напряжение U2 = U12 / 1, где 2 = 1; U1 - величина постоянная. Следовательно, для изменения U2 необходимо изменить число включенных витков первичной обмотки 1; соответственно, будет изменяться и сила тока. В процессе сварки приходится периодически, а часто и с весьма большой частотой включать и выключать ток. Для этой цели применяют прерыватели тока нескольких типов: простые механические контакторы, электромагнитные и тиристорные контакторы. Механические контакторы применяют главным образом на стыковых и точечных машинах неавтоматического действия небольшой мощности. Электромагнитные контакторы применяют для стыковой, точечной и шовной сварки на машинах малой и средней мощности. Тиристорные контакторы обеспечивают включение и выключение тока со строго определенной продолжительностью импульсов тока и пауз. Их применяют для всех типов контактных машин автоматического действия. Механизмы давления служат для сжатия заготовок между электродами машины, они могут иметь рычажно-педальный, электромеханический или пневматический привод. Машины для стыковой сварки выпускают мощностью 5 ... 500 кВ•А. Стыковые машины мощностью до 25 кВ•А применяют для сварки сопротивлением сталей и цветных металлов; мощностью 25 ... 250 кВ•А - для сварки сопротивлением и оплавлением стальных заготовок большого сечения; мощностью 150 ... 500 кВ•А - для автоматической сварки оплавлением с подогревом. Машины для точечной сварки выпускают мощностью 0,1 ... 250 кВ•А. Точечные машины мощностью 0,1 ... 25 кВ•А применяют для сварки заготовок толщиной 0,1 ... 2 мм из сталей и цветных металлов; мощностью 50 ... 100 кВ•А с пневматическим или электромеханическим приводом сжатия - для автоматической сварки в массовом производстве; мощностью 75 ... 250 кВ•А с пневматическим приводом и электронными прерывателями тока - для сварки заготовок толщиной от 2 мм и выше. Эти машины могут быть использованы также для рельефной сварки. Современные точечные машины, предназначенные для массового производства, иногда являются частью робототехнических комплексов, управляемых ЭВМ. Машины для шовной сварки по конструктивному оформлению близки к машинам для точечной сварки и отличаются от них формой электродов, выполненных в виде роликов. Шовные машины выпускают мощностью 25 ... 200 кВ•А. В зависимости от способа шовной сварки (непрерывное или прерывистое включение тока) их снабжают механическими или электронными прерывателями тока. Лекция № 9 Основные виды дефектов сварных соединений Дефекты соединений сварки давлением, по аналогии с дефектами соединений, полученных сваркой плавлением, можно объединить в следующие группы: 1 — трещины; 2 — полости, поры; 3 — твердые включения; 4 — отсутствие соединения, непровары; 5 — нарушение геометрической формы шва (стыка), соединения; 6 — прочие дефекты. Если дефекты различных способов сварки давлением, отнесенные к группам 1-4, в основном (по своей сути и, зачастую, по названиям) близки к характерным дефектам соответствующих групп сварки плавлением (см. табл. 12.1), то дефекты групп 5 и 6, как правило, специфичны для каждого способа сварки давлением. В качестве примера рассмотрим основные дефекты контактной точечной сварки (табл. 9.1). Таблица 9.1. Основные дефекты контактной точечной сварки Дефекты стыковых соединений подразделяются на дефекты размеров и формы соединения, дефекты макро- и микроструктуры. Дефекты размеров и формы соединения, а также состояния поверхности деталей в местах их зажатия в электродных губках включают в себя отклонение размеров от номинальных значений, смещение и перекос (перелом) осей деталей и подгар их поверхностей. Отклонение линейного размера соединения обусловливается неточной установкой деталей в электродных губках, отклонением припуска на осадку, неправильной установкой ограничителей хода плиты машины, люфтами в направляющих. Смещение и перекос осей деталей вызываются износом электродных губок, люфтами в направляющих подвижной плиты, неправильной формой торцов деталей, большой установочной длиной. После сварки труб возможно образование овальности из-за большой силы зажатия. На деталях в местах их зажатия в элек­тродных губках может наблюдаться подгар из-за износа и загрязнения губок, малой рабочей поверхности последних, малой силы зажатия деталей. Указанные дефекты выявляются внешним осмотром с применением мерительного инструмента. К дефектам макроструктуры относятся непровар, трещины, расслоения между волокнами в прокате, рыхлоты. Непровары, как правило, создаются толстыми оксидными пленками (>200 мкм) и представляют собой дефекты монолитной структуры. Причинами непроваров являются повышенное окисление на стадии оплавления из-за малых значений скорости оплавления и припуска на оплавление, а также недостаточные значения скорости осадки и припуска на осадку. Горячие трещины могут образовываться при общем перегреве металла на всех участках сварного соединения. Наличие легкоплавкой фазы по границам зерен в сочетании с растягивающими напряжениями, возникающими от упругих деформаций механизмов зажатия и осадки или от отхода подвижной плиты назад с зажатыми деталями, - это основные причины появления горячих трещин. Расслоения образуются между волокнами проката при наличии между ними легкоплавких ликвационных прослоек в сочетании с повышенной деформацией осадки, вызывающей искривление волокон и образование между ними растягивающих напряжений. Рыхлоты и поры наиболее часто образуются в объемах закристаллизовавшегося металла, захлопнутого в глубоких кратерах при осадке и невыдавленного из стыка из-за недостаточной деформации. Контроль дефектов макроструктуры выполняется неразрушающими и разрушающими методами. Внешним осмотром можно выявить поверхностные трещины и места возможных непроваров, где отсутствует грат. Из неразрушающих методов используют рентгеновский и ультразвуковой контроль, а также магнитные методы контроля для магнитных материалов. Рентгеновский (радиационный) контроль выявляет грубые непровары, рыхлоты, трещины, поры. Плоские дефекты (трещины, расслоения и т.д.) обнаруживаются при условии, если их плоскость отклоняется от направления луча не более чем на 12°. Ультразвуковой контроль также позволяет определить трещины, раковины, непровары в виде оксидных пленок и несплошностей. К общим трудностям ультразвукового контроля относится появление помех от крупнозернистой структуры металла, а к частным при стыковой сварке - необходимость удаления грата и ввод колебаний в изделие с круглой формой поперечного сечения. Неразрушающие методы контроля дают возможность определить засоренность сварного соединения дефектами. Методы разрушающего контроля позво­ляют определить количественные характеристики показателей качества (прочность, пластичность, твердость) путем механических испытаний сварных образцов или выборочного испытания сварных соединений штатных изделий. При испытаниях образцов или изделий выявляются дефекты в местах разрушения. Определение механических свойств сварных соединений выполняют по ГОСТ 6996-66. По данному стандарту для соединения стыковой сварки предусмотрены следующие виды механических испытаний: ударный изгиб, измерение твердости, статическое растяжение сварного соединения для определения наиболее слабого участка, испытание только зоны стыка на статическое растяжение, испытание на статический изгиб. К дефектам микроструктуры относятся образование светлой полоски в стыке при сварке низкоуглеродистых и низколегированных сталей, пережог металла, образование видманштеттовой структуры. Светлая полоска, образующаяся в центре стыка при сварке низкоуглеродистых сталей, является следствием выгорания углерода на стадии нагрева, что приводит к образованию в указанной зоне однородного феррита, имеющего низкую травимость. Светлая полоска снижает однородность механических свойств сварного соединения, но не относится к недопустимым дефектам. Длительная термическая обработка позволяет устранить неравномерное распределение углерода и светлую полоску. Пережогом металла является окисление границ зерен при нагреве, близком к температуре солидуса. Пережог снижает прочность соединения. Список литературы 1. Сварка и свариваемые материалы: Справочник. в 3-х т. Т.П. Технология и оборудование. Справочник / Под редакцией В.М. Ямпольского. М М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996, 574 с. 2. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. 280 с. 3. Машиностроение: Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. М.: Машиностроение. М38. Оборудование для сварки. т. IV-6 / В.К. Лебедев, СИ. Кучук-Яценко, А.И. Чвертко и др.; Под ред. Б.Е. Патона, 1999. 496 с. 4. Сварка трением: Справочник / Под ред. В.К. Лебедева, И.А. Черненко, В.И. Билля. Л.: Машиностроение, 1987. 236 с. 5. Седых B.C. Классификация, оценка и связь основных параметров сварки взрывом // Сварка взрывом и свойства сварных соединений. Тр. ВолгПИ. Волгоград: ВолгПИ, 1985. С. 3-30. 6. Справочник по сварке цветных металлов / СМ. Гуревич; Отв. ред. В.Н. Замков. 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Наукова думка, 1990. 512 с. 7. Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л.: Машиностроение, 1985. 224 с. 8. Сварка трением: Справочник / Под ред. В.К. Лебедева, И.А. Черненко, В.И. Билля. Л.: Машиностроение, 1987. 236 с. 9. Седых B.C. Классификация, оценка и связь основных параметров сварки взрывом // Сварка взрывом и свойства сварных соединений. Тр. ВолгПИ. Волгоград: ВолгПИ, 1985. С. 3-30. 10. Теория, технология и оборудование диффузионной сварки: Учебн. для вузов / В.А. Бачин, В.Ф. Квасницкий, Д.И. Котельников и др.; Под ред. В.А. Бачина. М.: Машиностроение, 1991. 352 с. 11. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд., 1988. 224 с. 12. Штрикман М.М. Новый способ сварки трением и перспективы его применения // Технология машиностроения. 2001, №5.