Механические способы сварки

В зависимости от способа превращения механической энергии в тепловую различают холодную и ультразвуковую сварку, а также сварку трением и взрывом.

Холодная сварка

Холодная сварка (ХС) представляет собой сварку давлением при значительной пластической деформации без нагрева свариваемых частей внешними источниками теплоты.

Холодная сварка — один из наиболее рациональных способов получения неразъемного соединения пластичных металлов (алюминий и его сплавы, медь, свинец, олово и др.). Основным достоинством ХС является отсутствие теплового воздействия на соединяемые заготовки.

Надежное сварное соединение может быть получено при соблюдении следующих условий:

• • одновременная пластическая деформация свариваемых металлов;
• • значительное и симметричное относительно центра зоны соединения растекание металла в плоскости соединения. Растекание металла вызывает разрушение оксидных или иных пленок и вытеснение их обломков из зоны соединения, а также создает условия для интенсивного движения дислокаций с образованием активных центров на соединяемых поверхностях. Симметричное растекание металла необходимо для более полного удаления пленок из зоны сварки;
• • сжатие заготовок на заключительной стадии формирования сварного соединения, что требует значительных давлений в зоне контакта;
• • очистка кромок соединяемых заготовок от загрязнений (промывка бензином, спиртом и другими обезжиривающими растворами) и оксидных пленок. Применение абразивного инструмента недопустимо, так как шаржированные в поверхность заготовок абразивные зерна затрудняют получение сварного соединения;
• • предварительная подготовка поверхностей заготовок, обеспечивающая параметр шероховатости Rz не более I0 мкм и неплоскостность поверхностей нс более 0,1 мм.

Таблица 5.1.

Наименьшие значения степени деформации, необходимые для точечной сварки.

Холодная сварка подразделяется на точечную, шовную, стыковую, сварку прокаткой и комбинированную.

Точечной своркой соединяют внахлест листовой материал. Сварные соединения (сварные точки) получаются в результате вдавливания пуансонов в заготовки. Поскольку сварная точка образуется вследствие значительной деформации металла, она упрочнена по отношению к основному металлу заготовок. Точечная ХС характеризуется степенью деформации е (процентное отношение глубины внедрения пуансонов к суммарной толщине соединяемых заготовок). В табл. 5.1 приведены наименьшие значения степени деформации, необходимые для точечной ХС некоторых металлов и сплавов.

На практике точечную сварку осуществляют без предварительного прижатия заготовок, с предварительным прижатием и со свободным течением металла вокруг пуансона.

Точечную сварку без предварительного прижатия свариваемых заготовок с односторонним деформированием (рис. 5.1, а) про;

Рис. 5.1. Схемы холодной точечной сварки без предварительного прижатия заготовок с одно- (а, б) и двусторонним (в, г) деформированием:

I — пуансон, 2 — рабочий выступ; 3 — заготовки; Л, h₂ — глубина внедрения пуансонов; jj, s₂ — толщина свариваемых заготовок; Р — усилие осадки изводят при необходимости получения ровной поверхности сварного соединения с какой-либо одной стороны. Соединяемые внахлест заготовки 3 помещают на плоское основание. Пуансон / заданной формы вдавливается в них (рис. 5.1, б). Недостатком данного способа является коробление заготовок (особенно при их толщине более 4 мм), изготовленных из сплавов с малой пластичностью (алюминиевые сплавы). Вследствие коробления выполнение каждой последующей сварной точки или ослабляет предыдущую точку, или разрушает ее.

При точечной сварке без предварительного прижатия заготовок с двусторонним деформированием (рис. 5.1, в) подготовленные к сварке заготовки 3 устанавливают между соосно расположенными пуансонами /. Под воздействием усилия Р осадки рабочие выступы 2 пуансонов вдавливаются в металл заготовок (рис. 5.1, г), обеспечивая необходимую для сварки пластическую деформацию. Полученный сварной шов представляет собой дискретную последовательность сварных точек. Минимальная глубина внедрения пуансонов, необходимая для получения прочного соединения, рассчитывается по формуле.

где //, h₂ — глубина внедрения пуансонов; $₂ — толщина свариваемых листов.

Предел прочности сварной точки составляет 0,75…0,90 предела прочности основного металла.

Точечная сварка с предварительным прижатием заготовок / (рис. 5.2) позволяет устранить их коробление за счет использова;

Рис. 5.2. Схемы холодной точечной сварки с предварительным прижатием заготовок, одно- (а) и двусторонним (б) деформированием:

7 — заготовки; 2 — прижимы; 3 — пуансоны; 4 — основание; Р — усилие осадки; Р_п — усилие предварительного прижатия Рис. 5.3. Схема холодной точечной сварки со свободным течением металла вокруг пуансона:

/ — прижимные плиты; 2 — пуансоны; 3 — заготовки; Р — усилие осадки; Р_п — усилие предварительного прижатия ния прижимов 2. Прижатие заготовок рабочими поверхностями прижимов (давления прижима 29…49 МПа; площадь прижима должна превышать площадь пуансонов в 15 — 20 раз) производится одновременно с вдавливанием пуансонов 3 или до вдавливания. Необходимость приложения усилия Р_п предварительного прижатия не позволяет использовать этот способ при сварке нежестких заготовок.

Точечная сварка со свободным течением металла вокруг пуансона обеспечивает уменьшение усилия предварительного прижатия и возможность сварки нежестких заготовок. В прижимных плитах 1 (рис. 5.3) вокруг посадочных отверстий для пуансонов 2 выполнены дополнительные кольцевые выточки. Металл, вытесненный из-под пуансонов, заполняет эти выточки, после чего снимается усилие предварительного прижатия, и к пуансону прикладывается усилие осадки Р. Существенным недостатком этой схемы сварки является наличие выступов на свариваемых поверхностях.

Холодная точечная сварка применяется при оконцевании алюминиевых токопроводящих элементов медными флажками или кабельными наконечниками, армировании алюминиевых токопроводящих шин медью, сварке алюминиевых ребер с радиаторами полупроводниковых приборов, изготовлении электрических конденсаторов, алюминиевой посуды и емкостей.

Шовная сварка обеспечивает соединение листового материала непрерывным швом. Различают шовную сварку роликами (рис. 5.4, а — в) и сварку, выполняемую одновременно по всему периметру заготовок (рис. 5.4, г, д).

При роликовой сварке предварительно подготовленные заготовки помещают между роликами, сдавливают до полного проникновения их рабочих выступов в металл и придают роликам вращение. При этом заготовки перемещаются, и происходит их сварка. При односторонней роликовой сварке (см. рис. 5.4, а) заготовки / и 2 поддерживаются опорным роликом 3. Их деформирование производится роликом-пуансоном 4. При двусторонней.

Рис. 5.4. Схемы холодной шовной сварки:

а — односторонняя роликовая; б — двусторонняя роликовая; в — шовно-точечная; г — кольцевым швом; д — продавливанисм пуансона через матрицу; 1,2 — заготовки; 3 — опорный ролик; 4 — рол и к-пуансон; 5 —пуансон; Р — усилие осадки роликовой сварке (см. рис. 5.4, б) ролики-пуансоны размешены по обеим сторонам заготовок.

При сварке прямолинейных непрерывных швов уменьшение сечения шва по всей его длине может сказаться на прочности сварного соединения. В этом случае применяют ролик-пуансон с рабочими выступами на периферии (см. рис. 5.4, в) и осуществляют шовно-точечную сварку. Сварной шов представляет собой прерывистую цепочку сварных точек, и уменьшение сечения шва носит локальный характер.

Сварка кольцевым замкнутым швом не ослабляет сварное соединение. Поэтому при сварке крышек корпусных заготовок пользуются схемой, показанной на рис. 5.4, г, а при наварке крышек или перегородок в трубчатых заготовках — схемой, представленной на рис. 5.4, д.

Основные технологические параметры шовной сварки аналогичны параметрам точечной сварки. Для кольцевой сварки степень деформации е определяется по формуле.

где Z)| — диаметр отверстия матрицы; D₂ — диаметр рабочей части пуансона; s₂ — толщина заготовок.

Холодная шовная сварка выполняется при соединении частей алюминиевой посуды, герметизации корпусов различных изделий и поплавков карбюраторов, а также сварке алюминиевых ребер с радиаторами силовых полупроводниковых приборов.

Стыковой сваркой соединяют торцы стержней. Свариваемые заготовки 1 и 4 (рис. 5.5) зажимают с вылетом в соосно расположенных захватах (губках) 2 и 3, после чего прикладывают осевое.

Рис. 5.5. Схемы стыковой сварки:

а—в — с плоскими захватами и утолщением стыка; г, д — с кольцевым режущим клином и без утолщения стыка; 1,4 — заготовки; 2, 3 — захваты (губки); 5 — облой; 6 — кольцевой режущий клин, Р — усилие осадки; а — передний угол режущего клина; А|, h₂ — вылет заготовок усилие, вызывающее пластическую деформацию (осадку) выпущенных из захватов концов заготовок. При этом формируется сварное соединение с образованием облоя 5.

При использовании плоских захватов (рис. 5.5, а—в) облой необходимо непрерывно расплющивать. Во время деформации площадь облоя увеличивается, следовательно, при завершении осадки большая часть приложенного усилия Р необходима не для выполнения сварки, а для расплющивания облоя. Помимо этого облой препятствует полному вытеснению поверхностных пленок из зоны сварки, что снижает качество сварного шва. Использование захватов с кольцевым режущим клином 6 (рис. 5.5, г, д) позволяет вытеснять металл из зоны сварки, что создает благоприятные условия для ее осуществления. Образующийся облой подрезается режущим клином и легко удаляется.

Основными технологическими параметрами стыковой сварки являются степень деформации свободных (не зажатых в захватах) концов заготовок, определяемая их вылетом h и давлением р осадки.

При сварке одноименных металлов р и h связаны зависимостью.

где А — безразмерный коэффициент (для алюминия и меди А = = 3,25); а*) — предел текучести свариваемого материала в исходном состоянии, МПа; (HV)₀, (HV), — твердость по Виккерсу металла в исходном состоянии и деформированного металла; ?И — суммарный вылет заготовок, мм; D₀ — диаметр заготовок, мм; а — передний угол режущего клина, ° (а= 10… 15°).

С учетом того, что предел текучести деформированного металла.

эта зависимость принимает вид.

При стыковой сварке заготовки устанавливают в зажимах так, чтобы их вылеты составляли 1,2 диаметра для прутковых материалов и 1,2 толщины для листовых материалов.

Холодная стыковая сварка применяется для оконцевания алюминиевых проводов медью, сращивания алюминиевых и медных проводов и шин (безотходная намотка катушек) и соединения медных силовых проводов (на линиях электропередач), а также при изготовлении алюминиевых колец из полосы и тавровых соединений (сварка ребер с радиаторами полупроводниковых приборов).

Сварка прокаткой используется при производстве трубчатых панелей (например, при изготовлении испарителей бытовых холодильников). На очищенную поверхность алюминиевой заготовки (карты) наносят оттиск рисунка будущих каналов. На карту с оттиском накладывают карту без оттиска. Полученный пакет прокатывают. В процессе прокатки алюминий сваривается, а части поверхности, закрытые рисунком, нс соединяются. Сваренный пакет помещают между гладкими параллельно расположенными плитами и в каналы подают воду под давлением 10 МПа. Каналы раздуваются и приобретают требуемые размеры.

Для повышения прочности сварных соединений применяются комбинированные способы холодной сварки.