Сущность процесса холодной сварки

ХОЛОДНАЯ СВАРКА ПЛАСТИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

 

Лабораторный практикум

по дисциплине

 

«Специальные методы получения неразъемных соединений»

 

 

Уфа 2014 г.

Цель работы: ознакомиться с сущностью процесса холодной сварки и устройством машины для стыковой холодной сварки МСХС-5-3, составить технологический процесс холодной точечной сварки.

Сущность процесса холодной сварки

Холодная сварка отличается простотой и доступностью, позволяет получать прочные и надежные соединения из пластичных металлов: алюминия, меди, никеля, титана, свинца, серебра, золота. Холодной сваркой можно соединять и некоторые разнородные металлы из указанных выше. Отличительными особенностями холодной сварки является малая энергоемкость, высокая производительность, возможность механизации и автоматизации процесса, благоприятные условия работы.

Холодная сварка - один из видов сварки в твердой фазе со значительной объемной пластической деформаци­ей и малой степенью ее локализации в зоне контакта материалов, которые соединяют. Ее выполняют при комнатной температуре и для большинства материалов – ниже температуры

рекристаллизации.

Холодная сварка по фор­ме получаемого сварного соединения может быть точечной (рис. 24, а, б), шовной (рис. 24, г), стыковой (рис. 24, в), а по характеру деформаций - сварка давлением (рис. 24, а, бы, в, г) и сварка сдвигом (рис. 24, д, е).

При точечной сварке используется один или два пуансона цилиндрической формы 1, при шовной - в виде роликов 3. Более высокую и стабильную прочность имеет соединение при сварке двумя пуансонами или роликами, а не одним.

Прочность сварного соединения повышается, если применять пуансоны и ролики с уступами или для точечной сварки применять предварительное обжатие металла вокруг пуансонов (рис. 25).

При холодной сварке деталей, особенно большой толщины, пуансон вжимается вглубь деталей и сильно их деформирует. Уступы на цилиндрических пуансонах и роликах в завершающий момент прижимают детали, тем самым ограничивая их деформацию. Если изделия выполнены из материалов сравнительно малой пластичности, толщиной больше 4 мм, то из-за деформации деталей в процессе сварки каждой следующей точки может быть даже разрушена предыдущая точка. Для устранения этого явления осуществляют холодную сварку с предварительным сжатием (рис. 25).

 

Рисунок 25 – Схема сваривания с предыдущим сжатием: 1-пуансон; 2-оправка; 3-детали, которые сваривают; 4-периферийная зона сваривания; 5-внутренняя зона сваривания

 

Зажимами 2 детали фиксируются еще к началу сварки или одновременно с ним. Таким образом, предотвращаются не только остаточные деформации, но и деформации в процессе самой сварки. Сварка с предварительным сжатием позволяет получать соединения более прочные, чем при сварке по обычной схеме. Увеличение прочности соединения достигает

15...20 % и объясняется, очевидно, расширением зоны схватывания металлов при сварке вследствие дополнительного обжатия.

При стыковой сварке (рис. 24, в) детали надежно закрепляются в зажимных губках 4, внутренняя рабочая поверхность которых имеет насечку, которая препятствует проскальзыванию деталей при их сжатии.

Холодная сварка может выполняться путем сжатия заготовок с их одновременным относительным сдвигом под действием тангенциальных усилий. Это достигается дополнительным усилием F (рис. 24, д) или применением клинообразной прокладки (24,е), которую впрессовывают с усилием между деталями в зазор аналогичной конфигурации.

Одновременное действие сжатия (нормальным усилием F_сж) и сдвига по свариваемым поверхностям (тангенциальным усилием F), вследствие небольшого относительного смещения соединяемых поверхностей, улучшает условия разрушения окисных пленок, облегчает смятие неровностей, которое в результате приводит к более полному физическому контакту между деталями в приповерхностных слоях металла и расширению площади контакта чистых свариваемых поверхностей, которые сваривают, при меньшей величине нормальных усилий. Это позволяет значительно уменьшить усилие сварки.

Если рассматривать всю совокупность материалов, которые соединяют этим способом, то не удается привести единый механизм, который объясняет все явления происходящие при холодной сварке.

При сварке металлов в результате значительных пластических деформаций соединяемых металлов, происходит разрушение окисных пленок, которые препятствуют сближению атомов. Сближение чистых поверхностей металла в месте контакта на расстояние, сравнимое с параметрами кристаллических решеток и их активация приводят к возникновению связей и образованию сварного соединения.

Практически все рассмотренные методы холодной сварки происходят по двум технологическим схемам: стыковая сварка (рис. 26, а) и внахлёст (рис. 26, б).

Рисунок 26 - Технологические схемы процессов холодной сварки:
а - стыковая; б - внахлёст. 1 - зажимные губки; 2 – свариваемые детали;3 - пуансоны; 4 – прижимы.

 

При стыковой холодной сварке общее течение металлов стрежней 2 при сжатии, зажатых в зажимных губках 1, разрушает поверхностные пленки и выносит их за границы соединения в виде грата 3, а большое давление создает плотный контакт чистых поверхностей и предотвращает доступ воздуха в зону сварки. Такая значительная пластическая деформация обеспечивает на короткий момент сближение одного с другим кристаллитов, расположенных до сжатия в глубинных слоях металла. Итак, сначала окисленные или даже загрязненные контактирующие поверхности, полностью удаляются. Весь выдавленный в виде грата объем металла играет роль защитной массы для тех слоев металла, которые в момент окончания пластической деформации оказываются сближенными на расстояние, при котором мгновенно создается стабильная металлическая связь и организуется единая кристаллическая структура.

Процесс холодной стыковой сварки можно представить таким образом:

1. Сварка осуществляется между кристаллитами, расположенными в начальный момент далеко от торцов, непосредственно в зоне выступающих зажимных губок.

2. Весь другой металл между губками по обе стороны от первоначального контакта может рассматриваться как масса, которая играет роль оболочки, идеально защищающей глубинные слои металла от окисления и загрязнения.

3. В процессе пластической деформации выдавливаемый металл не только осуществляет непрерывную защиту глубинных слоев, но и производит некоторый нагрев всех зерен поверхностных слоев, принимающих участие в процессе деформации.

4. Поскольку формирование сварного соединения обеспечивается в момент окончания деформации и вследствие контакта глубинных слоев металла, время сварки, т.е. формирование единой кристаллической структуры, очень короткое и измеряется десятыми долями секунды. Поэтому объемное взаимодействие при холодной сварке отсутствует.

5. Мгновенные значения температуры микрообъемов металла, образующих сварное соединение, безусловно должны быть высокими, хотя и несомненно ниже точки плавления.

На рис. 26, б показана схема сварки внахлёст. Листовые детали 2 зажимают между прижимами 4. Потом эти прижимы остаются неподвиж­ными и полностью исключают возможность вспучивания металла, когда пуансоны 5 глубоко вдавливаются в свариваемые детали. Для глубокого вдавливания пуансонов в металл нужно приложить достаточно большое давление. В зависимости от рода металла, способы подготовки поверхности и геометрии пуансонов существует определенная минимальная относительная величина вдавливания пуансона, необходимая для образования прочного соединения (табл. 4).

Таблица 4 - Требуемая величина деформации при холодной сварке некоторых материалов внахлёст

Металл	Относительная глубина вдавливания пуансона, %	Металл	Относительная глубина вдавливания пуансона, %
Индий	10...15	Серебро	82...86
Алюминий	55...60	Медь	85...90
Алюминиевые сплавы	75...80	Олово	85...88
Свинец	80...85	Никель	85...90
Титан	70...75	Армко-железо	85...92
Кадмий	82.5	Цинк	90.8

Практически считается необходимым обеспечивать
h = (0,7...0,8)δ. Таким образом, и при сварке внахлёст необходимо прикладывать давления, кото­рые значительно превышают границы текучести. Это и проиходит на самом деле, так как металл из-под пуансонов выдавливается ради­ально во все стороны, разрушая оксидные наслоения, которые оказываются (или искусственно создаются) на свариваемых поверхностях перед их сжатием.

Степень пластической деформации, необходимой для получения качественного соединения, зависит от свойств металла, толщины деталей, способа подготовки поверхностей под сваривание, толщины и свойств окисной пленки (табл. 5), схемы деформирования. При слишком большой деформации глубокие вмятины от пуансонов при точечной или шовной сварке ухудшают внешний вид деталей.

 

Таблица 5 - Толщина окисной пленки

Металл	Толщина пленки, см	Время образо­вания, с	Металл	Толщина пленки, см	Время образо­вания, с
Алюминий	12 ·10-8		Железо	2 ·10-7
Медь	3 ·10-7		Молибден	(2…3)·10-8

Большое влияние на степень деформации имеет отношение твердости окисной пленки к твердости основного металла (табл. 6): степень деформации должна быть больше, чем меньше это соотношение. При сварке разнородных материалов степень деформации определяют исходя из свойств наиболее пластичного металла.

Таблица 6 - Физические свойства некоторых окислов

Металл	Тип окисла	Твердость, кг/мм2	Температура плавления, оС	Объемное соотношение
металла	окисла	металу	окису
Al	Al2O3					1,28
Cи	Cи2O					1,64
Fe	Fe2O3					2,14
Zn	ZnO					1,55
Sn	Sn O2					1,32
Аg	Аg2O			960,8		1,56

Как было показано раньше, холодную сварку чаще всего используют при изготовлении изделий из алюминия и меди как в однородных, так и разнородных соединениях. Способность к сварке имеют также серебро, золото, свинец, никель, кадмий, олово, цинк, титан, ниобий. Сплавы свариваются хуже, чем чистые металлы. Например, если чистый алюминий имеет хорошую способность к свариванию, то алюминиевые сплавы свариваются плохо. Для приближенной оценки способности сплавов к сварке можно пользоваться величиной их твердости. Обычно с повышением твердости способность к сварке ухудшается и необходимая минимальная деформация металла возрастает, так как снижаются интенсивность пластической текучести металла в зоне контакта и активация поверхностей.

Высокие пластические деформации при холодной сварке значительно упрочняют металл, поэтому прочность стыковых соединений выше прочности основного металла. При сварке внахлёст прочность соединения определяют прочностью сварной точки и возможностью вырыва точки вместо среза.

Технология холодной сварки содержит такие операции: подготовка заготовок к сварке, сборка, сварка, удаление облоя при сварке встык, контроль качества сварки.

Основная трудность подготовки поверхности деталей под холодную сварку заключается в тщательном удалении органических и адсорбированных пленок. Органические пленки - это тонкие пленки масел, жирных кислот и парафинов, которые покрывают свариваемые поверхности. Легко проникая в несплошности на поверхности металла, они твердеют в пограничном слое, крепко соединяясь с металлом, и в значительной мере затрудняют процесс сварки, так как при пластических деформациях не разрушаются. После промывания замасленного металла бензином слой органических молекул составляет 1...5 мкм и только при особенно тщательной обработке растворителями сохраняется жировая пленка толщиной 10...100 молекул. Полностью удалить масляные покрытия с металла практически невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла является чисто электрическим.

Препятствуют сварке и адсорбированные на поверхности пленки пары воды, газов. Пленка пары воды составляет 50...100 молекул. Мономолекулярный слой адсорбированных газов образуется почти мгновенно. Для образования молекулярного слоя достаточно 2,4·10^-8 с. Эти пленки ухудшают процесс сварки, а удалить их тяжело. В глубоком вакууме, где образование пленок происходит медленно, осуществить холодную сварку значительно проще.

Подготовка поверхностей к сварке заключается в удаление жировых и масляных загрязнений. На производстве используют следующее:

а) механическая зачистка стальными вращающимися щетками;

б) прокаливание алюминиевых заготовок при температуре 300...400 °С и свободном доступе воздуха для образования оксидных пленок и удаления жировых загрязнений;

в) покрытие поверхности тонким (6...10 мкм) слоем гальванического никеля или хрома;

г) обрезание конца заготовки при сварке проводов сравнительно небольшого диаметра с помощью специальных ручных кусачек или механического ножа (торцы деталей большого сечения подвергают механической обработке). При этом необходимо обеспечить параллельность свариваемых поверхностей у обеих деталей.

 

Таблица 7 - Степень шероховатости в зависимости от способа обработки металлической поверхности

Способ обработки	Максимальная высота неровностей, мкм
Обработка наждачным кругом	40…120
Черновая обработка резцом
Чистовая обработка резцом
Грубое шлифование	6,3
Полирование	0,4
Чистовое полирование	0,05

Удаление облоя после сварки может выполняться на сварочном оборудовании, для чего кромки зажимов затачиваются под углом 60°.

Принципиальное отличие холодной сварки от других способов сварки давлением заключается в необходимости удаления оксидных пленок и адсорбированных газов из зоны контакта механическим путем за счет интенсивной пластической деформации. В дальнейшем пластическая деформация, как и при других способах сварки давлением, обеспечивает образование физического контакта, активацию поверхностей, их схватывание и взаимодействие, но эти процессы имеют свои кинетические особенности. При холодной сварке величина накопленной деформации, необходимая для образования крепкого соединения, значительно больше, чем при других способах сварки давлением с подогревом.

Роль термической активации при холодной сварке незначительна. На результаты сварки не влияет также текстура металла, поскольку для большинства металлов при комнатной температуры кристаллизационные процессы происходить не могут (за исключением некоторых легкоплавких металлов, например галлия, индия, свинца, для которых комнатная температура выше температуры рекристаллизации).

Сварной шов при холодной сварке металла не загрязняется примесями, имеет высокую однородность и высокие показатели коррозийной стойкости и стабильности электрического сопротивления. Простота подготовки деталей к сварке и контролю параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газовых и тепловых выделений, возможность дистанционного управления и скорость процесса делают холодную сварку удобной для использования, не нуждается в высокой квалификации сварщика-оператора. Удельные затраты энергии на сварку приблизительно на порядок меньшие, чем при сварку плавлением. Применение холодной сварки улучшает гигиенические условия на производстве. Однако следует учитывать, что для холодной сварки каждого конкретного изделия нужно иметь инструмент индивидуальной конструкции. Необходимо строго следить за исключением возможности загрязнения подготовленных к сварке поверхностей. При сварке внахлёст на изделиях остаются глубокие вмятины - следы от инструмента.