Файл: Севбо П.И. Комплексная механизация и автоматизация сварочного производства.pdf

боров (для сварки теплообменников холодильников), в производстве изделий из алюминия и его сплавов (труб, оболочек, вагонов, мебели, посуды и проч.), если во всех этих случаях не предъявляются по­ вышенные требования к прочности сварного соединения.

4. Перспективно применение в космосе, где поверхность металла легко освобождается от окислов и сорбированных газов и поэтому для получения прочной сварки достаточно осадки с незначительной деформацией и малым усилием.

СВАРКА ТРЕНИЕМ

Этот способ сварки основан на использовании тепла, выделяюще­ гося на соединяемых поверхностях при их взаимном скольжении друг относительно друга под давлением Р, и осуществляется осад­ кой с пластическим деформированием обоих стыкуемых торцов.

Роль трения здесь двоякая: с одной стороны, работа сил трения превращается в теплоту и обеспечивает нагрев зоны сварки; с дру­ гой стороны, при трении разрушаются поверхностные пленки окислов и обнажающиеся ювенильные поверхности металла легко соединяются. Наконец, совместное действие нормальных и танген­ циальных напряжений при трении облегчает пластическую дефор­ мацию в зоне соединения, что также может способствовать сварке.

В простейшем и наиболее распространенном случае сварку тре­ нием используют для соединения встык круглых деталей сплошного или трубчатого сечения. В процессе сварки их вращают относитель­ но друг друга с большой скоростью и сжимают осевой силой на спе­ циальных сварочных станках, напоминающих токарные станки без суппорта. Обычно вращается только одна деталь, причем число ее оборотов в процессе сварки, как правило, остается постоянным. Осевое усилие может в ходе сварки изменяться. Часто в момент окончания сварки (остановки вращения) прикладывается повышен­ ное ковочное давление. Иногда усилие изменяют и в процессе тре­ ния; сварку в этих случаях начинают при малом усилии, которое затем плавно или ступенчато увеличивают.

Нагрев при сварке трением осуществляется теплом, генерируе­ мым за счет работы трения. Интенсивность тепловыделения опреде­ ляется мощностью, расходуемой на преодоление крутящего момента сил трения. Эта мощность, как и момент сил трения, в ходе сварки не остается постоянной даже при неизменном числе оборотов и осе­ вом усилии, так как существенно меняется коэффициент трения (сцепления) и средний радиус трения.

При сварке трением, как и при любом другом способе сварки давлением в твердом состоянии, важнейшим условием получения шва

113

высокого качества является равномерный нагрев по всей поверхнос­ ти соединения. Несмотря на некоторые неблагоприятные обстоя­

ем, например контактная сварка сопротивлением идр. По мнению А. С. Гельмана [9], это объясняется интенсивным саморегулирова­ нием процесса тепловыделения на соединяемых поверхностях при скольжении их друг о друга с большой скоростью. Выравнивание температуры по сечению объясняется возникающей при сварке раз­ ницей в коэффициентах трения и в удельных давлениях в центре и на периферии свариваемого сечения.

Для получения соединений с высокими прочностными и в осо­ бенности пластическими свойствами необходимо, чтобы в конце свар­ ки прекращение трения (остановка системы) сопровождалось доста­ точной пластической деформацией — осадкой или проковкой.

Таким образом, сварка трением по своей природе наиболее близ­ ка к контактной сварке оплавлением; если при трении очистка и об­ новление соединяемых поверхностей идет за счет образования и раз­ рушения локальных фрикционных связей с местным возрастанием температуры до точки плавления, то при оплавлении эти же про­ цессы являются результатом возникновения и взрыва отдельных пе­ ремычек жидкого металла. В обоих случаях недостаточно быстрая осадка или небольшое усилие осадки ведут к появлению в стыках окислов и непроваров. Между этими способами, однако, имеются и принципиальные отличия. Главное из них заключается в том, что контактная сварка оплавлением обязательно требует нагрева ме­ таллов до температуры выше температуры плавления.

Оборудование для сварки трением должно иметь большую мощ­ ность механизмов вращения свариваемых деталей и привода осад­ ки, поэтому станки для этого механического способа сварки сравни­ тельно громоздкие и тяжелые, особенно для сварки деталей круп­ ного сечения.

Преимущества сварки трением:

1)время нагрева и расходуемая энергия невелики, так как выде­ ление тепла при сварке трением локализуется в тонких приповерх­ ностных слоях металла, имеющих очень малый объем. Поэтому производительность сварки достаточно высокая и вполне соизмери­ ма с производительностью электрической контактной сварки;

2)небольшое термическое воздействие сварки на основной ме­

талл;

3)высокое качество сварного соединения благодаря интенсивно­ му разрушению и удалению из стыка окисных пленок, а также вследствие плотного контакта между поверхностями трения во вре­ мя нагрева, препятствующего образованию новых окислов;

114

4)возможность получения качественного шва на разноименных металлах и сплавах: алюминия со сталью, титана с алюминием, меди со сталью и др.;

5)возможность сварки деталей с необработанными и загрязнен­ ными торцами (без окалины);

6)гигиеничность процесса благодаря отсутствию всяких излу­ чений, вредных газовых выделений, горячих брызг металла, флю­ совой пыли ит. п., что позволяет устанавливать сварочные машины

в механообрабатывающих цехах; 7) простота механизации и автоматизации процесса сварки,

в том числе и комплексной. Недостатки:

1) применение сварки трением ограничивается стыковыми со­ единениями стержней или деталей, имеющих форму тел вращения (сплошного или трубчатого сечения), причем вращаемая деталь должна быть сбалансирована;

2)весьма большая мощность сварочных машин по их силовым параметрам (механизмов вращения и осадки) и высокая их стои­ мость, делающая невыгодным этот процесс для сварки больших сече­ ний, свыше 30 000 мм2;

3)необходимость удаления грата со шва.

Области рационального применения:

1. Сварка встык стержней и машинных деталей круглого или трубчатого сечения диаметром от 6 до 200 мм из одноименных или разноименных металлов и сплавов. При этом хотя бы одна из двух свариваемых между собою деталей должна быть сбалансированной относительно оси вращения. Приварка торцов круглых деталей к плоской поверхности листовых и других деталей.

2.Наиболее эффективно применение для изготовления режуще­ го инструмента и других биметаллических деталей (сварно-кова­ ных, сварно-литых, сварно-штампованных).

3.Применение целесообразно в следующих отраслях промыш­ ленности: тракторо-, автомобилестроении и других отраслях маши­ ностроения с серийным и массовым производством однотипных свар­ ных деталей.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

По своей физической сущности ультразвуковая сварка аналогич­ на сварке трением, так как оба эти способа основаны на использо­ вании работы трения быстро движущихся относительно друг друга поверхностей свариваемых тел. Существенное различие между ними заключается в режиме движения: при сварке трением движение

115

как правило, вращательное, направленное все время в одну сторону однозначно и непрерывно; при ультразвуковой сварке движение колебательное, знакопеременное с частотой и амплитудой искусст­ венно созданных ультразвуковых колебаний, нормальных к свари­ ваемой плоскости, или чаще тангенциальных, или тех и других

вместе.

В обоих способах сварки роль трения сводится, во-первых, к нагреву стыкуемых поверхностей и, во-вторых, к разрушению окисных пленок на них. Приложенное к свариваемым деталям внеш­ нее усилие обусловливает процесс пластической деформации и сварки.

Простейшая схема ультразву­ ковой сварки металлов в нахле-

Рис. 24. Схемы ультразвуковой сварки металлов:

а— сварка инструментом, совершающим продольные колебания; 6 — сварка инстру­ ментом, нагруженным присоединенной массой н совершающим нзгибные колебания.

стку приведена на рис. 24. Свариваемые детали 4 помещают на массив­ ной опоре 5. Источником ультразвуковых колебаний служит магнитострикционный преобразователь 1, питаемый от генератора пере­ менного тока высокой частоты (18—30 кгц). Создаваемые им меха­ нические упругие колебания 6 усиливаются в волноводе 2 и через рабочий наконечник 3 передаются в свариваемые детали в виде сдви­ говых колебаний, вызывающих возвратно-поступательные переме­ щения свариваемых поверхностей относительно друг друга. Ампли­ туда этих колебаний не превышает 20—30 мкм.

Как и при всех других способах сварки давлением, к рабочему инструменту прикладывается сварочное давление N.

Процесс ультразвуковой сварки начинается со сглаживания по­ верхностных неровностей. Пластическая деформация при этом спо­ собствует разрушению окисных пленок, осколки которых остаются в соединении в виде отдельных включений. Нагрев и значительная пластическая деформация, сопровождаемые разрушением окисных

116

пленок, способствуют образованию достаточно прочных соединений. Ультразвуковой сваркой можно соединять как взаимно растворимые металлы (Си — Ni и др.), так и нерастворимые (Fe — Ag, Cu — Mo и др.), а также металлы, образующие интерметаллиды (Си — А1, Fe — Ті и др.).

С увеличением толщины свариваемых деталей необходимая ам­ плитуда колебаний быстро растет. Максимально допустимая ам­ плитуда, как правило, ограничивается прочностью волновода при действии циклических напряжений. В результате этого ультразву­ ковая сварка практически применима для приварки детали неболь­ шой толщины (до 1— 1,5 мм) к нижней детали любой толщины.

Существует ряд гипотез, объясняющих механизм образования соединения металлов при ультразвуковой сварке. Общим для всех их является признание того, что при ультразвуковой сварке в ре­ зультате сухого трения разрушаются поверхностные пленки и меж­ ду чистыми поверхностями, интенсивно нагреваемыми со значитель­ ной пластической деформацией, способствующей их выравниванию, возникают узлы схватывания. Весьма положителен эффект ковочно­ го давления в конце сварки.

Способ ультразвуковой сварки весьма эффективно и широко при­ меняется в виде так называемой микросварки, т. е. сварки весьма малых толщин в производстве радиоприборов и электронных устройств, например, для присоединения металлических проводни­ ков (выводов) к кристаллу кремния в полупроводниковых приборах главным образом внахлестку.

В подобных случаях применяется микросварка давлением с на­ ложением ультразвуковых колебаний — продольно-поперечных или крутильных частотой 25—30 кгц, или тех и других вместе [24].

Преимущества ультразвуковой сварки:

1)сравнительно высокая производительность, такая же, как при контактной точечной сварке;

2)возможность приварки деталей очень малой толщины (от не­ скольких микрон);

3)небольшая микропластическая деформация деталей, слабое термическое воздействие на основной материал и малые сварочные деформации изделия.

Недостатки:

1)пониженная стабильность качества соединений благодаря не­

которой неустойчивости распределения колебаний в системе ин­ струмент — свариваемые детали — опора, а также вследствие возмож­ ности взаимного смещения инструмента и свариваемой детали, ве­ дущего к повреждению поверхности этой детали;

2) применяется только для сварки деталей малой толщины (до 1— 1,5 лш), так как при больших толщинах требуется большая

117

амплитуда колебаний, которая, в свою очередь, ограничивается уста­ лостной прочностью волновода и всей сварочной машины в целом.

Область рационального применения — сварка мелких и мель­ чайших изделий из цветных металлов и сплавов, одноименных и разнородных, в радиотехнической, электронной, приборостроитель­ ной и других аналогичных отраслях промышленности с массовым производством.

СВАРКА ВЗРЫВОМ

Этот способ сварки давлением основан на использовании энергии взрывчатых веществ. На рис. 25, а приведена одна из типичных схем сварки взрывом. Свариваемая деталь 4 укладывается неподвижно на массивном основании 5 (стальной плите, бетоне, песке и пр.). Деталь 3, которую надо приварить по всей плоскости, устанавлива-

Рис. 25. Схемы сварки взрывом:

а — пластина биметалла; б — облицовка внутренней поверхности втулки.

ется в наклонном положении под некоторым углом а к детали 4 на заданном расстоянии h0 в вершине угла 1. Сверху по всей наружной поверхности детали 3 равномерным слоем укладывается заряд взрывчатых веществ 2. Взрыв этих веществ развивает высокое давле­ ние газообразных продуктов и сообщает пластине 3 большую ско­ рость г;н, достигающую 1000 м/сек. В месте соударения движу­ щейся пластины <3 с неподвижной образуется угол у, в котором воз­ никает эффект кумуляции — из зоны соударения выбрасывается с очень высокой скоростью кумулятивная струя, состоящая из метал­ лов соединяемых пластин. Она обнажает вступающие в контакт по­

118

верхности в момент, непосредственно предшествующий их соедине­ нию и сварке. При известных условиях соударение пластин сопро­ вождается значительной пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате пласти­ ческой деформации и нагрева происходит сварка между чистыми поверхностями.

В качестве второго примера сварки взрывом можно привести об­ лицовку взрывом трубчатых деталей снаружи, изнутри или с обеих сторон.

При облицовке внутренней поверхности втулки 6 (рис. 25, б), внутри ее устанавливают с зазором вторую облицовочную втулку 7 с буферной цилиндрической прокладкой 8 из эластичного материа­ ла, смягчающего действие взрыва. Внутрь буферной втулки 8 вво­ дят заряд взрывчатого вещества 9, заканчивающийся коническим колпачком, в центре которого расположен детонатор 10. Угол у при взрыве обеспечивает условия соударения с образованием кумулятив­ ной струи и получением прочного соединения. Аналогичная схема предложена и реализована для приварки взрывом труб к трубным доскам.

Преимущества сварки взрывом:

1) очень незначительное время сварки; сварка происходит прак­ тически мгновенно. Однако производительность сварки определя­ ется не столько временем сварки, сколько подготовительными опе­ рациями по сборке деталей и укладке заряда взрывчатки;

2)возможность соединения любых металлов и сплавов, достаточ­ но пластичных для деформирования без повреждений при больших ускорениях и энергиях удара.

Недостатки:

1)необходимость предварительной очистки свариваемых поверх­ ностей от загрязнений, особенно органических;

2)недостаточные стабильность и однородность качества сварно­ го соединения, особенно при развитых поверхностях сопряжения;

3)возможность повреждения свариваемых деталей при взрыве

ввиде трещин, надрывов и других пороков;

4)необходимость в особых мерах защиты и безопасности для об­ служивающего персонала и всего окружающего.

Область рационального применения — получение двух- и трех­ слойных заготовок под прокат листов и труб, а также производ­ ство биметаллических деталей в машиностроении и в частности, де­ талей типа втулок. Предельная толщина привариваемой облицовки

не более 10— 19 мм, а основания — не менее 4—5 толщин обли­ цовки.