Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Механические и термомеханические способы сварки (сварка давлением)

2.1.1. Особенности формирования соединений при сварке давлением

Применение механической энергии при сварке давлением позволяет реализовать целый ряд преимуществ по сравнению со сваркой плавлением. Эти преимущества определяются, в первую очередь, тем, что механическая энергия гораздо менее инерционна, чем тепловая, а при ударно-импульсных нагрузках вообще безинерционна. При этом отсутствуют характерные для сварки плавлением недостатки, обусловленные достаточно длительным термическим воздействием на свариваемые материалы: литая структура металла шва, значительные размеры зоны термического влияния, остаточные напряжения и деформации и др.

По современным представлениям процесс образования соединения при любых способах сварки без расплавления протекает в три стадии.

1. Образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых материалов за счет пластической деформации на расстояние, при котором становится возможным квантово-механическое взаимодействие электронных оболочек поверхностных атомов.

2. Активация контактных поверхностей (образование активных центров). Активация контактных поверхностей начинается уже в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов за счет совместной пластической деформации.

3. Объемное взаимодействие. Эта стадия наступает с момента образования активных центров на соединяемых поверхностях. В течение третьей стадии происходит развитие взаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта с образованием прочных связей, так и в объеме зоны контакта. Для обеспечения требуемой прочности соединений часто необходимо дальнейшее развитие процессов рекристаллизации или диффузии.

Известно, что реальные металлические поверхности имеют сложное геометрическое и физическое строение. На первой стадии формирования соединений при сварке давлением реализуются процессы по развитию максимальной площади фактического контакта и очистке поверхностей от окислов и адгезионных наслоений.

Каждый процесс сварки давлением может обеспечить высокое качество соединения в том случае, когда все оксидные и адсорбционные наслоения в плоскости контакта в процессе плавления растворяются в расплаве или полностью выдавливаются из плоскости свариваемого контакта при операции осадки.

Первое условие полностью соблюдается при контактной точечной и шовной сварке, второе условие выполняется при контактной стыковой, холодной, ультразвуковой и сварке трением.

Особый характер имеет очистка поверхностей при сварке взрывом и диффузионной сварке в вакууме. При сварке взрывом поверхности очищаются воздушно-плазменной кумулятивной струей. При диффузионной сварке в вакууме в зависимости от свариваемых сочетаний материалов могут реализоваться различные механизмы удаления оксидных слоев: диссоциация, растворение, восстановление и другие.

Активация контакта (вторая стадия) - это процесс преднамеренного повышения энергии в поверхностных слоях или по плоскости контакта, или, дополнительно к этому, в некотором объеме металла вокруг контакта. Энергия активации может быть получена за счет любого физического процесса. Механическая энергия, вводимая в свариваемый контакт, весьма универсальна и безинерционна по сравнению с тепловой, что имеет весьма важное значение.

Все процессы сварки давлением отличаются друг от друга временной программой деформирования соединения (осадки). Можно выделить следующие процессы осадки:

  • длительно действующие при постоянном давлении (диффузионная сварка);
  • ударно-импульсные (сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка);
  • специально программированные по силе сдавливания и времени её действия (контактная, холодная, трением, ультразвуковая, диффузионная).

На третьей стадии процесса сварки давлением развиваются процессы взаимной диффузии, рекристаллизации, в отдельных случаях образования химических соединений (интерметаллидов, карбидов и т.п.), формируется напряженное состояние в зоне сварки.

Важную роль в получении качественных сварных соединений играют процессы образования химических соединений при сварке разнородных материалов. Так, например, в системе Cu-Al могут образовываться интерметаллиды трех видов CuAl2, CuAl, Cu2Al3. Зависимость величины интерметаллидной фазы (у) от времени t может быть описана известным уравнением уn=k(t+t0), где t0 - общий латентный период образования зародышей интерметаллида; k - коэффициент роста интерметаллида, п - экспериментально определяемый показатель степени.

Качество сварного соединения в значительной степени зависит от толщины интерметаллической прослойки, возникающей в контакте. При критических толщинах (десятки микрон) прочность сварных соединений резко падает. В связи с этим возникает необходимость предотвращения появления и роста интерметаллических прослоек. Основными направлениями для ограничения образования и роста интерметаллических соединений являются: оптимизация режимов сварки; применение специальных "барьерных" прослоек.

Барьерные прослойки изготавливаются из металлов, хорошо растворимых в основных металлах. Барьерные прослойки могут состоять из одного или нескольких слоев. Например, при диффузионной сварке титановых сплавов со сталями используют прослойку, состоящую из трех компанентов: ванадия, меди, никеля.

 

2.2.2. Контактная сварка

Электрическая контактная сварка относится к одному из наиболее распространенных видов сварки. Этим способом сваривают до 30% всех сварных изделий.

Все способы контактной сварки, основные из которых точечная, шовная, стыковая, объединяет то, что для формирования соединений используются различные программируемые сочетания электрической и механической энергии. Причем электрическая энергия вводится в контакт между деталями путем пропускания через него сварочного тока, а механическая - путем сдавливания и пластического деформирования материала в зоне сварки.

Стыковая контактная сварка- сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов (рис.2.11).

Свариваемые детали закрепляются соосно в зажимах сварочной машины, являющихся одновременно токоподводами. Применение понижающего трансформатора обеспечивает получение больших токов в сварочной цепи.

При сварке теплота, частично или полностью используемая на полезный нагрев, выделяется в контакте между торцами свариваемых стержней за счет контактно­го сопротивления Rк и в самих стержнях с собственным сопротивлением Rcт. Контактным сопротивлением между электродами и свариваемыми стержнями Rэ можно пренебречь, так как оно относительно мало и выделяемая на нем теплота практически не сказывается на нагреве зоны сварки. Наличие контактного сопротивления и отвода тепла в токоподводящие устройства обеспечивают превалирующий нагрев приконтактных областей соединения.

Основные параметры режима стыковой сварки: сила тока и его плотность, время пропускания тока, усилие сжатия.

Получили распространение способы стыковой сварки сопротивлением и оплавлением. При сварке сопротивлением стык деталей, плотно сжатых осевой силой, нагреваются током до температур, меньших температуры плавления. В процессе последующей осадки они пластически деформируются и свариваются. При сварке сопротивлением трудно добиться равномерного нагрева соединяемых деталей по всему сечению; при этом не обеспечивается полное удаление окисных пленок из стыка, поэтому она используется ограниченно для изделий относительно небольшого сечения (до 200 – 300 мм 2).

Сварку оплавлениемподразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением начинается с медленного сближения до соприкосновения торцов при включенном сварочном трансформаторе, но без сдавливания их заметной силой. В момент касания торцов между ними образуется контакт, электрическое сопротивление которого из-за отсутствия сжимающих сил относительно велико. При протекании через такой контакт сварочного тока выделяется большое количество теплоты, и окружающий его металл почти мгновенно плавится, образуя между торцами деталей жидкие перемычки. При дальнейшем нагреве током перемычки взрываются. Это приводит к выбрасыванию из зазора между торцами частиц металла в виде искр и некоторому укорочению деталей. При постепенном их сближении образуются все новые контакты и перемычки, что приводит к интенсивному нагреву контактирующих концов деталей. После образования на торцах сплошного слоя расплавленного металла и достаточного прогрева деталей по длине они сдавливаются осевой силой (осаживаются). При этом расплавленный металл вытесняется из зазора, а расположенный под ним чистый, хорошо разогретый металл пластически деформируется и сваривается.

При сварке оплавлением с подогревом детали предварительно подогреваются методом сопротивления в процессе кратковременных замыканий их торцов, а затем оплавляются. Сварка оплавлением используется при изготовлении конструкций как малых, так и больших сечений (до 100000 мм 2).

Стыковая сварка в настоящее время применяется для изготовления деталей из сталей, алюминиевых, титановых, медных сплавов и некоторых тугоплавких металлов. Например, в производстве ЛА стыковая контактная сварка используется для изготовления шпангоутов больших размеров, соединения отдельных секций герметичных отсеков ракет и т. д. Ею можно соединять детали, как с компактными, так и с развитыми, сложными сечениями.

Контактная точечная сварка -один из высокопроизводительных способов контактной сварки, при котором соединение получается между торцами электродов, подводящих ток и передающих силу сжатия. Контактная точечная сварка выполняется на специальных машинах (рис.2.12). Машина состоит из сварочного трансформатора 1, переключателя ступеней трансформатора 2, прерывателя сварочного тока 3, регулятора времени 4, механизма сжатия деталей 5, электрододержателей 6 и электродов 7, датчика сварочного тока 8, прибора для измерения сварочного тока 9.

Основными параметрами режима точечной сварки являются: диаметр рабочей поверхности электродов dЭ, сила сжатия деталей Fсж ,сила сварочного тока Iсв , продолжительность его включения tсв.

Продолжительность отдельных составляющих цикла сварки (рис.2.13) - предварительное сжатие tсж ,сварка tсв , проковка tк и пауза tn - задаются настройкой регулятора времени.

На первой стадии сварки между соединяемыми поверхностях под действием приложенного усилия (Fсв) формируется предварительный (механический) контакт. На втором этапе происходят нагрев и расплавление металла в зоне соединения

(образование т.н. литого ядра) с одновременным формированием уплотняющего пояска по его периферии. На третьем этапе после выключения тока расславленный металл литого ядра кристаллизуется в условиях продолжающегося действия сварочного давления, что обеспечивает получение плотной структуры сварной точки. Такая схема процесса сварки обеспечивает высокое качество и исключает дефекты, например, несплошности и выплески жидкого металла.

 

 

Важными условиями получения качественных соединений являются образование литого ядра определенной формы и размеров, а также предотвращение выплесков расплавленного металла из него. Нормативно - техническими документами устанавливаются следующие конструктивные элементы соединений, выполненных контактной точечной сваркой (рис.2.14): S и S1 - толщины деталей, d - расчетный диаметр литого ядра точки; h и h1 - величина проплавления; g и g1 - глубина вмятины.

Расстояние от центра точки до края нахлестки должно быть не менее половины минимальной величины нахлестки. Величина проплавления h, h1 должна быть от 20 до 80% толщины деталей. Глубина вмятины g, g1 не должна быть более 20% толщины деталей. Диаметр рабочей поверхности электрода dЭ обычно близок к расчетному диаметру литого ядра точки d.

Соединения, выполненные контактной точечной сваркой испытывают на срез или на отрыв.

Циклограммы контактной точечной сварки могут быть разнообразными. Рассмотрим в качестве примера полный цикл сварочного процесса с программированным изменением давления и тока (рис.2.15). Цикл начинается с того, что электроды сжимают детали силой P1 в 1,5...2 раза большей, чем это предусматривается режимом сварки. Такого рода предварительное обжатие деталей весьма желательно при сварке крупногабаритных и тяжелых конструкций, которые обладают некоторой собственной конструктивной упругостью или жесткостью. Через некоторый момент времени повышенное

 

 

давление уменьшается до режимного, сварочного P2, и в тот же момент включается ток подогрева контакта Iпд , переходящий затем в сварочный ток Iсв в 1,5...2 раза больший, чем подогревающий. Если свариваемые детали оказались способными принять нежелательную сильную закалку, её снимают отжигающим током Iотж. При таком цикле переменными являются не только амплитуды или действующие значения токов, но и все параметры времени.

 

 

Разновидностью контактной точечной сварки является рельефная сварка.Сварка в данном случае происходит по предварительно подготовленным в металлических изделиях выступам (рис.2.16). Первоначальный контакт деталей осуществляется

по ограниченной рельефами площади. Форма выступов в сечении может быть, например, в виде полукруга или трапеции. Наличие рельефа дает возможность обеспечивать концентрированный нагрев в месте контакта при больших плотностях тока. В дальнейшем выступы под давлением Р электродов постепенно деформируются. На определенной стадии происходят плавление металла и образование соединения по всему контуру рельефа. Обычно на поверхности деталей выполняется несколько рельефов или один выступ замкнутой формы в виде кольца. В первом случае детали соединяются одновременно в нескольких точках, во втором образуется непрерывный герметичный шов (контурная рельефная сварка). Рельефная сварка применяется для деталей небольших размеров из-за значительной потребляемой мощности.

Шовная сваркаобеспечивает соединение элементов внахлестку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва (рис.2.17). В зависимости от характера вращения роликов различают непрерывную и шаговую (прерывистую) шовную сварку.

 

 

При непрерывной сварке ток подается при вращающихся роликах непрерывно или в виде импульсов при постоянном давлении на электродах. Импульсная подача тока (рис.2.18 а) во многих случаях является более оптимальной. Точка образуется в этом случае при прохождении каждого отдельного импульса. Перемещение свариваемых деталей и частота импульсов выбираются так, чтобы точки перекрывали друг друга на 30...50%, тогда соединение получится плотным. При большой скорости перемещения деталей и малой частоте импульсов можно получить прочные, но не герметичные швы, аналогичные швам, полученным точечной сваркой.

При сварке некоторых материалов и прежде всего алюминиевых сплавов рекомендуется шаговая (прерывистая)сварка(рис.2.18 б, в). Она заключается в том, что в период подачи сварочного тока дисковые электроды (ролики) неподвижны относительно изделия, а перемещение изделия происходит вследствие периодического поворота электродов на небольшой угол в паузах между импульсами тока. Такой режим сварки ускоряет кристаллизацию точки, улучшает условия охлаждения роликов, уменьшает их износ, стабилизирует качество точки. Давление на электродах может быть постоянным (рис.2.18 б) или увеличиваться в конце сварки (рис.2.18 в), что позволяет осуществлять проковку точки.

Характеры образования соединения при точечной сварке и при шовной, особенно при шаговой, практически аналогичны друг другу. С определенным приближением шовную сварку можно рассматривать как особый случай точечной, когда расстояние между точками минимально. Однако следует иметь в виду и некоторые особенности шовной сварки. Прежде всего это касается параметров режимов сварки. Так, из-за значительного шунтирования через ранее сваренные точки при шовной сварке требуются большие мощности, чем для точечной. С учетом более жестких режимов при шовной сварке и шунтирования сила тока по сравнению с точечной выбирается больше на 20...60%.

Достоинства шовной сварки – прочные и плотные швы, высокая производительность, возможность полностью автоматизировать процесс - обеспечили ей широкое применение в промышленности. Она используется, например, при изготовлении различных узлов авиационно-космической техники. С ее помощью соединяют шпангоуты с цилиндрическими обечайками авиационных двигателей, детали приборов.; особенно, там где нужна герметизация. Это прежде всего - топливные баки, герметичные сосуды и контейнеры самого различного назначения.

 

Диффузионная сварка в вакууме

Диффузионная сварка в вакууме(ДСВ) как технологический процесс соединения однородных и разнородных материалов предложенаи разработана российским ученым Н.Ф.Казаковым.

Отличительные особенности диффузионной сварки следующие.

1. Возможность сварки без расплавления, что обеспечивает

отсутствие в шве литой структуры с пониженными механическими свойствами.

2. Возможность сварки материалов, не свариваемых

плавлением: а) неметаллических материалов с металлическими (стекол и керамики с металлом); б) твердых сплавов со сталями; в) литейных жаропрочных сплавов; г) взаимно нерастворимых металлов, например, меди с вольфрамом или молибденом; д) ряда спеченных материалов, особенно при необходимости сохранения в шве исходной пористости (например, при изготовлении металлокерамических фильтров).

3. Возможность получения соединений, по всем показателям равноценных основному металлу.

4. Товарный вид деталей после сварки в вакууме, отсутствие необходимости дополнительной обработки.

5. Возможность сварки по развитой поверхности.

6. Возможность сварки деталей без ограничения в соотношении толщин (например, приварка фольги к массивной детали).

7. Возможность получения многослойных композиционных материалов.

Главным недостатком диффузионной сварки следует считать низкую производительность существующих установок.

Способ диффузионного соединения основан на сближении ювенильных (свободных от окисных пленок) поверхностей свариваемых деталей в вакууме при нагреве их несколько выше температуры рекристаллизации с приложением небольшой сжимающей силы и взаимной диффузии на границе раздела соединяемых поверхностей.

Температура сварки является основным параметром процесса. Она определяет условия термовакуумной очистки соединяемых поверхностей от окисных пленок, образования физического контакта между ними и их активации, лимитирует скорость и характер протекания объемного диффузионного взаимодействия. Как показывает опыт ДСВ разнообразных материалов, оптимальная температура сварки составляет 0,6...0,8 температуры плавления более легкоплавкого из соединяемых материалов. Температура сварки не должна превышать значений, при которых в свариваемых материалах могут происходить необратимые фазовые и структурные превращения, ухудшающие свойства сварного соединения.

 

Давление сжатия способствует активации поверхностей, формированию фактического контакта за счет микропластической деформации и ползучести микровыступов. Величина сварочного давления выбирается из расчета получения доброкачественного соединения при минимальной степени его пластической деформации.

Время сварки является функцией основных параметров процесса - температуры и давления. Время сварки определяет полноту протекания завершающего этапа стадии объемного диффузионного взаимодействия. Однако с увеличением времени сварки увеличивается общая пластическая деформация свариваемых деталей, поэтому верхний предел допустимого времени сварки целесообразно ограничивать. Нижнюю его границу можно ориентировочно определять, исходя из минимально необходимого времени термовакуумной очистки соединяемых поверхностей.

Степень вакуума и температура процесса определяют скорость и качество очистки соединяемых поверхностей. Чем выше степень разрежения атмосферы в вакуумной камере, тем интенсивнее идет процесс дегазации деталей и объема камеры. Этим условиям отвечает вакуум, который обеспечивают серийные диффузионные установки (10-2…10-3 Па).

ДСВ осуществляется в определенной технологической последовательности на специальных установках, принципиальная схема одной из них показана на рис.2.19. Детали 6 с предварительно подготовленными свариваемыми поверхностями (механически обработанные и обезжиренные) помещаются в камеру 4 и устанавливаются в центрирующем приспособлении 7. Затем камера герметизируется и производится откачка воздуха с помощью вакуумных насосов. При достижении требуемого вакуума включается высокочастотный генератор и детали нагреваются в зоне сварки с помощью индуктора 5.

Очистка свариваемых поверхностей от окисных пленок, как правило, завершается за время нагрева детали до температуры сварки. При достижении температуры сварки к соединяемым деталям через поршень 2 и шток 3 гидросистемы 1 прикладывается рабочее давление, которое поддерживается до окончания процесса. Последний этап цикла сварки - охлаждение свариваемого узла с заданной скоростью до температуры 323...473 К. После этого снимается давление сжатия, в камеру напускается воздух и она открывается.

Длительность всего цикла сварки зависит от массы, формы и размеров свариваемых деталей, физико-механических свойств входящих в соединение материалов.

При сварке разнородных материалов в процессе объемного взаимодействия возможно образование в контакте слоя интерметаллидов, который резко снижает прочностные характеристики соединения. В этих случаях между деталями помещают прослойку из материала, который не образует интерметаллических соединений с каждым из свариваемых материалов. Кроме того, в зависимости от соединяемой композиции прослойка может выполнять и другие функции. При соединении разнородных материалов с различными коэффициентами термического расширения для релаксации внутренних напряжений в стык вводится прослойка из материала, имеющего промежуточное значение коэффициента термического расширения. Прослойки из пластичных металлов применяются для сварки материалов, обладающих высокой твердостью (например, твердых сплавов, жаропрочных сталей).

Прочность диффузионных соединений с мягкой прослойкой значительно повышается с уменьшением ее толщины (т.н. эффект контактного упрочнения). Поэтому толщины прослоек выбираются минимально возможными.

Применение различных прослоек является важным достоинством диффузионной сварки и существенно расширяет область её применения.

Опыт применения диффузионной сварки в вакууме показывает, что этот способ позволяет получать высококачественные сварные соединения весьма широкого круга материалов – различных металлов и сплавов, неметаллических материалов (керамики, графита, стекла), причем в самых разнообразных сочетаниях. Так, например, в авиационном двигателестроении с помощью ДСВ изготавливают такие ответственного назначения узлы, как малоразмерные роторы турбоагрегатов, рабочие лопатки газотурбинных двигателей и др.

 

Холодная сварка

Холодная сварка- это процесс получения неразъемного соединения пластичных металлов путем их совместного пластического деформирования при комнатной температуре.

Основными способами холодной сварки являются: точечная сварка внахлестку, шовная сварка внахлестку, сварка встык и сварка сдвигом.

 

 

На рис.2.20а представлена схема точечной сварки внахлестку. Действием пресса, сжимающего пуансоны 1 силой Р, выступы 2 пуансонов вдавливаются в листы металла 3 до тех пор, пока опорные поверхности пуансона не упрутся в поверхности металла. В месте вдавливания пуансонов остаточная толщина металла составляет лишь часть суммарной толщины листов. Сварка происходит при достижении определенной, достаточно большой степени деформации свариваемых материалов. В зависимости от вида свариваемого металла необходимая для холодной сварки степень деформации составляет 80...95%. Степень необходимой деформации при сварке друг с другом разнородных металлов определяется свойствами того из свариваемых материалов, при сварке которого в одноименном сочетании требуется меньшая деформация. Поэтому при сварке плохо свариваемых, мало пластичных металлов, применяют прокладки из пластичных хорошо свариваемых металлов.

Точечной сваркой успешно соединяются листы толщиной от 0,1...0,2 до 12...15 мм. Сила в расчете на одну точку при сварке, например, алюминия составляет в среднем 15...120 кН, давление на рабочую поверхность пуансона 600...800 МПа. Недостатком точечной сварки является глубокая вмятина в металле, часто на 80...90% его толщины.

Заменив точечные пуансоны стальными роликами соответствующей конфигурации, катящимися по металлу, можно осуществить шовную сварку. Такой способ применяется преимущественно для получения кольцевых замкнутых швов, например, для приварки дна или крышки к бесшовному корпусу.

Схема сварки встык представлена на рис.2.20б. Подлежащие сварке стержни 1 закрепляют в зажимах 2. Концы свариваемых деталей выпускают из зажимных губок на определенную длину, называемую вылетом. При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения и острый край зажимов обрубает выдавленный металл. Таким образом свариваются стержни и проволока круглого, квадратного и прямоугольного сечений, полосы и т.п. Место сварки получается чистым и не требует последующей обработки.

Холодную сварку можно осуществить путем сдавливания соединяемых деталей с одновременным их тангенциальным относительным смещением. Этот способ сварки получил название сварки сдвигом. Тангенциальное смещение соединяемых изделий дает возможность получить сравнительно большие площади очищенных от пленок поверхностей при небольшом растекании каждой из них. При сварке сдвигом разноименных металлов прочное соединение возникает только у металлов с близкими механическими свойствами, например, у наклепанного алюминия, отожженной меди и др.

Во всех случаях обязательным условием получения высококачественных соединений является тщательная зачистка соединяемых поверхностей. Холодная сварка успешно применяется для изготовления токосъемников. При этом два алюминиевых листа свариваются по всей поверхности соприкосновения посредством совместной прокатки. Затем с помощью точечной сварки алюминиевые листы облицовываются мягкой листовой медью толщиной 0,8...1,0 мм. Такие токосъемники обладают хорошими электрическими свойствами и дают значительную экономию дефицитной меди.

Общий расход электроэнергии при холодной сварке в 20...30 раз меньше, чем при контактной электросварке. Применение холодной сварки ограничивается физическими свойствами металлов. Недостаточно пластичные металлы, например, высокопрочные алюминиевые сплавы, часто дают трещины при деформациях, необходимых для холодной сварки. Высокопрочные металлы даже и при достаточной пластичности практически не свариваются холодным способом, так как удельные давления при этом настолько велики, что невозможно изготовить достаточно прочные приспособления и рабочий инструмент

.

 

Сварка трением

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, сварное соединение образуется в результате совместного пластического деформирования соединяемых деталей в твердой фазе. От других видов сварки давлением она отличается, прежде всего способом нагрева, точнее - способом введения теплоты в свариваемые детали. При сварке трением механическая энергия, идущая на преодоление сил трения между состыкованными деталями, непосредственно преобразуется в тепловую энергию, причем генерирование теплоты строго локализовано в тонких поверхностных слоях металла. Именно эта особенность процесса предопределяет основные достоинства сварки трением.

 

На рис.2.21 представлена простейшая схема процесса сварки. Две детали, подлежащие сварке, располагаются соосно в зажимах машины; одна из них закрепляется неподвижно. На сопряженных поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевой силой Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сил, превращается в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и вызывает их интенсивный нагрев до температур, необходимых для образования сварного соединения. Применительно к сварке черных металлов эти температуры в зависимости от режима процесса лежат в пределах 1223... 1573 К. По достижении требуемой температуры относительное движение поверхностей должно быть по возможности быстро (мгновенно) прекращено; при этом прекратится и тепловыделение. Процесс образования свар­ного соединения завершается стадией проковки: к нагретым, но уже неподвижным деталям на некоторое время прикладывается сжимающая сила, значительно превышающая первоначальную. Во время проковки и после нее происходит естественное охлаждение сваренных деталей. Типичный вид соединения, полученного сваркой трением, представлен на рис.2.22

 

 

Сварка трением обладает рядом достоинств: высокой производительностью, малым потреблением энергии (в 5...10 раз меньше, чем при контактной сварке); высоким качеством сварных соединений; стабильностью качества; возможностью сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях; возможностью сварки деталей с необработанными поверхностями; простотой механизации и автоматизации. Многие из этих свойств являются результатом свойственного этому процессу локализованного выделения теплоты в тонких приповерхностных слоях металла, т.е. именно там, где это и требуется для сварки.

Особенностями сварки трением, ограничивающими или затрудняющими её применение, являются следующие:

  • одна из деталей должна представлять собой тело вращения,

ось которого совпадает с осью вращения, а другая деталь должна иметь плоскую поверхность, с которой сопрягается торец первой детали;

  • нецелесообразно сваривать стержни диаметром больше 200

мм, т.е. диапазон сечений деталей, которые можно сваривать трением, лежит в пределах 30...8000 мм2.

Расширить возможность применения сварки трением крупных деталей, вращение и, в особенности, быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно путем вращения вспомогательных деталей, зажатых между двумя не вращающимися и подлежащими сварке деталями. Эта схема позволяет также сваривать протяженные детали, например, трубы.

Внешними (независимыми) параметрами процесса являются скорость вращения и давление, приложенное вдоль оси соединения, определяющие мощность тепловыделения. Пластическая деформация при сварке трением является необходимым условием образования доброкачественного соединения. Поэтому третьим параметром процесса является мера пластической деформации, за которую может быть принято сближение свариваемых деталей в осевом направлении - осадка.

Четвертым параметром процесса сварки трением является давление проковки. Стадия проковки, наступающая сразу после окончания стадии нагрева (т.е. в момент торможения вращаю­щейся детали), характеризуется тем, что металл, доведенный в ре­зультате нагрева до требуемых температур в стыке и достаточно притертый вдоль оси деталей, подвергается воздействию внешней силы, обжатию, проковке. Это необходимо для окончательного сближения деталей, для "залечивания" пустот, которые могли образоваться в процессе относительного движения контактирующих поверхностей. От того, насколько сильно будет сжат (прокован) металл, после того как в стадии нагрева он был доведен до состояния повышенной пластичности, зависит качество будущего сварного соединения.

Около половины действующего в стране оборудования для сварки трением обслуживает производство концевого режущего инструмента (сверл, фрез и других), мерительного инструмента и деталей вращающегося центра для токарных станков. Сварка трением также используется для изготовления деталей гидро- и пневмоцилиндров, роторов турбокомпрессоров, биметаллических деталей, например, из стали и алюминия.

 

 

Сварка взрывом

В последние годы все чаще в самых разных областях техники (ракетной, авиационной, автомобильной, а также в судостроении, аппаратостроении и др.) используется сварка взрывом. Этим способом соединяют самые различные (компактные и порошковые) металлы и сплавы, получают сложные композиционные материалы (два, три и более слоев) и осуществляют сложное формоизменение разнообразных материалов.

При сварке взрывом образование соединения происходит в процессе соударения двух свариваемых деталей (пластин) под воздействием ударной волны. При этом ударная волна очищает поверхность и деформирует прилегающие к зоне соединения приповерхностные объемы материала. Схема сварки показана на рис.2.23.

 

Для получения соединения при сварке взрывом необходимо выполнение двух условий:

  1. давление при соударении должно достичь определенного значения;
  2. скорость перемещения точки соударения должна быть меньше скорости звука.

Давление при соударении зависит от скорости движения пластины, а скорость движения пластины - от соотношения c/m, где с - масса заряда; т - ускоряемая масса.

Поскольку ускорение движения метаемой пластины до конечной скорости занимает определенное время, между ней и мишенью должно быть достаточное расстояние (зазор). Давление на поверхности раздела при соударении должно быть в 10 раз больше предела текучести материала. Установлено, что обобщающим параметром сварки взрывом может быть пластическая деформация материала в зоне соединения. Скорость перемещения точки соударения не должна превышать скорости звука в металле по следующим причинам. Когда две пластины первоначально параллельны, и детонация распространяется с одного конца, скорость перемещения точки соударения равна скорости детонации заряда. Скорость ударной волны приближается к скорости звука в металле пластины (например, в алюминии 5240 м/с, в меди 3580 м/с). Если скорость детонации больше скорости звука, то отраженная звуковая волна может разрушить только что созданное сварное соединение. Поэтому подбирают такое взрывчатое вещество (ВВ) (аммониты, гранулиты, зерногранулиты), чтобы скорость детонации была от 2500 до 3600 м/с, тогда отраженная звуковая волна ударяется о свариваемую плоскость раньше, чем давление взрыва ударом соединит верхнюю пластину с нижней.

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Кумулятивность обеспечивается за счет того, что с

Последнее изменение этой страницы: 2017-07-07

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...