Экзаменационный билет №26

1. Основные характеристики специальных способов литья.

См билет № 5(2)

2. Основные способы холодной сварки (точечная, стыковая, взрывом, ультразвуковая).

Холодную сварку выполняют без нагрева при нормальных и даже при отрицательных температурах. Физическая сущность процесса заключается в сближении свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними и, следовательно, в получении прочных соединений. Такое сближение достигается приложением больших удельных давлений в месте соединения. В результате возникает совместная пластическая деформация. Большое усилие сжатия обеспечивает разрыв пленки окислов на свариваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла. Совместная пластическая деформация обеспечивает на короткое мгновение сближение друг с другом объемов кристаллитов, расположенных перед сдавливанием в глубинных слоях металла. При холодной сварке свариваемые поверхности очищают от адсорбированных жировых пленок. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения. На рис. 4.17, а представлен процесс холодной точечной сварки. Свариваемые заготовки 1 с тщательно зачищенной поверхностью 2 в месте соединения помещают между пуансонами 4, имеющими выступы 5. При сжатии пуансонов усилием Р выступы 5 вдавливаются в металл по всей их высоте до тех пор, пока опорные поверхности 3 пуансонов не упрутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма сваренной точки зависит от формы выступа в пуансоне (рис. 4.17, г).

Рис. 4.17. Принципиальная схема холодной сварки:

а — точечная; б — стыковая; в — по контуру; г — форма сварной точкп

При стыковой холодной сварке соединяемые заготовки 7 закрепляют в соосно расположенных зажимах 6 (рис. 4.17, б). При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения, и острый край зажима отрубает излишний выдавленный металл — грат. В процессе осадки сближающие зажимы затруд­няют течение металла и позволяют увеличить давление осадки. Деформируемый металл заполняет насечку 8, которая предотвра­щает его смещение в зажимах. Этим методом сваривают стержни и проволоку круглого, квадратного и прямоугольного сечений.

Место сварка получается чистым и не требует последующей обра­ботки.

Для холодной шовной сварки применяют специальные ролики. Непрерывное шовное соединение может быть получено за счет сдавливания одновременно по всей длине соединения пли за счет прокатывания ролика. Швы, образующие замкнутый контур небольшой длины в виде кольца, прямоугольника и т. п., получают контурной сваркой. На рис. 4.17, в дана схема сварки полых деталей по контуру.Пуансоны 9 и 10 строго центрируют с помощью корпуса 11. Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2 — 15 мм. Удельные давления, зависящие от состава и толщины свариваемого материала, в среднем составляют 150 — 1000 МН/м².

Холодной сваркой в основном сваривают металлы и сплавы, обладающие высокой пластичностью при комнатной температуре, с крупнозернистой отожженной структурой.

В недостаточно пластичных металлах при больших деформа­циях могут образоваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются очень большие удельные давления, которые практически трудно осуществить.

Хорошо свариваются сплавы алюминия, дюралюминия, сплавы кадмия, свинца, меди, никеля, золота, серебра, цинка и тому подобные металлы и сплавы в однородных и разнородных сечениях. К преимуществам этого способа относятся малый расход энергии

незначительное изменение свойств металла, высокая производи­тельность, возможность автоматизации.

Холодной сваркой сваривают алюминиевую оболочку кабелей. Ее применяют при изготовлении бытовых приборов из алюминия, корпусов полупроводниковых приборов и т. д., в электромонтаж­ном производстве.

Оборудование. Для соединения внахлестку могут быть по­пользованы любые прессы (винтовые, гидравлические, рычажные, эксцентриковые). Кроме того, выпускают специализированные установки типа МХСА-50, МСХС-60, МСХС-30 и др. для стыковой холодной сварки.

Термокомпрессионная сварка. Термокомпрессионная сварка является разновидностью холодной сварки, причем в отличие от нее место соединения подогревают до температуры ниже температуры образования эвтектики соединяемых материалов и затем сжимают. Сваривают за счет направленной пластической деформации, аналогичной деформации при холодной сварке. На качество соединения при термокомпрессионной сварке влияет окисление поверхностей, поэтому целесообразно сваривать в защитной атмосфере (аргоне, смеси аргона с азотом и т. п.).

Термокомпрессионной сваркой сваривают высокоэлектро­проводные материалы в виде круглых и плоских проводников с электропроводными тонкими пленками, направленными на хруп­кие диэлектрические подложки.

Процесс весьма стабилен, легко контролируется. Основными параметрами являются усилие сжатия, температура нагрева и продолжительность выдержки. Оборудование очень простое и состоит из рабочего столика и рабочего инструмента (пуансона). Необходимый нагрев при сварке можно выполнять за счет нагрева рабочего инструмента или столика. Не требуется флюсов и припоев.

К недостатку этого способа можно отнести ограниченность сочетаний свариваемых материалов и размеры соединяемых деталей. Применяют этот способ в основном в приборостроительной промышленности.

Сварка трением.

Настоящая история появления сварки трением

28 августа 1956 г. в газете «Труд» было опубликовано письмо токаря Эльбрусского рудника А.И. Чудикова: «Я разработал способ сварки методом трения. На нашем руднике это новшество нашло широкое распространение. Посланное в Министерство цветной металлургии предложение вернулось с резолюцией - метод не годится».

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования (ВНИИЭСО), как тогда назывался Институт сварки России, это письмо привлекло внимание начальника отдела научно-технической информации Ю.Я. Терентьева, который и выступил инициатором начала исследований по этой теме. Уже первые эксперименты, проведённые сотрудниками института В.И. Биллем и Л.А. Штерниным, показали, что такие особенности процесса как малая энергоемкость, высокие КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования предопределяют несомненную рациональность

промышленного применения сварки изделий трением, если одна из деталей является телом вращения. Всё это и послужило толчком к началу многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по этому процессу. Естественно, токарь А.И. Чудиков получил авторское свидетельство на этот способ сварки.

Сварка трением относится к процессам, в которых исполь­зуется давление, кратковременный нагрев и взаимное перемещение свариваемых поверхностей. На рис.4.18 даны основные типы соединений, выполняемых сваркой трением. Соедине­ние получают с достаточно высокими механическими свойствами.

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой неразъемное соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации свариваемых металлов. От других видов сварки давлением она отличается только источником нагрева.

Суть процесса сводится к тому, что поджатые усилием торцы двух свариваемых деталей приводятся в относительное движение. В результате работы сил трения в тонких приповерхностных слоях деталей генерируется тепло, количества которого достаточно для нагрева металла до пластического состояния. После прекращения относительного движения под действием приложенного усилия происходит образование сварного соединения при совместной пластической деформации приконтактных объемов металла.

При классическом способе сварки трением круглый пруток (обычно длиной не более 1 м) приводится во вращение с постоянной скоростью от электропривода, а второй усилием нагрева поджимается к нему и перемещается вдоль оси (осадка нагрева), осуществляя пластическую деформацию нагреваемых объемов металла. В заданный момент вращающийся пруток резко тормозится, а усилие поджима возрастает до величины проковки - происходит осевая деформация проковки.

Инерционная сварка отличается от описанного процесса тем, что энергия передается детали не непосредственно от электродвигателя, а от заранее разогнанного до заданной угловой скорости маховика. После сцепления вращающегося маховика со шпинделем с закрепленной деталью, к торцу которой постоянным осевым усилием поджата вторая свариваемая деталь, система тормозится силой трения до полной остановки. В этом случае, в отличие от классического способа сварки, процесс тепловыделения протекает при скорости относительного вращения, изменяющейся от начальной скорости маховика до нуля.

Интересно применение комбинированной сварки трением, при которой первая стадия осуществляется при вращении детали от электродвигателя с обычной для классического способа линейной скоростью до износа всех неровностей поверхности, а вторая - при вращении детали от маховика, разогнанного до той же скорости на первой стадии процесса. В этом случае удается реализовать положительную специфику инерционной сварки, избавившись от ее минусов: высокой скорости вращения и связанными с этим трудностями создания оборудования и высокими требованиями к предварительной подготовке поверхности.

Особый интерес представляет вибрационная сварка, при которой торец одной из деталей совершает возвратно-поступательное движение относительно другой неподвижной детали. Однако реализация требующейся при этом частоты колебаний (100 и более Гц), при наличии массивных зажимных устройств машины и самой свариваемой детали, достаточно сложна.

Для сварки трением деталей некруглого сечения может быть использована орбитальная сварка, при которой две свариваемые детали, поджатые осевым усилием, синхронно вращаются в одну сторону, а оси вращения деталей смещены на величину эксцентриситета. При этом каждая точка контакта описывает окружность с радиусом, равным эксцентриситету. Процесс нагрева прекращается совмещением осей вращения деталей.

Технологические исследования, проведенные ВНИИЭСО, показали, что сварка трением однородных металлов одинакового сечения не требует применения специальных технологических приемов и позволяет получать соединения, не отличающиеся по своим характеристикам от основного металла. Выбор скорости относительного вращения определяется диаметром детали и материалом. Для большинства металлов оптимальная линейная скорость вращения составляет примерно 1,5-0,8 м/с, давление нагрева - от 2 до 5 кгс/мм2, а давление проковки для малоуглеродистых, низколегированных сталей и также для цветных металлов вдвое превышает давление нагрева.

При сварке сталей разных марок или жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями или сталей с цветными металлами сказывается различие теплофизических свойств; и чем оно больше, тем сложнее получить сварное соединение с хорошими механическими характеристиками.

В этом случае процесс образования соединений протекает при температуре, не превышающей точку плавления менее жаропрочного металла, когда образование физического контакта за счет его деформации протекает быстро, а активация контактной поверхности более жаропрочного металла замедлена. Этим определяется необходимость создания условий, способствующих ускорению активационных процессов на контактной поверхности жаропрочного металла. Невозможность регулирования температуры процесса оставляет единственный путь - интенсификацию пластической деформации, достигаемой изменением схемы напряженного состояния приконтактной зоны свариваемого металла. На практике этого добиваются установкой формующей оправки на менее жаропрочный металл, которая препятствует его свободной пластической деформации и создает объемное напряженное состояние в зоне стыка. При этом пластическая деформация микрообъемов приконтактной зоны жаропрочного металла оказывается достаточной для активации его поверхности, и вторая стадия завершается образованием прочного сварного соединения. При сварке конкретных сочетаний металлов следует тщательно анализировать процессы, протекающие при охлаждении соединения, и воздействовать на них, например, вводя большее количество тепла в изделие (при опасности образования трещин при высокой скорости охлаждения) или сокращать его до допустимого минимума (в случае образования хрупких прослоек интерметалл ид а).

Проведенные исследования позволили разработать технологические процессы сварки трением быстрорежущих, жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями, алюминия с нержавеющей сталью, титаном, никелеми медью. Следует подчеркнуть, что только этот способ сварки позволяет получать равнопрочные и вакуумно-плотные соединения алюминия со сталью.

Для тех случаев, когда не удается получить работоспособное соединение конкретных разнородных металлов, предложено осуществлять сварку трением через прослойку из третьего металла, хорошо соединяющегося с каждым из первых двух. В частности, соединение легированных алюминиевых сплавов успешно осуществляется со сталью через прослойку из технически чистого алюминия.

Мировой лидер

Первая машина для сварки металлов трением «МСТ-1» была разработана во ВНИИЭСО и внедрена для сварки заготовок инструмента на Сестрорецком инструментальном заводе в 1959 г.

В Институте разработано несколько десятков типоразмеров оборудования, в том числе ряд «МСТ-23», «МСТ-35», «МСТ-41» и «МСТ-51» с пневмогидравлическим приводом мощностью от 10 до 75 кВт, охватывающий диапазон свариваемых диаметров стальных заготовок от 10 до 70 мм, и ряд «МСТ-0401», «МСТ-2001», «МСТ-6001», «МСТ-120.01» с гидравлическим приводом мощностью от 4 до 160 кВт и диапазоном диаметров свариваемых стальных изделий от 5 до 120 мм.

Организован выпуск первого ряда машин на Волковысском заводе литейного оборудования, машины «МСТ-2001» - на Гомельском станкостроительном заводе и «МСТ-120.01» - на Краматорском заводе тяжелого станкостроения.

Первые публикации по сварке трением дали толчок к началу успешных работ этого направления в ряде стран Западной Европы и США. Тем не менее, ВНИИЭСО (вместе со своим «наследником» - Институтом сварки России) остался автором и ведущей организацией по сварке металлов трением.

В текущем году в Институте начаты экспериментальные работы по предложенной Британским институтом сварки сварке трением перемешиванием. Этот процесс сварки не имеет ничего общего с описанными выше способами и предназначен для стыковой сварки листов из алюминия и его сплавов. Вращающийся инструмент с заплечиками и штырем в центре, выступающим на величину чуть меньше толщины металла, вдавливается в жестко закрепленные листы и перемещается по линии их стыка. При этом нагретый до пластического состояния металл перемещается из зоны перед штырем в зону за ним, формуется заплечиками и образует сварное соединение в процессе охлаждения. Процесс похож на прессовую сварку и обеспечивает соединения, отвечающие самым высоким требованиям. Успешно используется при изготовлении изделий в автомобиле-, вагоно-, корабле- и ракетостроении.

В настоящее время в ОАО «Институт сварки России» изготовлен экспериментальный макет, который после отладки будет использован для исследования технологии сварки трением перемешиванием.

Сварка трением происходит в твердом состоянии при взаимном скольжении двух твердых тел, сжатых силой Р. Работа, совершаемая силами трения при скольжении, превращается в теплоту, что приводит к интенсивному нагреву трущихся поверхностей.

Рис. 4.18. Типы сварных соединений сварки трением:

а-стержневой встык; б-труб встык; в-встык стержня с трубой; г-стержня с листом; д-трубы с листом; е-стержня с массивной деталью.

Трение поверхностей осуществляется вращением или воз­вратно-поступательным перемещением свариваемых заготовок, сжимаемых силой Р. В результате нагрева и сжатия возникает совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между чистыми (ювенильными) контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. Окисные пленки, имеющиеся на металлических поверхностях в месте соединения, разрушаются в результате трения и удаляются за счет пластической деформации в радиаль­ных направлениях.

Основными параметрами сварки трением являются скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей, продолжительности нагрева, удельное давление, прилагаемое к свариваемым поверхностям, пластическая деформация, т. е. осадка. Необходимый для сварки нагрев при прочих равных условиях обусловлен скоростью вращения и осевым усилием. Здесь важно быстрое прекращение движения заготовки. Часто для получения качественного соединения необходимо приложение в конце про­цесса повышенного давления (проковки). Параметры режима сварки трением зависят от свойств свариваемого металла, площади сечения и конфигурации изделия. Сваркой трением соединяют однородные и разнородные металлы и сплавы с различными свойствами, например медь со сталью, медь со сплавами ковар, медь с алюминием, алюминий с титаном и др. В промышленности сварку трением применяют при изготовлении режущего инструмента, различных валов, штоков с поршнями, пуансопов и т. п. При сварке трением по сравнению с контактной стыковой сваркой снижаются затраты энергии и требуемые мощности. Так, например, при сварке стали трением энергии расходуется в 5…10 раз меньше, чем при контактной сварке.

Для сварки трением выпускают специальное оборудование, обеспечивающее работу при достаточно больших скоростях вращения и осевых усилиях и позволяющее производить быстрый запуск и мгновенную остановку шпинделя машины; это оборудование, ванне имеет достаточно высокую прочность для восприятия и гашения значительных радиальных вибраций.

Выпускают серий­ные машины для сварки трением типа МСТ-23, МСТ-35 и МСТ-41 мощностью 10, 20 и 40 кВт; в виде исключения после соответст­вующей реконструкции используют обычные металлорежущие станки.

Ультразвуковая сварка. Ультразвуковая сварка также относится к процессам, в которых используют давление, нагрев и взаимное трение сварива­емых поверхностей. Силы трения возникают в результате действия на заготовки, сжатые осевой силой Р, механических колебаний с ультразвуковой частотой. При ультразвуковой сварке для получения механических колебаний высокой частоты используют магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении раз­меров некоторых металлов, сплавов и керамических материалов под действием переменного магнитного поля. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, поэтому для увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний и для передачи механических колебаний к месту сварки используют волноводы, в большинстве случаев суживающейся формы. На рис. 4.19 показана простейшая схема ультразвуковой сварки. Свариваемые заготовки 5 размещают на опоре б. Наконечник 4 инструмента 3 соединен с двигателем магнитострикционного преобразования 1 через трансформатор 2 продольных упругих колебаний, представляющих вместе с рабочим инструментом волновод. 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 сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между ними возникает прочная связь. Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивает минимальное изменение 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, а также металлов, которые в результате высокотемпературного нагрева делаются хрупкими.

Рис. 4.19. принципиальная схема ультразвуковой сварки

Рис 4.20. Ультразвуковая сварка по контуру 1 — волновод; 2 — сменный полый штифт; 3 — сменный прижимной штифт; 4 — при­жимная опора; 5 — свари­ваемое изделие

Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соединения внахлестку, а также соединение по контуру. Шовные соединения получают на машинах, аналогичных машинам для точечной сварки. Отличие заключается в том, что их рабочий инструмент и опору выполняют в форме роликов.

При сварке по контуру, например по кольцу, в волновод встав­ляют конический штифт, имеющий форму полой трубки. При равномерном поджатии заготовок к свариваемому штифту полу­чают герметическое соединение по всему контуру (рис.4.20). Ультразвуковой сваркой можно сваривать заготовки толщиной до 1 мм и ультратонкие заготовки толщиной до 0,001 мм_, а также приваривать тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной толщины. Снижение требований к качеству свариваемых поверх­ностей позволяет сваривать плакированные и оксидированные поверхности и металлические изделия, покрытые различными изоляционными пленками. Этим методом можно сваривать ме­таллы в однородных и разнородных сочетаниях, например алю­миний с медью, медь со сталью, цинк с оловом и т. п.

Прочность соединения, выполненного ультразвуковой сваркой достаточно высока (не менее 90 % от наиболее прочного металла в этом соединении).

Ультразвуковым методом сваривают и пластмассы, однако в отличие от сварки металлов ультразвуковые колебания здесь подводятся к заготовкам не тангенциально, а вертикально.

Оборудование. Установка ультразвуковой сварки состоит из сварочной машины и ультразвукового генератора. В Советском Союзе выпускают ультразвуковые машины типа УЗСМ-1 и УЗСМ-2.

Ультразвуковую сварку применяют в приборостроении, радио­электронике, авиационной промышленности и других отраслях.

Сварка взрывом. Сварку взрывом можно отнести к способам сварки с оплавлением при кратковременном нагреве на воздухе, так как на отдель­ных участках наблюдаются зоны металла, нагретые до оплавления. Однако на других участках температура может быть невысока, и здесь процесс приближается к хо­лодной сварке.

Большинство технологических схем сварки взрывом основано на использовании направленного (кумулятивного) взрыва. Соединяемые поверхности (рис. 4.21) двух заготовок 4 и 3, в частности пластин, одна из которых неподвижна и является основанием, располагают под углом друг к другу на расстоянии h₀. На заготовку 3 кладут взрывчатое вещество 2 толщиной Н, а со стороны, находящейся над вершиной угла, устанавливают детонатор 1. Сваривают на жесткой опоре. Давление в продуктах детонации, возникающее в результате взрыва, сообщает импульс расположенной под зарядом пластине. Детонация — это процесс, при котором разложение взрывчатого ве­щества с выделением газов и теплоты происходит с большой скоростью (несколько тысяч метров в секунду).

Рис. 4.21. Схема сварки взрывом

Пластина 3 метается со скоростью 1000 м/с па поверхность неподвижной пластины. В месте соударения метаемой пластины _с основанием образуется угол, у, который перемещается вдоль соединяемых поверхностей. При соударении из вершины угла выдуваются тонкие поверхностные слои, окисные пленки и другие загрязнения. Соударение пластин вызывает течение металла в их поверхностных слоях, а в точках соударения происходит процесс совместного волнообразования. Поверхности сближаются до расстояния действия межатомных сил сцепления, и происходит схватывание по всей площади соединения. Продолжительность сварки взрывом не превышает нескольких микросекунд. Этого времени недостаточно для протекания диффузионных процессов, сварные соединения не образуют промежуточных химических составляющих между разнородными металлами и сплавами.

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.

Параметрами сварки взрывом являются скорость детонации, нормальная скорость, метаемой пластины при соударении с основанием и углом у 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:

Сварку взрывом используют при изготовлении заготовок для проката биметалла, плакировке поверхностей конструкционных сталей металлами и сплавами с особыми физическими и химическими свойствами, при сварке заготовок из разнородных материалов. Целесообразно сочетание сварки взрывом со штамповкой и ковкой.