2. Холодная сварка

Холодная сварка - способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре без нагрева внешними источниками. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную на­правленную деформацию предварительно очищенных по­верхностей и нарастающее (до определенной границы) на­пряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение.

Холодной сваркой можно соединять алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо и т.д. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллоиды.

По природе холодная сварка - сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пла­стической деформации. Без пластической деформации в обычных атмосферных условиях, даже прилагая любые удельные сжимающие давления на соединяемые заготовки, практически невозможно получить полноценное монолит­ное соединение. Так, в отверстие прочной втулки 1 (рис. 2. 1) вставлялись два тщательно подогнанных образца и с полированными контактными поверхностями. Образцы изготавливались из алюминия, меди, свинца, цинка и аморфных тел. Они сжимались пуансонами 3 и 4 с удель­ным давлением до 5000 МПа. Деформация образцов в месте их контакта не происходила. Опыты показали, что ни в од­ном случае монолитное соединение не образовалось. Одна­ко, если в месте контакта данных металлов обеспечивалось протекание пластической деформации, то монолитное со­единение образовалось при давлениях в 4÷20 раз меньших.

Рис. 2.1. Сжатие образцов во втулке

Пленки окси­дов и адсорбированных газов сильно за­трудняют сварку, но ошибочно считать, что при сварке в ат­мосферных условиях получаются до конца очищенные, ювенильные поверхно­сти. Существует кри­тическая толщина пленки, выше которой получить монолитное соединение очень затруднительно. Практика сварки показывает, что если толщина оксидов меньше толщины межзеренных границ, то соединения обладают достаточной прочностью и пластичностью.

Утонение исходных оксидных пленок до критиче­ского размера происходит в процессе пластической дефор­мации контактных поверхностей при сварке.

Например, при вдавливании пуансона по схеме хо­лодной точечной сварки контактные поверхности алюминия увеличиваются более чем в 40 раз. Судя по характеру линий течения, считают, что они, подступая с глубинных слоев металла к пленкам оксидов, расположенных на контактных поверхностях, своим течением последовательно их «смыва­ют» - захватывают с внутренней стороны (со стороны ме­талла), сдвигая на периферию. При этом, по-видимому, пленки неравномерно утоняются от центра сварной точки к периферии.

Характер утонения пленок весьма приближенно можно определить по закону постоянства объема

,

где F_и и F_к - исходная и конечная площадь пленки; У_и и У_к - исходная и конечная толщина пленки; У_и - обычно нахо­дится в пределах 5÷10 нм; F_к ≈ 40 F_и.

Откуда

.

Следовательно, суммарная толщина оксидных пле­нок в контакте может составлять 0,2÷0,5 нм. Эта величина близка к величине параметра решетки алюминия, которая равна 0,4÷0,41 нм и не превышает толщины межзеренной границы.

Вследствие неравномерного распределения напря­жений и деформаций при ее большой величине возможно образование совершенно чистых ювенильных поверхно­стей.

При сведении в контакт ювенильных поверхностей их схватывание происходит при незначительной пластиче­ской деформации. Чем толще поверхностные пленки в мо­мент соединения металлов, тем требуется большая энергия для активации поверхностных атомов. Источником энергии активации атомов при холодной сварке может быть механи­ческое давление или вызванное им напряжение.

Расчеты, выполненные Г.П.Сахацким, показывают, что давление, прилагаемое в конечный период холодной сварки, тождественно механической или эквивалентной ей тепловой энергии, которая в принципе могла бы нагреть ме­талл до некоторой достаточно высокой условной темпера­туры (табл. 2.1). В условиях низких температур амплитуда колебаний атомов тем больше, чем выше давление их сжа­тия. То есть сжатие, так же как и нагрев, способно «напол­нить» металл энергией.

Растекание металла в плоскости соединения приво­дит к интенсивному движению дислокации с образованием активных центров на соединяемых поверхностях.

Таким образом, роль деформации при холодной сварке заключается в предельном утонении или удалении слоя оксидов, в сближении свариваемых поверхностей до расстояния, соизмеримого с параметром кристаллической решетки, а также в повышении энергетического уровня по­верхностных атомов, обеспечивающем возможность обра­зования химических связей.

Таблица 2.1

Соответствие условной температуры Т_м удельному давлению Р

при холодной сварке

Металл	P, МПа	Тм,°С
А1	1000÷1200	405÷497
Си	2200÷2500	746÷856
Cd	300÷400	147,6÷196,8
Sn	250÷300	151,8÷181,5
Pb	120÷135	80,9÷91,6
Zn	870÷900	312÷322,3

Качество сварного соединения определяется исход­ным физико-химическим состоянием контактных поверхно­стей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно также зависит от схемы деформации и спо­соба приложения давления (статического, вибрационного).

Поэтому перед сваркой необходима тщательная предварительная подготовка контактных поверхностей, ко­торая состоит из удаления внешних загрязнений, обезжири­вания и зачистки. Особенно мешают сварке органические загрязнения, трудноудаляемые из зоны соединения при со­вместной деформации.

Наилучшая свариваемость достигается при механи­ческой зачистке ножом или шабером, когда срезается тон­кий поверхностный слой, содержащий оксиды и адсорбиро­ванные слои органических соединений, влаги, газов. Но этот способ не эффективен в производственных условиях. Наиболее распространенным и производительным способом является зачистка поверхностей вращающейся металличе­ской щеткой, изготовленной из стальной проволоки диа­метром 0,08÷0,3 мм. Возможна химическая зачистка по­верхностей, которая может быть применена к изделиям сложной формы, труднообрабатываемой механическим способом. Так, алюминий травят в 5 %-ном растворе NaOH , а медь - в 40 %-ном растворе НNO₃.

Свариваемость поверхностей, зачищенных химиче­ским способом, начинает понижаться через 6 часов, в то время как после механической зачистки она сохраняется без изме­нения прочности до 24 часов.

Для очистки алюминия также применяется прокали­вание с выжиганием жировых пленок при температуре 350÷400 °С. Образующиеся при этом оксидные пленки разру­шаются при деформации.

Не разрешается прикасаться руками к очищенным поверхностям, так как жировые отпечатки рук вызывают непровары.

Инструмент, используемый для механической зачи­стки поверхностей, должен быть тщательно обезжирен.

В зависимости от схемы пластической деформации соединяемых заготовок сварка может быть точечной, шов­ной и стыковой.

Точечная сварка - наиболее простой и распростра­ненный способ холодной сварки. Ее применение рацио­нально для соединения алюминия, алюминия с медью, ар­мирования алюминия медью. Она позволяет заменить тру­доемкую клепку и контактную точечную сварку.

При точечной сварке (рис. 2.2,а) зачищенные детали 1 устанавливаются внахлестку между пуансонами 2, имею­щими рабочую часть 3 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит де­формация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная часть пуансонов создает дополнительное напря­женное состояние в конечный момент сварки, ограничивает глубину погружения пуансонов в металл и уменьшает ко­робление изделия.

Отожженные металлы рекомендуется сваривать круглым пуансоном, а нагартованные - прямоугольным или более сложным (рис. 2.2, б).

Рис. 1.2. Схема холодной точечной сварки (а), геометрия сварного со­единения (б) и применяемые формы пуансонов (в)

Рациональный диаметр рабочей части круглого пуансона составляет:

,

где δ - толщина металла в пределах 0,8÷5 мм.

Ширина прямоугольного пуансона

,

а его длина

.

В конечный момент сварки общее давление состоит из давления на пуансон и на опорную часть, создающего обжатие точки

,

где F_t и F_ОП - площадь рабочей и опорной части пуансона; Р и Р_оп - удельное давление на рабочей и опорной площади.

Минимальное удельное давление Р при сварке олова близко к 90 МПа, отожженного алюминия - 160 МПа, меди -280 МПа, армко-железа - 750 МПа, стали Х18Н9Т - 2000 МПа. В производственных условиях алюминий сваривают при 260 МПа, а армко-железо - при 1300 МПа. Удельное давление ориентировочно можно выбирать по зависимости

,

где σ_т - предел текучести свариваемого металла.

Удельное давление на опорную часть при сварке алюминия составляет Р_оп = 25÷50 МПа. Нижний предел применяют для малых толщин.

Для оценки способности металлов к холодной точеч­ной сварки принято условное понятие «свариваемость» или коэффициент остаточной толщины S, который определяется зависимостью

,

где h - остаточная толщина между пуансонами; δ₁ и δ₂ - толщина свариваемых заготовок.

Для листового алюминия толщиной 0,8÷4 мм опти­мальная свариваемость равна 30 %. С увеличением тол­щины заготовок от 5 до 10 мм свариваемость понижается до 20 %. Свариваемость может быть повышена до 40 %, но для этого требуется создание высоких давлений на опорную часть пуансона для обеспечения достаточного напряженно­го состояния. При высокой степени деформации (S = 10 %) прочность точек повышается, но при этом резко повышает­ся требуемое давление при сварке, увеличиваются дефор­мации и коробления свариваемых изделий.

Прочность точек может быть повышена на 10 - 20 % при сварке по схеме (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Схема холод­ной точечной сварки с предварительным об­жатием

Свариваемые детали 1 предварительно сжимаются прижимами 3 или одновременно с вдавливанием пу­ансона 2. Наличие зоны обжатия вокруг вдавливае­мого пуансона уменьшает коробление деталей, повышает напряженное состоя­ние в зоне сварки, что при­водит к периферийному провару за площадью отпе­чатка пуансона. Но при этом возникают технические затруднения, связанные с созданием двух высоких давлений на малой по­верхности и устранением затекания металла между пуансоном и прижимом.

Этот способ позволяет сваривать низкопластичные мате­риалы.

Ввиду простоты способа точечной холодной сварки, специальные машины для ее выполнения развития не полу­чили. Сварку успешно выполняют на самых различных се­рийных прессах с использованием кондукторов, надежно фиксирующих свариваемые заготовки, чтобы исключить их коробление.

Холодная шовная (роликовая) сварка характеризует­ся непрерывностью монолитного соединения. По механиче­ской схеме эта сварка аналогична холодной сварке прямо­угольными пуансонами (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема холодной шовной сварки

Собранные заготовки 1 устанавливаются между ро­ликами 2 и сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов 3 в металл. Затем ролики приводятся во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную де­формацию, в результате которой образуется непрерывное монолитное соединение - шов.

Шовная сварка бывает двусторонняя, односторонняя и несимметричная. Двусторон­няя сварка выполняется одина­ковыми роликами. При одно­сторонней сварке один ролик имеет выступ, высотой равной сумме выступов при двусто­ронней сварке, а второй - яв­ляется опорным, без рабочего выступа. При несимметричной сварке ролики имеют различ­ные по размерам, а иногда и по форме рабочие выступы.

Односторонняя роли­ковая сварка чаще применяет­ся при сварке разнородных ме­таллов с большим отличием твердостей. Рабочая часть ролика вдавливается в более твердый металл. Такая сварка при прочих равных условиях обеспечивает более прочные швы и при сварке однородных металлов.

При роликовой сварке металл свободно течет вдоль оси шва. Это затрудняет создание достаточного напряжен­ного состояния металла в зоне соединения. Поэтому для достижения провара требуется большая пластическая де­формация (на 2÷6 %), чем при точечной сварке. Напряжен­ное состояние в зоне роликовой сварки можно повысить, увеличивая диаметр роликов. Обычно диаметр ролика бли­зок к 50δ, ширина рабочего выступа (1÷1,5)S , высота (0,8÷0,9)δ, а ширина опорной части ролика, ограничиваю­щая деформации, в 2÷3 раза больше ширины рабочего вы­ступа. Роликовая сварка алюминия толщиной 1,0 мм при свариваемости 27 % выполняется со скоростью до 8÷12 м/мин.

Для роликовой сварки используются металлорежущие станки, например, фрезерные. При сварке тонких пла­стичных металлов применяются ручные настольные станки.

Одна из первых схем холодной стыковой сварки ме­таллов, которая не потеряла практического значения до сих пор, приведена на рис. 2.5,а. Эта схема сварки разработана К.К. Хреновым и Г.П. Сахацким.

Рис. 2.5. Схемы холодной стыковой сварки

В корпусе 1 имеются гнез­до для неподвижного конусного зажима 2 и направляющие для подвижного корпуса 3, в котором также расположен ко­нусный зажим. После предварительной зачистки торцов, де­тали 4 устанавливаются в зажимы 2, которые имеют форми­рующие части с режущими кромками 5 и упором 6. Осадоч­ное усилие прикладывается к ползуну 3, при его перемеще­нии сжимаются торцы деталей и зажимаются с помощью конусов. В процессе осадки углубления 7 заполняются ме­таллом раньше, чем встречаются опорные части 6. Поэтому, когда встречаются опорные части, в зоне сварки создается достаточное напряженное состояние. В стыке происходит провар, а остаток вытекающего металла отрезается кромка­ми 5. В зависимости от расположения режущих кромок со­единение может быть с усилением или без усиления.

Схема стыковой сварки, предложенная С.Б. Айбиндером, приведена на рис. 2.5, б.

Режим стыковой сварки определяется припуском на сварку или установочной длиной L = l₁ + l₂; усилием зажа­тия; давлением (усилием) осадки; скоростью деформирова­ния или скоростью осадки.

При сварке заготовок из однородных металлов рав­ного сечения L=2l. Величина l составляет для алюминия - (0,8÷l,2)d, меди - (l,25÷l,75)d; свинца (l,0÷l,2)d; где d - диа­метр или толщина заготовок.

Усилие зажатия должно исключить возможность те­чения (сдвига) металла в зажимах по всему сечению свари­ваемых заготовок, и оно составляет (1,45÷1,6) Р_ос, где Р_ос -усилие осадки.

Удельное давление осадки зависит от природы и структурного состояния металла, сечения заготовки, формы и размера формирующих устройств, скорости осадки. Удельные давления обычно находят опытным путем. На­пример, для алюминия оно составляет 450÷850 МПа, а для меди - 1050÷1450 МПа.

Осадку в начале желательно вести с плавной скоро­стью, а затем скорость может возрастать, например, до 100 мм/с. Любая скорость осадки должна, прежде всего, обеспе­чить симметричную одновременную деформацию свари­ваемых заготовок.

В машиностроительной промышленности основная часть работ по стыковой сварке выполняется с помощью специальных устройств и приспособлений на существую­щих прессах. В электротехнической промышленности для различных способов электромонтажа выпускаются ручные инструменты, настольные станки и машины.

Для сварки алюминиевых проводов сечением 2,5÷10 мм² и медных - сечением 2,5÷4 мм² разработаны ручные клещи КС-6. Настольный станок СНС-3 позволяет свари­вать алюминиевые и медные провода сечением до 25 мм².

Процесс холодной стыковой сварки чисто механиче­ский, он удобен для автоматизации. В ИЭС им. Е.О. Патона разработан полуавтомат, который используется в условиях поточного производства. В этой установке оператор произ­водит только укладку деталей в ручьи зажимов, а операции зажатия, отрезки концов, осадку, перехват в случае повтор­ной осадки, вторую осадку, удаление грата, раскрытие за­жимов и выталкивание производится автоматически. Полу­автомат позволяет сваривать алюминиевую проволоку се­чением до 90 мм² и медную - сечением до 30 мм².

Разработана серия машин МСХС и МХСД с гидрав­лическим приводом. Они отличаются низкой мощностью тока, применяемого лишь для привода гидравлического на­соса. Так, машина МСХС-35 сваривает медь сечением до 150 мм², потребляя мощность 1,7 кВт. При контактной стыковой электросварке меди такого сечения требуется мощ­ность 75÷80 кВт. Производительность машин достигает 60 и 100 сварок в час. Машины МХСД-40 и МХСД-80 предна­значены для сварки троллейных проводов и фидеров тяго­вых подстанций, они развивают усилие осадки до 400 и 800 кН соответственно.