Специальные способы сварки

Электрошлаковая сварка — сварка плавлением, при которой расплавление электродной проволоки и кромок свариваемых заготовок производится теплотой расплавленного флюса (шлака), выделяемой при прохождении через него электрического тока.

Метод электрошлаковой сварки (ЭШС) был разработан сотрудниками Института электросварки им. Е.О. Патона в начале 50- х гг. ХХ века. На международной выставке в Брюсселе в 1958 г. этот вид сварки был отмечен большой золотой медалью «Гран-при» и получил неофициальное название «Русская сварка».

Флюсы, применяемые для электрошлаковой сварки, при расплавлении должны обладать высокой электропроводностью, поэтому в них, наряду с компонентами, используемыми при дуговой сварке под флюсом (SiO₂, MnO, CaO, MgO, Al₂O₃, Na₂O, K₂O), содержится 14...92,6 % Са F₂, являющегося основой природного минерала — плавикового шпата.

Электродная проволока, применяемая при электрошлаковой сварке, аналогична проволоке, используемой для дуговой сварки под флюсом.

Электрошлаковая сварка применяется для соединения деталей толщиной 40 мм и более, т. е. толщина свариваемых деталей практически неограничена.

Процесс электрошлаковой сварки (рис. 3.43) осуществляется следующим образом.

1. В зазор между соединяемымитдалеями 2 насыпается флюс и вводятся электроды 1 (один или более). Используемые электроды могут быть проволочными (рис. 3.43, а) или пластинчатыми (рис. 3.43, б).

2. Между электродами и основным металлом под слоем флюса возбуждается дуга. Теплота, выделяемая при горении дуги, плавит флюс. При этом образуется шлаковая ванна 3, уровень которой потепенноетпсоявыша . Расплавленный шлак, обладая электропроодностью, шунтирует дугу, и ее горение прекращается.

3. Нагрев и расплавление электродов, флюса и кромок свариваемых деталей продолжаются за счет тепла, выделяющегося при протекании тока через жидкий шлак, температура которого выше температуры плавления материалов (электродов и металла основы).

4. Плавящийся металл электродов в виде капель стекает вниз, образует ванну жидкого металла 4, которая заполняет зазор между деталями. Шлаковая ванна находится над поверхностью ванны жидкого металла и защищает ее от воздействия воздуха.

5. Шлаковая и металлическая ванны удерживаются от вытекания специальными формирующими устройствами — подвижными или неподвижными медными ползунами 5, которые расположены сбоку и охлаждаются водой, а также технологической подкладкой снизу. Кристаллизующийся в нижней части металлической ванны расплавленный металл образует вертикальный сварочный шов 7, который формируется снизу вверх.

Рис. 3.43. Схема процесса электрошлаковой сварки: а — с проволочными электродами; б — с пластинчатыми электродами; 1 — электрод; 2 — соединяемые детали; 3 — шлаковая ванна; 4 — ванная жидкого металла; 5 — медные ползуны; 6 — сварочный шов

Преимуществами электрошлаковой сварки являются следующие:

1) экономичность, обусловленная снижением (по сравнению с автоматической сваркой под слоем флюса) в 15...20 раз расхода флюса, который не превышает 5 % массы наплавляемого металла, а также экономией электроэнергии, поскольку электрошлаковый процесс устойчиво протекает при плотностях тока от 0,1 А/мм² (при дуговой сварке — 20...30 А/мм²). При этом доля основного металла в шве может быть снижена на 10...20 %;

2) высокая производительность процесса, повышающаяся с ростом толщины свариваемых деталей, обусловленная непрерывностью процесса и возможностью сварки за один проход металлов практически любой толщины (более 40 мм), а также отсутствием необходимости разделки кромок (снятия фасок);

3) хорошее качество сварного соединения (благодаря надежной защите расплавленного металла жидким шлаком от воздействия атмосферы), отсутствие многослойности и получение более однородного по строению однопроходного шва.

Электрошлаковой сварке присущи следующие недостатки:

1) она технически возможна при толщине металла более 16 мм и, как правило, выгодна при сварке металла толщиной более 100 мм;

2) позволяет сваривать только вертикальные швы;

3) в металле шва и околошовной зоны возможно образование крупнозернистой дендритной структуры, что требует проведения дополнительной термической обработки (отжиг или нормализация) сварного соединения.

Электрошлаковую сварку широко используют в промышленности для соединения заготовок большой толщины из стали и чугуна, меди, алюминия, титана и их сплавов.

Электрошлаковая сварка позволила изменить технологию производства крупногабаритных изделий путем замены крупных литых или кованых деталей сварно-литыми или сварно-коваными из более мелких поковок или отливок (например, станины и детали мощных прессов и станков, коленчатые валы судовых дизелей, роторы и валы гидротурбин, котлы высокого давления, химические реакторы, теплообменники и т. п.) (рис. 3.44).

Рис.3.44. Примеры применения электрошлаковой сварки: а — химический реактор (толщина стенки — 80 мм); б — теплообменник

Плазменная сварка — сварка плавлением, при которой нагрев проводится сжатой дугой (плазмой).

Плазменную сварку начали применять с середины 50-х гг. ХХ века. В 60-х гг. были разработаны ручные и механизированные установки для ее реализации. В 1965 г. в Швейцарии фирмами «Сешерон» и «МессерГрисхайм» была разработана технология микроплазменной сварки тонколистовых материалов малоамперной импульсной дугой, рассчитанной на сварочный ток не более 30...40 А.

Плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, состоящий из нейтральных атомов и молекул, а также электрически заряженных ионов и электронов, который в зависимости от состава среды имеет температуру от 10 000 до 50 000 ° С. Плазму иногда называют четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) агрегатным состоянием вещества.

Основным инструментом для получения сжатой дуги (плазмы) при плазменной сварке являются плазмотроны, в которых нагревание газа и его ионизация осуществляются дуговым разрядом в специальных камерах. Их принцип действия основан на принудительном сжатии столба дуги потоком газа. В качестве плазмообразующих газов применяют азот, аргон, водород, гелий, воздух или их смеси. Сжатие столба дуги приводит к повышению в ней плотности энергии, а, следовательно, и температуры. В результате струя проходящего через плазмотрон газа, нагреваясь до высоких температур, ионизируется и приобретает свойства плазмы.

Существуют два способа плазменной сварки (рис. 3.45): сварка плазменной дугой (дуга горит между неплавящимся электродом и изделием) и плазменной струей (дуга горит между неплавящимся электродом и соплом плазмотрона и выдувается потоком газа на свариваемое изделие). Реализация этих способов сварки осуществляется с помощью плазмотронов прямого и косвенного действия соответственно.

В плазмотронах прямого действия (рис. 3.45, а) плазменная дуга 2 горит между неплавящимся вольфрамовым электродом 6 (катодом) и свариваемым изделием 4 (анодом). Сопло 5, служащее для сжатия и стабилизации дуги, отделено от катодного узла 8 с помощью электроизолятора 7 и является электрически нейтральным. Плазмотрон питается постоянным током от источника с падающей вольтамперной харакеристикойе, нанпулюазм

дугу зажигают с помощью осциллятора.

Рис. 3.45. Способы плазменной сварки: а — плазменной дугой; б — плазменной струей; 1 — подача газа; 2 — дуга; 3 — струя плазмы; 4 — свариваемый металл; 5 — сопло; 6 — электрод; 7 — электроизолятор; 8 — катодный узел

В плазмотронах косвенного действия (рис. 3.45, б) плазменная дуга 2 горит между неплавящимся электродом 6 и соплом плазмотрона 5, а поток плазмы выдувает плазменную струю 3.

Плазменная дуга, истекающая из плазматрона с дугой прямого действия (в отличие от плазматронов с дугой косвенного действия), совмещена со столбом дуги и поэтому характеризуется более высокой температурой и тепловой мощностью. При этом КПД плазмотронов с дугой прямого действия значительно выше КПД плазмотронов с дугой косвенного действия (70…80 % и 30…40 % соот ветственно). В этой связи плазмотроны с дугой прямого действия целесообразно применять не только для сварки, но и для резки, наплавки и других видов обработки металлов.

В зависимости от силы сварочного тока различают три разновидности плазменной сварки: микроплазменная (I_св = 0,1...25 А); плазменная сварка на средних токах (I_св = 50...150 А); плазменная сварка на больших токах (I_св > 150 А).

В отличие от электрической дуги плазменная дуга характеризуется более высокой температурой, меньшим диаметром и цилиндрической формой (при электродуговой сварке дуга имеет коническую форму), большим давлением на жидкий металл (в 6...10 раз) и возможностью устойчивого горения при малых токах (0,2...30 А).

Данные отличия от электродуговой сварки обеспечивают слеующие преимуществаепнлнаозйм

сварки:

1) более глубокое проплавление металла (при одновременном уменьшении объема его расплавления) позволяет сваривать более толстые металлические изделия (до 10 мм) без разделки кромок и применения присадочного материала;

2) использование высококонцентрированного источника теплоты приводит к уменьшению зоны термического влияния (следовательно, и сварочных деформаций);

3) высокая стабильность горения дуги при малых токах обеспечивает повышенное качество сварных соединений из тонколистовых (0,025...0,8 мм) материалов;

4) цилиндрическая форма дуги и возможность существенного увеличения ее длины позволяют осуществлять сварку в труднодоступных местах, а также при изменении расстояния от сопла горелки до изделия.

Недостатком плазменной сварки является недолговечность горелок из-за частого выхода из строя сопел и электродов.

Плазменную сварку используют для соединения деталей из меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов и высоколегированных сталей. Толщина свариваемых изделий составляет 0,5...15 мм, а скорость сварки — 4...30 м/ч и более.

Микроплазменная сварка является одним из основных способов соединения деталей из тонких металлов и сплавов в самолетостроении, атомной, газовой, электронной, медицинской и других отраслях промышленности для изготовления сильфонов, миниатюрных трубопроводов, полупроводниковых приборов и многих других изделий. Данным способом сваривают листы толщиной 0,025...0,8 мм из углеродистой и коррозионно-стойкой стали, меди, никелевых сплавов, титана, молибдена, тантала, вольфрама, золота. Процесс ведут в непрерывном или импульсном режиме со скоростью порядка 6...25 м/ч. Микроплазменной сваркой можно выполнять соединение деталей во всех пространственных положениях.

Электронно-лучевая сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия ускоренных электронов.

Явление термического воздействия электронных пучков на твердые материалы было отмечено в докладе В. Гроува, прочитанного в Лондонском Королевском Обществе в апреле 1852 г . Позднее благодаря развитию вакуумной техники и электронной оптики этот источник нагрева получил широкое применение при сварке трудносвариваемых металлов, обладающих высокими

температурой плавления и химической активностью (молибден, тантал, ниобий, вольфрам, цирконий). Для их сварки необходимо использование высококонцентрированных источников нагрева и защиты зоны сварки от влияния воздушной атмосферы.

Разработка техники и технологии электронно-лучевой сварки связана с работами французских и американских инженеров Д. А. Стора, Д. Бриолы и В. Л. Вимена, которые были опубликованы в 1957–1958 гг. Следует отметить, что в СССР в Московском энергетическом институте под руководством Н. А. Ольшанского и Институте электросварки им. Е. О. Патона под руководством Б. А. Мовчана независимо от работ иностранных ученых в те же годы также были проведены исследования по применению электронно-лучевой сварки.

Сущность электронно-лучевой сварки заключается в использовании тепла, которое выделяется при торможении остросфокусированного ускоренного потока электронов, обладающих высокой кинетической энергией. Для уменьшения потери этой кинетической энергии из-за соударения электронов с молекулами газов воздуха, а также для химической и тепловой защиты процесса создают вакуум (10^-4...10^-6 мм рт. ст.). При соударении электронного потока с твердым телом более 99 % кинетической энергии электронов переходит в тепловую, расходуемую на нагрев этого тела. Мощность нагрева при электронно-лучевой сварке составляет 1,5...100 кВт , температура в месте соударения — 5 000...6 000 °С, КПД процесса — 85...90 %.

Рис. 3.46. Схема установки для электронно-лучевой сварки

Для электронно-лучевой сварки используют электронную пушку (рис. 3.46). Электронная пушка предназначена для создания электронного луча, который и служит источником сварочной теплоты. Параметры электронного луча, соответствующие технологическому процессу сварки, определяют основные требования к конструкции электронной пушки. В сварочных установках электронная пушка состоит из следующих основных элементов: катода 1, фокусирующего прикатодного электрода 2, анода 3, фокусирующей магнитной линзы 4 и отклояющей магнитной системы 5.

В электронной пушке электроны, испускаемые катодом 1, изготовленным из тугоплавких металлов (тантал, вольфрам), формируются в пучок прикатодным электродом 2, ускоряются под действием разности потенциалов между катодом и анодом 3, составляющей 20...150 кВ и выше. Затем электроны фокусируются в виде луча с помощью магнитной линзы 4, представляющей собой катушку с током, ось которой совпадает с осью луча, и направляются специальной отклоняющей магнитной системой 5 на обрабатываемое изделие 6. При перемещении свариваемых заготовок под неподвижным лучом образуется сварной шов.

Основными параметрами режимов электронно-лучевой сварки являются: сила тока в луче (40...500 мА), ускоряющее напряжение (18...20 кВ), скорость перемещения луча по поверхности изделия (20...70 м/ч), продолжительность импульсов и пауз, точность фокусировки луча и степень вакуумизации. Режим и интенсивность нагрева можно точно регулировать изменениями силы тока электронного луча, напряжения, фокусировки и времени. Управляемость процесса нагрева электронным лучом не имеет равных — интенсивность нагрева можно регулировать в пределах от 10 ² до 5 · 10 ⁸ Вт/см². Первая цифра соответствует интенсивности нагрева газовой горелкой, вторая — сфокусированному лазерному излучению.

Широкий диапазон интенсивности электронно-лучевого нагрева позволяет использовать его для самых разнообразных процессов: термической обработки, пайки, сварки, резки. Электронно-лучевую сварку обычно выполняют при иненсивности нагрева порядка 10⁶ Вт/см², что обеспечивает глубокое проплавление металла.

Рис. 3.47. Строение шва, полученного: а — электронным лучом (1 слой); б — сваркой под слоем флюса (157 слоев)

На рисунке 3.47 показано строение сварного шва при сварке деталей толщиной 150 мм, полученного электронным лучом за один проход (однослойный шов) и двухсторонней сваркой под слоем флюса (многослойый шов из 157 слоев).

Технологические особенности электронно-лучевой сварки (высокая интенсивность нагрева и осуществление ее в вакууме) предопределяют преимущества этого процесса.

Интенсивный точечный нагрев при электронно-лучевой сварке приводит к следующему:

1) глубокому быстрому проплавлению металла, что позволяет за один проход сваривать детали толщиной от десятых долей миллиметра до 200 миллиметров, получать швы, в которых отношение глубины провара к его ширине составляет 20:1 и более;

2) быстрому затвердеванию металла, что позволяет получать шов с мелкозернистой структурой и высокими механическими свойствами;

3) уменьшению или практически отсутствию зоны термического влияния, что снижает вероятность рекристаллизации основного металла и деформации сварного соединения и позволяет сваривать детали из сталей с ограниченной и плохой свариваемостью, а также закаленные изделия без ухудшения свойств околошовной зоны;

4) снижению количества теплоты (по сравнению с дуговой сваркой) в 4...5 раз при получении равной глубины проплавления, что позволяет снизить коробление изделия.

Осуществление электронно-лучевой сварки в вакууме способствует:

1) химической чистоте металла в зоне сварки, обеспечивающей отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла газами, что позволяет сваривать детали из химически активных (медных, никелевых, алюминиевых), а также тугоплавких (титановых, танталовых, вольфрамовых, ниобиевых, циркониевых, молибденовых и т. п.) металлов и их сплавов;

2) дегазации металла шва, что обеспечивает повышение его пластических свойств и получение высококачественных сварных соединений с зеркально-чистой поверхностью.

Недостатками электронно-лучевой сварки являются следующие:

1) сложность и дороговизна установки, особенно с большими вакуумными камерами;

2) дополнительные затраты времени для создания вакуума в рабочей камере после загрузки изделий;

3) необходимость защиты персонала от мощного потока рентгеновского излучения, возникающего при работе установки.

Регулирование мощности и фокусировки электронного луча при электронно-лучевой сварке позволяет использовать его для сварки

изделий практически из любых сплавов: различных сталей, тугоплавких и цветных металлов и их сплавов при толщине стенок конструкции от долей миллиметра (0,02 мм) в электронике и до 150 мм и более в машиностроении. Так, толщина свариваемых изделий может составлять от 0,5...1 мм (вольфрам, молибден, тантал) до 35 мм (сталь), а ширина шва — от 1...1,5 мм (вольфрам, молибден, тантал) до 2...7 мм (сталь).

Электронно-лучевая сварка нашла широкое применение в машиностроении, железнодорожной технике, авиации и космонавтике, а также при производстве ремонтных работ (рис. 3.48).

Рис. 3.48. Примеры применения электронно-лучевой сварки: а — соединение вала с шестерней (глубина шва 35 мм); б — корпус подшипника реактивного двигателя, состоящий из множества деталей; в — ремонт вала ротора электродвигателя

Лазерная сварка — сварка плавлением, при которой для нагрева используется энергия излучения лазера.

Термин «лазер» происходит от первых букв английской фразы «Light amplification by the stimulated emission of radiation», что переводится как «Усиление света посредством индуцирования эмиссии излучения». В 1964 г. за теоретическое обоснование и разработку лазеров Н. Г. Басов, А. М. Прохоров (СССР) и Ч. Таунсом (США) были удостоены Нобелевской премии.

Сущность лазерной сварки заключается в нагреве свариваемых деталей лазерным лучом, представляющим собой вынужденное монохроматическое излучение, длина волны которого зависит от природы рабочего тела лазера-излучателя и может колебаться в диапазоне 0,1...1 000 мкм. Излучение возникает в результате вынужденных скачкообразных переходов возбужденных атомов рабочего тела лазера на более низкие энергетическиеоуврни . При этом возбужденный атом отдает энергию в виде фотонов с частотой, свойственной материалу применяемого рабочего тела. Интенсивность нагрева металла сфокусированным лазерным лучом может достигать 5·10⁸ Вт/см², что достаточно для мгновенного испарения металла.

Основными элементами лазера (рис. 3.49) являются активная среда, генератор накачки и оптическая система.

Рис. 3.49. Схема лазера: 1 — активная среда; 2 — генератор накачки; 3 — отражатель; 4 — непрозрачное зеркало; 5 — охлаждающая среда; 6 — источник питания; 7 — полупрозрачное зеркало; 8 — световой луч; 9 — фокусирующая линза; 10 — обрабатываемые детали

По активным средам для сварки металлов различают твердотельные и газовые лазеры, которые могут быть как периодического (импульсного) действия, так и непрерывного. В твердотельных лазерах в качестве активной среыимперняют , например, стержни из розового рубина — окиси алюминия Аl₂O₃ с примесью ионов хрома Сr³⁺ (до 0,05 %), а в газовых — трубка, заполненная газом СО₂ (иногда с добавением аргона, азота или гелия).

В качестве генераторов накачки для возбуждения атомов активной среды используют различные источники энергии (световой, электрической, химической и др.). Для твердотельных лазеров в этих целях используют мощные вспышки света, генерируемые лампами накачки. При облучении ионы хрома переходят в другое энергетическое состояние — возбуждаются и затем отдают запасенную энергию в виде квантов света. Для газовых лазеров используют разрядную камеру с тлеющим электрическим разрядом, вокротй происходит возбуждение молекул СО₂. Возвращаясь в стабильное состояние, эти молекулы образуют кванты света.

На торцах активной среды нанесен слой отражающего вещества (например, серебра) так, что с одного конца образовано непрозрачное 4, а с другого — полупрозрачное 7 зеркала. Излучаемые кванты света, отражаясь от этих зеркал, циркулируют параллельно оптической оси активной среды, возбуждая новые ионы хрома или газовые молекулы СО₂, т. е. происходит лавинообразный процесс накачки. В результате этого выделяется лучистая энергия, которая излучается параллельным пучком через полупрозрачное зеркало и фокусируется линзой 9 в месте сварки. Непрозрачное, полупрозрачное зеркала и фокусирующая линза образуют оптическую систему лазера.

Мощность твердотельных лазеров, работающих в непрерывном режиме, не превышает 250...500 Вт, паувльисмно -периодическом или импульсном — до 300 Вт. При этом энергия одиночного импульса может достигать 100 Дж и более, что обеспечивает интенсивность нагрева в фокусе свыше 10⁹ Вт/см².

Существенным недостатком твердотельного лазера является низкий КПД (2...5 %). Промышленные сварочные установки с твердотельными лазерами позволяют производить сварку со скоростью до 5 мм /с при частоте импульсов до 20 Гц. Сварку можно осуществлять с применением присадочного материала в виде проволоки диаметром менее 1,5 мм, ленты или порошка. Легирующие элементы при лазерной сварке также можно предварительно наносить на поверхности свариваемых кромок напылением, обмазкой, электроискровым способом и т. п.

Более высоким КПД (до 45 %) и мощностью до 20 кВт обладают газовые лазеры, которые могут работать в импульсном и непрерывном режимах.

Лазерную сварку производят на воздухе или в среде защитных газов (аргона, углекислого газа).

Основными энергетическими характеристиками лазерного излучения являются интенсивность нагрева и длительность его действия. На практике сварку ведут при интенсивности нагрева, равной 10⁶...10⁷ Вт/см².

Лазерная сварка (как и электронно-лучевая) благодаря высокой интенсивности нагрева обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами сварки. Она позволяет:

1) за один проход сваривать детали толщиной от нескольких микрометров до десятков миллиметров;

2) получать шов с мелкозернистой структурой и высокими механическими свойствами;

3) сваривать изделия из различных металлов и сплавов с ограниченной и плохой свариваемостью за счет уменьшения или практического отсутствия зоны термического влияния;

4) снизить сварочные напряжения и деформации и, как следствие, вероятность образования горячих и холодных трещин и коробления изделия.

По сравнению с электронно-лучевой лазерная сварка обладает следующими преимуществами:

1) отсутствие рентгеновского излучения и необходимости в использовании вакуумных камер;

2) отсутствие магнитных полей в процессе сварки, что позволяет соединять магнитные материалы;

3) управление лазерным лучом с помощью зеркал и волоконной оптики, что позволяет осуществлять сварку в труднодоступных, иногда не находящихся в пределах прямой видимости местах, а также в любом пространственном положении;

4) возможность сварки одновременно нескольких деталей от одного лазера расщепленным с помощью призм лучом.

Недостатками лазерной сварки являются следующие:

1) сложность и высокая стоимость оборудования;

2) низкий КПД лазеров.

В настоящее время лазерная сварка применяется при соединении деталей из сталей, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов. Кроме того, ее применяют при сварке изделий из стекла, полимеров и других неметаллических материалов.

Лазерная сварка широко применяется в микроэлектронике, машиностроении, автомобильной промышленности, авиастроении, судостроении (рис. 3.50).

Рис. 3.50. Примеры применения лазерной сварки: а — приварка сильфона к трубопроводам; б — сварка чугунной гидравлической части насоса с рабочим колесом из коррозионно-стойкой стали; в — сварка корпуса из коррозионностойкой стали устройства для магнитной обработки воды с постоянным магнитом; г — приварка алмазосодержащих сегментов к корпусу дисковой пилы; д — сваркатсовой панели; е — сварка тонкостенных конструкций; ж — сварка пластинчатого теплообменника; з — сварка биметаллической втулки из нержавеющей стали 1 и меди 2

Широкое применение лазерной сварки сдерживается тем, что стоимость технологических лазеров пока еще высока. Ее используют тогда, когда применение традиционных способов невозможно или нецелесообразно. К таким случаям относится и необходимость получения прецизионной (высокоточной) конструкции, форма и размеры которой не должны меняться в результате сварки. Лаерная сварка применяется тогда, когда оналпяоезтво значительно

упростить технологию изготовления сварных изделий, т. е. является заключительной операцией (без последующей правки или механической обработки). Экономически эффективна лазерная сварка и тогда, когда необходимо существенно повысить производительность труда, поскольку ее скорость может в несколько раз превосходить скорость сварки, осуществляемой традиционными способами. Лазерная сварка является единственным процессом, обеспечивающим качественные сварные соединения при изготовлении крупногабаритных конструкций малой жесткости или с труднодоступными швами, а также при необходимости соединения деталей из трудно свариваемых, в том числе разнородных материалов.

Термитная сварка — сварка, при которой для нагрева используется энергия горения термитной смеси.

В 1859 г. русский ученый Н. Н. Бекетов впервые описал алюминотермитную реакцию. Поскольку реакция проходит с выделением большого количества теплоты, ее назвали термитной.

Основоположником термитной сварки является представитель немецкой школы химиков Г. Гольдшмидт, осуществивший в 1898 г . соединение двух железных брусков с помощью этой сварки.

Термитная смесь (термит) (от греч. therme — жар, тепло) — порошкообразная смесь оксидов различных металлов (обычно железа) с чистыми металлами (алюминий, реже магний), которые могут восстанавливать эти оксиды.

Наиболее распространенным термитом является смесь порошков оксидов железа Fe ₂O₃, Fe₃O₄ c алюминием (20...25 % алюминиевого порошка и 75...80 % оксида железа). Если нагреть данную смесь до температуры 1 300 °С, то начинается реакция восстановления этих оксидов:

3Fe₃O₄ + 8Al = 9Fe + 4Al₂O₃ + Q.

Рис. 3.51. Схема термитной сварки: 1 — термитная смесь; 2 — тигель; 3 — обмазка из огнеупорной глины; 4 — свариваемое изделие; 5 — асбестовое уплотнение; 6 — обводной канал; 7 — полость; 8 — основной канал; 9 — запал

Выделяющиеся при этом тепло нагревает продукты реакции до температуры 3 000 °С. При этом оксид алюминия всплывает в виде шлака, а жидкое железо заполняет зазор между деталями и, кристаллизуясь, образует сварное соединение. Обычно из одного килограмма термитной смеси образуется 550 г расплавленного металла и 450 г шлака. Для улучшения механических свойств в термиты можно вводить легирующие элементы и для увеличения выхода жидких продуктов реакции — металлический наполнитель (стальную обсечку).

На практике для осуществления термитной сварки (рис. 3.51) соединяемые детали 4 помещают в специальный тигель 2 из огнеупорного материала. Заполняют верхнюю часть

тигля термитной смесью 1 и зажигают ее с помощью запала 9. Жидкий металл, образовавшийся в результате горения термита, стекает по обводному каналу 6 и заполняет полость 7, предварительно подогревая свариваемый металл. После заполнения полости 7, жидкий металл по основному каналу 8 попадает в зазор между соединяемыми деталями 4 и, сплавляясь с основным металлом, образует сварное соединение.

Рис. 3.52. Термитный карандаш: 1 — проволока; 2 — термит; 3 — затравка

В настоящее время для такой сварки промышленностью выпускаются специальные термитные спички и карандаши (рис. 3.52).

Карандаш представляет собой отрезок сварочной проволоки, диаметр которой, как и при электродуговой сварке, зависит от толщины свариваемых деталей. На проволоку нанесен термит, круто замешанный на нитроцеллюлозном клее. Конец термитного карандаша обмазантзравкой , которая предназначена для поджигания карандаша. Во время сварки термитный карандаш вставляют в специальный держатель. Среднее время горения термитного каандаша составляет 20 с, температура во время его горения — 2 200...2 800 °С, а получаемая длина сварного шва — 80...150 мм.

Сварочные карандаши используют для сварки горизонтальных, вертикальных и нижних швов (кроме потолочных) в деталях из малоуглеродистых и нержавеющих сталей, меди, бронзы.

Преимуществами термитной сварки являются следующие:

1) простота и экономичность технологического процесса;

2) компактность и мобильность оборудования и приспособлений;

3) возможность сварки крупногабаритных изделий;

4) возможность выполнения работ в труднодоступных местах и в полевых условиях.

Недостатками термитной сварки являются следующие:

1) пожароопасность процесса;

2) необходимость создания специальных условий для хранения термитных смесей, карандашей и спичек;

3) большой объем подготовительных и вспомогательных работ (формовка, подогрев, обрубка прибылей и т. д.) и невозможность текущего контроля хода процесса.

Термитную сварку применяют для соединения рельсов (рис. 3.53), стыков арматуры, проводов (рис. 3.54), линий связи и электропередач. Ее можно использовать для ремонта крупных стальных и чугунных деталей в судостроении (валы, гребные винты, якоря) и машиностроении (крупные шестерни, рамы, фундаменты, ступицы). При этом сварка термитом на основе алюминия применяется для соединения стальных и чугунных деталей, а термитом на основе магния — для соединения стальных проводов и труб небольшого диаметра (в основном).

Рис. 3.53. Термитная сварка рельсов: а — процесс сварки; б — сварное соединение

Рис. 3.54. Технологический процесс термитной сварки проводов: а — подготовка исходных материалов; б — сборка оснастки; в — засыпка термитной смеси; г — поджигание термитной смеси; д — разборка оснастки, получение соединения; 1 — провода; 2 — хомут; 3 — тигель-форма; 4 — термитная смесь; 5 — термитные спички; 6 — термоусаживаемые муфты

Холодная сварка — сварка давлением при значительной пластической деформации зоны соединения без нагрева свариваемых частей внешними источниками тепла.

Первый известный случай холодной сварки давлением датируется 700 г. до н. э. (поздний бронзовый век, Британия). Используемым металлом было золото, а сваренные данным способом золотые шкатулки были найдены во время археологических раскопок.

Первым научным экспериментом с использованием холодной сварки является опыт, продемонстрированный 29 апреля 1724 года Ж. И. Дезагюлье в Королевском научном обществе (Англия). Два свинцовых шара (первый из которых весил 1 фунт, а второй — 2 фунта), с которых были срезаны шаровые сегменты по 3/4 дюйма , были руками спрессованы с одновременным скручиванием. Оказалось, что в результате они соединились. Шары пристали друг к другу так прочно, что поддерживаемый рукой верхний однофунтовый шар отсоединялся от нижнего лишь при нагрузке более

16 фунтов. При осмотре соприкасающихся поверхностей оказалось, что

фактическая площадь их сварного соединения не превышала площади круга диаметром в 1/10 дюйма.

На практике этот метод сварки был использован во время Второй мировой войны в Германии для соединения деталей из алюминиевых сплавов при изготовлении авиационных двигателей. В СССР пионерами внедрения холодной сварки были К. К. Хренов (Киев, Институт сварки им. О. Е. Патона) и И. Б. Баранов (Ленинград, завод «Электрик»), а затем ВНИИЭСО (ныне Институт сварки России).

Холодная сварка является сложным физико-химическим процессом, протекающим только при интенсивной пластической деформации в зоне соединения. Роль деформации при холодной сварке заключается в разрушении оксидных пленок, вытеснении их из зоны соединения и сближении свариваемых поверхностей на межатомное расстояние. Необходимое для сварки давление составяет, например, для изделий из 0м0е0ди 2

алюминия — 300...600 МПа.

МПа, а из отожженного

Качество сварного соединения определяется исходным физикохимическим состоянием контактных поверхностей, давлением (усилием сжатия) и степенью их деформации при сварке. Качество соединения также зависит от схемы деформации и способа приложения давления (статического, вибрационного). В зависимости от схемы пластической деформации заготовок сварка может быть точечной, шовной и стыковой.

Точечной холодной сваркой является сварка отдельными точками. При этой сварке (рис. 3.55, а) зачищенные детали 1 устанавлиают внахлестку между пуансонами 2, имеющими рабочую часть 3 и опорную поверхность

4. При вдавливании пуансонов, форма которых может быть различной (рис. 3.55, б), сжимающим усилием Р происодит деформация отельных участковгоза овок и образование на этих участках сварного соединения.

Рис. 3.55. Холодная точечная сварка: а — схема процесса; б — формы рабочих поверхностей пуансонов

Опорная поверхность пуансонов создает дополнительное напряженное состояние в конечный момент сварки, ограничивает глубину погружения пуансонов в металл и уменьшает коробление изделия.

Холодную сварку успешно выполняют на самых различных серийных прессах с применением кондукторов, надежно фиксирующих свариваемые заготовки, чтобы исключить их коробление.

Точечную холодную сварку применяют для соединения изделий из алюминия, алюминия и меди, а также армирования алюминия медью. Этой сваркой можно заменить трудоемкую клепку и контактную точечную сварку. Точечной холодной сваркой сваривают внахлестку листы толщиной 0,2...15 мм, сжимая их круглыми или прямоугольными пуансонами. Для получения сварной точки пуансон вдавливают на глубину 0,7...0,9 толщины свариваемых деталей. Шовная холодная сварка характеризуется непрерывностью сварного соединения. При шовной холодной сварке (рис. 3.56) собранные внахлестку заготовки 1 устанавливаются между роликами 2 и сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов роликов 3 в металл. Ролики приводят во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь в него рабочими выступами, ролики вызывают интенсивную деформацию металла, в результате котоой образуется непрерывное сварное соединение (шов).

Шовная холодная сварка бывает двусторонняя, односторонняя и несимметричная. Двусторонняя сварка выполняется одинаковыми роликами.

Рис. 3.56. Схема холодной шовной сварки: 1 — детали; 2 — ролики; 3 — выступы

При односторонней сварке один ролик имеет выступ, высота которого равна сумме выступов при двусторонней сварке, а второй ролик является опорным и не имеет рабочего выступа. При несимметричной сварке ролики имеют различные по размерам (иногда и по форме) рабочие выступы.

Односторонняя шовная холодная сварка обычно применяется для сварки деталей из разнородных металлов, отличающихся твердостью. Рабочая часть ролика вдавливается в более твердый металл. Такая сварка при прочих равных условиях обеспечивает более прочные швы и при сварке деталей из однородных металлов.

При шовной холодной сварке металл свободно течет вдоль оси шва, что затрудняет создание достаточного напряженного состояния металла в зоне соединения. Поэтому для достижения провара требуется бóльшая пластическая деформация (на 2...6 %), чем при точечной холодной сварке. Степень пластической деформации в зоне сварки можно повысить, увеличивая диаметры роликов. Для этого диаметр ролика выбирают равным 50 h, где h — толщина свариваемых изделий с шириной рабочего выступа, равной (1...1,5) h, высотой — (0,8...0,9) h. При этом ширина опорной части ролика, ограничивающая деформации, в 2...3 раза больше ширины рабочего выступа. Шовная холодная сварка изделий из алюминия толщиной 1,0 мм выполняется со скоростью 8...12 м/мин.

Для осуществления шовной холодной сварки применяются металлорежущие станки (например, фрезерные), при сварке изделий из тонких пластичных металлов — ручные настольные станки.

Холодной стыковой сваркой является сварка, осуществляемая по всей поверхности касания свариваемых деталей.

Одна из схем холодной стыковой сварки, разработанная в Институте сварки им. О. Е. Патона, представлена на рисунке 3.57. В корпусе 1 имеются гнездо для конусного зажима 2 и направляющие для подвижного ползуна 3, в котором также расположен конусный зажим 4. После предварительной зачистки торцов заготовок 5, их устанавливают в зажимы 2, 4, которые имеют формирующие части с режущими кромками 6, упорами 7 и углублениями 8. Осадочное усилие Р прикладывается к ползуну 3. При его перемещении с помощью конусов зажимаются поверхности свариваемых заготовок и сдавливаются их торцы.

Рис. 3.57. Схема холодной стыковой сварки

В процессе осадки в результате пластической деформации углубления 8 заполняются металлом, вытекающим из зоны соприкосновения свариваемых поверхностей. Когда упоры 7 приходят в соприкосновение, в зоне стыка происходит образование сварного соединения, а металл, заполнивший углубления 8, отрезается кромками 6.

Рис. 3.58. Образец стыковой сварки после испытания на растяжение: 1 — место начала разрыва

Преимуществами холодной сварки являются следующие:

1) упрочнение металла в процессе пластического деформирования (наклеп), что позволяет получать сварное соединение по прочности превосходящее основной материал (рис. 3.58);

2) отсутствие нагрева соединяемых заготовок, что позволяет соединять термически разупрочняемые металлы без снижения их механических свойств

вблизи зоны сварного шва, разнородные металлы (например, медь с алюминием) без образования в стыке хрупких интерметаллических соединений, сваривать электрические провода, имеющие изоляционные покрытия, а также вести процесс сварки в огнеи взрывоопасной средах, герметизировать корпуса приборов, банки, контейнеры, ампулы и другие емкости, нагрев которых недопустим;

3) экологичность процесса, связанная с отсутствием светового излучения, шума, газовых выделений, брызг расплавленного металла и т. п.;

4) экономичность процесса сварки, связанная с отсутствием необходимости применения расходных материалов (флюсов, припоев, присадочных материалов, защитных газов);

5) простота процесса и возможность его механизации и автоматизации.

К недостаткам холодной сварки можно отнести следующие:

1) ограниченность применения некоторых металлов (не поддаются сварке практически все черные металлы, а также ряд малопластичных цветных металлов и сплавов, например, бронза);

2) ограничение свариваемых деталей по форме и размерам

(невозможность сварки мелких деталей и деталей сложной формы);

3) отсутствие универсального оборудования и оснастки (замена одних деталей, подлежащих холодной сварке, другими требует, как правило, переналадки оборудования и замены оснастки);

4) наличие вмятин при соединении деталей внахлестку (при точечной или шовной холодной сварке).

Холодную сварку применяют в производстве (крупносерийном или массовом) однотипных деталей из алюминия, меди, свинца, цинка, никеля, серебра, кадмия, железа (рис. 3.59).

Рис. 3.59. Примеры примения холодной сварки: а — армирование медью выводов алюминиевых обмоток трансформаторов; б — герметизация корпусов полупроводниковых приборов и других замкнутых емкостей; в — приварка медных контактных пластин к алюминиевым катодным штангам; г — медные уплотнительные колец для гидросистем машин и механизмов; д — соединение медных контактных (троллейных) проводов; е — присоединение ручек к различным емкостям

В частности, холодная сварка применяется:

– в электротехнике (для соединения алюминиевых деталей с медными при изготовлении обмоток электрических машин и трансформаторов (рис. 3.59, а), коллекторных пластин электрических двигателей и др.);

– в радиотехнике и радиоэлектронике (для герметизации корпусов полупроводниковых приборов из цветных металлов и сплавов: меди, алюминия, ковара, (рис. 3.59 б), для герметичной заделки штенгелей (трубок-отводов), через которые производится откачка воздуха из сосудов для получения вакуума);

– в цветной металлургии (для приварки медных контактных пластин к алюминиевым катодным штангам (рис. 3.59, в) при электролитическом производстве цинка, никеля и других металлов);

– в приборостроении (при изготовлении шасси приборов из алюминия и его сплавов, а также для соединения элементов конструкций и отдельных деталей);

– в машиностроении (при изготовлении медных уплотнительных колец (рис. 3.59, г) для гидросистем машин и механизмов);

– в автомобильной промышленности (при изготовлении радиаторных трубок из деформируемых алюминиевых сплавов);

– на электрифицированном транспорте (железнодорожном, городском и промышленном) для соединения медных контактных

(троллейных) проводов (р.5и9с,.д3 );

– в различных отраслях промышленности (для производства посуды, бачков, молочных фляг (рис. 3.59, е) и других изделий из алюминия).

Сварка трением — сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным относительным перемещением (вращением) свариваемых частей друг относительно друга.

Изобретателем сварки трением является токарь Эльбрусского рудника

(СССР) А. И. Чудиков, который в 1956 г. разработал этот способ сварки.

Проведенные во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования (ныне Институт сварки России) исследования показали, что такие особенности процесса, как низкая энергоемкость, высокие КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования, представляют несомненный практический интерес. Изобретение токаря А. И. Чудикова получило поддержку, и ему было выдано авторское свидетельство СССР на этот способ сварки.

Сущность этого метода сварки заключается в том, что механическая энергия, подводимая к одной или обеим свариваемым деталям, в результате трения контактирующих поверхностей преобразуется в тепловую. При этом выделение теплоты происходит непосредственно в зоне их контакта.

Образование прочного соединения происходит в результате возникновения металлических связей между чистыми контактиующими поверхностями. Неровности, различные включения и пленки, препятствующие образованию этих связей, разрушаются при трении и удаляются из зоны сварки в процессе пластической деформации, протекающей в радиальном направлении. Интенсивная очистка поверхности от оксидных и адсорбированных пленок позволяет не только обеспечивать возможность сварки, но и получать высокопрочные соединения.

Основными параметрами режимов сварки трением являются: частота вращения свариваемых деталей, величина осевого усилия сжатия, величина осадки при сжатии, длительность приложения усилия сжатия.

Трение свариваемых поверхностей может осуществляется вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок (рис. 3.60).

Рис. 3.60. Схемы процесса сварки трением: а — с вращением одной детали; б — с вращением обеих деталей в противоположном направлении; в — неподвижных деталей с вращающейся вставкой; г — с возвратнопоступательным движением одной из деталей; 1 — свариваемые детали; 2 — вставка; 3 — зона сварки

Простейшая и наиболее распространенная схема такого процесса представлена на рисунке 3.60, а. Вращающуюся и неподвижную детали 1 сжимают осевым усилием Р. Трущиеся поверхности разогреваются, при этом трение способствует разрушению оксидных пленок на них. Когда наступает разогрев поверхностей свариваемого металла до его пластичного состояния (значения температуры локального разогрева находятся авпдаизоне 800...1 300 °С), возниает временный контакт, происходит его разрушение и высокопластичный металл (металл шва) выдавливается из стыка с образованием грата. После этого прекращают вращение, продолжая прикладывать постоянное или возрастающее давление Р, с образованием сварного соединения 3.

Преимуществами сварки трением являются следующие:

1) прочность и пластичность зоны сварного соединения не уступает аналогичным характеристикам основного металла, что объясняется высоким качеством сварного соединения, обусловленным локализированным тепловыделением только в контактирующих поверхностных слоях соединяемых деталей (ширина зоны термического влияния составляет не более 2...3 мм);

2) независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности;

3) возможность сварки изделий из разнородных металлов и сплавов, которые не свариваются традиционными способами;

4) высокая производительность (время сварки составляет от нескольких секунд до 0,5 мин);

5) энергетические показатели процесса характеризуются высоким КПД и низким расходом энергии (25...100 Вт/см², что в 5...10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке);

6) экономичность процесса сварки, обусловленная отсутствием расходных материалов (флюсов, припоев, присадочных материалов, защитных газов и т. п.);

7) экологичность процесса, связанная с отсутствием светового излучения, вредных газовых выделений, горячих брызг металла и т. п.

К недостаткам сварки трением относятся следующие:

1) возможность соединения только таких деталей, у которых хотя бы одна является телом вращения (круглый стержень или труба), а другая может быть произвольной формы (но должна иметь плоскую поверхность);

2) громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным;

3) необходимость удаления грата;

4) искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования, что может оказаться очагом последующего усталостного разрушения в деталях, работающих в условиях динамичеких нагрузок, или очагом коррозии в деталях, работающих в агрессивных средах.

Сварка трением в промышленном производстве используется для соединения деталей сечением 50...10 000 мм². Наиболее эффективно применение сварки трением при изготовлении круглых деталей ступенчатого по длине профиля (путем их сварки из заготовок разного диаметра), при изготовлении составных деталей из разных материалов (для экономии более дорогого или дефицитного из них), при изготовлении сварно-штампованных, сварно-кованых и сварно-литых деталей.

Сваркой трением хорошо свариваются изделия из черных металлов (исключением является чугун): малоуглеродистых, среднеуглеродистых, низкои среднелегированных, а также жаропрочных сталей. Хорошо свариваются детали из этих сталей в различных сочетаниях между собой, а также из быстрорежущих сталей Р9 и Р18 и из конструкционных сталей 40 и 40Х . Хорошо свариваются между собой детали измаилнюия , меди, латуни и других цветных металлов, а также из алюминия со всеми своими сплавами, алюминия с медью, меди со сталью, алюминия со сталью. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок.

Сварка трением широко используется:

– в автомобилестроении (при изготовлении и ремонте деталей

рулевого управления, карданных валовылхегков и грузовых автообилей, полуосей, картеров задних мостов автомобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидросистем и др.);

– в тракторостроении (для изготовления и ремонта деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбонагнетателей дизельного двигателя и др.);

– в электропромышленности (для изготовления деталей высоковольтной аппаратуры, выводов бумагомасляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневмоцилиндров сварочных машин и др.);

– в инструментальном производстве (при изготовлении фрез, сверл, метчиков и т. п.).

Некоторые примеры применения сварки трением приведены на рисунке 3.61.

Рис. 3.61. Применение сварки трением: а — гладкие и резьбовые калибры; б — сварка труб; в — сталеалюминевый трубчатый переходник (диаметр — 90 мм, толщина стенки — 4 мм); г — клапан ДВС; д — вилка тяги (поковка и прокат); е — ротор турбонагнетателя (колесо из жаропрочной аустенитной стали, вал — из перлитной стали); ж — соединение пластин линейной сваркой

Ультразвуковая сварка — сварка давлением, осуществляемая при воздействии ультразвуковых колебаний.

Ультразвуковые колебания (ультразвук) — это механические колебания в газах, жидкостях и твердых телах с частотой более 20 кГц. Принцип действия устройств для получения ультразвуковых колебаний основан на пьезоэлектрическом эффекте или магнитострикции.

В 1842 г. английский физик Джеймс Джоуль обнаружил, что при перемагничивании электрическим током железных и никелевых стержней они то уменьшаются, то увеличиваются в такт изменениям направления тока. При этом в окружающей среде возбуждаются волны, частота которых зависит от колебаний стержня. Это явление назвали магнитострикцией (от латинского

«стриктус» — «сжатие»).

В 1880 г. французские ученые Жак и Пьер Кюри установили, что если кристалл кварца сжать с двух сторон, то на гранях кристалла появляются электрические заряды. Это явление было названо пьезоэлектричеством (от греческого

«пьезо» — «давлю»), а материалы с такими свойствами — пьезоэлектриками. Позже это явление объяснили анизотропией кристалла кварца, характеризуемой разными физическими свойствами вдоль разных граней, и назвали «пьезоэлектрическим эффектом».

В дальнейшем братья Кюри установили, что пьезоэлектрический эффект обратим и если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, то он либо сожмется, либо растянется (в зависимости от того, к какой грани приложен положительный заряд, а к какой — отрицательный).

В 1917 г. французский ученный Поль Ланжевен подводя к граням кварцевого кристалла переменный ток высокой частоты обнаружил, что кристалл колеблется в такт изменению частоты тока. Позже П. Ланжевен разработал специальные ультразвуковые излучатели, позволившие значительно увеличить амплитуду этих колебаний.

Изобретение ультразвуковой сварки было осуществлено в 1930–40- е гг. Открытие этого процесса было связано с исследованиями по применению ультразвуковых колебаний для очистки поверхностей, соединяемых с помощью контактной сварки. Было установлено, что при одновременном воздействии на зону сварки определенного усилия сжатия и ультразвуковых колебаний соединение образцов осуществляется без пропускания через них сварочного тока.

Реализация ультразвуковой сварки долгое время сдерживалась отсутствием исследований закономерностей образования сварного соединения и специализированного оборудования. Только в середине 60-х годов ХХ века исследования, проведенные в Институте электросварки им. Е. О. Патона, ИМЕТ им. А. А. Байкова и ВНИИЭСО, позволили обосновать механизм образования соединения металлов с помощью ультразвука и осуществить этот процесс на практике.

Процесс ультразвуковой сварки основан на одновременном воздействии на свариваемые детали механических колебаний с ультразвуковой частотой (20...40 кГц) и относительно небольших усилий сжатия. Механические колебания вызывают возвратнопоступательное движение сжатых контактирующих поверхностей, а одновременно прикладываемое усилие приводит к возникновению сил трения между соединяемыми частями. В результате трения в тонких поверхностных слоях контактирующих поверхностей создаются сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные пленки. Тонкие поверхностные слои металла нагреваются, металл в них размягчается и под действием сжимающего усилия пластически деформируется. При сближении поверхностей на расстояние действия межатомных сил между этими поверхностями возникает прочная связь. Возникающее при этом в зоне соединения небольшое тепловыделение не приводит к изменению структуры, механических и других свойств свариваемых материалов. Например, при сварке деталей из меди температура в зоне контакта не превышает 600 °С, а из алюминия — 200...300 ° С. Это особенно важно при сварке химически активных металлов.

Процесс ультразвуковой сварки может также сопровождаться интенсивным протеканием процесса взаимной диффузии в контактирующих поверхностных слоях, а в ряде случаев — плавлением металла на глубину, равную нескольким атомным слоям.

Принцип действия установок для ультразвуковой сварки, как правило, основывается на использовании магнитострикционного эффекта.

Установка для ультразвуковой сварки состоит из магнитострикционного генератора 1, волновода 2 (с закрепленным на его конце сварочным наконечником 3), механизма сжатия 4 и опоры 5 (рис. 3.62).

Рис. 3.62. Схема ультразвуковой сварки

Магнитострикционный генератор 1 является источником продольно-упругих механических колебаний. Он изготавливается из пластин толщиной 0,1...0,2 мм, выполненных из магнитострикционных материалов, способных изменять свои геометрические размеры под действием переменного магнитого поля. К таким материалам, называемым магнитострикционными, относятся никель, сплавы на основе железа и алюминия (алфер), железа и никеля (пермаллой) и др. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны (1...3 мкм ), поэтому для увеличения амплитуды колебаний (до 20...30 мкм), а также для передачи механических колебаний к месту сварки используют волновод 2, как правило, сужающейся формы. Волновод соединяется с магнитострикционным генератором припоем или клеем. Его размеры и форма подбираются так, чтобы в зоне сварки амплитуды колебаний были максимальными (кривая упругих колебаний представлена на рисунке 3.62). Сварочный наконечник 3 является согласующим звеном между механизмом сжатия 4 и волноводом 2.

Питание магнитострикционного генератора осуществляется от источника электрической энергии (генератора с частотой колебаний тока 18...30 кГц и выходной мощностью 0,01...10 кВт). Свариваемые детали 6 устанавливаются на опоре 5 и с помощью механизма сжатия 4 прижимаются к ней концом сварочного наконечника 3 с заданным усилием Р, направленным перпендикулярно к свариваемым поверхностям. При включении магнитострикционного генератора 1 механические колебания волновода 2 передаются через сварочный наконечник 3 на свариваемые детали 6. В зависимости от формы сварочного наконечника можно получать точечные и шовные соединения внахлестку, а также соединения по замкнутому контуру.

Основными параметрами ультразвуковой сварки металлических изделий являются: амплитуда механических колебаний (20...30 мкм), усилие сжатия (20...4 500 Н), время сварки (0,2...4 с), скорость сварки (0,5...20 м/мин — для шовной).

Преимуществами ультразвуковой сварки являются следующие:

1) возможность получения сварного соединения из разнотолщинных однородных и разнородных металлов без их расплавления, а также пластмасс;

2) возможность образования сварного соединения без предварительной подготовки свариваемых поверхностей (оксидные пленки, механические загрязнения, масла, жиры, эмульсии, пыль удаляются из зоны сварки колебаниями материала);

3) возможность осуществления процесса при низких температурах, что обеспечивает отсутствие зоны термического влияния и экологическую чистоту процесса;

4) возможность получения сварного шва, прочность которого составляет более 70 % от прочности исходного материала;

5) малое время рабочего цикла процесса сварки (0,1...5,0 с);

6) возможность контроля всех параметров сварки (частота генератора, усилие сжатия, время и скорость сварки);

7) простота механизации и автоматизации процесса.

Недостатками ультразвуковой сварки являются следующие:

1) возможность сварки металлических изделий толщиной порядка 1 мм (для очень пластичных металлов (медь и алюминий) — не более 3 мм);

2) высокая стоимость сварочного оборудования;

3) наличие вредного воздействие ультразвука на организм человека. Ультразвуковая сварка используется для соединения тонких металлических изделий. Она позволяет сваривать заготовки толщиной 0,005...3,0 мм или диаметром 0,01...0,5 мм, а при их приварке

к деталям толщина последних практически не ограничивается.

Метод ультразвуковой сварки позволяет соединять детали из разнородных металлов и сплавов (табл. 3.4).

Таблица 3.4

Свариваемость различных металлов ультразвуковой сваркой

Металл

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

2. Латунь

+

+

+

–

+

+

+

+

+

+

+

–

3. Медь

+

+

–

–

+

+

+

+

+

+

–

4. Золото

+

–

–

+

+

–

–

+

–

–

5. Магний

+

–

–

–

–

–

–

–

+

6. Молибден

+

+

+

–

–

+

+

+

7. Никель

+

+

–

+

+

+

–

8. Платина

+

–

–

+

–

–

9. Серебро

+

–

+

–

+

10. Нержавеющая сталь

+

–

–

–

11. Сталь

+

+

+

12. Титан

+

–

13. Вольфрам

+

Ультразвуковая сварка применяется:

– в электронной и электротехнической промышленности (изготовление полупроводниковых приборов, алюминиевых электролитических конденсаторов, трансформаторов, предохранителей, реле, нагревателей бытовых холодильников, приборов точной механики и оптики и т. п.);

– в автомобильной промышленности (изготовление радиаторов);

– в легкой промышленности (изготовление игрушек, тары, изготовленной из фольги, и т. п.);

– врмгиеиталлу (при сращивании концов рулонов различных

тонколистовых материалов (медь, алюминий, никель и их сплавы), при их получении или обработке).

Примеры использования ультразвуковой сварки представлены на рисунке 3.63.

Рис. 3.63. Использование ультразвуковой сварки: а — фрагмент радиатора солнечного коллектора; б — конденсаторы; в — разъем электротехнического контакта; г — соединение медной шины толщиной 2 мм с листовым серебром толщиной 0,15 мм; д — соединение керамики Al₂O₃ с алюминием; е — соединение медного провода сечением 1,5 мм² с листовой сталью толщиной 0,5 мм

Диффузионная сварка — сварка давлением, осуществляемая за счет взаимной диффузии атомов в тонких поверхностных слоях контактирующих частей.

Способ диффузионной сварки был создан на этапе активного развития авиационной и космической техники, когда возникла необходимость в новых конструкционных материалах и создании из них сложных изделий. Этот способ впервые был предложен в 1956 г . советским изобретателем и ученым Н. Ф. Казаковым, а в 1959 г. внедрен в производство. На этот новый способ соединения материалов были получены патенты в ведущих западных странах (Великобритания, Франция, Япония, Швеция, Бельгия, ФРГ и США).

Диффузионная сварка является способом, осуществляемым в защитной среде (вакууме или инертных газах) без расплавления основного металла за счет одновременного нагрева (до сравнительно высоких температур) и сдавливания соединяемых деталей (небольшим постоянным усилием, не превышающим предел текучести материала).

Диффузионную сварку производят в специальных сварочных установках (рис. 3.64). Свариваемые детали 6 с тщательно зачищенными и пригнанными поверхностями помещают в вакуумную камеру 1, в которой создают вакуум 133·(10 ^-3...10^-5) Па, для защиты от интенсивного окисления и азотирования в процессе разогрева и сварки. Источником нагрева свариваемых деталей может служить вольфрамовый или молибденовый нагреватель, электронный луч или индуктор ТВЧ 5.

Рис. 3.64. Принципиальная схема установки для диффузионной сварки в вакууме: 1 — вакуумная камера; 2 — цилиндр гидропривода; 3 — поршень; 4 — стол для крепления деталей; 5 — индуктор; 6 — свариваемые детали

После того как достигнута требуемая температура (0,4...0,8 Т_пл) заготовок 6, к ним прикладывают с помощью механического, пневматического или гидравлического устройства 2 небольшое постоянное сжимающее усилие (1...20 МПа), повышающее пластичность и ускоряющее процесс диффузии, в течение 5...20 минут. После окончания сварки детали охлаждаются и их выгружают из камеры.

Приложение давления в процессе сварки обеспечивает, во-первых, разрушение в результате пластического течения поверхностных слоев металла и частичное удаление оксидных пленок и загрязнений, и, во-вторых, сближение свариваемых поверхностей для обеспечения их физического контакта и эффективного межатомного взаимодействия. Следует отметить, что давление при диффузионной сварке не должно вызывать заметных пластических деформаций деталей. Максимальное усилие Р, с которым можно сдавливать детали, ориентировочно определяют, зная площадь соприкосновения деталей F и среднее значение предела текучести σ_т при температуре сварки (Р = σ_тF).

Проведение процесса сварки при повышенной температуре обеспечивает, во-первых, повышение пластичности металла и, тем самым, снижение давления, необходимого для смятия микронеровностей и сближения свариваемых поверхностей, и, вовторых, активацию поверхностей для протекания процессов диффузии и рекристаллизации. С повышением температуры сварки скорость диффузии атомов увеличивается и процессы очистки поверхности металлов от оксидов ускоряются. Однако металлы, склонные к увеличению зерна при нагреве, сваривают при более низких температурах. Кроме того, стремятся снизить температуру сварки тонких деталей (во избежание их деформаций). Сварка изделий из разнородных материалов производится при температуре, выбираемой в соответствии с температурой плавления наиболее легкоплавкого материала.

Время выдержки при заданных температуре и давлении в большинстве случаев должно быть минимальным. Для получения прочного соединения время сварки определяется установлением плотного контакта между соединяемыми поверхностями и минимальной диффузией атомов через поверхность соединения. Объясняется это тем, что диффузия может привести к образованию пустот в зонеедсоинения , а при сварке разнородных металлов и сплавов (в ряде случаев) — к образованию интерметаллических фаз.

Защитная среда, в которой происходит диффузионная сварка, в значительной мере влияет на качество сварного соединения, и изза этого чаще всего осуществляется в вакууме, имеющем хорошие защитные свойства. В вакууме не только исключается взаимодействие с кислородом и азотом воздуха, но и удаляются оксидные пленки, присутствующие на свариваемых поверхностях. Следует отметить, что в качестве защитной среды используют также инертные (He, Ar) или восстановительные газы (H₂, CO).

Преимуществами диффузионной сварки являются следующие:

1) возможность сваривать детали из практически всех известных конструкционных материалов, в том числе разнородных и с сильно различающимися теплофизическими свойствами (алюминий со сталью и титаном, сталь с графитом, стекло с медью и т. д.);

2) высокое качество сварного соединения и сохранение им свойств, характерных для исходных материалов;

3) стабильность качества соединений, что обусловлено возможностью соблюдать основные параметры процесса (температуру, давление и время);

4) возможность образования соединений с минимальной (5...7 %) деформацией деталей, что позволяет изготавливать сложные высокоточные изделия с допусками, которые не превышают допуски на размеры при механической обработке;

5) расход энергии и мощность в 4...6 раз меньшие, чем при контактной сварке, что обусловлено относительно низкой температурой и малым временем нагрева.

Недостатками диффузионной сварки являются следующие:

1) необходимость тщательной предварительной подготовки деталей к сварке (соблюдение параллельности стыкуемых поверхностей, обеспечение высокой чистоты их обработки);

2) сложность достижения полного физического контакта (при сварке деталей с большой площадью соприкосновения);

3) сложность контроля качества сварных соединений (например, образующиеся в результате случайных загрязнений поверхностей местные непровары (склейки) неразрушающими методами контроля не выявляются);

4) высокая стоимость используемого оборудования;

5) низкая производительность процесса из-за наличия некоторых операций (вакуумирование камеры, нагрев деталей, выдержка для протекания процесса диффузии).

Диффузионной сваркой соединяют детали различной формы. Они могут иметь компактные (рис. 3.65, а) или развитые (рис. 3.65, б) поверхности контактирования. Геометрические размеры свариваемых деталей находятся в пределах от нескольких микрометров (полупроводниковые приборы) до несколькихвметро (слоистые конструкции).

Рис. 3.65. Типы сварных конструкций, полученных диффузионной сваркой: а — с компактной поверхностью контактирования ; б — с развитой поверхностью контактирования

Диффузионной сваркой можно соединять детали из однородных и разнородных сплавов, в том числе тугоплавких, которые невозможно получить другими способами (например, сваривают стальные детали с чугунными, алюминиевыми, вольфрамовыми, титановыми, молибденовыми; медные с алюминиевыми и титановыми; золотые с бронзовыми; платиновые с титановыми; серебряные со стальными; вольфрамовые осбние выми; керамические с медными и титановыми; стеклянные с титановыми и т. д.

В настоящее время диффузионная сварка используется:

– в электротехнической и электронной промышленности (при изготовлении и сборке катодных ножек и других деталей, упругих элементов датчиков и узлов электронных приборов, магнитов, электромагнитных контакторов, масляных, вакуумных и автоматических выключателей, контактов, комплектных трансформаторных подстанций и шинопроводов);

– в инструментальной промышленности (при изготовлении высокостойких штампов и режущего инструмента);

– в химической и нефтяной промышленности (при изготовлении сложных и точных конструкций аппаратов, плакированных серебром, элементов скважинных насосов и пористых труб);

– в авиационной, судостроительной и космической промышленности (при изготовлении вольфрамовых сопел, многослойных панелей, лопаток турбин двигателей);

– в машиностроении (для изготовления клапанов, гильз цилиндров двигателей).

Некоторые примеры использования диффузионной сварки представлены на рисунке 3.66.

Рис. 3.66. Использование диффузионной сварки: а — концевой режущий инструмент (хвостовик — сталь 40Х; режущая часть — Р18); б — многослойные медные электроконтактные соединения;; в — комбинация колец палладия, красного и желтого золота; г — фильтрующий элемент (соединение пористого диска с обечайкой)

Сварка взрывом — сварка давлением, при которой соединение осуществляется в результате соударения свариваемых частей, вызванного взрывом.

Сварку взрывом впервые наблюдал академик М. А. Лаврентьев в 1944 г. при испытаниях новой брони. Вместо монолитной плиты использовали два плотно прижатых друг к другу стальных листа. При осмотре мест прямого попадания в них снарядов был обнаружен неизвестный ранее эффект: листы сваривались между собой, образуя характерный волнообразный шов. Тогда это явление не вызвало особого интереса, поскольку ученых, прежде всего, интересовал практический результат (защита боевой техники). Сварку взрывом стали изучать в начале 60-х годов XX века в Институте гидродинамики Сибирского отделения Академии наук СССР, а затем в Институте электросварки им. Е. О. Патона (Киев). Параллельно с учеными из СССР сваркой взрывом начали заниматься ученые в США, а позже — в Швеции, ФРГ, Японии.

При сварке взрывом соединение образуется при соударении двух свариваемых деталей под действием ударной волны, в результате чего привариваемая (метаемая) деталь с большой скоростью

бросается к ударяемой детали. Скорость движения метаемой детали к моменту соударения достигает нескольких сотен метров в секунду, приближаясь к скорости артиллерийского снаряда. В зоне соударения в результате пластической деформации металл соединяемых деталей течет подобно жидкости и сливается в одно целое, образуя монолитное соединение.

Принципиальная схема сварки взрывом приведенанна рису е 3.67. Неподвижную пластину (основание) 4 и метаемую пластину 3 располагают под углом α = 2...16° на заданном расстоянии h = 2...3 мм от вершины угла. На метаемую пластину укладывают заряд взрывчатого вещества 2, масса которого составляет 10...20 % от массы пластины. В вершине угла устанавливают детонатор 1. Сварка производится на опоре 5.

Рис. 3.67. Угловая схема сварки взрывом: а — до начала взрыва; б — на стадии взрыва

После инициирования взрыва детонация распространяется по заряду взрывчатого вещества со скоростью v_д = 2 000...4 500 м/с и давлением 10...20 ГПа. Под действием высокого давления расширяющихся продуктов взрыва метаемая пластина приобретает скорость v_c = 200...700 м/с, соударяется и приваривается с неподвижной пластиной под углом γ, который увеличивается с ростом отношения v_c/v_д. В месте соударения возникает эффект кумуляции (из зоны соударения с высокой скоростью выбрасывается кумулятивная струя, состоящая из металла соединяемых заготовок и воздуха). Эта струя обеспечивает очистку свариваемых поверхностей в момент, непосредственно предшествующий их соединению. Со свариваемых поверхностей при обычно применяемых режимах сварки удаляется слой металла суммарной толщиной 1...15 мкм.

Соударение метаемой пластины и основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей местный нагрев поверхностных слоев металла. В результате деформации и нагрева образуется

Рис. 3.68. Микроструктура зоны соединения при сварке взрывом

сварное соединение. Высокоскоростное соударение твердых тел при сварке взрывом сопровождается процессом волнообразования на поверхности контакта, поэтому граница между соединенными деталями на микрошлифах имеет вид волнистой линии (рис. 3.68).

В качестве взрывчатого вещества используют аммонал, тол, гексоген

и т. п. Толщина метаемой пластины может составлять от 0,05 мм до

30 мм, а толщина основания не ограничена.

Сварка взрывом применяется также для плакирования стержней и труб, внутренних поверхностей цилиндров и цилиндрических изделий.

Сварку взрывом осуществляют в специальных бронекамерах и на открытом пространстве. Она не требует сложного оборудования и может быть автоматизирована. Сварка взрывом является промежуточной операцией при прокатке, волочении, экструзии слоистых материалов.

Преимуществами сварки взрывом являются следующие:

1) возможность получения соединений из разнородных металлов и сплавов с различными физико-механическими характеристиками (сталь с алюминием, сталь с медью, медь с алюминием). Эти соединения не свариваются другими способами из-за образования хрупких интерметаллических соединений, с прочностью, превышающей прочность свариваемых материалов;

2) возможность получения зоны сплошного соединения по поверхностям двух и более крупногабаритных заготовок площадью до десятков квадратных метров;

3) отсутствие специальной технологической оснастки и оборудования, что значительно удешевляет и упрощает технологию сварки.

К недостаткам сварки взрывом можно отнести следующие:

1) необходимость строгого соблюдения правил техники безопасности и хранения взрывчатых веществ;

2) возможность перегрева свариваемых заготовок, приводящего к интенсивной диффузии в зоне соединения. Это вызывает необходимость проводить сварку с использованием промежуточных пролоек из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми материалами (например, при сварке изделий из титана и стали используют в качестве промежуточного материала ниобий, ванадий или тантал).

Сваркой взрывом можно получать плоские многослойные (площадью до 50 м²) и цилиндрические изделия, в том числе длиномерные, с толщиной плакирующего слоя 0,05...30 мм (для листов) и 0,5...15 мм (для труб).

Методом сварки взрывом можно соединять разнородные металлы и сплавы (табл. 3.5), получая разнообразные биметаллические, многослойные и композиционные материалы с улучшенными прочностными, коррозионно-стойкими, жаропрочными и другими свойствами.

Таблица 3.5

Свариваемость изделий из различных металлов и сплавов сваркой взрывом

Металл, сплав

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

2. Легированная сталь

+

+

+

–

+

+

+

–

–

–

–

+

3. Нержавеющая сталь

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

–

4. Алюминий

+

+

+

+

+

+

+

–

–

+

5. Медные сплавы

+

+

+

+

+

+

–

–

–

6. Никелевые сплавы

+

+

+

–

–

+

+

+

7. Титан

+

+

+

+

–

–

+

8. Тантал

+

+

–

+

–

–

9. Ниобий

+

–

–

+

–

10. Серебро

+

–

–

–

11. Золото

+

–

–

12. Платина

+

–

13. Магний

+

Сварка взрывом применяется:

– в тяжелом машиностроении (изготовление лопастей рабочих колес гидротурбин, гидроаккумуляторов и корпусов атомных реакторов, тяжелонагруженных подшипников скольжения и др.);

– в судостроительной промышленности (изготовление деталей корпусов облегченных судов, судовых турбин и др.);

– в электротехнической промышленности (изготовление электроконтактов, проводов высоковольтных линий электропередач, специальных устройств преобразования электромагнитной энергии и др.);

– в нефтяной промышленности (изготовление композиционных материалов для производства цистерн для хранения и перевозки нефти и нефтепродуктов, теплообменных аппаратов, реакторов и др.);

– в химическом машиностроении (изготовление композиционных материалов со специальными свойствами плакирующего слоя для производства корпусов и деталей машин, автоклавов, цистерн, аппаратов обезжиривания, электролизеров и др.);

– в металлургической промышленности (изготовление крупногабаритных водоохлаждаемых биметаллических токоподводов, токоведущей арматуры ванн электролиза алюминия, токоподводов при получении цинка и т. п.).

Некоторые примеры использования сварки взрывом представлены на рисунке 3.69.

Рис. 3.69. Примеры использования сварки взрывом: а — многослойный биметаллический материал (до 200 слоев «медь – сталь»), предназначенный для изготовления специальных устройств преобразования электромагнитной энергии; б — электрод электролизера алюминия с переходниками («алюминий – сталь»); в — детали узла распределения аксиально-плунжерных насосов («сталь – бронза»); г — биметаллические контактные переходники («алюминий – медь»)

Магнитно-импульсная сварка — сварка давлением, при которой соединение осуществляется в результате соударения свариваемых частей, вызнанного воздействием импульсного магнитного поля.

В 1927 г . академиком П. Л. Капицей была предсказана возможность использования силовых импульсных магнитных полей в технологических операциях по обработке металлов. Как технологическое направление магнитноимпульсная обработка начала реализовываться в конце 1950-х гг. и нашла применение в самолетои ракетостроении (а впоследствии — в автомобильной промышленности).

Процесс магнитно-импульсной сварки был разработан в конце 1960-х гг. советскими ученными в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова (г. Москва) для герметизации топливных элементов ядерных реакторов.

Магнитно-импульсная сварка металлов основывается на использовании электромеханической силы, возникающей при взаимодействии мощного магнитного поля индуктора с магнитным полем заготовки, вызванным индуцированными в ней вихревыми токами.

В установку для магнитно-импульсной сварки (рис. 3.70) входят зарядное устройство 1, состоящее из высоковольтного трансформатора и выпрямителя, батарея высоковольтных конденсаторов 2, разрядное устройство 3 и индуктор 4, внутри которого размещены свариваемые цилиндрические метаемая 5 и неподвижная 6 заготовки.

Процесс магнитно-импульсной сварки состоит из цикла зарядкии цикла разрядки. При цикле зарядки электрический заряд, необходимый для создания требуемого импульса энергии, с помощью зарядного устройства 1 накапливается в батарее высоковольтных конденсаторов 2.

Рис. 3.70. Принципиальная схема магнитноимпульсной сварки: 1 — зарядное устройство; 2 — батарея высоковольтных конденсаторов; 3 — разрядное устройство; 4 — индуктор; 5 — метаемая заготовка; 6 — неподвижная заготовка; 7 — линии магнитного поля индуктора; 8 — линии магнитного поля, индуцируемые в метаемой заготовке

Во втором цикле при включении разрядного устройства 3 накопленный электрический заряд в виде мощного импульса электрического тока проходит через обмотку индуктора 4, в которой создается магнитное поле 7. Магнитное поле 7 генерирует вихревые токи в токопроводящем материале метаемой заготовки 5, которые приводят к возникновению второго магнитного поля 8. Два мощных магнитных поля отталкиваются друг от друга с усилием, пропорциональным квадрату значения разрядного тока. В результате метаемая заготовка 5 с огромной скоростью перемещается от обмотки индуктора к неподвижной заготовке 6. При соударении в зоне контакта соединяемых заготовок возникают сжимающие напряжения, превышающие предел текучести свариваемого материала, в результате чего образуется сварное соединение.

При магнитно-импульсной сварке усилие на метаемую заготовку передается мгновенно (со скоростью распространения магнитного поля) и движение сообщается не отдельным участкам (как при сварке взрывом), а всей метаемой детали. Для обеспечения последовательного перемещения зоны контакта при сварке детали устанавливают свариваемыми поверхностями подлуогм одна к другой. Соединение, как и при сварке взрывом, образуется в результате косого соударения свариваемых поверхностей. При этом создаются условия для очистки свариваемых поверхностей от оксидов и загрязнений кумулятивной струей и для интенсивной пластической деформации поверхностей металла с образованием между ними металлических связей.

Существуют три основные схемы магнитно-импульсной сварки:

1) обжатием трубчатых заготовок с применением индуктора, охватывающего заготовку;

2) раздачей трубчатых заготовок с применением индуктора, помещенного внутрь заготовки;

3) деформированием листовых заготовок плоским индуктором. Действие импульсного магнитного поля на метаемый элемент заисит, главным образом, от длины и числа витков индуктора, напряжения разряда, емкости батареи конденсаторов, энергии разряда, индуктивности и активного сопротивления разрядного контура, площади внутренней поверхности индуктора в поперечном сечении.

Преимуществами магнитно-импульсной сварки являются следующие:

1) получение высококачественных сварных соединений (в том числе герметичных, виброи термостойких), прочность которых превышает прочность соединяемых деталей;

2) возможность сварки деталей из разнородных материалов (алюминий – медь, алюминий – коррозионно-стойкая сталь, цирконий – коррозионно-стойкая сталь и др.);

3) возможность применения сварки в условиях цеха, а также возможность точного регулирования и контроля процесса (в отличие от сварки взрывом);

4) отсутствие необходимости применения механизмов сжатия (в отличие от других видов сварки давлением) из-за создания деформирующего усилия в самом металле;

5) технологическая гибкость процесса (одним и тем же индуктором можно сваривать детали различных конфигураций, управляя и меняя величину электромагнитного импульса);

6) культура производства и простота обслуживания оборудования (магнитно-импульсные установки работают бесшумно, экологически чисто, инструмент и узлы установок не нуждаются в смазке, отсутствует агрессивная среда, управление и контроль за работой производятся одним работником);

7) простота автоматизации и механизации процесса, что позволяет обеспечить его высокую производительность и соответствующие технико-экономические показатели.

К недостаткам магнитно-импульсной сварки относятся следующие:

1) ограниченность получения различных типов и размеров сварных соединений, что обусловлено прочностью и долговечностью индуктора;

2) возможность сварки деталей только из электропроводных материалов, поскольку магнитное поле индуктора интенсивно влияет на заготовку лишь тогда, когда за время разряда не успевает проникнуть через стенку заготовки;

3) необходимость предварительного нагрева менее пластичного материала при сварке деталей из разнородных материалов.

Магнитно-импульсной сваркой можно получать соединения трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских деталей по наружному и внутреннему контуру. Диапазон толщины метаемых деталей составляет 0,5...2,5 мм.

Магнитно-импульсным способом можно сваривать детали практически из любых материаловдвн ородном и разнородном сочетаниях (табл. 3.6).

Таблица 3.6

Свариваемость различных металлов и сплавов магнитно-импульсной сваркой

Магнитно-импульсная сварка применяется в машиностроении (авиационное и ракетно-космическое производство, автомобилестроение), в электротехнике и приборостроении, а также при научных исследованиях в области импульсных технологий.

Некоторые примеры использования магнитно-импульсной сварки представлены на рисунке 3.71.

Рис. 3.71. Использование магнитно-импульсной сварки: а — сварка алюминиевого кольца и болта; б — сварка алюминиевой и медной труб; в — корпус топливного автомобильного фильтра; г — сварка стальной трубы с кованным стальным фланцем (карданный вал)

Печная сварка — сварка давлением, при которой нагрев свариваемых деталей производится в печах или горнах.

Печная сварка — древнейший вид сварки давлением. На протяжении почти трех тысячелетий человечество использовало железо, не умея его расплавлять. В этой связи к железу нельзя было применять давно известную литейную сварку и, как следствие, была изобретена печная (горновая) сварка, т. е. способ, предназначенный для железа. Развитию печной сварки чрезвычайно способствовал способ производства железа, просуществовавший на протяжении тысячелетий до второй половины XIX столетия.

Для нагрева свариваемых деталей при печной сварке используют различные источники тепла (твердое, жидкое или газообразное топливо). Для очистки поверхностей свариваемых деталей от оксидов используют флюсы, образующие с оксидами металлов легкоплавкие соединения. В качестве флюсов при печной сварке используются бура Na₂B₄O₇, борная кислота H₃BO₃, поваренная соль NaCl, кварцевый песок, бой оконного стекла, а также их смеси.

После нагрева и офлюсования зону соединения свариваемых деталей подвергают пластическому деформированию. Деформирование вызывает течение металла вдоль поверхностей соединения, способствует выдавливанию из зоны соединения легкоплавких составляющих, образовавшихся при взаимодействии флюсов с оксидами свариваемого металла, и приводит к перемешиванию, взаимной диффузии и образованию межатомных связей между соединяемыми частями. Величина прикладываемого усилия при пластической деформации зависит от свойств металла свариваемого изделия и температуры нагрева. Чем выше нагрев, тем меньшее затрачиваемое усилие.

Пластическая деформация свариваемых заготовок при печной сварке может осуществляться ковкой (ручной или машинной), прокаткой или волочением. В соответствии с этим различают кузнечную сварку, сварку прокаткой и сварку волочением.

Кузнечная сварка — печная сварка, при которой пластическая деформация осуществляется ударами молота или нажатием пресса. Этот вид сварки является наиболее древним и постепенно вытесняется современными, более производительными видами сварки. Кузнечная сварка применяется при производстве различного сотавного инструмента (топоры, ломы, кирки и т. д.) из инструментальной низкои среднеуглеродистой стали.

Сварка прокаткой — печная сварка, при которой пластическое деформирование материала осуществляется в зазоре между двумя вращающимися валками. Процесс может осуществляться на воздухе или в защитной атмосфере (вакуум, инертный газ). Сварка прокаткой применяется для получения биметаллов ка из разнородных металлов (сталь и медь, сталь и латунь, медь и алюминий, алюминий и титан, алюминий, сталь и алюминий), так и из металлов, близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам. Этот процесс применяется для производства листов, полос, лент, фасонных профилей, прутков, проволоки.

Сварка волочением — печная сварка, при которой пластическая деформация осуществляется путем протягивания свариваемых заготовок через постепенно сужающееся отверстие в специальном инструменте (волоке или фильере). При сварке волочением металлические полосы нагревают в печах, а затем нагретая полоса со свертышем на конце протягивается через волоку со скоростью несколько десятков метров в минуту. При этом происходит свертывание полосы в трубу и заварка продольного шва. Этот метод сварки используется при производстве сварных газовых труб, преимущественно небольших (не более 100 мм) диаметров. Производство таких труб является массовым. Их используют при монтаже газовых, водопроводных и других сетей.

Преимуществами печной сварки являются следующие:

1) относительная простота процесса;

2) отсутствие расхода дефицитных материалов. К недостаткам печной сварки можно отнести:

1) низкая производительность процесса (медленный нагрев металла);

2) недостаточная прочность получаемого сварного соединения

(менее 80 % от прочности свариваемых заготовок);

3) возможность значительного роста зерна, перегрева и пережога металла.

Эти недостатки печной сварки объясняют ее постепенное вытеснение современными методами сварки, в которых нагрев осуществляется газовым пламенем (газопрессовая сварка), токами высокой частоты (высокочастотная сварка) и др.

Газопрессовая сварка — сварка давлением, при которой для нагрева используется тепло пламени смеси горючего газа и кислорода, сжигаемой с помощью горелки.

Рис. 3.72. Схема газопрессовой сварки труб: 1, 2 — свариваемые детали; 3 — кольцевая горелка

При газопрессовой сварке (рис. 3.72) место соединения нагревают многопламенными сварочными горелками с большим количеством (до ста и более) огней, равномерно распределенных по нагреваемой поверхности. Нагрев обычно осуществляется ацетиленокислородным пламенем. За короткий промежуток времени (1...2 мин) нагреваемый участок доводится до пластического состояния или частично оплавляется. После нагрева осуществляется пластическая деформация зоны соединения, обеспечивающая образование сварного шва. Для пластической деформации при газопрессовой сварке могут использоваться молоты, прессы, прокатные валки или сварочные ролики.

Газопрессовую сварку применяют приесварк стальных стержей, полос (в том числе рессорных), рельсов (в том числе железнодорожных), трубопроводов и т. п.

Газопрессовая сварка обеспечивает высокое качество соединения, но из-за низкой производительности и относительно высокой стоимости находит ограниченное применение.

Высокочастотная сварка — сварка давлением, при которой нагрев осуществляется токами высокой частоты (ТВЧ).

Токи высокой частоты нашли промышленное применение в 1930-40- х гг., в основном, в области электротермии.

Работы по сварке металлов ТВЧ были начаты в 1944 г. в лаборатории профессора В. П. Вологдина применительно к сварке труб. К 1965 г . практически все трубопрокатные станы для производства сварных стальных труб малого и среднего диаметров были оборудованы устройствами для высокочастотной сварки.

Использование токов высокой частоты (ТВЧ) для сварки основано на проявлении поверхностного эффекта и эффекта близости.

Проявление поверхностного эффекта заключается в том, что плотность переменного тока, протекающего по металлическому проводнику, распределена по его сечению неравномерно. Она максимальна на поверхности проводника и уменьшается по мере удаления от нее в глубь. Толщину этого поверхностного слоя называют глубиной проникновения тока. Чем выше частота тока, тем меньше глубина проникновения. Поэтому ток высокой частоты, проходя по проводнику, нагревает только его поверхностный слой. Чем больше частота тока, тем эффективнее поверхностный нагрев.

Эффект близости заключается в том, что токи высокой частоты, протекающие в двух параллельных проводниках и имеющие противоположные фазы, стремятся пройти по путям, находящимся в максимальной близости один от другого. Это явление позволяет управлять распределением тока высокой частоты по поверхности металла и локализовать нагрев в строго ограниченной зоне. Чем меньше расстояние между осями проводников и чем больше радиус сечения проводника, тем сильнее проявляется эффект близости.

Нагрев свариваемых изделий в результате поверхностного эффекта и эффекта близости реализуется за счет двух различных методов подвода тока (индукционного и контактного). В соответствии с этим высокочастотную сварку подразделяют на высокочастотную индукционную сварку и высокочастотную контактную сварку.

При высокочастотной индукционной сварке (рис. 3.73, а), основанной на поверхностном эффекте, свариваемое изделие 1 нагревают вихревыми токами, наводимыми магнитным полем, создаваемым близко расположенным к свариваемому изделию индуктором 2, подключенным к генератору ТВЧ. Проходя по заготовкам, ток в месте их соприкосновения нагревает кромки, которые свариваются в результате их сближения под действием прижимных роликов 4. Для повышения эффективности нагрева внутрь кольцевого индуктора (в трубную заготовку) вводится ферромагнитная масса (ферритовый магнитный сердечник 3). В зависимости от используемых типов генераторов ТВЧ частота тока составляет 2,4...8,5 кГц.

При высокочастотной контактной сварке (рис. 3.73, б), основанной на эффекте близости, нагрев деталей 1 осуществляется токами высокой частоты, непосредственно протекаемыми в свариваемых деталях. В этом случае подвод тока к свариваемым деталям осуществляется с помощью электродов (скользящих контактов 5), непосредственно подсоединенных к источнику ТВЧ. Частота тока генераторов ТВЧ составляет 70...450 кГц.

Рис. 3.73. Схемы высокочастотной сварки труб: а — индукционной; б — контактной; 1 — труба; 2 — индуктор; 3 — сердечник; 4 — обжимные ролики; 5 — скользящие контакты

Преимуществами высокочастотной индукционной сварки являются следующие:

1) производительность процесса (скорость сварки при индукционном нагреве достигает 50 м/с (при контактном — 25 м/с));

2) продолжительный срок службы индуктора (в отличие скользящих контактов, имеющих низкую износостойкость);

3) отсутствие на свариваемых деталях под индуктором рисок, царапин и т. п.;

4) экономичность установки (из-за отсутствия необходимости замены быстроизнашивающихся контактов).

Преимуществами высокочастотной контактной сварки являются следующие:

1) высокое качество сварного соединения (из-за небольшой зоны термического влияния вследствие малой глубины проникновения тока, приводящей к разогреву и расплавлению только поверхностных слоев свариваемых изделий);

2) уменьшение расхода электроэнергии, приходящейся на единицу готовой продукции (из-за сконцентрированного выделения теплоты только в зоне сварки);

3) возможность удаления оксидов из стыка в виде грата в момент сдавливания кромок.

Высокочастотной сваркой можно сваривать изделия из низкои высокоуглеродистых, а также легированных сталей, алюминия, меди, латуни, титана и циркония.

Промышленное применение высокочастотной сварки связано, главным образом, с производством труб для машиностроения, строительства, нефтеи газодобычи, где этот вид сварки во многих случаях заменяет контактную сварку и дуговую сварку (рис. 3.74).

Высокочастотной сваркой изготавливают трубы с прямым или спиральным швом диаметром от 10 до 1 200 мм с толщиной стенки от 0,8 до 8 мм и длиной до 12 м . Высокочастотная сварка также применяется для изготовления профильных труб квадратного сечения и биметаллических полос толщиной до 14 мм.

Рис. 3.74. Производство труб высокочастотной сваркой: а — индукционной; б — контактной