Сущность сварки металлов давлением. Её виды, технология и применение

Традиционные методы сварки основаны на расплавлении кромок соединяемых деталей, в результате чего между ними устанавливаются прочные межатомные связи. В отличие от них, сварка давлением предусматривает наличие внешней силы, которая прикладывается к месту соединения и вызывает пластическую деформацию. Таким способом можно сваривать разные металлы, сплавы, пластмассу, стекло и другие материалы.

Сварка давлением является технологией с использованием диффузии.

Принцип сварки давлением

При наличии длительного контакта между двумя физическими телами в месте их соприкосновения начинается внедрение атомов одного элемента в другой. Такие процессы происходят медленно, но при повышении в зоне контакта температуры или давления, а также при их совместном действии интенсивность диффузии возрастает и получается прочная связь.

Этот принцип используют при выполнении сварки давлением. При этом соединении в диффузной зоне получается высокая равномерность составляющих, поэтому такого понятия, как сварной шов, почти не существует.

Две соединяемые детали при комнатной температуре сдавливают при помощи специального оборудования, чтобы началось диффузное внедрение одного материала в другой. Особенно эффективен такой способ сваривания для деталей из меди, алюминия, нержавеющей стали. Вдоль стыка происходит пластическая деформация, в результате чего получается прочное соединение.

Чтобы ускорить процесс сварки и получить еще более надежные связи, проводится местный нагрев, но он является только сопутствующим фактором, а соединение происходит за счет пластической деформации.

Физические основы сварки металлов

Согласно ГОСТ 2601–84, сварка — это процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого.

Физическая сущность процесса сварки заключается в образовании связей между атомами на соединяемых поверхностях заготовок. Любой металл можно представить как совокупность положительно заряженных ионов (расположенных в узлах кристаллической решетки) и свободных (валентных, «коллективизированных») электронов, находящихся во взаимодействии с ионами. Это взаимодействие (металлические связи) и определяет прочность металлического тела.

При сближении поверхностей двух металлических тел под действием внешних сил возможно возникновение такого взаимодействия между этими поверхностями, т. е. возникновение металлических связей. В результате возможно получение соединения, не уступающего по прочности основному металлу.

Процесс создания сварного соединения протекает в две стадии. На первой стадии необходимо обеспечить образование физического контакта между соединяемыми поверхностями, т. е. сблизить поверхности на расстояние действия сил межатомного взаимодействия (около 3 Ао, 1 Ао = 10–7 мм). Образование физического контакта между поверхностями достигается либо за счет расплавления металла, либо в результате его пластической деформации. На второй стадии осуществляется электронное взаимодействие между атомами соединяемых поверхностей. В результате образуется металлическая связь и поверхность раздела исчезает.

Исходя из физической сущности процесса образования сварного соединения, различают два основных вида сварки: сварка давлением и сварка плавлением.

Механизм сварки давлением включает несколько стадий:

• соприкосновение свариваемых поверхностей;
• разрушение на поверхностях окисных и адсорбированных пленок;
• активирование поверхностных слоев (за счет деформации и/или нагрева свариваемых металлов);
• образование металлических связей между атомами на соединяемых поверхностях.

Схема образования соединения при сварке давлением представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема образования соединения двух монокристаллов с идеально чистыми и гладкими поверхностями: а — кристаллы до соединения; б — кристаллы после соединения

Механизм сварки плавлением. При сварке плавлением установление металлической связи между атомами происходит в момент образования общей ванны жидкого металла между свариваемыми поверхностями. Затем в результате охлаждения жидкий металл кристаллизуется, причем в первую очередь вблизи стенок, отводящих тепло. В процессе кристаллизации металлические связи между основным металлом и закристаллизовавшимся металлом сварочной ванны сохраняются. Схема сварки плавлением представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема сварки плавлением: а — исходное сопряжение торцов двух металлических кусков (пунктирная линия) и область их местного расплавления (заштрихованная зона); б — сварное соединение после затвердевания (кристаллизации) жидкого металла

Специфические черты

Источником тепла при проведении такого вида сварки выступают специальные печи, электрический или индукционный ток, химические реакции. При таком соединении с частичным нагревом сначала места соприкосновения немного оплавляют и только затем сжимают. При сдавливании часть металла и шлак незначительно выходят за пределы места контакта и образуют «грат».

При сварке давлением места соприкосновения сжимают.

Обязательные условия качественного соединения деталей таким способом:

• очистка места контакта от окалины, масляных отложений и других загрязнений;
• постепенное увеличение нагрузки, чтобы сначала деформировался приконтактный слой, а затем начинался процесс диффузии;
• обеспечение равномерной внешней температуры, это особенно важно для легкоплавких материалов, при этом повышать ее необязательно;
• склонность соединяемых металлов к образованию прочных химических связей одного с другим.

Настройки аппарата при сварке давлением

Выбор режима сварки, т.е. ее способа, настройки используемого оборудования и т.д., зависит от физических характеристик соединяемых деталей, а иногда и от их конструкции.

При выполнении электроконтактной сварки основными параметрами являются:

• сила и плотность тока;
• время его протекания;
• усилие сжатия.

Если сварка стыковая, то важна установочная длина (расстояние от электрода до торца детали).

В процессе контактной сварки существует такое явление, как шунтирование – часть тока минует зону проведения работ и протекает по детали. В случае применения стыкового метода шунтирование происходит только в деталях, имеющих замкнутый контур.

Выбор режима сварки зависит от физических характеристик соединяемых деталей.

Когда выполняется точеная сварка, шунтирование тока наблюдается в ранее выполненных точках или в местах случайных контактов деталей. Это приводит к тому, что в зоне соединения недостаточный ток, поэтому ядро точки получается меньшего размера.

Рекомендуем к прочтению Плюсы и минусы сварки лазером

Условно принято разделять технологические процессы на «жесткие» и «мягкие». В первом случае они характеризуются небольшим временем протекания тока (0,1-1,5 секунды), поэтому заготовка сильно не нагревается. Давление электродов при этом требуется большое. Данный метод подходит для работы с алюминиевыми, медными сплавами, легированными сталями, чтобы сохранить их антикоррозионные характеристики.

Для «мягкого режима» характерно плавное нагревание заготовок, и для этого требуется более длительное протекание тока (от 0,5 до 3 секунд). Он используется при работе со склонными к закалке сталями. Надо учитывать, что за счет образования карбида хрома в соединяемых элементах происходит обеднение этим элементом.

Контактная сварка позволяет соединять детали из большинства металлов.

Для обеспечения прочного соединения в нем не должно быть:

• неоднородностей, в литой и переходной зоне соединения структура материала должна быть плотной и сплошной;
• разупрочнения детали в месте соединения и образования хрупких структур;
• снижения коррозионной устойчивости;
• деформации деталей, она допускается в заданных пределах.

Введение

Сварка — технологический процесс получения неразъемных соединений в результате появления атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластической деформации.

Важная роль в развитии сварки в отечественном судостроении принадлежит профессору В.П. Вологдину (1883-1950), который первым после революции возобновил сварку по методике изобретателя Н.Г. Славянова на Дальзаводе во Владивостоке. Под руководством В.П. Вологдина построены первые сварные котлы, первый отечественный электросварной морской буксир. В.П. Вологдин организовал подготовку специалистов для инженеров-сварщиков в Дальневосточном политехническом институте, первый выпуск которого состоялся в 1930-1931 гг.

В 1935 году в Ленинграде был построен первый полусварной большой морской пароход «Седов». Строительство клепанных судов для речного флота было запрещено в 1939 году специальным приказом. К началу Великой Отечественной войны сварка практически повсеместно заменила клепку. По своему значению переход от конструкции клепанных корпусов судов к сварным корпусам можно сравнить с переходом середины XIX века. от деревянных кораблей до металлических.

Простота конструкции сварных соединений по сравнению с клепаными, широкие возможности автоматизации обработки, сборки и сварки деталей обеспечили снижение трудоемкости изготовления корпусов судов.

Основные преимущества сварных соединений: экономия металла; снижение сложности изготовления кузовных деталей; возможность изготовления конструкций сложной формы из отдельных деталей, полученных ковкой, прокаткой, штамповкой.

Особенности свариваемости металлических сплавов

Если для сваривания металла требуются несложные установки, а работа выполнятся в широком диапазоне параметров, то он обладает хорошей свариваемостью и наоборот. Этот показатель не является постоянным, и по мере усовершенствования технологий и оборудования свариваемость будет улучшаться.

На свариваемость материалов оказывают влияние температура плавления, электропроводность.

На свариваемость материалов оказывают влияние разные факторы:

• температура плавления;
• тепло- и электропроводность;
• изменение прочности и коэффициента расширения с ростом температуры;
• твердость.

Чем ниже электро- и теплопроводность, тем меньше требуется ток и снижается электрическая мощность, расходуемая на нагрев заготовок. Прочные материалы для деформации требуют большого усилия, твердые перед соединением надо обязательно прогревать. При высоком коэффициенте расширения большая усадка, что ведет к появлению трещин и раковин.

Особенности некоторых металлов и сплавов:

• низкоуглеродистые стали хорошо соединяются контактной сваркой, не склонны к образованию трещин, их прочность практически не снижается, а сварной шов пластичный;
• углеродистые – склонны к закалке, поэтому работают с ними на «мягких» режимах, пластичность и прочность соединении повышают путем термической обработки;
• нержавеющие – обладают высоким сопротивлением, поэтому используются небольшие токи, работу выполняют в «жестком» режиме;
• жаропрочные – в нагретом состоянии прочные, поэтому для сварки требуется большое давление и длительная подача тока, чтобы снизить давление осадки, зону сварки предварительно прогревают;
• титановые сплавы – при их нагревании происходит увеличение пластичности, поэтому требуются небольшие давления, работа выполняется с высокой интенсивностью и при больших токах, высокой скорости осадки и небольшом временном воздействии;
• медные – для их сварки требуются большие токи и низкая длительность их протекания;
• алюминиевые и магниевые – работу выполняют кратковременными импульсами тока большой величины, давления аналогичные тем, что используют при сварке низкоуглеродистых сталей.

Контактная сварка хорошо соединяет низкоуглеродистые стали.

Необходимое для работы оборудование

Для проведения термомеханической сварки часто используют горячештамповочные машины. Их особенность в наличии встроенного индукционного нагревателя, поэтому заготовки прогреваются непосредственно в месте проведения работ, и их не надо переносить от печи.

В остальных случаях применяют гидравлические или механические прессы, выбор делают в зависимости от пластичности материалов. Осадку выполняют в модернизированных штампах. В них нет матрицы, вместо нее используется прижим заготовок по линии соединения.

Рекомендуем к прочтению Что такое MIG, MAG и MMA-сварка

Разновидности сварочных работ

Существует такие виды сварки давлением:

1. Механическая. Соединение выполнятся за счет сдавливания заготовок, это такие виды, как холодная, ультразвуковая, сварка взрывом и трением.
2. Термомеханическая. В этом случае одновременно применяется усилие и местный нагрев: электроконтактный, газопрессованный и диффузионный методы.

Холодный метод

Соединение деталей происходит только за счет их сжатия. Создаются усилия, превышающие значения текучести материала, в результате чего происходит сваривание. Этот вариант эффективен в том случае, когда в привычном состоянии металл имеет высокую пластичность.

Холодный метод – соединение деталей с помощью сжатия.

В процессе сдавливания происходит диффузия одного материала в другой, выделяется тепло, поэтому после сварки заготовки охлаждают. Шов получается прочный, в нем нет внутренних напряжений и негативных последствий, возникающих при перегревании материала. Такой метод подходит для соединения сплавов, в составе которых есть титан, никель, медь.

Эффективность этого способа сварки небольшая, и для его реализации требуется специальное дорогое оборудование.

Электроконтактная сварка

Сначала электрическим током нагревают соединяемые детали, а затем их сдавливают.

Контактная сварка бывает:

1. Шовная. Используются вращающиеся дисковые электроды, ток подается непрерывно или импульсно. Соединение получается сплошное, используют для сваривания герметичных емкостей, толщина стенок которых до 3 мм.
2. Точечная. Детали укладывают внахлест. Ток передают по цилиндрическим электродам, они располагаются с одной или с обеих сторон. Электроды охлаждают водой, чтобы внутренний слой металла расплавился, а наружный сделался пластичным, после чего заготовки сдавливают. Применяют для деталей (сетки каркасы, листы и т.д.) толщиной до 3 см.
3. Стыковая. Соединение деталей происходит по всей площади контакта. Электроды-губки имеют подвижный и неподвижный контакты. При появлении жидкого слоя давление не снимают и выполняют осадку. Применяют для сварки труб, рельсов и других заготовок круглого, квадратного, шестигранного сечения.
4. Рельефная. На заготовках имеются отштампованный выступы, к которым прикладывают усилие и ток. Применение широких электродов позволяет одновременно сваривать до 20 точек. Таким способом к листам крепят болты, гайки, создают герметичные соединения, длина которых не более 10 см.

Электроконтактная сварка является одним из самых распространенных видов.

Диффузионный метод

Выполняют местный нагрев заготовок до 0,5-0,7 температуры их плавления. Затем прикладывают усилие 0,5 МПа на протяжении от 2 минут до нескольких часов. В результате на атомном уровне происходит обмен частичками между соединяемыми деталями, этот процесс называется диффузионная сварка.

В вакууме или среде защитного газа можно соединять металлы с неметаллами, если материалы устойчивы к воздействию кислорода, сварку выполняют на открытом воздухе. Получается монолитный высокопрочный шов. При равных условиях в этом случае затраты энергии в 4-6 раз меньше, чем при контактной сварке. В основном метод используют на высокоточных производствах.

Сварка трением

Одна заготовка остается неподвижной, а вторая находится в зажиме, совершающем вращательные и поступательные движения. За счет трения выделяется тепло.

При сварке трением выделяется тепло.

Сначала детали сжимают, потом начинают вращать; когда температура в месте контакта достигнет 980-1300 °C, вращение останавливают, а сжатие продолжают. Метод простой, надежный и высокопроизводительный. Сварка трением позволяет соединять изделия из разнородных материалов.

Ультразвуковой способ

Пластическая деформация деталей происходит под действием ультразвуковых колебаний и небольших усилий. Чтобы процесс ускорить, может выполняться незначительный нагрев. За счет усилия и ультразвука сначала разрушают оксидную пленку, а потом выполняют соединение.

Рекомендуем к прочтению Как варить полуавтоматом без газовой среды

Подходит для работы с тугоплавкими материалами, пластмассой, полимерной тканью и т.д.

Незаменимый метод для сваривания ультратонких заготовок, но для деталей толще 3 мм не подходит.

Последовательность образования соединения

По достижении определенного давления в приповерхностных слоях заготовок начинаются деформационные процессы. При этом изменяются (уменьшаются) размеры кристаллической решетки, а атомы переходят с одного энергетического уровня на другой, в результате чего их подвижность существенно возрастает. Образуются прочные химические связи. Чем больше в микроструктуре металла разнородных атомов, тем эти связи прочнее. Поэтому предел прочности соединенных таким образом деталей из нелегированной стали при тех же рабочих параметрах усилия и времени ниже, чем для легированных.
На качество сварки давлением влияют также:

1. Характер нарастания усилия: при вибрационной нагрузке прочность соединения возрастает, поскольку сообщаемая при этом атомам энергия заметно выше.
2. Степень деформации: для высокопластичных металлов и сплавов — алюминия, олова, свинца — производительность сварки увеличивается.
3. Температура: термомеханическая сварка давлением, основанная на одновременном воздействии давления и температуры, позволяет соединять таким образом даже высоколегированные стали, которые обычной сварке поддаются с трудом.

Вместе с тем на сварку давлением не влияют наличие металлических пленок, которые образуются, например, после поверхностного легирования деталей. Поэтому рассматриваемый процесс можно выполнять на завершающих операциях технологического процесса.

Сварочные процессы с применением давления выполняют по следующим схемам:

• Точечной, при которой силовой контакт соединяемых деталей выполняется не по всей поверхности их соприкосновения;
• Шовной, когда деформация происходит по всей линии контакта;
• Торцевой, когда деформирующее усилие прикладывается к стыку соединяемых изделий.

Последовательность всех вариантов выполнения примерно одинакова и состоит в следующем. Очищенные от загрязнений детали накладываются на рабочий стол встык или внахлестку между верхним (подвижным) и нижним (неподвижным) пуансонами оборудования. Иногда, с целью сохранения исходной геометрии стыка, на деталях выполняются технологические выступы, которые ликвидируются в процессе последующего деформирования пуансонами. Детали фиксируются при помощи механизма прижима. Устанавливается (в зависимости от прочностных параметров материала) требуемая глубина внедрения подвижного пуансона в металл. При включении привода перемещения пуансоны внедряются в металл с обеих сторон места соединения или стыка и выдерживаются некоторое время под давлением. С целью исключить коробление остальных частей соединения, его прижимают к опорной поверхности стола усилием, при котором создаются только упругие деформации.

Обязательным условием проведения качественной сварки давлением является наличие минимальных зазоров между пуансонами и направляющими их конструкциями, поскольку, в противном случае, металл может затекать в такие зазоры, снижая тем самым усилие деформирующего прижима. В результате кольцевая зона вокруг пуансонов может иметь пониженную прочность соединения.

Геометрия сварного стыка зависит только от формы пуансона. Таким образом можно получать различные фигурные соединения: звездочкой, крестом, ромбом и т.д.

Технология холодной пластической сварки проста, отличается высокой производительностью и многообразием конфигураций сварных стыков.

Особенности сварки трубопроводов

Особенность данного вида сварки труб под давлением в том, что шов не прямолинейный, а кольцевой или круговой. При разработке технологии учитывают толщину стенок и то, чтобы шов получился герметичным.

Сварка давлением отвечает всем условиям. В этом случае используют простые приспособления и специальный инструмент, позволяющие равномерно прижимать кромки соединяемых тонкостенных трубопроводов. Качество сварного контакта зависит от подготовки свариваемых поверхностей. Если все сделано правильно, то получается прочное и надежное соединение, можно сваривать и разнородные металлы.

Во время сварки трубопроводов получается круговой шов.

Обработанные торцы труб центрируют, после чего сжимают. Место стыка нагревают петлевым индуктором до температуры 0,8-0,9 от температуры плавления материала. Нагретые плоскости сжимают, в результате чего получается плотный и надежный шов.

Особенности сварочного процесса труб под давлением

Если вы прибегли к использованию ручной сварки стали, на маркировке которой указана цифра 20, то в данном случае понадобятся электроды типа Э42А, диаметр которых не превышает 3 мм. Важно, чтобы используемые электроды были покрыты рутилом или фтористым кальцием. Прежде чем приступить к процессу сварки, места стыков труб необходимо разогреть до 300°С. Если вы свариваете трубы из более тонкой стали – до вполне достаточно будет нагреть их до 200°С.

Чтобы сварить водопроводные трубы из оцинкованной стали, следует применять самозащитную проволоку, диаметр которой варьируется в промежутке от 0,8 до 1,2 мм. Трубы из обычной стали свариваются внахлест.

От толщины стенок трубы зависит количество накладываемых слоев сварки. Минимальное количество пластов – 4, максимальное – 10.

Если вы применяете сварку полуавтоматом под флюсом, то здесь следует использовать удлиненный мундштук и специальную воронку. Также учитывается толщина труб, исходя из которой определяется количество слоев.

Обратите внимание! После завершения любого вида сварки, необходимо снять внутренние термические напряжения. Чтобы осуществить данные манипуляции, нужно произвести термическую обработку стыков с каждой стороны шва на дистанции 10 см.