Технологические схемы холодной сварки
Холодная сварка — способ соединения деталей при комнатной (и даже отрицательной) температуре, без нагрева внешними источниками. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающее напряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение. Холодной сваркой можно соединять, например, алюминий, медь, свинец, цинк, никель, серебро, кадмий, железо. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими способами сварки при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды.
Холодная сварка — сложный процесс, протекающий только в условиях пластической деформации. Без пластической деформации в обычных атмосферных условиях, даже прилагая любые удельные сжимающие давления к соединяемым заготовкам, практически невозможно получить полноценное монолитное соединение. Роль деформации при холодной сварке заключается в предельном утонении или удалении слоя оксидов, в сближении свариваемых поверхностей до расстояния, соизмеримого с параметром кристаллической решетки, а также в повышении энергетического уровня поверхностных атомов, обеспечивающем возможность образования химических связей.
Качество сварного соединения определяется исходным состоянием контактных поверхностей, давлением (усилием сжатия) и степенью деформации при сварке. Оно 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.
Точечная сварка — наиболее простой и распространенный способ холодной сварки. Её применение рационально для соединения алюминия, алюминия с медью, армирования алюминия медью. Ею можно заменить трудоемкую клепку и .
При холодной точечной сварке (рис. 3.44, а) зачищенные детали 1 устанавливают внахлестку между пуансонами 3, имеющими рабочую часть 2 и опорную поверхность 4. При вдавливании пуансонов сжимающим усилием Р происходит деформация заготовок и формирование сварного соединения. Опорная поверхность пуансонов создает дополнительное напряженное состояние в конечный момент сварки, ограничивает глубину погружения пуансонов в металл и уменьшает коробление изделия.
Прочность точек может быть повышена на 10–20% при сварке по схеме (рис. 3.45, а).
Свариваемые детали 1 предварительно сжимаются прижимами 2 или одновременно с вдавливанием пуансона 3. Наличие зоны обжатия вокруг вдавливаемого пуансона уменьшает коробление детали, повышает напряженное состояние в зоне сварки, что приводит к периферийному провару за площадью отпечатка пуансона. Но при этом возникают технические затруднения, связанные с созданием двух высоких давлений на малой поверхности и устранением затекания металла между пуансоном и прижимом. Этот способ позволяет сваривать малопластичные материалы.
Рис. 3.44. Схема холодной точечной сварки (а), геометрия сварного соединения (б) и формы пуансонов (в)
Рис. 3.45. Схема (а) и приспособление (б) для холодной точечной сварки с предварительным обжатием
Ввиду простоты способа точечной холодной сварки специальные машины для её выполнения большого развития не получили. Сварку успешно выполняют на самых различных серийных прессах с применением кондукторов, надежно фиксирующих свариваемые заготовки, чтобы исключить их коробление (рис. 3.45, б).
На рис. 3.46 (а) показана установка холодной сварки давлением, разработанная в Институте сварки (Россия). С помощью данной установки успешно соединяют алюминий с медью в электротехнике, энергетике, цветной металлургии; соединяют также медные контакты проводов, изготавливают кольца из меди и алюминия (рис. 3.46, б).
Шовная (роликовая) сварка характеризуется непрерывностью монолитного соединения. По механической схеме эта сварка аналогична холодной сварке прямоугольными пуансонами (рис. 3.47).
Рис. 3.46. Установка для холодной сварки (а) и примеры сваренных деталей (б)
Собранные заготовки 1 устанавливаются между роликами 2 и сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов 3 в металл. Затем ролики приводятся во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную деформацию, в результате которой образуется непрерывное монолитное соединение — шов. Шовная сварка бывает двусторонняя, односторонняя и несимметричная. Двусторонняя сварка выполняется одинаковыми роликами. При односторонней сварке один ролик имеет выступ, высота которого равна сумме выступов при двусторонней сварке, а второй является опорным, без рабочего выступа. При несимметричной сварке ролики имеют различные по размерам, а иногда и по форме рабочие выступы.
Односторонняя роликовая сварка чаще применяется для сварки разнородных металлов, сильно отличающихся твердостью. Рабочая часть ролика вдавливается в более твердый металл. Такая сварка при прочих равных условиях обеспечивает более прочные швы и при сварке однородных металлов.
При роликовой сварке металл свободно течет вдоль оси шва, что затрудняет создание достаточного напряженного состояния металла в зоне соединения. Поэтому для достижения провара требуется большая пластическая деформация (на 2–6%), чем при точечной сварке. Напряженное состояние в зоне роликовой сварки можно повысить, увеличивая диаметр роликов. Обычно диаметр ролика близок к 50δ, ширина рабочего выступа (1–1,5)δ, высота (0,8–0,9)δ, а ширина опорной части ролика, ограничивающая деформации, в 2–3 раза больше ширины рабочего выступа. Роликовая сварка алюминия толщиной 1,0 мм при свариваемости 27% выполняется со скоростью до 8–12 м/мин.
Для роликовой сварки применяются металлорежущие станки, например фрезерные; при сварке тонких пластичных металлов — ручные настольные станки.
Рис. 3.47. Схема холодной шовной сварки:
1 — детали; 2 — ролики; 3 — выступы
Одна из первых схем холодной стыковой сварки металлов, которая не потеряла практического значения до сих пор, приведена на рис. 3.48. Эта схема разработана К. К. Хреновым и Г. П. Сахацким. В корпусе 1 имеются гнездо для неподвижного конусного зажима 2 и направляющие для подвижного корпуса 3, в котором также расположен конусный зажим. После предварительной зачистки торцов детали 4 устанавливают в зажимы 2, которые имеют формирующие части с режущими кромками 5 и упором 6. Осадочное усилие прикладывается к ползуну 3, при его перемещении сжимаются торцы деталей и зажимаются с помощью конусов. В процессе осадки углубления 7 заполняются металлом раньше, чем встречаются опорные части 6. Поэтому, когда встречаются опорные части, в зоне сварки создается достаточное напряженное состояние. В стыке происходит провар, а остаток вытекающего металла отрезается кромками 5. В зависимости от расположения режущих кромок соединение может быть с усилением или без усиления.
Схема стыковой сварки, предложенная С. Б. Айбиндером, приведена на рис. 3.48, б.
Холодная сварка
Холодная сварка - метод получения неразъемного соединения однородных и разнородных пластичных металлов и сплавов при значительной совместной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых деталей. Соединение при холодной сварке образуется в результате возникновения металлических сил связи между соединяемыми частями при их совместной направленной пластической деформации , в процессе которой поверхностные оксидные пленки разрушаются и выносятся из зоны контакта, образуя при этом участки контакта ювенильных поверхностей. Пластическая деформация может происходить под действием нормальных к плоскости соединения или нормальных и тангенциальных сил.
Другие страницы по теме
Отсутствие внешнего нагрева в технологическом процессе холодной сварки даёт возможность сваривать упрочняемые металлы, не ухудшая их свойств, позволяет соединять электрические провода, имеющиe изоляциою, и разнородные металлы не образуя в стыке хрупкую интерметаллидную прослойку , вести процесс в взрыво- и огнеопасных средах, герметизировать ёмкости которые нельзя нагревать.
В радиоэлектронике и радиотехнике холодноя сварка применяется для герметизации корпусов в полупроводниковых приборах. В цветной металлургии она применяется для соединения титановых или алюминиевых катодных штанг c магистральными медными шинами. Холодной сваркой в приборостроении производят шасси приборов из алюминия и алюминиевых сплавов. В автомобильной промышленности она применяется для производства радиаторов из алюминиевых сплавов. В машиностроении используют её для изготовления переходных элементов из разнородных материалoв, которые используются в криогенной технике. Нa электрифицированном городском и железнодорожном транспорте - для соединения контактных медных (троллейбусных) проводов. Холодная сварка также используется для изготовления посуды, молочных фляг, бачков и др. изделий из алюминия.
Технологические схемы сварки .
Холодная точечная сварка может производиться без предварительного (рисунок 1, а, б) или с предварительным (рисунок 1, в , г) зажатием деталей с помощью одностороннего (рисунок 1, а, в) или двустороннего деформирования пуансоном (рисунок 1. б, г). Холодная сварка по замкнутому контуру выполняется, чтобы придать требуемую конфигурацию шва рабочему выступу пуансона.
Рисунок. 1. Схемы холодной сварки: а - д - точечная внахлестку; е - и- шовная; к - м- стыковая ; н - сдвигом (а, в, е, и - c односторoнним; б , г, д, ж, з - с двусторонним деформированием); к - с плоскими торцами; л - с заостренными; м - с конусной полостью зажимных губок; 1 - свариваемые детали ; 2 - пуансоны; 3 - рабочий выступ; 4 - опорная ограничивающая поверхность; 5 - прижимы; 6 - зажимные плиты; 7 - кольцевые выточки; 8 - рабочий ролик; 9 - опорный ролик ; 10 - матрица ; 11 - зажимные губки; 12 - клин; 13 - выступ клина; Рос - сила осадки; Рз - сила зажатия; Р - сила деформирования; Т - тангенциальная сила; N - нормальная сжимающая сила .
Рис. 2. Схемы сварки тавровых соединений: а, 6 - с односторонним деформированием; в, г - с двусторонним деформированием; 1 - пруток; 2 - зажимные губки; 3 - пластина ; 4 - пуансоны: 5 - опора; Рос - сила осадки; Р, - сила зажатия .
Шовная сварка реализуется двум я основными путями : пpи наличии нa рабочей части ролика отдельных «выступoв» можно получить многоточечную сварку c последовательным выполнением точек или же одновременным соединением деталей пo всей длине сварного шва. В первом случае сварка проводится вращающимися роликами (рисунок 1, е, ж) пpи одностороннем (рисунок. 1, е) или же двустороннем деформировании (рисунок 1, ж) . Вo втором случае холодная сварка осуществляется с помощью вдавливания пуансонов, как и в точечной сварке (рисунок 1, з, и). Пуансоны имeют рабочие выступы, кaк правило, кольцевой формы.
Схемы стыковой сварки отличаются между собой способами передачи силы осадки к месту сварки и ограничением объема материала, участвующего в пластической деформации (см . рис. 1, к -м).
При сварке тавровых соединений наиболее часто применяются на практике схемы, показанные на рис . 2, а и г .
При холодной сварке сдвигом одновременно создаются нормальные и тангенциальные силы (см . рис . 1, н). Нa сваренных заготовках отсутствуют вмятины oт вдавливания пуансона и пpактически сохраняется исходная толщина соединяемых деталей, т.к. в пластической деформации учaствуют тонкие слои металла, находящиeся в непосредственной близости oт поверхности раздела.
Холодная сварка, технологические возможности .
Номенклатура свариваемых этим методом материалов ограничена, что связано с требованием высокой пластичности металла . Холодной сваркой чаше всего соединяют алюминий и медь как в однородном, так и в разнородном сочетании . К числу сваривающихся металлов следует также отнести серебро, свинец, золото , никель, кадмий, цинк , олово, титан, ниобий. Возможность получения работоспособных соединений разнородных металлов, в том числе плохо свариваемых сваркой плавлением, делает холодную сварку особенно ценной и перспективной.
Точечной сваркой соединяют листы толщиной до 12.. .15 мм, причем сварка без предварительного зажатия заготовок возможна при толщине ≤4 мм по причине значительного коробления деталей . Удается соединять разнотолщинные заготовки. Eсть примеры изделий, где разнотолщинность составляет 1 : 4 и больше. Заготовки могут соединяться внахлестку в однoй или нескольких точках последовательно или одновременно.
Стыковой сваркой соединяют проволоку и прутки круглого сечения диаметром 0,8. . .30 мм, полосы прямоугольного сечения с максимальной площадью для меди до 1000 мм 2 (100 х 10 мм ) и для меди с алюминием до 1500 мм 2 Принципиальных ограничений по увеличению свариваемого сечения нет. При сварке встык не изменяется конфигурация сечения соединяемых деталей. Холодная сварка позволяет получать соединения различных типов при разнообразном конструктивном их оформлении. Возможно получение стыковых соединений на трубах при определенном соотношении толщины стенки и диаметра.
Шовной сваркой можно получать непрерывный нахлесточный герметичный шов; методом прокатки (обжатием между цилиндрическими валками) - нахлесточные соединения листов и пластин по большой площади. Толщина деталей 0,3. ..5 мм.
Сварка тавровых соединений - способ холодной сварки двух деталей. При этом одна из заготовок обычно плоская, другая (привариваемая) можeт быть полосой, прутком или иметь другую форму. Можно получать соединения при толщине плоской детали дo 20 мм, пpи диаметре прутка дo 30 мм.
Сварка сдвигом соединяет полосы из меди, алюминия, никеля, армко-железа толщиной дo 4.. .8 мм.
При сварке происходит интенсивный наклёп металла. Поэтому прочность сварных соединений, выполненных без нарушений технологического режима, обычно выше, чeм у основного материала. В отсутствие значительного нагрева практически исключена возможность появлeния хрупких интерметаллидных прослоек (при сварке алюминия с медью, например), что обеспечивает высокую прочность и пластичность соединения. Сварной шов нe загрязняется посторонними примесями и обладает высокой химической однородностью, поэтому он имеет высокие показатели коррозионной стойкости, стабильности переходного электрического сопротивления.
Пo сравнению со сварными соединениями, выполненными другими методами, простотa подготовки деталей к сварке, лёгкость контроля параметров режима, отсутствиe вспомогательных материалов, тепло- и газовыделений, возможность дистанционного управления и быстротa процесса позволяют легкo автоматизировать холодную сварку. Этот процесс не требует высокoй квалификации сварщика-оператора. Удельныe затраты энергии нa сварку примерно нф порядок меньше, чем пзи сварке плавлением. Применение этогo метода помогает улучшению гигиенических условий производства.
Однако следует учитывать , что сварка каждого конкретно го изделия требует индивидуальной конструкции инструмента. При выполнении нахлесточных соединений на изделии остаются глубокие вмятины - следы от инструмента.
Оборудование для холодной сварки .
Оборудование для холодной сварки предназначется обычно для стационарных условий. Оно можeт иметь гидропривод, иногда - пневматический или пневмогидравлический. Различается оборудование для холодной точечной, стыковой и шовной сварки . Ручные инструменты применяются только для стыковой холодной сварки проводов небольшого сечения.
Машины для точечной холодной сварки содержат сварочный штамп (или же сварочную головку), силовой привод, аппаратуру управления. Автоматы и полуавтоматы имеют механизмы для подготовки поверхностей деталей под сварку. Одним из наиболее важных узлов машины является сварочный штамп . В нем предусмотрены сменные пуансоны. Наиболее широкое применение в промышленности нашла машина МХСА-50-3.
Для шовной холодной сварки применяют в основном машины с гидроприводом МХС-801, МХС-1201, МХС-2501 и МХС-5001.
В состав установок стыковой сварки обычно входят : сварочная головка, которая состоит из двух плит - подвижной и неподвижной; механизм зажатия; механизм осадки; аппаратура управления; сменные зажимные губки; вспомогательные приспособления и механизмы для удаления грата, отрeзки концов заготовки. Конструкция установки обеспечивает соосное положениe свариваемых деталей в течениe всегo процесса осадки. Механизм зажатия должeн предупредить проскальзывание деталей в губкаx в процессе осадки. Самое широкое применение в промышленности получили машины МСХС-2005, МСХС-5-3, МСХС-12003.
Машины для сварки тавровых соединений позволяют получать соединения деталей, расположенных перпендикулярно одна по отношению к другой. Машины МХС-40001 и МХС-250 .01 разработаны на базе серийно выпускаемого гидравлического пресса.
Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании
Публикации для людей, интересующихся наукой и техникой
Холодная сварка (ХС) – сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых поверхностей. Суть процесса заключается в сближении за счет пластической деформации свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними и получения таким образом прочного сварного соединения. При сдавливании, тонкий поверхностный слой толщиной менее 1 мкм соединяемых элементов нагревается до температуры плавления. ХС соединяются металлы, имеющие высокую пластичность при комнатной температуре (Al, Au, Ag, Cu, Ni, Pb и др.). В недостаточно пластичных металлах при больших деформациях могут образовываться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные, стыковые соединения (рис. 1) ей соединяют металлы и сплавы толщиной 0,2 - 15 мм.
Прочность соединения зависит от глубины вдавливания инструмента и качества подготовки поверхности. Минимальная глубина вдавливания инструмента определяется свойствами материала.
Определяющими характеристиками процесса являются давление и величина деформаций. В зависимости от состава и толщины свариваемого металла давление составляет 150–1000 МПа, степень относительной деформации 50– 90 %.
Рис. 1. Схема холодной сварки: а - сварка внахлестку (точечная);
б - сварка встык; в - шовная сварка
Выбор способа сварки определяется следующими факторами:
- маркой свариваемого материала;
- требуемыми свойствами сварного соединения;
- конструкцией сборочной единицы.
Необходимо принимать во внимание и дополнительные факторы, влияющие на выбор способа сварки, и рассматривать их с учетом конкретных условий производства сварной конструкции.
Работа машины для холодной стыковой сварки представлена на рис. 2.
Рис. 2. Последовательность работы на машине для холодной стыковой сварки
Точечной сваркой соединяют детали внахлестку без предварительного или с предварительным сжатием свариваемых деталей (рис. 3, 6). Точечная сварка без предварительного сжатия деталей может выполняться путем их двустороннего (рис. 3, а) или одностороннего сжатия (рис. 3, б).
Рис. 3. Схема точечной сварки без предварительного зажатия при двустороннем (а) и одностороннем (б) деформировании
Пуансон имеет выступ (2) и опорную часть (3) большого сечения (рис. 4). Под действием усилия (Ра) рабочий выступ внедряется полностью в деталь (1), где и образуется сварная точка. Усилие передается деталям не только через рабочие выступы, но и через опорные части. На рис. 4 показаны возможные формы свариваемых точек.
Площадь сварной точки равна площади сечения вдавливаемой части пуансонов, но при определенных условиях может ее превышать.
Рис. 4. Возможные формы сварных точек
Машина для холодной точечной сварки приведена на рис. 5.
Рис. 5. Машины для холодной точечной сварки
К технологическим параметрам точечной сварки следует относить также количество и расположение сварных точек.
Сварка с предварительным сжатием деталей позволяет избавиться от вмятин в металле при точечной сварке. Эта схема предполагает наличие двух переходов при сварке подготовительной и собственно сварочной.
Рис. 6. Схема точечной сварки с предварительным (а) и окончательным (б) деформированием
Вначале деталь 1 зажимают между двумя прижимами 2 и 3, имеющими отверстия (рис. 6, а). Отверстие в верхнем прижиме 2 предназначено для перемещения специального пуансона 4, а в нижнем - 3 для течения выдавливаемого металла, образующего выступ. При вдавливании пуансона 4 в деталь 1 на верхней её поверхности образуется углубление 5, в нижней части – выступ 6.
Аналогично подготавливают вторую деталь. Затем соединяемые поверхности деталей зачищают щетками, складывают и помещают в штамп (рис. 6, б). Их зажимают снова, после чего к выступам через сварочные пуансоны 7 прикладывают давление Рос. Углубления в процессе деформации заполняются металлом за счет материала выступов, в результате получается соединение внахлестку двух плоских деталей 8 без присущих холодной точечной сварке вмятин - следов вдавливания пуансонов. Этим способом можно получать соединения не только в виде круглых точек, но и кольцевых швов или швов в виде волнистых линий.
Шовная холодная сварка осуществляется двумя основными способами: последовательным выполнением перекрывающихся точек при непрерывном выполнении всего сварного шва или одновременном соединении деталей по всей длине шва (рис. 7). В первом случае сварка осуществляется вращающимися роликами. Подготовленные к сварке детали 1 складываются зачищенными поверхностями, помещаются между роликами 2 и 3, сдавливаются до полного проникновения в металл рабочих выступов 4. Затем ролики приводятся во вращение. При этом соединяемые детали перемещаются, и происходит их сварка по шву.
Холодная сварка роликами бывает односторонняя (рис. 7, а) и двусторонняя (рис. 7, б).
Рис. 7. Схема шовной холодной сварки: а - с односторонним; б - с двухсторонним деформированием
Односторонняя сварка выполняется роликами, ролик 2 имеет рабочий выступ 4, а ролик 3 гладкий и служит лишь опорой. Такая схема сварки применяется, при соединении деталей из одного и того же материала. Разновидностью сварки роликами является шовно-точечная и соединение по всей длине шва.
Сварка с двухсторонним деформированием осуществляется вдавливанием пуансонов подобно точечной сварке. Пуансоны имеют рабочие выступы 4 кольцевой формы. Как и при точечной сварке, применяется одностороннее или двустороннее деформирование металла. Отдельное место занимает шовная сварка, позволяющая изготавливать изделие без отбортовки, а также соединять трубы с расположенными внутри них перегородками.
Сварка тавровых соединений – способ холодной сварки двух деталей. Одна из заготовок, как правило, плоская, а другая (привариваемая) может быть прутком, полосой или иметь иную форму. Получены соединения при диаметре прутка до 30 мм, толщине плоской детали до 20 мм.
Сварка сдвигом – соединяют полосы из алюминия, меди, никеля толщиной до 4…8 мм. При этом способе сварки относительный сдвиг деталей осуществляется под действием тангенциальных усилий.
При ХС наблюдается интенсивный наклеп металла. В силу этого прочность сварного соединения, выполненного без нарушения технологического режима, выше, чем у основного материала. Отсутствие значительного нагрева практически исключает возможность появления хрупких интерметаллидных прослоек, обеспечивая тем самым высокую пластичность и прочность соединения. Сварной шов не загрязняется посторонними примесями, обладает высокой химической однородностью и поэтому имеет высокие показатели по коррозионной стойкости и стабильности электрического переходного сопротивления. По сравнению с соединениями, выполненными другими методами, простота подготовки деталей к сварке, легкость контроля параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газо- и тепловыделений, возможность дистанционного управления и быстрота процесса позволяют легко автоматизировать ХС. Процесс не требует высокой квалификации сварщика-оператора. Удельные затраты энергии при сварке на порядок меньше, чем при сварке плавлением. Применение этого метода способствует улучшению гигиенических условий на производстве.
Сварка встык - подлежащие сварке стержни 1 (рис. 8) зажимают в зажимах (2). Концы свариваемых деталей выпускают из зажимных губок на определенную длину, называемую вылетом. При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения, и острый край, зажимая, обрубает выдавленный металл.
Рис. 8. Схема хс встык
Таким способом свариваются стержни и проволока круглого квадратного и прямоугольного сечения, полосы и т.п. Место сварки получается чистым и не требует последующей обработки. Металл в зоне сварки упрочняется вследствие наклепа, и разрыв при испытаниях происходит всегда вне зоны сварки.
Технология сварки. Для получения прочного и надежного неразъемного соединения деталей ХС важное значение имеет способ обработки поверхностей свариваемых деталей. Это механическая обработка вращающимися щетками из стальной, латунной или никелевой проволоки диаметром 0,2…0,3 мм. Диаметр щеток может быть от 50 до 200 мм, частота вращения 25…50 с, линейная скорость на поверхности щеток 15…60 м/с. Зачистка производится до получения ровной матовой поверхности. Для соединения алюминия и его сплавов наиболее эффективен способ подготовки свариваемых поверхностей – обрезка концов деталей перед сваркой. Срез должен быть перпендикулярным к продольной оси.
Широко применяется стыковая сварка с многократной осадкой торцов без их подготовки. При этом каждый раз устанавливается вылет соединяемых деталей в губках сварочной машины.
Весьма эффективен термический способ подготовки путем прокаливания деталей при температуре 300…400 ℃ на воздухе. Однако для медных деталей этот способ не подходит.
Возможны и химические способы подготовки путем обезжиривания различными растворителями. Однако эти способы нетехнологичны, так как требуют большого количества дорогих растворителей.
Промышленное применение холодной сварки (ХС). Наиболее широко холодная сварка применяется в электротехнической промышленности. С ее помощью успешно заменяют дефицитную медь алюминием в качестве токопроводящего материала. ХС обеспечивает безотходное изготовление обмоток электрических машин и трансформаторов, замена штамповки медных коллекторных пластин электрических двигателей на холодную сварку позволяет сократить отходы металла в 8…10 раз.
В радиоэлектронике холодную сварку применяют для герметизации корпусов полупроводниковых приборов, для стыков соединения электродов радиоламп; в цветной металлургии – для соединения алюминиевых или титановых катодных штанг с магистральными медными шинами; в приборостроении – для изготовления шасси приборов из алюминия и его сплавов;
в машиностроении – при изготовлении переходных элементов из разнородных материалов, используемых в криогенной технике; на электрифицированном железнодорожном и городском транспорте – для соединения медных контактных проводов. Также ХС используют при изготовлении посуды, бачков, молочных фляг и других изделий из алюминия. Замена хс механических соединений контактных проводов на электрифицированном транспорте дает следующие преимущества:
- Повышается надежность соединений за счет улучшения качества контакта, уменьшаются искрение и местный износ провода.
- Достигается экономия металла за счет отсутствия зажимов и клемм, а также полного использования короткомерных обрезков провода.
- Уменьшаются радиопомехи и улучшаются условия прохождения электротранспорта при высоких скоростях движения. ХС - это надежный способ присоединения медных выводов к концам алюминиевых обмоток и шин, что обеспечивает стабильный электрический контакт в разъемных соединениях элементов электротехнических изделий. Это дает возможность заменять медь алюминием в качестве токопроводящего материала без снижения срока службы изделий.
ХС – уникальный способ получения тавровых и штыревых соединений алюминиевых деталей с медными. Она позволяет получить Т-образные и угловые соединения плоских шин и механизировать процесс сборки шинопроводов. Применение ХС сводит к минимуму отходы меди при изготовлении коллекторных пластин электрических двигателей. Точечная холодная сварка – наиболее экономичный и производительный путь замены клепки в производстве изделий из алюминия.
Надеюсь теперь вы разобрались с ХС, какие типы и какие материалы можно сваривать. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут.
Шестель, Л.А. Специальные методы сварки и пайка - файл n1.doc
В начале 40-х годов XX в. некоторые исследователи утверждали, что причиной образования цельнометаллического соединения при холодной сварке является рекристаллизация металла. Они считали, что при значительных деформациях температура рекристаллизации снижается, а выделяемое при этом тепло достаточно для нагрева металла до этой температуры. Однако такие утверждения оказались несостоятельными, так как предложенная теория не в состоянии была объяснить целый ряд явлений, например, такие как теплоотвод из зоны контакта, а также время рекристаллизации.
В настоящее время принято следующее объяснение механизма образования соединения при холодной сварке. При сближении свариваемых поверхностей металлических деталей между ними возникают незначительные по величине гравитационные и межмолекулярные силы, однако их совершенно недостаточно для получения прочных связей. При сближении двух поверхностей происходит и поляризация электронов, так как известно, что металлы представляют собой конгломерат из ионов, находящихся в углах кристаллической решётки, и взаимодействие электронов с ионами создаёт связи между атомами металла и, таким образом, монолитное соединение между деталями.
Холодная сварка возможна лишь для тех металлов, которые имеют высокую пластичность, покрытые твёрдой и хрупкой плёнкой, и при деформировании таких металлов хрупкая плёнка разрушается, вытесняется из зоны контакта, освобождая чистую металлическую поверхность двух соединяемых деталей.
В зависимости от отношения твёрдости окисла к твёрдости металла, степень деформации, необходимая для получения прочного соединения, будет различна (табл. 1.1).
Критерии свариваемости пластичных металлов
Металл | Пластическая деформация, % | Отношение твердости окисла к твердости металла |
Алюминий | 60 | 4,5 |
Кадмий | 84 | 1,5 |
Свинец | 84 | 1,33 |
Медь | 86 | 1,3 |
Никель | 89 | 1,1 |
То есть основным критерием осуществления холодной сварки металлов является его пластичность и отношение твёрдости окисла и твёрдости металла. Органические вещества весьма эластичны и практически при любых деформациях не теряют сплошности, тем самым исключают возможность получения сварного соединения.
Подготовка деталей к холодной сварке. Основной целью предварительной подготовки деталей является наиболее тщательное освобождение соприкасающихся поверхностей свариваемых деталей от плёнок окислов и органических веществ, а оксидные плёнки разрушаются непосредственно при сварке. При этом лучшие результаты даёт механическая очистка вращающейся стальной щёткой. Химическое обезжиривание деталей не всегда даёт положительные результаты. При сварке алюминиевых деталей можно применять подготовку прокаливанием при температуре 350–400 єС и свободном доступе воздуха (для полного выжигания адсорбированных на поверхности деталей органических плёнок).
Очищенные стальной щёткой, а также подготовленные прокаливанием детали не должны загрязняться. Даже незначительные загрязнения (отпечаток пальцев) могут сделать холодную сварку невозможной. Медные детали могут быть подготовлены к холодной сварке гальваническим никелированием. Никелированные детали необходимо предохранять от загрязнения. Перед сваркой поверхности этих деталей следует протирать чистой сухой ветошью. Хромировать детали с целью подготовки их к холодной сварке нецелесообразно, так как при сварке они дают заниженную прочность соединения.
Технологические схемы сварки. С помощью холодной сварки можно осуществлять соединения внахлёстку, встык и втавр.
При сварке внахлёстку применяются следующие схемы: сварка без предварительного зажатия деталей и сварка с предварительным зажатием деталей.
Недостатком при сварке без предварительного зажатия является то, что может происходить коробление деталей, т. е. рабочие выступы пуансона вдавливаются в металл и вызывают его течение. Без предварительного нажатия можно сваривать лишь детали малых толщин до 4 мм.
Рис. 1.1. Схемы холодной сварки:
а – одностороннее деформирование; б – двухстороннее деформирование;
в – двухстороннее (пуансоны с заплечиками);
г – двухстороннее с периферийной зоной обжатия
При сварке с предварительным зажимом прочность на 20 % выше, причем она зависит от величины деформации свариваемых деталей.
Пуансоны, как правило, должны иметь заплечики, наличие их улучшает образование соединения по периферии пятна.
Сварное соединение получается не только непосредственно под пуансоном, но и по периферии пятна. Соединение внахлёстку выполняется как точками, так и непрерывным швом, при этом ширина и диаметр пуансона определяются в зависимости от толщины свариваемого металла из соотношения
b = (1–3) ?.
Сварка внахлёстку может производиться как с двухсторонним, так и с односторонним деформированием. Если одна из сторон свариваемых деталей должна оставаться гладкой, то в этом случае желательно применять сварку с односторонней деформацией. При этой схеме сварки максимальная прочность соединения наступает при вдавливании пуансона на 55 % от суммарной толщины изделия.
Шовная контактная сварка. Кроме точечных соединений и линейных швов ограниченной длины с помощью холодной сварки можно получать швы и неограниченной длины, при этом деформирование металла осуществляется вдавливанием в него рабочего выступа вращающихся роликов.
Однако прямолинейный непрерывный шов вследствие значительного уменьшения сечения по всей длине соединяемых деталей сильно снижает прочность сварного соединения. Применение находит этот метод при сварке по отбортовке.
Скорость вдавливания пуансонов в металл при холодной сварке на прочность соединения влияния не оказывает. Опыты показывают, что прочность не меняется, если нагрузка прикладывается ударно, или если скорость составляет 0,02 мм/сек. (медленное сжатие). Этот факт ещё раз подтверждает то, что холодная сварка не связана с тепловыми эффектами.
Сварка встык. При стыковой сварке соединяемые детали закрепляются в специальных, расположенных соосно, зажимах.
Считается, что при заострённых зажимах усилие сжатия меньше, чем при сварке с плоскими зажимами: для Al в 1,8 раза, Cu в 1,5 раза.
Применение различных конструкций зажимов отражает различные мнения исследователей. Авторы заостренных зажимов считают, что металл в плоских зажимах плохо «течет» при его деформации от центра к периферии. Другие авторы (академик Хренов) считают, что «течение» металла должно быть затрудненным, и для этого в зажимах делают кольцевые углубления, которые заполняются вытесненным металлом и после сварки на деталях остаются в виде выступов. При использовании плоских зажимов выдавливаемый из стыка металл губками расплющивается, что требует дополнительного усилия сжатия.
А при использовании заострённых зажимов выдавливаемый металл-грат срезается.
Технологические параметры сварки. При изучении влияния встык усилий того или иного технологического параметра на качество соединения выбираются критерии качества сварки. Соединения, полученные с помощью холодной сварки, испытываются на растяжение, а также на статический и динамический изгиб. Исследования процесса холодной сварки показали, что основным параметром технологического процесса является степень пластической деформации.
При сварке внахлёстку деформацию определить просто, при сварке же встык возникает ряд трудностей, так как неизвестно по отношению к какой длине определить величину деформации. Ряд исследователей степень деформации при сварке встык определяют отношением разности между общей длиной свариваемых концов, выступающих из губок, до сварки h0 и длиной концов этих образцов после сварки hk к общей длине их до сварки:
Однако размеры h0 являются произвольными. Считается также, что степенью деформации является длина выпущенного из зажимов свободного конца свариваемого образца, которая полностью должна быть при сварке деформирована, т. е. выдавлена из зоны сварки и срезана.
Экспериментально установлено, что длина выпущенного из зажима конца в таком случае должна быть: для Al – (1–1,2)d; Cu – (1,2–1,8)d; Pb – (0,9–1,0)d;
Ag – (1,5–1,6)d. Кроме того, при больших (>15 мм) диаметрах выпуск должен быть не более половины d.
Усилие зажатия и осадки. Величина усилия зажатия деталей в губках должна составлять не менее 0,8 от усилия осадки, а усилие осадки для различных губок является различным. Для зажимов с углублением величина усилия осадки при сварке алюминия диаметром 1–8 мм составляет 250–180 кг/мм 2 , а для сварки меди диаметрами 0,8–5 мм – 800–650 кг/мм 2 .
Для плоских губок при сварке алюминия Pос=160–200 кг/мм 2 и для заострения губок усилие осадки равно: для алюминия – 70–80 кг/мм 2 , меди –
200–250 кг/мм 2 при сварке меди с алюминием – 150–200 кг/мм 2 .
Перед сваркой изделий встык зачищаются только торцы деталей. Если сваривают проволоку, то концы просто откусывают кусачками или специальными ножницами.
Механические свойства соединений можно изменять с помощью термообработки. В связи с тем, что скорость приложения нагрузки в процессе сварки на прочность соединения практически влияния не оказывает, то производительность холодной сварки может быть достаточно высокой.
Оборудование. Для холодной сварки могут быть использованы практически любые пресса. Однако сейчас разработан (во ВНИИЭСО) ряд промышленных установок и полуавтоматов, а также различных приспособлений.
Например, установка УГХС-5 предназначена для точечной сварки алюминиевых шин толщиною 5+5 мм в монтажных условиях. На ней можно сваривать и любые другие детали. Как в стационарных, так и в монтажных условиях сварка выполняется внахлёстку. Установка пневмогидравлическая, управляется с пульта. Усилие при сварке – 5 тонн, производительность – 400 сварок в час, расход воздуха на одну сварку – 0,012 м 3 , имеются выносные клещи 7 кг, вес установки 120 кг.
Эксплуатируется установка МХСА-50, предназначенная для армирования алюминиевых шин и других деталей медными обкладками. Производительность – 300 сварок в час. Усилие – 50 тонн, ход рабочего штока – 10 мм, расход воздуха – 10 м 3 в час. Вес – 240 кг.
Имеется установка МХСК-1 для сварки алюминиевых корпусов конденсаторов с крышками. Корпуса могут быть круглого D = 50 мм и прямоугольного сечения 4545 мм. Производительность машины 750 сварок в час.
Разработан ряд клещей, например КС-6, предназначенных для ручной сварки проводов встык.
Имеются машины для сварки троллейных проводов, например машина МСХС-60 может сваривать алюминиевые стержни сечением до 700 мм 2 и медных до 250 мм 2 . Осадочное усилие машины составляет 60 тонн, а максимальное 90 тонн.
Холодная сварка сдвигом. В последнее время предложено холодную сварку осуществлять путём сдавливания деталей с одновременным тангенциальным сдвигом. При сварке сдвигом механизм образования сварного соединения несколько иной. При простой сварке поверхности свариваемых деталей деформируются незначительно. При приложении же тангенциального перемещения происходит активное удаление (сдирание) оксидных плёнок и загрязнений с образованием достаточно большой площади, очищенной от окисных и жировых пленок при сравнительно небольшой деформации металла. Основными параметрами при холодной сварке сдвигом является величина удельного давления и величина сдвига. Удельное давление должно быть максимальным, но достаточным для осуществления относительного перемещения свариваемых поверхностей. Например, достаточным перемещением поверхностей, обработанных перед сваркой напильником, является сдвиг на 5–7 мм.
Области применения холодной сварки. Холодная сварка находит широкое применение в промышленности. Сваривают самые различные изделия из алюминия – оболочки кабелей, корпуса полупроводников, конденсаторов.
В 1951 году на Ленинградском заводе «Электрик» было налажено серийное производство алюминиевых электрочайников, полностью изготовляемых с помощью холодной сварки. При этом применялась шовная сварка и внахлест.
В больших масштабах применяется сварка меди с алюминием. Холодная сварка применяется при изготовлении теплообменников, при этом на поверхность алюминиевых листов наносят краской рисунок будущих трубок, затем
2 листа сваривают, а после сварки пропускают под давлением масло, в участках, где была краска, металл раздается под давлением, и формируются трубки.
Можно ещё перечислять случаи применения холодной сварки. Однако области её применения ещё не определились. Можно полагать, что в будущем она найдёт ещё большее применение.
Читайте также: