2.1.1. Особенности формирования соединений при сварке давлением
Применение механической энергии при сварке давлением позволяет реализовать целый ряд преимуществ по сравнению со сваркой плавлением. Эти преимущества определяются, в первую очередь, тем, что механическая энергия гораздо менее инерционна, чем тепловая, а при ударно-импульсных нагрузках вообще безинерционна. При этом отсутствуют характерные для сварки плавлением недостатки, обусловленные достаточно длительным термическим воздействием на свариваемые материалы: литая структура металла шва, значительные размеры зоны термического влияния, остаточные напряжения и деформации и др.
По современным представлениям процесс образования соединения при любых способах сварки без расплавления протекает в три стадии.
1. Образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых материалов за счет пластической деформации на расстояние, при котором становится возможным квантово-механическое взаимодействие электронных оболочек поверхностных атомов.
2. Активация контактных поверхностей (образование активных центров). Активация контактных поверхностей начинается уже в процессе их сближения при смятии отдельных микровыступов за счет совместной пластической деформации.
3. Объемное взаимодействие. Эта стадия наступает с момента образования активных центров на соединяемых поверхностях. В течение третьей стадии происходит развитие взаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта с образованием прочных связей, так и в объеме зоны контакта. Для обеспечения требуемой прочности соединений часто необходимо дальнейшее развитие процессов рекристаллизации или диффузии.
Известно, что реальные металлические поверхности имеют сложное геометрическое и физическое строение. На первой стадии формирования соединений при сварке давлением реализуются процессы по развитию максимальной площади фактического контакта и очистке поверхностей от окислов и адгезионных наслоений.
Каждый процесс сварки давлением может обеспечить высокое качество соединения в том случае, когда все оксидные и адсорбционные наслоения в плоскости контакта в процессе плавления растворяются в расплаве или полностью выдавливаются из плоскости свариваемого контакта при операции осадки.
Первое условие полностью соблюдается при контактной точечной и шовной сварке, второе условие выполняется при контактной стыковой, холодной, ультразвуковой и сварке трением.
Особый характер имеет очистка поверхностей при сварке взрывом и диффузионной сварке в вакууме. При сварке взрывом поверхности очищаются воздушно-плазменной кумулятивной струей. При диффузионной сварке в вакууме в зависимости от свариваемых сочетаний материалов могут реализоваться различные механизмы удаления оксидных слоев: диссоциация, растворение, восстановление и другие.
Активация контакта (вторая стадия) - это процесс преднамеренного повышения энергии в поверхностных слоях или по плоскости контакта, или, дополнительно к этому, в некотором объеме металла вокруг контакта. Энергия активации может быть получена за счет любого физического процесса. Механическая энергия, вводимая в свариваемый контакт, весьма универсальна и безинерционна по сравнению с тепловой, что имеет весьма важное значение.
Все процессы сварки давлением отличаются друг от друга временной программой деформирования соединения (осадки). Можно выделить следующие процессы осадки:
- длительно действующие при постоянном давлении (диффузионная сварка);
- ударно-импульсные (сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка);
- специально программированные по силе сдавливания и времени её действия (контактная, холодная, трением, ультразвуковая, диффузионная).
На третьей стадии процесса сварки давлением развиваются процессы взаимной диффузии, рекристаллизации, в отдельных случаях образования химических соединений (интерметаллидов, карбидов и т.п.), формируется напряженное состояние в зоне сварки.
Важную роль в получении качественных сварных соединений играют процессы образования химических соединений при сварке разнородных материалов. Так, например, в системе Cu-Al могут образовываться интерметаллиды трех видов CuAl2, CuAl, Cu2Al3. Зависимость величины интерметаллидной фазы (у) от времени t может быть описана известным уравнением уn=k(t+t0), где t0 - общий латентный период образования зародышей интерметаллида; k - коэффициент роста интерметаллида, п - экспериментально определяемый показатель степени.
Качество сварного соединения в значительной степени зависит от толщины интерметаллической прослойки, возникающей в контакте. При критических толщинах (десятки микрон) прочность сварных соединений резко падает. В связи с этим возникает необходимость предотвращения появления и роста интерметаллических прослоек. Основными направлениями для ограничения образования и роста интерметаллических соединений являются: оптимизация режимов сварки; применение специальных "барьерных" прослоек.
Барьерные прослойки изготавливаются из металлов, хорошо растворимых в основных металлах. Барьерные прослойки могут состоять из одного или нескольких слоев. Например, при диффузионной сварке титановых сплавов со сталями используют прослойку, состоящую из трех компанентов: ванадия, меди, никеля.
2.2.2. Контактная сварка
Электрическая контактная сварка относится к одному из наиболее распространенных видов сварки. Этим способом сваривают до 30% всех сварных изделий.
Все способы контактной сварки, основные из которых точечная, шовная, стыковая, объединяет то, что для формирования соединений используются различные программируемые сочетания электрической и механической энергии. Причем электрическая энергия вводится в контакт между деталями путем пропускания через него сварочного тока, а механическая - путем сдавливания и пластического деформирования материала в зоне сварки.
Стыковая контактная сварка - сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по поверхности стыкуемых торцов (рис.2.11).
Свариваемые детали закрепляются соосно в зажимах сварочной машины, являющихся одновременно токоподводами. Применение понижающего трансформатора обеспечивает получение больших токов в сварочной цепи.
При сварке теплота, частично или полностью используемая на полезный нагрев, выделяется в контакте между торцами свариваемых стержней за счет контактного сопротивления Rк и в самих стержнях с собственным сопротивлением R cт. Контактным сопротивлением между электродами и свариваемыми стержнями R э можно пренебречь, так как оно относительно мало и выделяемая на нем теплота практически не сказывается на нагреве зоны сварки. Наличие контактного сопротивления и отвода тепла в токоподводящие устройства обеспечивают превалирующий нагрев приконтактных областей соединения.
Основные параметры режима стыковой сварки: сила тока и его плотность, время пропускания тока, усилие сжатия.
Получили распространение способы стыковой сварки сопротивлением и оплавлением. При сварке сопротивлением стык деталей, плотно сжатых осевой силой, нагреваются током до температур, меньших температуры плавления. В процессе последующей осадки они пластически деформируются и свариваются. При сварке сопротивлением трудно добиться равномерного нагрева соединяемых деталей по всему сечению; при этом не обеспечивается полное удаление окисных пленок из стыка, поэтому она используется ограниченно для изделий относительно небольшого сечения (до 200 – 300 мм 2).
Сварку оплавлениемподразделяют на сварку непрерывным оплавлением и оплавлением с подогревом. Сварка оплавлением начинается с медленного сближения до соприкосновения торцов при включенном сварочном трансформаторе, но без сдавливания их заметной силой. В момент касания торцов между ними образуется контакт, электрическое сопротивление которого из-за отсутствия сжимающих сил относительно велико. При протекании через такой контакт сварочного тока выделяется большое количество теплоты, и окружающий его металл почти мгновенно плавится, образуя между торцами деталей жидкие перемычки. При дальнейшем нагреве током перемычки взрываются. Это приводит к выбрасыванию из зазора между торцами частиц металла в виде искр и некоторому укорочению деталей. При постепенном их сближении образуются все новые контакты и перемычки, что приводит к интенсивному нагреву контактирующих концов деталей. После образования на торцах сплошного слоя расплавленного металла и достаточного прогрева деталей по длине они сдавливаются осевой силой (осаживаются). При этом расплавленный металл вытесняется из зазора, а расположенный под ним чистый, хорошо разогретый металл пластически деформируется и сваривается.
При сварке оплавлением с подогревом детали предварительно подогреваются методом сопротивления в процессе кратковременных замыканий их торцов, а затем оплавляются. Сварка оплавлением используется при изготовлении конструкций как малых, так и больших сечений (до 100000 мм 2).
Стыковая сварка в настоящее время применяется для изготовления деталей из сталей, алюминиевых, титановых, медных сплавов и некоторых тугоплавких металлов. Например, в производстве ЛА стыковая контактная сварка используется для изготовления шпангоутов больших размеров, соединения отдельных секций герметичных отсеков ракет и т. д. Ею можно соединять детали, как с компактными, так и с развитыми, сложными сечениями.
Контактная точечная сварка - один из высокопроизводительных способов контактной сварки, при котором соединение получается между торцами электродов, подводящих ток и передающих силу сжатия. Контактная точечная сварка выполняется на специальных машинах (рис.2.12). Машина состоит из сварочного трансформатора 1, переключателя ступеней трансформатора 2, прерывателя сварочного тока 3, регулятора времени 4, механизма сжатия деталей 5, электрододержателей 6 и электродов 7, датчика сварочного тока 8, прибора для измерения сварочного тока 9.
Основными параметрами режима точечной сварки являются: диаметр рабочей поверхности электродов dЭ, сила сжатия деталей Fсж ,сила сварочного тока Iсв , продолжительность его включения tсв.
Продолжительность отдельных составляющих цикла сварки (рис.2.13) - предварительное сжатие tсж ,сварка tсв, проковка tк и пауза tn - задаются настройкой регулятора времени.
На первой стадии сварки между соединяемыми поверхностях под действием приложенного усилия (Fсв) формируется предварительный (механический) контакт. На втором этапе происходят нагрев и расплавление металла в зоне соединения
(образование т.н. литого ядра) с одновременным формированием уплотняющего пояска по его периферии. На третьем этапе после выключения тока расславленный металл литого ядра кристаллизуется в условиях продолжающегося действия сварочного давления, что обеспечивает получение плотной структуры сварной точки. Такая схема процесса сварки обеспечивает высокое качество и исключает дефекты, например, несплошности и выплески жидкого металла.
Важными условиями получения качественных соединений являются образование литого ядра определенной формы и размеров, а также предотвращение выплесков расплавленного металла из него. Нормативно - техническими документами устанавливаются следующие конструктивные элементы соединений, выполненных контактной точечной сваркой (рис.2.14): S и S1 - толщины деталей, d - расчетный диаметр литого ядра точки; h и h1 - величина проплавления; g и g1 - глубина вмятины.
Расстояние от центра точки до края нахлестки должно быть не менее половины минимальной величины нахлестки. Величина проплавления h, h1 должна быть от 20 до 80% толщины деталей. Глубина вмятины g, g1 не должна быть более 20% толщины деталей. Диаметр рабочей поверхности электрода dЭ обычно близок к расчетному диаметру литого ядра точки d.
Соединения, выполненные контактной точечной сваркой испытывают на срез или на отрыв.
Циклограммы контактной точечной сварки могут быть разнообразными. Рассмотрим в качестве примера полный цикл сварочного процесса с программированным изменением давления и тока (рис.2.15). Цикл начинается с того, что электроды сжимают детали силой P1 в 1,5...2 раза большей, чем это предусматривается режимом сварки. Такого рода предварительное обжатие деталей весьма желательно при сварке крупногабаритных и тяжелых конструкций, которые обладают некоторой собственной конструктивной упругостью или жесткостью. Через некоторый момент времени повышенное
давление уменьшается до режимного, сварочного P2, и в тот же момент включается ток подогрева контакта Iпд , переходящий затем в сварочный ток Iсв в 1,5...2 раза больший, чем подогревающий. Если свариваемые детали оказались способными принять нежелательную сильную закалку, её снимают отжигающим током Iотж. При таком цикле переменными являются не только амплитуды или действующие значения токов, но и все параметры времени.
Разновидностью контактной точечной сварки является рельефная сварка. Сварка в данном случае происходит по предварительно подготовленным в металлических изделиях выступам (рис.2.16). Первоначальный контакт деталей осуществляется
по ограниченной рельефами площади. Форма выступов в сечении может быть, например, в виде полукруга или трапеции. Наличие рельефа дает возможность обеспечивать концентрированный нагрев в месте контакта при больших плотностях тока. В дальнейшем выступы под давлением Р электродов постепенно деформируются. На определенной стадии происходят плавление металла и образование соединения по всему контуру рельефа. Обычно на поверхности деталей выполняется несколько рельефов или один выступ замкнутой формы в виде кольца. В первом случае детали соединяются одновременно в нескольких точках, во втором образуется непрерывный герметичный шов (контурная рельефная сварка). Рельефная сварка применяется для деталей небольших размеров из-за значительной потребляемой мощности.
Шовная сварка обеспечивает соединение элементов внахлестку вращающимися дисковыми электродами в виде непрерывного или прерывистого шва (рис.2.17). В зависимости от характера вращения роликов различают непрерывную и шаговую (прерывистую) шовную сварку.
При непрерывной сварке ток подается при вращающихся роликах непрерывно или в виде импульсов при постоянном давлении на электродах. Импульсная подача тока (рис.2.18 а) во многих случаях является более оптимальной. Точка образуется в этом случае при прохождении каждого отдельного импульса. Перемещение свариваемых деталей и частота импульсов выбираются так, чтобы точки перекрывали друг друга на 30...50%, тогда соединение получится плотным. При большой скорости перемещения деталей и малой частоте импульсов можно получить прочные, но не герметичные швы, аналогичные швам, полученным точечной сваркой.
При сварке некоторых материалов и прежде всего алюминиевых сплавов рекомендуется шаговая (прерывистая)сварка(рис.2.18 б, в). Она заключается в том, что в период подачи сварочного тока дисковые электроды (ролики) неподвижны относительно изделия, а перемещение изделия происходит вследствие периодического поворота электродов на небольшой угол в паузах между импульсами тока. Такой режим сварки ускоряет кристаллизацию точки, улучшает условия охлаждения роликов, уменьшает их износ, стабилизирует качество точки. Давление на электродах может быть постоянным (рис.2.18 б) или увеличиваться в конце сварки (рис.2.18 в), что позволяет осуществлять проковку точки.
Характеры образования соединения при точечной сварке и при шовной, особенно при шаговой, практически аналогичны друг другу. С определенным приближением шовную сварку можно рассматривать как особый случай точечной, когда расстояние между точками минимально. Однако следует иметь в виду и некоторые особенности шовной сварки. Прежде всего это касается параметров режимов сварки. Так, из-за значительного шунтирования через ранее сваренные точки при шовной сварке требуются большие мощности, чем для точечной. С учетом более жестких режимов при шовной сварке и шунтирования сила тока по сравнению с точечной выбирается больше на 20...60%.
Достоинства шовной сварки – прочные и плотные швы, высокая производительность, возможность полностью автоматизировать процесс - обеспечили ей широкое применение в промышленности. Она используется, например, при изготовлении различных узлов авиационно-космической техники. С ее помощью соединяют шпангоуты с цилиндрическими обечайками авиационных двигателей, детали приборов.; особенно, там где нужна герметизация. Это прежде всего - топливные баки, герметичные сосуды и контейнеры самого различного назначения.