Сварка давлением

Сварка давлением — это процесс соеди­нения поверхностных слоев деталей. При соединении происходит активная диффузия частиц, ведущая к полному исчезновению границы раздела и к прорастанию через нее кристаллов.

В современном машиностроении и приборостроении сварку давлением осуществляют несколькими путями в зависимости от типа изделий и требо­ваний, которые к ним предъявляются.

Контактная сварка широко применяется в машиностроении для изготов­ления изделий и конструкций, главным образом из сталей. Она относится к сварке с применением нагрева и давления. Нагрев осуществляется электри­ческим током, который проходит через место контакта двух свариваемых дета­лей. Давление, необходимое для сварки, создается или электродами, подводящими электрический ток, или специальными приспособлениями.

Различают три разновидности кон­тактной сварки: точечную — отдель­ными точками (рис. 105), применяемую для тонколистовых конструкций из стали (например, кузова автомашин). Сваривае­мые заготовки 1 зажимаются между элек­тродами 2, через которые проходит элект­рический ток большой силы от вторичной обмотки понижающего трансформатора 3, Место контакта свариваемых частей разо­гревается до высокой температуры, и под давлением усилия F происходит сварка; стыковую — оплавлением или давлением (рис. 106), применяемую для изготовления металлорежущего инструмента и др. В этом случае сваривае­мые детали 1 с силой стыкуются и удерживаются зажимами 2, к которым подводится электрический ток; роликовую (рис. 107, где 1 — свари­ваемые детали; 2 — ролики; 3 — электроды; 4 — источник энергии) — обес­печивающую непрерывный (герметичный) или прерывистый шов.

Рис. 105

Рис. 106

Рис. 107

В строительных конструкциях и в машиностроении сварка — основной способ получения неразъемных соединений деталей из сталей всех марок, чугуна, меди, латуни, бронзы, алюминиевых сплавов и пр.

Для сварки давлением характерны две стадии: 1) сближение соединяемых поверхностей заготовок до образования физического контакта и 2) появление на контактной поверхности активных центров химического взаимодействия, в которых устанавливаются межатомные металлические связи. С ростом пластической деформации в месте контакта количество и размеры активных центров увеличиваются и происходит качественное обновление поверхностей, что повышает прочность связей соединяемых заготовок.

Известно, что абсолютно чистую поверхность заготовки можно получить только механической обработкой в глубоком вакууме. При всех других видах обработки поверхности на воздухе неизбежно образование на ней оксидной пленки и пленок органического происхождения, а также адсорбирование газов, входящих в состав воздуха. Так, на отшлифованных поверхностях пластин из стали и алюминия мгновенно образуются пленки оксидов толщиной соответственно (20—50)•10-8 и (100—150)•10-8 см. Если механически обработанные заготовки продолжительное время находились на воздухе или были подвергнуты нагреву, то толщина пленки оксидов может увеличиться до (200—850)•10-8 см.

Высокая активность механически обработанных поверхностей объясняется тем, что все виды механической обработки сопровождаются пластическими деформациями, которые нарушают энергетическое равновесие обрабатываемой поверхности. Поверхностные атомы разрушенных кристаллов получают свободные связи, благодаря которым они мгновенно связываются с атомами и молекулами газов или жидкостей окружающей среды, восстанавливая таким образом свое энергетическое равновесие.

Кроме оксидных пленок соединяемые поверхности всегда покрыты слоем жировых и газовых молекул, а также слоем молекул паров воды. Природа образования этих покрытий носит адсорбированный характер, т. е. жировые и газовые молекулы соединяются с металлом так же, как и кислород.

До 1947 г. сварку давлением считали горячим процессом, а нагрев и диффузию — факторами, обусловливающими образование сварного соединения. Такое представление не объясняет ряда явлений и не согласуется с результатами теории и практики (холодная сварка).

В настоящее время главным фактором в процессе сварки считают пластическое деформирование, протекающее в контактных поверхностных слоях соединяемых элементов (деталей).

Действительно, пластическое деформирование, возникающее сначала на поверхностных слоях, как результат действия локальных (местных) напряжений смятия, нарушает целостность адсорбированного слоя. По мере повышения давления контактные поверхности выравниваются и увеличивается число активных центров взаимодействия, измельчаются участки адсорбированного слоя и увеличиваются пластические деформации, вследствие которых растут площади активных центров схватывания.

Металл контактных поверхностей свариваемых деталей подобно вязкой жидкости перемещается в радиальном направлении вместе с частицами адсорбированного слоя, т. е. в направлении наименьшего сопротивления. В деформированном контактном слое происходит изменение формы зерен и их пространственной ориентации (кристаллической решетки), выход дислокаций и вакансий (физические микродефекты кристаллической решетки) на соединяемые поверхности, что приводит их в энергетически возбужденное состояние. В результате атомы обновленных (чистых) и активизированных поверхностей вступают во взаимодействие и образуют надежную межатомную металлическую связь.

Итак, можно сделать вывод, что для малопластичных сплавов необходим нагрев, а для пластичных он необязателен. Объясняется это тем, что нагрев металла обычно увеличивает пластичность и снижает сопротивление пластическим деформациям. Кроме того, нагрев способствует процессам рекристаллизации и диффузии, но одновременно он активизирует также и поверхностные процессы, повышая активность окисления и насыщения контактируемых поверхностей металла газами из окружающей среды.