Сварка давлением.

§1.Введение.

Сварка давлением представляет собой один из видов технологии неразъёмных соединений металлических и неметаллических материалов, широко применяющийся в различных отраслях промышленности: от электроники до машиностроения, судостроения, самолётостроения и т.д. и т.п. Описанию многочисленных способов этой сварки посвящено большое количество работ(1, 2, 3, 4).В настоящем пособии приводиться весьма ограниченное количество техпроцессов этого направления, необходимое для получения представления о состоянии вопроса.

§2.Теоретические основы и классификация методов сварки.

При сварке давлением осуществляется неразъёмное соединение двух материалов за счёт сближения их свариваемых поверхностей до межатомного расстояния без доведения соединяемых кромок до расплавления. Сближение свариваемых поверхностей осуществляется за счёт приложения сил давления.

В результате этого давления происходит пластическая деформация сближаемых поверхностей. В материале деталей, кромки которых сближаются, возникают деформации способные разрушить материал. Все технологические процессы сварки построены на предотвращении этого разрушения. Техпроцессов сварки давлением много и поэтому неоднократно (например в работах 2, 4 и др.) предпринимались попытки объединения их по группам, учитывающих общность тех или иных факторов.

Наиболее существенными должны быть физические явления, протекающие в процессе выполнения технологии. Поэтому остановимся на классификации групп изложенных в работе 2, в основу которых положены режимные параметры технологических процессов. Основными режимными параметрами при сварке под давлением являются температура соединяемых материалов Т, сжимающее их давление Р, длительность действия давления Р при Т=const – t и структурный фактор, учитывающий сопротивление пластической деформации свариваемого металла Ѳ.

Влияние этих параметров проявляется в процессе формирования сварных соединений, протекающих в три стадии.

В первой стадии под воздействием давления, сжимающего соединяемые материалы, происходит сближение их поверхностей. Поверхностный слой любого металла представляет собой особую физическую систему с полностью разрушенной и разориентированной кристаллической структурой. Толщина таких слоёв зависит от способа обработки поверхности и составляет от 0, 2 мкм при её полировке до 250 мкм после грубого шлифования. Геометрически толщина слоя представляет чередующиеся пирамидальные микровыступы и впадины. Поверхность этих микровыступов и впадин облегчают оксидные и адгезионные наслоения. Электрическая связь этих наслоений с поверхностным слоем металла очень прочна и практически неудалима при любых методах зачистки. В то же время для сваривания двух металлических поверхностей необходим контакт поверхностей, очищенных от аксидов и адсорбентов. В процессе сближения поверхностей (на первой стадии) происходит соприкосновение микровыступов и начинается их совместная микропластическая деформация. В процессе этой деформации частично сминаются пирамиды, и пластическая деформация выдавливает и выносит за пределы плоскости контактирования оксидные и адсорбционные наслоения. На местах, откуда пластическая деформация выдавила оксидные и адсорбционные плёнки образуются центры соприкосновения соединяемых материалов, где чистые поверхности свариваемых металлов находятся на расстояниях межатомного взаимодействия.

Вторая стадия начинается с активации контактных поверхностей, т.е. образования контактных центров с чистыми поверхностями, расположенными на расстоянии межатомного взаимодействия. В процессе деформации металл микровыступов насыщается оксидами и упрочняется. Поэтому при сварке однородных материалов первая и вторая стадии сливаются в одну, т.к. возникновение центров соприкосновения происходит одновременно, а при сварке разнородных материалов сначала очищается поверхность более мягкого материала, а по мере упрочнения его происходит образование активных центров на поверхности более твёрдого.

Третья стадия процесса характеризуется объёмным взаимодействием с образованием прочных химических (в том числе и металлических) связей, как в плоскости контакта, так и в объёме зоны контакта.

Посредством определённого сочетания основных параметров, формирующих сварное соединение, т.е. величины сжимающего давления Р, температуры Т и длительности их воздействия при сварке различных материалов, управляют свойствами сварных соединений.

Если способ сварки осуществляется при невысокой температуре Т, когда интенсивность диффузионных процессов мала(холодная сварка) или при высокой температуре Т, но за короткий промежуток времени t, т.е. когда недостаточна продолжительность развития диффузионных процессов (сварка взрывом), образование сварного соединения заканчивается только схватыванием контактных поверхностей. Зону сварного соединения в этом случае можно рассматривать как “структурный надрез”, т.к. она при нормальной температуре имеет высокое временное сопротивление и низкую пластичность, вязкость и высокую прочность.

Если температура и длительность процесса сварки давлением достаточны для интенсивного развития диффузионных процессов и необходимой полноты их протекания (диффузионная сварка давлением с подогревом) в зоне соединения образуются общие зёрна или новые фазы. В этом случае при сварке однородных металлов структура зоны соединения может быть неотличимой от структуры основного металла, а все механические свойства вязкость, пластичность, высокотемпературная и низкотемпературная прочность на уровне основного металла.

При сварке разнородных металлов с ограниченной взаимной растворимостью образование новых фаз в зоне сварного соединения определяются процессами гетеродиффузии, протекающими в условиях пластической деформации. Возможно образование нескольких диффузионных зон с разными свойствами. Свойства сварных соединений при этом будут определяться свойствами диффузионных зон.

Сварка давлением может протекать низкоинтенсивной, среднеинтенсивной и высокоинтенсивной деформации. При сварке с низкоинтенсивной деформацией (остаточная деформация не превышает 10 %, а длительность процессов доходит до нескольких десятков минут) в зоне сварного соединения развиваются процессы релаксационного характера и обычно не возникают проблемы влияния напряжений и сварочных деформаций на свойства сварных соединений. При сварке со средне и высокоинтенсивной деформацией, когда остаточная деформация составляет десятки процентов, а длительность процесса от 10^-6с при сварке взрывом, до нескольких секунд при холодной сварке, актуальной становится проблема влияния напряжений на свойства сварных соединений. Поэтому скорость деформации свариваемых металлов следует согласовывать с их релаксационной стойкостью в условиях сварки.

При сварке давлением кинетика процессов образования физического контакта, активации контактных поверхностей, объёмного взаимодействия и релаксации напряжений определяются в основном законом изменения скорости деформации свариваемых металлов в приконтактных объёмах в течении сварочного цикла, т.е. схемой деформирования. По этой схеме следует различать способы сварки со свободным, принудительным и импульсным деформированием.

Если обозначить через ε - величину или степень деформирования при сварке, а через έ – скорость деформации свариваемых кромок, то под способом сварки со свободным деформированием (сссд) необходимо понимать такие процессы, для которых скорость деформации έ =f(T, P, t, Ѳ).

В этом случае скорость деформации έ выступает, как производный параметр от режимных характеристик T, P, t и Ѳ, определяющий главное направление процесса – реализацию ползучести металлов при сжатии. При таких условиях происходит классическая диффузионная сварка, сварка давлением с подогревом и т.д.

Под способом сварки с принудительным деформированием (сспд) необходимо понимать такие процессы, для которых скорость деформации свариваемых кромок έ при сварке остаётся постоянной или изменяется по определённой программе, а давление сжатия P=f(T, έ, ε, Ѳ).

В этом случае скорость деформации – управляемый параметр, её можно изменять независимо от Т, накопленной деформации ε и структурного состояния свариваемых металлов. Поэтому при сспд процессах, изменяя температуру и скорость деформации, структурными превращениями, деформационным упрочнением, т.е. процессами, определяющими механизм и кинетику образования сварного соединения.

Под способами сварки с импульсным деформированием необходимо понимать такие, для которых на свариваемые металлы в течении короткого промежутка времени действует импульс силы, приводящий к пластической деформации.

Существует большое количество техпроцессов сварки давлением. Ниже приводятся наиболее известные сгруппированные по схемам деформирования при сварке.

§3.Способы сварки со свободным деформированием.

Схематически процесс диффузионной сварки можно представить следующим образом. Свариваемые заготовки собирают в приспособления, позволяющие передавать давление в зону стыка, вакоумируют и нагревают до температуры сварки от 0, 5 до 0, 9 Т_пл (Т_пл – температура плавления свариваемого металла), (см. рис.1)

Рис.1

После этого прикладывают сжимающее давление. В зависимости от напряжений, вызывающих деформацию металла в зоне контакта целесообразно различать сварку с высокоинтенсивным (Р≥ 20 мПа) и низкоинтенсивным (Р≤ 20 мПа) силовым воздействием. Давление прикладывается при изотермической выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Давление влияет на скорость образования диффузионного соединения и величину накопленного деформации свариваемых заготовок. В большинстве случаев, чем выше давление, тем меньше время сварки и больше деформация. Для снижения сжимающего давления температуру нагрева свариваемых деталей следует устанавливать более высокой, т.к. металл при этом обладает меньшим сопротивлением пластической деформации.

При диффузионной сварке однородных металлов в зоне контакта должны образовываться общие для соединяемых металлов зёрна. Это возможно за счёт развивающихся в полном объёме процессов диффузии и первичной рекристаллизации. При сварке разнородных металлов из-за развития процессов гетеродиффузии, приводящих к образованию в зоне соединения хрупких интерметалидных фаз, стараются ограничивать температуру и время сварки.

§4.Способы сварки с принудительным деформированием.

Холодная сварка.

Холодная сварка – сложный физико-химический процесс, протекающий только в условиях пластической деформации. Сварка осуществляется с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающего напряжённого состояния, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение. В зависимости от схемы пластической деформации заготовок, сварка может быть точечной, шовной и стыковой. При холодной точечной сварке зачищенные детали устанавливаются внахлёстку между пуансонами, имеющими рабочую часть и опорную поверхность, площадь которой (опорной поверхности) значительно превосходит площадь рабочей поверхности. (Рис.2)

Рис.2

Шовная роликовая сварка создаётся вращающимися роликами, имеющими в центре рабочий выступ. (Рис.3)

Рис.3

Собранные внахлёстку заготовки устанавливаются между роликами, сжимаются ими до полного погружения рабочих выступов в металл. Ролики приводят во вращение. Перемещая изделие и последовательно внедряясь рабочими выступами в металл, они вызывают его интенсивную деформацию, в результате которой образуется шов. Шовная сварка бывает двухсторонняя (оба ролика имеют рабочие выступы), односторонняя (один ролик имеет выступ) и несимметричная (ролики имеют различные по размерам и форме рабочие выступы).

Холодная стыковая сварка производится между торцами двух стержней установленных в конусные зажимы. Осадочное усилие приводит к сжиманию торцов деталей с образованием сварного соединения.

Сварка трением.

Сварка трением осуществляется за счёт небольшого сжимающего усилия между поверхностями стыкуемых деталей с одновременным вращением одной детали относительно другой и возвратно поступательном движении в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами при их звуковой частоте.(рис.4)

При этом между соприкасающимися деталями возникают силы трения. Температура контакта между трущимися (при сухом трении) деталями растёт пропорционально скорости относительного перемещения деталей и давления, с которым создаётся контакт. Одновременно с повышением температуры на контактирующих поверхностях происходит разрушение поверхностных оксидных плёнок, деформация микровыступов и образование ювенальных участков с насыщенными связями поверхностных атомов. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала. Под действием сжимающего давления происходит осадка свариваемых поверхностей. Часть металла с оксидными плёнками выбрасывается наружу, а активированные контактные поверхности сближаются до межатомных расстояний и между ними образуются металлические связи.

Сварка трением применяется при соединении стержней и труб диаметром от 6 до 100 мм, при изготовлении режущего инструмента, при производстве сварно-кованных, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Особенно эффективно её применение при сварке разнородных материалов, не сваривающихся другими способами, например, стали с алюминием. В 1991г в Англии был запатентован способ сварки трением перемешиванием. Схема этого процесса представлена на рис.5.

Рис.5

Сварка выполняется вращающимся инструментом, состоящим из утолщённой части – заплечника и выступающей части – штыря. В начале стыка двух деталей штырь со специальным профилем вступает в контакт с поверхностью жёстко зафиксированных на массивной подкладке деталей и при вращении инструмента внедряется в них до тех пор, пока заплечник не коснется поверхностей деталей. Вращающийся штырь доводит металл до пластического состояния и при перемещении его вдоль стыка на последнем образуется шов.

Заплечник формирует поверхность шва. Этим способом можно сваривать алюминий, медь и их сплавы. Основные виды сварных соединений представлены на рис.6.

рис.6

Сварка прокаткой.

Сварка прокаткой это высокопроизводительный технологический процесс получения биметаллов, как из разнородных металлов, так и из металлов близких по химическому составу, но отличающихся по свойствам. Этот процесс применяется для производства листов, полос, лент, фасонных профилей, прутков, проволоки. Соединение компонентов биметалла происходит при их совместной горячей или холодной пластической деформации, осуществляемой в прокатных станах в вакууме или на воздухе. Исходной заготовкой для получения биметалла служит пакет, состоящий из двух и более слоёв в виде слябов и пластин.

При сварке прокаткой образование соединения происходит в условиях малой длительности процессов взаимодействия. Поэтому при определённых температурно-скоростных условиях деформирования в зоне соединения не успевают развиться релаксационные процессы (самодиффузии и гетеродиффузии) настолько значительно, чтобы существенно изменить структуру зоны соединения. Поэтому при сварке прокаткой можно полагать, что стадия объёмного взаимодействия заканчивается схватыванием контактных поверхностей.

Сказанное выше позволяет применять холодную сварку прокаткой для трёхслойных биметаллов, состоящих из стальной основы и плакирующих слоёв из титана, алюминия, меди, латуни, и т.д.

При горячей прокатке для уменьшения степени окисления поверхностей заготовок пакеты перед нагревом герметизируют сварным швом, а в ряде случаев производят это в вакууме или инертном газе.

§5.Способы сварки с импульсным деформированием.

Магнитно-импульсная сварка.

Магнитно-импульсная обработка металлов основывается на использовании сил электромеханического взаимодействия между вихревыми токами, наведёнными в стенках обрабатываемой детали при пересечении их силовыми магнитными линиями импульсного магнитного поля. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую и в виде импульса давления действует непосредственно на заготовку.

При магнитно-импульсной сварке свариваемые детали располагаются под углом α друг к другу с минимальным зазором между ними δ.(рис.7)

рис.7

Одна деталь 1 закрепляется на твёрдом основании 7, а вторая 2 на индукторе 3, расположенном над первой деталью.

При импульсном включении напряжения на индуктор 3 в поверхностном слое детали 2, закреплённой на индукторе 3, индуцируются вихревые токи. Взаимодействие вихревых токов с импульсом магнитного потока, сопровождающего импульс тока проходящего через индуктор 3, приводит к возникновению механического давления на деталь. Это давление отрывает деталь 2 от индуктора 3 и с большой скоростью бросает её в направлении неподвижной детали 1. Для обеспечения последовательного перемещения зоны контакта при сварке поверхностей деталей 1 и 2 их устанавливают под углом друг к другу. Это создаёт условия для очистки поверхности свариваемых деталей от оксидов и загрязнений коммулятивной струёй, возникающей перед движущимся контактом. Последнее необходимо для образования ювениловых поверхностей, обеспечивающих хорошее схватывание и образование металлических связей.

Существуют три основные схемы магнитно-импульсной сварки: обжатием трубчатых заготовок с применением индуктора, охватывающего заготовку, раздачей трубчатых заготовок с применением индуктора, помещённого внутрь заготовки (рис.8), и деформированием листовых заготовок плоским индуктором (рис.7).

рис.8

Целесообразно применение этого способа для получения всевозможных соединений тонкостенных трубчатых деталей между собой и с другими деталями, а также плоских тонкостенных деталей. Магнитно-импульсным способом можно сваривать практически любые материалы в однородном и разнородном сочетаниях.

Ультразвуковая сварка.

При этом способе сварки соединения образуются под действием ультразвуковых колебаний и сжимающих давлений, приложенных к свариваемым деталям в одной плоскости или взаимно-перпендикулярных плоскостях. Движения ультразвуковой частоты разрушают поверхностный и оксидный слой, создавая активные центры. Совместное воздействие на поверхности соединяемых деталей механических колебаний и относительно небольшого давления обеспечивает пластическое течение металла в зоне соединяемых поверхностей без внешнего подвода тепла. В результате трения, вызванного возвратно-поступательным движением контактирующих поверхностей, нагреваются поверхностные слои свариваемых материалов. Схема ультразвуковых сварочных установок представлена на рис.9.

рис.9

Установки с поперечными относительно сварочного усилия колебаниями (рис.9а) применяются при сварке тонколистовых металлических материалов (сталь, алюминий, медные сплавы и т.д.). При ультразвуковой сварке полимеров применяются установки, в которых ультразвуковые колебания и сварочные усилия – соосны (рис.9б). При этом если при сварке металлических материалов применяются только контактные методы сварки, у которых сварное соединение образуется по контактам пуансона с деталью, то при сварке полимеров с высоким модулем упругости (жёстких, таких как полистирол) применяется и контактная и передаточная сварка. А при передаточной сварке свариваемый узел может быть отнесён от места контакта пуансона с изделием от 10мм до 250мм. Основные виды соединений выполненных ультразвуковой сваркой представлены на рис.10.

рис.10

Ультразвуковая сварка применяется для соединения металла небольших толщин, соединения полимерных материалов, соединения костных тканей в живом организме. Ультразвуковая сварка решила проблему присоединения к кристаллам кремния у полупроводниковых приборов алюминиевых провод типов – выводов.

Сварка взрывом.

Сварка взрывом – это техпроцесс, который позволяет получать биметаллические заготовки и изделия практически неограниченных размеров из разнообразных материалов и сплавов в том числе таких, сварка которых другими способами затруднена или невозможна.

Сварка взрывом осуществляется по следующей схеме (рис.11).

рис.11

Нижнюю пластину 1 располагают на твёрдом основании 4. Верхнюю метаемую пластину 2 (облицовку) располагают под углом α =2-16° к нижней с минимальным зазором между ними h_o=2-3мм. На метаемую пластину укладывают заряд взрывчатого вещества 3. В вершине угла устанавливают детонатор 5. После инициирования взрыва детонация распространяется по заряду ВВ со скоростью ʋ нескольких тысяч метров в секунду(2500-3600).

Под действием высокого давления взрыва метаемая пластина приобретает скорость ʋ _н порядка нескольких сотен метров в секунду и соударяется с неподвижной пластиной под углом ɣ, который увеличивается с ростом отношения ʋ _н/ʋ. Из зоны соударения выбрасывается с очень высокой скоростью (6000 – 7000м/с) кумулятивная струя, состоящая из паров металла основания и облицовки. Эта струя обеспечивает очистку от оксидной плёнки свариваемых поверхностей в момент, предшествующий их соединению. При этом со свариваемых поверхностей удаляется слой металла суммарной толщиной 1-15мкм.

Соударение метаемой пластины и основания сопровождается пластической деформацией, вызывающей нагрев поверхностных слоёв металла. В результате деформации и нагрева развивается физический контакт и образуется сварное соединение. При этом прочное соединение образуется только там, где соударение сопровождается взаимным сдвигом поверхностных слоёв метаемой пластины относительно основания.

Сварка взрывом даёт возможность сваривать практически любые материалы. Однако последующий нагрев сварных заготовок может вызвать интенсивную диффузию и гетеродиффузию в зоне соединения с образованием интерметалидных фаз. Последнее приводит к снижению прочности соединения. Для предотвращения этих явлений сварку взрывом проводят через промежуточные прослойки из металлов, не образующих химических соединений со свариваемыми материалами. Например, при сварке титана со сталью в качестве прослоек используют ниобий, ванадий или тантал.

Сварка взрывом привлекательна при планировании плоских конструкций большой площади (до 50м²) с толщиной планирующего слоя от 0, 01 до 45 мм. Кроме этого этим методом можно выполнять облицовку, планировку и приварку цилиндрических труб к трубным доскам и т.д.

ДИФФУЗИОННАЯ СВАРКА