Сварка

• система перемещения, фиксации и контроля свариваемых деталей;

• система защиты персонала от действия лазерного излучения.

На рисунке 14 представлена схема оптической системы лазерной головки. Резонатор лазера образован двумя сферическими зеркалами (1). Между зеркалами резонатора расположены два соосно установленных осветителя, состоящих из активного элемента (2), импульсной лампы накачки (3) и осветительной камеры (4) в виде стеклянного цилиндрического блока. Излучение проходит через линзы (5, 12, 13) телескопической системы, позволяющей изменять расходимость луча лазера.

Зеркалом (7) излучение направляется на объектив (8), который фокусирует его на поверхность обрабатываемых деталей (10). Защитное стекло (9) предохраняет объектив от загрязнения продуктами взаимодействия излучения с материалом свариваемых деталей. Наводка излучения и визуальный контроль места сварки осуществляется встроенной оптической системой (6). Осветитель (11) служит для освещения места свариваемых деталей.

Рис. 14.

Схема лазерной установки

Преимущества лазерной технологии:

• высокая концентрация энергии в пятне нагрева на малой площади (доли миллиметра) позволяет сваривать миниатюрные детали с толщиной кромок от 50 микрон и выше, а также сваривать термочувствительные элементы;

• малое поперечное сечение сфокусированного луча при достаточно больших расстояниях от лазерной головки до свариваемой детали позволяет производить сварку в труднодоступных местах;

• уникальное свойство лазерного излучения проходить через твердые, прозрачные для луча материалы, позволяет производить сварку в вакууме, в газовых защитных средах;

• импульсный и непрерывный режимы излучения позволяют подводить в зону сварки строго дозированное количество энергии;

• высокая стерильность процесса сварки и отсутствие вредных выделений;

• высокая технологичность процесса;

• высокая степень автоматизации процесса сварки с применением микропроцессорной техники;

• применение лазера во всех технологических процессах обработки конструкционных материалов (резка, сварка, наплавка, прошивка отверстий) при высоких показателях качества и производительности.

Рис. 15.

Термитный карандаш:

1 – проволока; 2 – термит; 3 – «затравка» для зажигания

Недостатки применения лазеров:

• относительно высокая цена аппаратуры по сравнению с другими способами сварки металлов;

• применение высокотехнологичной аппаратуры требует подготовки специалистов соответствующей квалификации;

• применение специальных вибростойких платформ для устранения вибраций;

• защита персонала от воздействия мощного лазерного излучения;

• применение газовых лазеров требует периодической «тренировки» активных элементов для сохранения их работоспособности.

Термитная сварка

Сущность термитной сварки состоит в том, что свариваемые детали помещают в огнеупорную форму, а в установленный тигель сверху засыпают термитный порошок и поджигают его. При горении термита поднимается высокая температура, более 2000 °C, и образуется жидкий металл. Жидкий металл, оплавляя кромки свариваемых деталей и заполняя зазор между деталями, образует сварочный шов.

Обычно термит состоит из смеси 23 % опилок алюминия и 77 % окиси железа. Размер частичек порошка порядка 0,5 мм. При поджигании термитного порошка происходит экзотермическая реакция (т. е. химическая реакция с выделением теплоты). При этом окись железа восстанавливается до чистого железа, а алюминий окисляется. Расплавленное железо участвует в процессе сварки. Иногда термитную сварку выполняют при сварке стыков, когда отсутствуют другие источники теплоты.

Некоторые фирмы выпускают термитные карандаши (рис. 15). Термитный карандаш представляет собой отрезок проволоки из углеродистой стали диаметром 2–5 мм. На проволоку наносится термит, замешанный на клею, обычно нитроцеллюлозном.

На одном из концов расположена затравка для поджигания термита. Обычно используют 1 весовую часть бертолетовой соли (КСlО₃) и 0,5 весовой части мелких алюминиевых опилок, также замешанных на нитроцеллюлозном клею. При сварке термитным карандашом пользуются щитком и держателем для электродов, как и при электрической дуговой сварке. Сварку термитным карандашом применяют на аварийных и экстренных работах, при отсутствии источников энергии. Например для сварки рельсов, проводов связи, кабельных линий. Для этих целей промышленность выпускает термитные патроны (термитные шашки) и специальные спички к ним. Принцип их действия аналогичен рассмотренному выше.

Преимущества термитной сварки:

• простота в использовании и низкая себестоимость;

• возможность производить сварку в экстренных случаях.

Недостатки термитной сварки:

• высокая способность поглощать влагу (гигроскопичность);

• чувствительность к механическим и тепловым воздействиям (пожароопасность);

• возможность взрыва при попадании воды на горящую термитную шашку;

• невозможность управления процессом горения термитной смеси.

Глава 2

Механический класс сварки

Классификация видов сварки давлением

К механическому классу относят виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления.

К механическому классу относят следующие виды сварки:

• холодная сварка;

• сварка взрывом;

• сварка трением;

• ультразвуковая сварка.

Механическая энергия используется для сближения поверхностей на уровень межатомных взаимодействий элементов свариваемых деталей с образованием устойчивых связей.

Простота оборудования и высокая скорость процесса сварки позволили занять механическому классу сварки достойное место в различных технологических процессах.

Холодная сварка

Холодную сварку выполняют без нагрева, при нормальных или пониженных температурах. Метод холодной сварки основан на использовании пластической деформации, с помощью которой разрушают окисную пленку на свариваемых поверхностях и сближают свариваемые поверхности до образования металлических связей между ними. Эти связи возникают при сближении поверхностей соединяемых металлов на расстояние порядка нескольких ангстрем в результате образования общего электронного облака, взаимодействующего с ионизированными атомами обоих металлических поверхностей. Такое сближение достигается приложением больших удельных усилий в месте соединения. В результате происходит совместная пластическая деформация. Большое усилие сжатия обеспечивает разрушение пленки оксидов на свариваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла.

С помощью холодной сварки можно сваривать металлы, обладающие высокими пластическими свойствами при нормальной температуре. К этим металлам относятся: алюминий, золото, серебро, кадмий, свинец, цинк, титан, медь, никель, олово и их сплавы. Этот метод также применим для сварки разнородных металлов, например, меди с алюминием.

В недостаточно пластичных материалах при больших деформациях могут образоваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются большие удельные усилия, которые трудно осуществить.

Если при сварке плавлением механизм образования соединения нагляден (например по расплавленным кромкам металла), то при холодной сварке давлением образование прочного соединения (схватывание) элементов происходит в твердой фазе. Таким образом, зона соединения недоступна для непосредственного наблюдения. В схватывании участвует огромное число атомов – до 1014 атомов/см2 со стороны каждого из металлов, а на скорость соединения влияет большое число внешних (температура, состав среды, давление) и внутренних (структура материала, механические свойства, состояние поверхности) факторов.

В проблему объяснения механизмов схватывания материалов в твердой фазе в конце XIX столетия внесли существенный вклад советские ученые: академики С. Б. Айбиндер, А. А. Бочвар, К. К. Хренов, профессора А. П. Семенов, Ю. Л. Красулин, К. А. Кочергин, В. П. Алехин и многие другие.

Получены расчетные данные, выдвинуты гипотезы, но единой теории образования сварочных соединений давлением нет.

Так, по гипотезе (энергетической) профессора А. П. Семенова, были введены количественные показатели процесса схватывания металлов, т. е. той минимальной степени деформации, при которой он начинается:

E = h/s × 100 %,

где: h – минимальная глубина вдавливания пуансона, при которой начиналось схватывание;

s – минимальная толщина в месте схватывания;

E – относительная деформация схватывания.

Процесс схватывания в твердой фазе представляет собой топохимическую (химическая реакция на поверхности) реакцию, при которой между атомами соединяемых поверхностей вещества устанавливаются связи, аналогичные связям в объеме кристаллической решетки.

Таким образом, особенностью сварки в твердом состоянии является то, что для образования физического контакта и создания условия для химического взаимодействия материалов без расплавления к ним необходимо приложить механическую энергию.

Сварное соединение образуется только при условии выноса (выдавливания) из зоны контакта части поверхностного металла вместе с окисной пленкой. Было установлено, что прочность соединения зависит только от относительной пластической деформации металла и не зависит от времени выдержки в сжатом состоянии.

Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения.

Холодная сварка используется при производстве, например, герметизированных полупроводниковых приборов, различных корпусов, предметов хозяйственно-бытового назначения. При использовании ручных гидропрессов – в монтажных работах, например, для холодной сварки кабельных муфт и проводов в сетях электроснабжения.

Холодная точечная сварка (сварка внахлестку)

На рисунке 16 представлена схема холодной точечной сварки.

Свариваемые детали (1) с тщательно зачищенной поверхностью в месте соединения помещают между пуансонами (2), имеющими выступы (3). При сжатии пуансонов усилием Р выступы пуансонов (3) вдавливаются в металл до тех пор, пока они упрутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма свариваемой точки зависит от формы выступа в пуансоне.

Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2–15 мм. Удельные усилия, зависящие от состава и толщины свариваемого материала, в среднем составляют 150–1000 МПа.

В практике применяются следующие методы точечной холодной сварки:

• сварка без предварительного зажатия деталей;

• сварка с предварительным зажатием деталей;

• сварка с односторонним деформированием деталей.

Рис. 16.

Схема холодной точечной сварки:

1 – свариваемые детали;

2 – пуансоны;

3 – выступы пуансонов;

4 – формы пуансонов.

При точечной сварке без предварительного зажатия деталей (рис. 17) с целью получения заданной прочности соединения необходимо приложить соответствующее давление пуансона. Например, для сварки алюминия это давление составляет 17–25 кгс/мм2 площади торца рабочего выступа пуансона. Для сварки меди оно должно быть увеличено в 2–4 раза. Наиболее технологичная форма выступов пуансона – прямоугольная и круглая. Ширина или диаметр рабочего выступа пуансона равны 1–3 толщинам свариваемых деталей – в зависимости от толщины последних. При сварке разнородных материалов диаметры круглых или ширины прямоугольных рабочих выступов пуансонов рекомендуется брать обратно пропорциональными твердости этих материалов.

Рис. 17. Схема холодной сварки без предварительного зажатия свариваемых деталей:

1 – свариваемые детали; 2 – пуансоны.

Рис. 18.

Схема холодной сварки с предварительным зажатием свариваемых деталей:

1 – свариваемые детали;

2 – прижимы; 3 – пуансоны

Недостатком этого способа является коробление деталей, что особенно затрудняет сварку деталей больших толщин (более 4 мм), а также деталей из металлов с малой пластичностью (нагартованная медь, алюминий).