Холодная сварка

ХОЛОДНАЯ СВАРКА ПЛАСТИЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

    Цель работы: ознакомиться с технологическим процессом холодной сварки и устройством машины для стыковой холодной сварки МСХС-5-3; соответственно задаче выбрать режимы сварки, настроить машину и сварить образцы; испытать швы на прочность и выбрать оптимальные режимы сварки.

Сущность процесса холодной сварки

    Холодная сварка отличается простотой и доступностью, позволяет получать прочные и надежные соединения из пластичных металлов: алюминия, меди, никеля, титана, свинца, серебра, золота. Холодной сваркой можно соединять и некоторые разнородные металлы из указанных выше. Отличительными особенностями холодной сварки является малая энергоемкость, высокая производительность, возможность механизации и автоматизации процесса, благоприятные условия работы.

 Схемы холодной сварки:а - точечная с одним пуансоном; б - точечная с двумя пуансонами; в - стыковая; г - шовная; д, е - сдвигом; 1- пуансоны; 2 - свариваемые детали; 3 - ролики; 4 - зажимы; 5 - клин

   Холодная сварка - один из видов сварки в твердой фазе со значительной объемной пластической деформацией и малой степенью ее локализации в зоне контакта материалов, которые соединяют. Ее выполняют при комнатной температуре и для большинства материалов - ниже температуры рекристаллизации.

   Соответственно современной классификации холодная сварка по форме получаемого сварного соединения может быть точечной ( а, б), шовной ( г), стыковой (в), а по характеру деформаций - сварка давлением (а, б, в, г) и сварка сдвигом (д, е).

    При точечной сварке как инструмент используется один или два пуансона цилиндрической формы 1, при шовной - в виде роликов 3. Более высокую и стабильную прочность имеет соединение при сварке двумя пуансонами или роликами, а не одним.

   Прочность сварного соединения повышается, если применять пуансоны и ролики с уступами или для точечной сварки применять предварительное обжатие металла вокруг пуансонов

   При холодной сварке деталей, особенно большой толщины, пуансон вжимается вглубь деталей и сильно их деформирует. Уступы на цилиндрических пуансонах и роликах в завершающий момент прижимают детали, тем самым ограничивая их деформацию. Если изделия выполнены из материалов сравнительно малой пластичности, толщиной больше 4 мм, то из-за деформации деталей в процессе сварки каждой следующей точки может быть даже разрушена предыдущая точка. Для устранения этого явления осуществляют холодную сварку с предварительным сжатием

 Схема сваривания с предыдущим сжатием : 1-пуансон, 2- притискач, 3- детали, которые сваривают, 4-периферийная зона сваривания, 5- внутренняя зона сваривания

   Зажимами 2 детали фиксируются еще к началу сварки или одновременно с ним. Таким образом, предотвращаются не только остаточные деформации, но и деформации в процессе самой сварки. Сварка с предварительным сжатием позволяет получать соединения более прочные, чем при сварке по обычной схеме. Увеличение прочности соединения достигает 15...20 % и объясняется, очевидно, расширением зоны схватывания металлов при сварке вследствие дополнительного обжатия.

   При стыковой сварке (в) детали надежно закрепляются в зажимных губках 4, внутренняя рабочая поверхность которых имеет насечку, которая препятствует проскальзыванию деталей при их сжатии.

   Холодная сварка может выполняться путем сжатия заготовок с их одновременным относительным сдвигом под действием тангенциальных усилий. Это достигается дополнительным усилием F (д) или применением клинообразной прокладки (е), которую впрессовывают с усилием между деталями в зазор аналогичной конфигурации.

   Одновременное действие сжатия (нормальным усилием Fсж) и сдвига по свариваемым поверхностям (тангенциальным усилием F), вследствие небольшого относительного смещения соединяемых поверхностей, улучшает условия разрушения окисных пленок, облегчает смятие неровностей, которое в результате приводит к более полному физическому контакту между деталями в приповерхностных слоях металла и расширению площади контакта чистых свариваемых поверхностей, которые сваривают, при меньшей величине нормальных усилий. Это позволяет значительно уменьшить усилие сварки.

   Если рассматривать всю совокупность материалов, которые соединяют этим способом, то не удается привести единый механизм, который объясняет все явления происходящие при холодной сварке.

   При сварке металлов в результате значительных пластических деформаций соединяемых металлов, происходит разрушение окисных пленок, которые препятствуют сближению атомов. Сближение чистых поверхностей металла в месте контакта на расстояние, сравнимое с параметрами кристаллических решеток и их активация приводят к возникновению связей и образованию сварного соединения.

   Положительные результаты холодной сварки металлов с кристаллами в полупроводниковых приборах позволяют сделать вывод о возможностях сварки при совместном действии металлических и ковалентных связей, при этом необходимо учитывать электростатические силы и силы Ван-дер-Ваальса. Однако каждый раз при сварке необходимая высокая чистота соединяемых поверхностей.

   Практически все рассмотренные методы холодной сварки происходят по двум технологическим схемам: стыковая сварка (а) и внахлёст (б).

Технологические схемы процессов холодной сварки:а - стыковая; б - внахлёст. 1 - зажимные губки; 2 - свариваемые детали;3 - пуансоны; 4 - прижимы.

   При стыковой холодной сварке общее течение металлов стрежней 2 при сжатии, зажатых в зажимных губках 1, разрушает поверхностные пленки и выносит их за границы соединения в виде грата 3, а большое давление создает плотный контакт чистых поверхностей и предотвращает доступ воздуха в зону сварке. Такая значительная пластическая деформация обеспечивает на короткий момент сближение одного с другим кристаллитов, расположенных до сжатия в глубинных слоях металла. Итак, сначала окисленные или даже загрязненные контактирующие поверхности, полностью удаляются. Весь выдавленный в виде грата объем металла играет роль защитной массы для тех слоев металла, которые в момент окончания пластической деформации оказываются сближенными на расстояние, при котором мгновенно создается стабильная металлическая связь и организуется единая кристаллическая структура.

   Процесс холодной стыковой сварки можно представить таким образом:

  1. Сварка осуществляется между кристаллитами, расположенными в начальный момент далеко от торцов, непосредственно в зоне выступающих зажимных губок.
  2. Весь другой металл между губками по обе стороны от первоначального контакта может рассматриваться как масса, которая играет роль оболочки, идеально защищающей глубинные слои металла от окисления и загрязнения.
  3. В процессе пластической деформации выдавливаемый металл не только осуществляет непрерывную защиту глубинных слоев, но и производит некоторый нагрев всех зерен поверхностных слоев, принимающих участие в процессе деформации.
  4. Поскольку формирование сварного соединения обеспечивается в момент окончания деформации и вследствие контакта глубинных слоев металла, время сварки, т.е. формирование единой кристаллической структуры, очень короткое и измеряется десятыми долями секунды. Поэтому объемное взаимодействие при холодной сварке отсутствует.
  5. Мгновенные значения температуры микрообъемов металла, образующих сварное соединение, безусловно должны быть высокими, хотя и несомненно ниже точки плавления.

   Эти особенности дуги обусловливают такие требования к ис-точникам питания (для ручной дуговой сварки):

   На рисунке б показана схема сварки внахлёст. Листовые детали 2 зажимают между прижимами 4. Потом эти прижимы остаются неподвижными и полностью исключают возможность вспучивания металла, когда пуансоны 5 глубоко вдавливаются в свариваемые детали. Для глубокого вдавливания пуансонов в металл нужно приложить достаточно большое давление. В зависимости от рода металла, способы подготовки поверхности и геометрии пуансонов существует определенная минимальная относительная величина вдавливания пуансона, необходимая для образования прочного соединения (табл. 1).

   Таблица 1 - Требуемая величина деформации при холодной сварке некоторых материалов внахлёст

Металл Относительная глубина
вдавливания пуансона,
%
Металл Относительная глубина
вдавливания пуансона,
%
Индий 10...15 Серебро 82...86
Алюминий 55...60 Медь 85...90
Алюминиевые сплавы 75...80 Олово 85...88
Свинец 80...85 Никель 85...90
Титан 70...75 Армко-железо 85...92
Кадмий 82.5 Цинк 90.8

Зависимость прочности точечных соединений от величины де-формации: 1 - алюминий в наклепан-ном состоянии; 2 - медь электролит-ная; 3 - алюминий мягкий; 4 - олово.

   Практически считается необходимым обеспечивать h = (0,7...0,8)б. Таким образом, и при сварке внахлёст необходимо прикладывать давления, которые значительно превышают границы текучести. Сам процесс формирования сварного соединения нуждается, чтобы конечный контакт осуществлялся между ювенильными кристаллитами. Это и происходит на самом деле, так как металл из-под пуансонов выдавливается радиально во все стороны, разрушая оксидные наслоения, которые оказываются (или искусственно создаются) на свариваемых поверхностях перед их сжатием.

   На рисунке показан характер зависимости прочности соединений от деформации при холодной сварке. Как видно, пока деформация не достигнет некоторого критического значения (эту деформацию называют деформацией схватывания), прочность схватывания равняется нулю. Для мягкого алюминия деформация схватывания (критическая деформация) равняется приблизительно 45 %. При дальнейшем увеличении деформации прочность соединения быстро возрастает, достигая максимума при деформации 60...70 %. Снижение прочности соединений после достижения максимума объясняется уменьшением толщины металла в зоне сварки и отрывом сварной точки вместо среза.

   Степень пластической деформации, необходимой для получения качественного соединения, зависит от свойств металла, толщины деталей, способа подготовки поверхностей под сваривание, толщины и свойств окисной пленки (табл. 2), схемы деформирования. При слишком большой деформации глубокие вмятины от пуансонов при точечной или шовной сварке ухудшают внешний вид деталей.

   Таблица 2 - Толщина окисной пленки

Металл Толщина пленки,
см
Время образования,
с
Металл Толщина пленки,
см
Время образования,
с
Алюминий 12 ·10-8 15 Железо 2 ·10-7 40
Медь 3 ·10-7 30 Молибден (2…3)·10-8 40

   Большое влияние на степень деформации имеет отношение твердости окисной пленки к твердости основного металла (табл. 3): степень деформации должна быть больше, чем меньше это соотношение. При сварке разнородных материалов степень деформации определяют исходя из свойств наиболее пластичного металла.

   Таблица 3 - Физические свойства некоторых окислов

Металл Тип окисла Твердость,кг/мм2 Температура плавления,
оС
Объемное соотношение
металла окисла металла окисла
Al Al2O3 15 1800 660 2030 1,28
Cи2O 40 130 1083 1230 1,64
Fe Fe2O3 120 150 1537 1457 2,14
Zn ZnO 35 200 419   1,55
Sn Sn O2 5 1650 232 400 1,32
Аg Аg2O 25   960,8 185 1,56

    Как было показано раньше, холодную сварку чаще всего используют при изготовлении изделий из алюминия и меди как в однородных, так и разнородных соединениях. Способность к сварке имеют также серебро, золото, свинец, никель, кадмий, олово, цинк, титан, ниобий. Сплавы свариваются хуже, чем чистые металлы. Например, если чистый алюминий имеет хорошую способность к свариванию, то алюминиевые сплавы свариваются плохо. Для приближенной оценки способности сплавов к сварке можно пользоваться величиной их твердости. Обычно с повышением твердости способность к сварке ухудшается и необходимая минимальная деформация металла возрастает, так как снижаются интенсивность пластической текучести металла в зоне контакта и активация поверхностей.

    Высокие пластические деформации при холодной сварке значительно упрочняют металл, поэтому прочность стыковых соединений выше прочности основного металла. При сварке внахлёст прочность соединения определяют прочностью сварной точки и возможностью вырыва точки вместо среза.

    Технология холодной сварки содержит такие операции: подготовка заготовок к сварке, сборка, сварка, удаление облоя при сварке встык, контроль качества сварки.

    Основная трудность подготовки поверхности деталей под холодную сварку заключается в тщательном удалении органических и адсорбированных пленок. Органические пленки - это тонкие пленки масел, жирных кислот и парафинов, которые покрывают свариваемые поверхности. Легко проникая в несплошности на поверхности металла, они твердеют в пограничном слое, крепко соединяясь с металлом, и в значительной мере затрудняют процесс сварки, так как при пластических деформациях не разрушаются. После промывания замасленного металла бензином слой органических молекул составляет 1...5 мкм и только при особенно тщательной обработке растворителями сохраняется жировая пленка толщиной 10...100 молекул. Полностью удалить масляные покрытия с металла практически невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла является чисто электрическим.

    Препятствуют сварке и адсорбированные на поверхности пленки пары воды, газов. Пленка пары воды составляет 50...100 молекул. Мономолекулярный слой адсорбированных газов образуется почти мгновенно. Для образования молекулярного слоя достаточно 2,4·10-8 с. Эти пленки ухудшают процесс сварки, а удалить их тяжело. В глубоком вакууме, где образование пленок происходит медленно, осуществить холодную сварку значительно проще.

    Подготовка поверхностей к сварке заключается в удаление жировых и масляных загрязнений. На производстве используют следующее:

  1. механическая зачистка стальными вращающимися щетками;
  2. прокаливание алюминиевых заготовок при температуре 300...400 °С и свободном доступе воздуха для образования оксидных пленок и удаления жировых загрязнений;
  3. покрытие поверхности тонким (6...10 мкм) слоем гальванического никеля или хрома;
  4. обрезание конца заготовки при сварке проводов сравнительно небольшого диаметра с помощью специальных ручных кусачек или механического ножа (торцы деталей большого сечения подвергают механической обработке). При этом необходимо обеспечить параллельность свариваемых поверхностей у обеих деталей.

Таблица 4 - Степень шероховатости в зависимости от способа обработки металлической поверхности

Способ обработки Максимальная высота
неровностей, мкм
Обработка наждачным кругом 40…120
Черновая обработка резцом 80
Чистовая обработка резцом 10
Грубое шлифование 6,3
Полирование 0,4
Чистовое полирование 0,05

    Удаление облоя после сварки может выполняться на сварочном оборудовании, для чего кромки зажимов затачиваются под углом 60°.

   Принципиальное отличие холодной сварки от других способов сварки давлением заключается в необходимости удаления оксидных пленок и адсорбированных газов из зоны контакта механическим путем за счет интенсивной пластической деформации. В дальнейшем пластическая деформация, как и при других способах сварки давлением, обеспечивает образование физического контакта, активацию поверхностей, их схватывание и взаимодействие, но эти процессы имеют свои кинетические особенности. При холодной сварке величина накопленной деформации, необходимая для образования крепкого соединения, значительно больше, чем при других способах сварки давлением с подогревом.

   Роль термической активации при холодной сварке незначительна. На результаты сварки не влияет также текстура металла, поскольку для большинства металлов при комнатной температуры криталлизационные процессы происходить не могут (за исключением некоторых легкоплавких металлов, например галлия, индия, свинца, для которых комнатная температура выше температуры рекристаллизации).

    Сварной шов при холодной сварке металла не загрязняется примесями, имеет высокую однородность и высокие показатели коррозийной стойкости и стабильности электрического сопротивления. Простота подготовки деталей к сварке и контролю параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газовых и тепловых выделений, возможность дистанционного управления и скорость процесса делают холодную сварку удобной для использования, не нуждается в высокой квалификации сварщика-оператора. Удельные затраты энергии на сварку приблизительно на порядок меньшие, чем при сварку плавлением. Применение холодной сварки улучшает гигиенические условия на производстве. Однако следует учитывать, что для холодной сварки каждого конкретного изделия нужно иметь инструмент индивидуальной конструкции. Необходимо строго следить за исключением возможности загрязнения подготовленных к сварке поверхностей. При сварке внахлёст на изделиях остаются глубокие вмятины - следы от инструмента.

Параметры режимов холодной сварки

    Параметрами режимов холодной сварки являются: удельное давление, величина вылета деталей из зажимов (при стыковой сварке), диаметр пуансона, степень деформации.

    В нижней части магнитопровода расположены четыре непод-вижных первичные полуобмотки 6, из них две основные с большим числом витков, и две дополнительные - с меньшим числом витков.

    Величина удельного давления выбирается в зависимости от физико-механических свойств металлов. Удельные давления, которые рекомендуют, при стыковой сварке алюминиевых деталей 700...800 МН/м2, медных - 2000...2500 МН/м2, из разнородных металлов, например, алюминий-медь - 1500...2000 МН/м2.

   При стыковой сварке деталей важным технологическим параметром является длина выпущенного из зажимной цанги конца детали, так как она вместе с усилием сжатия определяет степень деформации. Длина вылета стержня диаметром d из алюминия рекомендуется (1...1,2)d, меди - (1,25...1,5)d. При сварке разнородных металлов вылет стержня из менее прочного металла должны быть меньшим, чем из более прочного. Например, при стыковой сварке стержня с меди и алюминия вылет медного стержня рекомендуется делать на 30...40 % больше, чем алюминиевого.

   Для заготовок прямоугольного сечения вылет несколько больше, чем для цилиндрических при ширине, которая равняется диаметру, и при одинаковых других условиях. Величина вылета заготовки может изменяться в довольно широком диапазоне. Основным условием определения этого параметра есть необходимость симметричной, относительно стыка, деформации металла, без потери устойчивости концов заготовок. С увеличением диаметра (толщины) стержня абсолютное значение вылета возрастает, но его отношение к диаметру уменьшается. Для алюминия вылет изменяется от 0,5d для d = 30 мм до 1,0d для d = 1...3 мм. Для меди вылет изменяется от 0,75d до 1,1d соответственно для диаметров 20 и 2 мм. Конечно, могут быть и отклонения от этих значений.

   При сварке внахлёст ширину или диаметр пуансона определяют в зависимости от толщины металла (1...3)б. Для шовной сварки алюминия рекомендуются ролики d = 50б с шириной рабочего выступа (1...1,5)б, высотой (0,8...0,9)б, шириной опорной части (2...4,5)б. Давление пуансона составляет 300...600 МПа для отожженного алюминия, 2000 МПа - для меди.

   Для холодной сварки используется как специализированное, так и стандартное прессовое и прокатное оборудование. Различают оборудование для стыковой, точечной и шовной сварки.

Устройство машины МСХ-5-3

   Машина МСХ-5-3 предназначена для сварки алюминиевых и медных проводов сечением 2...30 мм2. Основные технические данные:
- рабочее давление сжатого воздуха - 0,1.. .0,5 МН/м2;
- расчетное усилие сжатия - 50 кН;
- максимальное расстояние между внутренними торцами зажимных губок - 11 мм;
- расход сжатого воздуха на одну сварку - 0,005 м3;
- производительность машины - до 200 звар/ч;
- масса машины - 62 кг.

   В состав МСХ-5-3 входят: корпус, зажимные устройства с механизмом ручного зажима заготовок, устройство для направления движения заготовок, механизм осаживания, аппаратура управления, вспомогательные механизмы и устройства для обрезания концов заготовок и удаление облоя.

   Зажимной механизм состоит из неподвижного 1 и подвижного 3 зажимов, последний имеет возможность передвигаться относительно неподвижного по двум направляющим колонкам 2.

   К зажимным устройствам относятся разъемные из двух половинок, между которыми зажимаются свариваемые детали. При смыкании губок между ними предполагается гарантированный зазор величиной 2,5 % толщины или диаметра заготовки. Губки сменные, отвечают конфигурации сечения зажимаемой детали, имеют насечку для предотвращения проскальзывания заготовки при сварке. Глубина насечки составляет 3...4% диаметра или толщины заготовки, но не больше 0,35...0,40 мм. С одного торца губки заточены на конус с углом 60°, при смыкании они образуют ножи для удаления облоя (грата). Для фиксации используются механизмы кулачкового типа, что позволяет уменьшить зажимное усилие до 45 % от усилия осадки. Зажимное усилие создается вручную.

   Управляют работой механизма осаживания с помощью трехходового пневматического крана 9.

   При повороте рукоятки влево до упора, правая камера пневмоцилиндра 8 соединяется с атмосферой, а в левую камеру подается сжатый воздух, вследствие чего перемещается поршень, который через шток 7, рычаг 6 и тягу 5 передвигает подвижный зажим до контакта с неподвижным, обеспечивая деформацию металла на величину установленного зазора между губками зажимов и обрезку облоя. При повороте рукоятки крана вправо левая камера пневмоцилиндра соединяется с атмосферой, а в правую камеру поступает сжатый воздух, который возвращает поршень и подвижный зажим в правое положение. Если рукоятка крана находится в среднем положении, то сжатый воздух ни в одну из камер пневмоцилиндра не поступает.

   Давление сжатого воздуха, поступающего из сети, регулируется воздушным редуктором 11 и контролируется по манометру 10. Для обрезки торцов стержнем, перед сваркой, на машине установлен резак.

   Кран управления работой резака 13 расположен внутри корпуса машины по левую сторону. При повороте рукоятки крана, управления работой резака, влево до упора сжатый воздух поступает в нижнюю камеру пневмоцилиндра 12 и толкает поршень вверх. При этом нож резака 14, закрепленный на штоке, обрежет конец стержня, вставленного в отверстие планки. При повороте рукоятки крана вправо поршень со штоком и ножом возвращается в исходное положение.

Порядок работы машины

  1. Установить губки соотвующие сечению свариваемых деталей.
  2. Подать в машину сжатый воздух.
  3. Установить по калибру необходимое расстояние между губками, для чего, плавно передвигая рукоятку крана 9, подвести подвижный зажим к упору губок в калибр и остановить зажим повором рукоятки крана в среднее нейтральное положение.
  4. Протереть свариваемые стержни, чистой салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном, для обезжиривания и удаления с поверхности загрязнений.
  5. С помощью резака обрезать концы свариваемых стержней.
  6. Установить свариваемые стержни в губки зажимов так, чтобы их стык находился по середине зазора между губками. Зажать в губках зажимов свариваемые стержни, для чего рукоятки эксцентриковых механизмов опустить вниз до упора.
  7. Выполнить сварку стержней и обрезку облоя, для этого рукоятку крана механизма осаживания 9 возвратить влево до упора.
  8. Освободить сваренную деталь из верхних губок зажимов, подняв вверх рукоятки эксцентриковых механизмов.
  9. Возвратить подвижный зажим в крайнее правое положение, повернув рукоятку крана 9 вправо до упора, и вынуть сваренную деталь из нижних губок зажимов.

Методика работы

  1. Ознакомиться с сущностью холодной сварки.
  2. Установить особенности формирования стыкового соединения при холодной сварке.
  3. Установить особенности формирования соединения внахлёст при холодной сварке.
  4. Определить влияние параметров режима на параметры сварного соединения.
  5. Установить влияние свойств свариваемого материала на качество сварного соединения.
  6. Ознакомиться с устройством машини МСХС-5-3.
  7. Провести тренировочную сварку соответственно "Порядку работы машины".
  8. Установить режимы сварки (по указанию преподавателя), выполнить сварку образцов, проверить на прочность сварные соединения.
  9. 9. Составить отчет, провести анализ полученных результатов.

   Таблица 5 - Протокол режимов сварки и испытаний образцов


п/п
Диаметр свариваемых стержней
Марка металла Длина вылета Усилие разрушения Характер разрушения Примечание
1 2 1 2        
1              
2              
3              
4              

Оборудование и материалы

  1. Пост для холодной сварки.
  2. Машина для холодной сварки МСХС-5-3.
  3. Разрывная машина.
  4. Сварочные материалы: алюминиевые и медные стержни диаметром 3...5 мм; - салфетки; - материалы для обезжиривания.

Содержание отчета

  1. Схемы холодной сварки.
  2. Особенности формирования сварного соединения, параметры режима и их влияние на параметры сварного соединения.
  3. Принципиальная схема машины МСХС-5-3. Технические данные, спецификация основных узлов.
  4. Результаты исследований (табл. 5).
  5. График зависимости F=f (степени пластического деформирования).
  6. Анализ полученных результатов. Выводы (обоснование оптимального режима сварки).

Контрольные вопросы

  1. Расскажите об особенностях холодной сварки.
  2. Назовите основные способы холодной сварки.
  3. Расскажите о холодной сварке с обжатием.
  4. Как образуется сварное соединение при стыковой холодной сварке?
  5. Как образуется сварное соединение при холодной сварке встык?
  6. Как зависит прочность сварного соединения от степени деформации?
  7. Как и для чего очищается поверхность деталей перед сваркой?
  8. Какие основные параметры режима точечной и стыковой холодной сварки?
  9. Как влияют параметры режима сварки на качество сварного соединения?
  10. Как происходит сварка деталей из разнородных материалов?
  11. Из каких узлов состоит машина МСХС-5-3?
  12. Расскажите о подготовке машины МСХС-5-3 к работе.

Холодная сварка (описание лабораторной работы)

Холодная сварка (отчет)