Особливості процесів зварювання тиском

Існуючі в даний час способи зварювання можна розділити за технологічними ознаками на дві групи: зварювання плавленням і зварювання тиском. До першої групи відносять способи зварювання, в яких формування безперервної кристалічної структури відбувається в результаті кристалізації розплавленого металу в зоні шва без впливу на зварне з'єднання будь-яких статичних ударних або вібраційних тисків.

До другої групи відносять способи зварювання, при яких метал безпосередньо в зоні шва може мати температуру нижче або вище точки плавлення, але зварювання відбувається при дії на зварне з'єднання статичного, ударного або навіть високочастотного вібраційного тиску.

Зварювання тиском - це спосіб отримання нероз'ємного з'єднання деталей шляхом їх спільного пластичного деформування.

 

Відомі два різновиди зварювання тиском: без нагрівання (зварювання вибухом, імпульсом магнітної енергії, холодне зварювання) і з нагріванням (ковальське, ультразвукове, тертям, дифузійне, високочастотне, газопресове і контактне зварювання).

Природа утворення з'єднання у всіх випадках зварювання як з нагріванням, так і без нього одна: це результат взаємодії між активованими атомами з'єднуваних поверхонь. Розрізняють три стадії процесу утворення з'єднання при зварюванні тиском. На першій стадії утворюється фізичний контакт, відбувається активація поверхонь, які зближуються на параметр кристалічної решітки, долаючи енергетичний бар'єр, але зберігають стійкий стан, не зливаючись. На другій стадії утворюється хімічна сполука активованих поверхонь, відбувається зварювання - зближення атомів на відстань міжатомної взаємодії. Ширина границі розділу стає спів розмірною з шириною міжзернової границі, міцність з'єднання стає спів розмірною з міцністю основного металу. На третій стадії відбувається дифузійний обмін мас через об'єднану поверхню з'єднання. При цьому знову отримана поверхню розділу розмивається або руйнується продуктами взаємодії.

На третій стадії в залежності від її тривалості та роду з'єднуваних металів може відбуватися один з наступних процесів (рис. 132). При зварюванні однойменних металів мілкозерниста межа розділу при тривалій витримці заміщається великими рекристалізованими зернами. Міцність з'єднання знижується на 10... 20%.

При зварюванні пар металів з необмеженою розчинністю один в одному при досить великій витримці (до 10 хв) на новоутвореній межі розділу розвивається дифузійний прошарок, що складається з твердого розчину зварювальних металів. Міцність з'єднання в цьому випадку вище міцності одного з металів пари.

При з'єднанні деяких пар металів може утворюватися евтектика - механічна суміш кристалітів компонентів цих металів. Вона тендітна, має низьку міцність. Інші різнорідні метали можуть утворювати один з одним хімічні сполуки інтерметаліди. Вони мають високу міцність, але низьку пластичність. При зварюванні таких металів між собою в їх контакті в третій стадії процесу будуть виникати евтектичні і інтерметалідні включення, що погіршують механічні властивості проміжного прошарку. Тому при затягуванні третьої стадії дифузійні процеси в контакті різнорідних металів можуть призвести до повного руйнування з'єднання.

Реальні поверхні крім макро-, мікро і субмікрошероховатостей (рис. 133) мають макровідхилення або відхилення форми поверхонь, які сполучаються, що характеризують точність їх обробки (рис. 134). Фізичне контактування має супроводжуватися великою деформацією. Дійсно, щоб зняти мікронерівності висотою всього 10... 15 мкм або вирівняти не площинність на 50... 500 мкм, доводиться деформувати всю масу деталі на величину, що досягає 90% її товщини. Це "вимушена" деформація - така відносна залишкова деформація, при якій під дією зусилля стиснення відбулося завершення фізичного контакту по всій площині зварювання.

Зменшити вв можна трьома прийомами. Перший з них - зменшення деформаційного зміцнення шорсткого шару в контакті шляхом уповільненого стиснення деталей при високій температурі нагрівання (дифузійне і газопресове зварювання). У цьому випадку є3 = 5... 15%. Другий прийом - це різке збільшення напруженого стану в шорсткою шарі контакту шляхом чисто контактного стиснення (зварювання вибухом, імпульсом магнітної енергії). У цьому випадку їв -> 1. Третій прийом - створення чисто контактного, локального нагріву при одночасному збереженні умов, при яких не відбувається деформаційного зміцнення в контакті. Це способи контактного зварювання, при яких.в = 15%, і прецизійні способи контактного зварювання, при яких ївши = 2... 5%.

Серед відомих способів зварювання тиском тільки при дифузійному зварюванні і зварюванні вибухом їв наближається до мінімально можливої. Це обумовлено контактуванням з критичними швидкостями, при яких завдяки дифузійним процесам разупрочнение в контакті переважає перед його деформаційних зміцненням. Для всіх інших способів зварювання тиском фактичні швидкості контактування набагато перевищують критичні. Отже, при цих способах не можна отримати з'єднання з мінімальною залишковою деформацією. Наприклад, щоб при холодної зварюванні отримати з'єднання з мінімальною осадкою, швидкість контактування при кімнатній температурі повинна бути настільки повільною, що для завершення зварювання потрібні роки.

 

1.1 КОВАЛЬСЬКЕ ЗВАРЮВАННЯ

 

Ковальське зварювання — це з'єднання двох або більше металевих деталей в одне ціле при високій температурі й тиску. Воно відбувається в умовах температури, близької до точки солідуса (1 400-1 450°С), при проковуванні зварюваних деталей, накладених одну на одну.

Першим технологічним процесом в історії техніки, за допомогою якого люди могли одержати нероз'ємні з'єднання матеріалів, було ковальське зварювання. При цьому процесі міцне зчеплення з'єднуваних поверхонь досягається за рахунок взаємодії атомів.

За допомогою ковальського зварювання виконують різноманітні з'єднання деталей, виготовляють знаряддя праці, зброю. Особливо широке використання має художня обробка металів, де ковальське зварювання займає провідне місце при виготовленні декоративних решіток, огорожі, навісів, підставок тощо.

Ковальським зварюванням виготовляють вироби з чергуючими в певній послідовності шарами твердої та м'якої сталі, які мають самозагострювальні властивості. Колись ковалі виготовляли мечі з візерункової сталі (східна назва «дамаск»). Це був один з перших композиційних матеріалів на основі заліза. У наш час за принципом Дамаска виготовляють матеріали для ракетно-космічної техніки. Одержання композита за принципом Дамаска зводиться до процесу з'єднання сталевих деталей з різним вмістом вуглецю ковальським зварюванням. Ця технологія межує з мистецтвом. Засновники сучасної булатної технології (булат — різновидність східної сталі) П. П. Аносов і В. І. Басов відмітили, що коваль вкладає в роботу свою енергію та індивідуальний настрій.

Деталі під зварювання нагріваються в горні на кам'яному й деревному вугіллі, коксі, у газовій печі або з використанням електронагрівання. Для виготовлення композиційної деталі пластини або листи з низьковуглецевої сталі чергують із пластинами інструментальної сталі (рис. 12.13). Одну з пластин роблять довшою, щоб її можна було використати в якості рукоятки. На торцях пакет деталей прихвачують дуговим зварюванням. Пакет установлюють у печі так, щоб нагрівання проходило рівномірно. Для цього пакет в печі повертають, інколи вимикаючи дуття. Цей процес називають томлінням у горні. При цьому навколо деталі збільшують або зменшують інтенсивність горіння вугілля. Нижня частина деталі нагрівається сильніше за верхню, тому її повертають на 180° і посипають кварцевим піском (флюсом). Коли пісок прилипне до поверхні, деталь знову повертають і покривають флюсом інший бік.

При температурі 1230-1250°С флюс починає плавитися, а деталь — «пітніти». В цей момент її необхідно крутити. При цьому температура досяє 1300-1400°С і вирівнюється за всією довжиною поковки. Важливо її прогріти так, щоб білий колір поверхні був чистим, без темних плям. Потім пакет витягують з горна і легкими ударами проковують, повертаючи на 180°. Процес зварювання проходить доти, доки поверхня пакета буде «мокрою». При поганому зварюванні, з'явиться здуття і розшарування. При цьому зварювання необхідно повторити.

Якість зварювання перевіряють за такими способами:

– торці деталі зачищають на точилі і виявляють тріщини (поверхня має бути суцільною, без тріщин);

– швидко охолоджують і знову нагрівають деталь — при непроварах з'являються бульки.

 

Контактне зварювання

Контактне зварювання - це процес утворення з'єднання в результаті нагрівання металу завдяки проходженню через нього минаючої електричного струму і пластичної деформації зони з'єднання під дією стискального зусилля.

Родоначальник контактного зварювання - англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін), що в 1856 р. уперше застосував стикове зварювання. В 1877 р. у США Элиху Томсон самостійно розробив стикове зварювання й впровадив його в промисловість. У тім же 1877 р. у Росії Н.Н.Бенардос запропонував способи контактного точкового і шовного зварювання.

Сутність способу точкового контактного електрозварювання полягала в тому, що до двох сталевих пластин, поміщеним одна на іншу, підводиться струм за допомогою спеціальних кліщів (рис. 1), у які були вставлені вугільні електроди. Струм проходить через електроди, між якими затискались пластини, за цього теплоти, що виділилася, було досить для утворення зварної точки.

 

 

 

Рисунок 1 - Кліщі Бернадоса для контактного зварювання

 

Суттєвою проблемою наприкінці XIX ст. було з'єднання телеграфних проводів. Ця проблема була вирішена за допомогою стикового контактного зварювання. До 1884 року Э. Томсоном були створені необхідні для контактного стикового зварювання елементи устаткування: комутуюча апаратура, динамо-машина для генерування змінного струму, що подається на трансформатор великої питомої потужності, спеціальні струмопідвідні затискачі. В 1885 р. він відпрацьовує техніку зварювання, доводить до безвідмовної роботи зварювальну апаратуру й на початку 1886 р. подає заявку на патент, що захищає принципово новий спосіб електричного зварювання.

Спосіб Томсона описується так: «зварюються предмети, що, приводяться в зіткнення місцями, які повинні бути зварені, і через них пропускається струм величезної сили - до 20 0000 амперів при низькій напрузі - 1-2 вольти. Місце зіткнення представить струму найбільший опір і тому сильно нагріється. Якщо в цей момент почати стискати зварювані частини і проковувати місце зварювання, то після охолодження предмети виявляться добре звареними». Проковування було не просто даниною моді, не залишком колишньої технології, а прийомом, що забезпечує підвищення якості металу шва. Оскільки крім нагрівання застосовувалося й механічне здавлювання, спочатку спосіб називали «електричним куванням» або «без вогневим методом зварювання».

Перший пристрій, що виконує нагрівання й стискування двох проводів, складався із двох важелів, на одному кінці з'єднаних шарніром з ізоляційного матеріалу, а з іншого кінця зв'язаних пружиною через ізоляційні втулки (рис. 2). У цих важелях посередині затискались зварювані деталі - проводи, стержні тощо.

 

 

 

1 - шарнір; 2 - важелі; 3 - затискач; 4 - зварюються детали, що; 5 - стик; 6 - стопорний гвинт; 7 – пружина

Рисунок 2 - Схема першої установки для контактного зварювання

У наступній установці був застосований трансформатор із замкнутим контуром (рис. 3). На його первинну обмотку подавалася напруга 600 В, і по ній протікав струм силою 20 А. Ця обмотка намотувалася на котушку діаметром 305 мм. Котушку охоплював і виток вторинної обмотки, кінці якої підключалися через затискачі до зварюваних деталей. По зварювальному ланцюзі протікав струм 12000 А при напрузі 1 В.

 

 

1 - сердечник; 2 - первинна обмотка; 3 - виток вторінної обмотки; 4 - зварюємі деталі; 5 - стік; 6 - пружина; 7 - стопорний гвинт

Рисунок 3 - Схема установки для контактного зварювання з трансформатором Із замкнутим контуром

Э. Томсон сконструював установку, у якій струм переривався синхронно із прикладанням зусилля до стиску. Для розвитку більших зусиль стиску винахідник розробив апарат з гідравлічною системою (варто нагадати, що механічні та гідравлічні системи широко застосовувалися ще в древніх цивілізаціях - китайської, вавилонської, єгипетської, грецької). Наступним кроком у розвитку стикового контактного зварювання було застосування імпульсів струму та тиску. У міру розширення сфери застосування стикового зварювання вдосконалювалася її технологія і розроблялися нові схеми нагрівання. Були запропоновані кілька способів комбінованого (дугового й контактного) зварювання.

Ч. А. Коффин застосував зварювання стержнів великого перерізу з попереднім нагріванням вібруючою короткою дугою. Ним же розроблена технологія зварювання із проміжною вугільною пластиною - електродом, що підключається до вторинної обмотки, яка вставляється на час розігрівання між стикованими деталями. В інших пристроях між зварюваними деталями, що, поміщали металеву пластину, а струм підводили до кінців деталей через вугільні контакти. Пластину вибирали з матеріалу з більшим питомим електроопором, чим у металу, що зварюється, завдяки чому прискорювалося нагрівання. Перед стиском вставку видаляли. Коффин запропонував також пропускати магнітне поле через зварювану дільницю вважаючи, що це викличе структурні зміни, що приводять до зменшення провідності металу, що зварюється, а отже, до прискорення нагрівання.

Установки для контактного стикового зварювання часто називали «електричними горнами». В 1892 р. Э. Райе використовував принцип контактного зварювання в «ковальському горні для ювелірів». Він запропонував пластини, до яких потрібно було приварити орнамент із дроту, поміщати на металеву плиту, підводячи до неї струм від вторинної обмотки зварювальної машини. До початку XX ст. появляються повідомлення про застосування фірмою «Фиат» контактного зварювання для виготовлення літакових двигунів.

В 1928 р. фірма «Стаут метл эйрплэйн» (відділення фірми «Форд мотор») використовували контактне зварювання на лініях виготовлення конструкцій з дюралюмінію. На початку 1930-х рр. в Америці була проведена серія випробувань на зразках, а потім і на натурних моделях для визначення можливостей застосування контактного зварювання конструкцій з легких сплавів. Розроблено технологію й устаткування, які прийняли у виробництво фірми «Дуглас», «Боинг» і «Сикорски». В 1935 р. у США виготовлений монолітний суцільнозварний балковий фюзеляж

 

2. Структура металевої поверхні.

 

2.1. Будова металевої поверхні.

Ідеально чиста (ювенільна) металева поверхня, вільна від оксидних плівок та адсорбованих шарів рідинних і газових молекул, може бути отримана тільки в глибокому вакуумі. Над металевою поверхнею в даному випадку існує хмара безперервно рухомих вільних електронів, що залишають метал і знову повертаються в нього.

Ідеально чисту металеву поверхню можна отримати тільки в вакуумі. Вона існує короткі моменти часу в зламі металу або в перші миті після його механічної обробки. На повітрі металева поверхня миттєво покривається оксидними плівками, а також шарами адсорбованих молекул води, газів і жирових речовин. Товщина і послідовність нашарувань може бути різною і залежить від складу зовнішнього середовища.

Рис. 2.1. Поверхня металу на повітрі:

1 - глибинний шар металу, що не порушений пластичними деформаціями; 2 - поверхневий шар повністю разорієнтованих кристалітів з прошарками окислів; 3 - оксидний шар; 4 - адсорбований шар кисневих аніонів і нейтральних молекул повітря; 5 - шар водяних молекул; 6 - шар жирових молекул; 7 - іонізовані пилові частинки.

Крім оксидних плівок, металеві поверхні завжди покриті жировими, газовими молекулами і парами води. Плівка парів води становить 50-100 молекул. Жирові шари мають ще більшу товщину. Після промивання замасленими металу бензином шар органічних молекул становить 1-5 мкм і тільки при особливо ретельній обробці розчинниками зберігається жирова плівка товщиною 10-100 молекул. Органічні забруднення особливо ускладнюють зварювання тиском, якщо воно здійснюється при кімнатній температурі або з невеликим нагріванням. Тонкий граничний шар масел, жирних кислот, парафінів, що знаходяться на металевій поверхні, утримується на ній адсорбційними силами. В результаті хемосорбції досягається відносно міцний зв'язок між молекулами органічної речовини і поверхневими атомами металу, а сама речовина набуває пружності твердого тіла. Жирові молекули глибоко проникають в усі мікротріщини металу і чинять сильну розклинюючу дію.