Холодная сварка

Холодная сварка (ХС) – сварка давлением при значительной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых поверхностей. Суть процесса заключается в сближении за счет пластической деформации свариваемых поверхностей до образования металлических связей между ними и получения таким образом прочного сварного соединения. При сдавливании, тонкий поверхностный слой толщиной менее 1 мкм соединяемых элементов нагревается до температуры плавления. ХС соединяются металлы, имеющие высокую пластичность при комнатной температуре (Al, Au, Ag, Cu, Ni, Pb и др.). В недостаточно пластичных металлах при больших деформациях могут образовываться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают. Холодной сваркой выполняют точечные, шовные, стыковые соединения (рис. 1) ей соединяют металлы и сплавы толщиной 0,2 - 15 мм.

Прочность соединения зависит от глубины вдавливания инструмента и качества подготовки поверхности. Минимальная глубина вдавливания инструмента определяется свойствами материала.

Определяющими характеристиками процесса являются давление и величина деформаций. В зависимости от состава и толщины свариваемого металла давление составляет 150–1000 МПа, степень относительной деформации 50– 90 %.

Схема холодной сварки

Рис. 1. Схема холодной сварки: а - сварка внахлестку (точечная);

б - сварка встык; в - шовная сварка

Выбор способа сварки определяется следующими факторами:

  • маркой свариваемого материала;
  • требуемыми свойствами сварного соединения;
  • конструкцией сборочной единицы.

Необходимо принимать во внимание и дополнительные факторы, влияющие на выбор способа сварки, и рассматривать их с учетом конкретных условий производства сварной конструкции.

Работа машины для холодной стыковой сварки представлена на рис. 2.

Последовательность работы на машине для холодной стыковой сварки

Рис. 2. Последовательность работы на машине для холодной стыковой сварки

Точечной сваркой соединяют детали внахлестку без предварительного или с предварительным сжатием свариваемых деталей (рис. 3, 6). Точечная сварка без предварительного сжатия деталей может выполняться путем их двустороннего (рис. 3, а) или одностороннего сжатия (рис. 3, б).

Схема точечной сварки без предварительного зажатия

Рис. 3. Схема точечной сварки без предварительного зажатия при двустороннем (а) и одностороннем (б) деформировании

Пуансон имеет выступ (2) и опорную часть (3) большого сечения (рис. 4). Под действием усилия (Ра) рабочий выступ внедряется полностью в деталь (1), где и образуется сварная точка. Усилие передается деталям не только через рабочие выступы, но и через опорные части. На рис. 4 показаны возможные формы свариваемых точек.

Площадь сварной точки равна площади сечения вдавливаемой части пуансонов, но при определенных условиях может ее превышать.

Возможные формы сварных точек

Рис. 4. Возможные формы сварных точек

Машина для холодной точечной сварки приведена на рис. 5.

Машины для холодной точечной сварки

Рис. 5. Машины для холодной точечной сварки

К технологическим параметрам точечной сварки следует относить также количество и расположение сварных точек.

Сварка с предварительным сжатием деталей позволяет избавиться от вмятин в металле при точечной сварке. Эта схема предполагает наличие двух переходов при сварке подготовительной и собственно сварочной.

Схема точечной сварки с предварительным зажатием

Рис. 6. Схема точечной сварки с предварительным (а) и окончательным (б) деформированием

Вначале деталь 1 зажимают между двумя прижимами 2 и 3, имеющими отверстия (рис. 6, а). Отверстие в верхнем прижиме 2 предназначено для перемещения специального пуансона 4, а в нижнем - 3 для течения выдавливаемого металла, образующего выступ. При вдавливании пуансона 4 в деталь 1 на верхней её поверхности образуется углубление 5, в нижней части – выступ 6.

Аналогично подготавливают вторую деталь. Затем соединяемые поверхности деталей зачищают щетками, складывают и помещают в штамп (рис. 6, б). Их зажимают снова, после чего к выступам через сварочные пуансоны 7 прикладывают давление Рос. Углубления в процессе деформации заполняются металлом за счет материала выступов, в результате получается соединение внахлестку двух плоских деталей 8 без присущих холодной точечной сварке вмятин - следов вдавливания пуансонов. Этим способом можно получать соединения не только в виде круглых точек, но и кольцевых швов или швов в виде волнистых линий.

Шовная холодная сварка осуществляется двумя основными способами: последовательным выполнением перекрывающихся точек при непрерывном выполнении всего сварного шва или одновременном соединении деталей по всей длине шва (рис. 7). В первом случае сварка осуществляется вращающимися роликами. Подготовленные к сварке детали 1 складываются зачищенными поверхностями, помещаются между роликами 2 и 3, сдавливаются до полного проникновения в металл рабочих выступов 4. Затем ролики приводятся во вращение. При этом соединяемые детали перемещаются, и происходит их сварка по шву.

Холодная сварка роликами бывает односторонняя (рис. 7, а) и двусторонняя (рис. 7, б).

Схема шовной холодной сварки

Рис. 7. Схема шовной холодной сварки: а - с односторонним; б - с двухсторонним деформированием

Односторонняя сварка выполняется роликами, ролик 2 имеет рабочий выступ 4, а ролик 3 гладкий и служит лишь опорой. Такая схема сварки применяется, при соединении деталей из одного и того же материала. Разновидностью сварки роликами является шовно-точечная и соединение по всей длине шва.

Сварка с двухсторонним деформированием осуществляется вдавливанием пуансонов подобно точечной сварке. Пуансоны имеют рабочие выступы 4 кольцевой формы. Как и при точечной сварке, применяется одностороннее или двустороннее деформирование металла. Отдельное место занимает шовная сварка, позволяющая изготавливать изделие без отбортовки, а также соединять трубы с расположенными внутри них перегородками.

Сварка тавровых соединений – способ холодной сварки двух деталей. Одна из заготовок, как правило, плоская, а другая (привариваемая) может быть прутком, полосой или иметь иную форму. Получены соединения при диаметре прутка до 30 мм, толщине плоской детали до 20 мм.

Сварка сдвигом – соединяют полосы из алюминия, меди, никеля толщиной до 4…8 мм. При этом способе сварки относительный сдвиг деталей осуществляется под действием тангенциальных усилий.

При ХС наблюдается интенсивный наклеп металла. В силу этого прочность сварного соединения, выполненного без нарушения технологического режима, выше, чем у основного материала. Отсутствие значительного нагрева практически исключает возможность появления хрупких интерметаллидных прослоек, обеспечивая тем самым высокую пластичность и прочность соединения. Сварной шов не загрязняется посторонними примесями, обладает высокой химической однородностью и поэтому имеет высокие показатели по коррозионной стойкости и стабильности электрического переходного сопротивления. По сравнению с соединениями, выполненными другими методами, простота подготовки деталей к сварке, легкость контроля параметров режима, отсутствие вспомогательных материалов, газо- и тепловыделений, возможность дистанционного управления и быстрота процесса позволяют легко автоматизировать ХС. Процесс не требует высокой квалификации сварщика-оператора. Удельные затраты энергии при сварке на порядок меньше, чем при сварке плавлением. Применение этого метода способствует улучшению гигиенических условий на производстве.

Сварка встык - подлежащие сварке стержни 1 (рис. 8) зажимают в зажимах (2). Концы свариваемых деталей выпускают из зажимных губок на определенную длину, называемую вылетом. При осадке правый и левый зажимы сближают до соприкосновения, и острый край, зажимая, обрубает выдавленный металл.

Схема холодной сварки встык

Рис. 8. Схема хс встык

Таким способом свариваются стержни и проволока круглого квадратного и прямоугольного сечения, полосы и т.п. Место сварки получается чистым и не требует последующей обработки. Металл в зоне сварки упрочняется вследствие наклепа, и разрыв при испытаниях происходит всегда вне зоны сварки.

Технология сварки. Для получения прочного и надежного неразъемного соединения деталей ХС важное значение имеет способ обработки поверхностей свариваемых деталей. Это механическая обработка вращающимися щетками из стальной, латунной или никелевой проволоки диаметром 0,2…0,3 мм. Диаметр щеток может быть от 50 до 200 мм, частота вращения 25…50 с, линейная скорость на поверхности щеток 15…60 м/с. Зачистка производится до получения ровной матовой поверхности. Для соединения алюминия и его сплавов наиболее эффективен способ подготовки свариваемых поверхностей – обрезка концов деталей перед сваркой. Срез должен быть перпендикулярным к продольной оси.

Широко применяется стыковая сварка с многократной осадкой торцов без их подготовки. При этом каждый раз устанавливается вылет соединяемых деталей в губках сварочной машины.

Весьма эффективен термический способ подготовки путем прокаливания деталей при температуре 300…400 ℃ на воздухе. Однако для медных деталей этот способ не подходит.

Возможны и химические способы подготовки путем обезжиривания различными растворителями. Однако эти способы нетехнологичны, так как требуют большого количества дорогих растворителей.

Промышленное применение холодной сварки (ХС). Наиболее широко холодная сварка применяется в электротехнической промышленности. С ее помощью успешно заменяют дефицитную медь алюминием в качестве токопроводящего материала. ХС обеспечивает безотходное изготовление обмоток электрических машин и трансформаторов, замена штамповки медных коллекторных пластин электрических двигателей на холодную сварку позволяет сократить отходы металла в 8…10 раз.

В радиоэлектронике холодную сварку применяют для герметизации корпусов полупроводниковых приборов, для стыков соединения электродов радиоламп; в цветной металлургии – для соединения алюминиевых или титановых катодных штанг с магистральными медными шинами; в приборостроении – для изготовления шасси приборов из алюминия и его сплавов;
в машиностроении – при изготовлении переходных элементов из разнородных материалов, используемых в криогенной технике; на электрифицированном железнодорожном и городском транспорте – для соединения медных контактных проводов. Также ХС используют при изготовлении посуды, бачков, молочных фляг и других изделий из алюминия. Замена хс механических соединений контактных проводов на электрифицированном транспорте дает следующие преимущества:

  • Повышается надежность соединений за счет улучшения качества контакта, уменьшаются искрение и местный износ провода.
  • Достигается экономия металла за счет отсутствия зажимов и клемм, а также полного использования короткомерных обрезков провода.
  • Уменьшаются радиопомехи и улучшаются условия прохождения электротранспорта при высоких скоростях движения. ХС - это надежный способ присоединения медных выводов к концам алюминиевых обмоток и шин, что обеспечивает стабильный электрический контакт в разъемных соединениях элементов электротехнических изделий. Это дает возможность заменять медь алюминием в качестве токопроводящего материала без снижения срока службы изделий.

ХС – уникальный способ получения тавровых и штыревых соединений алюминиевых деталей с медными. Она позволяет получить Т-образные и угловые соединения плоских шин и механизировать процесс сборки шинопроводов. Применение ХС сводит к минимуму отходы меди при изготовлении коллекторных пластин электрических двигателей. Точечная холодная сварка – наиболее экономичный и производительный путь замены клепки в производстве изделий из алюминия.

Надеюсь теперь вы разобрались с ХС, какие типы и какие материалы можно сваривать. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут.