Что такое сварка давлением

Как варить давлением

Традиционные методы сварки основаны на расплавлении кромок соединяемых деталей, в результате чего между ними устанавливаются прочные межатомные связи. В отличие от них, сварка давлением предусматривает наличие внешней силы, которая прикладывается к месту соединения и вызывает пластическую деформацию. Таким способом можно сваривать разные металлы, сплавы, пластмассу, стекло и другие материалы.

Сварка давлением является технологией с использованием диффузии.

Принцип сварки давлением

При наличии длительного контакта между двумя физическими телами в месте их соприкосновения начинается внедрение атомов одного элемента в другой. Такие процессы происходят медленно, но при повышении в зоне контакта температуры или давления, а также при их совместном действии интенсивность диффузии возрастает и получается прочная связь.

Две соединяемые детали при комнатной температуре сдавливают при помощи специального оборудования, чтобы началось диффузное внедрение одного материала в другой. Особенно эффективен такой способ сваривания для деталей из меди, алюминия, нержавеющей стали. Вдоль стыка происходит пластическая деформация, в результате чего получается прочное соединение.

Чтобы ускорить процесс сварки и получить еще более надежные связи, проводится местный нагрев, но он является только сопутствующим фактором, а соединение происходит за счет пластической деформации.

Специфические черты

Источником тепла при проведении такого вида сварки выступают специальные печи, электрический или индукционный ток, химические реакции. При таком соединении с частичным нагревом сначала места соприкосновения немного оплавляют и только затем сжимают. При сдавливании часть металла и шлак незначительно выходят за пределы места контакта и образуют «грат».

При сварке давлением места соприкосновения сжимают.

Обязательные условия качественного соединения деталей таким способом:

Настройки аппарата при сварке давлением

Выбор режима сварки, т.е. ее способа, настройки используемого оборудования и т.д., зависит от физических характеристик соединяемых деталей, а иногда и от их конструкции.

При выполнении электроконтактной сварки основными параметрами являются:

Если сварка стыковая, то важна установочная длина (расстояние от электрода до торца детали).

В процессе контактной сварки существует такое явление, как шунтирование – часть тока минует зону проведения работ и протекает по детали. В случае применения стыкового метода шунтирование происходит только в деталях, имеющих замкнутый контур.

Выбор режима сварки зависит от физических характеристик соединяемых деталей.

Когда выполняется точеная сварка, шунтирование тока наблюдается в ранее выполненных точках или в местах случайных контактов деталей. Это приводит к тому, что в зоне соединения недостаточный ток, поэтому ядро точки получается меньшего размера.

Условно принято разделять технологические процессы на «жесткие» и «мягкие». В первом случае они характеризуются небольшим временем протекания тока (0,1-1,5 секунды), поэтому заготовка сильно не нагревается. Давление электродов при этом требуется большое. Данный метод подходит для работы с алюминиевыми, медными сплавами, легированными сталями, чтобы сохранить их антикоррозионные характеристики.

Для «мягкого режима» характерно плавное нагревание заготовок, и для этого требуется более длительное протекание тока (от 0,5 до 3 секунд). Он используется при работе со склонными к закалке сталями. Надо учитывать, что за счет образования карбида хрома в соединяемых элементах происходит обеднение этим элементом.

Контактная сварка позволяет соединять детали из большинства металлов.

Для обеспечения прочного соединения в нем не должно быть:

Особенности свариваемости металлических сплавов

Если для сваривания металла требуются несложные установки, а работа выполнятся в широком диапазоне параметров, то он обладает хорошей свариваемостью и наоборот. Этот показатель не является постоянным, и по мере усовершенствования технологий и оборудования свариваемость будет улучшаться.

На свариваемость материалов оказывают влияние температура плавления, электропроводность.

На свариваемость материалов оказывают влияние разные факторы:

Чем ниже электро- и теплопроводность, тем меньше требуется ток и снижается электрическая мощность, расходуемая на нагрев заготовок. Прочные материалы для деформации требуют большого усилия, твердые перед соединением надо обязательно прогревать. При высоком коэффициенте расширения большая усадка, что ведет к появлению трещин и раковин.

Особенности некоторых металлов и сплавов:

Необходимое для работы оборудование

Для проведения термомеханической сварки часто используют горячештамповочные машины. Их особенность в наличии встроенного индукционного нагревателя, поэтому заготовки прогреваются непосредственно в месте проведения работ, и их не надо переносить от печи.

В остальных случаях применяют гидравлические или механические прессы, выбор делают в зависимости от пластичности материалов. Осадку выполняют в модернизированных штампах. В них нет матрицы, вместо нее используется прижим заготовок по линии соединения.

Разновидности сварочных работ

Существует такие виды сварки давлением:

Холодный метод

Соединение деталей происходит только за счет их сжатия. Создаются усилия, превышающие значения текучести материала, в результате чего происходит сваривание. Этот вариант эффективен в том случае, когда в привычном состоянии металл имеет высокую пластичность.

Холодный метод – соединение деталей с помощью сжатия.

В процессе сдавливания происходит диффузия одного материала в другой, выделяется тепло, поэтому после сварки заготовки охлаждают. Шов получается прочный, в нем нет внутренних напряжений и негативных последствий, возникающих при перегревании материала. Такой метод подходит для соединения сплавов, в составе которых есть титан, никель, медь.

Эффективность этого способа сварки небольшая, и для его реализации требуется специальное дорогое оборудование.

Электроконтактная сварка

Сначала электрическим током нагревают соединяемые детали, а затем их сдавливают.

Контактная сварка бывает:

Диффузионный метод

Выполняют местный нагрев заготовок до 0,5-0,7 температуры их плавления. Затем прикладывают усилие 0,5 МПа на протяжении от 2 минут до нескольких часов. В результате на атомном уровне происходит обмен частичками между соединяемыми деталями, этот процесс называется диффузионная сварка.

В вакууме или среде защитного газа можно соединять металлы с неметаллами, если материалы устойчивы к воздействию кислорода, сварку выполняют на открытом воздухе. Получается монолитный высокопрочный шов. При равных условиях в этом случае затраты энергии в 4-6 раз меньше, чем при контактной сварке. В основном метод используют на высокоточных производствах.

Сварка трением

Одна заготовка остается неподвижной, а вторая находится в зажиме, совершающем вращательные и поступательные движения. За счет трения выделяется тепло.

При сварке трением выделяется тепло.

Сначала детали сжимают, потом начинают вращать; когда температура в месте контакта достигнет 980-1300 °C, вращение останавливают, а сжатие продолжают. Метод простой, надежный и высокопроизводительный. Сварка трением позволяет соединять изделия из разнородных материалов.

Ультразвуковой способ

Пластическая деформация деталей происходит под действием ультразвуковых колебаний и небольших усилий. Чтобы процесс ускорить, может выполняться незначительный нагрев. За счет усилия и ультразвука сначала разрушают оксидную пленку, а потом выполняют соединение.

Подходит для работы с тугоплавкими материалами, пластмассой, полимерной тканью и т.д.

Незаменимый метод для сваривания ультратонких заготовок, но для деталей толще 3 мм не подходит.

Особенности сварки трубопроводов

Особенность данного вида сварки труб под давлением в том, что шов не прямолинейный, а кольцевой или круговой. При разработке технологии учитывают толщину стенок и то, чтобы шов получился герметичным.

Сварка давлением отвечает всем условиям. В этом случае используют простые приспособления и специальный инструмент, позволяющие равномерно прижимать кромки соединяемых тонкостенных трубопроводов. Качество сварного контакта зависит от подготовки свариваемых поверхностей. Если все сделано правильно, то получается прочное и надежное соединение, можно сваривать и разнородные металлы.

Во время сварки трубопроводов получается круговой шов.

Обработанные торцы труб центрируют, после чего сжимают. Место стыка нагревают петлевым индуктором до температуры 0,8-0,9 от температуры плавления материала. Нагретые плоскости сжимают, в результате чего получается плотный и надежный шов.

Возможна ли резка давлением

Резка давлением используется при выполнении надсечек, перфорации и биговки. Этот метод эффективен в случае работы с нетвердыми материалами, когда не требуется высокая скорость работы и давление ограничено. Между ножом и валом противодавления происходит прямой контакт. При повышении давления износ ножа увеличивается прямо пропорционально.

Если требуется высокая производительность, то используют оборудование ножничного типа.

Плюсы и минусы сварки с помощью давления

Есть несколько разновидностей сварки давлением, и каждая из них имеет как преимущества, так и недостатки.

Преимущества холодной сварки:

Недостаток в том, что при выполнении таких работ могут сильно меняться размеры деталей, особенно это касается такого метода сварки, как ковка.

Преимущества сварки трением:

Недостаток в том, что в области шва детали повреждаются. Одна из них должна быть круглой формы, чтобы она могла ввинчиваться во вторую, которая плоская.

Преимущества сварки взрывом:

Для выполнения такой сварки нужны специальные места, это связано с образованием взрывной волны, поэтому и техника безопасности должна быть соответствующей.

Достоинства диффузионного метода:

Для выполнения таких работ понадобится соответствующая квалификация сварщика и специальное оборудование.

Преимущества контактной сварки:

Для выполнения сварочных работ таким методом понадобятся сложные аппараты.

Существующие способы сварки давлением позволяют соединять детали, когда это невозможно сделать классическими видами плавления. Они отличаются меньшими затратами энергии, а большинство из них имеют простое техническое решение, что делает такую сварку популярной, и на многих производствах она вытесняет традиционные технологии.

Источник

Что такое сварка давлением

В ГОСТ 2601-24 сварка определяется как метод создания неразъемных соединений за счет образования между ними межатомных связей при нагревании или пластическом деформировании. В отличие от традиционных видов, которые основаны на нагревании до расплавления, сварка давлением выполняется под действием внешней силы, приложенной к месту соединения.

Сущность сварки давлением

При контакте двух тел начинается взаимная диффузия атомов. В обычных условиях обмен протекает очень медленно. При сварке давлением этот процесс ускоряется за счет трения кромок деталей под действием приложенной нагрузки. Для создания более прочных межатомных связей процесс проводят с предварительным местным подогревом. Участок, где протекает диффузия, называют зоной объединения или соединения.

Нагрев производят в печах, электротоком, индукционными установками, теплом от химических реакций, электрической дугой. Технология сварки давлением с подогревом не идентична традиционным видам. Например, при сочленении встык, кромки сначала оплавляют, затем подвергают деформации. Смесь металла со шлаком, которая выдавливается наружу после сжатия, называется гартом.

Особенности сваривания

В отличие от классической технологии у сварки под давлением отмечают следующие преимущества:

Для образования качественного соединения необходимо выполнение определенных условий:

При соединении стальных элементов образуются химические элементы под названием интерметаллиды, которые делают шов прочнее. Они возникают, если в составе деталей содержится хром, кобальт, молибден или вольфрам. Никель не образует интерметаллидов, поэтому соединение заготовок из этого металла получается непрочным.

Виды сварки давлением

Способы сварки металлов давлением подразделяются на 2 группы:

Контактная

При соединении этим способом заготовки нагревают электрическим током, затем сжимают. В зависимости от способов выполнения контактная сварка бывает:

При точечной сварке давлением заготовки, уложенные внахлест, соединяют в одной или нескольких точках. Ток и усилие деформации передаются через цилиндрические электроды из медных сплавов диаметром 12 — 40 мм, которые расположены с одной или обеих сторон. Нагрев проводится до тех пор, пока верхние слои металла не станут пластичными, а внутренние расплавятся. Для выполнения этого условия электроды охлаждают водой. После прекращения подачи тока, детали кратковременно удерживают под давлением для охлаждения и кристаллизации металла. Этот способ применяют для сборки негерметичных конструкций (каркасов, сеток, узлов автомобильных корпусов, листового металла). Допустимая толщина заготовок от долей до 30 мм.

При рельефном способе механическое усилие и ток прикладываются к отштампованным выступам на поверхности. Это позволяет одновременно сваривать широкими электродами до 20 точек. Этим методом на детали из листового железа крепят болты, гайки, шпильки, создают герметичные соединения длиной до 10 см.

Шовную сварку давлением выполняют вращающимися дисковыми электродами (роликами) диаметром 40 — 350 мм с импульсной или непрерывной подачей тока. После прохождения деталей между роликами образуется сплошное соединение. Этим способом сваривают небольшие герметичные емкости со стенками толщиной до 3 мм.

При стыковой сварке детали сваривают по всей площади контакта поверхностей. Заготовки зажимают в губках электродов (подвижном и неподвижном), сближают, включают ток. После появления слоя жидкого металла ток отключают и, не снимая давления, проводят осадку. Этим способом стыкуют заготовки круглого, квадратного, шестигранного сечения, рельсы, трубы.

Диффузионная

Принудительный процесс обмена частицами на атомарном уровне между двумя твердыми телами называется диффузионная сварка. Для ее выполнения необходим нагрев места соединения до 0,5 — 0,7 величины температуры плавления и механическое воздействие 0,5 МПа. Длительность процесса зависит от состава деталей и может составить от 2 минут до нескольких часов.

На производстве обычно используют диффузионную сварку давлением в вакууме или среде защитного газа, которая была изобретена в середине прошлого века советским ученым Н. Ф. Казаковым. В разреженной среде можно соединять металлы с неметаллами, чего не может обеспечить холодная сварка. Материалы, устойчивые к кислороду, допускается сваривать на воздухе.

Этим способом создаются монолитные швы высокой прочности. При равных условиях, энергии тратится в 4 — 6 раз меньше, чем при контактной сварке. Процесс экологически чистый, так как нет опасных излучений и выделения вредных газов. Однако, из-за сложности дорогого оборудования и низкой производительности, повсеместного распространения не получил. Диффузионную сварку применяют на высокотехнологическом производстве:

Трением

Метод основан на нагреве соединяемых поверхностей за счет трения между ними. Одна деталь крепится неподвижно, после прижима другой заготовки включают вращение. Когда место соединения нагреется до 0,7 — 0,9 температуры плавления вращение останавливают, усилие сжатия увеличивают в 2 раза.

Сваркой трением соединяют пластмассовые и детали из разнородных металлов. Неподвижная заготовка может быть плоской. К преимуществам также относят простоту выполнения, высокую производительность. Недостатком считают то, что одна деталь должна быть телом вращения. Сварка трением деталей диаметром больше 150 мм становится нерентабельной из-за повышенного расхода энергии.

Ультразвуковая

Метод основан на образовании пластической деформации под действием ультразвуковых колебаний частотой от 16 до 230 кГц при небольшом сжимающем усилии в диапазоне от 100 до 2000 кН. Для ускорения процесса допускается слабый подогрев. Ультразвуком и усилием сжатия сначала разрушается и удаляется оксидная пленка, затем формируется соединение.

Этим способом сваривают разнородные металлы, в том числе тугоплавкие, пластмассу, ткань из полимерных нитей. Ультразвуковая сварка незаменима для соединения сверхтонких, 0,005 мм, материалов. К достоинствам относят широкую сферу применения и возможность автоматизации. Основным недостатком считается невозможность сварки заготовок с толщиной больше 3 мм, так как при повышении мощности генератора разрушается волновод.

Взрывом

Этим способом сваривают как однотипные металлы, так и разнородные, делают детали и заготовки из композитных материалов. Сварка взрывом применяется для нанесения (плакирования) слоя одного металла на другой толщиной 0,01 — 43 мм. Достоинствами считают высокую производительность, дешевизну, простоту проведения. Из недостатков отмечают необходимость обучения персонала, отсутствие разработок по автоматизации процесса.

Методы сварки давлением были разработаны для создания соединений, которые невозможно выполнить классическими способами плавления. Однако за счет меньшего энергопотребления и простоты технических решений начинают вытеснять традиционные технологии во многих отраслях промышленности.

Источник

Сущность сварки металлов давлением. Её виды, технология и применение

Сущность сварки металлов давлением

Сварка давлением может осуществляться без расплавления соединяемых металлов, так и с местным их расплавлением в зоне стыка. Во втором случае, по сути, происходит сварка плавлением, и такие виды сварки относятся к комбинированным видам. Вообще, физическая сущность межатомных связей, посредством которых происходит схватывание и образование сварного стыка, одинакова при сварке давлением и плавлением. Но вот пути создания условий, при которых происходит это взаимодействие, различны.

Хотя при некоторых видах сварки давлением присутствует нагрев сварного соединения, но схватывание материалов достигается, главным образом, за счёт их совместной пластической деформации в зоне контакта, а нагрев выступает лишь в качестве сопутствующего фактора и в некоторых процессах может, вообще, отсутствовать.

Технология сварки давлением

Технология сварки давлением зависит от способа сварки, от типа свариваемых материалов и других факторов. Далее рассмотрим основные типы механической и термомеханической сварки, расскажем технологию и область применения того или иного вида сварки.

Виды и способы сварки давлением

Диффузионная сварка металла происходит за счёт взаимной диффузии атомов в кромках свариваемых изделий. Процесс происходит с нагревом ниже температуры плавления, то есть сваривание происходит в твёрдом состоянии.

Сварка трением представляет собой процесс сваривания заготовок, происходящий за счёт тепловой энергии, получаемой в результате трения одной заготовки о другую и прижатия их с усилием друг к другу. Сварное соединение получается зв счёт пластической деформации соединяемых кромок.

Ультразвуковая сварка металлов является одниз из видов сварки давлением и происходит она при помощи ультразвуковых колебаний. Сварное соединение формируется при сжатии свариваемых кромок, происходящих при небольшом усилии и одновременном воздействии ультразвуковых волн.

Источник

Суть процесса сварки давлением

Сварка давлением основана на физических зависимостях интенсивности диффузионных процессов в металлах, которые происходят под силовыми воздействиями.

Высокая энергоемкость традиционных видов сварки металлов и сплавов вынуждает разрабатывать альтернативные способы неразъемного соединения деталей. К их числу относится сварка давлением. Она основана на известных физических зависимостях интенсивности диффузионных процессов в металлах, которые происходят под внешними силовыми воздействиями.

Суть технологии пластической сварки

Суть диффузионных процессов изучается в материаловедении. Как известно, при длительном контакте двух физических тел, в приграничных зонах начинают происходить процессы взаимного внедрения атомов одного элемента в другой, одних материальных частиц — в смежные. При обычных условиях (комнатные температуры, отсутствие внешнего усилия) такие процессы происходят чрезвычайно медленно, и только в приконтактных слоях. Зато такие изменения — необратимы и характеризуются весьма высокой прочностью. Установлено, что при повышении температуры и, особенно, усилия соединения двух деталей, интенсивность взаимной диффузии резко возрастает. Главное же заключается в том, что в приграничной диффузионной зоне равномерность составляющих настолько велика, что физико-механические свойства металлов положительно выделяются своей равномерностью. Таким образом, привычного понятия «зона сварного шва» при такой диффузионной сварке практически не существует.

Сварка давлением основывается на положениях именно вышеуказанной теории диффузии. Схема процесса заключается в следующем. При обычной температуре (хотя имеются промышленные установки, которые функционируют и при отрицательных температурах, главное — чтобы при этом обеспечивалась необходимая подвижность атомов) производится направленное деформирование двух смежных поверхностей. При этом должно быть обеспечено как минимум плоское напряженно-деформированное состояние, при котором произойдет диффузионное внедрение части одного металла/сплава в другой.

Обязательными условиями для качественной сварки металлов давлением являются:

Таким образом, при наличии некоторых ограничений по химсоставу свариваемых деталей, сварка давлением отличается простотой технического решения и меньшими энергетическими затратами.

Последовательность образования соединения

На качество сварки давлением влияют также:

Вместе с тем на сварку давлением не влияют наличие металлических пленок, которые образуются, например, после поверхностного легирования деталей. Поэтому рассматриваемый процесс можно выполнять на завершающих операциях технологического процесса.

Последовательность всех вариантов выполнения примерно одинакова и состоит в следующем. Очищенные от загрязнений детали накладываются на рабочий стол встык или внахлестку между верхним (подвижным) и нижним (неподвижным) пуансонами оборудования. Иногда, с целью сохранения исходной геометрии стыка, на деталях выполняются технологические выступы, которые ликвидируются в процессе последующего деформирования пуансонами. Детали фиксируются при помощи механизма прижима. Устанавливается (в зависимости от прочностных параметров материала) требуемая глубина внедрения подвижного пуансона в металл. При включении привода перемещения пуансоны внедряются в металл с обеих сторон места соединения или стыка и выдерживаются некоторое время под давлением. С целью исключить коробление остальных частей соединения, его прижимают к опорной поверхности стола усилием, при котором создаются только упругие деформации.

Обязательным условием проведения качественной сварки давлением является наличие минимальных зазоров между пуансонами и направляющими их конструкциями, поскольку, в противном случае, металл может затекать в такие зазоры, снижая тем самым усилие деформирующего прижима. В результате кольцевая зона вокруг пуансонов может иметь пониженную прочность соединения.

Геометрия сварного стыка зависит только от формы пуансона. Таким образом можно получать различные фигурные соединения: звездочкой, крестом, ромбом и т.д.

Технология холодной пластической сварки проста, отличается высокой производительностью и многообразием конфигураций сварных стыков.

Термокомпрессионная сварка

Термокомпрессия на практике реализуется так. Подлежащие соединению заготовки нагреваются в печи со сниженным процентным содержанием кислорода (еще более эффективен нагрев в среде инертных газов), после чего незамедлительно помещаются в рабочую зону сварочного приспособления. Дальнейшие переходы происходят так же, как и в вышеописанных случаях.

Термокомпрессионная сварка особенно эффективна в следующих случаях:

Для термокомпрессионной сварки в качестве основного производственного оборудования часто используют однопозиционные горячештамповочные автоматы. Эти машины имеют встроенный индукционный нагреватель, а потому потери температуры при переносе заготовок из печи к рабочей зоне отсутствуют.

В остальных случаях сварка давлением выполняется либо на кривошипно-коленных, либо на гидравлических прессах. Первые используются при соединении высокопластичных металлов, вторые — для более прочных. В качестве инструментальной оснастки используются модернизированные штампы, в которых отсутствует матрица, зато предусмотрен прижим вокруг всей зоны соединения.

Для рассмотренной технологии неразъемных соединений не требуется специализированного оборудования и инструмента, а процессы легко поддаются механизации.

Источник