Использование технических средств обучения

1) Чтение лекций по дисциплине сопровождается демонстрацией слайдов, кодограмм и плакатов, рисунков и видиофильмов.

2) Для проверки самостоятельной работы студентов при изучении курса предусматривается проведение контрольных опросов во время лекций и написание контрольных работ (модулей) с последующим выставлением рейтинга студентов перед первой и второй аттестацией.

1. СВАРКА В ТВЕРДОМ СОСТОЯНИИ. ХОЛОДНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ. СХЕМА ПРОЦЕССОВ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ

В сварочной практике длительное время применяются процессы сварки с использованием высокотемпературных источников теплоты, при этом металл изделия в местах сварки доводится до плавления или тестообразного состояния. В последнее время показано, что металлы можно сваривать и при комнатных температурах без нагрева металла до высоких температур [7, с. 8–20]. Соединение металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на свариваемых поверхностях при их совместном деформировании.

Для идеального случая процесс образования металли­ческого соединения при холодной сварке можно предста­вить следующим образом. Предположим, что имеются два куска металла с абсолютно гладкими и чистыми по­верхностями. Так как металлы представляют собой кон­гломерат из положительно заряженных ионов и электро­нов, то взаимодействие между облаками электронов и ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, определяет монолитность и прочность кусков металла. При сближении двух металлических поверхностей проис­ходит коллективизация электронов, вылетающих из по­верхностей, в результате чего возникают силы взаимо­действия между поверхностями. При достаточном сбли­жении двух кусков металла образуется общее электрон­ное облако и, следовательно, единый агрегат.

Из приведенных выше рассуждений следует, что при сближении идеально гладких и идеально чистых поверх­ностей между ними самопроизвольно возникают межатом­ные силы взаимодействия, т. е. происходит образование прочного соединения.

Однако строение реальной металлической поверхно­сти весьма сложно и в значительной степени отличается от идеальной — ювенальной поверхности. Геометрия реальной металлической поверхности определяется ее волнистостью и шероховатостью. Волнистость характе­ризует геометрию поверхности в макроскопическом, а ше­роховатость — в микроскопическом масштабе. Нужно также отличать ультрамикронеровности. Геометрию по­верхности можно представить в виде двух кривых: кривой волны (рис. 6. 1, а) и частотной кривой шероховатостей (рис. 6.1,б), которые накладыва­ются на кривую волны. Шероховатости могут быть весьма разнообразны по вы­соте микровыступов и расстоянию между их вершинами. Вследствие наличия главным образом микронеровностей действительная площадь поверхностей металла во много раз превышает площадь, замеренную обычными ме­тодами. В верхних слоях металла сосредоточена значи­тельная поверхностная энергия, обусловленная наличием не скомпенсированных металлических связей, дислока­ций, вакансий, что в совокупности с развитой поверхно­стью в микро- и ультрамикронеровности вызывает активное взаимодействие атомов металла, расположенных на по­верхности, с внешней средой.

Над металлической поверхностью существует облако непрерывно движущихся свободных электронов, покидаю­щих металл и снова возвращающихся в него. Благодаря этому процессу поверхность металла покрыта двойным электрическим слоем: минус – облако электронов и плюс - дырки верхних слоев металла (за счет покинув­ших металл свободных электронов). Плотность электри­ческого заряда двойного электрического слоя непостоянна по всей поверхности и зависит от ее микрогеометрии.

Наибольший потенциал концентрируется на остриях микровыступов. Поэтому микровыступы – наиболее активные участки поверхности.

Вследствие высокой активности поверхностных слоев металла она всегда покрыта окислами, жидкими и газо­выми пленками. Идеально чистая (ювенильная) металли­ческая поверхность, свободная от окисных пленок и адсор­бированных слоев жидкостных и газовых молекул, мо­жет быть создана только в очень глубоком вакууме.

Давление, мм рт.ст. (Н/м2)	Время, с	Давление, мм рт. ст. (Н/м2)	Время, с
760 (105)	2,4 ·10–9	10–6(133·10–6)	1,8
100 (133 ·102)	1,8 ·10–8	10–7(133 · 10–7)	1,8
10 (133 ·10)	1,8· 10–7	10–8 (133 ·10–8)
10 –2 (133 ·10–2)	1,8 ·10–4	10–9 (133 ·10–9)	1,8·103 ·103
10 –5 (133 ·10–5)	0,18

Из табл. 6. 1 следует, что даже вакуум 10^–9 мм рт. ст. не предохраняет поверхности металла от возникновения на них слоев из молекул газа. Ювенильная металлическая поверхность может существовать очень короткие мо­менты времени в изломе металла при совместном деформи­ровании двух частей металла в местах их соприкосновения или после его механической обработки. После механиче­ской зачистки поверхности металла в атмосфере сухого воздуха на ней образуется окисленная пленка (табл. 6.2).

На воздухе микровыступы и впадины поверхности мно­гих металлов, кроме так называемых благородных (зо­лото, платина и др.), мгновенно покрываются пленками окислов, а также слоями адсорбированных молекул га­зов, воды и жировых веществ.

Толщина и последователь­ность расположения таких пленок может быть различ­ной. Однако непосредственно на поверхности металла обычно находится пленка окислов (рис. 6.2, слой а).

Металл	Толщина пленки, см	Время образования пленки, с
Алюминий	12·10–8
Медь	3·10–7
Железо	2·10–7
Молибден	(2…3)·10–7
Германий	(2…3)·10–7

Слой окислов сохраняет на границе с металлом отри­цательный потенциал против положительного потенциала самого металла. Наружная поверхность слоя окислов имеет положительный потенциал, и они адсорбируют ки­слород, имеющий отрицательный потенциал. Таким образом, поверхность металла (рис. 6.2) покрывается двумя двойными электрическими слоями. Окисные пленки обычно очень хрупкие и обладают высокой твердостью.

Кроме пленки окислов, поверхность металлов покрыта газовыми молекулами, жировыми пленками и парами воды (рис. 6.2, слой Б).Толщина этих пленок различна. Например, толщина пленки паров воды составляет 50–100 молекул. Жировые слои имеют большую толщину. Полностью удалить масляные пленки с металла практи­чески невозможно никакими растворителями, поскольку адсорбционная связь жировых молекул и металла пред­ставляет собой чисто электрическую связь. Полярные жировые молекулы образуют с металлом двойной элек­трический слой, что и обеспечивает весьма прочную связь металла и пленки одномолекулярной толщины. После промывки металла бензином слой органических молекул составляет 1–5 мкм, и только при особо тщательной обра­ботке растворителями сохраняется жировая пленка тол­щиной 10–100 молекулярных слоев.

Сложное строение реальной металлической поверх­ности существенно меняет картину взаимодействия поверх­ностей при их сближении.

Образование прочного сварного соединения реальных металлов при сварке в твердой фазе совместным деформи­рованием происходит в три условных этапа:

– сближе­ние свариваемых поверхностей;

– возникновение метал­лического контакта;

– создание прочного сварного соеди­нения.

Первый этап – сближение свариваемых поверхно­стей — характеризуется деформацией как микрошерохо­ватостей, так и волнистостей. При сближении поверхностей с неровностями вначале возникает контакт в отдель­ных наиболее высоких точках. Для получения контакта по большей поверхности необходимо деформирование уже соприкасающихся участков. Чем больше должна быть площадь соприкосновения на поверхности сжимаемых ме­таллов, тем, очевидно, больше нужно деформировать не­ровности, вступившие в контакт, и тем больше должна быть сжимающая сила.

Фактором, затрудняющим сварку реальных металлов, являются окисные пленки, пленки жидкостей, газов и различного рода органических и иных загрязнений. Вслед­ствие высокой относительной твердости окисных пленок образование между ними контакта значительной площади потребовало бы очень больших усилий. Соединение мо­жет возникнуть между окисными пленками, но из-за их высокой хрупкости оно обладает плохими прочностными свойствами – малой пластичностью, низким сопротивле­нием ударным нагрузкам и т. п. и обычно легко разру­шается. Поэтому для получения прочных соединений окисные пленки должны быть удалены из места сварки.

Еще более нежелательное влияние оказывают загряз­няющие поверхность органические пленки (масла). Ор­ганические пленки достаточной толщины предотвращают возможность сварки контактирующих металлов и поэтому они также должны быть предварительно удалены со сва­риваемых поверхностей. Однако в зависимости от тол­щины слоев окислов и адсорбционных пленок в процессе сближения металлические связи могут создаваться на немногих микроскопических островках.

Второй этап начинается в процессе сближения и дефор­мирования поверхностных слоев и неровностей. Этот этап характеризуется увеличением площади металличе­ского контакта свариваемых поверхностей и возникнове­нием общих кристаллов на них. В начале формирования металлического контакта кристаллиты разделены пленками сложного состава. При деформировании сжатые свари­ваемые поверхности не контактируют с атмосферой, по­этому новых пленок не образуется, а имеющиеся хрупкие окисные пленки вследствие увеличения площади кон­такта разрушаются, жидкие и газовые пленки вытесняются и частично диффундируют в глубь металла, в результате ювенильные поверхности приходят в непосредственное соприкосновение.

В контактах двух металлических поверхностей дей­ствие межатомных сил притяжения начинается на расстоя­ниях (4…5)·10^–8 см. При достижении таких расстояний уже возможно образование металлических связей, т. е. возможен процесс, который мы называем сваркой.

Та­ким образом, только при значительном сближении, раз­рушении и удалении поверхностных пленок границы раздела становятся сходными по структуре и природе с межкристаллитными прослойками.

Третий этап характеризуется различного рода переме­щениями на определенные расстояния относительно больших масс частиц вследствие диффузии. Этот процесс требует значительного времени.

Рассмотренные этапы образования сварного соедине­ния относятся главным образом к таким процессам сварки в твердой фазе, при которых можно выделить этапы: сбли­жения, образования физического контакта и создания прочного сварного соединения. Очевидно, это имеет от­ношение к холодной и диффузионной сварке и к сварке трением.

Процесс сварки при действии импульсных давлений – сварка взрывом, электромагнитным импульсом, ультра­звуковая – будет проходить в те же три этапа, однако отличия состоят в том, что отдельные этапы в этих мето­дах сварки трудно различимы вследствие малого времени образования сварного соединения.

Холодная сварка металлов. Для осуществления холодной сварки необходимо уда­лить со свариваемых поверхностей окислы и загрязне­ния и сблизить соединяемые поверхности на расстояние параметра кристаллической решетки; на практике создают значительные пластические деформации.

Холодной сваркой можно получать соединения встык, внахлестку и втавр. Перед сваркой поверхности, подле­жащие сварке, очищают от загрязнений обезжириванием, обработкой вращающейся проволочной щеткой, шабре­нием. При сварке встык проволок только обрезают торцы.

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

Листы толщиной 0,2–15 мм сваривают внахлестку путем вдавливания в толщу металла с одной или с двух сторон пуансонов (рис. 6.3). Соединения выполняют в виде отдельных точек или непрерывного шва. Ширину или диаметр пуансона выбирают в зависимости от толщины свариваемого материала (δ): r = (1…З)δ.

Основной параметр, определяющий процесс холодной сварки, – величина деформации металла в месте соединения, которая зависит от свойств металла (табл. 6.3), его толщины, типа соединения и способов подготовки поверхностей.

Если на металл нанести твердые пленки электролитическим способом, например на медь пленку твердого никеля, или принять меры к предотвращению загрязнений выполняя сварку сразу же после окончания обработки механической щеткой, то в этих случаях сварка происходит при значительно меньших деформациях.

Зависимость прочности точечных соединении от величины деформаций для различных металлов представлена на рис. 6.4. Снижение прочности точки после достижения определенного максимума объясняется уменьшением толщины металла в месте сварки, вследствие чего происходит разрушение с вырывом точки, а не срез, как это происходило до максимума.

Степень необходимой деформации при сварке разнородных металлов определяется свойствами того из свариваемых металлов, при сварке которого требуется меньшая| деформация.

Этим приемом пользуются при сварке малопластичных металлов, применяя прокладки из пластичных металлов.

Шовное соединение может быть достигнуто вдавливанием пуансона по всей длине шва или путем прокатывания ролика (рис. 6.5).

В конце деформирования давление пуансона должно составлять для отожженного алюминия 30–60 кгс/мм² (290–588 МН/м²), для меди 200 кгс/мм² (1960 МН/м²).

Стержни, полосы, профили и провода соединяют встык путем сдавливания свариваемых элементов друг с другом. Встык можно сваривать пластичные металлы: медь, алюминий, свинец, олово, кадмий, никель, титан, алюминиевые сплавы.

Прочность соединения зависит от величины пластиче­ской деформации в месте его образования. Величина пла­стической деформации зависит от длины выпущенного из зажимов конца свариваемого стержня, который затем пол­ностью выдавливается из зоны стыка в процессе сварки. Соединения, полученные путем одностороннего и двустороннего деформирования пуансонами постоянного сечения, как показывают эксперименты, обладают относительно низкой прочностью. Соединения, полученные путем вдавливания пуансонами с заплечиками или с предварительным зажатием детали, обладают большей прочностью.

Давление при холодной сварке встык составляет алюминия 70–80 кгс/мм² (686–784 МН/м²), меди 200 – 250 кгс/мм² (1960–2450 МН/м²), меди с алюминием 150 – 200 кгс/мм² (1470–1960 МН/м²).

Прочность стыковых соединений обычно выше проч­ности основного металла. Это объясняется тем, что в ме­стах соединения металл упрочняется вследствие наклепа. Механические свойства соединений можно изменять с по­мощью термообработки. После термообработки прочность стыкового соединения равна прочности отожженного ме­талла.

Скорость приложения давления в процессе сварки прак­тически не влияет на прочность соединения, поэтому про­изводительность холодной сварки может быть высокой.

Для холодной сварки внахлестку могут быть использо­ваны любые прессы. Для одновременной сварки несколь­ких точек требуются прессы усилием 50–100 тс (490 – 980 кН). Для одноточечной сварки широко используют гидропрессы РПГ-7 и гидропрессы с педальным приводом, создающие усилие до 12 тс (117,6 кН).

Для точечной сварки алюминиевых шин толщиной 5 + 5 мм в монтажных условиях предназначена установка УГХС-5, разработанная во ВНИИЭСО.

Для армирования выводов алюминиевых обмоток, шин и других деталей медными накладками, используют машину МХСА-50.

Полуавтомат МХСК-4 предназначен для герметичной сварки алюминиевых корпусов конденсаторов с крыш­кой; производительность сварки 750 изделий в час.

Ма­шина МСХС-60 предназначена для стыковой сварки алю­миниевых стержней сечением до 700 мм², медных – до 250 мм² и медных с алюминиевыми — до 300 мм². Макси­мальное осадочное усилие машины 60 тс (588 кН), макси­мальное усилие зажатия 90 тс (882 кН).

Машину МСХС-30 (рис. 6.6) применяют для сварки встык медных троллейных проводов сечением до 100 мм². Машина может быть использована для сварки алюминия, а также меди с алюминием сечением до 200 мм². Она по­требляет 1 кВт электроэнергии, развивает усилие осадки до 30 тс (294 кН) и позволяет сваривать до 300 стыков в смену.

Для стыковой сварки алюминиевых одножиль­ных проводов сечением до 10 мм² применяют ручные клещи (рис. 6.7).

Холодную сварку можно осуществлять путем сдавли­вания соединяемых изделий с одновременным их танген­циальным относительным смещением.

Этот способ сварки получил название сварки сдвигом. При сварке сдвигом механизм образования сварного соединения иной.

При сварке сдвигом прочность соединений на срез может быть высокой при условии достаточной величины нахлестки, однако сопротивление отрыву всегда низкое.

Холодная сварка применяется в промышленности для заварки алюминиевой оболочки кабелей, при сварке кор­пусов полупроводниковых приборов, при изготовлении бытовых приборов из алюминия – чайников, подставок, различного рода каркасов; нашла применение в электро­монтажном производстве для сварки проводов и шин вна­хлестку и встык при монтаже электролизных ванн, се­тей связи и троллейных проводов и электропроводки в домах.

Холодная сварка нашла применение при изготовлении теплообменников для холодильников, технология изго­товления которых состоит в следующем.

На поверхность листов из алюминиевого сплава специальной краской за­крашивают места, в которых сварки не должно быть. После чего листы совместно прокатывают. В результате деформаций, возникающих при прокатке, происходит сварка по всей поверхности листов, за исключением по­крашенных мест.

Затем сваренные листы отжигают, краска при этом испаряется; листы закладывают в пресс с фи­гурными выемками на плитах там, где должны находиться трубки теплообменника. Через участки, ранее покрытые краской, пропускают под давлением жидкость, они выпу­чиваются и образуют трубки теплообменника. Таким образом, сваривают листы длиной до 2540 мм и шириной до 380 мм.

Холодная сварка найдет несравненно более широкое применение.