Варка при пониженном давлении

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.

Этот принцип используют при выполнении сварки давлением. При этом соединении в диффузной зоне получается высокая равномерность составляющих, поэтому такого понятия, как сварной шов, почти не существует.

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:

• очистка места контакта от окалины, масляных отложений и других загрязнений;
• постепенное увеличение нагрузки, чтобы сначала деформировался приконтактный слой, а затем начинался процесс диффузии;
• обеспечение равномерной внешней температуры, это особенно важно для легкоплавких материалов, при этом повышать ее необязательно;
• склонность соединяемых металлов к образованию прочных химических связей одного с другим.

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:

• сила и плотность тока;
• время его протекания;
• усилие сжатия.

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:

• неоднородностей, в литой и переходной зоне соединения структура материала должна быть плотной и сплошной;
• разупрочнения детали в месте соединения и образования хрупких структур;
• снижения коррозионной устойчивости;
• деформации деталей, она допускается в заданных пределах.

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:

• температура плавления;
• тепло- и электропроводность;
• изменение прочности и коэффициента расширения с ростом температуры;
• твердость.

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:

• низкоуглеродистые стали хорошо соединяются контактной сваркой, не склонны к образованию трещин, их прочность практически не снижается, а сварной шов пластичный;
• углеродистые — склонны к закалке, поэтому работают с ними на «мягких» режимах, пластичность и прочность соединении повышают путем термической обработки;
• нержавеющие — обладают высоким сопротивлением, поэтому используются небольшие токи, работу выполняют в «жестком» режиме;
• жаропрочные — в нагретом состоянии прочные, поэтому для сварки требуется большое давление и длительная подача тока, чтобы снизить давление осадки, зону сварки предварительно прогревают;
• титановые сплавы — при их нагревании происходит увеличение пластичности, поэтому требуются небольшие давления, работа выполняется с высокой интенсивностью и при больших токах, высокой скорости осадки и небольшом временном воздействии;
• медные — для их сварки требуются большие токи и низкая длительность их протекания;
• алюминиевые и магниевые — работу выполняют кратковременными импульсами тока большой величины, давления аналогичные тем, что используют при сварке низкоуглеродистых сталей.

Контактная сварка хорошо соединяет низкоуглеродистые стали.

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:

1. Механическая. Соединение выполнятся за счет сдавливания заготовок, это такие виды, как холодная, ультразвуковая, сварка взрывом и трением.
2. Термомеханическая. В этом случае одновременно применяется усилие и местный нагрев: электроконтактный, газопрессованный и диффузионный методы.

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:

1. Шовная. Используются вращающиеся дисковые электроды, ток подается непрерывно или импульсно. Соединение получается сплошное, используют для сваривания герметичных емкостей, толщина стенок которых до 3 мм.
2. Точечная. Детали укладывают внахлест. Ток передают по цилиндрическим электродам, они располагаются с одной или с обеих сторон. Электроды охлаждают водой, чтобы внутренний слой металла расплавился, а наружный сделался пластичным, после чего заготовки сдавливают. Применяют для деталей (сетки каркасы, листы и т.д.) толщиной до 3 см.
3. Стыковая. Соединение деталей происходит по всей площади контакта. Электроды-губки имеют подвижный и неподвижный контакты. При появлении жидкого слоя давление не снимают и выполняют осадку. Применяют для сварки труб, рельсов и других заготовок круглого, квадратного, шестигранного сечения.
4. Рельефная. На заготовках имеются отштампованный выступы, к которым прикладывают усилие и ток. Применение широких электродов позволяет одновременно сваривать до 20 точек. Таким способом к листам крепят болты, гайки, создают герметичные соединения, длина которых не более 10 см.

Электроконтактная сварка является одним из самых распространенных видов.

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, 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:

• поверхности деталей не нагреваются;
• работа выполняется быстро;
• после проведения работ практически нет грязи;
• не требуются особые навыки оператора.

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

Преимущества сварки трением:

• для выполнения работ требуется небольшая мощность;
• металл нагревается до невысокой температуры;
• сварка выполняется быстро.

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:

• заготовка нагревается на короткое время;
• шов обладает высокой прочностью;
• работа выполняется быстро.

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

Достоинства диффузионного метода:

• подходит для соединения разных металлов, при этом толщина заготовок также может не совпадать;
• шов не требует дальнейшей обработки;
• расход энергии небольшой.

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

Преимущества контактной сварки:

• прочный и аккуратный шов;
• работа выполняется быстро.

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.