О чем пойдет речь? Сварка под давлением – относительно новый способ соединения металлов. В отличие от традиционных, при которых кромки деталей расплавляются, этот основан на приложении внешних сил, вызывающих пластическую деформацию. Помимо металлов, так можно сваривать самые разные материалы, в том числе пластмассу, стекло и пр.
В чем особенности метода? Существует несколько видов сварки под давлением. У каждого есть свои преимущества, которые требуются в том или ином случае при соединении деталей. Эффективность процесса выше, чем при классических технологиях, а энергозатратность ниже.
Вопросы, рассмотренные в материале:
- Специфика сварки под давлением
- Разновидности сварки под давлением
- Плюсы и минусы сварки под давлением
Специфика сварки под давлением
На современных производствах применяется множество сварочных технологий, позволяющих получать качественные соединения. Сварка под давлением – группа технологий, объединенных общим принципом – взаимным проникновением частиц, интенсивность которого зависит от силы сжатия. При соединении металла и других материалов давление усиливает диффузию, приводящую к объединению кристаллических решеток.
В приборо- и машиностроении широко применяются различные способы сварки под давлением, при выборе которых учитываются физико-химические свойства материала заготовок и требуемые характеристики швов. Часто находит применение контактная сварка, при которой для нагревания используется электрический ток, пропускаемый через кромки деталей. Существуют две основных разновидности процесса: в первой электроды могут одновременно выполнять две функции – проводят электричество и создают требуемое усилие. Также возможно использование специальных приспособлений для прижимания.
В большинстве сфер промышленного производства, в том числе при сварке сосудов, сварочные технологии играют ключевую роль и применяются для соединения деталей из таких металлов, как сталь, медь, чугун, бронза, латунь, алюминиевые сплавы и ряда других материалов. При сваривании деталей энергию активации расходуют либо на нагревание и оплавление кромок, либо на пластическое деформирование.
Для соединения материала заготовок на уровне атомов применяют два вида энергии. Различают сварку плавлением и процесс, протекающий при пластическом деформировании, – этот принцип применяют и для сварки труб под давлением.
Классификация видов сварки основана на характере физических и химических процессов, протекающих в зоне контакта кромок. Сварка плавлением основана на нагревании материала до температуры плавления, вследствие чего образуется общая масса жидкого металла – сварочная ванна.
В сварочных технологиях такого типа материал разогревается с помощью специальных печей, электрического или индукционного тока, химических реакций. Заготовки с усилием прижимаются друг к другу после того, как металл на краях деталей слегка оплавится. Это приводит к выдавливанию части расплава и шлака из зоны контакта и образованию так называемого грата.
Процедура завершается охлаждением расплава в сварочной ванне с формированием сварного шва, который главным образом состоит из основного металла и в незначительной степени из особого присадочного материала.
Рекомендуем статьи
Местный нагрев при классической сварке может осуществляться:
- электрической дугой;
- пламенем газовой горелки;
- большим количеством тепла, выделяющимся при химической реакции;
- энергией электронного происхождения;
- плазмой или лучом лазера.
Вдоль места контакта кромок свариваемых деталей формируется узкая полоска металла – зона сплавления. При крайне маленькой ширине, которая составляет считанные микроны, эта область сильно влияет на характеристику сварного шва.
Разновидности сварки под давлением
В настоящее время применяются различные виды технологии сварки под давлением. Перечислим основные из них.
Холодная сварка
Холодная сварка под давлением – процесс сваривания деталей, при котором не происходит плавления металла на соединяемых кромках. Заготовки соединяются при их интенсивном механическом сжатии.
Когда давление существенно превышает определенное критическое значение, металл в зоне контакта заготовок меняет свою структуру, становясь текучим. Такой метод формирования сварных соединений особенно эффективен для материалов, которые обладают определенной текучестью даже при нормальной температуре. Взаимное проникновение атомов материала соединяемых заготовок приводит к выделению тепловой энергии и нагреву металла кромок, который после завершения сваривания постепенно остывает, формируя надежное соединение.
Образующиеся в ходе такой процедуры швы имеют отличные механические характеристики – холодная сварка не приводит к перегреву металла кромок и вызванному им формированию зон внутреннего напряжения. Холодная сварка под давлением широко применяется в работе с заготовками из сплавов на основе титана, меди, никеля и других подобных материалов, трудно поддающихся обычным методам сваривания.
Распространение данной технологии ограничено относительной дороговизной применяемого для соединения заготовок специализированного оборудования. Второй существенный недостаток холодной сварки металлов под давлением заключается в сравнительно низкой производительности.
Сварка трением
Эта технология основана на использовании тепловой энергии, которая выделяется за счет трения в ходе динамического соприкосновения кромок соединяемых заготовок. Для соединения деталей применяется специальное устройство, снабженное особым механизмом, зажимы которого надежно фиксируют обе соединяемые детали. В ходе сварки одна из них остается неподвижной, а вторая вращается и совершает возвратно-поступательные движения, скорость и амплитуда которых контролируются оператором.
Соединяемые детали плотно прижимаются друг к другу усилием, направленным вдоль их осей, а затем одна из них приводится в движение специальным механизмом. Когда температура на стыке заготовок достигает требуемых значений (от +980 до +1 300 °C), вращение прекращается. Давление ослабляется по мере охлаждения металла сформированного шва.
Данная технология отличается простотой, прочностью и надежностью соединения, высокой производительностью. Среди преимуществ следует отметить, что процесс не требует слишком больших затрат энергии и позволяет сваривать разнородные материалы. В промышленности также широко применяется специализированное оборудование, позволяющее осуществлять сварку трением заготовок из различных полимерных материалов.
Как уже отмечалось, технология позволяет соединять трудно поддающиеся свариванию разнородные материалы. К примеру, данным методом пользуются, чтобы сваривать стальные детали с алюминиевыми или аустенитные стальные сплавы с перлитными.
Ультразвуковая и кузнечная сварка
Применяя ультразвук, можно осуществлять сварку заготовок из твердых материалов разнородного химического состава. Данную технологию широко применяют для сваривания деталей из листовых полимерных материалов.
Ультразвуковую сварку используют для соединения заготовок практически из любых современных полимеров. Кроме того, способ позволяет соединять детали из искусственной кожи и даже из натуральной ткани с включением синтетических волокон. Большую популярность ультразвуковая сварка получила в качестве технологии, позволяющей сваривать заготовки из материалов с разнородной структурой, а также из сплавов, чувствительных к нагреванию.
Что касается кузнечной сварки под давлением, то данная технология представляет собой вариант печного способа и основана на механическом ударном воздействии на металл соединяемых заготовок, предварительно разогретый до пластичности.
Контактная сварка
Эту технологию принято считать сваркой под давлением, так как процесс соединения заготовок предполагает сильное сжатие. Для нагрева металла прижимаемых деталей здесь используется электрический ток. Данный способ особенно широко применяется для сваривания труб и элементов конструкций в машиностроительной промышленности. В наши дни происходит активное внедрение таких видов сварки под давлением, как диффузионная и соединение взрывом.
Металл соединяемых деталей нагревается посредством электрического тока, после чего их прижимают друг к другу. Различают несколько видов контактной сварки:
- точечная;
- рельефная;
- шовная;
- стыковая.
Диффузионная сварка
Этим термином принято обозначать сварочную технологию, основанную на принудительном обмене частицами на уровне атомов, который происходит между металлом двух соединяемых заготовок.
Для того чтобы между соединяемыми кромками начался процесс диффузии, необходимо нагреть зону контакта до температуры, составляющей от 0,5 до 0,7 величины температуры плавления материала заготовок. Также следует создать давление не менее 0,5 МПа. Время, требующееся на сварку, колеблется от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от физико-химических свойств конкретных материалов.
В промышленных масштабах чаще всего диффузионная сварка осуществляется в условиях вакуума или с использованием газовой защитной атмосферы. Этот метод в пятидесятых годах XX века разработал советский ученый Н. Ф. Казаков. Вакуумная среда позволяет соединять металлические заготовки с неметаллическими, что невозможно сделать посредством холодной сварки. Если материал заготовок не чувствителен к кислороду, их можно сваривать на воздухе.
Данная технология позволяет получать очень прочные сварные соединения и требует в разы меньших энергозатрат, чем контактная сварка. Огромным преимуществом метода является его экологичность – полностью отсутствуют опасное излучение и выделение вредных продуктов горения. Однако диффузная сварка не получила широкого применения из-за сложности и дороговизны оборудования, а также относительно низкой производительности. В основном она применяется на высокотехнологичных производствах для:
- производства микроскопических полупроводниковых деталей в электронике;
- изготовления ответственных деталей для авиационной и космической техники;
- сварки тугоплавких металлов (вольфрама, тантала);
- соединения металлических деталей с керамическими, стеклянными, сапфировыми, графитовыми, а также стальных заготовок с медными или алюминиевыми.
Сварка взрывом
Этот достаточно простой метод сварки применяется обычно для соединения двух пластин. Верхнюю для этого располагают под углом к нижней, разместив сверху взрывчатое вещество и детонатор. Подрыв взрывчатки вызывает сжатие заготовок и деформацию поверхностных слоев в зоне контакта до текучего состояния, что приводит к образованию прочного соединения.
Данная технология применяется для сваривания заготовок из однотипных и разнородных металлов, а также из композиционных материалов. С помощью этого метода можно осуществлять плакирование, нанося на один сплав тонкий (от 0,01 до 43 мм) слой другого. Главными преимуществами этого способа сварки являются высокая производительность, дешевизна и простота. Минусы заключаются в том, что процесс на сегодняшний день не автоматизирован и требует от работников определенной квалификации и навыков.
Плюсы и минусы сварки под давлением
Рассмотрим подробнее преимущества и недостатки каждого из описанных видов сварки под давлением.
Преимущества холодной сварки:
- нет необходимости тратить энергию на нагревание материала соединяемых кромок;
- простота и производительность метода;
- отсутствие высоких требований к квалификации оператора.
Основной недостаток технологии заключается в деформации и изменении размеров соединяемых заготовок.
Плюсы сварки трением:
- низкие энергозатраты;
- высокая производительность и качество сварных швов.
Главный недостаток технологии заключается в деформации материала в околошовной зоне.
Преимущества сварки взрывом:
- высокая скорость соединения деталей;
- сварка заготовок нестандартной формы.
Однако при данном процессе происходит выброс энергии, а значит, требуются специально оборудованная площадка, подготовленный персонал и соблюдение правил безопасности.
Преимущества диффузионной сварки:
- соединение заготовок из разнородных материалов, которые также могут сильно отличаться друг от друга толщиной;
- сварные швы без дополнительной обработки;
- относительно низкие энергозатраты.
Главные недостатки диффузионного метода заключаются в необходимости специального оборудования, в том числе вакуумной камеры и наличия у оператора соответствующей квалификации.
Преимущества контактной сварки:
- высокая прочность и аккуратный внешний вид сварных швов;
- нет необходимости в присадочном материале;
- высокая производительность.
Однако эта технология требует больших энергозатрат, что делает ее относительно дорогостоящей.
Сваривание заготовок под давлением применяют при невозможности использования классических методов. Благодаря относительно малой энергозатратности и простоте такие способы часто вытесняют традиционную сварку из многих производственных процессов.
Сварка под давлением во многом отличается от электродуговой или газовой. Зачастую, применяя одну из перечисленных выше технологий, удается добиваться лучших результатов, затрачивая меньше энергии и пользуясь относительно простыми техническими решениями.
