Холодная сварка

Версия для печатиВерсия для печати

Холодная сварка - один из видов сварки в твердой фазе со значительной объемной статической деформацией без применения нагрева. Сварка осуществляется на воздухе при комнатной температуре, которая для большинства металлов ниже температуры рекристаллизации. При холодной сварке соединения металлов происходит в твердом состоянии вследствие образования металлических связей на чистых свариваемых поверхностях при их совместном пластическом деформировании. Образование металлических связей возможно, если атомы металла на свариваемых поверхностях сблизятся на расстояние, соизмеримое с параметром кристаллической решетки, где вступают в действие межатомные силы.

В реальных условиях нет идеально чистых и гладких металлических поверхностей. На них имеются неровности, выступы, окисные, адсорбированные пленки, органические пленки, которые препятствуют сближению поверхностей на расстояния действия межатомных сил. Поэтому холодная сварка возможна только при значительных пластических деформациях приводящих к сминанию выступов, разрушению и раздроблению поверхностных слоев и их удалению из зоны сварки вследствие пластического течения. В результате в контакт вступают по всей свариваемой поверхности чистые слои металла, между которыми образуется металлическая связь.

Применение холодной сварки ограничивается физическими свойствами материалов. Сварке хорошо подвергаются только мягкие металлы: медь, алюминий, свинец, олово, золото, серебро, чистый титан, никель, а также их сочетания. Параметрами режимов холодной сварки являются удельное давление, величина вылета деталей из цанг (при стыковой сварке), диаметр пуансона, степень деформации.

Величина удельного давления выбирается в зависимости от физико-механических свойств металлов. Рекомендуемое удельное давление при стыковой сварке алюминиевых деталей 180…250 кг/мм2, медных 650…800 кг/мм2, для разнородных металлов, например, алюминий - медь - 500…650 кг/мм2.

При сварке деталей встык важным технологическим параметром является длина выпущенного из зажимной цанги конца детали, так как она на ряду с усилием сдавливания определяет степень деформации. Степень пластической деформации, необходимая для получения качественного соединения, зависит от свойств металла, толщины соединяемых деталей, способов подготовки поверхностей под сварку, толщины и свойств окисной пленки, схемы деформирования. При слишком большой деформации происходит существенное ослабление сечения деталей, что снижает прочность. Глубокие вмятины от пуансонов при точечной или шовной сварке ухудшают внешний вид деталей. Ширину или диаметр пуансона определяют в зависимости от толщины метала. Для шовной сварки алюминия рекомендуются ролики d=50δ с шириной рабочего выступа (1…4)δ.

Холодная сварка по форме сварного соединения может быть точечной (рис. 1), шовной (рис. 2, а), стыковой (рис. 2, б). Холодную сварку можно осуществлять путем сдавливания соединяемых изделий с одновременным их тангенциальным относительным смещением (рис. 3). Этот способ сварки получил название сварки сдвигом.
Холодная сварка точечная Холодная сварка точечная
а б

Рис. 1. Схемы точечной сварки: а - одним пуансоном; б - двумя пуансонами; 1 - пуансоны; 2 - свариваемые детали; Р - усилие сжатия

Шовная холодная сварка Стыковая холодная сварка
а б

Рис. 2. Схемы холодной сварки: а - шовная; б - стыковая; 1 - ролики: 2 - свариваемые детали; 3 - зажимные цанги; Р - усилие сжатия; L - вылет детали из цанг

Схема холодной сварки

Рис. 3. Схема холодной сварки: Р - усилие сжатия; Т - усилие сдвига

При точечной сварке в качестве инструмента используются пуансоны цилиндрической или другой формы, при шовной - ролики. Более высокой и стабильной прочность соединения получается при двустороннем деформировании пуансоном и роликами. Пуансоны и ролики рекомендуется изготавливать с уступами. Эти уступы в завершающий момент прижимают детали и ограничивают их деформацию. Если изделия выполнены из материалов сравнительно малой пластичности толщиной более 4 мм, то из-за деформации деталей в процессе сварки каждой последующей точки может быть разрушена предыдущая точка. Для устранения этого явления производят холодную сварку с предварительным зажатием (рис. 4). Прижим 2 детали 1 фиксируется еще до начала сварки или одновременно с ней.

Основная трудность подготовки поверхности деталей под сварку заключается в тщательном удалении с нее органических и окисных пленок. Органические пленки - это тонкие пленки масел, жирных кислот и парафинов, покрывающие свариваемые поверхности. Препятствуют сварке также пленки адсорбированных на поверхности газов.

При точечной и роликовой сварке поверхность рекомендуется зачистить механическими щетками, торцы деталей под стыковую сварку при сварке проводов сравнительно небольшого диаметра - с помощью специальных ручных кусачек или механического ножа, а торцы деталей большого сечения подвергают механической обработке. При этом необходимо обеспечить параллельность свариваемых поверхностей обеих деталей и отсутствие на них жировых загрязнений.

Схема сварки с предварительным сжатием Схема сварки с предварительным сжатием

а

б

Рис. 4. Схема сварки с предварительным сжатием: а - до сварки; б - после сварки; 1 - свариваемые детали; 2 - прижим; 3 - рабочие пуансоны; Р - усилие сварки; Q - усилие прижима

Пластичность металла может быть повышена подогревом до соответствующей температуры. Так, например, высокопрочные алюминиевые сплавы при температуре 300…350°С свариваются за счет соответственно направленной пластической деформации подобно чистому алюминию при комнатной температуре.

Холодной сваркой успешно соединяют металлы, обладающие хорошими пластическими свойствами. Этот способ сварки нашел применение главным образом в приборостроении, для соединения алюминиевой оболочки кабелей, при сварке корпусов полупроводниковых приборов, при изготовлении бытовых приборов из алюминия - чайников, подставок, каркасов, в электромонтажном производстве для сварки проводов и шин внахлестку и встык при монтаже сетей связи, троллейбусных проводов, электропроводки в домах. В летательных аппаратах встык варят шпангоуты. Холодная сварка нашла применение при изготовлении теплообменников для холодильников. В последнее время достигнуты успехи в сварке полупроводниковых материалов.

Одним из направлений применения холодной сварки является ее сочетание с обработкой давлением: прокаткой, высадкой, штамповкой, вытяжкой и т.п. С помощью последней, например, получают биметаллические переходники из алюминия и коррозионно-стойкой стали, которые затем используются в бес фланцевых соединениях трубопроводов летательных аппаратов.

Холодную точечную сварку можно выполнять на любых прессах: гидравлических, эксцентриковых и т. п. Если сваривается несколько точек за один ход пресса, то требуются прессы усилием 500…1000 кг. Для сварки одной точки достаточны прессы усилием 50…100 кг.

Такие пресса выполняются с ручным или педальным приводом и довольно широко применяются в электромонтажных работах. Для стыковой сварки алюминиевых и медных проводов сечением 2.5…10 мм2 и используются ручные клещи типа КС - 6. Масса клещей 1,4 кг. Свежеобрезанные концы проводов зажимают в губках клещей и сваривают при нажатии на ручки. Выдавленный металл (грат) обрубается заостренными на клин зажимными губками.

Для стыковой холодной сварки применяют специальные машины типа МСХС - 30, МХСА - 50, МСХС - 60 и другие. Они различаются по мощности, используются для сварки стержней, проводов и армирования шин различных сечений (от 10 до 700 мм2).