Сварка давлением. Современное состояние

 

Федеральное агентство по образованию 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

Тульский  государственный  университет 

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ 
 
 
 
 
 

КОНТРОЛЬНО-КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

"Сварка, пайка и склеивание материалов"

на тему: «Сварка давлением. Современное состояние». 
 
 
 
 
 
 

                                          Выполнила ст. гр.662371

                                          Жерздева Е. В.

                                          «_____» _____________20__ г. 

                                          Проверил Зайцев О. И.

                                           «_____» _____________20__ г. 
 
 
 
 

Тула  2011

 

      Содержание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение 

      Сваркой называется процесс получения неразъемных  соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании. Такое  определение понятия «сварка» содержит ГОСТ 2601-84.

      Прочные связи между атомами двух металлических  поверхностей, легко образуются при  соприкосновении этих поверхностей. Надо только сблизить эти поверхности  до расстояния, на котором действуют электромагнитные силы межатомного взаимодействия. Это расстояние составляет 3...5 А, [(3...5) • 10~7 мкм]. На соединяемых поверхностях не должно быть никаких загрязнений, поверхности должны быть свободны от окисных и жировых пленок, прилипших молекул газов и жидкостей. Такие условия реально могут быть только в глубоком вакууме. И, действительно, в открытом космосе детали механизмов даже при случайном соприкосновении могут схватываться друг с другом на отдельных участках поверхностей, нарушая работу космических аппаратов. В обычных условиях даже после тщательной зачистки пленки окислов, газов и жидкостей на металлических поверхностях восстанавливаются практически мгновенно мономолекулярный слой газа, например, возникает за 2,4 • 10^-9с).

      Кроме загрязнений поверхностей их соединению мешают неровности, выступы и впадины, которые образуются при любой чистоте обработки. Эти неровности могут быть не заметны невооруженным глазом, но по сравнению с расстояниями действия межатомных сил они огромны. Поэтому при сближении поверхностей контакт между ними возникает только в отдельных точках.

      Устранить эти препятствия и обеспечить условия для возникновения прочных связей между атомами соединяемых поверхностей можно, если в зону соединения ввести энергию. Получив эту энергию, атомы поверхности активируются. Это облегчает межатомное взаимодействие поверхностей и способствует разрыву связей между атомами металла, газовых и жидкостных пленок и молекулами окислов. Вводимую в зону соединения энергию называют энергией активации. Под ее воздействием поверхности пластически деформируются или оплавляются. Это устраняет их неровности. Обеспечивается практически полный контакт между поверхностями, их сближение на расстояние, необходимое для взаимодействия межатомных сил. При этом пленки загрязнений разрушаются или вытесняются из зоны соединения, поверхности очищаются. При всех способах сварки используют тепловую (нагрев) или механическую (давление) энергию активации или их сочетание, поэтому все способы сварки делят на три класса: термический, механический и термомеханический (ГОСТ 19521-74). На этом и основано определение процесса сварки.

      В зависимости от вида энергии активации  и по состоянию металла в зоне соединения все способы сварки можно  разделить на две группы: сварка давлением и сварка плавлением.

      К сварке давлением относят способы, при которых применяют только механическую или тепловую и механическую энергию совместно. В последнем случае сварка может происходить с оплавлением металла или без его оплавления.

      К сварке давлением без нагрева  относится холодная сварка, сварка взрывом, магнитно-импульсная сварка. Для этих способов характерно высокое давление на детали в зоне соединения, в несколько раз превышающее предел текучести и даже предел прочности свариваемого металла при комнатной температуре, что обеспечивает совместное пластическое деформирование соединяемых поверхностей.

      Сварка  давлением с нагревом без оплавления происходит при высоких температурах, переводящих металл в пластическое состояние. Это снижает предел текучести металла и позволяет получить нужную для сварки деформацию при небольшом удельном осадочном давлении, в несколько раз меньшем предела текучести металла при комнатной температуре.

      Примерами способов сварки давлением с нагревом без оплавления могут служить  кузнечная, диффузионная и ультразвуковая сварка, газопрессовая сварка, при которой нагрев производят пламенем от сжигания горючих газов в кислороде, сварка токами высокой частоты, нагревающими свариваемые кромки индуцируемыми в них вихревыми токами.

      Сварка  давлением с нагревом и оплавлением характеризуется высокой температурой нагрева зоны соединения, превышающей температуру плавления свариваемого металла. На поверхности соединяемых деталей тонкий слой металла оплавляется. Под действием прилагаемого давления жидкий металл при некоторых способах сварки может выдавливаться из зоны соединения, например при сварке трением, контактной стыковой, сварке оплавлением. С жидким металлом выносятся за пределы зоны соединения загрязнения поверхности. Вокруг соединения образуется наплыв выдавленного металла -грат, который после сварки удаляется. Соединение образуется за счет деформации нагретых, но не расплавленных слоев металла, находившихся под оплавленным слоем. При контактной точечной и роликовой (шовной) сварке расплавленный металл остается в зоне соединения и после прекращения нагрева кристаллизуется между соединяемыми поверхностями под давлением, образуя сварное соединение.

      Сварка  давлением незначительно изменяет химический состав, структуру и свойства металла. С ее помощью могут быть получены сварные соединения с такими же свойствами, как у основного металла без дополнительной обработки после сварки. Это одно из основных преимуществ сварки давлением перед сваркой плавлением. Но большинство способов сварки давлением (за исключением контактной сварки) требует создания особых условий (например, вакуума при диффузионной сварке, обеспечения безопасности работ при сварке взрывом), либо они применимы только для небольшой группы конструкций деталей. Поэтому сварка плавлением применяется чаще. 

1. Основные особенности процессов сварки давлением

 

      Сварка  давлением - это способ получения  неразъемного соединения деталей путем  их совместного пластического деформирования.

      Известны  две разновидности сварки давлением: без нагрева (сварка взрывом, импульсом магнитной энергии, холодная сварка) и с нагревом (кузнечная, ультразвуковая, трением, диффузионная, высокочастотная, газопрессовая и контактная сварка). Природа образования соединения во всех случаях сварки как с нагревом, так и без него одна: это результат взаимодействия между активированными атомами соединяемых поверхностей. Различают три стадии процесса образования соединения при сварке давлением. На первой стадии образуется физический контакт, происходит активация поверхностей, которые сближаются на параметр кристаллической решетки, преодолевая энергетический барьер, но сохраняют устойчивое состояние, не сливаясь. На второй стадии образуется химическое соединение активированных поверхностей, происходит сварка - сближение атомов на расстояние межатомарного взаимодействия. Ширина границы раздела становится соизмеримой с шириной межзеренной границы, прочность соединения становится соизмеримой с прочностью основного металла. На третьей стадии происходит диффузионный обмен масс через объединенную поверхность соединения. При этом вновь полученная поверхность раздела размывается или расчленяется продуктами взаимодействия.

      На  третьей стадии в зависимости  от ее продолжительности и рода соединяемых  металлов может происходить один из следующих процессов (рис. 1). При сварке одноименных металлов мелкозернистая граница раздела при длительной выдержке замещается крупными рекристаллизованными зернами. Прочность соединения снижается на 10...20%.

      При сварке пар металлов с неограниченной растворимостью друг в друге при достаточно большой выдержке (до 10 мин) на вновь образованной границе раздела развивается диффузионная прослойка, состоящая из твердого раствора свариваемых металлов. Прочность соединения в этом случае выше прочности одного из металлов пары.

      При соединении некоторых пар металлов может образовываться эвтектика - механическая смесь кристаллитов компонентов этих металлов. Она хрупкая, имеет низкую прочность. Другие разнородные металлы могут образовывать друг с другом химические соединения интерметаллиды. Они имеют высокую прочность, но низкую пластичность. При сварке таких металлов между собой в их контакте в третьей стадии процесса будут возникать эвтектические и интерметаллидные включения, ухудшающие механические свойства промежуточной прослойки. Поэтому при затягивании третьей стадии диффузионные    процессы    в    контакте разнородных металлов могут привести к полному разрушению соединения. 
 

      

      Рис. 1. Преобразование соединения в третьей стадии процесса сварки давлением: а - сварка деталей из одинакового металла А; б - разнородные металлы А и Б с неограниченной растворимостью; в - разнородные металлы А и Б, образующие эвтектику или интерметаллиды; 1 и 2 - начало и конец процесса

      

      Рис. 2. Неровности физических поверхностей: - макроотклонения формы поверхности (класс точности); - волнистость; - микрошероховатость (класс чистоты); - субмикрошероховатость 

      Основная  трудность при всех способах сварки давлением заключается в том, что надо обеспечить физический контакт между соединяемыми поверхностями и активировать их так, чтобы остаточная деформация деталей (вмятины, грат) была минимальной.

      Реальные  поверхности кроме макро-, микро- и субмикрошероховатостей (рис. 2) имеют макроотклонения или отклонения формы сопрягаемых поверхностей, характеризующие точность их обработки (рис. 3). Физическое контактирование должно сопровождаться большой деформацией. Действительно, чтобы снять микронеровности высотой всего 10... 15 мкм или выровнять неплоскостность на 50...500 мкм, приходится деформировать всю массу детали на величину, достигающую 90% ее толщины. Это "вынужденная" деформация - такая относительная остаточная деформация, при которой под действием усилия сжатия произошло завершение физического контакта по всей плоскости сварки. 

      

      Рис. 3. Отклонения формы поверхности: а - нецилиндричность; 1 - овальность; 2 - огранка; 3 - бочкообразность; 4 - конусность; 5 - корсетность; 6 - изогнутость; б - неплоскостность; 7- прогнутость; 8 - выпуклость

      Уменьшить можно тремя приемами. Первый из них - уменьшение деформационного упрочнения шероховатого слоя в контакте путем замедленного сжатия деталей при высокой температуре нагрева (диффузионная и газопрессовая сварка). В этом случае Второй прием - это резкое увеличение напряженного состояния в шероховатом слое контакта путем чисто контактного сжатия (сварка взрывом, импульсом магнитной энергии). В этом случае Третий прием - создание чисто контактного, локального нагрева при одновременном сохранении условий, при которых не происходит деформационного упрочнения в контакте. Это способы контактной сварки, при которых и прецизионные способы контактной сварки, при которых

      Среди известных способов сварки давлением  только при диффузионной сварке и  сварке взрывом приближается к минимально возможной. Это обусловлено контактированием с критическими скоростями, при которых благодаря диффузионным процессам разупрочнение в контакте преобладает перед его деформационным упрочнением. Для всех остальных способов сварки давлением фактические скорости контактирования намного превышают критические. Следовательно, при этих способах нельзя получить соединения с минимальной остаточной деформацией. Например, чтобы при холодной сварке получить соединение с минимальной осадкой, скорость контактирования при комнатной температуре должна быть настолько медленной, что для завершения сварки потребуются годы.

      Несмотря  на это способы сварки давлением  значительно расширяют область применения сварки, позволяя сваривать между собой разнородные металлы, соединение которых сваркой плавлением невозможно, неметаллические материалы с металлами, и резко повышают производительность в условиях массового производства. 

      2. Современные способы сварки давлением и их применение. 

      Способы сварки давлением - это способы сварки, при которых металл непосредственно в зоне шва может быть холодным или же иметь температуру ниже или выше точки плавления, но, самое главное, сваривание происходит при действии на сварное соединение статического, ударного или даже высокочастотного вибрационного давления.