Сварка, резка и пайка металлов

Холодная сварка

Значительный принципиальный интерес, а в ближайшем будущем, вероятно, и большое практическое значение представляет способ сварки металлов при комнатной температуре без подогрева. Принципиальная возможность сварки металла без подогрева давно известна, но до последнего времени не ставился вопрос о практическом использовании этой принципиальной возможности и не велось серьёзных исследований в этом направлении. Сварка по этому методу осуществляется одним давлением, прилагаемым к месту сварки посредством специальных штампов без применения нагрева. Прилагаемое давление должно вызвать значительную пластическую деформацию и течение металла в зоне сварки, почему способ применим лишь к металлам, достаточно пластичным при низких температурах.

Особенно хорошие результаты даёт холодная сварка алюминия и его сплавов. Важнейшим условием для холодной сварки является абсолютная чистота соединяемых поверхностей металла; самые незначительные загрязнения и тонкие плёнки окислов делают невозможным получение удовлетворительной сварки. Всегда имеющаяся на поверхности металлов плёнка окислов должна быть полностью удалена, причём способ удаления не должен оставлять на поверхности каких-либо загрязнений или посторонних частиц и не должен вызывать быстрого восстановления окисной плёнки на зачищенной поверхности металла. Хорошо обработанная и зачищенная поверхность может сохранять способность к сварке несколько часов. Очистка поверхности должна быть чрезвычайно тщательной, прикосновение руками к зачищенной поверхности часто делает сварку невозможной.

Осадочное давление должно быть приложено таким образом, чтобы выдавливаемый металл мог свободно течь в обе стороны от места сварки. Для получения удовлетворительной сварки необходимо вызвать течение металла в месте приложения давления, и обеспечить необходимое смещение частиц металла. Величина смещения может измеряться уменьшением суммарной толщины соединяемых частей под штампами, выраженным в процентах. Необходим определённый минимум уменьшения толщины соединяемых частей для обеспечения достаточной прочности сварки, дальнейшее уменьшение толщины металла будет лишь вредным, снижая общую прочность сварного соединения. Поэтому штампы или прессы для холодной сварки должны иметь ограничители, мешающие излишнему углублению штампа в основной металл. Для различных толщин металла применяется одно и то же относительное уменьшение толщины, выраженное в процентах. Ширина штампа увеличивается с возрастанием толщины свариваемого металла.

Предложено несколько приёмов выполнения холодной сварки, которые в различных сочетаниях позволяют получить разнообразные сварные соединения. Например, возможно выполнить на листовом металле:

прямолинейный шов определённой длины с помощью штампа, показанного на фиг. 187;

круговой шов с помощью кольцевых штампов соответствующих размеров, например для приварки донышка к цилиндрической коробочке;

непрерывный шов произвольной длины с помощью штампов, имеющих форму роликов (фиг. 188), катящихся по шву. В данном случае одновременно со сваркой излишний металл подрезается и удаляется. Так можно изготовлять, например, сварные трубы.

Сварочные штампы устанавливаются в прессы или другие подходящие устройства достаточной мощности. Мелкие детали тонкого металла могут свариваться простейшим ручным приспособлением типа пломбировальных щипцов. Возможна сварка разнородных металлов, например меди с алюминием, что важно в электротехнике. Для таких соединений оба штампа имеют различные размеры для того, чтобы создать необходимую пластическую деформацию и смещение частиц обоих металлов.

Для холодной сварки важное значение имеет подготовка и зачистка поверхности металла под сварку. Химические методы очистки непригодны, так как последующая промывка восстанавливает плёнку окислов. Непригодна также обработка напильником и абразивами. Напильник оставляет на поверхности мелкие частицы металла, абразивы оставляют твёрдые частицы, вклинивающиеся в поверхность металла. Удовлетворительные результаты получаются при очистке вращающимися щётками из стальной проволоки с моторным приводом, а также при шабрении поверхности.

Относительно механизма холодной сварки в литературе приводятся следующие соображения. Вдавливание штампов в холодный металл значительно упрочняет его, и настолько раздробляет и измельчает зёрна металла, что вызывает процесс рекристаллизации, интенсивно и со значительной скоростью проходящий уже при комнатной температуре. В процессе рекристаллизации осколки кристаллов, раздроблённых пластической деформацией, снова срастаются в более крупные и правильные кристаллы. Вдоль поверхности раздела частей, соединяемых сваркой, рост кристаллов в процессе кристаллизации происходит за счёт материала обеих соединяемых частей, так что поверхность раздела физически исчезает, и происходит сращивание частей в один монолит, что наблюдается при хорошо выполненной сварке. Обычно принимается, что для достаточного развития рекристаллизации таких металлов, как алюминий, медь, никель, необходим подогрев металла. При комнатной температуре рекристаллизация если и происходит, то в совершенно ничтожных размерах. Успешное выполнение сварки различных металлов при комнатной температуре заставляет изменить сложившиеся представления и признать, что достаточная деформация металла может вызвать интенсивную рекристаллизацию уже при комнатной температуре. Скорость деформации не оказывает заметного влияния на процесс холодной сварки, которая получается одинаково хорошей как при быстром, ударном приложении давления к штампам, так и при очень медленном.

Указанные соображения являются дискуссионными; для лучшего понимания сущности процесса холодной сварки требуется дальнейшее более глубокое и всестороннее его изучение. Весьма вероятным является предположение, что сущность холодной сварки состоит в сближении атомов до расстояний порядка атомного радиуса, при этом возникает взаимодействие электронных оболочек атомов и их прочное сцепление.

Снижение прочности сварного соединения за счёт уменьшения толщины металла в месте сварки до известной степени компенсируется повышением прочности деформированного металла, получающего наклёп. Например, предел прочности технически чистого алюминия в зоне максимальной деформации возрастает примерно в два раза.

Холодная сварка пригодна для различных металлов, достаточно пластичных при комнатной температуре. Свариваемость металлов холодным способом может быть оценена максимальной остающейся толщиной металла в месте сварки, выраженной в процентах по отношению к первоначальной толщине металла до сварки. Предварительные исследования свариваемости различных металлов при холодной сварке показывают следующие результаты:

Из этих данных видно, что наилучшие результаты холодной сварки дают алюминий и алюминиевые сплавы, удовлетворительные результаты даёт медь. Довольно удовлетворительную свариваемость даёт никель, имеющий высокую температуру плавления (1450°).

В лабораторных условиях удалось также осуществить холодную сварку стали. Штампы для холодной сварки могут изготовляться из углеродистых или легированных сталей, износ которых незначителен. Давление, отнесённое к рабочей поверхности штампа, должно превышать предел текучести свариваемого металла. Для холодной сварки алюминия давление составляет от 20 до 30 кг/мм2 для меди это давление должно быть в два-три раза больше, чем для алюминия. При конструировании приспособлений принимается в расчёт не давление, а величина пластической деформации.

Холодная сварка в настоящее время может найти практическое применение для сварки электрических проводов, алюминиевых и медных, в производстве алюминиевых труб, кабелей с алюминиевой оболочкой, алюминиевых контейнеров для герметической укупорки различных продуктов и изделий и т. д.