Простота оборудования и высокая скорость процесса сварки позволили занять механическому классу сварки достойное место в различных технологических процессах.
Холодную сварку выполняют без нагрева, при нормальных или пониженных температурах. Метод холодной сварки основан на использовании пластической деформации, с помощью которой разрушают окисную пленку на свариваемых поверхностях и сближают свариваемые поверхности до образования металлических связей между ними. Эти связи возникают при сближении поверхностей соединяемых металлов на расстояние порядка нескольких ангстрем в результате образования общего электронного облака, взаимодействующего с ионизированными атомами обоих металлических поверхностей. Такое сближение достигается приложением больших удельных усилий в месте соединения. В результате происходит совместная пластическая деформация. Большое усилие сжатия обеспечивает разрушение пленки оксидов на свариваемых поверхностях и образование чистых поверхностей металла.
С помощью холодной сварки можно сваривать металлы, обладающие высокими пластическими свойствами при нормальной температуре. К этим металлам относятся: алюминий, золото, серебро, кадмий, свинец, цинк, титан, медь, никель, олово и их сплавы. Этот метод также применим для сварки разнородных металлов, например, меди с алюминием.
В недостаточно пластичных материалах при больших деформациях могут образоваться трещины. Высокопрочные металлы и сплавы холодной сваркой не сваривают, так как для этого требуются большие удельные усилия, которые трудно осуществить.
Если при сварке плавлением механизм образования соединения нагляден (например по расплавленным кромкам металла), то при холодной сварке давлением образование прочного соединения (схватывание) элементов происходит в твердой фазе. Таким образом, зона соединения недоступна для непосредственного наблюдения. В схватывании участвует огромное число атомов – до 1014 атомов/см2 со стороны каждого из металлов, а на скорость соединения влияет большое число внешних (температура, состав среды, давление) и внутренних (структура материала, механические свойства, состояние поверхности) факторов.
В проблему объяснения механизмов схватывания материалов в твердой фазе в конце XIX столетия внесли существенный вклад советские ученые: академики С. Б. Айбиндер, А. А. Бочвар, К. К. Хренов, профессора А. П. Семенов, Ю. Л. Красулин, К. А. Кочергин, В. П. Алехин и многие другие.
Получены расчетные данные, выдвинуты гипотезы, но единой теории образования сварочных соединений давлением нет.
Так, по гипотезе (энергетической) профессора А. П. Семенова, были введены количественные показатели процесса схватывания металлов, т. е. той минимальной степени деформации, при которой он начинается:
E = h/s × 100 %,
где: h – минимальная глубина вдавливания пуансона, при которой начиналось схватывание;
s – минимальная толщина в месте схватывания;
E – относительная деформация схватывания.
Процесс схватывания в твердой фазе представляет собой топохимическую (химическая реакция на поверхности) реакцию, при которой между атомами соединяемых поверхностей вещества устанавливаются связи, аналогичные связям в объеме кристаллической решетки.
Таким образом, особенностью сварки в твердом состоянии является то, что для образования физического контакта и создания условия для химического взаимодействия материалов без расплавления к ним необходимо приложить механическую энергию.
Сварное соединение образуется только при условии выноса (выдавливания) из зоны контакта части поверхностного металла вместе с окисной пленкой. Было установлено, что прочность соединения зависит только от относительной пластической деформации металла и не зависит от времени выдержки в сжатом состоянии.
Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения.
Холодная сварка используется при производстве, например, герметизированных полупроводниковых приборов, различных корпусов, предметов хозяйственно-бытового назначения. При использовании ручных гидропрессов – в монтажных работах, например, для холодной сварки кабельных муфт и проводов в сетях электроснабжения.
Холодная точечная сварка (сварка внахлестку)
На рисунке 16 представлена схема холодной точечной сварки.
Свариваемые детали (1) с тщательно зачищенной поверхностью в месте соединения помещают между пуансонами (2), имеющими выступы (3). При сжатии пуансонов усилием Р выступы пуансонов (3) вдавливаются в металл до тех пор, пока они упрутся в наружную поверхность свариваемых заготовок. Форма свариваемой точки зависит от формы выступа в пуансоне.
Холодной сваркой сваривают металлы и сплавы толщиной 0,2–15 мм. Удельные усилия, зависящие от состава и толщины свариваемого материала, в среднем составляют 150–1000 МПа.
В практике применяются следующие методы точечной холодной сварки:
• сварка без предварительного зажатия деталей;
• сварка с предварительным зажатием деталей;
• сварка с односторонним деформированием деталей.
Рис. 16.
Схема холодной точечной сварки:
1 – свариваемые детали;
2 – пуансоны;
3 – выступы пуансонов;
4 – формы пуансонов.
При точечной сварке без предварительного зажатия деталей (рис. 17) с целью получения заданной прочности соединения необходимо приложить соответствующее давление пуансона. Например, для сварки алюминия это давление составляет 17–25 кгс/мм2 площади торца рабочего выступа пуансона. Для сварки меди оно должно быть увеличено в 2–4 раза. Наиболее технологичная форма выступов пуансона – прямоугольная и круглая. Ширина или диаметр рабочего выступа пуансона равны 1–3 толщинам свариваемых деталей – в зависимости от толщины последних. При сварке разнородных материалов диаметры круглых или ширины прямоугольных рабочих выступов пуансонов рекомендуется брать обратно пропорциональными твердости этих материалов.
Рис. 17. Схема холодной сварки без предварительного зажатия свариваемых деталей:
1 – свариваемые детали; 2 – пуансоны.
Рис. 18.
Схема холодной сварки с предварительным зажатием свариваемых деталей:
1 – свариваемые детали;
2 – прижимы; 3 – пуансоны
Недостатком этого способа является коробление деталей, что особенно затрудняет сварку деталей больших толщин (более 4 мм), а также деталей из металлов с малой пластичностью (нагартованная медь, алюминий).
Способ сварки с предварительным зажатием деталей (рис. 18) позволяет устранить основные недостатки предыдущего способа (без фиксации деталей). Отличие в том, что рабочий выступ пуансона изготавливают в виде отдельной детали, подвижной относительно опорной части, предназначенной для зажатия деталей с начала процесса сварки и до его окончания. Зажатие деталей между опорными частями (прижимами) (2) производят до вдавливания рабочих выступов пуансонов (3) в металл детали или одновременно с ним. За счет этого устраняется коробление свариваемых деталей и увеличивается прочность сварного соединения. Прочность сварного соединения растет с увеличением глубины вдавливания рабочих пуансонов в металл.
Максимальная прочность получается в том случае, когда рабочие пуансоны углубляются в металл почти на полную его толщину. При этом способе сварки давление на прижимы рекомендуется в пределах 3–5 кгс/мм2. Площадь прижима должна превышать площадь торца рабочего выступа пуансона в 15–20 раз. В частности, при сварке алюминия конечное давление на рабочий пуансон составляет 40–150 кгс/мм2 площади торца его рабочего выступа – в зависимости от толщины свариваемого металла.
Точечная холодная сварка с односторонним деформированием (рис. 19) применяется в том случае, когда по эстетическим или техническим причинам требуется ровная с какой-то одной стороны поверхность сварного соединения. Прочность сварного соединения при одностороннем деформировании достигает максимального значения при глубине вдавливания около 60 % толщины свариваемых деталей. Дальнейшее увеличение углубления пуансона не приводит к росту прочности сварного соединения. При сварке металлов с разной толщиной вдавливание пуансона рекомендуется выполнять со стороны более тонкого металла, а при значительной разнице в толщинах (например, 10 мм + 1 мм) сварка уже невозможна.
