Способы и технология сварки давлением

Условия образования соединения, рассмотренные выше, — сближение и активация соединяемых поверхностей — реализуются в способах сварки давлением различными приемами. Способы сварки давлением принято разделять на две группы:

• 1) с дополнительным нагревом соединяемых деталей;
• 2) без дополнительного нагрева соединяемых деталей.

Целью дополнительного нагрева при сварке давлением является уменьшение интенсивности механического воздействия на соединяемые детали, необходимого для сближения соединяемых поверхностей. Рассматриваемые способы характеризуются широким диапазоном условий нагрева от локального импульсного до длительного нагрева всего изделия.

Основы технологии сварки давлением с дополнительным нагревом

Точечная контактная электросварка.

При точечной контактной сварке (ТКС) детали сдавливают по отдельным ограниченным участкам касания, называемым точками, используя, как правило, нахлесточное соединение (рис. 3.14). Сдавливание производят электродами из медных сплавов. Подключив электроды к источнику тока, нагревают детали до появления расплавленной зоны — ядра заданных размеров. Выделяют три этапа формирования сварной точки:

• 1) сжатие детали и включение тока, при котором образуется электрический контакт, происходят нагрев и расширение твердого металла, вытеснение его в зазор и образование уплотняющего ядро пояска;
• 2) возникновение и рост расплавленного ядра до заданного размера, дробление и перераспределение поверхностных пленок в жидком металле;
• 3) выключение тока, охлаждение и кристаллизация расплавленного ядра.

Нагрев при ТКС определяется выделением тепла Q₃₃ на участке 3 — сопротивлении Я₃₃ при прохождении тока /(t). В соответствии с законом Джоуля — Ленца имеем

Все сопротивления на участке контакта непрерывно меняются в течение цикла сварки, и в результате общее сопротивление снижается в несколько раз. Металл контакта нагревается со скоростью до 10⁵ °С/с, причем температура может превысить температуру плавления свариваемого металла.

Рис. 3.14. Точечная контактная сварка:

• 1 — заготовка; 2 — электрод;
• 3 — сварная точка

Перемешивание жидкого металла происходит за счет действия электродинамических сил. Начало кристаллизации зависит от формы импульса и, как правило, соответствует моменту выключения тока. Высокая интенсивность охлаждения приводит к тому, что скорость кристаллизации достигает 250 см/с. Ядро имеет дендритную структуру, зерна которой направлены к центру.

Возможные дефекты ТКС:

• 1) отсутствие или уменьшение ядра (непровар);
• 2) выброс расплавленного металла из зоны контакта (выплеск);
• 3) трещины, раковины и другие дефекты в ядре;
• 4) переход (налипание) электродного металла на поверхность детали и наоборот.

Меры борьбы с дефектами разрабатываются в соответствии с анализом механизма формирования сварной точки.

Технологический процесс изготовления изделий контактной сваркой включает следующие операции:

• — предварительная сборка изделий выполняется в основном при изготовлении сложных изделий и предназначена для оценки возможности точной установки фрагментов;
• — подготовка поверхности под сварку в общем случае включает удаление смазок и других загрязнений, обезжиривание, удаление исходной неодинаковой по толщине оксидной пленки, промывку, сушку;
• — окончательная сборка (поузловая или наращиванием);
• — прихватка собранных деталей позволяет жестко зафиксировать их для предотвращения смещений при сварке.

Сварка изделия производится на оптимальном режиме, который определяют с учетом свойств металла, толщины, требований к качеству соединений и др. расчетно-экспериментальным методом или по справочным таблицам. Контроль качества сварных соединений производят неразрушающим или разрушающим методом.

Основные технологические параметры:

I — сила сварочного тока, определяет размеры расплавленной точки, зависит от теплофизических свойств металла, качества подготовки поверхности и др.;

t — длительность протекания сварочного тока (время сварки), влияет аналогично первому параметру;

р — усилие сжатия, определяет величину электросопротивления деталь — деталь и деталь — электрод.

Например, сварку листов из Стали 10 толщиной 1—2 мм производят в следующем режиме: сила тока — 14 000 А, длительность сварки — 0,14 с, усилие сжатия — 4400 Н.

Контроль качества соединений без разрушения включает внешний осмотр, а также применение ультразвукового, электромагнитного и других методов. При внешнем осмотре проверяют расположение точек, форму и размеры вмятин от электродов, наличие наружных дефектов, величину зазоров, деформацию деталей. Контроль с разрушением дает информацию по аналогии, так как качество рабочих соединений остается непроверенным, а испытаниям подвергаются технологические образцы, и, кроме того, производят выборочные испытания сварных изделий.

Контактная сварка существенно расширяет возможности при изготовлении украшений с декоративными вставками из неметаллических материалов. Среди недрагоценных «белых» металлов, применяемых для изготовления личных украшений, наряду с мельхиором заметное место занимает нихром (Х20Н80). Это объясняется благоприятным сочетанием технологических и потребительских свойств указанных металлов, а также наличием современной технологии монтажа изделий, базирующейся на применении контактной сварки.

На рис. 3.15 и 3.16 представлены схема сборки и внешний вид броши со вставками из чароита, закрепленными контактной сваркой в кастах из нихрома. Для соединения мельхиора традиционно используется пайка высокотемпературными припоями.

Рис. 3.15. Технология крепления кобошона контактной сваркой:

а—г — последовательность операций

Технология крепления кобошона контактной сваркой (см. рис. 3.15) представляет собой следующую последовательность операций с использованием рабочего столика, карандаша и пинцета: а) приварка основания к подложке;

• б) приварка опорного кольца;
• в) приварка крепежного кольца;
• г) приварка декоративного кольца.

Рис. 3.16. Брошь с чароитом. Контактная сварка в кастах

С позиций использования контактной сварки наиболее важными характеристиками нихрома являются низкая тепло- и электропроводность (удельное электросопротивление 1,04—1,4 мкОм-м) высокая жаростойкость на воздухе (до 1500 К) высокая прочность, приближающаяся к 100 МПа (для нагартованной проволоки). Тепло- и электропроводность мельхиора значительно выше, тогда как прочность в несколько раз ниже, чем у нихрома. Нихром во избежание появления наружных и внутренних дефектов рекомендуется сваривать на мягких режимах с большим усилием сжатия, для мельхиора более целесообразно применять жесткие режимы.

Для реализации рассматриваемой технологии используют, как правило, источники питания конденсаторного типа, выбор которых обусловлен необходимостью минимизации термического воздействия на декоративные вставки. Конденсаторные источники имеют (при различной мощности) жесткий импульс сварочного тока (t_CB = 1^-5 мс), плохо регулируемый по форме. Кроме того, процесс монтажа с помощью ручного инструмента характеризуется относительно малым усилием сжатия ( К_сж = 30 -г- 60 Н). Как для нихрома, так и для мельхиора характерно образование на поверхности свариваемых деталей отпечатков от электродов, которые приходится удалять дополнительной механической обработкой.Сварные соединения, как правило, успешно выдерживают нагрузки, возникающие при механической обработке, полировании и последующей эксплуатации изделий. Наиболее нагруженные элементы украшений целесообразно дополнительно укреплять лазерной сваркой. Наиболее нагруженные элементы украшений целесообразно дополнительно укреплять лазерной сваркой (табл. 3.6).

Современные личные украшения представляют собой изделия, состоящие, как правило, из нескольких деталей, что неизбежно вызывает необходимость разработки технологии соединения с учетом требований к дизайну изделия:

1) внешняя поверхность соединения не должна отличаться от других конструктивных элементов;

• 2) соединение выполняется с выходом внешних очертаний на тыльную сторону изделия;
• 3) поверхность соединения специально используется для придания особых декоративных свойств изделию.

Таблица 3.6

Влияние условий сварки на характеристики соединений*

* Длительность разряда — 2—5 мс, усилие сжатия — 20—40 Н, образцы из проволоки диаметром 0,8 мм, сваренные с помощью пинцета при параллельном расположении проволоки с величиной нахлестки 10 мм.

Первый способ характерен для традиционно используемой в ювелирном деле пайки, поскольку галтели паяных швов могут выполняться с различными формами, что вполне соответствует предъявляемым требованиям.

Второй способ наиболее просто реализуется при сварке давлением, например электрической точечной контактной сварке, поскольку соединение формируется между деталями, расположенными внахлестку, и рабочее сечение соединения не выходит на поверхность соединяемых деталей. Соединения могут быть выполнены с помощью установки контактной точечной сварки УС-3, обеспечивающей плавные регулировки основных технологических параметров.

По сравнению с традиционной для подобных изделий технологией, основанной на высокотемпературной пайке, использование контактной точечной сварки обеспечивает возможность существенного изменения и упрощения технологического процесса, что особенно важно для изделий с декоративными вставками из неметаллических материалов (камней, стекол и т. п.) Дизайн изделий такого рода определяется декором комплектующих деталей и их отделкой, поскольку соединения, выполненные контактной сваркой, практически незаметны.

Главным отличием технологического процесса изготовления украшений из нихрома от традиционного является закрепление вставки. Как известно, при использовании пайки во избежание повреждения вставок их закрепление выполняют после сборки, монтажа и отделки изделия. Локальность и кратковременность нагрева при контактной сварке позволяют, напротив, монтировать оправу и декоративные элементы непосредственно на вставках, так как вероятность повреждения последних практически отсутствует. Кроме того, в процессе монтажа не требуется специальных мер по сохранению ранее выполненных соединений.

Качество сварных соединений при точечной контактной сварке определяется тремя параметрами — величиной сварочного тока, длительностью протекания тока и усилием сжатия.

При условии выбора оптимальных параметров сварки соединение формируется по поверхности соприкосновения деталей и не обнаруживается внешним осмотром.

Например, для изготовления украшений можно использовать следующие сочетания — проволоку из Стали Х20Н80, используемую при выполнении указанных операций; скань, прокатанную в вальцах до толщины 0,4 мм и устанавливаемую на ребро; гладкую проволоку. В качестве технологической подложки, удаляемой после закрепления вставки, применяют никелевую фольгу толщиной ОД—0,2 мм.

Оправленная вставка может использоваться как самостоятельное украшение после приварки крепежных элементов, соответствующих назначению, или послужить основой для последующего оформления более сложного изделия. В последнем случае все элементы изделия могут крепиться непосредственно на оправе вставки.

На рис. 3.17 представлен пример закрепления контактной сваркой камня вставки 1 на поверхности шкатулки и декоративных элементов 2, 3 на боковых стенках изделия. Выбор оптимальных параметров режима сварки обеспечивает необходимую прочность крепления и соответствие внешнего вида соединений требованиям дизайна.

Рис. 3.17. Закрепление камня-вставки 1 и декоративных элементов 2,3 на шкатулке из нержавеющей стали контактной сваркой

Рабочее место для сварки давлением с дополнительным нагревом должно быть оснащено машиной для контактной сварки. В состав машины, как правило, входят понижающий трансформатор, выпрямитель и накопитель энергии, блок регулирования тока, механизм давления, пусковые устройства.

Технические характеристики машины для контактной сварки УС-3: плавная регулировка сварочного тока в импульсе — 1—5,6 кА;

плавная регулировка длительности сварки — до 2 с; плавная регулировка усилия сжатия — 80—300 Н; габариты — 570 х 500 х 972 мм; масса — 65 кг.

Для выполнения сварки — закрепления камней-вставок машина должна быть оснащена специальным пинцетом и выносным электродом (рис. 3.18).

Рис. 3.18. Инструменты для точечной контактной сварки:

а — электрод; б — пинцет; 1 — источник тока машины;

• 2 — гибкие токоподводы; 3 — электрод «карандаш»; 4 — кабошон;
• 5 — изделие; 6 — планки токоподвода пинцета; 7 — изолятор

Выносной электрод («карандаш») подключается к электродам машины гибким кабелем, что позволяет производить сварку изделий сложной формы. Конструкция пинцета также предусматривает подсоединение к электродам машины гибким токоподводом зажимных планок — шин, изолированных друг от друга.