Что такое сварка под давлением

Что это такое? Сварка под давлением, впрочем, как и другие виды сварочных работ, позволяет изготавливать изделия разной сложности из металлов и сплавов. Более того, сваривать можно даже пластмассу, стекло и кожу.

В чем особенности? Традиционные методы сварки основаны на расплавлении кромок соединяемых деталей, в результате чего между ними устанавливаются прочные межатомные связи. В отличие от них сварка давлением предусматривает наличие внешней силы, которая прикладывается к месту соединения и вызывает пластическую деформацию.

Принцип работы при сварке под давлением

При соприкосновении любых веществ друг с другом начинается процесс диффузии, то есть происходит взаимное проникновение молекул. Правда, твердые тела, у которых молекулы встроены в кристаллические решетки, в меньшей степени подвержены диффузии, и она протекает крайне медленно, если данный процесс не ускорить созданием сильного давления и (или) высокой температуры.

Именно на этом и строится сварка под давлением. Сочетание повышенных значений давления и температуры обеспечивает создание диффузной зоны, в которой происходит равномерное соединение сплавов.

Даже если процесс производится при комнатной температуре, использование специального оборудования для увеличения давления дает возможность диффузного внедрения одного металла в другой. Особенно эффективен подобный метод сварки при работе с заготовками из меди, алюминия и нержавеющей стали. Вдоль стыка идет пластическая деформация, что и обеспечивает надежное соединение. Если же вдобавок к давлению применить нагрев, даже локального характера, процесс сварки ускорится и даст еще более прочные связи металлов.

Специфические особенности сварки под давлением

При такой сварке могут употребляться разнообразные источники тепла: специальные печи, действие химической реакции, электроток, в том числе индукционный. Первым этапом работы является нагревание деталей в месте соединения, и температура может доводиться до близкой к точке плавления. После этого заготовки сдавливают, обеспечивая им плотный контакт. При этом образуется так называемый грат – излишки металла и шлаки, выходящие за пределы сварного шва. Этот грат убирается после завершения работ.

Условия, при которых сварка под давлением даст наилучший результат:

1. тщательная очистка мест соединения от окалины, масла и иных загрязнений;
2. постепенное нарастание давления, чтобы сначала происходила деформация приконтактного слоя, а затем запускался процесс диффузии;
3. равномерная внешняя температура, что особенно важно для легкоплавких металлов;
4. учет особенностей протекания химических реакций – есть сплавы, в которых связи металлов образуются активнее.

Настройки аппарата при сварке давлением

Выбор режима сварки зависит от нескольких факторов: физические характеристики соединяемых заготовок, их внешняя форма и т. д.

Если выполняется электроконтактная сварка, то необходимо определить ключевые параметры:

• сила и плотность тока;
• время воздействия на детали;
• создаваемое усилие.

При стыковой сварке важно выбрать оптимальную установочную длину, представляющую собой расстояние от внутреннего края электрода до торца заготовки. Здесь также необходимо учитывать наличие эффекта шунтирования, то есть протекание части тока за пределы сварочной зоны. Величина шунтировочного тока определяется силой сварочного тока и сопротивлением материалов, через которые он проходит (ранее сваренные точки, заготовки, другие поверхности, случайно вступившие в контакт, и т. п.).

Читайте также: «Термическая сварка»

Поскольку шунтирование приводит к утечке сварочного тока, то величина последнего может уменьшиться до критических отметок и стать недостаточной для эффективной сварки. К примеру, при стыковом соединении замкнутых деталей токи шунтирования способны даже превзойти сварочные.

Разновидности сварки под давлением

Холодная сварка металлов под давлением

Здесь соединение обеспечивается путем сильного механического сжатия деталей без их предварительного нагревания. Подобная сварка основана на эффекте текучести – свойстве металлических тел пластически деформироваться под силовым напряжением. Соединение облегчается тем, что под действием давления происходит сжатие внешнего слоя деталей с одновременным выделением тепла, так что сплавы нагреваются и без термической обработки. После завершения сварки необходимо охладить полученную конструкцию.

В результате образуется достаточно прочный шов. Холодный способ сварки известен очень давно, и таким образом можно соединять разнородные металлы: железо, медь, серебро, свинец. При этом внешняя температура не играет существенной роли – даже при отрицательных значениях холодная сварка оказывается действенной.

К сожалению, этот способ сваривания нельзя назвать универсальным. Во-первых, технология требует использования специального оборудования для создания повышенного давления. Во-вторых, металлы с низкой пластичностью (чугун, латунь и др.) плохо поддаются холодной сварке давлением. В-третьих, данный метод обладает малой производительной эффективностью по сравнению с другими видами сварки.

С использованием эффекта трения

В данном случае свариваемые поверхности вступают в динамическое (трущееся) соприкосновение, при котором выделяется тепло, что упрощает соединение. Основным вариантом сварки трением является вращательная методика: одна заготовка зажимается и остается неподвижной, в то время как другая совершает движения вокруг своей оси.

Параллельно с вращением создается осевое давление. На первом этапе процедуры поверхности деталей нагреваются и лишаются оксидной пленки. Температура должна достичь заданного значения (обычно в пределах 980-1300 градусов), чтобы вызвать переход металла в пластичное состояние. После этого вращение прекращается, но сжатие продолжает усиливаться, формируя сварочный шов. Существует методика, которая позволяет сваривать неподвижные заготовки – при этом вращается соединительная вставка между ними.

Преимущества сварки трением – простота и надежность соединения, довольно высокий коэффициент полезного действия, низкая энергоемкость, возможность соединять разнородные материалы, в том числе металлы с термопластиками. Такая сварка используется в современном промышленном производстве, например для соединения частей сосудов, труб, которые будут находиться под давлением, и пр.

Читайте также: «Длина сварного шва»

К минусам сварки трением следует отнести необходимость круглой формы для вращаемой детали, а также потерю верхнего слоя поверхности в ходе взаимодействия, так что заготовка несколько уменьшается в длину после сваривания.

Ультразвуковая и кузнечная

Источником энергии способны выступать и ультразвуковые волны – высокочастотные колебания вызывают разогрев поверхностей твердых тел, и если на них одновременно оказывается давление в перпендикулярной плоскости, то они соединяются. Так можно сваривать металлы, пластмассы, кожи, ткани.

Данный вид сварки под давлением обладает массой преимуществ: соединение термочувствительных материалов, возможность работать с тонкими поверхностями и в труднодоступных местах, отсутствие необходимости предварительной обработки заготовок (требуется лишь обезжиривание). Главным препятствием широкому распространению ультразвуковой сварки является дороговизна используемого оборудования.

Кузнечная сварка в виде ковки имеет давнюю историю применения – соединение металлов обеспечивается кратковременным механическим воздействием ударного типа. Для этого подойдет пресс или даже кузнечный молот. Предварительно заготовки нагреваются в печи до пластичного состояния. К сожалению, этот способ отличается трудоемкостью, и по производительности и качеству соединения он уступает более современным сварочным технологиям.

Диффузионная

Диффузионная сварка производится в форме принудительного обмена частицами твердых тел на атомарном уровне. Сначала создается рабочая температура нагрева, составляющая 50-70 % от величины плавления, после чего детали подвергаются механическому сжатию, интенсивность которого варьируется от 0,5 до 20 и более МПа. Весь процесс занимает от 2 минут до нескольких часов.

Читайте также: «Электродуговая сварка»

Способ был изобретен в середине ХХ века Н. Ф. Казаковым и ныне используется в промышленном производстве. Правда, технологически это довольно сложный процесс. Сварка производится в вакуумной камере или в среде защитного газа, что необходимо для исключения загрязнения соединяемых поверхностей.

Диффузионный способ дает монолитный шов высокой прочности, причем расход энергии небольшой, и не требуется электродов, припоев и других дополнительных приспособлений. Однако необходимость все процессы производить в специальной камере, с применением сложного оборудования – причина того, что диффузионная сварка получила распространение лишь в высокотехнологичных отраслях. Сферы ее использования:

• создание микроскопических полупроводниковых деталей для приборов;
• изготовление ответственных деталей для летательных аппаратов (самолеты, космические корабли);
• соединение тугоплавких металлов типа вольфрама и тантала;
• сваривание металлических деталей с керамическими, стеклянными, сапфировыми, графитовыми заготовками.

Термокомпрессионная сварка

Она сочетает в себе температурное и механическое воздействие на соединяемые поверхности, причем основным фактором служит именно нагревание. При этом способе создается относительно невысокое давление, но оно повышает эффективность сварки. В зависимости от материала заготовок определяются рабочие параметры: температура нагревания (от 250 до 450 градусов), величина усилия (обычно 50-80 % от максимально допустимого без появления деформации) и продолжительность сжатия.

Такая сварка обеспечивает стабильное соединение с возможностью полного контроля рабочего процесса. Правда, список изделий, пригодных для обработки термокомпрессией, весьма ограничен – в основном это полупроводники, провода и т. п. Поэтому данный метод нашел преимущественное применение в микроэлектронике и приборостроении. Термокомпрессионная сварка ведется в автоматическом режиме специальными сварочными аппаратами, рабочие элементы которых обладают низкой теплопроводностью.

Сварка взрывом

Направленный взрыв обеспечивает кратковременное, но очень мощное усилие на оказавшиеся в рабочей зоне поверхности. До запуска процесса подвижные детали очищаются и располагаются перед мишенью. Таким образом получаются сложные сварные конструкции.

Контактная сварка

При контактной сварке нагрев заготовок производится пропусканием через них электрического тока. Время этого воздействия позволяет разделить технологические процессы на «жесткие» и «мягкие». В первом случае ток протекает всего лишь несколько долей секунды (0,1-1,5 с). За это время температура не успевает сильно подняться, поэтому требуется большое механическое воздействие. «Мягкий» режим отличается тем, что ток пускается на более продолжительное время (от 0,5 до 3 секунд), давая нагрев. Так поступают со сталями, склонными к закалке.

Читайте также: «Глаза после сварки»

Контактная сварка применима для большинства металлов и изделий разнообразной формы, включая рельсы, трубы отопления и пр.: соединение под давлением производится шовным, точечным и стыковым способами. Необходимые условия:

1. структура материала должна быть однородной и плотной;
2. поверхности соединяемых деталей необходимо сделать ровными, плотно прилегающими друг к другу;
3. охлаждение электрода при точечной сварке под давлением производится водой.

Плюсы и минусы сварки под давлением

Каждый вид сварки под давлением имеет свои особенности выполнения работ.

Плюсы холодной сварки:

• отсутствие нагревания дополнительным источником энергии;
• простота и быстрота выполнения работ;
• низкие требования к квалификации оператора.

Основным недостатком является существенная деформация деталей, у которых меняются размеры.

Преимущества сварки трением:

• небольшая требуемая мощность;
• быстрое и качественное соединение.

Однако, как и в предыдущем случае, детали подвергаются деформации в области шва.

Достоинства сварки взрывом:

• практически мгновенный результат;
• возможность работать с заготовками нестандартной формы.

Тем не менее такая сварка сопровождается большим выбросом энергии, так что требует специальной площадки и тщательной подготовки с соблюдением мер безопасности.

Читайте также: «Термическая сварка»

Плюсы диффузионного метода:

• соединение различных металлов, и толщина заготовок тоже может сильно отличаться;
• отсутствие необходимости последующей обработки шва;
• сравнительно небольшой расход энергии.

Однако для такой сварки нужно специальное оборудование, включая вакуумную камеру, и соответствующая квалификация сварщика.

Читайте также: «Прямая и обратная полярность при сварке: как правильно выбирать»

Достоинства соединения контактным способом:

• получение прочного и аккуратного шва;
• нет необходимости в присадочных материалах;
• высокая производительность.

Впрочем, данный метод требует мощного источника электроэнергии, что делает его достаточно затратным.

Таким образом, сварка под давлением имеет существенные отличия от классического соединения металлов путем плавления, и в ряде случаев она демонстрирует лучшие результаты при меньших затратах энергии и простоте технических решений.