|
Сварка ' широко применяется в
сборочных операциях для создания неразъемных соединений. Неразъемные
соединения в процессе сварки образуются посредством установления межатомных
связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве,
пластическом деформировании или совместном действии того и другого. Связи
элементарных частиц и молекул могут быть ковалентными, ионными, молекулярными
и металлическими.
Ковалентные и ионные связи по природе являются химическими
и возникают в процессе сварки неметаллов с металлами. Молекулярные связи —
наиболее слабые, они устанавливаются при сварке пластмасс.
Металлические связи характерны для кристаллических тел, в
частности для металлов.
В основу классификации сварки положены физические,
технические и технологические признаки (ГОСТ 19521—74). По физическим
признакам (в зависимости от формы энергии, применяемой для образования
сварного соединения) все виды сварки делятся на три класса: термический,
термомеханический и механический. Источник энергии, используемый для
получения сварного соединения, определяет вид сварки (табл. 3.1)«
Термический класс включает виды сварки, производимой на
основе тепловой энергии, получаемой преобразованием электрической или'
химической энергии. Все виды сварки термического класса являются сваркой
плавлением, так как свариваемые поверхности металлов здесь нагреваются до
температуры плавления.
Для термомеханического класса сварки характерно
использование различных источников для нагрева cq« единяемых частей. Однако
для образования сварного соединения кроме тепловой энергии необходимо
приложение внешнего давления. Сварные соединения образуются пластическим
деформированием металла сварива* емых поверхностей.
Механический класс включает виды сварки, которые
осуществляются с применением механической энергии и давления.
Все виды сварки классифицированы по техническим признакам,
т. е. по способам защиты металла в зоне сварки, непрерывности процесса и
степени механизации. Каждый вид сварки имеет также классификацию по
технологическим признакам.
Классификация сварки
Холодная сварка — один из наиболее простых способов
получения неразъемного соединения металлов. Соединение металлов при холодной
сварке про-' исходит вследствие совместного деформирования свари* ваемых
частей без внешнего нагрева их. Холодная свар-»: ка металлов возможна при
отрицательных температур pax, вплоть до температуры жидкого азота.
Величина (степень) пластической деформации определяет
возможность получения неразъемного соединения и, по существу, является
основой холодной сварки. Пластическая деформация металла при холодной сварке
возникает в месте соединения под действием сил, вызванных усилием осадки Р.
Усилие осадки Р направлено нормально к поверхности соединения, а
пластическая деформация е — параллельно. Образование соединения на
контактирующих поверхностях возможно только при достижении некоторой
критической степени (пороговое значение) деформации П, Если степень
деформации превышает пороговое значение П и при этом прочность соединения
достигает прочности основного металла, то образование соединения происходит
по всей площади контактирования.
Холодной сварке поддаются металлы и сплавы, обладающие
высокой пластичностью. Перспективно применение холодной сварки для соединения
разнородных металлов. При этом возможно использование прокладок и покрытий из
пластичных металлов, например алюминия, меди, никеля.
Холодной сваркой выполняют стыковые, нахлесточ- ные и
тавровые соединения. Перед сваркой с поверхностей деталей устраняют крупные
неровности, мелкие удалять не обязательно. Для подготовки поверхностей
используют вращающиеся с частотой 1500—3000 об/мин проволочные щетки
диаметром 100—200 мм с диаметром проволочек 0,2...0,3 мм. Детали из меди и других
сплавов обрабатывают нанесением слоя никеля тол
щиной 6..Л0, мкм электролитическим или химическим
способом. Не рекомендуется обрабатывать поверхности рбразивами, применять
химическое травление деталей, гак как это ухудшает развитие пластической
деформдии.
Основными достоинствами холодной сварки являются
отсутствие плавления металла в зоне сварки, малые затраты энергии, высокая
производительность, хорошая свариваемость пластичных материалов, простота,
надежность и портативность оборудования.
Диффузионная сварка является одним из видов сварки
давлением. Она осуществляется благодаря взаимной диффузии атомов соединяемых
поверхностей при относительно длительном воздействии повышенной температуры и
незначительной пластической деформации. Соединяемые поверхности давлением
сближаются на расстояние действия межатомных сил. Нагрев металла до
относительно невысоких температур приводит к уменьшению сопротивления его
пластическим деформациям.
Схема процесса диффузионной сварки может быть представлена
в следующей последовательности: образо* вание физического контакта между
поверхностями; об* разование химических связей, т. е. химическое взаимо*
действие; объемное развитие взаимодействия в контакта ной зоне,
характеризующееся диффузионными процесс сами
Диффузионную сварку проводят в специальных установках. В
вакуумной камере 1, охлаждаемой проточной водой от магистрали через вентиль
2% размещают свариваемые детали в. С помощью вакуумных насосов 3 в камере
создается разрежение l(h2...10~5 мм рт. ст. После откачки воздуха из камеры
детали нагревают с помощью индуктора, питаемого от высокочастотного
генератора 4. Усилие сдавливания деталей обеспечивается гидросистемой
Основным достоинством диффузионной сварки является
возможность получения высококачественных соединений без ограничения
соотношения толщин различных металлов и сплавов, а также соединений металлов
с неметаллическими материалами.
Сварка взрывом. Схема сварки двух пластин взрывом
представлена на 3,17. Одну из пластин 4 неподвижно устанавливают на
основании 5, а вторую пластину 3— над ней на высоте h от ее поверхности.
Заряд 2 взрывчатых веществ (ВВ) укладывают на поверхность пластины 3 слоем
толщиной Н и взрывают электродетонатором 1. В результате вдоль слоя ВВ
возникает плоская детонационная волна. Продукты взрыва (окись углерода,
водяной пар, окислы азота и др.) сначала сохраняют свой объем, а затем при
расширении разлетаются в стороны по нормалям к свободным поверхностям заряда.
Детонационная ролна, имеющая высокую скорость и давление, сообщает участку
металла пластины 3 скорость соударения, с которой последняя движется к
неподвижной пластине 4.
Широкое применение сварки взрывом объясняется рядом
достоинств: за короткое время (10~5...10~6 с) можно сваривать соединения
неограниченной площади; соединять однородные и разнородные металлы,
биметаллы, волокнистые, композиционные материалы; получать монолитные металлы
из порошков.
Ультразвуковая сварка используется для соединения тонких
пленок с проводниками; тонких листов фольги с деталями неограниченной
толщины; пакетов из фольги; синтетических тканей; пластмассы с металлами.
Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что-неразъемное
соединение образуется при совместном воздействии на детали упругих колебаний
ультразвуковой частоты и относительно небольшого давления. Схема
ультразвуковой сварки металлов продольными колебаниями показана на
3.18.
Электрические колебания ультразвуковой частоты 22—28 кГц,
вырабатываемые генератором, подаются на обмотку возбуждения 7, С помощью
магнитострикцион-
ного преобразователя 1 они преобразуются в механические
колебания волновода 2, сварочного инструмента 4 и вводятся в свариваемые
детали 5. Для стабильного ввода механических колебаний в зону сварки и
тесного контакта между нагретыми поверхностями соединяемые детали сдавливаются
специальным устройством 3 с определенным усилием Р между сварочным
инструментом 4 и опорой 6.
Дуговая плазменная сварка. Для получения плазменной струи
используют специальные устройства. При сварке плазменной струей прямого
действия изделие включается в сварочную цепь дуги, а при сварке струей
косвенного действия оно является независимым элементом. При втором способе
можно производить и другие виды обработки; напыление, пайку, термообработку.
Для получения плазменной струи прямого действия в горелку
или плазмотрон подается поток плазмообра- зующего газа 3. Зажигание
вспомогательной дуги между вольфрамовым электродом 2 и соплом 4
осуществляется при помощи высокочастотного генератора переменного тока
небольшой мощности U при этом ток вспомогательной дуги ограничивается
сопротивлением 7. Затем возбуждается основная — рабочая дуга между
вольфрамовым электродом 2 и изделием 6. Сжатая дуга 5 — плазменная струя —
образуется в сопле при обдуваний потоком газа.
В качестве плазмообразующих газов используют аргон,гелий,
азот, воДород„ смеси этих газов
Лазерная сварка. Принцип действия импульсного оптического
квантового генератора (лазера) на твердом излучателе показан на 3.20,
ОКГ состоит из активного элемента — кристалла рубина 6 с резонатором и
системы оптической накачки 5. Для усиления излучения из -активного элемента
его помещают между двумя зеркалами 4 и Р, которые совместно со стержнем
образуют резонатор. Для исключения запыления зеркал
предусмотрены защитные стекла 3 и 10. Под воздействием
света импульсной лампы 7, которая работает при разряде на нее батареи
конденсаторов, атомы рубина переходят в возбужденное состояние. В таком
состоянии он способен усиливать и генерировать свет определенной длины волны.
Благодаря отражению от зеркал резонатора и многократному прохождению
излучения через стержень рубина мощность светового потока значительно
увеличивается, достигая нескольких киловатт, при длительности импульса
0,003...0,003 с. Количество энергии, выделяемой в фокальном пятне нагрева,
можно регулировать изменением диаметра светового пучка диафрагмой 8 и
длительностью его воздействия на материал, а площадь самого пятна нагрева —
перемещением линзы 11. Свариваемые детали устанавливаю? на рабочий стрлик 15
в плоскости, где наблюдаются наименьшие поперечные размеры пучка. За
свариваемыми дета
лями, освещенными двумя лампочками 14у наблюдают через
окуляр 17, зеркало' 12 и объектив 13. Сетка 16 устанавливается в фокальной
плоскости окуляра и служит для оценки размеров зоны проплавления.
Электронно - лучевая сварка заключается в использовании
кинетической энергии электронов, быстро движущихся в вакууме. При
бомбардировке электронами поверхности металла большая часть кинетической
энергии превращается в тепловую. Электронный пучок образуется за счет эмиссии
электронов с термокатода, который нагревается до температуры 1873... 2273 К
(1600...2000 °С). Катоды изготавливаются в виде спирали, пластинки или
таблетки из вольфрама, тантала, гексаборида . лантана.
Принципиальная схема формирования электронного пучка для
сварки приведена на 3.21. Электронный пу^ок 3 образуется в электронной
пушке, имеющей катод 1, который нагревается до высоких температур. Па
некотором расстоянии от катода расположен ускоряющий электрод (анод)4. Катод
расположен внутри прикатодного электрода 2. Для обеспечения свободного
перемещения электронов от катода к аноду и далее к свариваемому изделию 7, а
также с целью создания тепловой и химической изоляции катода и предотвращения
возникновения дугового разряда в пушке и камере установки создается глубокий
вакуум.
Электронно-лучевую сварку применяют для соединения как
малогабаритных, так и крупногабаритных изделий в различных отраслях
машиностроения.
Пайка — способ образования соединений в результате
смачивания твердых поверхностей более легкоплавким расплавленным (жидким)
металлом — припоем. При смачивании происходит установление межатомных связей
между соединяемыми деталями и расплавленным припоем. Конечная стадия пайки
характеризуется диффузионными процессами, протекающими между припоем и
поверхностями соединяемых металлов.
Схематично структуру паяного соединения можно представить
состоящей из трех зон: припой, паяемый металл, зоны взаимодействия припоя и
паяемого металла (диффузионные зоны).
В диффузионных зонах происходит взаимопроникновение элементов
припоя и паяемого металла. В зависимости от их свойств и особенностей
взаимодействия в этих зонах могут образовываться твердые растворы переменной
концентрации или прослойки химических соединений.
Пайка классифицируется по различным признакам: по
механизму образования соединения, по виду источников нагрева, по методу
удаления окисной пленки и др. По механизму образования соединений она
разделяется на пайку готовым припоем, контактно-реактивную,
реактивно-флюсовую, металлокерамическую и диффузионную.
Пайка готовым припоем — обычная капиллярная пайка, при
которой припой после расплавления под действием капиллярных сил затекает в
зазор.
Контактно-реактивная пайка основана на получении жидкого
припоя в результате плавления двух разнородных металлов, образующих сплавы с
более низкой температурой плавления по сравнению с температурой плавления
соединяемых металлов. Контактное плавление может также протекать между
паяемыми металлами и покрытиями, нанесенными на них, или промежуточными
тонкими прослойками, введенными непосредственно в зазор. При контактном
плавлении детали нагревают под небольшим давлением.
Реактивно-флюсовая пайка предполагает образование припоя в
результате химической реакции между паяемыми металлами и компонентами,
входящими в состав флюса.
Металлокерамическая пайка выполняется с помощью порошковых
припоев, способных заполнять большие зазоры. Порошковый припой состоит из
тугоплавкой основы (наполнителя), близкой по составу к паяемому металлу, и
легкоплавкой составляющей, обеспечивающей смачивание частиц наполнителя и
соединяемых поверхностей.
Диффузионная пайка основана на процессах взаимодействия
элементов паяемого металла и припоя при кристаллизации паяного шва в ходе
выдержки при постоянной температуре.
С помощью пайки ведут сборку различных типов соединений:
нахлесточных, стыковых, тавровых, телеско1 пических и др.
Элементами паяного соединения являются: зазор — расстояние
между соединяемыми поверхностями до пайки; галтель —валик припоя вокруг
паяного соединения, образуемый после пайки; паяный шов — расстояние между
паяными поверхностями, заполненное припоем.
Технологический процесс пайки включает следующие основные
операции: подготовка поверхностей, сборка деталей, укладка припоя и иногда
нанесение _ флюса, собственно пайка (нагрев места соединения или общий нагрев
собранных деталей), обработка деталей после пайки (удаление флюса и др.).
Припой — чистый металл или сплав, вводимый в зазор между
соединяемыми поверхностями, отличающийся по составу от паяемых металлов
(материалов), имеющий более низкую по сравнению с ними температуру плавления.
Для низкотемпературной пайки в основном используются
припои на основе сплавов олово-свинец. Если к ним добавить висмут, кадмий,
индий, галлий и другие металлы, то можно получить легкоплавкие припои, обладающие
специальными свойствами и низкой температурой плавления, составляющей
343...423 К (70..Л50°С). Они применяются для пайки со снижением температуры
нагрева (полупроводниковые приборы), для ступенчатой пайки и др. Припои
специального назначения имеют добавки серебра, сурьмы, меди.
Ф л ю с ы — химические вещества, используемые для
предотвращения образования окисной пленки при нагреве в процессе пайки, а
также снижения поверхностного натяжения припоя.
К флюсам предъявляются следующие требования: высокая
жидкотекучесть, сохранение стабильности химического состава и активности в
интервале температур плавления припоя, отсутствие химического взаимодействия
с паяемым металлом и припоем, легкость удаления остатков флюса (продуктов его
взаимодействия с окисной пленкой) промывкой или испарением. Температура
плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя, а плотность —
меньше плотности припоя.
В зависимости от температурного интервала активности флюсы
разделяются на низкотемпературные с температурой плавления <723 К (450 °С)
и высокотемпературное с температурой плавления >723 К (450РС). По своему
физическому состоянию флюсы могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Низкотемпературные флюсы по химическому составу и активности разделяются на
бескислотные, активированные и кислотные.
Специальные методы пайки. Пайка монтажных соединений при
помощи паяльника пока остается наиболее распространенной, Однако
производительность ее явно недостаточна. Высокопроизводительной является
низкотемпературная пайка погружением в расплавленный припой.
Пайку погружением выполняют на специальных установках, в
которых смонтированы ванны с флюсом и припоем. Очищенные и обезжиренные
детали погружают сначала в ванну с флюсом, а затем в ванну с расплавленным
припоем, после чего их вынимают и охлаждают до комнатной температуры.
Температуру расплавленного припоя поддерживают на заданном уровне при помощи
термопары, введенной в ванну с расплавленным припоем. Этот процесс широко
применяют в радиотехнике и электронике для пайки печатных плат. Схема пайки
погружением показана на 3.22.
Пайка в вакууме, нейтральной и активной газовых средах
широко распространена в условиях серийного производства и обладает высокой
экономичностью.
В качестве активной газовой среды применяют водород и
диссоциированный аммиак.
Схемы -пайки в вакууме, нейтральной и активной газовых
средах показаны на 3.23...3.25.
Пайка световым и электронным лучом основана на
использовании различных видов световой энергии, образуемой кварцевыми лампами
(инфракрасное излучение), ксеноновыми лампами высокого давления и лазером.
Достоинством световых источников энергии является возможность бесконтактного
нагрева (нагрева через прозрачные окна или оболочки в камерах с различными
средами, в вакууме различной степени разрежения)/
Нагрев кварцевыми лампами применяют для пайки при
температуре 1273 К (1000 °С). Лампа представляет собой трубку из кварца
диаметром 10...12 мм, внутри которой в вакууме находится вольфрамовая
спираль. Свет от кварцевой лампы с помощью экрана отражателя концентрируется
на нагреваемом объекте ( 3.26). Пайка электронным лучом проводится на
электронно-лучевых установках, в камерах которых создается разрежение
1.10-4..Л.10-5 мм
рт. ст., что обеспечивает защиту от окисления и высокое качество пайки.
Для возбуждения в припое ультразвуковых колебаний
применяют магнитострикционные преобразователи, механически связанные с жалом
паяльника или дном ванны (в случае проведения процесса в ванне с
расплавленным припоем). Под действием переменного магнитного поля длина стержня
такого преобразователя изменяется, и его торцы становятся излучателями
ультразвуковых колебаний с частотой от 15 до 100 кГц. В жидком припое
колебания создают чередующиеся области высоких и низких давлений, т. е.
области сжатия и разряжения, представляющие собой мельчайшие пузырьки паров и
газов. При смыкании пузырьков возникает кавитационная эрозия, приводящая к
разрушению окисной пленки, и чистая поверхность легко смачивается припоем.
Схема пайки и лужения при помощи ультразвукового паяльника показана на
3.27.
Пайка горячим газом исключает возможность перегрева
деталей. Газ (воздух, аргон, азот, гелий, водород) проходит через спиральный
нагреватель и подается к месту пайки. Нейтральные газовые среды способствуют
малой окисляемости поверхности, что снижает требования к флюсованию.
|