Холодная сварка металлов реферат

Обновлено: 04.07.2024


1 чел. помогло.

Сварка

Холодная сварка - это процесс получения не­разъемного соединения в результате пластической деформации двух деталей (металлостеклянный корпус). При сближении свариваемых деталей на расстоя­ние действия межатомных сил между поверхностными атомами образуются металлические связи. Степень деформации сваривае­мых деталей должна быть 75—85 %, т.е. их суммарная толщина после сварки составляет 15—25% от первоначальной. Усилие сжатия при холодной сварке зависит от пластичности материалов соединяемых деталей и контактной площади рабочего инстру­мента (пуансона), обычно выполняемого из инструменталь­ной стали Х12, ХВГ, ШХ13 или твердого сплава ВК20. Так, для соединения деталей из меди МБ или М1 удельное давление должно быть 1500—1800 Н/мм 2 , а деталей из меди с коваровыми, стальными или из сплава 47НД составлять 2000—2500 Н/мм 2 . В зависимости от свойств свариваемых материалов приме­няют дву- или одностороннюю холодную сварку. Двусторонней соединяют детали из материалов примерно одинаковой пластичности, а односторонней — различной пластичности. Причем в первом случае (рис. 2) пуансоны одновременно деформируют фланцы крышки и корпуса и поэтому во избежание подрезки более пластичного фланца крышки воздействующий на него верхний пуансон должен иметь плоскую широкую торцевую поверхность. Холодная сварка проста, доступна и применяется в основном для герметизации металлостеклянных корпусов транзисторов и диодов средней и большой мощности, а также корпусов ИМС из металлов, обладающий высокой теплопроводностью.

Специфическим условием получения качественного герметичного соединения является высокая пластичность материала, по крайней мере одной из соединяемых деталей. Обычно баллон выполняют из меди Ml, а ножку - из ковара, обеспечивающего хорошее согласование ТКЛР со стеклян­ными изоляторами коваровых выводов. Поскольку холодная сварка связана со значи­тельной деформацией (относительная деформация до 80%), толщина соединяемых де­талей должна быть не менее 0,3 мм, а на ножке должна выполняться защитная канавка, разгружающая хрупкие стеклянные изоляторы. Коваровую ножку делают достаточно толстой (1 мм), чтобы обеспечить необходимую прочность и герметичность стеклян­ных изоляторов.

Важным условием получения качественного шва является чистота и отсутствие окислов на соединяемых поверхностях. Целесообразно медный баллон предварительно никелировать. В процессе сдавливания хрупкая никелевая плёнка разрушается, обнажая чистую поверхность меди,


П
роцесс может быть выполнен, например, на полуавтомате И020.0007/Т. Полу­автомат позволяет осуществлять холодную сварку корпусов диаметром до 20 мм в контролируемой среде. Сварка производится подвижным верхним и неподвижным ниж­ним пуансонами. Усилие для сварки (до 1000 кГ) создается гидравлическим цилиндром с максимальным рабочим давлением 50 ат. Загрузку деталей в гнезда 12-позиционной карусели выполняют вручную, выгрузку сваренных изделий - автоматически. Для соз­дания нейтральной среды в зоне сварки полуавтомат снабжен герметичным колпаком. Производительность полуавтомата 600 - 900 шт/ч.

^ Рис 2. Односторонняя холодная сварка корпуса ИМС.

1,4 – верхний и нижний пуансоны, 2,3 – крышка и основание корпуса

Электроконтактная конденсаторная сварка (ЭКС) - это процесс получения неразъемного соединения нагревом свариваемых кромок до пластичного состояния и последующим их сжатием (осадкой). Для нагрева свариваемых кромок через них пропускают электрический ток. При этом количество необходимой теплоты можно определить по следующей формуле (закон Джоуля—Ленца): а = 0,241 2 Кt (где / — сварочный ток; К - сопротивление участка цепи в месте контакта; t- время действия тока). Кроме сварочного тока, который обычно составляет несколько десятков тысяч ампер, и длительности его прохождения, основным параметром электроконтактной сварки является: усилие сжатия электродов, которое в зависимости от свариваемых материалов составляет 1-20 кН. Монолитные электроды изготовляют из бронзы БрБ2, БрХБ или БрНБТ, основание; комбинированных — из меди М1, М2 или МЗ, а рабочую часть из сплава ВМ.

Наиболее распространена электроконтактная сварка неподвижными электродами, при которой соединяемые детали устанавливают в специальное гнездо нижнего электрода, а верхний электрод при опускании центрирует их и сжимает с удельным давлением 50—100 Н/мм 2 . При роликовой электроконтактной сварке соединяемые детали перемещаются между двумя вра­щающимися роликами.

Электроконтактной сваркой чаще всего герметизируют корпуса п/п приборов и микросхем круглой и прямоугольной формы со штыревыми выводами.

Для герметизации ИМС широко используют корпуса с бо­ковыми выводами и стеклянными или керамическими изоля­торами, расположенными непосредственно под зоной гермети­зации или вблизи нее. Так как при этом герметизация сваркой давлением невозможна, применяют ультразвуковую, электрон­но-лучевую или лазерную сварку, а также аргонно-дуговую.

ЭКС допускает соединение тонко­стенных (0,15 мм) баллона и ножки, получаемых штамповкой. В круглом металлостеклянном корпусе прочность и герметичность выводов увеличены за счет за­полнения стеклом полой тонкостенной коваровой ножки. Глубоко расположенный сварной шов исключает возможность выплескивания металла внутрь корпуса. Матери­ал ножки - ковар, баллона - ковар, никель, сталь 10 (с защитным покрытием).

Полуавтоматическая установка конденсаторной сварки УКС-4100 позволяет осуществлять герметизацию круглых корпусов в защитной атмосфере гелия (расход 10 л/мин). Загрузку деталей выполняют вручную, остальные операции - автоматически. Диапазон усилия сжатия электродов 50—350 кГ. Производительность установки 500 шт/ч.

Методом конденсаторной сварки герметизируют также металлостеклянные кор­пуса квадратной и прямоугольной формы.


П
ри аргонно-дуговой сварке, кото­рая является одним из видов электродуговой, аргон, обтекаю­щий электрод и зону соединения, предохраняет расплавленный металл от воздействия кислорода и азота воздуха. Неплавящий­ся вольфрамовый электрод служит для возбуждения и поддер­жания горения дуги. При герметизации этим способом (рис. 3) кромки крышки и основания корпуса микросхемы под воздей­ствием теплоты электрической дуги оплавляются с образова­нием сварочной ванны. Охлаждаясь, металл в месте сварки крис­таллизуется, и образуется сварочный шов. Основное преимуще­ство аргонно-дуговой сварки — возможность местного (локаль­ного) нагрева деталей, а недостаток — повышенные требования к точности их совмещения и изготовления оснастки. Аргонно-дуговой сваркой герметизируют металлостеклянные корпуса со штыревыми выводами, когда периметр соединения больше 50 мкм, а суммарная толщина фланцев 0,2-0,6 мм.

^ Рис 3. Взаимное расположение электрода и корпуса ИМС при аргонно-дуговой сварке

1-электрод, 2-сопло, 3,5-теплоотводы крышки и основания, корпус микросхемы, 6-плита

При микроплазменной сварке, которая является разновидностью аргонно-дуговой, локализа­ция и стабилизация плазменного луча достигается с помощью сопла 2 с диаметром выходного отверстия менее 1 мм. Так как возбуждение дугового разряда между электродом 1 и свариваемым изделием (фланцы корпуса 7 микросхемы) через узкое сопло невозможно, вначале возбуждают вспомогательную дугу; между электродом 1 и соплом 2,включенным через токоограничительный резистор. Образующаяся при этом низкотемпературная плазма (10 000 К) возбуждает новую дугу между электродом и изделием. При одинаковых полярностях потенциалов изделия и сопла и электрода вспомогательный разряд шунтируется и гаснет. Установка микроплазменной сварки МПУ4 может работать; как в непрерывном, так и импульсном режимах постоянного тока. Ток основной дуги сос­тавляет 1,5-30 А, ток вспомогательной - до 6 А. Плазмообразующим и защитным газом чаще всего служит аргон.


П
ри корпусной герметизации применяют также пайку припоями и стеклом.

^ Рис 4. Микроплазменная горелка.

1-элетрод, 2-сопло, 3,5-плазмообразующий и защитный газы, 4-корпус плазмотрона, 6-теплоотвод, 7-фланцы корпуса ИМС.

Термокомпрессионная сварка представляет собой сварку давлением с подог­ревом. Необходимое давление прикладывают к инструменту (рис. 5), а рабочая тем­пература обеспечивается нагревом либо инструмента, либо рабочего стола с изделием, либо того и другого одновременно. Рабочая температура поддерживается постоянной в течение всего времени работы установки.

Пластические, деформации, возникающие в зоне контакта соединяемых деталей, способствуют вытеснению адсорбированных газов и загрязнений. В результате обна­жения чистых поверхностей становится возможным электронное взаимодействие со­единяемых материалов (образование межатомных связей). Получению прочного соеди­нения способствует также ограниченная взаимная диффузия материалов и образование твердого раствора в тонкой приграничной области.

Во избежание разрушения соединения вследствие остаточных напряжений мате­риал проволоки должен быть пластичным. С этой целью проволоку предварительно подвергают рекристаллизационному отжигу.

Наилучшей свариваемостью обладают пары Ag - Аu и Аu - Сu, так как им при­суща высокая взаимная диффузия. При сварке Аи и А1 взаимная диффузия приводит к образованию интерметаллических соединений, некоторые из которых обладают хрупкостью или рыхлостью. Удовлетворительной сварки не уда­ется достичь на кремниевых подложках вследствие каталитического влияния кремния.

Термокомпрессионную сварку выполняют при невысоких удельных давлениях и температурах. Поэтому для получения больших пластических деформаций диаметр вы­вода не должен превышать 100 -130 мкм. Важным условием выполнения качественно­го соединения является тщательная подготовка поверхности соединяемых деталей (травление, обезжиривание), а также защита их от окисления в процессе сварки (применение защитной среды азота, аргона, и т.д.).

Тип термокомпрессионного соединения (форма и размеры деформируемого уча­стка вывода) зависит от размеров и конструкции инструмента. Возможны два основных типа соединения: внахлестку и встык.



^ Рис. 5. Образование проволочных перемычек при

термокомпрессионной сварке капиллярным инструментом:

1 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 2 - сварка первой точки; 3 - совмещение проволоки и инструмента с контактной площадкой; 4 - сварка второй точки; 5 - обрезка проволоки.

На рис. 5. показана последовательность образования проволочной перемычки между контактной площадкой и внешним выводом корпуса при использовании капил­лярного инструмента для соединения внахлестку (рис 5 а) и встык (рис. 5 б). Во втором случае обрезка проволоки (электричкой дугой или газовой горелкой) сопровож­дается образованием шарика.

Соединения внахлестку (рис. 5а) реализуют, например, на установке ЭМ-407. Рабочий стол (он же нагреватель) имеет перемещение в горизонтальной плоскости в пределах 15x15 мм. Перед сваркой обе контактные площадки выставляют параллель­но линии перекрестия окуляра микроскопа. Точность совмещения инструмента с кон­тактной площадкой ± 3 мкм. Температура нагрева рабочей зоны до 400 ± 5°С. Величина давления 20 -180 г., во время выдержки при сварке 1 -10 с. Подъем инструмента после окончания выдержки - автоматический. При втором подъеме инструмента производит­ся обрыв проволоки.

На установке ЭМ-405 соединения выполняют методом свалки встык (рис. 5б). После сварки вывод отрезают ножницами. Оплавление шарика (диаметр 0,1-0,12) на конце проволоки, выходящей из инструмента, производится электрической дугой. Спе­циальный механизм обеспечивает автоматическое подтягивание проволоки с шариком к торцу инструмента при его опускании. Первую сварную точку выполняют встык, вто­рую - внахлестку. Длина проволочной перемычки (регулируемая) в пределах 3-8 мм.



—

Рис. 6. Схема термокомпрессионной сварки с подогревом инструмента: 1 - рабочий стол, 2 - под­ложка с тонкой пленкой, 3 - инструмент с нагревателем, 4 - проволочный проводник.

^ Сварка давлением с косвенным импульсным нагревом (СКИП) отличается от компрессионной сварки тем, что разогрев рабочей зоны осуществляется только в мо­мент сварки импульсом тока, проходящего непосредственно через инструмент. Благодаря этому имеется возможность получить более высокий локальный нагрев проводни­ка и, следовательно, сваривать малопластичные материалы. СКИН обладает более ши­рокими технологическими возможностями и позволяет получать качественные соеди­нения золотых, алюминиевых и медных проводников (диаметром до 100 мкм) с плёнками многих материалов.

Для выполнения СКИН инструмент должен иметь V-образную форму; причем максимальная температура должна быть на рабочем торце. Для нагрева инструмента может быть использован импульс постоянного или переменного тока. Для смягчения термоудара на пленочную контактную площадку целесообразен сопутст­вующий подогрев изделия (т. е. рабочего стола).

В отличие от термокомпрессии процесс взаимной диффузии при СКИН играет более существенную роль в образовании соединения. При выполнении СКИН в начале прикладывается давление. Затем через инструмент подается импульс тока длительно­стью от 0,01 до нескольких секунд. Под действием температуры торца инструмента происходит локальный разогрев проволоки, уменьшение предела пластичности, осадка проволоки и соединение. При соединении, например, алюминиевой проволоки с алю­миниевой, золотой и медной пленкой температура в зоне сварки должна составлять со­ответственно 400, 490 и 560°С.

^ Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом является разновидностью контактной точечной электросварки, приспособленной к особенностям соединений в микросхемах. Малые площади соединений и малая толщина пленок требуют локализа­ции нагрева при одностороннем расположении электродов. Инструмент (рис.8) представляет собой два электрода с шириной рабочей части (торца) каждого электрода 0,1 мм, разделенных изолирующей прослойкой толщиной порядка 0,05 мм.


^ Рис. 7. Схема сварки давлением с косвенным импульсным нагревом


Рис. 8. Схема сварки сдвоенным электродом


  1. соединение в твердой фазе в результате рекристаллизации соединяемых материа­лов и прорастания зерен через поверхность раздела;

  2. соединение ниже температуры рекристаллизации за счет электронного взаимо­действия и атомного сцепления;

  3. соединение в жидкой фазе в результате расплавления.


^ Рис. 9. Схема ультразвуковой сварки с косвенным импульсным нагревом

Ультразвуковая сварка является разновидностью сварки давлением (холод­ной или с косвенным нагревом).

Ультразвуковые колебания возбуждаются в магнитострикционном преобразо­вателе и с помощью волновода (концентратора), служащего для увели­чения амплитуды, и сварочного инструмента передаются свариваемым деталям. Энер­гия колебаний преобразуется в сложные напряжения растяжения, сжатия и среза. При превышении предела упругости материала в зоне контакта возникают пластические деформации, и плёнка окисла разрушается, обнажая чистую поверхность. При этом ма­териалы схватываются за счет электронного взаимодействия.

Косвенный нагрев инструмента облегчает пластические деформации и улучшает качество соединения. Вначале осуществляется сдавливание соединяемых деталей, да­лее пропускается импульс тока через инструмент, а затем (или одновременно) создают­ся ультразвуковые колебания.

К преимуществам ультразвуковой сварки можно отнести: невысокую температу­ру в зоне контакта, возможность соединения трудносвариваемых разнородных мате­риалов (и даже диэлектриков) и невысокие требования к состоянию поверхности.

Ограничением метода является требование высокой пластичности материала проводника, так как деформация должна достигать 50 - 60%. Удельные давления долж­ны составлять несколько килограммов на 1 мм 2 .

Основными параметрами процесса являются амплитуда колебаний (порядка 5 -10 мкм при частоте 40 - 60 кГц) и удельное давление. Время сварки должно быть опти­мальным: при малом времени физический контакт соединяемых поверхностей может оказаться малым, при большом времени наблюдается разрушение узлов схватывания.

В табл.2 приводятся данные по выбору метода соединения проволочных про­водников с тонкопленочными контактными площадками.

^ Роликовой сваркой можно сваривать корпуса большого размера и любой конфигурации. Одним из вариантов корпуса является сварка плоских корпусов двумя роликами, которые прокатываются по одной поверхности на небольшом расстоянии друг от друга. В этом случае сварка ведется по принципу односторонней контактной сварки с параллельным расположением электродов (роликов).

^ Электроннолучевая сварка для герметизации стала применять недавно и не нашла еще широкого распространения. Однако этот способ будет, безусловно, широко применяться благодаря ряду преимуществ перед другими способами герметизации.

Обычно при электроннолучевой сварке малых толщин зазор должен быть минимальным, так, при сварке деталей толщиной 0,3 мм зазор должен быть не менее 0,02 мм. Для уменьшения допусков на размеры зазора и воздействия сварки на металлостеклянные спаи необходимо разрабатывать специальную конструкцию корпусов и подготовку кромок. Наиболее рациональная форма кромок корпуса под сварку приведена на рис.9.1. При такой форме соединение происходит за счет взаимного расплавления металла крышки и основания. Глубина проплавления может достигать 0,5 мм, что обеспечивает герметичность изделия.


Рис 9.1. Форма кромок металлостеклянного корпуса под электроннолучевую сварку

В начале 40-х годов XX в. некоторые исследователи утверждали, что причиной образования цельнометаллического соединения при холодной сварке является рекристаллизация металла. Они считали, что при значительных деформациях температура рекристаллизации снижается, а выделяемое при этом тепло достаточно для нагрева металла до этой температуры. Однако такие утверждения оказались несостоятельными, так как предложенная теория не в состоянии была объяснить целый ряд явлений, например, такие как теплоотвод из зоны контакта, а также время рекристаллизации.

В настоящее время принято следующее объяснение механизма образования соединения при холодной сварке. При сближении свариваемых поверхностей металлических деталей между ними возникают незначительные по величине гравитационные и межмолекулярные силы, однако их совершенно недостаточно для получения прочных связей. При сближении двух поверхностей происходит и поляризация электронов, так как известно, что металлы представляют собой конгломерат из ионов, находящихся в углах кристаллической решётки, и взаимодействие электронов с ионами создаёт связи между атомами металла и, таким образом, монолитное соединение между деталями.

Холодная сварка возможна лишь для тех металлов, которые имеют высокую пластичность, покрытые твёрдой и хрупкой плёнкой, и при деформировании таких металлов хрупкая плёнка разрушается, вытесняется из зоны контакта, освобождая чистую металлическую поверхность двух соединяемых деталей.

В зависимости от отношения твёрдости окисла к твёрдости металла, степень деформации, необходимая для получения прочного соединения, будет различна (табл. 1.1).

Критерии свариваемости пластичных металлов


Металл

Пластическая
деформация, %

Отношение твердости окисла
к твердости металла

Алюминий

60

4,5

Кадмий

84

1,5

Свинец

84

1,33

Медь

86

1,3

Никель

89

1,1

То есть основным критерием осуществления холодной сварки металлов является его пластичность и отношение твёрдости окисла и твёрдости металла. Органические вещества весьма эластичны и практически при любых деформациях не теряют сплошности, тем самым исключают возможность получения сварного соединения.

Подготовка деталей к холодной сварке. Основной целью предварительной подготовки деталей является наиболее тщательное освобождение соприкасающихся поверхностей свариваемых деталей от плёнок окислов и органических веществ, а оксидные плёнки разрушаются непосредственно при сварке. При этом лучшие результаты даёт механическая очистка вращающейся стальной щёткой. Химическое обезжиривание деталей не всегда даёт положительные результаты. При сварке алюминиевых деталей можно применять подготовку прокаливанием при температуре 350–400 єС и свободном доступе воздуха (для полного выжигания адсорбированных на поверхности деталей органических плёнок).

Очищенные стальной щёткой, а также подготовленные прокаливанием детали не должны загрязняться. Даже незначительные загрязнения (отпечаток пальцев) могут сделать холодную сварку невозможной. Медные детали могут быть подготовлены к холодной сварке гальваническим никелированием. Никелированные детали необходимо предохранять от загрязнения. Перед сваркой поверхности этих деталей следует протирать чистой сухой ветошью. Хромировать детали с целью подготовки их к холодной сварке нецелесообразно, так как при сварке они дают заниженную прочность соединения.

Технологические схемы сварки. С помощью холодной сварки можно осуществлять соединения внахлёстку, встык и втавр.

При сварке внахлёстку применяются следующие схемы: сварка без предварительного зажатия деталей и сварка с предварительным зажатием деталей.

Недостатком при сварке без предварительного зажатия является то, что может происходить коробление деталей, т. е. рабочие выступы пуансона вдавливаются в металл и вызывают его течение. Без предварительного нажатия можно сваривать лишь детали малых толщин до 4 мм.


Рис. 1.1. Схемы холодной сварки:

а – одностороннее деформирование; б – двухстороннее деформирование;

в – двухстороннее (пуансоны с заплечиками);
г – двухстороннее с периферийной зоной обжатия
При сварке с предварительным зажимом прочность на 20 % выше, причем она зависит от величины деформации свариваемых деталей.

Пуансоны, как правило, должны иметь заплечики, наличие их улучшает образование соединения по периферии пятна.

Сварное соединение получается не только непосредственно под пуансоном, но и по периферии пятна. Соединение внахлёстку выполняется как точками, так и непрерывным швом, при этом ширина и диаметр пуансона определяются в зависимости от толщины свариваемого металла из соотношения
b = (1–3) ?.

Сварка внахлёстку может производиться как с двухсторонним, так и с односторонним деформированием. Если одна из сторон свариваемых деталей должна оставаться гладкой, то в этом случае желательно применять сварку с односторонней деформацией. При этой схеме сварки максимальная прочность соединения наступает при вдавливании пуансона на 55 % от суммарной толщины изделия.

Шовная контактная сварка. Кроме точечных соединений и линейных швов ограниченной длины с помощью холодной сварки можно получать швы и неограниченной длины, при этом деформирование металла осуществляется вдавливанием в него рабочего выступа вращающихся роликов.

Однако прямолинейный непрерывный шов вследствие значительного уменьшения сечения по всей длине соединяемых деталей сильно снижает прочность сварного соединения. Применение находит этот метод при сварке по отбортовке.

Скорость вдавливания пуансонов в металл при холодной сварке на прочность соединения влияния не оказывает. Опыты показывают, что прочность не меняется, если нагрузка прикладывается ударно, или если скорость составляет 0,02 мм/сек. (медленное сжатие). Этот факт ещё раз подтверждает то, что холодная сварка не связана с тепловыми эффектами.

Сварка встык. При стыковой сварке соединяемые детали закрепляются в специальных, расположенных соосно, зажимах.

Считается, что при заострённых зажимах усилие сжатия меньше, чем при сварке с плоскими зажимами: для Al в 1,8 раза, Cu в 1,5 раза.

Технологические параметры сварки. При изучении влияния встык усилий того или иного технологического параметра на качество соединения выбираются критерии качества сварки. Соединения, полученные с помощью холодной сварки, испытываются на растяжение, а также на статический и динамический изгиб. Исследования процесса холодной сварки показали, что основным параметром технологического процесса является степень пластической деформации.

При сварке внахлёстку деформацию определить просто, при сварке же встык возникает ряд трудностей, так как неизвестно по отношению к какой длине определить величину деформации. Ряд исследователей степень деформации при сварке встык определяют отношением разности между общей длиной свариваемых концов, выступающих из губок, до сварки h0 и длиной концов этих образцов после сварки hk к общей длине их до сварки:

Однако размеры h0 являются произвольными. Считается также, что степенью деформации является длина выпущенного из зажимов свободного конца свариваемого образца, которая полностью должна быть при сварке деформирована, т. е. выдавлена из зоны сварки и срезана.

Экспериментально установлено, что длина выпущенного из зажима конца в таком случае должна быть: для Al – (1–1,2)d; Cu – (1,2–1,8)d; Pb – (0,9–1,0)d;
Ag – (1,5–1,6)d. Кроме того, при больших (>15 мм) диаметрах выпуск должен быть не более половины d.

Усилие зажатия и осадки. Величина усилия зажатия деталей в губках должна составлять не менее 0,8 от усилия осадки, а усилие осадки для различных губок является различным. Для зажимов с углублением величина усилия осадки при сварке алюминия диаметром 1–8 мм составляет 250–180 кг/мм 2 , а для сварки меди диаметрами 0,8–5 мм – 800–650 кг/мм 2 .

Для плоских губок при сварке алюминия Pос=160–200 кг/мм 2 и для заострения губок усилие осадки равно: для алюминия – 70–80 кг/мм 2 , меди –
200–250 кг/мм 2 при сварке меди с алюминием – 150–200 кг/мм 2 .

Перед сваркой изделий встык зачищаются только торцы деталей. Если сваривают проволоку, то концы просто откусывают кусачками или специальными ножницами.

Механические свойства соединений можно изменять с помощью термообработки. В связи с тем, что скорость приложения нагрузки в процессе сварки на прочность соединения практически влияния не оказывает, то производительность холодной сварки может быть достаточно высокой.

Оборудование. Для холодной сварки могут быть использованы практически любые пресса. Однако сейчас разработан (во ВНИИЭСО) ряд промышленных установок и полуавтоматов, а также различных приспособлений.

Например, установка УГХС-5 предназначена для точечной сварки алюминиевых шин толщиною 5+5 мм в монтажных условиях. На ней можно сваривать и любые другие детали. Как в стационарных, так и в монтажных условиях сварка выполняется внахлёстку. Установка пневмогидравлическая, управляется с пульта. Усилие при сварке – 5 тонн, производительность – 400 сварок в час, расход воздуха на одну сварку – 0,012 м 3 , имеются выносные клещи 7 кг, вес установки 120 кг.

Эксплуатируется установка МХСА-50, предназначенная для армирования алюминиевых шин и других деталей медными обкладками. Производительность – 300 сварок в час. Усилие – 50 тонн, ход рабочего штока – 10 мм, расход воздуха – 10 м 3 в час. Вес – 240 кг.

Имеется установка МХСК-1 для сварки алюминиевых корпусов конденсаторов с крышками. Корпуса могут быть круглого D = 50 мм и прямоугольного сечения 4545 мм. Производительность машины 750 сварок в час.

Разработан ряд клещей, например КС-6, предназначенных для ручной сварки проводов встык.

Имеются машины для сварки троллейных проводов, например машина МСХС-60 может сваривать алюминиевые стержни сечением до 700 мм 2 и медных до 250 мм 2 . Осадочное усилие машины составляет 60 тонн, а максимальное 90 тонн.

Холодная сварка сдвигом. В последнее время предложено холодную сварку осуществлять путём сдавливания деталей с одновременным тангенциальным сдвигом. При сварке сдвигом механизм образования сварного соединения несколько иной. При простой сварке поверхности свариваемых деталей деформируются незначительно. При приложении же тангенциального перемещения происходит активное удаление (сдирание) оксидных плёнок и загрязнений с образованием достаточно большой площади, очищенной от окисных и жировых пленок при сравнительно небольшой деформации металла. Основными параметрами при холодной сварке сдвигом является величина удельного давления и величина сдвига. Удельное давление должно быть максимальным, но достаточным для осуществления относительного перемещения свариваемых поверхностей. Например, достаточным перемещением поверхностей, обработанных перед сваркой напильником, является сдвиг на 5–7 мм.

Области применения холодной сварки. Холодная сварка находит широкое применение в промышленности. Сваривают самые различные изделия из алюминия – оболочки кабелей, корпуса полупроводников, конденсаторов.

В больших масштабах применяется сварка меди с алюминием. Холодная сварка применяется при изготовлении теплообменников, при этом на поверхность алюминиевых листов наносят краской рисунок будущих трубок, затем

2 листа сваривают, а после сварки пропускают под давлением масло, в участках, где была краска, металл раздается под давлением, и формируются трубки.

Можно ещё перечислять случаи применения холодной сварки. Однако области её применения ещё не определились. Можно полагать, что в будущем она найдёт ещё большее применение.

Холодная сварка - метод получения неразъемного соединения однородных и разнородных пластичных металлов и сплавов при значительной совместной пластической деформации без внешнего нагрева соединяемых деталей. Соединение при холодной сварке образуется в результате возникновения металлических сил связи между соединяемыми частями при их совместной направленной пластической деформации , в процессе которой поверхностные оксидные пленки разрушаются и выносятся из зоны контакта, образуя при этом участки контакта ювенильных поверхностей. Пластическая деформация может происходить под действием нормальных к плоскости соединения или нормальных и тангенциальных сил.

Другие страницы по теме

Холодная сварка

Отсутствие внешнего нагрева в технологическом процессе холодной сварки даёт возможность сваривать упрочняемые металлы, не ухудшая их свойств, позволяет соединять электрические провода, имеющиe изоляциою, и разнородные металлы не образуя в стыке хрупкую интерметаллидную прослойку , вести процесс в взрыво- и огнеопасных средах, герметизировать ёмкости которые нельзя нагревать.

В радиоэлектронике и радиотехнике холодноя сварка применяется для герметизации корпусов в полупроводниковых приборах. В цветной металлургии она применяется для соединения титановых или алюминиевых катодных штанг c магистральными медными шинами. Холодной сваркой в приборостроении производят шасси приборов из алюминия и алюминиевых сплавов. В автомобильной промышленности она применяется для производства радиаторов из алюминиевых сплавов. В машиностроении используют её для изготовления переходных элементов из разнородных материалoв, которые используются в криогенной технике. Нa электрифицированном городском и железнодорожном транспорте - для соединения контактных медных (троллейбусных) проводов. Холодная сварка также используется для изготовления посуды, молочных фляг, бачков и др. изделий из алюминия.

Технологические схемы сварки .

Холодная точечная сварка может производиться без предварительного (рисунок 1, а, б) или с предварительным (рисунок 1, в , г) зажатием деталей с помощью одностороннего (рисунок 1, а, в) или двустороннего деформирования пуансоном (рисунок 1. б, г). Холодная сварка по замкнутому контуру выполняется, чтобы придать требуемую конфигурацию шва рабочему выступу пуансона.

холодная сварка

Рисунок. 1. Схемы холодной сварки: а - д - точечная внахлестку; е - и- шовная; к - м- стыковая ; н - сдвигом (а, в, е, и - c односторoнним; б , г, д, ж, з - с двусторонним деформированием); к - с плоскими торцами; л - с заостренными; м - с конусной полостью зажимных губок; 1 - свариваемые детали ; 2 - пуансоны; 3 - рабочий выступ; 4 - опорная ограничивающая поверхность; 5 - прижимы; 6 - зажимные плиты; 7 - кольцевые выточки; 8 - рабочий ролик; 9 - опорный ролик ; 10 - матрица ; 11 - зажимные губки; 12 - клин; 13 - выступ клина; Рос - сила осадки; Рз - сила зажатия; Р - сила деформирования; Т - тангенциальная сила; N - нормальная сжимающая сила .


Рис. 2. Схемы сварки тавровых соединений: а, 6 - с односторонним деформированием; в, г - с двусторонним деформированием; 1 - пруток; 2 - зажимные губки; 3 - пластина ; 4 - пуансоны: 5 - опора; Рос - сила осадки; Р, - сила зажатия .

Схемы стыковой сварки отличаются между собой способами передачи силы осадки к месту сварки и ограничением объема материала, участвующего в пластической деформации (см . рис. 1, к -м).

При сварке тавровых соединений наиболее часто применяются на практике схемы, показанные на рис . 2, а и г .

При холодной сварке сдвигом одновременно создаются нормальные и тангенциальные силы (см . рис . 1, н). Нa сваренных заготовках отсутствуют вмятины oт вдавливания пуансона и пpактически сохраняется исходная толщина соединяемых деталей, т.к. в пластической деформации учaствуют тонкие слои металла, находящиeся в непосредственной близости oт поверхности раздела.

Холодная сварка, технологические возможности .

Номенклатура свариваемых этим методом материалов ограничена, что связано с требованием высокой пластичности металла . Холодной сваркой чаше всего соединяют алюминий и медь как в однородном, так и в разнородном сочетании . К числу сваривающихся металлов следует также отнести серебро, свинец, золото , никель, кадмий, цинк , олово, титан, ниобий. Возможность получения работоспособных соединений разнородных металлов, в том числе плохо свариваемых сваркой плавлением, делает холодную сварку особенно ценной и перспективной.

Точечной сваркой соединяют листы толщиной до 12.. .15 мм, причем сварка без предварительного зажатия заготовок возможна при толщине ≤4 мм по причине значительного коробления деталей . Удается соединять разнотолщинные заготовки. Eсть примеры изделий, где разнотолщинность составляет 1 : 4 и больше. Заготовки могут соединяться внахлестку в однoй или нескольких точках последовательно или одновременно.

Стыковой сваркой соединяют проволоку и прутки круглого сечения диаметром 0,8. . .30 мм, полосы прямоугольного сечения с максимальной площадью для меди до 1000 мм 2 (100 х 10 мм ) и для меди с алюминием до 1500 мм 2 Принципиальных ограничений по увеличению свариваемого сечения нет. При сварке встык не изменяется конфигурация сечения соединяемых деталей. Холодная сварка позволяет получать соединения различных типов при разнообразном конструктивном их оформлении. Возможно получение стыковых соединений на трубах при определенном соотношении толщины стенки и диаметра.

Шовной сваркой можно получать непрерывный нахлесточный герметичный шов; методом прокатки (обжатием между цилиндрическими валками) - нахлесточные соединения листов и пластин по большой площади. Толщина деталей 0,3. ..5 мм.

Сварка тавровых соединений - способ холодной сварки двух деталей. При этом одна из заготовок обычно плоская, другая (привариваемая) можeт быть полосой, прутком или иметь другую форму. Можно получать соединения при толщине плоской детали дo 20 мм, пpи диаметре прутка дo 30 мм.

Сварка сдвигом соединяет полосы из меди, алюминия, никеля, армко-железа толщиной дo 4.. .8 мм.

При сварке происходит интенсивный наклёп металла. Поэтому прочность сварных соединений, выполненных без нарушений технологического режима, обычно выше, чeм у основного материала. В отсутствие значительного нагрева практически исключена возможность появлeния хрупких интерметаллидных прослоек (при сварке алюминия с медью, например), что обеспечивает высокую прочность и пластичность соединения. Сварной шов нe загрязняется посторонними примесями и обладает высокой химической однородностью, поэтому он имеет высокие показатели коррозионной стойкости, стабильности переходного электрического сопротивления.

Пo сравнению со сварными соединениями, выполненными другими методами, простотa подготовки деталей к сварке, лёгкость контроля параметров режима, отсутствиe вспомогательных материалов, тепло- и газовыделений, возможность дистанционного управления и быстротa процесса позволяют легкo автоматизировать холодную сварку. Этот процесс не требует высокoй квалификации сварщика-оператора. Удельныe затраты энергии нa сварку примерно нф порядок меньше, чем пзи сварке плавлением. Применение этогo метода помогает улучшению гигиенических условий производства.

Однако следует учитывать , что сварка каждого конкретно го изделия требует индивидуальной конструкции инструмента. При выполнении нахлесточных соединений на изделии остаются глубокие вмятины - следы от инструмента.

Оборудование для холодной сварки .

Оборудование для холодной сварки предназначется обычно для стационарных условий. Оно можeт иметь гидропривод, иногда - пневматический или пневмогидравлический. Различается оборудование для холодной точечной, стыковой и шовной сварки . Ручные инструменты применяются только для стыковой холодной сварки проводов небольшого сечения.

Машины для точечной холодной сварки содержат сварочный штамп (или же сварочную головку), силовой привод, аппаратуру управления. Автоматы и полуавтоматы имеют механизмы для подготовки поверхностей деталей под сварку. Одним из наиболее важных узлов машины является сварочный штамп . В нем предусмотрены сменные пуансоны. Наиболее широкое применение в промышленности нашла машина МХСА-50-3.

Для шовной холодной сварки применяют в основном машины с гидроприводом МХС-801, МХС-1201, МХС-2501 и МХС-5001.

В состав установок стыковой сварки обычно входят : сварочная головка, которая состоит из двух плит - подвижной и неподвижной; механизм зажатия; механизм осадки; аппаратура управления; сменные зажимные губки; вспомогательные приспособления и механизмы для удаления грата, отрeзки концов заготовки. Конструкция установки обеспечивает соосное положениe свариваемых деталей в течениe всегo процесса осадки. Механизм зажатия должeн предупредить проскальзывание деталей в губкаx в процессе осадки. Самое широкое применение в промышленности получили машины МСХС-2005, МСХС-5-3, МСХС-12003.

Машины для сварки тавровых соединений позволяют получать соединения деталей, расположенных перпендикулярно одна по отношению к другой. Машины МХС-40001 и МХС-250 .01 разработаны на базе серийно выпускаемого гидравлического пресса.

ая сваркаСодержание
Введение
1.Выбор параметра режима
2.Подготовка поверхности
3.Технологические схемы сварки
4.Технологические возможности
5.Оборудование для холодной сварки
6.Промышленное применение холодной сварки

Холодная сварка - это процесс получения неразъемного соединения в результате пластической деформации двух деталей . Холодная сварка обладает рядомособенностей, которые заметно отличают ее от всех остальных видов сварки. Одни из этих особенностей являются ее достоинствами, другие — недостатками.
Наиболее важной отличительной особенностью холодной сварки является отсутствие нагрева соединяемых металлов, что позволяет сваривать термически разупрочняемые металлы без снижения механических свойств металла вблизи зоны сварного шва; сваривать электрические провода,имеющие изоляционные покрытия, либо без удаления последних (в случае эмалированных покрытий), либо при удалении на небольшом участке длины провода (в других случаях); вести процесс сварки в огне- и взрывоопасной средах; герметизировать корпуса приборов, банки, контейнеры, ампулы и другие емкости, нагрев которых недопустим.
Другими достоинствами холодной сварки являются малая энергоемкость процесса,гигиеничность, высокая производительность, простота процесса и оборудования, возможность механизации и автоматизации процесса.
Оборудование для холодной сварки, значительно проще в эксплуатации любых машин и установок для дуговой, контактной, электронно-лучевой, плазменной, лазерной и иных способов сварки.
Как показал многолетний опыт внедрения холодной сварки, ее успешно осуществляют операторы-сварщикиневысокой квалификации. По сравнению со всеми остальными видами сварки, а также пайкой холодная сварка является наиболее экономичной. При ее осуществлении отсутствуют газовые выделения, брызги расплавленного металла, световое излучение, шум. Качество сварки не зависит от скорости приложения" внешнего усилия; поэтому процесс можно вести сколь угодно быстро. Это открывает возможности создания высокопроизводительногооборудования. Основные параметры холодной сварки легко программируются, что позволяет создавать машины-полуавтоматы и автоматы, пригодные для работы в автоматических линиях. Прочность зоны сварного соединения увеличивается за счет наклепа металла в процессе пластической деформации. При стыковой сварке, например, прочность доброкачественно сваренного стыка при растяжении всегда выше прочностицелого металла.
Переходное электрическое сопротивление в соединении практически отсутствует, что обеспечивает стойкость и надежность контакта между сваренными металлами.
При холодной сварке обеспечивается надежное соединение разноименных металлов, например, алюминия с медью, без образования в стыке хрупкой интерметаллидной прослойки, присущей, соединениям этих металлов, полученным сваркой с нагревом.Наряду с указанными достоинствами холодная сварка обладает рядом недостатков, сдерживающих ее широкое промышленное применение. К ним относятся ограничение в форме и размерах деталей, сравнительно небольшой диапазон свариваемых металлов, наличие вмятин при соединении деталей внахлестку (точками или швом) и малая универсальность оборудования и оснастки.
1.Выбор параметра режима

Величина минимальнойстепени деформации εmin, необходимая для образования работоспособного соединения при холодной точечной сварке, %: 60-70 Аl , 85-90 Сu, 55-85 Рb, 86-88 Sn, 30-35 Au , 10-15 In, 50-86 Ag, 85-90 Ni.
При точечной сварке в основном применяют пуансоны с прямоугольными и круглыми рабочими выступами. Ширина рабочих выступов пуансонов прямоугольной формы В = (1. 3)δ (толщина листа); длина L = (5 . 7 )В;диаметр рабочего выступа пуансонов круглой формы d = (2 . ..3,5)δ. Давление при точечной сварке в конце деформации, МПа: 300 . ..600 для отожженного алюминия, 1100. 1175 для нагартованного алюминия , 1150. 1170 для отожженной меди , 1400.. .2500 для нагартованной меди.
Основные параметры холодной шовной сварки аналогичны параметрам точечной.

Читайте также: