Text
АКАДЕМИЯ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ АВТОМАТИКИ И МЕХАНИКИ
С. Б. АЙНБИНДЕР
НОВЫЕ СПОСОБЫ
СВАРКИ
ДАВЛЕНИЕМ
м™и?Ная библиотека
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК ЛАТВИЙСКОЙ ССР
РИГА 1960
ВВЕДЕНИЕ
Особенностью развития чехнологии машиностроения
за последние десятилетия является создание и широкое
применение в производственной практике новых техно-
логических процессов, позволяющих достигнуть высо-
кой производительности труда, механизировать и авто-
матизировать производство или решить задачи, которые
ранее известными процессами изготовления изделий не-
возможно было решить.
Созданы новые технологические процессы обработки
давлением, литья и сварки. Следует отметить, что тех-
нология сварки получила, по-видимому, наиболее широ-
кое развитие. Это обусловлено тем, что сварка является
высокопроизводительным процессом, находящим все
новые и новые пути применения, а также и тем, что в
промышленность вовлекался целый ряд новых матери-
алов и требовалось создание способов соединения этих
материалов.
В результате широких научно-исследовательских и
конструкторских рабоч I Шепнула электросварки имени
Е. О. Патона Академии наук Украинской ССР, Всесо-
юзного научно-исследовательского института электро-
сварочного оборудования и других учреждений за по-
следние десятилетия были созданы и внедрены в произ-
водственную практику такие способы сварки, как
сварка в различного рода нейтральных средах и среде
углекислого газа, электрошлаковая сварка, целый ряд
новых способов контактной сварки и, наконец, в по-
следние годы появились сварка электронным пучком,
холодная сварка, сварка трением и ультразвуковая.
Последние три вида сварки можно было бы объединить
под общим названием сварки давлением, так как при-
ложение значительного давления является необходи-
мым элементом сварочного процесса в этих случаях.
Заметим, что значительное давление прикладывается
и при других видах сварки, например газопрессовой,
при сварке сопротивлением, и поэтому в понятие сварки
з
давлением можно включать, по-видимому, и эти про-
цессы. Есть, однако, и известные особенности, застав-
ляющие выделить процессы холодной сварки, сварки
трением и ультразвуком в отдельную группу. Эти осо-
бенности заключаются в общности физических основ
процесса возникновения сцепления между соединяемы-
ми поверхностями. Во всех трех процессах механиче-
ским путем удаляются из зоны сварки различного рода
загрязнения и достигается сцепление в твердом состо-
янии на большой площади в результате совместной
пластической деформации.
Разница между холодной сваркой сдвигом и сваркой
трением или ультразвуком заключается, собственно,
только в том, что в последнем случае в результате мно-
гократных относительных перемещений достигается по-
вышение температуры в зоне сварки, облегчающее де-
формацию и возникновение сцепления. Эта разница,
конечно, имеет существенное количественное значение,
однако не изменяет принципиальную общность про-
цессов.
До последнего времени в литературе эти способы
сварки еще мало описаны. Имеются лишь отдельные
журнальные статьи или брошюры, посвященные рас-
смотрению различных видов сварки и большей частью
ограничивающиеся описанием отдельных машин и при-
емов сварки. Однако при развитии новых технологиче-
ских процессов чрезвычайно важно более детально ра-
зобраться в теории процесса, ибо тогда значительно
яснее становятся и возможные области применения и
дальнейшие технические усовершенствования процесса/
В данной книге сделана попытка с общих позиций
рассмотреть основы теории всех трех новых видов
сварки давлением. Так как книга предназначена для
широкого круга инженерно-технических работников, то
рассмотрение теории и основ технологии ведется без
применения аналитических расчетов, на основе качест-
венных соображений.
В первой главе рассматриваются физические основы
теории сварки металлов давлением, в последующих гла?
вах — физические основы теории каждого из описывает
мых видов сварки и приводятся примеры практического
использования.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
ДАВЛЕНИЕМ
1. 1.СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ
ПОВЕРХНОСТЯМИ
Сварка металлов — это процесс создания неразъем-
ных соединений между металлическими деталями в ре-
зультате возникновения межатомных сил связи. Техно-
логия сварки известна много столетий. Кузнечной свар-
кой, по-видимому, пользовались еще в древнем Египте.
Долгое время предполагали, что для возникновения
прочных связей между изделиями процесс сварки дол-
жен идти с расплавлением соединяемых поверхностей
или хотя бы при высоких температурах — в так назы-
ваемом пластичном состоянии. Только в 40-х годах на-
шего века было практически показано, что для сварки
металлов нагревание не является обязательным усло-
вием и ее можно осуществлять при комнатных темпе-
ратурах. Это значительно расширило возможности при-
менения сварки и позволило, кроме того, построить фи-
зически более обоснованную теорию сварочных процес-
сов.
Рассмотрим процесс образования сварочного соеди-
нения в твердом состоянии.
Предположим, что у нас имеются два куска металла,
сближающихся друг с другом. Допустим вначале, что
эти куски совершенно гладкие, т. е. имеют шероховато-
сти не выше малой доли межатомного расстояния в
кристаллической решетке и свободны от каких-либо
пленок на поверхности. Находятся эти куски в абсолют-
ном вакууме, т. е. их не окружает какая-либо среда.
Между рассматриваемыми кусками всегда будут дейст-
вовать следующие силы.
Г р a a и т а ц и о н и ы е с и л ы притяжения. Эти
СИЛЫ притяжения существуют между любыми телами
в на любых расстояниях» однако они имеют величину»
заметно влияющую на движение и взаимодействие тел
только для космических масс. Они определяют движе-
ние планет в солнечной системе, движение Луны, а так-
же движение в других космических системах. Для зем-
ных тел при их взаимодействии друг с другом (но не с
Землей) эти силы всегда пренебрежимо малы и их не
учитывают в технических расчетах процессов, происхо-
дящих на Земле.
М о л окулярные с и л ы. Эти силы возникают
между любыми твердыми телами, в том числе и метал-
лами. Природа этих сил та же, что и сил Ван-дер-Ва-
альса, действующих между отдельными атомами, од-
нако величина молекулярных сил и их зависимость от
расстояния между поверхностями иные, чем в случае
ного притяжения между металлическими
поверхностями от расстояния между
ними.
взаимодействия двух атомов. Экспериментальное под-
тверждение наличия молекулярных сил между твер-
дыми телами было дано в работах члена-корреспонден-
та АН СССР Б. В. Дерягина и И. И. АбрикосовойД1,
2]. Общая теория и способы расчета молекулярных сил
были опубликованы Е. М. Лифшицем [3]. На рис. 1
приведен график зависимости удельных молекулярных
сил притяжения от расстояния между металлическими
поверхностями.
6
Как видно из графика, при расстояниях, значительно
превышающих параметры атомной решетки, величина
этих сил мала по сравнению с прочностью металлов.
Для относительно малых расстояний формула, исполь-
зованная для построения графика на рис. 1, перестает
быть пригодной.
Силы металлической связи. Любой кусок
металла представляет собой конгломерат из положи-
тельно заряженных ионов и электронов. Взаимодейст-
вие между облаком электронов и ионами, находящими-
ся в узлах кристаллической решетки, определяет моно-
литность и прочность кусков металла. При сближений
двух металлических поверхностей происходит коллекти-
визация электронов, вылетающих из поверхностей, -в
результате чего возникают силы взаимодействия между
поверхностями. При достаточном сближении образуется
общее электронное облако и, следовательно, единый аг-
регат из двух кусков металла.
По данным Шалера [4], формула для расчета силы
связи между металлическими поверхностями имеет вид
(для малых расстояний)
где а — константа;
г — расстояние между поверхностями, т. е. сила взаи-
модействия убывает обратно пропорционально рас-
стоянию. На рис. 2 приведен график изменения удель-
ной силы притяжения в зависимости от расстояния для
этого случая. При расстояниях порядка 10А* величи-
на этой силы достигает 100 кг/мм2, т. е. уже приближа-
ется к технической прочности металлов; при расстоя-
ниях, равных величине параметра кристаллической
решетки, т. е. 3—5 А, эта величина будет, очевидно,
значительно больше.
Из приведенных выше данных следует, что при сбли-
жении идеально гладких и идеально чистых поверхно-
стей между ними самопроизвольно возникают межатом-
ные силы взаимодействия, достаточные для образования
единого агрегата из сближающихся частей, и ника-
кого нагревания для этого не нужно. Прочность полу-
* А равняется 10—10 м.
7
Рис. 2. Зависимость силы притя-
жения между металлическими по-
верхностями от расстояния между
ними.
чаемого при этом соединения будет зависеть от ряда
факторов и Прежде всего от взаимной ориентации сбли-
жающихся металлических кристаллов. Если их ориен-
тация одинаковая, то прочность будет наибольшая, так
как в этом случае два кристалла просто превратятся в
один. Если ориентация кристаллографических осей бу-
дет различной, то в ре-
зультате сближения об-
разуется некоторая меж-
кристаллитная грани-
ца, энергия атомов на <
которой будет повыше-
на по сравнению с внут-
ренними слоями кри- 4
сталлов, и теоретически |
прочность такого соеди- ।
нения должна быть ни- |
же. На самом деле по- 1
лучается обычно иная |
картина. Так как меха- I
низм разрушения реаль-
пых металлов определи-
ется их несовершенства- а
ми — дислокациями, а ,
границы кристаллов за-
держивают распростра-
нение последних, то
прочность поликристаллических металлов оказывается
выше прочности монокристаллических металлов, а проч-
ность мелкокристаллических металлов выше прочности
металлов с крупными кристаллами.
При соединении разноименных металлов в рассмот-
ренном выше идеальном случае также обязательно воз-
никают силы притяжения и межатомного взаимодейст-
вия. Характер этих сил будет определяться возможным
взаимодействием между данными металлами: образо-
ванием твердых растворов, химических соединений и
т. д. При этом прочность на границе может быть как
выше прочности каждого из взаимодействующих ме-
таллов, так и ниже таковой или ниже прочности одного
из металлов, Так обстоит дело с идеально гладкими и
чистыми поверхностями.
8
[Однако в реальных условиях картина получается
иной. Все металлические поверхности, во-первых, шеро-
ховаты и, во-вторых, покрыты всевозможными пленка-
ми. Это существенно меняет картину взаимодействия
• поверхностей при их сближении.
1. 2. ВЛИЯНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ НА
ВОЗНИКНОВЕНИЕ СЦЕПЛЕНИЯ
Исследования показывают, что на всех металличе-
ских поверхностях имеются неровности той или иной
формы. На самых гладких поверхностях, получаемых^
например, при расщеплении слюды или расколе некото-
рых минералов, эти неровности равны нескольким сот-
ням А, а на грубо обработанных металлических по-
верхностях их высота достигает десятков микронов.
(1 микрон = 10~4 см). В большинстве случаев неров-
ности имеют довольно пологую форму и отношение их
высоты к длине бывает порядка 1/10—1/100. Высота
различных неровностей различна, и распределение вы-
сот подчиняется известным законам теории вероят-
ности.
Исследования [5] показали, что сопротивление таких
неровностей пластическим деформированиям близко по
величине к твердости металла в поверхностных слоях.
При сближении поверхностей, покрытых такими неров-
ностями, вначале возникает контакт по отдельным (наи-
более высоким) неровностям. /Для дальнейшего сбли-
жения нужно приложить некоторую силу, необходимую
для деформирования зон, уже вступивших в контакт.
Чем больше должна быть площадь контакта между
сжимаемыми телами, тем, очевидно, больше нужно де-
формировать неровности, вступившие в контакт, и тем
больше должна быть сжимающая сила.
Таким образом, для образования достаточно большой
площади контакта между телами необходимо затратить
энергию на деформацию поверхности. Эта энергия боль-
шей частью превращается в тепло, так как в основном
происходит пластическая деформация поверхности. Од-
нако при всякой пластической деформации у упрочняю-
щихся металлов одновременно растет и упругая дефор-
мация. При взаимодействии двух тел, покрытых неровно-
9
г
стяни, упругие деформации в различных точках неро».
костей неодинаковы (рис. 3). Неодинаковость деформа,
ции неровностей определяется тем, что их поверхноетц
ие перпендикулярны направлению перемещения сбли.
кающихся образцов. Так как неровности имеют раэлич.
иую высоту, то онн в разное время вступают в сопри-
Рис. 3. Возникновение контакта между поверхно
стями.
косновение с противолежащей поверхностью и, следо-
вательно, к данному моменту претерпевают разную де-
формацию. Предположим, что во всех зонах контакта
возникло сцепление (так будет при идеально чистых
поверхностях) и мы сняли приложенные силы. Тогда
должен начаться упругий возврат, сжатые тела должны
раздвинуться на величину, определяемую упругой дефор-
мацией тела. Но эта величина в различных точках будет
различна, ибо различна величина пластической деформа-
ции (см. рис. 4). Например, у точки А на рис. 4 величина
упругой обратимой деформации определяется отрезком
«2, ej, а у точки В — отрезком
Рис. 4. Зависимость напряжения
от деформации для упрочняюще-
гося металла.
84, 83. В результате, когда
материал, деформиро-
ванный до напряжения,
характеризую щ е г о с я
точкой А, разгрузится,
м атер и ал, деформиро-
ванный до точки В, еще
будет оставаться в сжа-
том состоянии, и дейсг
вующие в этом месте
напряжения будут стре-
миться растянуть, разо-
рвать уже разгружен-
ные участки. Величина
действующих при этом
сил будет определяться
ю
р
Рис. 5. Модель
неровности в
начале дефор-
мации.
площадью сжатых участков и величиной напряжения
на этих площадках и уменьшаться в результате ча-
стично прошедшей разгрузки.
Такая же картина получается при деформации от-
дельного выступа. Предположим, напри-
мер, что неровность состоит из выступов
разной длины (рис. 5). Сожмем эти вы-
ступы так, чтобы возник контакт меж-
ду более короткими выступами, и пред-
положим, что по площади контакта воз-
никло сцепление. Далее снимем нагруз-
ку, сжимающую выступы. Тогда оба
выступа начнут разжиматься за счет
уменьшения полученной ими упругой
части деформации. Но так как у более
короткого выступа величина упругой де-
формации сжатия меньше (рис. 6), то
после снятия нагрузки полная разгруз-
ка этого выступа произойдет раньше, и
создастся положение, когда в длинном
выступе будут еше действовать напря-
жения, стремящиеся увеличить его раз-
меры, в то время как в более коротком выступе уже
произойдет полная разгрузка. Следовательно, далее, бо-
лее длинный выступ будет уже стремиться растянуть
более короткий выступ. Равновесие
наступит тогда, когда остаточные уси-
лия С/кагия в более длинных высту-
пах станут равны усилиям растяже-
ния коротких выступов. Равенство
абсолютной величины напряжений в
выступах будет только в том случае,
если площади поперечного сечения
будут равны. Если площадь попереч-
ного сечения более длинного выступа
будет больше, чем короткого, то на-
пряжения в коротких выступах будут
больше, и при достаточной разнице
площадей они могут превысить как
предел текучести, так и предел проч-
ности короткого стержня — произой-
дет разрушение сцепления между ко-
роткими стержнями.
Рис. 6. Модель не-
ровности в конце
деформации. Сцеп*
ление имеется по
всей площади кон-
такта.
11
И» криво* рис. 4 следует, что величина усилия, раз-
рывающего сцепления, будет тем больше, чем больше
модуль пластичности деформируемого материала —
гамгеис угла наклона кривой зависимости о (а) после
достижении предела текучести, так как чем больше вга
величина, тем больше напряжение в сжатых длинных
стержнях, при полной разгрузке более коротких.
Р
Р
Рис. 7. Схема остаточных напряжений в
выпуклых сжатых телах при наличии
сцепления на площади контакта.
Из сказанного следует, что эпюра напряжения в двух
сжатых выпуклых неровностях, по площади контакта
которых возникло сцепление, будет иметь вид, представ-
ленный на рис. 7, и по краям зон сцепления возникнут
растягивающие напряжения.
Как следует из рис. 7, зона контакта будет представ-
лять собой что-то вроде образца с вырезом, и в соот-
ветствии с общей теорией деформации подобных тел
в зоне выреза при действии продольных растягивающих
напряжений должны возникнуть также поперечные
растягивающие напряжения и иметь место концентра-
ция напряжений. В результате у металлов с недоста-
точным запасом пластичности неизбежно возникнет
хрупкое разрушение зон контакта. Заметим, что поми-
мо наличия градиента напряжений в каждом контакте
12
имеет место также действие друг на друга деформиро-
ванных отдельных зон различных контактов.
По-видимому, к числу металлов, которые будут пло-
хо сопротивляться разрушению в этом специфическом
случае, относятся все железо-углеродистые сплавы,
бронза, латуни и другие сплавы с сравнительно высо-
ким пределом текучести и нс очень большой пластич-
ностью.
Алюминий и ряд алюминиевых сплавов, медь, кад-
мий, свинец, олово, чистый никель и некоторые другие
металлы достаточно пластичны или имеют небольшой
модуль пластичности, и поэтому у них возможно возник-
новение при приложении только нормальных нагрузок
неразрушаемого сцепления, в особенности при образо-
вании значительных площадей контакта. Влияние уве-
личения площади контакта на сохранение сцепления
обусловлено особенностями сближения двух шерохова-
тых поверхностей.
Рис. 8. Деформация модели неровности из
упрочняющего металла (отожженная медь).
В начальный момент сближения, как уже отмечалось,
контакт имеет место по отдельным неровностям. При
дальнейшем сближении начинается пластическая де-
формация зон, уже вступивших в контакт, и образова-
ние новых точек контакта. Далее, характер деформации
будет зависеть от механических свойств металла. Если
13
металл имеет низкий предел текучести и способен к
значительному упрочнению (медь), то при некоторой
величине деформации неровностей сопротивление их
вдавливанию в нижележащие слои окажется меньше
сопротивления пластической деформации неровностей
и в результате будет иметь место вдавливание неров-
I »-
I «нА-,. Л
|js* • ч
'
и’•И'«л Л А
Мй-tWlBin
г Я '
»
Рис. 9. Деформация модели неровности из на-
клепанного металла (медь).
ностей (рис. 8). Если же предел текучее! и велик при
сравнительно малом возможном упрочнении (наклепан-
ные металлы), то при дальнейшем со шла пни поверх-
ностей будет происходить растекание основностей без
заметного их вдавливания (рис. 9). И е ^эм п в дру-
гом случае при некоторой степени деформации начнется
объединение отдельных зон контакта в общую пло-
щадь контакта. Градиент напряжения по площади кон-
такта при этом должен уменьшаться, деформация ста-
нет более однородной, что и приведет к снижению раз-
рывающих напряжений.
1. 3. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЦЕСС
ВОЗНИКНОВЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ
У большинства металлов по мере повышения темпе-
ратуры уменьшается сопротивление пластическим де-
формациям и увеличивается пластичность. Поэтому с
повышением температуры должны, с одной стороны,
14
уменьшаться остаточные напряжения, появляющиеся
после снятия нагрузки, и, с другой стороны, увеличи-
ваться сопротивление разрушению под действием этих
напряжений. Следовательно, с ростом температуры ве-
роятность сохранения сцепления после снятия нагруз-
ки обычно должна возрастать. Когда температура пре-
высит температуру рекристаллизации данного металла,
упрочнение в процессе деформации не имеет места. В
таком случае разрывающие напряжения после снятия
нагрузки не появятся и сцепление сохранится. Следует
только позаботиться об образовании достаточно боль-
ших площадей контакта для получения нужной проч-
ности сцепления. Кроме того, процесс рекристаллизации
идет медленно, и при динамичном приложении и сня-
тии нагрузки возможно появление и действие в течение
определенного времени остаточных напряжений.
Если сцепление было осуществлено при повышенных
температурах, то в процессе охлаждения могут воз-
никнуть напряжения вследствие неодинакового охлаж-
дения различных участков тела. В некоторых случаях
эти напряжения могут оказаться весьма значительными
и повести к разрушению тела, причем даже не в месте
сцепления — сварки. Такие явления имеют место при
сварке с оплавлением, особенно легированных сталей
с сравнительно невысокой теплопроводностью и недо-
статочным сопротивлением растягивающим всесторон-
ним напряжениям.
Если температура будет равна или выше температу-
ры плавления, то образование контакта между соеди-
няемыми изделиями, свободными от шлаковых пленок»
будет происходить самопроизвольно, возникнут силы
межатомного взаимодействия и физическая граница
между телами исчезнет.
В предыдущих разделах мы уже рассмотрели процес-
сы, ход которых, вообще говоря, не зависит от времени
приложения нагрузки. Однако в реальных условиях,,
при повышенных температурах, идут процессы ползуче-
сти и диффузии, существенно зависящие от времени. В
результате ползучести увеличивается пластическая де-
формация неровностей на поверхности при данной на-
грузке. Такие процессы у свинца или олова идут уже
при комнатных температурах, так как для этих метал-
15
лов комнатные температуры являются высокими гомо>
логическими температурами. Следовательно, за счет
ползучести возможно увеличение площади контакта.
Кроме того, возможны и диффузионные процессы на
поверхности — перемещение атомов к уже образовав-
шие. 10. Изменение
конфигурации зоны
контакта в результате
поверхностной диф-
фузии.
шимся мостикам сцепления
(рис. 10).
По данным Б. Я. Пинеса [6],
такая поверхностная миграция
должна иметь место, так как это
поведет к снижению энергии си-
стемы. Скорость ползучести и
диффузии растет с ростом тем-
пературы. Поэтому, чем выше
температура, тем при данном
времени приложения нагрузки
все большее значение приобре-
тают эти явления для процесса возникновения сцепле-
ния между изделиями.
1. 4. СЦЕПЛЕНИЕ РАЗНОИМЕННЫХ МЕТАЛЛОВ
Качественно картина возникновения сцепления в этом
случае такая же, как и у одноименных металлов. Одна-
ко, если взаимодействующие металлы будут иметь раз-
личные механические свойства, то при сближении и де-
формации поверхностей вначале будет деформировать-
ся более мягкий металл, и только когда в результате уп-
рочнения этого металла сопротивление пластическим де-
формациям мягкой и более твердой поверхности станет
равным, начнет деформироваться твердая поверх-
ность. После снятия нагрузки, очевидно, также возник-
нут остаточные напряжения. Возможность возникнове-
ния разрушения в этом случае будет определяться свой-
ствами более пластичного и мягкого металла, ибо де-
формация под действием остаточных напряжений будет
происходить прежде всего в металле, менее сопротив-
ляющемся пластическим деформациям. Поэтому при со-
единении разноименных металлов возможно сцепление,
сохраняющееся после снятия нагрузки между металла-
ми с высоким пределом текучести, например малоугле-
родистой сталью, и мягким металлом, например алюми-
16
иием, в iv время как при взаимодействии двух поверх-
ностей ив малоуглеродистой стали сцепление после сня-
тия нагрузки в обычных условиях не сохраняется.
Возникает вопрос» как влияют физико-химические
свойства соединяемых металлов на прочность их сцеп-
ления? Например, возможны ли их взаимная раствори-
мость, образование ин герме i алл ических соединений и
з. п. По-видимому, характер возможного физико-хими-
ческого взаимодействия соединяемых металлов каким-
то образом влияет на характер возникающего соедине-
ния, и силы адгсшп между взаимно растворимыми ме-
таллами или мешллами, склонными к образованию ин-
терметаллических соединений, будут больше, чем между
металлами, полностью нерастворимыми. Следует, од-
нако, заметить, что реальная прочность соединения не
всегда соответствует величине адгезионных сил, что обу-
словлено, как уже указывалось выше, тем, что разру-
шение металлов связано с наличием в структуре различ-
ных дефектов, и поэтому особенности структуры и ве-
личина кристаллов будут больше влиять на прочность,
чем теоретическая величина силы адгезии. В качестве
примера можно привести эвтектические сплавы, состо-
ящие из нерастворимых компонент и при этом имеющие
в ряде случаев техническую прочность отнюдь не мень-
шую, чем твердые растворы.
Опыты по сцеплению металлов при действии только
нормальных или нормальных и тангенциальных нагру-
зок показывают, что при взаимодействии нераствори-
мых металлов [7] возникает сцепление настолько проч-
ное, что разрушение соединения идет по более мягкому
металлу, а не по зоне сцепления.
I, 5, ВЛИЯНИЕ ТАНГЕНЦИАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
НА ПРОЦЕСС ВОЗНИКНОВЕНИЯ СЦЕПЛЕНИЯ
Выше мы рассмотрели взаимодействие шероховатых
поверхностей под действием только нормальных нагру-
зок. Однако возможно одновременное приложение нор-
мальных и тангенциальных нагрузок (рис. 11). Карти-
на деформации в этом случае существенно изменяется.
Как следует из общепринятых теорий прочности, напри-
2 — 2347 17
мер теории максимальных касательных напряжений,
при одновременном приложении сжимающих напряже-
ний а и касательного напряжения т величина предела
текучести для плоского случая будет равна:
+ ЗЛ
Следовательно, при росте одной из компонент напряже-
ния, например тангенциального напряжения, нормаль-
ное напряжение, необходимое для достижения предела
N
Т
77777777777777777777777777/
Рис. 11.
текучести, уменьшается, и при данной величине нор-
мальной нагрузки получится большая площадь кон-
такта.
Например, при приложении только нормальных на-
грузок величина площади контакта получается порядка
отношения
№
где N — приложенная нагрузка;
Н — твердость металла,
причем величина N недостаточна для общей пластиче-
ской деформации тела. При приложении нормальных и
тангенциальных нагрузок, как показали наши опыты,,
величина площади контакта после некоторого относи-
тельного перемещения поверхностей становится поряд-
ка отношения
7V
<тв ’
где 0в — предел прочности,
т. е. раза в три больше, чем при действии только нор-
18
ыаяъных нагрузок. Так как при этом нормальное на-
пряжение на контактах соответственно уменьшается, то
н уснлшц разрывающие возникшие сцепления и зави-
сящие от величины нормального напряжения, получа-
ются соответственно меньшими. В результате при одно-
временном действии нормальных и касательных напря-
жений возможно возникновение остаточного сцепления
между металлами, не сохраняющими сцепления при дей-
ствии только нормальных нагрузок, например у различ-
ного рода сталей, бронз и т. д. Однако, как будет пока-
зано далее, при такого рода взаимодействии трудно
получить большую сплошную площадь контакта, в
особенности у металлов с существенно различными ме-
ханическими свойствами.
I. 6. ВЛИЯНИЕ НА ВОЗНИКНОВЕНИЕ СЦЕПЛЕНИЯ
ПЛЕНОК НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ
Рассмотрим теперь еще один фактор, затрудняющий
сварку металлов — наличие на любых поверхностях,
во-первых, окисных пленок и, во-вторых, различного
рода органических и иных загрязнений.
Как известно, на всех металлах, кроме так называе-
мых благородных (золото, платина и некоторые дру-
гие). в атмосферных условиях очень быстро возникает
Рис. 12. Пленка окислов на поликрис-
таллическом металле.
окисная пленка. Если эта пленка образуется в обычных
атмосферных условиях, она имеет небольшую толщину,
например у алюминия она равна 20—40 А, у меди
100—200 А, у железа 50—100 А, при этом толщина
пленки на зернах различной ориентации будет различ-
ной (рис. 12).
2* 1Я
Пленки эти обычно очень хрупки и значительно твер-
же, чем нижележащий металл. В качестве примера в
табл. 1 приведены данные твердости некоторых пле-
нок.
Таблица I
Металлы Твердость по Виккерсу Окислы Твердость по Виккерсу
Свинец . . . 4,5 РЬО 23
Алюминий . . 20 А12О3 1800
Медь . . . 39 Си2О 160
Железо . . . 72 Fe2O3 670
Поверхностное натяжение этих пленок значительно
ниже, чем у металлов (см. табл. 2).
Таблица 2
Металлы Поверхностное натяжение, эрг/см2 Окислы Поверхностное 1 натяжение, 1 эрг/см2
Железо . . . 1700 FeO 585
Алюминий . . 900 А12ОЛ 580
Цинк . . . 750 ZnO 450
Так как поверхностная энергия есть функция энергии
связи атомов, то силы взаимодействия между пленками
также будут значительно ниже, чем между металлами.
Вследствие высокой относительной твердости пленок
образование между ними значительной площади кон-
такта потребовало бы очень больших усилий, и, нако-
нец, если бы и образовалось соединение по окисным
пленкам, то из-за их высокой хрупкости, свойственной
большинству гомеополярных соединений, оно обладало
бы плохими прочностными свойствами — высокой хруп-
костью, низким сопротивлением ударным нагрузкам.
Поэтому окисные пленки должны быть удалены из
места соединения.
Еще более вредное влияние оказывают загрязняющее
поверхность органические пленки. Насыщая поверх-
ностные связи нижележащих металлов и окислов, они
20
резко уменьшают их поверхностное натяжение и силы
взаимодействия между ними. При пленках достаточной
таицнны они вообще предотвращают какое-либо за-
метное силовое взаимодействие между контактирующи-
ми металлами. Следовательно, и эти пленки также дол-
жны быть удалены из места соединения.
Удалить окисные и загрязняющие пленки с мест сое-
динения можно различными путями: механической очи^-
стхой и последующей пластической деформацией, как
•щи холодной сварке, очисткой, нагреванием и после-
дующей пластической деформацией, как при сварке со-
противлением. и. наконец, нагреванием до расплавле-
ния с переводом окислов и загрязнений в шлак при по-
мощи флюсов или с диссоциацией окислов и выгора-
нием загрязнений, как это происходит при сварке с рас-
плавлением. Далее, при описании отдельных способов
сварки будут более подробно рассмотрены способы
удаления пленок из зоны соединения.
Таким образом, для осуществления сварки в твердом
состоянии необходимым и достаточным условием яв-
ляется сближение соединяемых, свободных от окислов
т загрязнений поверхностей на расстояние параметра
кометатлической решетки. В результате возникают силы
^заимсдейсгвия. аналогичные силам между отдельными
кристаллами металлического тела. При этом должны
быть приняты меры для предотвращения разрушения
полученного соединения под действием напряжений,
возникших в результаты неоднородной деформации или
t М И Ч ОС К И X В 03 д е И CTE И !1.
2. ХОЛОДНАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ
2. I. СХЕМА ХОЛОДНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Сварка металлов в твердом состоянии, но при высо-
ких температурах осуществляется уже давно. Достаточ-
но описаны в литературе такие широко применяющие-
ся виды сварки, как сварка сопротивлением и газопрес-
совая сварка. В 1948 году появилось описание способа
сварки, особенностью которого является отсутствие на-
грева [8]. Этот способ получил в литературе название
холодной сварки. Следует отметить, что название это
21
нельзя признать удачнымt так как гкнмгтя холода а
тепла есть понятия субъективные и ими трудно харак-
теризовать физическое состояние металла. Эту сварку
нельзя назвать и сваркой при комнатной температуре^
1ЛК как ее можно осуществлять как при более низких*
так и при более высоких температурах. Наиболее пра-
вильно было бы называть этот вид сварки — сварку
Давлением без дополнительного нагрева.
Разработкой теории и технологии холодной сваркм
в нашей стране занимаются Институт машиноведении
АН Латвийской ССР, Научно-исследовательский инсти-
тут электросварочного оборудования в г. Ленинград^
Институт электротехники Академии наук Украинско|
ССР и другие организации.
Методом холодной сварки можно осуществлять все-
возможные соединения: встык, внахлестку, методов
прокатки и т. д.
Рис. 13. Схема односторонней (а) н дву-
сторонней (б) сварки металлов вна-
хлестку.
Схема осуществления сварки давлением без нагрева
крайне проста. Поверхности, подлежащие сварке, сгаь
щаются от загрязнений обезжириванием и обработкой
вращающейся проволочной щеткой или шабрением».»»
нанесением электролитическим путем толстого слое
окисла на алюминий, или нанесением относнтелыю
22
твердого толстого слоя покрытия на другие металлы.
В случае сварки проволоки или листа встык последние
подготавливаются откусыванием конца изделия или об-
работкой его напильником. Далее, при сварке внахлест-
ку вдавливаются с одной или двух сторон пуансоны
(рис. 13), при сварке проволоки внахлестку непосред-
ственно сдавливаются проволоки (рис. 14). При свар-
ке прокатом совместно прокатываются листы. Вдавли-
Рис. 14. Схема
сварки проволо-
ки внахлестку.
Рис. 15. Схема
сварки изделий
встык.
вание пуансонов, сдавливание проволок и обжатие при
прокатке производятся на величину, определяемую спо-
собом подготовки поверхности свариваемых металлов
и относительными размерами свариваемых листов.
При сварке изделия встык производится совмест-
ное сдавливание стержней, выходящих из зажимов
(рис. 15), или стержня и листа (или двух листов). Па-
раметром, определяющим процесс, в данном случае яв-
ляется величина осадки.
23
В последние годы были высказаны предложения осу-
ществлять холодную сварку путем сдавливания соеди-
няемых изделий с одновременным их тангенциальным
относительным смещением. Этот способ сварки получил
название сварки сдвигом. При сварке сдвигом возмож-
но как прижатие всего свариваемого изделия удельны-
ми нагрузками, малыми по сравнению с нагрузками
при обычной холодной сварке, так и прижатие только
части изделия, по высокими нагрузками — точечная или
шовная сварка со сдвигом. Принципиально возможна
также сварка встык со сдвигом.
2. 2. ТЕОРИЯ ХОЛОДНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Сварка при действии нормальных нагрузок
В первой главе были рассмотрены основы теории
сварки металлов и было показано, что необходимым ус-
ловием для осуществления сварки является образова-
ние большой площади истинного контакта между чи-
стыми поверхностями свариваемых металлов. Это ус-
ловие при сварке металлов давлением без нагрева осу-
ществляется в результате значительной деформации
при сдавливании и предварительной подготовке свари-
ваемых поверхностей.
При очистке поверхности вращающейся щеткой или
нанесении твердых гальванических покрытий мы не
только очищаем поверхности металлов от органических
загрязнений — в первом случае механически, а во вто-
ром электролитически, — но и облегчаем условия воз-
никновения в дальнейшем большой свободной от за-
грязнений и пленок площади контакта между сжимае-
мыми поверхностями. В этом можно убедиться, если
рассмотреть более детально картину возникновения ис-
тинного контакта между свариваемыми поверхностями.
Рассмотрим, например, сварку листов внахлестку. Пред-
положим, что осуществляется она по схеме, представ-
ленной на рис. 13. При вдавливании пуансонов начи-
нается деформация металла под пуансоном и растека-
ние контактирующих поверхностей.
24
Картина такого растекания представлена на рис. 16
(снимок сетки, деформированной при вдавливании
пуансонов). Как видно из рисунка, наибольшее растека-
ние имеет место под осями пуансонов. По мере удале-
ния от осей пуансонов растекание уменьшается. Под
поверхностями пуансонов линии сотки не деформирова-
/’//с 1ь. . Н-формания mct.li.ui при вдавливании
пуансонов [41].
ны, следовательно, пластической деформации не проис-
ходило.
Из теории пластичности следует, что в зоне, ограни-
ченной конусом, основание которого касается поверх-
ности пуансона, металл находится в состоянии одно-
родного всестороннего сжатия и поэтому деформиро-
ваться пластически нс может. Величина растекания —
увеличение расстояния между линиями сетки на оси
симметрии — зависит от величины отношения диамет-
ра пуансона к толщине листа. Из опыта следует
(рис. 17), что наибольшее растекание наблюдается при
d
отношении порядка единицы (а — диаметр пуансона,
25
Л — толщина листов), что подтверждается также рас-
четами»
Причину наибольшего растекания в центре листа
можно уяснить себе, если предположить, что при вдав-
ливании пуансонов одновременно происходит вдавли-
вание конусов из материала, находящегося в состоянии
всестороннего сжатия. Тогда, очевидно, деформация
Рис. 17. Зависимость величины
относительного растекания по-
верхности под осями пуансо-
нов от отношения диаметра
материала под конусами в
разных местах будет раз-
личной. Действительно, пе-
ремещение поверхности ко-
нусов при вдавливании пу-
ансонов будет происходить
на одинаковую величину,
т. е. абсолютная деформа-
ция будет всюду одинако-
вой, а относительная де-,
формация будет больше
там, где начальное расстб-.
яние между поверхностью^
конусов меньше, и в цент-
ре, где вершины конусов]
пуансона к толщине листа и
степени относительного внед-
рения пуансона (алюминий).
соприкасаются, теоретиче-
ски она должна быть бес^
конечной.
Очевидно, по мерс сбли-
жения пуансонов, величи-
на объема, занимаемого
недеформированным мате-
риалом, изменяется. На
рис. 18 показаны эти недеформированные зоны при
d
различных отношениях •
Заметим, что на практике при осуществлении холода
ной сварки пуансоны вдавливаются на глубину не мень-
ше чем 60% от толщины материала. Начальное отноше-
d '
. ние при этом обычно близко к единице. Легко убе-1
диться, что при такой глубине вдавливания централь-
ная зона по площади увеличивается во много раз и под
пуансонами находится материал, который перед дефор-
26
манией занимал очень небольшую относительную пло-
щадь под осевой частью пуансона. Таким образом, при
осуществлении холодной сварки в зоне возникновения
сцепления в результате' пластической деформации со-
здаются поверхности in материала, ранее находивше-
сося под поверхностью контакта Для того чтобы сцеп-
4г л,
ПГА
Рис. 18. Изменение формы конуса, находя-
щегося в условиях всестороннего сжатия,
но мере увеличения глубин вдавливания
пуансоном [41].
ленис при этом осуществилось, необходимо, чтобы за-
грязнения не попадали на вновь образованные поверх-
ности, а это будет зависеть от свойств пленок, находя-
щихся на поверхности под загрязнениями.
Если на поверхности будет мягкая и пластичная
27
пленка, то она будет деформироваться вместе с расте-
кающейся под ней поверхностью, и даже при весьма
значительном растекании она пли не разрушится и не
даст возможности вступить в контакт новым чистым
слоям поверхности металла, или если и разрушится»
то при очень больших деформациях. Как бы ни чистили
поверхности - механически и электролитически - в
обычных атмосферных условиях на них всегда останут-
ся какие-то загрязнения. Эти загрязнения будут расте-
каться вместе с пластичной пленкой и тем самым пре-
дотвращать истинный контакт как по пленкам, так и по
чистому металлу. Если пластичная пленка и разрушится
в процессе деформации, то. так как она все же будет
сильно деформироваться и сглаживаться, имеющиеся
Рис. 19. Разрушение пленки никеля на меди.
Глубина вдавливания пуансоном 60°э.
на ней загрязнения будут выдавливаться на появляю-
щиеся из-под пленок чистые слои металла. Таким об-
разом, присутствие пластичных пленок на поверхно-
стях, подвергающихся сварке, затрудняет осуществле-
ние сварки. Иная картина получится при наличии на
поверхности относительно твердой и малопластичной
пленки. При некотором сравнительно небольшом рас-
текании поверхности такая пленка треснет, и далее от-
дельные ее куски будут двигаться вместе с растекаю-
щейся поверхностью, не увеличиваясь по площади, сле-
28
довательно, в зоне контакта появятся большие площади
чистых поверхностей нижележащего металла.
Если, например, на медь будет нанесена пленка из
твердого никеля, то при общем растекании поверхности
в пять раз почти четыре пятых новой поверхности будут
свободны от пленки. Наименьшее количество осколков
пленок останется в центре под пуансонами (рис. 19).
Однако такие пленки полезны не тол ько тем, что по-
зволяют появиться новым поверхностям при растека-
нии. Вследствие их относительно высокой твердости
пленки мало деформируются, остающиеся на них за-
грязнения будут зажиматься между осколками пленок
(ибо, как показал опыт, пленки растрескиваются совер-
шенно симметрично) и выноситься из зоны сварки.
После разрушения и выноса из зоны сварки пленок
между чистыми поверхностями металлов, при давлении
порядка твердости металла, возникает сцепление в ре-
зультате действия сил межатомного воздействия.
Таким образом, для успешного осуществления холод-
ной сварки желательно наличие на поверхности метал-
ла относительно твердых пленок, мало деформирую-
щихся при общем растекании поверхностей. Однако воз-
можны и другие способы подготовки поверхностей —
шабрение, откусывание, прокаливание. При этом также
образуется некоторый поверхностный слой наклепан-
ного металла или более толстый, чем в естественных ус-
ловиях, слой окисла. По эти слои все же очень тонки
и обладают плохой несущей способностью. При дефор-
мации они не могут полностью вынести находящиеся
на них загрязнения из зоны сварки. Например, если на
поверхности металла находится пленка твердостью в
4—5 раз выше, чем у нижележащего металла, и тол-
щиной в десятки микронов, то возможна сварка даже
при предварительном загрязнении поверхностей мас-
, лом. После же шабрения и прокаливания не допуска-
ется никакого загрязнения, запрещается даже прикос-
новение руками.
При осуществлении очистки путем откусывания кон-
ца проволоки или шабрением необходимо тщательно
обезжиривать режущий инструмент.
В настоящее время при подготовке поверхностей к
сварке широко применяется обработка их вращающейся
29
металлической щеткой. При этом в зависимости от
режима обработки могут быть получены различные ре-
зультаты. Если обработку вести несколько притуплен-
ной щеткой с проволочками» расположенными под ост.
рым углом к очищаемой поверхности, то при правильно
выбранном усилии прижатия изделия к щетке на по-
верхности через 30—40 сек. появляется слой как бы
оплавленного металла, имеющего толщину 15—100 мик-
ронов и твердость, в несколько раз превышающую твер-
дость исходного металла. Толщина слоя и его твердость
у различных металлов получаются различными [9]. На-
пример, на алюминии можно получить слой толщиной
до 100 микронов твердостью 130—150 кг/мм2, на же-
лезе — толщиной 10—20 микронов твердостью 550—750
кг/мм2, меди — толщиной ^20 микронов твердостью
250—300 кг/мм2 и т. д.
Исследования показали, что этот слой содержит 10—
15% окислов (для различных металлов содержание
окислов различно), чем и определяется его твердость,
так как твердость окисла, как правило, значительно
превышает твердость чистого металла. Следует отме-
тить, что из окисленного алюминиевого порошка мето-
дом спекания изготавливается материал, содержащий
также около 10% окисла. Этот материал получил на-
звание «SAP» и имеет твердость около 130 кг/мм2, т. е.
примерно такую же, как и твердость слоя на алюми-
нии, обработанном металлической щеткой. Такое сход- ,
ство не случайно, так как в процессе обработки поверх- j
ности стальной вращающейся щеткой отдельные прово-
лочки, проходя по поверхности металла, сильно нагре-
вают ее, сдирают частицы металла и при следующем
обороте при сравнительно высокой температуре наносят^
на поверхность, причем во время вращения щетки ча-
стицы переносимого металла окисляются. Очевидно, ]
процесс образования слоя физически близок процессу
спекания, чем и объясняются полученные результаты.
Из сказанного следует, что, по-видимому, сцепление
возможно как между окисленными поверхностями, так
и Между окисленными и чистыми поверхностями. Одна-
ко для возникновения такого сцепления поверхность
должна быть свободна от загрязнений. При обработке
щеткой очистка поверхности достигается в результате
зо
механического воздействия и нагревания до высоких
температур.
Если образуется толстый поверхностный слой, как
описано выше, то сварка подобных изделий осуществля-
ется легко, даже при наличии видимых загрязнений на
поверхности.
Иная картина получается при обработке поверхности
острой щеткой в течение небольшого времени. При та-
кой обработке слой с хорошей несущей способностью
не образуется, поверхность царапается, т. е. происходит
просто механическая очистка поверхности. После такой
подготовки поверхности можно осуществлять сварку,
однако никакое загрязнение поверхности, например при-
косновение руками, при этом недопустимо.
Иногда задают вопрос, почему же не свариваются
обычные металлические поверхности, очищенные обез-
жириванием. Ведь на всех металлах имеются окисные
пленки, твердость которых значительно выше твердости
нижележащего металла. Однако, как следует из ска-
занного выше, пленка, облегчающая сварку, должна
быть не только относительно твердой, но и обладать
достаточной несущей способностью для выноса загряз-
нений из зоны сварки, т. е. такая пленка должна быть
достаточно толстой. Между тем естественные окисные
пленки имеют толщину порядка 10 ангстремов и, есте-
ственно, что при такой толщине ни о какой несущей
способности не может быть и речи. Пленка немедленно
теряет устойчивость, и все загрязнения сдавливаются с
нее на появляющиеся при деформации чистые слои ме-
талла.
Очевидно, в известных пределах, при данной толщи-
не, чем выше относительная твердость пленки, тем
легче может возникнуть сцепление. Однако такая за-
висимость будет существовать до тех пор, пока воз-
можно какое-то заметное растекание пленки при дефор-
мации. Дальнейшее увеличение относительной твердо-
сти значения не имеет, так как при этом по существу
не будет увеличиваться свободная от загрязнений по-
верхность металлов. Практически вряд ли следует стре-
миться к относительной твердости выше 4—5.
Следует напомнить, что для возникновения сцепле-
ния недостаточно только очистки поверхности и наличия
31
на ней относительно твердой пленки. В первой гд&
вс было показано, что если металл имеет высокий п
дел упругости, упрочняется и плохо сопротивляется ра
рушению при всестороннем растяжении, то даже п
абсолютно чистых поверхностях рассчитывать на
ннкновенне прочного сцеп лени я по приходится. Естесг
венно, чго в реальных условиях никакая пленка на т
mix металлах не увеличит вероятно
образования прочного сцепления. П
тгому при низких гомологических тем
пературах подобные металлы не свари
ваются. К таким плохо свариваюшимс
при действии только нормальных на
грузок металлам относятся углероди
стые и легированные стали, различно
рода бронзы и другие металлы и сила
вы.
То, что в данном случае дело не bi
«свариваемости», не в отсутствии сцеп-,
ления при образовании истинного кон-
такта, можно показать при помощи сле-
дующего простого опыта [10]. По схеме1
осуществления стыковой сварки сжима- i
ются не два образца, а один целый об-1
разец до деформаций, соответствующих|
деформациям при стыковой сварке!
(рис. 20). Если после этого вынуть об-|
разец из зажимов и испытать на разрыв,!
то можно убедиться, что его прочность!
.крайне низка вследствие появления тре-1
щин, перпендикулярных оси в зоне свар-1
ки. В некоторых случаях даже происхо-1
дит разрушение образца сразу после!
снятия нагрузки. ]
Однако и такие металлы можно сва-
ривать в холодном состоянии, но с по-
следующим отжигом без снятия нагрузки. Об этом
будет сказано несколько ниже.
Если поверхность подготовлена правильно и дана
достаточная деформация, то в результате осуществлю
ния сварки физическая граница между свариваемыми
телами ликвидируется. На рис. 21 приведены мщеро-
P
Рис. 20. Схема
сжатия целого
стержня.
Рис- 21. Микрошлиф зоны сварки образца из меди. Относи-
тельная глубина в заиливания пуансона 71%. Увел. 450.
Рис. 22. Микрошлиф зоны сварки медных образцов после
отжига при 600°С в течение 2—5 часов. Увел. 450.
шлифы различных сваренных образцов. Как видно и$
рисунка, линия снарки ничем не отличается по внешне-
му виду от обычной границы между кристаллами. После
отжига таких образцов снимается и наклеп в зоне свар-
ки, происходит совместная рекристаллизация, и линия
сварки уже не всегда может быть определена на шлифе
(рис. 22).
Сварка сдвигом
Рис. 23. Схема перемещения и
развития мостика между металли-
ческими поверхностями.
При сварке сдвигом механизм образования сварного
соединения несколько иной. ।
Рассмотрим вначале случай сварки сдвигом, когда ,
удельное нормальное давление значительно меньше
твердости образца и образец при приложении этого
давления вдали от свариваемой поверхности пласти-
чески не деформируется. Деформация идет только по
контактирующим неров- j
постям. При этом на* !
чальная площадь кон- j
такта значительно мень- (
ше кажущейся площади
контакта.
Исследования пока-
зы в а ют, что когда при-
ложена такая нормаль-
ная нагрузка, то проис-
ходит только деформа-
ция неровностей, их по-
верхности растекаются
мало [11], следователь-
но, и площадь контакта,,
свободная от загрязне-
ний и окисных пленок,,
также будет мала. Да*
лее прилагается тангенциальная сила и начинается пе-
ремещение. В процессе этого перемещения происходит
сдирание окисных пленок и загрязнений с образованием
отдельных мостиков контакта. Эти мостики увеличива-
ются в размерах и передвигаются по поверхности не
разрушаясь. Это объясняется тем, что при действии
нормальных нагрузок и напряжений сдвига пластич-
ность металла резко возрастает, и поэтому подоб-
ное перемещение мостов сцепления возможно. На
рис. 23 показана схема развития и перемещения этих
мостиков, на рис. 24 представлен макрошлиф отдель-
ного мостика.
Как видно из рис. 23, впереди перемещающегося
Риг. 24. Макрошлиф мостика сцепления между алюминиевы-
ми поверхностями. Увел. 5.
моста движется навал, а сзади возникает выемка, в
которой помещается навал, образующийся на противо-
положной стороне*. Общая площадь таких мостов сцеп-
ления получается меньше, чем кажущаяся площадь
контакта, однако значительно больше площади кон-
такта, определяемой по твердости контактирующих
поверхностей. По-видимому, в этом случае площадь
контакта после некоторого перемещения будет порядка
отношения приложенной нормальной силы к пределу
прочности.
* Очевидно, такая картина может иметь место только у
упрочняющихся металлов.
з*
38
Прочность сцепления при сдвиге, отнесенная к кажу,
тейся площади контакта, получается небольшой.
В табл. 3 в качестве примера приведены данные для
некоторых металлов.
Таблица 3
1 Металл пары Сопротивление срезу, кг/мм2 Сопротивление ие отрыв, кг/мм4
Алюминий . . 1,50 0,85
Медь .... 2,32 0,20
Железо-армко . . 2,66 0,06
Как видно из таблицы, удельное сопротивление раз-
рушению при сварке получается намного ниже, чем
при обычной холодной сварке.
Однако картина существенно меняется, если сопро-
тивление срезу отнести не к кажущейся, а к истинной
площади контакта. Это отношение можно определить,
стравив один из контактирующих образцов настолько,
чтобы образовалась тонкая фольга, оборвав которую
можно было бы определить зоны контакта.
Таблица 4
Металл пары
Истинное сопротивление
срезу, кг/мм2
Алюминий кат.
Медь кат. . .
Железо-армко
Ст. У-8 . .
47
120
При таком расчете сопротивление срезу получается
порядка предела прочности металла и даже выше (см.
табл. 4). Однако сопротивление отрыву для меди и же-
леза получается все же низким. Это объясняется тем,
что при отрыве происходит разрушение образцов с ост-
рыми надрезами, кроме того, при таком испытании не-
избежно действие разрушающих моментов. Заметим,
что при достаточной величине нахлестки всегда Можно
получить прочность сварки, равную прочности целого
36
материала, но шов в таком случае, очевидно, не может
быть герметичным.
При сварке сдвигом разноименных металлов прочное
остаточное сцепление будет возникать только у метал-
лов с близкими механическими свойствами, например
наклепанного алюминия и отожженной меди и некото-
рых других. В противном случае невозможно переме-
щение мостов по поверхности контакта и, следователь-
но, в процессе относительного перемещения будут раз-
Рис. 25. Сварка сдвиюм при одновременном
вдавливании пуансонов.
рушаться ранее возникшие мосты сцепления с соответ-
ствующим низким остаточным сопротивлением.
Роль пленок при сварке сдвигом также отличается
о г их роли при действии только нормальных нагрузок.
Наличие на поверхности мягких тонких пленок предот-
вращает сильное сцепление. Это объясняется тем, что
хотя сцепление между мягкими тонкими пленками и
возникает, однако развитие больших зон сцепления не-
возможно, так как нижележащий металл предотвра-
щает образование навалов и выемок. При наличии твер-
дых и хрупких пленок характер явления зависит от
толщины пленки. Если они достаточно толсты и не про-
давливаются при данных нагрузках, то существенного
сцепления не возникает, так как площадь контакта по
пленкам мала. Если пленки тонкие, то они сдираются,
37
продавливаются, разрушаются, и далее процесс идет
как при отсутствии твердых пленок.
Второй случай сварки сдвигом (рис. 25), когда при-
кладывается нормальное давление такого же порядка,
как и при обычной холодной сварке, дает соединения
значительно более прочные. Здесь тангенциальное
смещение соединяемых изделий дает возможность
Рис. 26. Зависимость сопротивления разрушению
при сдвиге от глубины вдавливания пуансонов и
величины поверхностного смешения [19].
О — смещения нет,
X — смещение 2 мм,
ф — смещение 6 мм,
Н--смещение 8 мм.
получить сравнительно большие площади очищенных
от пленок поверхностей при сравнительно небольшом
растекании каждой из них. С другой стороны, наличие
тангенциальной силы уменьшает сопротивление пласти-
ческим деформациям и при данной нормальной силе по-
зволяет получить большую площадь контакта. Это ве-
дет к тому, что при точечной сварке сдвигом заметные
силы сцепления развиваются уже при сравнительно не-
больших деформациях и усилиях (рис. 26).
Из рис. 26 следует также, что максимальное сопро-
тивление разрушению получается при деформациях,
38
примерно таких же, как и при обычной холодной
сварке.
Осуществление сварки сдвигом возможно также при
стыковом сжатии, при этом величина силы сцепления
получается не ниже приложенной силы сжатия. Отно-
сительное перемещение' в этих опытах производится с
малой скоростью, например вручную [12]. Осуществле
нне подобного рода сварки при относительном враще-
нии с большой скоростью, когда имеет место сильное
нагревание поверхностей, будет описано далее.
Подготовка поверхности для сварки сдвигом должна
заключаться в ее очистке напильником или наждачной
бумагой для ликвидации толстых окисных пленок и за-
метных загрязнений. После этого желательно произ-
вести обезжиривание.
2. 3. ТЕХНОЛОГИЯ ХОЛОДНОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Выше были описаны возможные способы подготов-
ки поверхности к холодной сварке. Во всех случаях,
когда это эконономически целесообразно, следует осу-
ществлять предварительное обезжиривание какими-
либо растворителями, например бензолом, после чего
производить дополнительную обработку и чистку по-
верхности, подлежащей сварке.
Наиболее распространенным является способ обра-
ботки поверхности вращающейся металлической щет-
кой. Щетка берется диаметром 130 —150 мм, диаметр
стальных проволочек - 0,35—0,40 мм. Расположение
проволочек щетки должно быть наклонным по отноше-
нию к очищаемой детали. В этом случае, как указыва-
лось, образуется ровная, обладающая хорошими свой-
ствами корочка. Время очистки — несколько десятков
секунд.
При очистке поверхности прокаливанием детали сле-
дует выдерживать при температуре 450° не менее 10
20 мин.
При шабрении поверхности детали могут шабриться
любым инструментом. Шабр желательно обезжирить.
При сварке встык проволока или листы должны обре-
заться специальными ножницами или кусачками с пря-
мым резом, которые также должны быть обезжирены.
39
BOWIWKHH обработка поверхности напильником. На,
М«ДЬ Может гальванически наноситься твердая пленка *
ШЖ никеля. На алюминий может наноситься окисный! '
слей. г
Основным параметром, определяющим ход холодной!
сварки, является необходимая величина деформаций; г
металла в месте соединения. Эта величина зависит <^1 1
типа соединения, размеров соединяемых изделий '
способов подготовки поверхности. j
Рассмотрим сначала, чем определяется степень пл а.;
стической деформации при сварке металлов внахлестку
причем будем предполагать, что свариваются листы
одинаковой толщины. В этом случае диаметр пуансона
должен быть взят по возможности равным примерно
удвоенной толщине листа, для получения наименьшей
деформации. Если вдавливаются продолговатые пуан.
соны, то ширина пуансона должна быть равна удвоен,
ной толщине. Опыт и расчеты показывают, что величи-
на вдавливания пуансонов для получения прочного'
сцепления должна быть при применении продолгова-
того пуансона несколько меньше, чем при применении
круглого. Далее глубина вдавливания зависит от спо-
соба очистки. При обычных способах подготовки по-
верхности, т. е. при помощи обработки стальной вра-
щающейся щеткой с острыми проволочками, и при
непродолжительном времени обработки образуется об-
щеизвестный ряд сцепления, полученный еще изобрета-
телем этого способа [18]. Этот ряд может быть пред-
оставлен следующим образом.
Ж. Ряд сцепления
Относительная глубина
вдавливания пуансона, %
55—60
85—90
80—85
85—88
70—75
82—86
Наименование металла
Алюминий
Медь
Свинец
Олово
Титан
Серебро
Если же нанести на металлы относительно твердые
пленки, например на медь — пленку твердого никеля,
то прочное сцепление достигается уже при деформации
40
в 60%, а максимальная прочность — при деформации
примерно в 7ОР/о.
Еще более изменится картина, если при подготовке
поверхности принять меры к предотвращению повтор-
ных загрязнений. Тайлекот [13J, например, осуществлял
сварку через 10 сек. после окончания обработки обез-
жиренной металлической щеткой. В этом случае у ряда
мягких металлов сцепление возникало уже при дефор-
мации порядка 10% (рис. 27), а при деформации
Рис. 27. Зависимость сопротивления раз-
рушению от глубины вдавливания пуан-
сонов по данным Тайлекота.
О — свинец,
Ц — цинковый сплав,
• — кадмиевый сплав.
30—4О°/о оно достигало значительной величины. Од-
нако, как следует из графика, максимальная прочность
и в этом случае достигается при деформации 50—70%,
так как только при этих деформациях большая часть
окисных пленок удаляется из места соединения.
Из сказанного следует, что у металлов достаточно
пластичных и мягких, у которых остаточные напряже-
ния после снятия нагрузки неспособны разорвать воз-
никшие сцепления, можно получить прочные сцепле-
ния, равные примерно сопротивлению на срез целого
металла при деформации на 55—65%. Для этого на по-
41
мрхностъ нужно нанести относительно твердые ллеащ
механическим, химическим или электрохимическим ея*,
собой.
Все сказанное относится и к шовной сварке киаж*.
«тку, осуществляемой катящимися роликами, так к*
эта сварка принципиально не отличается от гдтстщ
сварки, а также и к случаю вдавливания пуансонов»
свободно лежащие листы.
Картина несколько меняется при ограничении дефор.
Рис. 28. Схема сварки с
ограничением деформации
при помощи зажимных
плит.
мации свариваемых лисп*
при помощи зажимниг
плит (рис. 28). В этом еду
чае, если продолжать вда-
вливать пуансоны сверг
указанных величин, щ
сначала прочность соедгi
нения будет падать, но да-
лее, вследствие выдавли-
вания зоны сцепления за
границы периметра пуан-
сона начнется образование I
периферийной зоны сцеп- I
ления, и прочность сцепле- I
ния значительно возрастет. I
При этом весьма знача- I
гельно увеличивается так- I
же сопротивление вырыву.
При сварке листов неодинаковой толщины необходи-
мо обеспечить достаточно большое растекание поверху
ности в месте соединения листов. Нетрудно понять, что]
если взять пуансоны одинаковой величины, то макси-j
мальное течение металла будет иметь место пример»!
но посередине между пуансонами, а не в месте предпо-1
лагаемого соединения. Поэтому необходимо взять пуаи-J
соны разного диаметра — с большим диаметром со сто-’
роны более тонкого материала. Предельным случаем
будет переход к одностороннему вдавливанию пуансо-
нов (рнс. 29). Причем, очевидно, для листов разжй
толщины пуансон должен вдавливаться со стороны б*
лее толстого материала. Можно, конечно, вдавливать
и со стороны более тонкого материала, но тогда диаметр
пуансона должен соответствовать толщине более тон-
кого материала, а при очень тонком материале прихо-
диться брать и пуансон соответствующего диаметра. В
результате прочность сварной точки будет мала.
При сварке листов из разного материала также необ-
ходимо обеспечить течение в месте соединения, чего в
данном случае можно достигнуть лишь в результате
применения пуансонов различных диаметров. Заметим,
что удовлетворительную по прочности сварку в данном
Рис. 29. Макрошлиф спарки меди и алюминия
при одностороннем вдавливании пуансона.
случае можно получить только при отношении твердо-
сти не больше 2,5—3 [14].
Величина усилий при сварке внахлестку весьма су-
щественно зависит от способа закрепления свариваемых
деталей. При ограничении изгиба свариваемых листов
и течения металла вверх сопротивление вдавливанию
резко возрастает, так как растет величина бокового
сжатия металла, которое приближается к давлению,
приложенному к пуансонам.
Для чистого алюминия величина удельного сопро-
тивления при свободном течении металла получается
порядка 1,5 HOt а для зажатых листов порядка 4—4,5А/Д.
При сварке встык величина необходимой деформа-
ции поверхностей достигается при помощи выбора
43
определенной величины вылета деформируемых частей
изделия и в данном случае именно величина вылета яв-
ляется основным параметром сварки. При этом следу,
ет иметь в виду, что величина вылета, помимо способа
подготовки поверхности, существенно зависит от спосо-
ба закрепления изделий и общей жесткости конструк-
ции. Это объясняется следующим образом: если при
данной осадке металл имеет возможность течь в зазоры
зажимов, то картина течения металла на поверхности
меняется, растекание поверхности уменьшается, а неод-
нородность деформации увеличивается. Это ведет к то-
му, что после снятия нагрузки сцепление или разрушает-
ся остаточными напряжениями, или разрушается при
приложении небольшой нагрузки.
Легко понять, что чем больше диаметр свариваемого
изделия, тем меньше относительное влияние зазора в
зажимах на возникновение сцепления. Это обусловлено
тем, что с ростом диаметра свариваемого стержня пло-
щадь растет пропорционально квадрату диаметра, а
объем — пропорционально кубу диаметра, и относи-
тельное количество металла, вытекающего в зазоры
данной величины, быстро уменьшается. Опыт пока-
зывает, что если сварка медной проволоки диаметром в
3 мм легко осуществляется клещами любой конструк-
ции, то для сварки проволоки диаме1ром в 1 мм прихо-
дится изготавливать зажимы по высокому классу точ-
ности.
Правда, в этом случае, очевидно, играет роль боль-
шая неоднородность деформации у стержней меньшего
диаметра.
Так же обстоит дело и с величиной вылета. Чем боль-
ше диаметр, тем меньше можно брать величину отно-
сительного вылета, так как чем больше диаметр, тем
больше реальное растекание поверхности при данной
величине вылета, тем меньше влияние разрушающих
напряжений. Опыт подтверждает эти рассуждения [15].
При сварке медных и алюминиевых проводов диамет-
ром 1—3 мм относительная величина вылета близка к
одному диаметру провода (для меньших диаметров бе-
рут несколько бблыиие значения). В то же время при
сварке стержней диаметром 20—30 мм можно брать ве-
личину вылета 0,6—0,7 диаметра.
44
Заметим, что методом сварки встык может осущест-
вляться сварка как различных круглых стержней, так
и весьма протяженных изделий, например шин, полос.
В настоящее время уже осуществляется сварка изделий
с отношением толщины к длине больше 25 (рис. 30).
Сварка изделий из разноименных металлов также
должна осуществляться таким образом, чтобы макси-
мальное течение металлов было па поверхности сварки.
Рис. 30. Сварка встык листового алю-
миния толщиной 2 мм и длиной 50 мм.
Для этого следует брать вылеты разной длины или
стержни разного диаметра.
При сварке стержней из металлов, сравнительно труд-
но свариваемых, например наклепанной меди и алюми-
ния, следует принять особые меры для предупреждения
загрязнений поверхностей, подлежащих сварке. Для
этого инструмент, используемый для подготовки поверх-
ности, должен тщательно обезжириваться. Если и в
этом случае сварка получается недостаточно прочной,
то можно рекомендовать повторную сварку. После пер-
вой сварки провода передвигаются в зажимах еще на
один диаметр и снова сжимаются. В этом случае
загрязнения, оставшиеся в зоне сварки после первого
сжатия, выдавливаются и возникает прочное сцепление.
Следует обратить внимание на то, что при сварке раз-
45
поименных мс1аллов возможно осуществление сварки
металлов, у которых сцепление после снятия нагрузки
не сохраняется. с пластичными сваривающимися без
нагрева металлами. I l.iiipiiwcp, можно сварить м ал оу г-
леродкетую сталь и медь или алюминий. Сцепление и
'♦том случае возможно цоюму, что разряд остаточных
напряжений происходит в ' .....*.... ......
Рис 31. Сварка встык с
пластичной прокладкой (же-
лезный провод d — 5 мм,
прокладка из алюминия
толщиной 3 мм).
более мягком и пластичном
металле без разрушения
сцепления. При /том де-
формация вдавливание
пуансонов, необходимая
для осуществления сварки,
оказывается немного боль*
ше деформации, необходи-
мой для сварки более пла-
стичного металла. Напри-
мер, при сварке малоугле-
родистой стали и алюми-
ния прочное сцепление
возникает уже при дефор,
мании, близкой к 70%
Эти данные еще раз под'
тверждают соображения о
преимущественном влия-
нии остаточных напряже-
ний на прочность сцепле-
ния после снятия нагруЗКи
Развивая эту идею даль-
ше, логично прийти к мыс-
ли об использовании пла-
стичных прокладок для
осуществления сварки металлов, jie сваривающихся в
обычных условиях (рис. 31). Действительно, в этом
случае разрядка остаточных напряжений будет проис-
ходить с одной и другой стороны прокладки.
Исследования показали, что оптимальная прочность
получается при определенном отношении толщины про-
кладки к толщине листов. Например, стержни из ма-
лоуглеродистой стали, сваренные с прокладкой из ме-
ди, оказываются наиболее прочными при толщине про-
кладки, равной 0,5 диаметра.
46
И Заметим, что общая прочность сварки оказывается
Н гораздо выше, чем прочность меди на разрыв. Напри-
В мер, в данном случае удельная прочность на разрыв
оказывается равной 60 кг/ мм2. Весьма любопытно так-
ВЦ же то, что разрушение происходит не по прокладке, а
ж вблизи нее по стали.
J Такие результаты не являются удивительными. Дей-
F ствительно, после деформации прокладка имеет отно-
f шение диаметра к толщине порядка нескольких десят-
[ ков, а в этом случае, как показывает расчет, прочность
тела может возрасти в несколько раз. С другой сторо-
ны, сильно деформированные слои стали, прилегающие
к медной прокладке, несмотря на некоторую разрядку,
находятся в напряженном состоянии и при дополни-
тельном растяжении разрушаются ранее прокладки,
вследствие их большой хрупкости.
Мы рассмотрели основные способы сварки — внах-
лестку и встык, листов и стержней — при приложении
только нормальных нагрузок. Но возможна также свар-
ка листа и стержня встык и внахлестку, сварка стерж-
ней внахлестку, различные комбинированные способы
сварки. Все эти варианты сварок описаны в литерату-
ре [5, 15].
Основными параметрами при холодной сварке сдви-
гом являются величина удельного давления и величина
сдвига. Величина удельного давления должна быть воз-
можно большей, причем такой, чтобы не предотвраща-
лось относительное перемещение поверхностей. По-ви-
димому, в обычных условиях эта величина должна быть
порядка 0,25 . Величина относительного сдвига не
зависит от размера изделий и, вообще говоря, опреде-
ляется удельным нормальным давлением и геометрией
трущихся поверхностей. Достаточная площадь сцепле-
ния при обработке поверхностей напильником будет
возникать после сдвига на 5—7 мм. Если поверхность
полирована или шлифована, то величина сдвига должна
быть несколько больше.
Прочность соединений сваркой сдвигом на срез мо-
жет быть получена высокой, если взять достаточную ве-
личину нахлестки, однако сопротивление отрыву в
обычных условиях всегда будет низким.
Иная картина получается при сварке сдвигом, но при
47
движении с большей скоростью. В этом случае
повышается температура и можно получить сцеплен^
по всей поверхности с соответствующей прочностью.
Этот случай называется сваркой трением и будет рас.
смотрен далее.
$
с
с
2. 4. ПРОЧНОСТЬ ХОЛОДНОСВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
Прочность нахлесточных холодносварных соединений,
как правило, выше прочности соединений, полученных
контактной сваркой. Например, при отношении ~ 2
сопротивление на срез холодносварных точек полу-
чается около (0,7—0,8) ов . При контактной сварке эта
величина близка к (6,3—0,4) <т5. Сопротивление на от-
рыв и в том, и другом случае порядка 0,3 —0,4 от сопро-
тивления на срез. Следовательно, при холодной сварке
оно выше.
Если применять сварку с ограничением деформации,
то сопротивление на отрыв будет 0,75—0,8 сопротивле-
ния на срез, т. е. значительно выше.
При росте отношения удельная прочность начнет
падать. Это обусловлено тем, что при испытании холод-
носварных соединений на срез происходит вырыв свар-
ной точки и фактически на срез работает боковая по-
d
верхность точки. Но с ростом , во-первых, растет не-
обходимая деформация для обеспечения прочного сцеп-
ления, т. е. уменьшается остаточная высота материала,
во-вторых, необходимое усилие разрушения растет про-
порционально радиусу пуансона, в то время как рас-
четная площадь (площадь пуансона) растет пропорцио-
нально квадрату радиуса. Таким образом, удельное
сопротивление на срез при расчете на площадь пуансо-
на должно падать быстрее, чем растет диаметр пуан-
сона.
Опыт подтверждает эти рассуждения, однако только
«Ри Й > 2’5 УДеЛЬНа" прочность точечной холодной
48
сварки может сравниваться с удельной прочностью кон-
тактной сварки, а сопротивление на отрыв у холодно-
сварных соединений с периферийной зоной всегда выше
сопротивления на отрыв точек контактной сварки.
Прочность стыковой сварки всегда, при правильном
ее проведении, будет выше прочности целого металла.
Это обусловлено тем, что сцепление возникает по всей
площади контакта, а в месте соединения металл сильно
наклепан. Физические свойства холодносварных соеди-
нений не отличаются от свойств наклепанного металла,
з после отжига — от свойств металла в отожженном
состоянии.
2. 5. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХОЛОДНОЙ СВАРКИ
В настоящее время холодная сварка уже довольно
широко применяется в промышленности. Она исполь-
зуется для изготовления бытовых приборов из алюми-
ния — чайников, подставок, различного рода каркасов;
Довольно широкое применение она нашла в электромон-
тажном производстве, например применяются разрабо-
танные Институтом машиноведения АН Латвийской
ССР ручные клеши для сварки проводов внахлестку и
встык при монтаже сетей связи и электропроводки в
Домах. Подобны** хлещи конструировались и в других
организациях [1*3. 17].
Во Всесоюзном на\чно-исследовательском институте
электросварочного оборудования (ВНИЭСО) разрабо-
тан и построен ряд машин с использованием пневмогид-
равлического принципа для сварки электрочайников,
приварки накладок на алюминиевые шины, сварки
троллейного провода (рис. 32), сварки встык шин.
В Англии разработаны машины для сварки проводов
встык, для заварки алюминиевой оболочки кабелей, та-
кие машины построены и на наших кабельных заводах.
Весьма любопытен способ изготовления теплообмен-
ников для холодильников [18]. На поверхность листов из
алюминиевого сплава, предварительно обработанных
вращающейся стальной щеткой, специальной краской,
с учетом будущей деформации, наносят расположение
трубок теплообменников. Далее листы совместно про-
катываются до деформации, необходимой для возник-
4 - 2347
49
а) общий вид; б) схема машины: 1 — золотниковый цилиндр;2 — распределительный кран; 3 — клиновые
зажимы; 4 — подвижная плита; 5 — неподвижная плита; 6 — гидроцилиндр; 7 — шток; 8 — приспособ-
ление для образца проводов; 9 — масляный кран.
новения сцепления. В результате возникает сварка по
всей поверхности, за исключением мест, покрашенных
краской. Затем сваренные листы отжигаются, краска
при этом испаряется; листы закладываются в пресс с
фигурными выемками на плитах там, где должны нахо-
дится трубки теплообменника. Через участки, ранее по-
крытые краской, пропускается
под давлением жидкость, они
выпучиваются и образуют труб-
ки теплообменника. Так как вы-
пучивание ограничено пластина-
ми пресса, то трубки образу-
ются одинаковой толщины и
высоты. Таким образом свари-
вают листы длиной до 2540 мм
и шириной до 380 мм. После
сварки листы можно перегибать
даже без заполнения трубок во-
дой.
Холодная сварка широко ис-
пользуется при постройке атом-
ных реакторов для заварки обо-
лочек из алюминиевого сплава
(рис. 33).
В настоящее время области применения описанного
вида холодной сварки еще далеко не определены. Без-
условно, в ближайшие годы она найдет несравненно бо-
лее широкое применение.
Холодная сварка сдвигом применяется на Москов-
Рис. 33. Схема завар-
ки оболочек урановых
стержней.
урановых стержней
Рис. 34. Отбортовка корпуса и
крышки перед сваркой.
Рис. 35. Вид сварного соедине-
ния в конце рабочего хода
пуансона.
4*
51
окон заводе малолитражных автомобилей для сварки
листов из малоуглеродистой стали. Имеется интересное №
применение сварки сдвигом для образования кольцево- ж
го шва при приварке крышки к цилиндрическому кор-
пусу [19]. Края крышки и корпуса отбортовываются, как
показано на рис. 34, и далее ступенчатый пуансон вдав-
ливает крышку внутрь, прижимая ее к стенкам корпу-
са. В конце хода пуансона свариваются края корпуса
и крышки (рис. 35). Таким способом можно заваривать I
корпуса конденсаторов, различного рода контейнеров н
и других изделий. 1
3. СВАРКА МЕТАЛЛОВ ПРИ ПОВЫШЕННЫХ
ГОМОЛОГИЧЕСКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Одним из недостатков холодной сварки меУ 0'пст-
препятствующих ее широкому внедрению в про»3 ме.
во, является необходимость больших деформа11И1 ,тоЯ-
талла в месте сварки. При сварке встык это оос t
тельство. конечно, не имеет серьезного значения, но
сварке внахлестку, во-первых, ухудшается внешни и
и, во-вторых, существенно уменьшается сечение в е
сте сварки. Сравнительно высокая прочность 3 м
соединения при этом получается за счет наклепа *
талла при вдавливании пуансонов.
Уменьшить величину деформации можно путем свар^
ки при более высоких температурах. Если повышенна
температура будет меньше температур рекристаллиза-
ции и интенсивных диффузионных процессов, то 3ФФе1\
повышения температуры будет сказываться, главным
образом, на уменьшении сопротивления металла пла-
стическим деформациям. Кроме того, будут несколько
снижаться упругие остаточные напряжения, которые
разрывают возникающие при сварке зоны контакта.
При температурах выше температур рекристаллиза-
ции будет происходить резкое снижение сопротивления
неровностей пластическим деформациям, что позволит
достигнуть больших площадей контакта при малых
растеканиях, кроме того, практически будут отсутство-
вать разрывающие остаточные напряжения. Поэтому
при таких температурах начнется сцепление при значи-
52
тельно меньших деформациях. На рис. 36 приведен гра-
фик зависимости деформации, необходимой для сварки
алюминия, от температуры. Следует, однако, заметить,
что для осуществления сцепления на всей площади
контакта необходимо удалить из зоны контакта окисные
пленки, что возможно или при соответствующей дефор-
мации, или в результате растворения пленок в нижеле-
жащем металле.
Рис. 36. Зависимость деформации, при
которой начинается сцепление алюми-
ния, от температуры. Поверхность обра-
ботана щеткой.
Такое растворение может быть только у некоторых
металлов (наприме р, стали) при затрудненном досту-
пе кислорода к месту контакта в результате шлифова-
ния свариваемых концов и их сжатия еще до повыше-
ния температуры в месте соединения. Кроме того, для
заметного растворения необходимы температуры, зна-
чительно выше рекристаллизационных.
Таким образом, при температурах, когда заметного
растворения окислов не происходит, полное сцепление
на всей площади контакта возможно только при доста-
точно высокой деформации, такой, как и при холодной
сварке.
Серьезное уменьшение степени деформации с одно-
временным образованием большой площади контакта
может быть достигнуто при нагреве в вакууме с после-
дующей сваркой в вакууме. В этом случае окислы
53
будут Ра^вор^7чнВваНт^ве^сте с удаляемым
ХТоГдуха Опытные установки для сварки в Ва^
^мХ“ный эффект может быть достигнут При
греве“в нейральной или восстановительной атМо^
%
и
₽аДля осуществления сварки при повышенных теМ11(,
ратурах необходимо предварительно прогревать изде.
лия и сварку производить подогретым инструментов
Так, при повышенных температурах осуществляется
сварка некоторых алюминиевых сплавов, которые при
комнатных температурах недостаточно пластичны.
Иногда осуществление обычной сварки при повышен-
ных температурах затруднительно вследствие высокой
активности свариваемых металлов и их быстрого окис-
ления в процессе сварки. В этом случае сварку можно
осуществить при помощи предварительного совместно-
го пластического деформирования, как при холодной
сварке, с последующим отжигом для снятия остаточных
напряжений.
Как уже отмечалось в первой главе, при осуществле-
нии контакта между чистыми металлическими поверх-
ностями обязательно возникает сцепление между этими
поверхностями, однако после снятия нагрузки это сцеп-
ление может быть разрушено остаточными напряжени-
ями. Предупредить такое разрушение можно снятием
остаточных напряжении при помощи нагрева до темпе"
ратур, превышающих температуры рекристаллизаций-
Нагрев должен осуществляться до снятия нагрузки»
при помощи которой получена данная деформация.
Опыты показали, что таким образом можно свари-
вать металлы, не сваривающиеся при холодной сварке
из-за высоких прочностных характеристик и сравнитель-
но малой пластичности (например, различные углеро-
дистые стали). Единственным условием для осущест-
вления подобной сварки является пластичность, доста-
точная для реализации необходимой предварительной
деформации. Таким образом, для этого вида сварки
нужно устройство, позволяющее деформировать свари-
ваемые образцы до величины 70—8О°/о, и источник теп-
ла для нагрева сваренного изделия без снятия нагруз-
54
<и. Таким источником может быть электрическая часть
машины для контактной сварки соответствующей мощ-
ности или пламенная горелка. Если используется токо-
вый нагрев, то зажимы или пуансоны должны быть
электрически изолированными от каркаса машины.
4. СВАРКА МЕТАЛЛОВ ТРЕНИЕМ
4. 1 СХЕМА СВАРКИ МЕТАЛЛОВ ТРЕНИЕМ
На принципиальную возможность использования теп-
лоты трения для сварки металлов указывалось неодно-
кратно, однако серьезные работы в этой области нача-
лись только после того, как А. Чудиков на практике,
используя токарный станок, доказал пригодность этого
способа для создания неразъемных соединений с хоро-
шими прочностными характеристиками.
Схема процесса сварки трением очень проста. Одна
из свариваемых деталей (рис. 37) зажимается в каком-
либо приспособлении, другая деталь прижимается к
первой с некоторой силой Р и приводится во вращение
с угловой скоростью, определяемой требуемой темпера-
турой нагрева. В результате выделения тепла при тре-
нии трущиеся поверхности нагреваются до высоких тем-
Рис. 37. Схема сварки металлов
трением.
ператур, достигающих в отдельных точках поверхности
температуры плавления. Сопротивление металла пла-
стической деформации в зоне нагрева резко снижается,
происходит осадка и возникновение прочного сцепления
между сжимаемыми поверхностями. После возникнове-
ния прочного сцепления или прекращается вращение,
или отпускаются зажимы, крепящие неподвижную де-
таль, с тем чтобы продолжающееся вращение не
55
разрушило сцепления. Нетрудно заметить, что проце^ I
сварки трением отличается от холодной сварки сдвигом, | i
собственно, только большей скоростью относительного 1 )
перемещения и повторностью перемещения. Однако это ! ।
обстоятельство ведет к качественным особенностям, I <
обусловленным повышением температуры металла в ме- 1
сте соединения. I
Исследование процесса сварки трением производи- |
лось во ВНИИЭСО, ЦНИИТМАШе и др. организа- I
циях. Во ВНИИЭСО построен ряд машин для сварки I
трением [20—22]. I
4. 2. ТЕОРИЯ ПРОЦЕССА СВАРКИ ТРЕНИЕМ
Г9Ч 24,
Некоторые вопросы теории сухого трения
сите льно
При любом перемещении одного тела отно нИЯ
другого возникают силы трения, а работа сил н
переходит в тепло. мо>кет
Физическая природа трения между телами 1
быть различна. Если между трущимися поверхн0 д_
имеется прослойка из какой-либо жидкости и ilelK не-
ственный контакт между твердыми поверхности ь_
возможен, то рассеивание энергии происходит в 1 ('’^но
тате перемещения одних слоев жидкости 0TH()c:i t\(.кой
других, т. е. имеет место явление гидродинамики
смазки и жидкостного трения. Так как у жидкости
противление сдвигу в обычных условиях очень
зависит от градиента скоростей в текущей жидко
то мало и рассеивание энергии при перемещениях,
также мал коэффициент трения — отношение танГ^ь_
циальной силы, вызывающей перемещение, к норма--
ной нагрузке
Т
Л/’
Для жидкостного трения коэффициент трения обыч-
но равен 0,001 0,01.
Если на трущихся поверхностях имеется очень тон-
кий слой смазки, то процесс трения отличается от жид-
костного. Во-первых, в отдельные моменты движения
возможно продавливание этого слоя и возникновение
56
oS$4
Ч‘
г,ро^
порг4>-
Ля с*аЛ
контакта между твердыми поверх-
,>гпедственв°г° сВойства тонкого слоя смазки су-
тями, в0'вТ2чаю’тся от свойств толстых слоев. Тон-
щественно отЛ‘ { ВИДИмо, по своим свойствам близок
кий слой смаВ ’и обычная теория гидродинамической
к твердому т ислучае не применима. Хотя и в этом
смазки в дан ОСНОвном происходит в слоях смазки,
случае тР|в1фНЦНент трения получается выше - - поряд-
однако начальное сопротивление смещению не
Кавно нулю. Такой случай носит название граничного
Е/и
’ 24> 25}
тРецця
трения.
Следует иметь в виду, что в подавляющем оольшин-
стве случаев на металлических поверхностях, находя-
щихся в обычных атмосферных условиях, имеются раз-
личные загрязняющие пленки, часто не видимые про-
стым глазом. I ели не принимаются специальные меры
для очистки повс| v ui процесс грения идет при уча-
стии этих пл< ” ноющих возникновению не
,Осгяли,
7°сред,
ми не-
с < ’<НО
<;• <ОЙ
СО-
LIO и
Ос ги,
г\, а
!ген-
а 1ь-
посредственш iy 1рущимися поверхно-
стями, и то [чрания таких пленок мо
жет во ни чка . поверхности непо-
средствен 1аллическими телами.
Обычно пр тиках данные для коэф-
финнен! орядка 0,3 0,5 отно
сятся им । он Иная картина по
ручается »б( зжиривания поверхно-
стей. В jt грения легко возникав
контакт междх рхн гями, свободными от загряз-
няющих пленит. iponecc трения oy.iei заключаться
во взаиммдействи h гых металлических поверхностей
или поверхностей, покрытых окисными пленками.
При этом бутхт иметь место следующие явления.
1. Возникновение в местах контакта чистых поверхно
стей зон сцепления, их пластическая деформация и по
следующее разрушение.
2. Пластическая деформация неровностей на поверх-
ности, их смятие, срезание, пропахивание более твер-
дыми неровностями канавок в более мягком металле с
возможным образованием микростружки. Подъем по
микронеровностям.
3. Возникновение и разрушение сцепления между
окисными пленками.
57
Так как эти процессы могут ипт i
ростью, то будет происходить наг^Л, С бздьшой с« 1
и изменение их физико-химических ПовеРхно^ь' (i<.
Опыты показывают, что „ри треиии0?-
чистых поверхностей или даже обич ь1хД "?ИТМь““ ft
металлов, но при больших удельных нагрузка*
циенты трения могут достигать величины 1-3 nJ*
tn
Рассмотрим в результате каких процессов можно по 1 /
лучить такие большие значения коэффициентов трения. /
1. Подъем по микро неровностям. Иссле- '
дования показывают, что большая часть микронеровно-
стей поверхности имеет угол подъема 5—20°. При подъ- . J
еме по наклонной плоскости отношение тангенциальной I
силы к нормальной равно тангенсу угла наклона поверх- I
ности, следовательно, коэффициент трения, обусловлен- I
ный необходимостью подъема по микронеровностям, мо- I
жет быть порядка 0,08 (tg 5°) — 0,36 (tg 20°). Следует I
при этом иметь в виду, что при контакте двух реальных I
поверхностей образуется несколько дискретных зон I
контакта, и вероятность того, что на всех зонах контак- I
та одновременно будут иметь место подъемы или спус- ’
ки, крайне мала. Наконец, прямой опыт показывает, что
чем меньше неровности на поверхности, чем лучше от-
полирована поверхность, тем при действительном от-
сутствии смазки коэффициент трения больше. Таким
образом, за счет подъема по неровностям поверхностей
нельзя получить величину коэффициента трения, харак-
терную для трения чистых поверхностей или даже по-
лучающуюся при обычных условиях трения.
2. Пластическая деформация поверх-
ности. Рассмотрим составляющую силу трения, опре-
деляемую пластической деформацией поверхности при
трении. Пластическая деформация поверхности возни-
кает вследствие того, что происходит непрерывное смя^
тие микронеровностей при относительном перемещении
поверхностей.
Исследования показывают, что даже при малых
удельных нагрузках происходят преимущественно не
упругие, а пластические деформации. Характер взаимо-
действия неровностей на двух поверхностях может быть
различный. Они могут сжиматься по нормали, по боко-
58
поверхностям, могут совпадать вершины и впади-
ны и т. Д* Для пологих неровностей во всех этих слу-
чаях, при действии только нормальной нагрузки, удель-
ное сопротивление деформациям будет порядка твер-
дости. Определение величины коэффициента трения,
обусловленного этим явлением, можно произвести сле-
дующим образом.
Определим работу W, производимую при деформа-
ции поверхности в результате сжатия неровностей нор-
мальными силами. Очевидно, она будет равна средней
площади одной зоны контакта S, помноженной на об-
щее число зон контакта п, на среднее сопротивление
деформации Н и на величину перемещений ДЛ :
\V=nSHkh.
Для того чтобы произвести такую же работу при по-
°Щи тангенциальной силы, нужно произвести относи-
ельное перемещение контактирующих поверхностей на
величину порядка (несколько меньше) среднего радиу-
сной зоны контакта. Работа при этом будет равна:
W=nSxd,
d — величина, близкая среднему радиусу контакта;
Р т Удельное тангенциальное сопротивление.
равнивая оба выражения для работы деформации, по-
1
Н ~ d ’
где величина отношения определяет коэффициент
п
трения.
Нетрудно видеть, что коэффициент получается доста-
точно малый. Действительно, для отдельных неровио-
h
стен отношение их высоты к диаметру g при указанных
углах равно 0,14-0,01, но при сжатии двух поверх-
ностей величина вертикального перемещения значитель-
но меньше полной высоты неровностей и, следователь-
но, отношение | будет еще меньше, Таким образом.
59
коэффициент трения, обусловленный пластическими д,
формациями, может быть равен одной сотой и мень^
Следует обратить внимание на то, что эта составляв
щая сил трения имеет место и при наличии слоя гр>.
ничной смазки. Очевидно, если возможны оба проц*.
акже
( „окрьПЫМИ
;yiipoBOAR
язями. В
wep^’
... НИЯ.
пластиче-
/т ока'
мани*1
са - процесс поднятия по неровностям и процессw
этического сжатия, то будет идти тот in них котом
требует наименьшей силы и работы ов вели-
довательно, за счет рассмотренных двух фак р итъся
чина коэффициента трения вряд ли может
более одной десятой. чтимся те-
3. В л и я н ие сил с це и л е н и я. Оор адГези
перь к рассмотрению влияния сил сцепления цИСТуми
онных сил. Такие силы возникают как меЖДУ сНыми
металлическими поверхностями, так и мсЖД'- меЖДУ
пленками. Кроме того, они возникаю! , ,и/
чистыми поверхностями и поверхностями,
окисными пленками.
Окисные пленки, как правило, являются
никами с ионными или гомеополярными
большинстве случаев это значительно бол*
чем нижележащий металл, и хрупкие сосдю’’ 1
этому удельные давления, достаточные ДЛЯ 1
ской деформации нижележащего металла. м°г>
заться недостаточными для значительной ДеФ°^такта
окисных пленок на поверхности. Площадь к0 йедь'
между окисными пленками будет определяться УдпД0-
ными нагрузками на поверхности, и если по всей '
щади контакта возникнет сцепление, то коэфФиЦИ иЯ
трения будет определяться отношением сопротивле
среза к сопротивлению сжатия, близкого к велич
твердости.
с
У хрупких тел это отношение бывает 0,1—0,01, а в
некоторых случаях даже меньше. Увеличение этого от-
ношения за счет действия сложного напряженного со-
стояния в данном случае мало вероятно. Следовательно,
и коэффициент трения, определяемый адгезионными си-
лами между окисными пленками, будет порядка этих
величин.
60
рассмотрим теперь сцепление между частями поверх-
ности, свободными от окисных пленок. Если в этом слу-
чае площадь контакта будет определяться только вели-
чиной нормальных нагрузок, то она будет равна отно-
Af
к твердости ~гт-
ношению нагрузки
Сопротивление на
срез будет равно > гДе
сопротивление срезу, следовательно
максимальное
г
+ _ _tn
J~HV-
л ;?ляпобЬ1чных металлов это отношение будет равно
’ b 0’20 и, казалось бы, коэффициент трения будет
достаточно мал. Однако приведенный расчет неправилен
--Дующим причинам.
Е Как показали опыты П. Бриджмена и Б. Д. Грози-
на> ПРИ одновременном действии нормальных и танген-
циальных напряжений пластичность металлов значи-
тельно возрастает. Следовательно, для упрочняющихся
металлов растя] н<-пряжение, при котором происходит
разрушение образца. При больших сжимающих напря-
жениях разрушающее напряжение может в два-три раза
превысить напряжение среза в обычных условиях. Соот-
ветственно растет и числитель в формуле, приведенной
выше. Опыты Бриджмена по одновременному действию
нормального давления и сдвига показали [26], что вооб-
ще возможна пластическая деформация без разруше-
ния. Наши опыты показали, что именно такой случай
имеет место в некоторых условиях при трении.
2. При одновременном действии нормальных и тан-
генциальных напряжений уменьшается сопротивление
пластическим деформациям в соответствии с формулой,
приведенной выше (стр. 18). Следовательно, площадь
контакта получается больше, чем при расчете по вели-
чине твердости. На это обстоятельство указывалось
Верховским еще в 1926 году [27].
Опыты по сварке сдвигом, описанные во 2-й главе,
показали, что площадь контакта получается примерно
такой, какой она была при расчете по пределу проч-
ности. Следовательно, знаменатель в приведенной выше
61
формуле будет примерно в три раза меньше, и коэффИч Л
циент трения получится 1 —1,5, т. е. именно тако^ '
какой он и получается при опытах с более или
чистыми поверхностями и тонкими окисными пленкам^
легко сдираемыми при относительном пеРсМС1Ц^д!?1и’ ft
Возможно, однако, получение и значитель^?^ее цТ0Х f-
коэффициентов трения — порядка 5—10 и 0 (
бы понять, как получаются такие величины, Р воз ।
жим, что в процессе относительного перемет пласти,
никают отдельные мостики контакта, которы цессс
чески деформируются, но не разрушаются в ^атсль.
дальнейшего перемещения (см. рис. 24) и, сЛ<\^жДУ по'
но, сопротивляются увеличению расстояния
верхностями. неизбежны
В процессе относительного перемещения 1 ' над де-
новые встречи отдельных неровностей, их в'за 1Х ре-
формация, сдирание пленок и возникновение н отХОду
стов сцепления. Подъему по неровностям 11 сПцгст-
вследствие этого поверхностей друг от дрУ1'а 1 пХ. с°'
вуют ранее образовавшиеся мосты сцепления, нОр.
противление как бы добавляется к дсйстг-v? нН щади
мальной нагрузке, что и ведет к получен’40 11 - цо
контакта значительно большей, чем рассчитан^
нормальной нагрузке. ’ а
Описанный выше процесс роста площади qeM
будет развиваться по мере перемещения, так как
больше мостов контакта, тем больше сопротивл
увеличению расстояния между поверхностями,
больше добавка к нормальной нагрузке и т. Д-
такте двух длинных поверхностей процесс, однако,
жет локализоваться и развиваться в отдельных во
сцепления. Это поведет к образованию навалов и иеН
рому увеличению расстояния между поверхностями
прекращением образования новых мостов контакта. КО'
эффициент трения при этом будет ~ 1—3.
По-видимому, для непрерывного увеличения площаД#
контакта и, соответственно, кооэффициента трения не-
обходимо иметь свободные от жировых загрязнений по-
верхности с очень тонкими окисными пленками, чтобы
одновременно образовалось много мостиков сцепления.
Процесс трения, при котором сцепление локализуется в
отдельных точках контакта, имеет место, если поверх-
62
ности покрыты пленками, препятствующими возникно-
вению сцепления при малых удельных нагрузках.
Из сказанного следует, что большие коэффициенты
трения металлов могут быть обусловлены только воз-
никновением сцепления между поверхностями и необхо-
димостью совершения работы для деформации или раз-
рушения зон сцепления. Малые коэффициенты трения
0,1—0,5) в условиях «сухого» трения металлов сви-
детельствуют о наличии загрязнений на поверхности, в
результате чего имеет место процесс смешанного тре-
ния, частично в слое загрязнений, частично — между
окисленными и чистыми поверхностями. Видимо, и в
этом случае работа трения в основном идет на преодо-
ление сил сцепления между участками, свободными от
смазки.
писанная выше картина процесса сухого трения как
ления возникновения деформации и разрушения сцеп-
Ния между поверхностями трения подтверждается не
только расчетами коэффициентов трения, но и видом
поверхностей (образование вырывов) и, наконец, мно-
гочисленными исс. 1е,1ог.аниями с помощью радиоактив-
HBIX изотопов, коюрые показали, что во всех без исклю-
чения случаях сухого и граничного трения имеет место
перенос металла с одной поверхности на другую.
Часто спрашивают, почему, если процесс сухого тре-
ния есть преимущественно процесс возникновения и раз-
рушения сцепления между трущимися поверхностями,
после снятия нагрузки у металлов с достаточно высо-
ким пределом текучести не сохраняется никакого сцеп-
ления. Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить
то, о чем говорилось в 1-й главе об остаточных напря-
жениях, разрывающих в большинстве случаев возник-
шие сцепления при деформациях поверхности даже
несравненно больших, чем при обычном трении. Если
каким-либо путем устранить эти напряжения, то сцеп-
ление сохранится и после снятия нагрузки. Одним из
таких способов является проведение опытов с очень тон-
кими пленками толщиной порядка высоты возможных
неровностей на них. В этом случае сопротивление пле-
нок изгибу может быть меньше разрывающих напряже-
ний и их действие только поведет к Общей деформации
пленки без ее отрыва от поверхности.
63
Ряд опытов, проведенных с такими пленками, поп
твердил эти соображения (рис. 38). Пленки из нитро,
целлюлозы, органического стекла и золота толщиной
0,25 микрона спонтанно притягивались к поверхности
стержня из латуни, и для их отрыва от поверхности
часто нужна была сила, большая, чем сопротивление
пленки разрыву [28].
Эти опыты непосредственно подтверждают наличие
больших сил притяжения между любы-
ми поверхностями. не.
Следует заметить, что нри ТР алма-
металлов, например мииерало - иДйМ°.
зов, различных керамик, мы, г сТвенно
му, имеем дело также пройму^ я{Д(1 в
со сцеплением между
результате возникновения Mt, рь1СоКяк
сил взаимодействия. В сил У атсри^’
упругих СВОЙСТВ НОДООНЫХ cJie сНЯ
остаточное сцепление в ни4 110
тин нагрузки не наблюдаемся. сухоГ°
В описанной выше сК°'
трения мы не учитывали в К0'
рости относительного перемен4'11 ^дче-
торое, очевидно, имеет ваЖ11°с оцеСс
ние. Как мы отметили выШе’ де-
трения есть поопеег ппярт «ческой.
Рис. 38. Схема
опытов с тонки-
ми пленками.
трения есть процесс пластического
формирования и разрушения :4errtriaC*
в зоне трущихся поверхностей. Как известно, ПР*
тическом деформировании металлов 95____97% иа
деформирования уходит на нагревание и
упругое искажение решетки. Чем быстрее будет ИД^
процесс, тем больше будут нагреваться поверхности,
как количество образующегося тепла будет пропор^°
нально скорости процесса трения, а теплоотвод не завн-
сит от скорости и определяется теплофизическими пар3'
метрами окружающей среды.
Повышение температуры металла изменяет его меха-
нические свойства.-Эти изменения у различных метал-
лов различны. У чистых цветных металлов с ростом
температуры падает сопротивление пластическому Де'
формированию и растет пластичность. У железо-угле-
родистых сплавов в ряде случаев при повышении тем-
64
8
*
Е
оатуры сопротивление деформированию сначала ра-
/область синеломкости), а потом падает вплоть до
плавления (см. рис. 39) [29].
Помимо нагревания, скорость деформации влияет не-
посредственно на механические свойства материалов, в
той или иной степени увеличивая их сопротивление де-
формациям. Это так называемый динамический эффект.
Он велик у металлов, имеющих площадку текучести, или
при условии, когда деформация идет при температурах,
близких к температуре рекристаллизации, так как про-
цесс рекристаллизации идет медленно и может не ус-
петь завершиться за время динамической деформации.
. В реальных условиях трения имеет место совместное
влияние обоих эффектов, определяемых ростом скоро-
сти деформации. Однако влияние скорости как факто-
Ра> Увеличивающего температуру металла, видимо,
сильнее, чем влияние скорости как динамического фак-
т°Ра, и поэтому со-
противление дефор-
мации будет в ос-
новном определяться
температурой метал-
Ла с учетом, однако,
некоторого сдвига то-
чек превращения за
Сцет динамического
фактора.
Каково же возмож-
ное влияние скорости
трения на коэффици-
ент трения? Если в
результате роста ско-
рости и соответствен-
но температуры бу-
дет происходить мо-
нотонное снижение
сопротивления
формированию,
можно ожидать,
вначале с ростом
роста будет увеличи-
ваться площадь кон-
де-
то
что
ско-
Рис> 39. Зависимость предела проч-
ности от температуры для различных
углеродистых сталей.
5 - 2347
65
Рис. 40. Зависимость коэффициента
траиия от скорости скольжения и
удельной нагруэки, Материал —
чугун по стали.
такта вря одновременном уменьшении сопротивлени
деформированию. Таким образом, вначале можно ож*
дать незначительное изменение коэффициента трения
ростом скорости, причем изменение возможно как в его,
роду увеличения, так и в сторону уменьшения, в завж
симосги от конкретных свойств трущихся пар.
Действительно, площадь контакта растет в резуль-
тате увеличения как числа контактов, так и площади
ранее образовавшихся контактов. Сопротивление де-
формированию ранее образовавшихся и уже И
рованных точек контакта будет, очевидно, всл ^очек
упрочнения больше, чем вновь образованны
контакта. Поэтому при данном увеличении тив.
контакта мы можем получить различный рост с J^oOT
лення деформированию’ Он зависит от Упр0^еталла и
металла, соотношения наклепа поверхности йеров-
нижележащих слоев, величины и конфигурации
ностей на поверхности и достигнутой темпера У ^ур
Далее, при достижении более высоких тсМПпрОтИЬ'
снижение с мйРова'
ления ДеФ прВалиР0'
НИЮ будет пР Г1ДО-
вать над Р ' й наи-
щади к0НТга2риьШеНие
нется Ум трв'
коэффициента й0е
ния. Это уменьш
станет особен
метным п0^пИза11иИ»
ла рекристалли
когда прекр РОиа-
упрочнение матер^
ла. В этом е^У
разрушение cuenJ*
ния будет иметь м
сто вблизи поверхн0'
сти трения, так ка1С
здесь будет наиболее
()
1’’
с
1
нагретое и, следова-
тельно, слабое сече-
ние. Заметим, что при
наличии наклепа по-
верхностных слоев такое слабое сечение находится ниже
поверхности, так как там материал наклепан меньше,
чем в сильно деформированной зоне сцепления. Когда
будет достигнута температура плавления, начнется фак-
тически жидкостное трение и коэффициент трения
станет такого же порядка, как и при жидкостном или
граничном трении.
Если сопротивление деформации с ростом темпера-
коэЬаСНаЧаЛа 1застст и имеет место синеломкость, то
скол )ИЦПеНТ тРения> видимо, вначале падает, потом не-
падаеК° ВозРастает> как это описано выше, и далее уже
Опи Вплоть Д° температуры плавления.
ными Санная картина подтверждается многими опыт-
топмоАаННЫМи- Еще в прошлом веке, при исследовании
уменьт^^51 На железных дорогах, было получено
(рис 4п?Ие коэффициента трения с ростом скорости
и). Влияние очень больших скоростей на коэф-
Рис. 41. Зависимость коэффициента
трения от скорости скольжения для
разных материалов при трении по
стали.
фициент трения было недавно подробно исследовано
Боуденом и Фрейтагом [30], ранее такие исследования
проводились артиллеристами, изучавшими трение по-
ясков снарядов при их движении по каналу ствола ору-
дия.
Данные Боудена приведены на рис. 41. Как видно из
s*
вт
A
v
рисунка, коэффи
существенно уМень^т|)ен
пых данных следует ^' пРи Ли бОл {
деется параметром Меть п вид,.Ссад°трении nh01'00"'
пиления. Фактически и?“ОЗНачно ’ скоРосЛИнеДХ ‘
ратура поверхности тпени Р°Цесс 1РенияД^1я,ощим х°л
фактора ».«Х"
дашкся т...п, характера иГо^ЙГ'’" » "«тора?.,
трения и т. д. Таким образом ппмДения в пР°це«'
стях. но разных условиях опыта Р’ °ДИНаковыХ скоро
венно будут существенно различатыТ^3™ количесъ
Изменение давления также ведет к изменению коэф-
фнциента трения. Рост давления должен повести к уве-
лнчению площади контакта и, следовательно, к увели-
чению сопротивления перемещению. У идеально пла-
стичных тел, имеющих форму цилиндров, увеличение
площади контакта будет пропорционально давлению, и
коэффициент трения не изменится. Во всех остальных
случаях рост площади будет более медленный, чем
рост силы, поэтому с ростом давления следует ожидать
уменьшения коэффициента трения. Однако от этой об-
щей тенденции могут быть отклонения. Например, при
малых давлениях, когда не во всех точках контакта
разрушается окисный слой или поверхностные пленки
загрязнений, увеличение давления поведет к значитель*
ному увеличению площади истинного контакта и уве’
личению коэффициента трения.
В условиях, когда образовались многочисленные
мосты сцепления и коэффициент трения достиг несколь
ких единиц, влияние удельного давления становится
второстепенным, и в этом случае величина коэффици-
ента трения будет мало зависеть от удельного давле’
НИЯ,
Выше нами было рассмотрено явление трения при
установившемся процессе трения. В начале движения
картина получается несколько иной. В опытах, прове-
денных как нами, так и другими исследователями, пока-
зано, что коэффициент трения достигает устанавлива-
ющегося значения постепенно, и в начале движения он
зависит от пути перемещения, увеличиваясь вместе с
ням. Далее площадь контакта зависит от времени тфИ'
ложеяия силы. Такая зависимость сопротивления °т
№
мишени должна существовать в той или иной степени
у всех материалов. Кроме того, бесспорно, что эта за-
внсимость. причем достаточно сильная, существует у
слоя загрязнений, покрывающих трущуюся поверх-
ность. Поэтому чем болыпе время приложения нагруз-
ки в данном месте, тем, вообще говоря, больше пло-
щадь контакта, следовательно, больше тангенциальные
усилия и больше коэффициент трения.
Из сказанного следует, что должна существовать раз-
ница между коэффициентом трения в момент начала
движения (статическим) и кинетическим коэффициен-
том трения. Фактически этот эффект тоже относится к
влиянию скорости перемещения, однако существенное
значение ползучесть имеет только при больших време-
нах действия сил, поэтому переход от малых, но замет-
ных скоростей (порядка см/сек) к большим скоростям
УЖе не поведет к каким-либо дальнейшим изменениям
площади контакта (при прочих равных условиях).
важное значение для развития процессов трения име-
ет конфигурация движущихся деталей. Если, например,
одна поверхность скользит по другой, то возникшие
мосты сцепления могут передвигаться по ним не раз-
рушаясь и только постепенно увеличиваясь в размерах,
и процесс закончится полным сцеплением поверхностей
с коэффициентом трения порядка многих единиц. Если
осуществляется трение стержня по поверхности, то раз-
витие мостов ограничено плоскостью контакта стержня
и поверхности и картина трения будет существенно
иной. Мосты будут достигать края стержня, срываться
с него, образовывать наросты и т. д.
Наконец, коротко рассмотрим, как происходит трение
разноименных металлов с различными механическими
и теплофизическими свойствами.
Если трению подвергнуты металлы с существенно
различными механическими свойствами, то развитие н
передвижение мостов сцепления невозможно, потому
что более твердая поверхность в данном случае мало
деформируется. Если бы движение мостов началось, то
впереди моста двигался бы навал, однако он не мо-
жет образоваться, так как этому мешает недеформи-
рующаяся твердая поверхность. В результате мост сцеп-
ления не движется, а срезается в толще более мягкого
60
и менее прочного металла. Таким образом, происходи
намазывание одного металла на другой.
На величину коэффициента трения разноименных ме-
таллов значительно большее влияние оказывает харак-
тер обработки поверхности, степень ее чистоты. Это
обусловлено тем, что неровности более твердой поверх*
ности врезаются в более мягкую и при движении про-
пахивают ее с одновременным образованием мостов
сцепления. Очевидно, чем больше неровности поверх-
ности, тем больше получается истинная площадь кон-
такта. При достаточно продолжительном процессе тре-
ния на более твердый металл перенесется столько мяг-
кого металла, что фактически начнется процесс трения
одноименных металлов, с той, однако, „ существенной
разницей, что на одной из сторон трущийся слой будет
тонок и развитие больших узлов сцепления будет не-
возможно.
Таким образом, вследствие невозможности развития
больших зон сцепления коэффициент трения разноимен-
ных металлов с существенно различными механически-
ми свойствами будет меньше коэффициента трения
одноименных металлов, входящих в данную пару, при-
чем иногда весьма значительно. Это обусловлено не
только механикой деформации, но и различным физико-
химическим взаимодействием металлов между собой,
например наличием или отсутствием растворимости,
возможностью образования химических соединений и
т. д. Разность температур размягчения и плавления
также весьма существенно скажется на процессе тре-
ния. Действительно, когда температура поверхности од-
ного из металлов достигает температуры плавления,
дальнейшее нагревание трущейся пары практически
прекратится, так как начнется режим трения, близкий
к жидкостному, с малым тепловым эффектом’. В этот
момент металл другой поверхности может быть еще да-
лек от температуры плавления или даже рекристалли-
зации. Картина будет также меняться, если у трущихся
металлов будет различная температура рекристаллиза-
ции, так как в этом случае может наступить режим,
когда один из металлов упрочняется, а другой — уже
работает при гомологических температурах, когда уп-
рочнение невозможно. Это поведет к изменению режи-
70
ма сцепления, прекращению развитя мостиков сцепле-
ния и переходу к режиму, соответствующему трению
разноименных металлов.
Такова картина процесса сухого трения, как она пред-
ставляется на основе современных данных о взаимодей-
ствии металлических поверхностей при трении.
Теория сварки трением
Обратимся теперь к рассмотрению имеющихся дан-
ных о механизме процесса сварки трением.
Исследования, проведенные Виллем [20] и другими
учеными, показывают, что зависимость момента сил
трения от времени вращения имеет вид, представлен-
ный на рис. 42. Вначале момент трения сравнительно
низок и среднее значение коэффициента трения (для
малоуглеродистых сталей) будет равно 0,2—0,3.
Далее некоторое время он остается неизменным или да-
же несколько понижается, после чего начинается рез-
кое увеличение момента трения, что соответствует уве-
личению силы трения. Затем имеет место некоторое
Рис. 42. Зависимость момента трения и
числа оборотов от времени при сварке
трением.
понижение и переход к установившемуся значению мо-
мента. Этот переход соответствует началу осадки соеди-
няемых образцов, и этот период вращения заканчива-
ется возникновением полного сцепления.
0о данным Р. И. Изаксона и В. Д. Вознесенского
r3|i коэффициент трения в процессе сварки трением
0еняется ^ДУЮЩИМ образом (табл. 5).
7!
Т а блица ?
Осевое давление, кг .
Коэффициент трения
начале процесса . .
Коэффициент трения
конце процесса .
_______Скорость вращения, об/мин
200| 300 ! 500
1 530 250 375 |б00 1з75 750
0,25 0,43 0,26 j 0,361 0,39 0,35
0,93 1,96 1,17, 1.90! 1,82 3.40
Коэффициент трения определялся на опытах с полы-
ми трубами из стали 45.
Имея в виду сказанное выше о природе сухого тре-
ния, подобное изменение коэффициента трения можно
объяснить следующим образом.
Малые значения коэффициента трения в начале дви-
жения обусловлены процессом граничного трения, да-
лее имеет место разрушение окисных пленок, пленок
загрязнений, возникает зона контакта между чистыми
поверхностями с образованием зон сцепления. Это соот-
ветствует максимуму момента трения. Далее начина-
ется интенсивное нагревание трущихся поверхностей с
уменьшением сопротивления деформированию и сниже-
нием коэффициента трения и момента трения до некото-
рого установившегося значения, характерного для про-
цесса осадки. Особенностью процесса трения при свар-
ке трением является то, что трущиеся поверхности не-
прерывно подвергаются фрикционному воздействию Щ
следовательно, непрерывно нагреваются. Как известно,
при обычных процессах трения, например в подшипни-
ках, температура поверхности трущихся тел меняется
вследствие периодического выхода из зоны фрикцион-
ного воздействия отдельных участков трущихся поверх-
ностей. Еще более сильное изменение температуры име-
ет место у тормозных колодок и в опытах Боудена [30].
Кроме того, вследствие высоких удельных давлений ДО'
ступ окружающей среды, например воздуха, в зону тре-
ния практически невозможен, следовательно, окисные
пленки, разрушенные в начале вращения, в дальнейшем
не восстанавливаются. Эти особенности процесса тре-
ния в данном случае имеют важное значение, так как
72
'> -r ' ' ? поверхностей трения ппп
ИИ^равненно оыстрее, чем при наличии период’
V . . пэ. ч Л: процесс идет и^Р«ОДи:
jS*"* - • 1енны\ В первой фазе^е-
с
ПП ' -И"СЯ
гита Тренк* в pr.i
с ва тепла, выделяемого в
ть Распределение дав-
стям и величины коэффи-
X
ла тр
рхжкти pa l
с. 431 ’
rfAf
4.3
• ( G a. t) r-dr.
зт от координат
тгра, так и от
нтактируют в не
нчайно расположен-
ч. Кроме того, с тече-
\ »ч-мени меняется и пло-
•нтакта и расположение
к ^’лспрелгле1«е
- к товерхносю
хоггтэкг
он контакта.
Предположим, в первом при-
ближении. что точки контакта
расположены по сечению рав-
номерно. Тогда с ростом величи-
ны радикса контакта и увеличе
нием относительной скорости
вращения будут расти и потери
на трение
Картина распределения дав-
ления по поверхности контакта
при малых вылетах бул’л при-
мерно такой, как показано на рис. 44, и произведен^ 1
рг* будет расти медленнее, чем г2, вследствие того, что 1 Н
р падает с ростом г, Опыт показывает, что в первые мо. I $
менты вращения температура выше па периферии I &
(рис. 45). В дальнейшем, с переходом к установивши | С
муся процессу трения температура по сечению вырав- I Ф
нивается [31] (рис. 46). По-видимому, этому выравни- I 1
паппю способствует и то, что коэффициент трения так- I i
Рис. -15. Распределение
температуры вдоль ради-
уса стержня в началь-
ный момент вращения.
Рис. 16 Температур1'
вдоль радиуса стер*»"
к концу процесса свар
же падает с ростом температуры, т. е. в данном случае
скорости вращения. В результате в подынтегральном
выражении из трех множителей два — р и f — убыва-
ющие функции радиуса. Это способствует, наряду с вы-
равниванием температуры за счет теплопроводности,
установлению одинаковой температуры по всей поверх-
ности. В некоторых случаях, при малых удельных дав-
лениях, возможно даже превышение температуры цент-
ра образцов над температурой периферийных зон.
Рассмотрим теперь влияние давления и скорости от-
носительного вращения на расходуемую мощность и
продолжительность сварки.
Величина расходуемой мощности при сварке опреде-
74
ляется выражением W Мп, где п число оборотов
в секунду.
С ростом давления величина крутящего момента
должна расти вследствие роста множителя р при одно-
временном некотором уменьшении множителя f. Опыт
показывает, что мощность растет почти прямо пропор-
ционально давлению и, следовательно, изменение ко-
эффициента трения невелико.
^ис. 47. Изменение вс.ы-
чины пика мощности с
Ростом начальной темпе-
ратуры образца.
Опыт также показывает,
что изменение давления в
процессе трения всегда ведет
к появлению пика мощности
[21], такого же, как на осцил-
лограммах моментов, снимае-
мых при постоянной нагруз-
ке. Чем выше исходная тем-
пература образца, тем мень-
ше пик (см. рис. 47). Это яв-
ление объясняется тем, что
увеличение давления ведет к
появлению новых точек кон-
такта, ранее не деформиро-
вавшихся и, следовательно,
менее нагретых, чем металл
в зоне фактических контак-
тов. Но образование новых
площадей контакта увеличи-
вает сопротивление вращению, причем из-за относитель-
но низких температур сопротивление вновь возникших
Зон контакта будет более высоким. Далее, в результате
трения происходит нагрев вновь образовавшегося кон-
такта и сопротивление деформации падает. Естествен-
но, чем выше исходная средняя температура, тем мень-
ше получается скачок мощности, так как тем меньше
возможная разница в нагреве контактирующих и некон-
тактирующих участков поверхности.
Рассмотрим влияние скорости вращения на коэффи-
циент трения. Ранее было показано, что при увеличении
скорости относительного перемещения коэффициент тре-
ния падает, однако, как легко убедиться непосредствен-
ным подсчетом, в описанных опытах падение коэффици-
75
«mi трчнии меньше приращения скорости вращения k I
мощность трения растет с ростом скорости, правда тл I
меньше, чем больше скорость. Такая зависимость име*, I
место мигать до скорости в несколько сот метров в I
купцу. |
Иная картина будет при трении торцами стерх.
неб ми труб. В этом случае поверхности непрерывно
нагреваются и не подвергаются периодическому охла*.
демню и окислению. В результате уже при небольших
окружных скоростях и соответствующих давлениях воз-
никают высокие температуры. После перехода через
пик мощности температура у малоуглеродистых сталей
оказывается равной 500—600°С. Это температура, при
которой начинается резкое падение сопротивления пла-
стическим деформациям. Соответственно должно на-
чаться уменьшение сопротивления вращению. Чем боль-
ше скорость вращения, тем раньше начинается повы-
шение температуры поверхности.
Примем, что мощность трения равна
W=kfpnd3,
где k — некоторая константа, определяемая формой
поверхности, условиями трения и принятой размер-
ностью для измерения мощности.
Тогда, решая одномерную задачу распространения
тепла при наличии источника в начале координат мощ-
ностью W, для температуры на поверхности трения по-
лучим выражение
г (^) = z — kfpdn
j/" пХсу лХсу
Из этого выражения следует, что при заданном вре-
мени величина температуры поверхности прямо пропор-
циональна числу оборотов в секунду. Таким образом,
при увеличении числа оборотов вдвое мы должны были
бы получить для заданного времени вдвое ббльшую
температуру. Однако из рис. 39 следует, что при дан-
ных температурах, характерных для периода времени,
после уменьшения пика мощности предел прочности
весьма сильно падает. Например, пусть при некотором
значении п у нас была температура 400ьС, что соот-
ветствует (см. рис. 39) пределу прочности 75 кг/мм*.
п
Предположим, что в результате повышения числа обо-
ротов в полтора раза температура также должна воз-
расти в полтора раза и равняться 727° С. Но при этой
температуре временное сопротивление будет равно
12 кг/мм2, т. е. меньше примерно в 6 раз. При вращении
с одновременным действием сжимающих сил пластич-
ность и, следовательно, конечное сопротивление дефор-
мированию возрастает, однако все же оно будет значи-
Рис, 48. Зависимость удельной мощности
сварки и времени сварки от числа обо-
ротов.
тельно меньше, чем при более низких температурах, и
поэтому, соответственно, упадет коэффициент трения.
В результате мощность трения окажется меньше, чем
при меньшем числе оборотов. Этот на первый взгляд
парадоксальный результат показывает, что скорость
оборотов, при которой может достигаться наибольший
прогрев за наименьшее время, отнюдь не должна быть
наибольшей [20]. Действительно, если, например, тру-
щиеся поверхности покрыть просто жидким металлом,
то вследствие малого коэффициента трения они будут
нагреваться очень слабо, и придется предпринять спе-
циальные меры для того, чтобы металл на поверхности
не твердел.
Виллем были получены зависимости машинного вре-
мени сварки и удельной мощности сварки от числа
77
оборотов (рис. 48), которые показывают, что после до-
стижения некоторого числа оборотов машинное время
сварки начинает возрастать, что свидетельствует об
уменьшении мощности трения.
Оптимальным будет такой режим, который позволит
нагреть данный объем металла до заданных температур
в течение минимального времени. Такой режим потре-
бует переменных скоростей и давлений и может быть
определен, если известна зависимость коэффициента
трения от этих параметров. Для практики оптимальный
по мощности режим вряд ли будет приемлем, потому
что при малых числах оборотов и малом времени свар-
ки становятся существенными способы подготовки по-
верхностей и имеющиеся на них загрязнения, так как
Рис. 49. Микроструктура в зоне сварки шалей 15 и ХГ. Увел. 300.
в тепловом балансе значительную роль начинает играть
первый этап вращения, когда сдираются пленки и про-
исходит возникновение зон сцепления. Поэтому факти-
чески следует работать при более стабильных режимах,
когда нагрев до сварочных температур осуществляется
за счет деформации зон сцепления и когда начальное
состояние поверхности имеет второстепенное значение.
После достижения максимального крутящего момен-
та начинается осадка материала, когда монотонно ра-
стет площадь контакта и удаляются из зоны сварки
окислы и загрязнения. После окончания осадки враще-
ние прекращается и процесс сварки Заканчивается.
78
Из сказанного выше следует, что возникновение сцеп-
ления имеет место значительно раньше конца осадки, а
к концу осадки достигается наибольшая площадь свар-
ки. Так как процесс сварки и осадки идет быстро и
столь же быстро идет охлаждение после окончания про-
цесса, то металл в зоне сварки не приходит в равновес-
ное состояние, он подвергается фазовым превращениям,
определяемым химическим составом металла, темпера-
турой и временем нагрева и охлаждения. Например,
при сварке стали 45 и
стали ХГ [32] исход-
ная перлито-ферритная
структура превращается
у поверхности сварки в
сорбит и тростит, а на
самой границе возмож-
но образование бейни-
та (рис. 49).. В соответ-
ствии с различным ха-
рактером образующих-
ся структур изменяется
и микротвердость ме-
талла в месте соедине-
ния. На рис. 50 приведен
график изменения мнк-
Рис. 50. Микротвердость в зоне
сварки сталей 45 и У12.
ротвердости в зоне свар-
ки сталей 45 и У12. Как видно из графика, микротвер-
дость в зоне соединения может превышать исходную
микротвердость более чем в полтора раза.
Рассмотрим теперь более подробно отдельные фазы
процесса. По данным Билля, время, необходимое для
достижения максимума момента, обратно пропорцио-
нально скорости вращения (рис. 51). Из этого следует,
что максимум момента достигается при разных скоро-
стях за одинаковое число оборотов. Этого и следовало
ожидать, так как на данном этапе движения происходит
деформация и разрушение поверхностных пленок —
процесс, определяемый количеством возникающих и
разрушающихся контактов, а не скоростью вращения.
Очевидно, продолжительность первой фазы должна
существенно зависеть от состояния свариваемых по-
верхностей — величины неровностей, параллельности
79
поверхностей друг к другу, наличия загрязняющих пле- V
нок и толстых пленок окислов. Действительно, только I /
после удаления с точек контакта всех загрязняющих I/
пленок и ликвидации особо высоких неровностей будет г Л
достигнута максимальная величина крутящего момента. IV
Число оборотов, необходимых для этого, зависит от 15.
количества загрязнений и высот неровностей. Опыт под- I®
тверждает эти соображения. Что касается второй фазы Г|
сварки, то о ней уже шла речь выше; ее продолжи- [
тельность в основном определяется при данном удсль-
ном давлении скоростью вращения. ।
При осуществлении сварки трением генерирование
тепла имеет место там, где детали должны нагреваться,
кроме того, эта сварка осуществляется при температу-
рах ниже температур плавления. Эти обстоятельства |
ведут к тому, что количество энергии, необходимое для
осуществления сварки трением, тратится значительно
Рис. 51. Время, необходимое для до-
стижения максимума момента трения
при сварке трением (малоуглероди-
стая сталь).
В табл. 6 приведены соответствующие сравнительные
данные.
Как видно из таблицы, мощность, необходимая при
сварке трением, примерно в десять раз меньше, чем при
сварке оплавлением.
во
1 аолица □
Сечение свариваемых деталей, мм* Время сварки, сек. Внергив, джоуль Мощность установки, КВТ Сов л
750 (сварка оплавлением) 12 1790 110 0,50
700 (сварка трением) . . 12 170 93 0,85
2500 (сварка оплавлением) 20 1600 200 0,60
2000 (сварка трением) . . 20 150 15 0,85
Заметим, что при холодной сварке потребная мощ-
ность раз в десять меньше, чем при сварке трением.
Однако холодной сваркой соединить сталь нельзя. На-
грев же для снятия внутренних напряжений значитель-
но повысит расход энергии.
4 3 ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ
Подготовка поверхности к сварке
Подготовка поверхности к сварке должна заклю-
чаться в удалении с поверхностей слоя загрязнений,
окалины и, в случае необходимости, выравнивании по-
верхностей. Очевидно, сварку трением можно осущест-
влять и без особой подготовки поверхности, так как в
процессе трения загрязнения будут выгорать, окислы
разрушаться, а поверхности выравниваться. Однако при
этом время сварки будет в большой мере зависеть от
состояния поверхности и процесс с трудом будет подда-
ваться автоматическому управлению, совершенно необ-
ходимому при этом виде сварки. Поэтому имеет прямой
смысл осуществлять предварительную подготовку по-
верхностей к сварке, причем нет необходимости стре-
миться к особо чистььм поверхностям или к особо преци-
зионному выравниванию. Более важна однородность
исходного состояния поверхностей и материала.
Технологические параметры процесса
Как следует из сказанного раньше, процесс сварки
трением, при данном состоянии поверхности, определя-
ется относительной скоростью, давлением и временем
«варки. Получить сварное соединение можно при
81
различных сочетаниях этих параметров; их выбор дол. 1 ,
жен определяться требуемым качеством получаемых | /
соединений н технико-экономическими показателями I
процесса. 1
Выше уже указывалось, что полное время сварки по- у
лучается наименьшим при некоторой определенной ско- 1|
рости при данных значениях давления. Очевидно, эта Ц
скорость обеспечивает наиболее экономичное ведение Ц
процесса. Однако работать при оптимальной скорости и
с точки зрения расхода энергии не всегда выгодно, так ю
как в этом случае процесс сварки оказывается сУще^е« Р
венно зависящим от начального состояния поверхнос II
свариваемых изделий, и необходимое время сварк I
зависимости от изменения этого состояния может I
щественно колебаться для различных изделий, что
трудняет автоматизацию процесса сварки. Поэ |
скорость обычно выбирается более высокой, чем 0
мальная. С другой стороны, чем больше время ПР
дения процесса, тем больше время пребывания пов и
костных слоев металла при высоких температур3*- qqo
Как известно, у сталей при температуре 900^1 ?ак
идет интенсивный рост величины зерна и возможно
называемое явление пережога. Поэтому чрезмерно Д
тельное время сварки также невыгодно, поскольку п°
дет к снижению прочностных характеристик соединен
Таким образом, скорость вращения должна выбир3'1'1’
такой, чтобы, с одной стороны, влияние начальных У
ловий было бы невелико, а с другой — не имел
место интенсивный рост зерна в зоне пластических Д
формаций.
Процесс сварки трением может и должен быть звТ°
матизирован, причем параметром, определяющим НйК
работы машины, может быть как время сварки, так 11
осадка свариваемых изделий.
Очевидно, во всех случаях, когда это возможно, опре-
деляющим параметром следует выбирать величину
осадки. Действительно, время сварки меняется с изме-
нением начального состояния поверхности, причем осо-
бенно сильно при числе оборотов, близком к минималь-
ному. Между тем величина осадки характеризуем
завершенность процесса, указывает на достаточное
удаление из зоны сварки. загрязнений и окислов и в
62
Таблица 7
Материал свариваемых
деталей
Удельное дав-
ление, кг/мм3
при на- при
греве осадке
Сталь 3 и сталь 3 . . . 20 1500 5 5 5 5
Сталь 3 и сталь 3 . . . 40 1000 10 10 12 20
Сталь 3 и сталь 5 . . . 16 1500 5 5 5 4,5
Сталь 20 и сталь 20 . . 10 3000 4 4 3 3
Сталь 45 и сталь 45 . . 10 3000 4 4 3 4,5
Сталь 4ХВ и сталь 4ХВ 10 1.500 12 12 3-4 3
Сталь 20Х и сталь 20Х 12 3000 4 4 4 4
Сталь 12ХН2А и сталь
12ХН2А 12 3000 4 4 4 3,5
Сталь Р9 и сталь 45 . . 18 1500 11 11 4 12
Сталь Р18 и сталь 45 . 13 1500 13 13 6 6
Латунь Л62 и латунь
Л62 16 3000 з,з 3,3 6—7 3
Латунь ЛМЦ-58-г и сталь
20 30 1500 2,5 2,5 6-8 8
Сталь 38ХМЮА и сталь
38ХМЮА 10 1500 10 10 4 2
Сталь 30ГСА и сталь
ЗОГСА 10 1500 10 10 4 2
Сталь 1Х18Н6Т и сталь 1 1
45 20 ЗСОО 8 8 7 3
Сталь Х12М и сталь 45 . ' 20 3000 8 8 20 4
Алюминий и алюминий 20 3000 0,8 0,8 6—7 3
Алюминий и алюминий 40 760 3 3 30 10
Бронза АМЦ-9-2 и сталь
20 20 1500 2,5 2,5 6-8 39
Дюраль и дюраль . . . 40 760 10 10 20 13
Медь и медь ; 40 920 3,5 15 20 30
Медь и алюминий . . 8 1350 2—3 10—20 10—20
Шпилька стальная к ли-
сту толщиной 25 мм 10 3000 5 5 3 1,5
Шпилька медная к листу
толщиной 2 мм . . . 10 6000 1 6 1,5 2
определенной степени гарантирует получение достаточ-
но качественного соединения, при сравнительно слабом
влиянии начальных условий.
Выбор величины удельного давления определяется
желаемым временем сварки и мощностью имеющегося
83
двигателя, так как величина потребной моцц 1;7V
мерно пропорциональна величине давления иС™ При* V/
сти свариваемых материалов. Чем больше исх^0' V'A1'
твердость материала, тем, вообще говоря, выше ппХ* 1%
няемое удельное давление. В некоторых работах pt 14
комендуется использовать переменное в процессе свар- I /
ки давление: вначале — более низкое и перед тормо- if
жением — более высокое. Величина давления в конце I /
процесса определяет величину осадки, и, следовательно, I
выбор давления обусловлен выбором оптимальной ве- I (
личины осадки. \ -
В табл. 7 приведены данные, полученные Виллем при I
опытных сварках различных материалов. 1
Из таблицы следует, что в большинстве приведенных 1
случаев величина удельного давления выбирается при- I
мерно 715—^20 от твердости металла или 7s 1/7 пРе’ )
дела прочности.
Данные исследований свойств металлов при высоких
температурах [29] показывают, что при гомологических
температурах, равных 0,75—0,80, предел прочности ме-
таллов в 10—20 раз меньше предела прочности при го
мологических температурах, равных 0,26 -0,3.
Таким образом, выбираемые удельные давлен
больше, чем сопротивление пластическому дсформир
ванию при температурах сварки.
Исключением из указанного правила является сварка
алюминия и алюминия, меди и меди и алюминия и ме-
ди. В силу ряда теплофизических и физико-химических
особенностей этих металлов (высокая теплопровод-
ность, пластичность, способность к образованию хруп-
ких соединений при высоких температурах, повышение
хрупкости при высоких температурах, интенсивное
окисление) процесс следует вести со значительно боль-
шими осадками и растеканием поверхностей контакта,
примерно такими же, как и при холодной сварке, одна-
ко благодаря повышенным температурам в данном слу-
чае требуются меньшие усилия.
Величина средних линейных скоростей, которая мо-
жет быть вычислена по данным табл. 7, порядка 2______
3 м/сек. Скорости эти невелики, и имеющийся тепловой
эффект обусловлен отсутствием охлаждения повеп
ностей и значительными удельными нагрузками, р*’
84
В величина осадки — 7з—74 диаметра, за
V командуема меди и алюминия, у которых величина
I исключена зд диаметра. Как уже отмечалось
I ^ы1иеИсварка этих металлов осуществляется по иным
ПРДляИвь1яснения влияния величины диаметра свари-
ваемого изделия на режим сварки следовало бы про-
вести эксперименты со стержнями различных диамет-
ров. Пока таких данных в литературе не имеется,
поэтому можно дать лишь общие рекомендации для под-
бора режимов. Чем больше диаметр стержня, тем мень-
ше отношение площади поверхности охлаждения к мас-
се стержня, следовательно, относительно меньше поте-
ри тепла. Поэтому с увеличением диаметра можно было
бы несколько уменьшить тепловыделение за единицу
времени, например брать несколько меньшее удельное
давление. Практически потери тепла, видимо, имеют
второстепенное значение, и поэтому при изменении
диаметра следует стремиться сохранить постоянными
удельное давление и линейные скорости или пропорцио-
нальную им величину nd. По данным Билля, рекомен-
дуется, чтобы для малоуглеродистых сталей величина
nd= (1,2—6) 104,
где п — число оборотов в минуту;
d — диаметр стержня, мм.
Время сварки, по-видимому, должно несколько воз-,
растать с увеличением диаметра стержня в силу увели-
чения абсолютной величины осадки.
Сварка трением — процесс универсальный и приме-
нимый ко всем материалам, однако для материалов
с существенными различиями физико-механических
свойств возникают затруднения, связанные с различным
поведением поверхностей в зоне трения. Если, напри-
мер, температуры плавления материалов сильно раз-
личаются, то, очевидно, когда одна из поверхностей
будет близка к плавлению и начнется осадка этого ме-
талла, другая поверхность будет находится при сравни-
тельно низких гомологических температурах, прочность
материала окажется велика, и совместная осадка бу-
дет невозможна, так как тугоплавкий материал дефор-
мироваться не будет. В результате из зоны сварки не
будут удалены осколки окисных пленок и загрязнения,
85
не возникнет контакта по всей поверхности и сцепленм л
не будет обладать достаточной прочностью. По-вид^
мому, только применение больших усилий при органн
чении деформации более мягкого и легкоплавкого ме-
талла может дать возможность получить хорошие по Ifibr
прочности результаты. Однако при существенной раз- ИЫ
нице в температурах плавления, например в паре алю- Щ|
мпний—сталь, и подобные меры
вряд ли могут дать хорошие ре- Щ
зультаты, потому что при тем-
.gJj 4 'Ьйь пературе плавления алюминия М
Ни 4 : (640°С) сталь обладает значитель- И
ным сопРотивлениом пластическим И
деформациям. Я
- Sj Аналогичное явление может Я
|к ' ЛЙ иметь место при сварке металлов, Я
обладающих различной жаростой- 11
костью, например быстрорежущей у
Рис. 52. Соединение стали и простой углеродистой ста- I
быстрорежущей и уг- ди. Достигнув температур, при ко- I
леродистой сталей. торых при данном давлении идет ]
осадка углеродистой стали, быст-
рорежущая сталь еще сохраняет значительное сопро-
тивление пластическим деформациям, осадки в данном
случае почти не происходит (рис. 52). Для получения
симметричной деформации необходимо или, как в слу-
чае холодной сварки, взять свариваемые детали разных
размеров (более легкоплавкую деталь взять большей),
что может дать результат только при сравнительно ма-
лой разнице свойств, или предварительно нагреть более
тугоплавкую деталь, например трением о вспомогатель-
ную деталь или при помощи газового пламени. Этот
способ позволяет соединять более разнородные по фи-
зико-механическим свойствам материалы.
Следует обратить внимание на то, что предваритель-
ный подогрев может быть применен и для сварки одно-
родных металлов, в особенности когда сечения свари-
ваемых деталей слишком велики для нагрева их на
установке данной мощности только трением. Снижение
потребной мощности при предварительном подогреве
обусловлено не только тем, что тело предварительно по
лучает некоторое количество тепла, но также и т
86
что при высоких тимпгратурах, как уже говорилось,
сглаживается пик мощности и, следовательно, необхо-
димая мощность установки приближается к мощности
второго псриодл сварки. Начиная процесс с более вы-
соких температур, можно уменьшить также вибрации
свариваемых деталей, обычно имеющие место в первой
стадии процесса.
При соединении образцов одноименных металлов, ио
различной величины во шикают аналогичные проблемы
вследствие различною теплоотвода в образцах и, сле-
довательно, возникающего различия механических
свойств.
Из приведенных данных следует, что сварка трением
применяется только для тел вращения, потому что толь-
ко в этом случае трущиеся поверхности непрерывно
нагреваются и не подвергаются действию окружающей
атмосферы и охлаждению. Очевидно, частичная сварка
деталей, не являющихся телами вращения, также воз-
можна, если отдельные части поверхностей трущихся
изделий остаются в непрерывном контакте.
Прочностные свойства сварных соединений, получен-
ные трением, достаточно высоки, и при правильном
проведении процесс а сварки прочность соединения по-
лучается не ниже прочности целого металла.
Высокие нрочностпью с войства обусловлены тем, что
в зоне стыка отсутствуют окислы и загрязнения и нет
литого металла.
Оборудование для сварки трением
Для сварки трением, вообще говоря, пригодны лю-
бые устройства, в которых осуществляется поступатель-
ное и вращательное движение одной из деталей, Следо-
вательно, для этой цели можно использовать различ-
ные типы металлообрабатывающих станков. Однако
использование этого оборудования сопряжено с целым
рядом трудностей. Эти трудности вызваны тем, что
в процессе сварки трением необходимо развивать боль-
шие осевые усилия, на которые обычные станки не рас-
считаны. Кроме того, в конце сварки нужно осущест-
влять быстрое прекращение относительного вращения.
Опыт осуществления сварки на обычных станках
•жамж что они быстро выходят из строя, а результа.
ты <**ркп тмучаюгся недостаточно устойчивыми, Был
жрмкмхжем ряд схем переоборудования токарных стан-
ке* ли utxieft сварки. Одна из таких схем изображена
м |мк\ 53 рЮ].
Как видно из рисунка, к станку пристраивается жест-
ки рама, воспринимающая осевые усилия при сварке,
Рис 5о Схема переоборудования токарного станка
для сварки трением.
осуществляемые при помощи гидравлического цилинд*
ра. Торможение в конце сварки может осуществляться
различными способами: механическими, электромагнит-
ными, отключением патрона с заготовкой от других час-
тей привода, реверсированием двигателя и т. д.
Во ВНИИЭСО были разработаны специальные ма-
шины для сварки трением и создана примерная шкала
типоразмеров машин для этих целей (см. табл. 8).
Таблица 8
Типоразмеры
0 1 2 3
Диметры свариваемых стер- жней (углеродистая сталь), мм Осевые усилия, кг ... . вращения, об/мин потребляемая мощность, квт 10 1000 2000 3 2-25 4500 15000 10 20—40 10000 1000 20 ^-~бо зоооо. 500 во
«8
1000
Примером машин общего назначения 1-ю типоразме-
ра являются машины типа МСТ-1 и МСТ-2. Машины
типа МСТ-1 снабжены вантовыми зажимами и уираи-
ляются при помощи одной кнопки. Процесс автоматизи-
рован. Вручную осуществляется закладка и вынимание
сварных деталей. Торможение осуществляется кратко
временным реверсированием двигателя.
Рис. 55. .Машин? ,1.1Я < кярки
.MCI-34
Процесс сварки регулируется но величине осадки. На
рис. 54 приведена схема машины МСТ-1, характеризу-
ющейся следующими основными данными:
мощность 10 квт,
число оборотов 1430 об/мин,
осевое усилие максим. 4500 кг,
диаметр детали 10-25 мм.
Регулирование сварки осуществляется при помощи
осадки.
Примером машины 2-го типоразмера является маши-
на типа МСТ-34 (рис. 55).
Основные данные машины следующие:
мощность 20 квт,
число оборотов 1000 об/мин,
осевое усилие максим. 10 000 кг,
диаметр детали 20—40 мм.
90
регулирование сварки осуществляется при помощи
осадки. Кроме указанного оборудования, во ВНИИЭСО
других организациях изготовлены специальные ма-
шины для осуществления сварки отдельных деталей:
осей рычагов ленточных транспортеров,* рычагов пере-
ключения скоростей тракторов (Минский тракторный
завод) и др. деталей.
В настоящее время опыт применения и эксплуатации
машин для сварки трением еще невелик и конструкции
машин окончательно не отработаны. Несомненно, что
в ближайшие годы появится ряд новых, более совер-
шенных конструкций, обеспечивающих высокую произ-
водительность и стабильность процесса сварки.
Применение сварки трением
В настоящее время сварка трением применяется
прежде всего для соединения круглых деталей одина-
кового и различного диаметров. Например, изготавли-
ваются болты ri\i - сварки стержня и головки болта
Рис. 36. Сварной болт.
Рис. 57. Сварные заготовки шестерен.
(рис. 56), заготовки шестерен из прутков разных диа-
метров (рис. 57), различный инструмент, например
сверла, отдельные детали штампов (пуансоны) и др.
детали (рис. 58).
91
Технико-экономическая эффективность сварки тре.
нием может быть очень высокой, как и вообще сварно.
литых и сварно-кованых конструкций. Экономится
металл, увеличивается производительность труда. По
данным билля, применение машин для сварки трением
окупается в течение нескольких месяцев.
В настоящее время основной задачей является рас-
Рис. 58. Отдельные детали, сваренные трением.
ширение области применения сварки трением, расши-
рение возможных способов применения ее, например ис-
пользование других траекторий относительного переме-
щения.
Следует обратить внимание на то, что тепло трения
может быть использовано не только для сварки, но ^и
для нанесения на поверхность изделия более прочного
слоя [33], для термической обработки поверхностей, для
создания на поверхности слоя с особыми свойствами
[34, 35] и т. д. Таким образом, использование тепла
92
трения может лечь в основу целого ряда новых техно-
логических процессов.
Следует обратить внимание на эффективность исполь-
зования сварки трением для соединения неметалличе-
ских материалов. В этом случае, как правило, тепло-
проводность низка, следовательно, нагрев зоны трения
будет идти особенно быстро. По-видимому, сваркой тре-
нием особенно просто осуществляется соединение тер-
мопластичных пластмасс.
5. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА МЕТАЛЛОВ
5. 1. СХЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ МЕТАЛЛОВ
Рис. 59. Схема ультразвуковой
сварки листового материала.
Возможность использования ультразвука для свар-
ки металлов была открыта случайно в 1950 году при
попытке исиользовать ультразвук для очистки поверх-
ностей перед обычной сваркой [35].
Ультразвуковая сварка может осуществляться следу-
ющими способами.
1. Повсрхпос! и, ।и>,! южащие сварке, обезжириваются,
свариваемые листы ук-
ладываются на массив-
ное основание (рис. 59)
и прижимаются опре-
деленным усилием к
вибратору, совершаю-
щему колебания парал-
лельно плоскости свари-
ваемых листов. Приня-
тая в настоящее время
частота колебаний —
15—20 кгц. Через 1—3
секунды возникает со-
единение между свари-
ваемыми металлами на
площади, примерно равной площади пуансона» и про-
цесс сварки заканчивается.
Если требуется получить непрерывный шов, то для
этого используется вращающийся вибратор.
2. Одно из привариваемых изделий, например тавро-
очка (РиС‘ 60)» прижимается к поверхности лри
пая $aJI BFl6paT°Pa> в паз которого входит полка ба-
помоги, образом, одна из свариваемых деталей
дочки» 1 непосредственно соединяется с
Рис. 60. Схема
ультразвуковой
приварки тавровой
балочки.
вибратором, что имеет, как будет
показано далее, определенные пре-
имущества.
Стыковая сварка изделий ульт-
развуком пока не разработана,
хотя, видимо, принципиально и
возможна, как следует из опыта
сварки трением.
В Советском Союзе исследова-
нием и развитием метода ультра-
звуковой сварки занимаются в
Институте металлургии АН СССР,
МЭИ и других научных учреждениях [36, 37].
5. 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
При ультразвуковой сварке очистка поверхности от
загрязнений и окислов и создание большой площади
контакта между поверхностями осуществляются в ре-
зультате возбуждений ультразвуковых колебаний одной
из свариваемых поверхностей относительно другой.
Как известно, все механические колебания по часто-
там делятся на три области: инфразвуковые колебания
с частотой до 16—20 гц, звуковые колебания с частотой
от 16 20 до 14—16 тыс. гц и ультразвуковые колеба-
ния с частотой выше частоты звуковых колебаний. Та-
кое деление механических колебаний основано на субъ-
ективных особенностях восприятия механических коле-
баний человеческим ухом. Средний человек слышит
звуки — механические колебания в воздухе или другой
среде, если их частота находится в пределах от 16 —
20 гц до 14—16 кгц.
Следует отметить, что другие живые существа, на-
пример летучие мыши, собаки, некоторые виды рыб,
«слышат» звуки с частотой до 100 кгц и, по всей види-
мости, есть существа, слышащие инфразвуки.
Таким образом, приведенное выше деление колеба-
94
ний в большой мере условно. Однако изменение час-
тоты вносит и определенные объективные изменения в
характер действия механических колебаний на среду,
в которой они имеют место или в которой происходит
распространение волн механических колебаний. Эти из-
менения прежде всего обусловлены тем, что энергия ко-
лебаний среды, состоящая из суммы кинетической
энергии (энергии движения частиц среды) и потенци-
альной .энергии (энергии деформации среды), пропор-
циональна квадрату амплитуды и частоты колебаний
W=K? Л2 со2,
где р — плотность среды;
со — частота колебаний;
Л — амплитуда;
К — коэффициент пропорциональности.
Поэтому с ростом частоты колебаний при данной
амплитуде (размахе колебаний) энергия будет расти
пропорционально квадрату частоты. Таким образом,
при больших частотах можно при малом размахе коле-
баний получить большую энергию излучения.
При рассмотрении любых видов волн длина волны
определяется следующей формулой:
а - с Г,
где X — длина волны;
с — скорость распространения колебаний;
Т — период колебаний.
В воздухе скорость распространения звука в обычных
условиях" около 330 м/сек, в стали и алюминии ско-
рость распространения продольных колебаний около
5000 м/сек и поперечных около 3000 м/сек. В табл. 9
Таблица 9
Среда и тип волны Частота, гц
50 500 2000 20000 2000000
— Воздух Продольные волны, см . Сталь Поперечные волны, см . 6,6 64,0 0,66 6,4 0,16 1,59 0,016 0,16 0,0016 0,016
95
приведены величины длин волн при различных часто- у'Д
тах в воздухе и металле. №
Как следует из таблицы, при частотах 20 000 гц и
более длина волны в металлах порядка десятков см, a VJ
в воздухе порядка 20 мм. W
Из общей теории изучения волн, как механических, Л
так и электромагнитных, следует, что если размер из- №
лучателя будет больше длины волны, то излучение 1и
энергии будет направленное, и чем больше будет отно- II
шение размеров излучателя к длине волны, тем боль- И
шая часть энергии будет распространяться по направ- 1|
лению, перпендикулярному плоскости излучателя. I
Построить излучатели размером в десятки метров |
для направленного излучения механических волн с ча-
стотой 50 или 200 гц представляется делом „очень
трудным. Подавляющее большинство излучателей име-
ет меньшие размеры, и их излучение не направленное^
а фронт волны излучения представляет собой сферу
центром примерно в середине излучателя.
Иная картина получается при частотах 20 кгц и вь
ше. В этом случае характерные размеры излучите
уже оказываются порядка 1 см, и не представ ля
труда построить направленные излучатели для эТ
частот.
Таким образом, при высоких частотах можно сК°^~е
центрировать излучаемую энергию в небольшом °бъе а
и тем самым получить большую плотность энергии
единицу облучаемой поверхности.
Третьей особенностью высоких частот является бол
шая величина ускорения колеблющихся частиц среДь*
которая также пропорциональна квадрату частоты,
результате возникают большие силы, действующие и
поверхность, облучаемую ультразвуковыми волнами.
Указанные особенности колебаний ультразвукового
диапазона способствовали их широкому использованию
для интенсификации технологических процессов и соз-
дания новых процессов, например обработки тверды^
материалов.
Рассмотрим теперь, что будет происходить, если одну
из двух соприкасающихся в определенной области кон-
такта поверхностей привести в колебание с ультразву-
ковой частотой (см. рис. 59). В этом случае в плоско-
96
сти контакта будет выделяться теплота, появляющаяся
вследствие трения одной поверхности о другую. В
данном случае движение будет колебательным, т. е.
будет происходить с переменной скоростью по величи-
не и направлению. Однако явление трения имеет место
при любом законе относительного движения и во всех
случаях выделяется соответствующее количество тепла,
которое можно приближенно подсчитать, принимая, что
движение происходит с некоторой средней скоростью.
Если относительные колебания синусоидальны, т. е.
перемещения подчиняются закону
х = Лсоэ
где х — перемещение;
амплитуда колебаний;
со частота колебаний,
0 средняя скорость перемещения будет равна
г^ср 0,64 А оч
Если принять что амплитуда относительного пере-
мещения равна 25 микронам (-2,510“5м), то скорость
Ри различных частотах будет следующей (см. таол. ).
Таблица 10
Как видно из таблицы, скорость относительного пере-
мещения достаточно велика даже при малых частотах.
В этом можно убедиться, если сравнить данные табл. 10
со скоростями, имеющими место при сварке трением.
Действительно, при диаметре стержня 20 мм и 3000
об/мин максимальная линейная скорость точки, лежа-
щей на поверхности стержня, будет равна
v = 3 • 14 м/сек,
а средняя скорость будет в два раза меньше.
Таким образом, при ультразвуковых колебаниях с ча-
стотой около 20 кгц средняя относительная скорость
перемещения получается такого же порядка» как и при
сварке трением на жестких режимах.
97
Прикладываемое к свариваемым поверхностям уси-
лие будет такой величины, при которой пуансон вдав-
ливается в верхнюю пластинку примерно на 5—10%
от толщины материала. При этом удельная нагрузка
получается порядка твердости материала. Для алюми-
ния она будет около 15—20 кг/мм2, т. е. значительно
Чтп па С лие’ пРПКЛалываемое при сварке тре-
^ь!шг^-ВеДеТ К Т0Му> ЧТО,ПРИ тех лее величинах ко-
эфф щиента.трення и при топ же средней скорости, что
и при сварке трением, при ультразвуковых колебаниях
в единицу времени генерирует больше тепла.
Следует обратить внимание на имеющуюся при этом
существенную разницу в теплоотводе при нагревании
ультразвуковыми колебаниями в отличие от сварки
трением. При сварке трением тепловой поток имеет
большей частью линейный характер, при сварке уль-
тразвуком зона контакта окружена со всех сторон ме-
таллом. Поэтому в последнем случае теплоотвод гораз-
до сильнее, и, следовательно, быстрее происходит паде-
ние температуры по мере удаления от места генериро-
вания тепла — плоскости контакта.
При ультразвуковых колебаниях поверхности не толь-
ко нагреваются, но и очищаются от загрязнений
и окисных пленок. Происходит это, видимо, следующим
образом. В процессе подготовки к сварке поверхности
протравливаются и обезжириваются, следовательно,
толщина окисных пленок на них не превышает сотен
А/ т. е. равна 10~б—10~5 см, а количество загрязнений
невелико. Толщина окисных пленок не одинакова в раз-
личных местах и зависит от кристаллографической
ориентации, как уже отмечалось выше. Когда происхо-
дят колебания одной поверхности относительно другой,
пленки зацепляются друг за друга, разрушаются и сди-
раются с поверхности.
Следует иметь в виду, что при частоте в 20 кгц такие
контакты и сдвиги происходят 20 000 раз в секунду» и
даже если бы при каждом контакте разрушался только
один атомный слой, то и тогда за время сварки, обычно
продолжающейся 1—2 сек., весь окисный слой, состо-
ящий в обычных условиях всего из нескольких десят-
ков или сотен атомных слоев, будет разрушен. Налом-
В м что при сварке трением число оборотов, совершав-
V мых* достижения максимального момента трения у
сталей, всего порядка 160. Нужно также иметь в виду,
что в процессе нагревания механические свойства чисто-
I го металла будут изменяться значительно сильнее, чем
I свойства окислов, так как температура плавления окис-
I лов у большинства металлов значительно выше, чем
температура плавления самих металлов. Это также об-
легчает разрушение и сдирание пленки окислов в про-
цессе деформации. Так как эти пленки очень тонкие, то
их осколки вполне могут разместиться в зазорах, обра-
зующихся между контактирующими поверхностями
. вследствие всегда имеющихся неровностей поверхности.
Эти зазоры будут ликвидированы только после механи-
ческого растекания поверхностей в результате их нагре-
вания и сжатия.
Рассмотрим теперь, как происходит процесс ультра-
звуковой сварки изделий [38]. После возбуждения ко-
лебаний одной из поверхностей начинается разрушение
окисных пленок на поверхностях и нагревание поверх-
ностей. Когда температура достигнет величины, пре-
вышающей температуру рекристаллизации, начнется
процесс растекания нагретых поверхностей, сопротив-
ление пластическим деформациям которых резко па-
дает с ростом температуры, с образованием больших
зон истинного контакта иод пуансоном и, соответствен-
но, возникновением сцепления. В местах образования
больших зон сцепления рассеивание энергии постепенно
уменьшается до тех пор, пока передаваемые с верхней
поверхности свариваемого образца колебания не будут
просто переходить в нижний образец по образовавше-
муся мосту — зоне сварки между деталями. Вопрос о
величине максимальной температуры при ультразвуко-
вой сварке до сих пор не решен. По-видимому, в очень
тонких слоях температура бывает близка к температу-
ре плавления, однако далее она резко падает. Если
рассмотреть в микроскоп микрошлифы зоны ультра-
звуковой сварки, то можно заметить, что структурные
изменения имеют место только в зоне толщиной поряд-
ка микрона, т. е. близкой по величине одному зерну.
Проведенные нами исследования микротвердости
шлифов ультразвуковой сварки показали, что у самой
7*
99
ЯййчЖ no.™..,.
сварки ничем°принципиальто0неПотЦеСС ультРазвУковой !
SSSffi?- И ПРИ ОДН0М и Др“мЯе^деРимХ .
способ пии^ИЗИЧеСКИе пР0Цессы и тот же> по существу, I
TOJiBRn п Чистки поверхности. Разница заключается |
пяяпиии НН0М хаРактере относительного движения и в I
обычмлйЫХ П°Ка ЧТО видах свариваемых изделий: при
ног ” сварке трением это преимущественно различ-
Кокпй^°Да стеРжни и их сварка встык; при ультразву-
ков п пРеимУЩественно сварка внахлестку. Та-
лалкиТ*"ИЧИе Не является принципиальным и по мере
пат еишего развития техники сварки оно, видимо, бу-
постепенно сглаживаться.
Пяп^атимся тепеРь к рассмотрению влияния основных
параметров установки и материала на процесс возник-
новения соединения.
сл!^РеД{Де всего возникает вопрос о влиянии толщины
Диняемых материалов на необходимую энергию для
Ультразвуковой сварки. Так как ультразвуковая энер-
ИЯ передается с верхней поверхности соединяемых ли-
°в, то толщина листа должна влиять очень сущест-
внно, так как с ростом толщины увеличивается доля
нергии, которая проходит в соединяемые листы поми-
о места соединения и, следовательно, является бес-
слезной для сварки. Расчет величины этой доли энер-
и показывает, что она сильно растет с увеличением
лщины листа. Расчет этот подтверждается опытом.
О ДЛЯ сваРки алюминиевых листов толщиной
> ,о мм необходима установка мощностью 1,5 квт,
млпЛ сваРкп листов толщиной 1—1,5 мм — установка
мощностью 2,25 квт.
что пп°и ч^ТтптСИВН1Ьг:Й опСТ мощности объясняется тем,
оказывается равХной75-20Цс2ЛИаНапВОЛНЫ В МеТЭЛЛе
применяемого в этих случаях 3-4 мТтГ” пуднсона’
=й=£-==^
места соединения. ^Р1ии проходит мимо
JOO
Для данной толщины листов и данной силы прижа-
тия имеется оптимальная величина мощности, вводимой
в свариваемые листы. Если эта величина будет превы-
шена, то рассеивание энергии в месте соединения и,
следовательно, нагревание его уменьшатся.
На рис. 61 приведены графики изменения температур
в месте соединения пластин из алюминия и монель ме-
талла в зависимости от силы зажатия и подводимой
мощности [32].
ТЕМПЕРАТУРА
Рис. 61. Зависимость температуры в зоне сварки от
подведенной мощности, силы прижатия и времени
протекания ультразвуковых колебаний.
Как видно из графиков, в данном случае максималь-
ная подводимая мощность не должна превышать 800 вт.
Это объясняется тем, что увеличение подводимой мощ-
ности достигается за счет увеличения амплитуды коле-
баний вибратора, прижатого к верхней пластине. Но с
увеличением амплитуды, при данной силе прижатия,
растет и проскальзывание пуансона по верхней пласти-
не и рассеивание энергии на контакте пуансон—пла-
101
стина. При этом доля энергии, поступающая в власти*
ну в виде поперечных упругих колебаний, падает. При
увеличении силы зажатия до 90 кг проскальзывание
уменьшается и возможно введение большой мощности.
Однако и сила зажатия также имеет определенный пре*
дел (при данной мощности). Например, на рис. 62 при-
ведены данные о влиянии приложенного усилия на тем-
Рис. 62. Зависимость температуры от величины давления и
времени протекания ультразвуковых колебаний.
пературу при различных временах пропускания ультра-
звуковых колебаний. Как видно из графика, имеется
некоторое оптимальное давление, при котором дости-
гается наибольшая температура при данном времени
пропускания ультразвуковых колебаний. Наличие та-
кого максимума температуры, видимо, объясняется тем»
102
что при очень больших усилиях затрудняется относи-
тельное перемещение поверхностей в месте контакта и,
следовательно, уменьшается рассеивание энергии.
Так как для возникновения сцепления при ультра-
звуковой сварке сущест-
венное значение имеет по-
вышение температуры, то
подогрев места соединения
может уменьшить необхо-
димую^ энергию или при
данной энергии увеличить
площадь точки и ее проч-
ность. На рис. 63 приведе-
на зяпт^.г прочности
сварки
сплава от
предвари-
на зависимость
ультразвуковой
алюминиевого
температуры прсдоар-
тельного нагрева. Как вид-
но из рисунка, прочность
значительно увеличивает-
ся с ростом начальной тем-
пературы сварки, что обус-
ловлено увеличением площади P
Рис. 63. Зависимость прочнос-
ти алюминиевого сплава от
температуры предварительного
подогрева.
Рассмотрим теперь вопрос о выборе частоты ультра-
звуковых колебаний. Как уже указывалось выше, сред-
няя скорость колебаний определяется выражением
<г/ср = 0,64 Ао to.
Количество тепла, выделяемого в процессе трения в
секунду, т. е. мощность трения, определяется выраже-
нием
q = Лрг/cp,
где k — некоторая постоянная, зависящая от геометри-
ческих размеров тела, коэффициента трения и
принятой размерности;
р — усилие прижатия.
Следовательно, <7=/г2Яорсо,
где k2 — постоянная.
Таким образом, количество образующегося тепла
юз
пропорционально частоте и амплитуде ультразвуковых
колебаний.
Если для осуществления сварки тел будет выбрана
частота меньшая, чем при проверенном режиме, то для
сохранения мощности необходимо увеличить амплиту-
ду н давление. Мы уже говорили, что давление имеет
определенные пределы, после которых начинает умень-
шаться величина передаваемой энергии.
Увеличение амплитуды при передаче энергии от виб-
ратора через фрикционную связь с верхним листом так-
же ограничено. Следовательно, в этом случае ультра-
звуковой сварки диапазон возможных частот достаточ-
но узок. Правда, при уменьшении частоты можно уве-
личивать время нагрева, например до времени нагрева,
принятого при сварке трением, т. е. 10—20 сек. Тог-
да, казалось бы, и можно было бы взять частоты в 5—
10 раз меньшие, т. е. перейти к звуковым частотам.
Однако вследствие высокого теплоотвода возможность
нагрева до необходимых температур при понижении
частоты подлежит экспериментальной проверке. Пони-
жение частоты, вообще говоря, было бы желательным,
так как при этом можно было бы использовать более
простые генераторы колебаний, вплоть до механиче-
ских.
Прочность ультразвуковых соединений определяется
физикой явления при ультразвуковой сварке. При
ультразвуковой сварке имеет место разогрев очень тон-
кого поверхностного слоя, весьма быстро охлаждаемого
окружающими массами металла.
Разогретая часть металла сильно деформируется
приложенным давлением с одновременным быстрым
охлаждением. Следовательно, прочность соединения не
должна существенно отличаться от прочности соедине-
ния, полученного, например, при холодной сварке, ибо
в данном случае практически также не происходит за-
метного изменения структуры, кроме разве у самого
тонкого слоя поверхности соединяемых листов, претер-
певающего значительную пластическую деформацию и
нагреваемого до высоких температур.
Исследования показали, что действительно прочность
ультразвуковых соединений при правильном выполне-
104
Нии выше прочности соединений при обычной точечной
контактной сварке [35].
При осуществлении шовной сварки прочность шва
получается не ниже прочности целого металла.
В настоящее время основные исследования прове-
дены по научению ультразвуковой сварки легких спла-
вов, однако доказана возможность применения ультра-
звуковой сварки также для сварки черных металлов,
как-то: сталей легированных и нержавеющих, таких
малопластичных металлов, как нейзильбер и др. Этим
ультразвуковая сварка отличается от сварки без нагре-
ва, так как при применении последней, как указыва-
лось выше, у металлов малопластичных возникающие
сцепления разрушаются остаточными упругими напря-
жениями. При применении ультразвуковой сварки оста-
точные напряжения меньше, так как поверхностный
слои ^нагревается до температуры, бесспорно, превыша-
ющей температуру рекристаллизации, что ведет к зна-
чительному уменьшению остаточных напряжений.
В настоящее время опубликованы данные о сварке
листов толщиной не больше 2 мм, причем речь идет о
верхнем листе, через который вводятся ультразвуковые
колебания. Нижний лист может быть какой угодно
толщины, ибо на процесс ультразвуковой сварки может
влиять только теплопроводность нижнего листа, а не
его толщина. Чем меньше теплопроводность, тем мень-
ше время и мощность, необходимые для достижения
данной температуры.
Ограничение толщины верхнего листа обусловлено
необходимостью увеличения мощности установки с ро-
стом толщины. Но, как известно, мощность ультразву-
кового вибратора увеличить не просто. Кроме того, при
увеличении толщины листа необходимо увеличение
амплитуды колебаний пуансона, помимо увеличения
его площади. Выше уже указывалось, что такое увели-
чение амплитуды имеет определенный предел при дан-
ном усилии прижатия. Таким образом, при увеличении
толщины верхнего листа возникает ряд сложных проб-
лем, которые нельзя решить простым увеличением мощ-
ности генератора.
Выше мы рассмотрели теорию ультразвуковой свар-
ки при сварке листов внахлестку с фрикционной связью
105
листе н вибратора, По-видимому, энергетически более
эффективным является второй способ - способ сварки
с непосредственной передачей энергии в зону сварки.
Действительно, при этом способе не происходит боль-
шого овссеивания энергии, характерного для первого
способа. Рассмотрим, например, приварку контакта по
схеме, представленной на рис, 64. В данном случае
контакт движ<угся как твердое тело, приводимое в дви-
ТТТТТТ? 7 777777/7'-
Рис. СИ. Схрмя прикорни
КОИТЯК7 я
1’ш b!> Схема « варки
пл;к 7 мает.
женис вибратором, Расход энергии опр<‘д<-ля(*'1ся выра-
жением
W^kpSfu^.
где к — Iк>стоя!шая;
р удклыин*. давление;
S площадь контакта;
I — коэффициент трения,
и в первом приближении не зависит <и толщины кон-
такта. Амплитуда колебаний при этом может быть взя-
та большей, чем при первом способе сварки, так как
рассеивание энергии в контакте вибратор- -деталь не
будет зависеть от амплитуды. Таким образом, при вто-
ром способе сварки можно пойти на значительное
снижение частоты. Заметим, «гго при сварке таких де-
талей, как контакт лист или бялочка— лист и тепло-
отвод будет меньше, чем при сварке двух листов.
При сварке термопластичных пластмасс ультраэву-
10А
мм более эффективным является возбуждение не попе*
речных, а продольных колебаний [39] и сварка осущест-
вляется по схеме, представленной на рис. 65. По-вндм-
жжу, в данном случае рассеивание энергии происходит
как в месте соединения излучателя и верхней пла-
станы, так и в месте контакта пластин. Однако в верх-
нем контакте происходит сильный теплоотвод в метал-
лический вибратор, в то время как в нижнем контакти-
РУЮТ Два плохо проводящих тепло тела, что и обуслов-
ливает больший нагрев в лом месте.
5 3 ТЕХНОЛОГИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
Под/слойка поверхносI и для ультразвуковой сварки
°лжиа заключаться в обезжиривании и, в случае на-
Ичия толстых окислов на поверхности, в травлении.
Нек°'Юрых работах указывается, что достаточно про-
01 о обезжиривания, однако тогда средняя прочность
ЬаРного соединения уменьшается (ем. табл. 11).
Г а 6 л и цп И
Обрабитк-J перед <маркой
Обезжиривание и !рииа<*пи<
Об<лж и р и в а и и е
I P.i.ipy ШЛЮЩАЯ нлгруякз, кг
। MiiiiiiM. | мпксим. | средн.
‘ 136 182 169
8? I 182 132
Как видно из таблицы, для обеспечения большей на-
лежиости соединения лучше производить и травление,
и <Х>езжиривапие.
Точечная сварка листов может производиться на
установках разного тина. Простейшая установка пока-
тив на рис. 66. В этой установке, так же как и во всех
других, особое внимание следует обращать на волно-
вод и ею крепление к излучателю, так как в месте
крепления весьма быстро может возникнуть усталост-
ное разрушение. Вибраторы должны охлаждаться во-
дой, иначе они нагреются до недопустимо высоких тем-
ператур,
В настоящее время для ультразвуковой сварки ис-
107
пользуются обычно магнитострикционные вибраторы,
сердечники которых собираются из пермендюра или ка-
поголмбо другого сплава с высоким коэффициентом
жгпитострикцмн, т. е. с достаточно сильной зависимо-
стью размера тела от его намагничивания. Как известно,
псе тела при намагничивании изменяют свои размеры,
ио особенно велик этот эффект у никелевых сплавов.
Возможно, однако, и ис-
пользование пьезоэлек-
трических и механиче-
ских излучителей.
Рис. 66. Установка МЭИ для
ультразвуковой сварки листо-
вого материала.
Более совершенной,
чем описанная выше
конструкция (рис. 66),
является установка, схе-
ма которой приведена
на рис. 67. В этом слу-
чае колебания вибрато-
ра передается стержню.
При такой схеме собст-
венная частота системы
мало зависит от давле-
ния на стержень. Имеет
определенное значение
также и выбор плиты,
на которой располага-
ются свариваемые ли-
сты.
Так как определенная
часть энергии проходит
через место соединений
далее в плиту, то ее сле-
дует сконструировать так, чтобы эти колебания опять
отражались к месту сварки.
Пуансон, вдавливаемый в верхний лист при фрикци-
онной связи, изготавливается сферической формы с
радиусом закругления порядка 25—75 мм для листов
толщиной 0,5—1,5 мм.
Разработана также переносная ультразвуковая сва-
рочная головка (рис. 68).
Для осуществления шовной сварки изготавливается
вибратор, показанный на рис. 69. Скорость шовной
106
сварки пока что получена порядка 150 мм/мм. Для
осуществления сварки с подогревом разработана си-
стема, приведенная на рис. 70 [35]. Как видно из
рис. 70, подогревающие электроды располагаются во-
круг сварочных электродов.
При сварке вторым способом в конце вибратора де-
лается выемка в со-
ответствии с формой
свариваемой детали.
Выше уже были при-
ведены схемы для
сварки контактов и
балочек. Разработа-
ны 1акже аналогич-
ные. 67. Схема установки для ультра-
звуковой сварки.
1 стержень Передающий ультразвуковые
колебания; 2 — свариваемые образцы; 3
отражающая плита; 4 — вибратор; 5 —
поршень; 6 — вентиль
Рис. 68. Переносная сва-
рочная головка для уль-
тразвуковой сварки.
Таблица 12
Материал
Толщина,
мм
Мощность,
подводимая
к вибра-
тору, ВТ
Площадь
сварной
точки, см*
Алюминиевый сплав 1 .
Алюминиевый сплав 2 .
Латунь 1...........
Латунь 2
Нержавеющая сталь
1
2
0,42
0,42
0,51
1500
2100
1050
1050
900
0,23
0,16
0,071
0,051
0,045
109
рм 69 Установка для ультразвуковой шовной сварки.
“е 7 ' (дема «кущеетнлсння
ДОГреНА при УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
t снарке,
” то*оподводящме ыектодш.
ине способы сварки проволок. Необходимая мощность
дли сварки различных металлов различна и зависит от
их теплофнзнчсских и механических свойств (табл. 12).
\ 4. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ
В настоящее время применение ультразвуковой свар-
ки еще ограничено. Более широкая область ее приме-
нения еще выясняется. В этом отношении большое зна-
ИМеют ее преимущества перед другими видами
vJ*PKn‘ Например, по сравнению с контактной сваркой
г ьтразвуковая сварка имеет следующие преимущест-
меньшую потребную мощность, большую прочность
^°^Динения, большую легкость сварки таких металлов,
алюминий, ванадий и медь, и возможность сварки
истов, резко разнящихся по толщине. Однако макси-
альная толщина одного из свариваемых листов при
эт°м ограничена (1—2 мм) и электрическая часть уста-
новки более сложна, чем у машин для контактной свар-
ки. Действительно, в настоящее время для этой цели
используются различного рода ламповые генераторы,
например типа ГС 10, производимые нашей промыш-
ленностью, которые довольно сложны в эксплуатации.
По сравнению с холодной сваркой ультразвуковая
сварка имеет преимущества благодаря меньшей дефор-
мации свариваемых листов и возможности сварки срав-
нительно малопластичных материалов. Однако формы
изделий, свариваемых методом ультразвуковой сварки,
пока ограничены, потребные мощности при ультразву-
ковой сварке значительно больше, а предельные тол-
щины свариваемых изделий значительно меньше. Кро-
ме того, механизмы для холодной сварки несравненно
проще и дешевле.
По-видимому, в ближайшее время ультразвуковая
сварка будет широко применяться для сварки тонких
листов и проволочек в стационарных условиях, так как
в этом случае она имеет преимущество перед другими
видами сварки.
Представляет интерес изучение возможности комби-
нированных ультразвуковой и холодной сварок. При
помаши ультразвуковых колебаний производят очистку
ill
поверхностей, а в дальнейшем производят соединение
техникой холодной сварки. Возможно, что при этой
прочная сварка будет достигнута при меньшей дефор-
мации.
В настоящее время, помимо ультразвуковой сварки
таких металлов, как медь, алюминий, различного рода
стали, доказана возможность ультразвуковой сварки
титана, циркония, цирколоя, тантала, бериллия и дру-
гих металлов, используемых в атомной технике.
Л И 1 t НЛ 1 J г Л
Дерягин, И. И. Абрикосова ЖЭТФ, 21
0 Р. ’ *
|95Е^'б Дерягин, И. И. Абрикосова. ЖФХ, 1958,
л 144. м Дифшиц. ЖЭТФ, 29, 1955, 94.
% 3. т sch а 1 е г. Journ. of Metals, 1949, 11.
4. А- ‘ д й н б и н д е р. Холодная сварка металлов. Изд. АН
5'СССР 1957-
еБя.’пин е с. Успехи физических наук, 1954, 4, 501.
6. g Айибиндер, А. С. II р а и ч. Известия АН Латв.
7' 1959 9, 48.
бьР» д Sowtcr. Materials a. Methods, 28, 60, 1948.
д’э’ф. Клокова, А $1 Логинова. Известия АН Латв.
гСР (в печати).
'lO С. Б. Айибиндер. Ф. Гл уде. Известия АН Латв.
ГСР i960, 4.
ц’ С Б. Айибиндер, Э. Ф. Клокова. Известия АН
Пяти’ ССР, 1958, 12.
12. О. L. Anderson. Journal of Applied Physics, 30, 1959,
593.
13. R. F. Tylecote, D. H о w d,
tish Welding Journal, N. s., 21, 1958.
14. Э. Ф. Клокова. Известия АН
15. И. Б. Б а р а н о в. Холодная сварка пластичных металлов.
Машгиз, 1959.
16. К. К. X р е н о в, Г. П. С о х а ц к и й. Сварочное произ-
водство, 1955, 4.
17. А. М. Рура, М. Б. Хейфец. Вестник электропромыш-
ленности, 1955, 5.
18. Mashinery Lloyd, 1957, 6, 66.
19. I. A. Don el an. British Welding Journal, 1959, 1.
20. В. И. Билль. Сварка металлов трением. Машгиз, 1959.
21. А. С. Гельман, М. П. Сандер. Сварочное произ-
водство, 1959, 10.
22. Н. Н. Р ы к а л и н, А. И. П у ч и н, В. А. В а с и л ь е в а.
Сварочное производство, 1959, 10.
23. И. В. Крагельский, И. Э. В и и огр а д о в а Коэф-
«Ьштиент треиия. Машгиз, 1955.
Ф 24е F.J Bowden, D. Tabor. The friction and labricatiOn
of solids. Oxford 1954.
J Е. Furmidge. Bri
Латв. ССР. 1959, 6.
8 — 2347
113
25. В. Д. Куянапоп. Ниросты при ргяинии и трании, Т«ь
теоыюишт. 19М.
Ж П. Бриджмен, Исследование больших плистишш
мформайи* и рипрынн. ИЛ, 1965.
27. А. В. Верховен и й. ЖТФ, 1926, 3. 311.
28. N. Р. М г I а я п с г, J. В у г и о. Journal of Applied Phy»k»,
1952, 10.
29, M. А. Зий ков. ЖТФ, 1947, (1.
30. Ф. Боудон и II Фрейтаг Мишинострояииа м
рубежом, 1959, 5.
31. Р. И. Ил» к со и, В. Д. Вознесенский, Смрочяое
производство, 1959, 10.
32. И. А. II од га с в с к и й, О. М. Галом и ин, Известия
высших учебных заведений. Машиностроение. 1958, II 12
33. X. А. Т о я р. Сварочное производство, 1959, 10,
34. Б. И. К ос те цк ий. (36. «Сухое трение# Ияд. АН
Латв. ССР (в печати).
35. Н. Н. С ухари на. (36. «Сухое трение#. Изд. АН
Латв. ССР (в печати).
36. J. В. Jones, F. R. Meyer. The Welding Journal,
1958, 3.
37. H. А. О л ь ш a ii с к и й, А. В. M о p д в н п ц е в я, М, А,
Крумбольт. Автоматическая сварка, 1958, 10.
38. Ю. А. К и т а й г о р о д с к и й, М. Г. К о г а и, В. А. К у э«
не цо в, П. П. Вы кол ин, Л. Л. (Зе чип. Известия АН
СССР, ОТН, 1958, 8.
39. С. Б. А й п б и н д е р. ('варочное нроизвочетво, 1959, 12.
40. Н. А. О л ь ш а и с к п й, А. В. М о р д в и и п е в а. Свароч-
ное производство, 1959, 9.
41. А. П. Семенов. Исследование схвачывапия металлов при
совместном пластическом деформировании. Изд AH (3(3(ЗР. 1953
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Физические основы сварки металлов давлением
1. I. Силы взаимодействия между металлическими поверх-
ностями ................................................. 5
1. 2. Влияние шероховатости поверхности на возникновение
сцепления................................................ 9
1. 3. Влияние температуры на процесс возникновения сцеп-
ления ................................................. .14
1. 4. Сцепление разноименных металлов . 16
1- 5. Влияние тангенциальных напряжений на процесс воз-
никновения сцепления.....................................17
1- 6. Влияние на возникновение сцепления пленок на по-
верхности металлов 19
2. Холодная сварка металлов
2. 1. Схема холодной сварки металлов . 21
2. 2. Теория холодней сварки металлов . 24
2. 3. Технология холодной сварки металлов 39
2. 4: Прочность холодносварных соединений . 48
2. 5. Области применения холодной сварки . 49
3. Сварка металлов при повышенных гомологических тем-
пературах .............................................. 52
4. Сварка металлов трением
4. 1. Схема сварки металлов трением 55
4. 2. Теория процесса сварки трением 56
4. 3. Основы технологии сварки трением . 81
5, Ультразвуковая сварка металлов
5. 1. Схема ультразвуковой сварки металлов . ^3
5. 2. Основы теории ультразвуковой сварки •
3. Технология ультразвуковой сварки
4. Применение ультразвуковой сварки
Дитература ,,а
Семен Борисович Айнбиидер
HOBfrfE СПОСОБЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ
Обложка — Л. Озолинь
Редактор £, Савельева. Технический редактор
Е, Пиладзе. Корректор И. Шульц
СЛАНО в набор 25 июня 1960 г. Подписано к печати
II ноября 1960 г. Формат бумаги 84Х1087з2,
3J82S физ, печ. л.; 5,945 усл. печ. л.; 5,5 уч.-изд. л.
Тираж 4000 экз. ЯТ 23720 Цена 2 руб. 75 коп.
С 1 I 1961 г. - 28 коп.
Издательство Академии наук Латвийской ССР
г. Рига, ул. Смилшу, 1.
Отпечатано в типографии № 2 «Советская Латвия»
Управления полиграфической промышленности Ми-
нистерства культуры Латвийской ССР, г. Рига,
ул. Дзирнаву, 57. Заказ Кв 2347.
6R4.3
ИЗДАТЕЛЬСТВО АКАДЕМИИ НАУК ЛАТИМЯЮИ ССР