ВВЕДЕНИЕ
Холодная сварка металлов выполняется без нагрева при комнатных, отрицательных и даже глубоко отрицательных температурах (до —250° С). Она производится с помощью специальных устройств, вызывающих одновременную направленную деформацию предварительно очищенных поверхностей и нарастающее (до определенной границы) напряженное состояние, при котором образуется монолитное высокопрочное соединение.
По имеющимся сведениям, холодная сварка применялась еще в древние времена при изготовлении художественных изделий из благородных металлов (золота и серебра).
С развитием эффективных источников нагрева (в начале XIX в.) — ацетилено-кислородного пламени, электрической дуги В. В. Петрова, контактного нагрева — возникли более легкие способы сварки плавлением, пайки и контактной электросварки. Эти способы вначале отодвинули «пластическую» сварку на задний план.
В связи с интенсивным развитием цветной металлургии, прежде всего массового выпуска алюминия и его сплавов, меди, никеля, часто возникали трудности в соединении отдельных изделий. Однако уже в то время применялось специальное оборудование для пластической металлообработки: различные виды прессов, прокатные, волочильные и экструзионные станы. На их базе интенсивно проводились работы по освоению прессовой «пластической» сварки с различными видами нагрева. При этом специалисты искали пути исключения перегревов и получения равнопрочных соединений. Естественно, что разупрочнение уменьшается с понижением температуры. Оказалось, что во многих случаях возможно выполнять прессовую сварку при комнатной температуре без применения нагрева. Этот способ соединения металлов назвали холодной сваркой, и он из способа, который был известен только отдельным мастерам, стал массовым общеизвестным технологическим методом.
В обозрении Ф. Колли [219] отмечается, что в Англии способ холодной роликовой сварки свинцовых оболочек кабелей запатентован в 1881 г. Желобчатые свинцовые полосы охватывали изолированные провода с помощью гибочных и деформирующих роликов, под высоким давлением полосы сваривались. Для сварки свинцовые полосы поступали чистыми после изготовления прессованием.
При разработке порошковых сплавов в 1937 г. и металлообработке серебра в 1940 г. было установлено, что соединения в твердой фазе пластичных металлов может производиться без нагрева.
Р. Тиликэт в 1945 г., рассматривая сварку давлением легких сплавов, отмечал, что можно получить соединения при температурах, ниже комнатных, в случаях применения высокого давления [239].
Г. Драст в 1947 г. описал способ сварки в твердой фазе алюминия, меди и никеля в вакууме. Он отметил, что сдвигающее (касательное) усилие наиболее эффективно разрушает пленки окислов алюминия независимо от температуры нагрева. Сжимающее давление без бокового движения недостаточно уничтожает окисные плены. Прокатка и ковка полученных соединений улучшают их качество.
Первые сообщения о холодной сварке были опубликованы в английских журналах (1945—1948 гг.). Из них наиболее известны работы Р. Ф. Тиликэта. Эти работы распространила фирма «Дженерал электрик», в них сообщалось преимущественно о холодной сварке алюминия и меди.
В отечественной литературе первое сообщение о возможности холодной сварки металлов сделал в 1949 г. К. К. Хренов [158]. Он организовал в Академии наук УССР специальную группу по холодной сварке, в которой автор настоящей монографии начал ее исследование с азов. В этой группе впервые были разработаны холодная стыковая сварка с формированием, холодная точечная сварка с повышенной остаточной толщиной, тавровая сварка и др. Б. И. Костецкий, который также работал в этой группе, обосновал общепризнанную теорию металлических связей. Он же впервые выдвинул идею холодной сварки металлов сдвигом, которая разрабатывалась и исследовалась с участием автора книги [165].
Одновременно разработки и исследования холодной сварки велись во многих организациях страны. Особо важное значение имели теоретические исследования и анализ литературных данных А. П. Семенова [126], проведенные в Академии наук СССР.
В начале развития холодной сварки в нашей стране получили известность работы К. К. Хренова [158—170], И.Б.Баранова [17—21], А. П. Семенова [126—131], Б. И. Костецкого [69—71], С. Б. Айнбиндера [5—9], Л. И. Адрианова и Г. М. Орловского [4], Н. А. Догадкина [45], Г. П. Сахацкого [113— 115] и др. Данный период отличается исследовательской самобытностью и слабыми связями, однако это имело не только отрицательный характер. Именно тогда была разработана теория и основные способы холодной сварки, которые в дальнейшем технически совершенствовались.
Несмотря на то что первые практические шаги по холодной сварке были сделаны за рубежом [193, 194, 199, 201—205, 2Ю—213, 215, 219, 231, 232, 239—246], развитие отечественной науки о физической природе явления холодной сварки, основ ее технологии и способов сварки достигло высокого уровня. Выдвинутая за рубежом рекристаллизационная теория И. М. Паркса [225], теория, определяющая свариваемость по соотношению твердости пленок окислов к твердости основного металла, теория Р. Ф. Тиликэта [239—246], деформационный ряд свариваемости А. В. Соутера [231—232] не. подтвердились практикой.
В настоящее время большинство исследователей принимают теорию металлических связей, впервые выдвинутую в нашей стране [15, 69, 126—127, 165]. На основании этой теории разработаны принципиальные основы технологии холодной сварки металлов, позволяющие непрерывно развивать технические ее возможности.
Однако «пленочная» теория, получившая у нас широкое распространение, оказывает на развитие холодной сварки прямо противоположное воздействие — она ограничивает ее технические возможности. Уайтхед [6], изучая трение скольжения, высказал предположение, что легкость разрушения окисной пленки, вероятно, связана с отношением ее твердости к твердости основного металла. Р. Ф. Тиликэт предположил, что легкость разрушения окисла является основным критерием свариваемости, поэтому величина отношения твердости окисла к твердости металла должна давать некоторое представление о свариваемости металлов при комнатной температуре.
С. Б. Айнбиндер принял в основу «пленочной» теории первую теорию Р. Ф. Тиликэта и деформационный ряд А. В. Соутера. Анализ этой теории приведен в главе II.
Следует отметить, что Р. Ф. Тиликэт после дополнительных исследований [245—247] изменил мнение о влиянии соотношения твердости плен и твердости металла на свариваемость. Он отмечал, что, когда пленки окислов тоньше 50 А или металл наклепан, эта теория не выполняется, и в ней имеется много исключений. Когда пленка окислов на металле очень тонкая, например на кадмии и свинце, она не влияет на свариваемость. Тонкие пленки окислов, какими бы они ни были хрупкими, могут в определенной степени растягиваться без разрушения, а очень тонкие естественные пленки на индии, свинце, кадмии не снижают свариваемость этих металлов по сравнению со свариваемостью золота и серебра, не имеющих окислов.
По мере развития принципиальных основ технологии холодной сварки металлов и разработки оборудования число метал- лов, соединяемых данным способом, непрерывно возрастает. Сначала холодная сварка применялась преимущественно для соединения алюминия, меди и алюминия с медью. Уже эта область применения подняла роль холодной сварки от второстепенного, «экзотического» способа до прогрессивного, во многих случаях незаменимого, открывшего много новых технических возможностей.
В настоящее время число металлов и сплавов, соединяемых холодной сваркой, намного возросло. Особенно велико преимущество холодной сварки перед другими при соединении разнородных металлов, чувствительных к нагреву или образующих интерметаллиды.
Благодаря отсутствию нагрева, способ холодной сварки обладает автономностью, его удобно использовать в полевых условиях, например, для соединения контактных проводов железнодорожной тяги, линий связи и др.
Указанный способ также представляет научную ценность, он дает возможность познать природу пластической деформации, явление возникновения металлических связей в твердом состоянии, а также явления, связанные с трением и износом. Под влиянием холодной сварки изменились взгляды на физическую природу сварки в пластичном состоянии с нагревом, что позволило расширить ее технические возможности.
Так, способ стыковой сварки с формированием соединений [116—123], сочетающий рациональные возможности контактной и холодной сварки, позволил решить следующие проблемные задачи: получить соединения алюминия и меди с твердостью и прочностью, равными твердости и прочности основного металла, что требуется для холодного волочения; осуществить соединения дюралюминия, сплава АМг6 и других металлов с прочностью, равной прочности основного металла; повысить качество сварных соединений высокопрочных углеродистых и легированных сталей.
Холодная сварка настолько же проста, как и сложна. Очень важно правильно рассчитать и изготовить оснастку, а также строго выполнять технологию. Если детали поступили на сварку очень холодными, они покрываются влагой, запотевают, их можно сваривать только после выравнивания температуры. Подготовленные к сварке поверхности следует тщательно предохранять от паров, брызг влаги, пыли, их нельзя трогать руками. При выполнении технологических норм данный способ обеспечивает высокое и стабильное качество сварных соединений.

Назад, на страницу описания