Для получения анимированного изображения процесса нажмите сюда

Холодная стыковая сварка – это вид сварки в твердой фазе, являющейся уникальной, поскольку осуществляется при температуре окружающей среды. (Прочие формы сварки в твердой фазе осуществляются при повышенных температурах, однако, не смотря на то что температура высокая, металл не подвергается плавке, скорее становится вязким.)

Еще в 3 000 году до н.э. египтяне изготавливали железные изделия, проковывая губчатый металл с целью соединения друг с другом разогретых докрасна частей. В течение многих веков кузнецы изготавливали сварное железо также методом перековки. Такой тип сварки всегда осуществлялся при высоких температурах.

Первый известный пример сварки ковкой при температуре окружающей среды в Британии (то есть пример настоящей холодной сварки) относится к позднему Бронзовому веку, примерно 700 г. до н.э. Материалом, применяемым в данном процессе, было золото: при раскопках были найдены золотые ларцы, сделанные этим методом.

Открытие стыковой холодной сварки

Первое научное наблюдение холодной стыковой сварки было осуществлено в 1724 году преподобным Джоном Теофилом Дезагюлье. Он продемонстрировал этот феномен Королевскому обществу и затем опубликовал подробности в научных журналах того времени. Преподобный Дезагюлье обнаружил, что если взять два свинцовых шарика, около 25 мм в диаметре каждый, сжать их и закрутить, то они соединятся. Прочность соединения была проверена на безмене, и хотя результаты измерения оказались изменчивыми, было получено соединение достаточно хорошего качества, иногда качество соединения равнялась прочности самого материала.

Так получилось, что после открытия преподобного Дезагюлье в 18 веке, данная технология получила очень малое развитие вплоть до Второй Мировой войны, когда стыковая сварка стала развиваться ускоренными темпами, особенно в Германии, где охлаждающие элементы для самолетов, изготавливаемые из легкого сплава, производились этим методом. Однако надо понимать, что данный вид сварки осуществлялся при повышенных температурах.

С первого взгляда может показаться, что процесс холодной стыковой сварки – практически магия. Люди, незнакомые с ней часто не желают принимать всерьез метод сварки, в котором не используются нагрев или электричество или флюс какого-либо вида для производства соединений. После демонстрации они постоянно удивленно восклицают «Как же два куска оказались соединены?»

Существовало несколько объяснений того, как в реальности осуществляется механизм холодной стыковой сварки. Например, было выдвинуто предположение, что это происходит вследствие рекристаллизации, а также энергетическая гипотеза, но большинство объяснений были либо экспериментально опровергнуты, либо была доказана их несостоятельность на теоретической основе.

Принятая в настоящий момент гипотеза заключается в том, что в основе холодной стыковой сварки лежит принцип, заставляющий атомы металлов притягиваться друг к другу за счет металлической «связи», названной так, поскольку присуща металлическим субстанциям. Связь можно описать как «облако», состоящее из свободных, отрицательно заряженных атомов, которые вследствие действия силы притяжения образуют единицу.

Образование шва

Следовательно, если две металлических поверхности приблизить друг к другу таким образом, чтобы расстояние между ними составило всего несколько ангстремов (в одном сантиметре 300 миллионов ангстремов) – то между свободными электронами и ионизированными атомами может произойти взаимодействие. Это приведет к устранению потенциального барьера, и электроны металлов могут стать общими. В свою очередь это приведет к образованию связи и, как следствие – шва.

Более простой способ объяснить этот чудесный процесс следующий: если две поверхности совмещаются друг с другом, при этом обе являются структурно чистыми и структурно плоскими на атомном уровне, происходит связь, по прочности соответствующая исходному веществу.

Раннее применение

Однако на практике связь практически невозможна при большинстве условий вследствие неравномерности поверхности, загрязнения поверхности органическими веществами и химическими пленками, такие как оксидные пленки.

С целью достижения максимальной эффективности сварки любая форма загрязнений должна быть сведена к минимуму, в то время как область контакта, то есть область сварки, должна иметь максимально возможную площадь.

На раннем этапе применения холодной стыковой сварки радиальное смещение и обсадка поверхностей осуществлялись за один шаг. У данной техники имелся ряд недостатков: необходимо было обточить свариваемые концы; обе поверхности необходимо было очищать от загрязнений; кроме того, количество материала, который вступал во взаимодействие в зажимной матрице, было таким, что изделие могло согнуться, а также случиться нарушение соосности изделий, в силу чего расплющивание металла в заданном направлении нарушается.

Принцип многократной обсадки

Затем на смену пришла система стыковой сварки, разработанная компанией GEC, основанная на принципе, известном как «принцип многократной обсадки». Когда материал помещается в матрицу, всякий раз при срабатывании аппарата, материал зажимается матрицей и подается вперед.

Таким образом, два противоположных торца изделий растягиваются и удлиняются по всей своей поверхности и прижимаются друг к другу. Оксидная пленка и прочие загрязнения поверхности выдавливаются из серединной части материала, что приводит к образованию связи. Для того чтобы обеспечить удаление всех загрязнений с поверхности рекомендуется проводить минимум четыре процедуры обсадки.

Преимущества данного типа сварки хорошо видны на практике. Перед сваркой не требуется подготовка концов проволоки или прутка, а также позиционирование двух свариваемых концов по отношению друг к другу происходит автоматически, как только материал оказывается помещённым в матрицу. Нет необходимости в установке температурного режима, который необходимо достичь; нет необходимости настраивать зазор, поскольку эта процедура автоматически осуществляется в матрице; нет необходимости в настройке давления пружин. Неправильная установка какого-либо из вышеназванных параметров на аппарате контактной сварки, приведет к образованию брака.

Подходящие металлы

Холодная стыковая сварка ограничивается цветными металлами или, в лучшем случае, мягким железом, не содержащим углерода. Холодной сварке подвергается большинство цветных металлов, в то время как медь и алюминий имеют наибольшее распространение, различные сплавы, такие как Альдрей, Triple E, константан, а также 70/30 латунь, цинк, серебро и серебряные сплавы, никель, золото и многие другие сплавы отлично свариваются при помощи аппаратов холодной стыковой сварки. Проволока с покрытием, включая медную луженую проволоку, проволоку с серебряным и никелевым покрытием может свариваться друг с другом или с проволокой из чистой меди.

Обычные методы соединения разнородных металлов, таких как медь и алюминий, в частности контактная сварка, сварка трением или газопламенная сварка приведут к быстрому разлому шва. Эта реакция при соединении меди с алюминием происходит сразу при совмещении металлов.

Причиной данной проблемы являются в большей мере образование оксидов и воздушных камер, которые сохраняются между поверхностями при проведении данных методов сварки, нежели чем разнородность между самими металлами. Однако в процессе холодной стыковой сварки оксиды и воздушные камеры выдавливаются наружу и, поскольку в процессе не применяется нагрев, происходят только те металлургические изменения, которые имеют место быть при температуре окружающей среды.

Холодная стыковая сварка представляет собой наиболее удовлетворительный способ соединения меди и алюминия без образования хрупких интерметаллических соединений. Качество сварки отличное, поскольку в результате сварки образуется кованая структура, в отличие от сварки плавлением в результате которой получается литая структура. Кроме того отсутствуют зоны, подвергнутые воздействию высокими температурами с неподходящими свойствами.

Большинство, с целью проверки прочности сварки, полагается на приборы для испытания на растяжение. В качестве альтернативы можно провести испытание на изгиб. Однако наиболее жестким испытанием качества сварки является пропускание сварного шва через значительное число фильер в волочильной машине.

Роль матриц

Матрицы играют важную роль в процессе холодной стыковой сварки. Прежде всего, они должны плотно захватывать материал и, следовательно, внутренняя полость матрицы либо вытравлены при помощи электроискрового аппарата, либо, когда матрица применяется для сварки изделий из алюминия больших габаритов, зажимные насечки наносятся на поверхность полости перед термической обработкой матрацы.

Зазор между двумя лицевыми сторонами или носиками матрицы также крайне важен. Если он будет слишком большим – то материал просто разрушиться или изогнется. Данный габаритный размер задается в процессе производства матрицы и не может быть изменен.

Наконец, существует такой параметр как смещение носиков матрицы, который заставляет сварной шов выглядывать за линию по окружности материала. Назначение данного смещения в том, чтобы разламывать грат на две половины, что делает процесс его удаления очень простым; в противном случае вокруг материала накапливается грат, по форме напоминающий плотное кольцо, который затем необходимо отдельно удалять. Носики матрицы также должны быть достаточно острыми для того, чтобы, по сути, откусить грат, расположенный вокруг сварного шва для того чтобы, опять же, упростить процедуру удаления всего грата.

Прочность и вид термообработки матрицы также являются одними из наиболее важных параметров. На заре истории холодной сварки поломка матрицы было достаточно распространенное явление, а спустя годы, когда появилась машина для сварки медного прутка диаметром 8 мм, появилась проблема накопления достаточного усилия в матрице такого размера.

В течение более чем 30 лет компания PWM производит матрицы по крайне высоким стандартам с крайне малой допустимой погрешностью при производстве. По мере развития технологии производства проволоки, росло и требование к ее точности. Научно-исследовательская и опытно-конструкторская программа компании PWM, которая продолжается и по сей день, позволила освоить производство матриц, обеспечивающих сварку проволоки сверхмалого сечения. Компания PWM стала первой компанией за пределами США, которая разработала матрицу, способную осуществлять сварку проволоки диаметром 0,08 мм на обычных устройствах холодной сварки. Матрицы PWM изготавливаются вручную с малой допустимой погрешностью и формируются в подобранный комплект опытными специалистами.

На сегодняшний день матрицы промышленного стандарта PWM могут быть изготовлены в диапазоне размеров от 0,08 до 6,50 мм. Также матрицы могут быть изготовлены как для сварки проводов круглого или фасонного сечения, так и для прутков, в соответствии со спецификациями клиента.

Также PWM может изготавливать матрицы, которые могут произвести сварку изделий любого профиля, в том случае если имеется возможность соблюсти два условия: профиль позволяет изготовить матрицу, состоящую из двух половин – которые необходимы для удаления сваренных проволок из матрицы, и сечение профиля соответствует рабочему диапазону сварочного аппарата.

Сварка проволок разного диаметра также возможна. Обычно больший диаметр не должен превышать меньший более чем на 30%. Если медная проволока будет значительно меньше в диаметре чем алюминиевая, то медь окажется попросту вдавлена в алюминий, и сварка не произойдет.