Аргонодуговая сварка (TIG): Подробное объяснение
Аргонодуговая сварка (TIG) — это стабильный процесс дуговой сварки, в котором используется неплавящийся вольфрамовый электрод и инертный газ в сварочной…
Холодная сварка — это процесс сварки в твердом состоянии, который требует минимального или полного отсутствия нагрева для соединения двух или более металлических поверхностей. Первое научное свидетельство о холодной сварке было зафиксировано в 1724 году, когда два свинцовых шарика были скручены вместе после их соприкосновения. В 1940-х годах процесс холодной сварки был официально признан как общий феномен материаловедения, при котором две чистые металлические поверхности, прижатые друг к другу в вакууме, слипаются при контакте.
Хотя знакомство с холодной сваркой заняло годы, сегодня этот метод стал незаменимым для ряда отраслей промышленности, представляя собой простой, но гениальный процесс.
Лаповые соединения при холодной сварке имеют уменьшенное сечение; стыковые соединения образуют облой, который затем удаляется.
Холодная сварка, также известная как сварка под давлением или контактная сварка, — это процесс, при котором две очищенные металлические поверхности соединяются при помощи достаточного давления для образования металлургической связи. В отличие от других сварочных процессов, использующих тепло и расплавленный металл для соединения, холодная сварка позволяет объединять металлы без тепловой энергии, обеспечивая почти идеальную связь между материалами.
В обычных атмосферных условиях поверхность металла реагирует с кислородом, образуя оксидную пленку, которая препятствует образованию связи между атомами. Для подготовки металлов к холодной сварке оксидный слой удаляется с помощью резки, щеток или других механических и химических методов.
Металлы должны обладать определенной пластичностью и не подвергаться сильному упрочнению. Еще одно ограничение — отсутствие углерода в составе металлов. Наилучшие результаты достигаются при проведении холодной сварки в вакууме, где отсутствует кислород.
Многие не знакомы с холодной сваркой, так как это нетрадиционный процесс, отличающийся от привычного понимания сварки с использованием тепла. Важно также понимать, что некоторые методы, называемые холодной сваркой, на самом деле являются горячими, где применяется электрод или нагретая поверхность.
Холодный перенос металла — это дуговой сварочный процесс, при котором электрическая дуга формирует сварное соединение. Этот MIG-процесс ошибочно называют холодной сваркой, так как тепловой вклад в сварочную ванну на 90% меньше, чем при традиционном MIG-процессе.
Так называемая TIG холодная сварка достигается путем значительного снижения теплового ввода и точечного нанесения электрической дуги на очень малый участок на долю секунды. Тепло быстро рассеивается, поэтому процесс не обеспечивает полного сплавления и эффективен только для соединения тонких металлических листов.
Перед началом процесса холодной сварки с металлов удаляется оксидная пленка с помощью щетки или резки. После очистки поверхности металлы могут быть сжаты под высоким давлением с помощью промышленных машин.
Этот сварочный процесс происходит на микроструктурном уровне: между атомами двух очищенных поверхностей происходит обмен электронами. Связь, образованная холодной сваркой, отличается высокой прочностью при незначительном количестве примесей и шероховатостей, но может быть заметно слабее при наличии загрязнений или неровностей поверхности.
Также очень важно минимизировать время между очисткой и непосредственной сваркой, так как очищенные атомы начинают взаимодействовать с атмосферой. Продолжительное воздействие воздуха приводит к появлению примесей, снижающих прочность соединения. Эти дефекты можно выявить с помощью различных методов неразрушающего контроля.
Для этого относительно простого способа требуется минимум инструментов: щетка для удаления оксида и машина для холодной сварки, обеспечивающая контакт очищенных поверхностей.
Обычная машина для холодной сварки оснащена механизмом для приложения давления (пресс), пуансоном или матрицами, выполняющими функцию направляющих, роликами для проволоки или листов, а также статической нагрузкой, которая может создаваться механически или пневматически.
При сварке проволоки выбирается матрица соответствующего диаметра, которая помещается в машину для холодной сварки. Обычно такие машины оснащены гильотиной для обрезки концов проволоки и удаления оксидного слоя, обеспечивая ровные поверхности.
Две проволоки или ленты затем соединяются под высоким давлением. На месте контакта образуется облой, который удаляется. Холодная сварка проволоки и очень тонких листов широко используется в полупроводниковой промышленности, где детали компактны и чувствительны.
Размеры машин для холодной сварки могут значительно отличаться в зависимости от назначения и типа материала — от ручных устройств для соединения медных проводов до пневматических установок.
Лучше всего для холодной сварки подходят металлы с похожей структурой и цветные мягкие металлы, однако соединение разнородных металлов также возможно. Наиболее часто холодной сварке подвергаются:
Сверхтонкие золотые нанопроволоки можно соединить за считанные секунды при простом механическом контакте. Испытания показали отличные результаты: сварные швы имеют ту же кристаллическую ориентацию и механические свойства, что и остальная часть нанопроволоки. Холодная сварка в наноразмере также осуществлялась между золотом и серебром, а также их сплавами, что свидетельствует о перспективности этого метода при дальнейшем развитии исследований.
Эти отрасли постоянно ищут сочетания легких и функциональных материалов для повышения производительности, снижения расхода топлива и т.д. Здесь холодная сварка особенно полезна, в частности для сварки алюминия и нержавеющей стали. Технология позволяет не подвергать материалы чрезмерному нагреву, что снижает риск их хрупкости.
Холодная сварка незаменима там, где нагрев может быть опасен. Хороший пример — безопасное соединение подземных проводов с помощью холодной сварки, где тепло может вызвать воспламенение взрывоопасных газов.
Теплообменники, используемые в холодильной технике, изготавливают с применением холодной сварки при формировании трубчатых каналов в больших листах. Также некоторые устройства хранения и упаковки используют холодную сварку при создании стыковых или лаповых соединений. Отсутствие теплового воздействия позволяет сохранить целостность материалов.
Лучшие результаты холодной сварки достигаются в вакууме, без присутствия кислорода. Поэтому иногда этот процесс происходит случайно в компонентах космических аппаратов.
Яркий пример — аппарат Galileo, где возможность случайной холодной сварки не была учтена конструкторами, что едва не повлекло за собой провал всей миссии и миллиардные убытки NASA. 9 октября 1989 года Galileo был запущен для изучения Юпитера. После 18 месяцев полета три из восемнадцати антенн не раскрылись из-за самопроизвольной холодной сварки.
Движущиеся части антенны за время эксплуатации были очищены от загрязнений, а при контакте под высоким давлением в условиях вакуума слиплись. Причем относительное движение поверхностей не исключает образования холодных сварных соединений — процесс может происходить одновременно с износом типа фреттинг и задирами при неоднократных ударах и вибрациях.
Сегодня используются специальные меры для предотвращения случайной холодной сварки: выбор материалов, смазка, нанесение покрытий и уменьшение площади контакта.
С другой стороны, это явление позволяет астронавтам эффективно проводить необходимый ремонт вне космического аппарата.
В отличие от других методов сварки, где металлы переходят в жидкую или расплавленную фазу (дуговая сварка, сварка трением, точечная сварка и др.), холодная сварка позволяет объединять металлы без нагрева. Этот процесс обеспечивает равномерные и прочные соединения, без зоны термического влияния. Однако для достижения высокого качества необходимо тщательно удалять оксидные слои и следить за чистотой и ровностью поверхности, а оптимально проводить сварку в вакууме.
Холодная сварка помогает решать сложные задачи различных отраслей, но не является универсальной — она имеет ограничения по материалам. Процесс невозможен для металлов, содержащих углерод, что является основным сдерживающим фактором, ведь низкоуглеродистая сталь — самый широко используемый сварочный материал.
