Холодная сварка металлов .производится, как правило, при комнатной температуре без нагрева. Соединяемые детали подвергаются сжатию, которое вызывает в них значительную пластическую деформацию и высокие удельные давления. Металл в зоне сварки течет. При этом атомы поверхностей соприкосновения сближаются, между .ними возникают силы междуатомного взаимодействия. В результате этого образуется прочное монолитное соединение с полным исчезновением поверхности раздела и электрического сопротивления контакта.
Для того чтобы распространить область применения холодной сварки на менее пластичные металлы и сплавы, их подогревают до температур, три которых механическая прочность этих металлов и сплавов не уменьшается, а пластичность значительно возрастает.
Широкое распространение получила также прессовая сварка, при которой детали под давлением подвергаются общему или местному (в зоне соединения) подогреву. При помощи этого способа можно производить качественную сварку алюминиевых сплавов типа АМгб и дюралюминий. «В связи с тем, что три других способах сварки сплавы алюминия, расплавляясь или нагреваясь до высоких температур, значительно уменьшают свою прочность, прессовая сварка фактически стала единственным способом соединения сплавов алюминия без уменьшения их прочности. Благодаря незначительному подогреву металлов область применения прессовой сварки может распространяться на различные металлы, включая сталь [1].
С 1951 г. коллектив лаборатории холодной сварки металлов отдела № 4 Института электросварки под руководством академика АН УССР К- К. Хренова изучает и разрабатывает способы холодной и ‘.прессовой сварки металлов.
Раньше для производства электрических проводов, кабелей и шин применялась, главным образом, дорогая и дефицитная медь. Полноценным дешевым заменителем меди является алюминий. По своей электропроводности алюминиевые провода не уступают медным. В то же время они на 40% дешевле и примерно вдвое легче медных. Однако применение вместо меди алюминиевых проводов, имеющих высокую стабильную электропроводность, затруднено из-за отсутствия эффективных методов надежного и удобного их соединения. Это обусловлено тем, что из-за быстрого окисления алюминия контакты обгорают и выходят из строя.
Холодная сварка является наиболее простым, удобным и надежным способом соединения не только алюминиевых проводов, но и алюминиевых с медными. При подсоединении к разъемному контакту алюминий необходимо облицовывать медью.
Используя результаты исследования холодной сварки, коллектив лаборатории разработал технологию и создал конструкции простых и надежных в работе легких ручных инструментов, предназначенных для холодной сварки алюминиевых и медных проводов в условиях электромонтажа, а также конструкции станков, предназначенных для работы на заводах и в электромонтажных мастерских. Соединение алюминиевых проводов сечением до 10 мм2 можно производить легкими ручными клещами, не требующими больших усилий.
Задача создания простых и надежных инструментов для холодной стыковой сварки алюминиевых проводов оказалась сравнительно сложной. Лишь шестая модель клещей КС-6 обеспечивала стабильную сварку, удовлетворяла условиям электромонтажа, оказалась вполне технологичной и дешевой в изготовлении. После изготовления нескольких опытных экземпляров клещи КС-6 были | подвергнуты «всесторонним лабораторным и производственным испытаниям.
Проверка качества сварных соединений алюминиевых проводов была произведена в 1957 г. по программе и в объеме, которые были разработаны Техническим управлением Министерства I электростанций СССР. Кроме испытаний холодно сварных соединений проводов на механическую прочность, программа включала I электрические испытания, проводившиеся в соответствии с «Правилами устройства электроустановок». Проводились также коррознойные испытания и металлографические исследования соединений. Была установлена высокая механическая прочность холодно- I сварных стыковых соединений. При испытании на растяжение I разрушение происходило вне зоны сварки, поскольку стык вследствие наклепа оказался прочнее основного металла. Электрические испытания показали, что переходное сопротивление контакта в месте сварки отсутствует. По истечении некоторого времени по- I еле сварки электрическое сопротивление зоны сварки незначительно снижалось вследствие процесса диффузии и снятия наклепа. При коррозионных испытаниях была установлена удовлетворительная коррозионная стойкость холоднооварного соединения. Металлографические исследования подтвердили наличие монолитного соединения в зоне холодной сварки.
В результате испытаний было установлено, что при помощи холодной сварки можно производить вполне надежные соединения Н электрических проводов. В связи с этим холодная сварка проводов Н была рекомендована Министерством электростанций СССР к широкому применению при электромонтажных работах, а клещи КС-6, I
при помощи которых она осуществлялась, рекомендованы к серийному изготовлению [2].
Кроме этих единовременных испытаний, на Киевском чугунно кровельном заводе были проведены наблюдение и контроль за работой и состоянием холодно сварных соединений при длительной эксплуатации в производственных условиях. К алюминиевым силовым кабелям методом холодной стыковой сварки были присоединены концы медных жил для подключения их к разъемным контактам распределительного щита. Две опытные трехфазные силовые линии, нагруженные переменным током, предельно допустимым по нормам на эти кабели, бесперебойно работают на заводе с 1958 г. Следует отметить, что до оконцевания медью эти линии уже через несколько дней эксплуатации выходили из строя (несмотря на наличие специальных зажимов для алюминия) вследствие обгорания концов кабелей в месте подключения £3].
Для проверки были отсоединены и заменены новыми два облицованных медью участка кабеля. В отсоединенных участках холодносварные соединения алюминия и меди исследовались на механическую прочность, микротвердость зоны соединения, макро- и микроструктуры. Результаты исследований показали, что после трех с половиной лет эксплуатации соединения не приобрели хрупкости, микротвердость зоны сварки даже несколько уменьшилась, произошла частичная рекристаллизация, исчез наклеп в месте соединения алюминия с медью. В результате длительной эксплуатации холодносварные соединения не претерпели никаких изменений, ухудшающих их работу.
Клещи КС-6 обеспечивают сварку алюминиевых проводов сечением 2,5, 4,6, 10 мм2 н любых промежуточных сечений, а также медных проводов сечением 2,5 и 4 мм2.
Для холодной стыковой сварки алюминиевых и медных проводов сечением до 25 мм2 сконструирован и изготовлен настольный станок СНС-3. Он позволяет производить высококачественные сварные соединения алюминиевых и медных /проводов (из которых состоят многожильные кабели) сечением 2,5, 4, 6 и 10 мм2, диаметром 2,1 и 2,5 мм, а также алюминиевых проводов сечением 2,5, 4, 6 и 10 мм2 с медными проводами сечениями 2,5, 4 и 6 мм2 *. Таким образом, при помощи станка СНС-3 можно приваривать медные жилы к концам алюминиевых проводов и жилам кабелей для присоединения их к различной арматуре, распределительным щитам и др. Особенно рекомендуется применять этот станок на заводах и в электромонтажных мастерских для сварки заготовок из алюминиевых проводов с медными выводами.
Клещи КС-6 и станок СНС-3 предназначены для стыковой сварки одножильных проводов и кабелей. Многожильные провода
* Плашки к станку СНС-3 для сварки алюминиевых проводов и жил сечением 16 и 25 мм2 изготавливают по специальному заказу.
и кабели необходимо соединять последовательной сваркой отдельных жил.
Перед сваркой необходимо зачищать торцы соединяемых проводов, обрезая их концы специальными кусачками. Кусачки входят в комплект поставки клещей КС-6 и станка СНС-3.

Технические данные клещей КС-6 и станка СНС-3

Технические данные клещей КС-6 и станка СНС-3

Аппаратура для холодной и стыковой сварки, разработанная лабораторией, уже на протяжении ряда лет выпускается серийно. Так, например, Киевский инструментально-механический завод еще в 1960 г. приступил к выпуску клещей КС-6, а в 1961 г.— станков СНС-3. В процессе эксплуатации было установлено, что внедрение в производство одного комплекта клещей КС-6 дает 921,5 руб., а одного станка СНС-3Щот.3 до 7500 руб. годовой экономии.
Из наиболее значительных работ по внедрению холодной сварки необходимо назвать следующие.
Холодная точечная сварка алюминиевых шин и облицовка алюминиевых шин медными накладками, а также холодная стыковая сварка алюминиевых проводов с медными внедрена на Запорожском трансформаторном заводе. В настоящее время с заводом проводится совместная работа по внедрению холодной стыковой сварки (взамен пайки) медных шин.
На Московском заводе малолитражных автомобилей применяется холодная сварка полос из алюминиевого сплава АМг-2М шириной 30 мм и толщиной 0,8 мм для рам окон автомобиля «Москвич».
Совместно с трестом «Киевэлекгромонтаж» институт внедрил холодную сварку проводов и шин в условиях электромонтажа на строительстве. Для сварки алюминиевых проводов с медными три стендовом наборе схем, а также для сварки алюминиевых заготовок с медными использовался станок СНС-2. Затем непосредственно лри монтаже эти заготовки приваривались клещами КС-6 к концам алюминиевых проводов (рис. 1).
На Московском электрозаводе им. В. В. Куйбышева освоена сварка алюминиевых проводов и алюминиевых проводов с медны
ми для малогабаритных трансформаторов с алюминиевыми обмотками вместо медных. В цехе намотки применяются станки СНС-3 (рис. 2) и клещи КС-6, которые обеспечивают приварку выводов медных проводов к алюминиевым обмоткам трансформаторов. В настоящее время завод осваивает технологию соединения стали с медью при помощи холодной стыковой сварки для изготовления биметаллических контактных болтов.

Рис. 1. Холодная сварка проводов клещами КС*6 при монтаже электропроводки в жилом доме.

Рис. 1. Холодная сварка проводов клещами КС*6 при монтаже электропроводки в жилом доме.

 

На харьковском заводе «Электротяжмаш» им. В. И. Ленина проводится ‘работа по замене меди алюминием в электрооборудовании магистральных тепловозов ТЭ-3. В частности, медь заменена в катушках двухмашинных агрегатов и тяговых электродвигателях, что дало большой экономический эффект. Длительная эксплуатация опытных тепловозов ТЭ-3 «а дорогах Советского Союза доказала целесообразность такой замены.
На Киевском заводе электроизмерительной аппаратуры внедрена облицовка алюминиевых зажимов медными накладками и освоена холодная стыковая сварка обмоточных проводов на станке СНС-3. От внедрения холодной сварки завод ежегодно получает на каждом станке СНС-3 около 7500 руб. экономии.
Для холодной сварки внахлестку двух или трех одножильных алюминиевых проводов «ли проволок при электромонтаже в Институте электросварки спроектированы и изготовлены ручные к тещи КН-4 Они позволяют сваривать провода сечением 2,5 и 4 мм2.

Рис. 3. Станок СЭГС-2.

Рис. 2. Холодная сварка алюминиевых проводов с медными на станке СНС-3 на московском электрозаводе им. В. В. Куйбышева.

лодная сварка алюминиевых проводов с медными на станке СНС-3 на московском электрозаводе им. В. В. Куйбышева.имальное усилие осадки клещей 800 кГ, вес — 0,7 кг. Перед сваркой клещами КН-4 необходимо зачищать концы проводов. Сжатие проводов и сварка осуществляются при помощи рычажного механизма клещей. Лабораторные и «промышленные испытания клещей КН-4 установили, что сечение сваренных проводов в месте сварки уменьшается и что зачистка проводов перед сваркой занимает значительное время. В настоящее время эти недостатки устраняются.
Для холодной стыковой сварки проводов на кабельных, электромеханических и подобных им заводах, в электромонтажных мастерских сконструированы станки типа СДМ, СЭГС и СХС. Эти станки имеют по две рабочие головней с независимым включением и ручными зажимными механизмами. В последних моделях станков установлен гидравлический привод зажимного механизма.
Станок СДМ-2 двухпозиционный, передвижной, /имеет .механический привод осадки (усилие осадки до 3 Т) и две рабочие головки с независимым включением ножной педалью. На станке установлен механизм для зачистки концов проводов перед сваркой, который приводится в движение ножной педалью Станок снабжен механизмом для снятия усиления (зачистки стыка) после сварки Сечение свариваемых проводов такое же, как и на станки СНС-3.
Станки типа СЭГС — передвижные, имеют две рабочие головки, привод осадки гидравлический, зажим проводов ручной. Станки снабжены гидравлическим механизмом зачистки концов проводов перед сваркой. На рис. 3 изображен станок СЭГС-2, усилие осадки которого равно 10 Г

Рис. 3. Станок СЭГС-2.

Рис. 3. Станок СЭГС-2.

 

В настоящее время налаживается серийный выпуск передвижного станка СХС-10. В отличие от станков типа СЭГС здесь установлен гидравлический привод зажима проводов. Усилие осадки станка 10 Т. Сечение свариваемых проводов: медных — до 50 мм2, алюминиевых — до 150 мм2. Станок имеет две рабочие головки с независимым управлением и гидравлический механизм зачистки- проводов перед сваркой.
Коллектив лаборатории проводил также исследования в области прессовой сварки алюминиево-магниевых сплавов типа АМгЗ, АМг5В, АМгб, термически упрочняемых сплавов Д16АТ, АЦМ и В92. В результате исследований установлены оптимальный температурный интервал подогрева сплава, равный 0,7—0,8% температуры его плавления, а также .необходимые осадочные давления и величины деформации. Было доказано, что кратковременный подогрев до оптимальных температур не оказывает существенного влияния на рост зерна и механические свойства .сварных соединении, увеличивает пластичность сплава и резко снижает необходимые для прессовой сварки давления.

 Рис. 4. Образцы прессовой сварки встык кольцевых заготовок сечением 6000 мм2: а—с гратом; б — со снятым гратом; в — технологическая проба.


Рис. 4. Образцы прессовой сварки встык кольцевых заготовок сечением 6000 мм2:
а—с гратом; б — со снятым гратом; в — технологическая проба.

Лабораторией совместно с промышленными предприятиями внедрена в производство прессовая сварка встык кольцевых заготовок из алюминиево-магниевых сплавов сечением до 10000 мм2^]. Для осуществления прессовой сварки был разработан и изготовлен специальный штамп [5], приводом для которого служил гидравлический пресс двойного действия; усилие осадки 1500— 2000 Т. Подлежащие сварке заготовки предварительно обезжиривались и нагревались IB печи до 450° С, при этом обеспечивалась необходимая для сварки пластичность и подготовка соединяемых поверхностей. Образцы .прессовой сварки .кольцевых заготовок представлены на рис. 4. Дефектов в зоне соединения нет, место стыка определяется только по линиям течения металла при осадке, выявляемым при травлении шлифа. Механическая прочность соединений не уступает прочности основного металла. Угол загиба и ударная вязкость образцов несколько ниже, чем у основного металла. Это объясняется анизотропией ‘свойств алюминиевых сплавов, так как при сварке в зоне стыка резко меняется направление волокон. По сравнению с аргоно-ду.говой сваркой прочность прессовой сварки на 10—15% выше, а ударная вязкость и пластичность — одинаковы.

Прессовой сваркой можно также соединять фасонные и пустотелые профили. Образец стыкового соединения пустотелого фасонного профиля показан на рис. 5.
Лаборатория провела опытно-промышленную проверку и внедрение холодной сварки пластин металлизации на самолете АН-14. Пластины -из сплава АМц толщиной 0,5 мм и шириной 10 мм соединялись холодной точечной сваркой специальными клещами.

Рис. 5. Пустотелый фасонный профиль, выполненный прессовой сваркой встык.

Рис. 5. Пустотелый фасонный профиль, выполненный прессовой сваркой встык.

Коллектив лаборатории проводит также работы по холодной сварке разнородных металлов. Кроме сварки меди с алюминием разработаны режимы, технология и осуществлена холодная сварка меди со сталью, алюминия оо сталью, титана с медью, титана со сталью, титана со сплавом АМгб, титана с латунью, .нержавеющей стали со оплавом АМгб, меди с константаном, меди с нихромом и др. Микроструктура холодной стыковой сварки титана с нержавеющей сталью показана на рис. 6.
Добиться получения прочного соединения большинства из перечисленных сочетаний обычными видами сварки невозможно из-за хрупких интерметаллидов, образующихся в месте стыка вследствие высокотемпературного нагрева при сварке. Некоторые из перечисленных соединений могут быть получены прессовой сваркой.
На протяжении последних лет в лаборатории разрабатывается холодная сварка в вакууме [6]. На поверхности металла действуют значительные силы притяжения, захватывающие любую молекулу. Поэтому там образуется прочный мономолекулярный слой, в котором молекулы газа прижимаются к металлу под давлением в сотни и тысячи атмосфер. Время создания мономолекулярного слоя воздуха на чистой поверхности металла определяют из кинетической теории газов:

Рис. 6. Микроструктура холодной стыковой сварки титана ВТ-1 (слева) с нержавеющей сталью Х18Н9Т (справа).

Рис. 6. Микроструктура холодной стыковой сварки титана ВТ-1 (слева) с нержавеющей сталью Х18Н9Т (справа).

T=_4_ns____сек
nv
где ns —-количество молекул на 1 см2 поверхности;
n — количество молекул в 1 см3 газа;
v — средняя арифметическая скорость молекул.

Значения величин ns n и v для воздуха выбирают из кинетической теории газов.
Время создания мономолекулярного слоя в зависимости от давления газа равно:
.
t = _1.8__x__10-6_____ сек,
p
где р — давление, мм рт. ст.
Из этой формулы видно, что в вакууме зачищенная под холодную сварку поверхность остается свободной от адсорбированных газов тем дольше, чем выше вакуум. При вакууме порядка 01 -8 мм рт. ст. это время равно 180 сек (что достаточно для осуществления холодной сварки), а при дальнейшем увеличении вакуума соответственно возрастает. При холодной сварке в таком вакууме деформации и удельные давления должны резко уменьшиться.
Данные проведенных исследований схватывания алюминия и меди в глубоком вакууме [7] подтверждают это положение. При вакууме порядка 10~8 мм рт. ст. и выше необходимая деформация схватывания составляла около 10% для алюминия и меди. Вакуум ниже 10-6лш рт. ст. не оказывает существенного влияния на процесс холодной сварки.
В настоящее время проводятся опыты по холодной сварке в вакууме порядка 10-5лш рт. ст. фланцев из ковара, которые применяют в специальных ампулах из стекла для корпусов электровакуумных приборов. Сварку ковара с коваром проводят непосредственно или через алюминиевую прокладку. При предварительной зачистке свариваемой поверхности и соблюдении необходимой деформации обеспечивается полная герметичность холодносварного шва. При вакууме 10“5иш рт. ст. уменьшение необходимой для сварки деформации не наблюдается.
Комплексные работы лаборатории по разработке технологии холодной сварки, созданию инструментов и станков для ее осуществления получили широкое признание. Об этом свидетельствует тот факт, что они неоднократно отмечались дипломами и -наградами выставок.
Клещи и станки для холодной стыковой сварки, разработанные лабораторией, получили также международное признание. Запросы об отправке чертежей и технической документации на клещи КС-6 и станки СНС-3, а также о поставке этого оборудования поступили из Венгрии, ГДР, Чехословакии, Югославии, ФРГ.
Холодная сварка металлов и сплавов будет развиваться и в дальнейшем. Широкие перспективы ее развития заложены в простоте процесса, высокой производительности, экономичности, возможности большой автоматизации.

(автор: П.И.Гурский)