Технология холодной сварки
Холодная сварка — это процесс сварки в твёрдом состоянии, который требует небольшого или нулевого нагрева для соединения двух или более металлических поверхностей вместе. Первое научное доказательство холодной сварки было зафиксировано в 1724 году, когда два свинцовых шарика были соединены вместе путем скручивания после приведения их в соприкосновение. В 1940-х годах процесс холодной сварки был официально признан общим явлением материалов, когда две чистые металлические поверхности, прижатые друг к другу, прилипали к контакту в вакууме.
Несмотря на то, что на освоение холодной сварки ушли годы, для некоторых отраслей промышленности она стала незаменимой технологией, поскольку представляет собой простой, но гениальный процесс.
Холодная сварка — это твердотельный процесс, при котором металлы соединяются без нагрева, используя высокое давление для создания прочных металлургических связей.
Холодная сварка требует тщательной подготовки, поскольку металлические поверхности должны быть чистыми и свободными от оксидных плёнок, чтобы обеспечить прочное соединение.
Холодная сварка особенно ценна в таких отраслях, как аэрокосмическая и электронная, где крайне важно избегать тепловой деформации.
Холодная сварка применима только к пластичным неуглеродистым металлам и менее эффективна на неровных поверхностях.
Несмотря на то, что на освоение холодной сварки ушли годы, для некоторых отраслей промышленности она стала незаменимой технологией, поскольку представляет собой простой, но гениальный процесс.
Холодная сварка — это твердотельный процесс, при котором металлы соединяются без нагрева, используя высокое давление для создания прочных металлургических связей.
Холодная сварка требует тщательной подготовки, поскольку металлические поверхности должны быть чистыми и свободными от оксидных плёнок, чтобы обеспечить прочное соединение.
Холодная сварка особенно ценна в таких отраслях, как аэрокосмическая и электронная, где крайне важно избегать тепловой деформации.
Холодная сварка применима только к пластичным неуглеродистым металлам и менее эффективна на неровных поверхностях.
Что такое холодная сварка?
Нахлесточные соединения, выполненные холодной сваркой, имеют уменьшенное поперечное сечение; стыковые соединения создают заусенец, который впоследствии удаляется.
Холодная сварка, также известная как сварка давлением или контактная сварка, представляет собой процесс, который соединяет две чистые металлические поверхности вместе, используя достаточное давление для создания металлургических связей. В отличие от других процессов сварки, которые используют тепло и расплавленный материал для сплавления металлов вместе, холодная сварка имеет возможность соединять металлы без тепловой энергии, создавая почти идеальную связь между материалами.
При нормальных атмосферных условиях поверхность металла реагирует с кислородом, создавая оксидный слой. Этот оксидный слой действует как барьер, который не позволяет атомам образовывать связь. Чтобы очистить металлы для холодной сварки, оксидный слой удаляется путем резки , чистки щеткой или с помощью других механических и химических методов.
Металлы должны быть хотя бы немного пластичными и не подвергаться сильной закалке. Другим ограничением этого процесса является то, что металлы не могут содержать углерод. Холодная сварка лучше всего работает, когда она проводится в вакууме, где нет кислород.
Не все знакомы с холодной сваркой, поскольку это нетрадиционный процесс, который отличается от общей идеи сварки, где задействовано тепло. Лучше всего понять некоторые так называемые методы холодной сварки, которые на самом деле являются процессами горячей сварки, в которых используется либо токопроводящий электрод, либо поверхность.
Сварка MIG
Холодный перенос металла — это процесс сварки плавлением, в котором для создания сварных соединений используется электрическая дуга. Этот процесс сварки MIG ошибочно называют холодной сваркой, поскольку тепло, подаваемое в сварочную ванну, на 90% меньше, чем при обычном процессе MIG.
Холодная сварка TIG
Так называемые холодные сварные швы TIG достигаются путем значительного снижения подачи тепла и точного приложения электрической дуги к крошечной точке всего на долю секунды. Тепло быстро рассеивается, поэтому этот метод не обеспечивает плавления и эффективен только при соединении тонких листов металла.
Процесс холодной сварки
В качестве предварительного условия процесса холодной сварки металлы очищаются путем удаления оксидных слоев с поверхности с помощью проволочной щетки или резки поверхностей. После удаления поверхностных загрязнений металлы могут быть спрессованы под высоким давлением с использованием промышленных машин.
Эта процедура сварки работает на микроструктурном уровне между атомами металла, поскольку электроны будут перемещаться между двумя чистыми поверхностями, которые соприкасаются. Холодная сварка прочна с небольшим количеством примесей и грубых участков, но также может быть заметно слабее, если присутствуют загрязнения или неровности поверхности.
Кроме того, время между подготовительным процессом очистки металлов и фактическим процессом холодной сварки имеет решающее значение. Это временное окно коротко, так как атомы на чистой поверхности металла начинают реагировать с атмосферой. Длительное воздействие может оставить исключительное количество примесей, которые впоследствии повлияют на прочность соединения. Эти примеси могут быть обнаружены с помощью различных методов неразрушающего контроля .
Для этого относительно простого метода сварки требуется лишь небольшое количество инструментов: проволочная щётка для удаления поверхностного оксидного слоя и аппарат для холодной сварки под давлением, позволяющий свежеобработанным металлическим деталям вступить в контакт.
Аппарат для холодной сварки под давлением
Типичный аппарат для холодной сварки давлением содержит механизм для приложения давления (пробивной пресс), пробивной инструмент или матрицы, которые действуют как направляющие для металлов, ролики для проволоки или листов, а также статическую нагрузку для приложения давления механическим или пневматическим способом.
При холодной сварке проволоки подбирается матрица нужного размера для проволоки, которая затем помещается в машину для холодной сварки. Чаще всего машины для холодной сварки проволоки оснащены гильотиной для обрезки концов металла с целью удаления оксидных слоев и получения ровных поверхностей.
Затем две проволоки или полосы соединяются с помощью высокого давления. В зоне контакта двух металлических поверхностей создается вспышка, а излишки металла удаляются. Холодные сварочные проволоки и очень тонкие листы полностью используются в полупроводниковой промышленности, где детали компактны и чувствительны.
Размеры аппаратов для холодной сварки давлением могут сильно различаться в зависимости от типа и размера материала. Они могут варьироваться от ручных устройств, которые в основном используются для холодной сварки медной проволоки, до аппаратов, которые управляются пневматически.
Металлы, пригодные для холодной сварки
Металлы с похожей структурой и цветные мягкие металлы лучше всего подходят для холодной сварки, но соединение разнородных металлов также достижимо. Вот некоторые из наиболее распространенных металлов, которые часто подвергаются холодной сварке:
Алюминий (включая марки 2xxx и 7xxx, которые обычно считаются несвариваемыми)
⦁ Медь
⦁ Цинк
⦁ 70/30 Латунь
⦁ Никель
⦁ Серебряные сплавы
⦁ Золото
⦁ Нержавеющая сталь
Применение холодной сварки
Сверхтонкие золотые нанопроволоки можно соединить за считанные секунды с помощью механического контакта. Испытания показали отличные результаты, поскольку сварные швы имеют ту же кристаллическую ориентацию и механические свойства, что и остальная часть нанопроволоки. Холодная наносварка также проводилась между золотом и серебром и серебряными сплавами, что указывает на то, что при дальнейших исследованиях этот процесс может быть применим в целом.
Аэрокосмическая и автомобильная промышленность
Эти отрасли постоянно ищут комбинации легких и функциональных материалов для улучшения производительности, расхода топлива и т. д. Именно здесь холодная сварка оказывается полезной, особенно при сварке алюминия и нержавеющей стали. Эта технология позволяет не подвергать материалы чрезмерному нагреванию, тем самым снижая риск их большей хрупкости.
Подземные линии электропередач
Холодная сварка является исключительным решением в ситуациях, когда подача тепла в окружающую среду может быть опасной. Известным примером является безопасное соединение подземных проводных линий с помощью холодной сварки, где тепло может быть опасным, поскольку оно может вступить в контакт с взрывоопасными газами.
Обрабатывающая промышленность
Теплообменники, используемые для охлаждения, используют холодную сварку при изготовлении трубчатых проходов в листах большого размера. Некоторые устройства для хранения или упаковки также используют холодную сварку при создании стыковых или нахлесточных соединений. В качестве дополнительного преимущества соединение металлов без нагрева помогает сохранить целостность материалов.
Холодная сварка, также известная как сварка давлением или контактная сварка, представляет собой процесс, который соединяет две чистые металлические поверхности вместе, используя достаточное давление для создания металлургических связей. В отличие от других процессов сварки, которые используют тепло и расплавленный материал для сплавления металлов вместе, холодная сварка имеет возможность соединять металлы без тепловой энергии, создавая почти идеальную связь между материалами.
При нормальных атмосферных условиях поверхность металла реагирует с кислородом, создавая оксидный слой. Этот оксидный слой действует как барьер, который не позволяет атомам образовывать связь. Чтобы очистить металлы для холодной сварки, оксидный слой удаляется путем резки , чистки щеткой или с помощью других механических и химических методов.
Металлы должны быть хотя бы немного пластичными и не подвергаться сильной закалке. Другим ограничением этого процесса является то, что металлы не могут содержать углерод. Холодная сварка лучше всего работает, когда она проводится в вакууме, где нет кислород.
Не все знакомы с холодной сваркой, поскольку это нетрадиционный процесс, который отличается от общей идеи сварки, где задействовано тепло. Лучше всего понять некоторые так называемые методы холодной сварки, которые на самом деле являются процессами горячей сварки, в которых используется либо токопроводящий электрод, либо поверхность.
Сварка MIG
Холодный перенос металла — это процесс сварки плавлением, в котором для создания сварных соединений используется электрическая дуга. Этот процесс сварки MIG ошибочно называют холодной сваркой, поскольку тепло, подаваемое в сварочную ванну, на 90% меньше, чем при обычном процессе MIG.
Холодная сварка TIG
Так называемые холодные сварные швы TIG достигаются путем значительного снижения подачи тепла и точного приложения электрической дуги к крошечной точке всего на долю секунды. Тепло быстро рассеивается, поэтому этот метод не обеспечивает плавления и эффективен только при соединении тонких листов металла.
Процесс холодной сварки
В качестве предварительного условия процесса холодной сварки металлы очищаются путем удаления оксидных слоев с поверхности с помощью проволочной щетки или резки поверхностей. После удаления поверхностных загрязнений металлы могут быть спрессованы под высоким давлением с использованием промышленных машин.
Эта процедура сварки работает на микроструктурном уровне между атомами металла, поскольку электроны будут перемещаться между двумя чистыми поверхностями, которые соприкасаются. Холодная сварка прочна с небольшим количеством примесей и грубых участков, но также может быть заметно слабее, если присутствуют загрязнения или неровности поверхности.
Кроме того, время между подготовительным процессом очистки металлов и фактическим процессом холодной сварки имеет решающее значение. Это временное окно коротко, так как атомы на чистой поверхности металла начинают реагировать с атмосферой. Длительное воздействие может оставить исключительное количество примесей, которые впоследствии повлияют на прочность соединения. Эти примеси могут быть обнаружены с помощью различных методов неразрушающего контроля .
Для этого относительно простого метода сварки требуется лишь небольшое количество инструментов: проволочная щётка для удаления поверхностного оксидного слоя и аппарат для холодной сварки под давлением, позволяющий свежеобработанным металлическим деталям вступить в контакт.
Аппарат для холодной сварки под давлением
Типичный аппарат для холодной сварки давлением содержит механизм для приложения давления (пробивной пресс), пробивной инструмент или матрицы, которые действуют как направляющие для металлов, ролики для проволоки или листов, а также статическую нагрузку для приложения давления механическим или пневматическим способом.
При холодной сварке проволоки подбирается матрица нужного размера для проволоки, которая затем помещается в машину для холодной сварки. Чаще всего машины для холодной сварки проволоки оснащены гильотиной для обрезки концов металла с целью удаления оксидных слоев и получения ровных поверхностей.
Затем две проволоки или полосы соединяются с помощью высокого давления. В зоне контакта двух металлических поверхностей создается вспышка, а излишки металла удаляются. Холодные сварочные проволоки и очень тонкие листы полностью используются в полупроводниковой промышленности, где детали компактны и чувствительны.
Размеры аппаратов для холодной сварки давлением могут сильно различаться в зависимости от типа и размера материала. Они могут варьироваться от ручных устройств, которые в основном используются для холодной сварки медной проволоки, до аппаратов, которые управляются пневматически.
Металлы, пригодные для холодной сварки
Металлы с похожей структурой и цветные мягкие металлы лучше всего подходят для холодной сварки, но соединение разнородных металлов также достижимо. Вот некоторые из наиболее распространенных металлов, которые часто подвергаются холодной сварке:
Алюминий (включая марки 2xxx и 7xxx, которые обычно считаются несвариваемыми)
⦁ Медь
⦁ Цинк
⦁ 70/30 Латунь
⦁ Никель
⦁ Серебряные сплавы
⦁ Золото
⦁ Нержавеющая сталь
Применение холодной сварки
Сверхтонкие золотые нанопроволоки можно соединить за считанные секунды с помощью механического контакта. Испытания показали отличные результаты, поскольку сварные швы имеют ту же кристаллическую ориентацию и механические свойства, что и остальная часть нанопроволоки. Холодная наносварка также проводилась между золотом и серебром и серебряными сплавами, что указывает на то, что при дальнейших исследованиях этот процесс может быть применим в целом.
Аэрокосмическая и автомобильная промышленность
Эти отрасли постоянно ищут комбинации легких и функциональных материалов для улучшения производительности, расхода топлива и т. д. Именно здесь холодная сварка оказывается полезной, особенно при сварке алюминия и нержавеющей стали. Эта технология позволяет не подвергать материалы чрезмерному нагреванию, тем самым снижая риск их большей хрупкости.
Подземные линии электропередач
Холодная сварка является исключительным решением в ситуациях, когда подача тепла в окружающую среду может быть опасной. Известным примером является безопасное соединение подземных проводных линий с помощью холодной сварки, где тепло может быть опасным, поскольку оно может вступить в контакт с взрывоопасными газами.
Обрабатывающая промышленность
Теплообменники, используемые для охлаждения, используют холодную сварку при изготовлении трубчатых проходов в листах большого размера. Некоторые устройства для хранения или упаковки также используют холодную сварку при создании стыковых или нахлесточных соединений. В качестве дополнительного преимущества соединение металлов без нагрева помогает сохранить целостность материалов.
Преимущества холодной сварки
⦁ Холодная сварка дает чистые и прочные сварные швы. Прочность созданного соединения близка к прочности основного металла, если не такая же.
⦁ Холодная сварка не создает зону термического влияния (ЗТВ) , ослабляющую структуру металла.
⦁ Холодная сварка позволяет соединять разнородные металлы, такие как медные и алюминиевые сплавы.
⦁ Процесс происходит быстро, практически без деформации и коробления металлов.
⦁ Работы по холодной сварке можно выполнять в термочувствительных средах, где использование других методов сварки не считается безопасным.
Недостатки холодной сварки
⦁ Холодная сварка требует значительного времени на подготовку и очистку металлов.
⦁ Только определенные материалы можно сваривать холодной сваркой. Металлы должны быть пластичными и не содержать углерода.
⦁ Холодная сварка неровных поверхностей затруднительна. Процесс дает наилучшие результаты при выполнении на плоских поверхностях.
⦁ Прочность соединения может быть легко нарушена загрязнением. Это может быть вызвано оксидными слоями, неровностями поверхности и другими непредвиденными причинами.
⦁ Часть материала теряется во время подготовки (стрижка, резка, чистка)
Случайная холодная сварка
Холодная сварка дает наилучшие результаты, когда процесс выполняется в вакууме, то есть без присутствия кислорода. Вот почему были случаи, когда холодная сварка случайно применялась в деталях космических аппаратов.
Космический аппарат Galileo — яркий пример инженерного проекта, в котором не была учтена возможность случайной холодной сварки. Это едва не помешало всей операции, обойдясь NASA в миллиарды долларов. 9 октября 1989 года Galileo был запущен для сбора информации о Юпитере. Когда он наконец достиг планеты после 18 месяцев космического путешествия, три из восемнадцати специализированных антенн, которые должны были раскрыться, были спонтанно сварены вместе холодной сваркой.
Детали в подвижной конструкции антенны со временем очистились из-за недостатка кислорода и сплавились, когда детали соприкасались под высоким давлением. Относительное движение между поверхностями не исключает возможности возникновения холодной сварки. Это означает, что холодная сварка может происходить одновременно с фреттингом и истиранием, поскольку металлы подвергаются повторяющимся ударам и вибрациям.
В настоящее время существуют контрмеры, призванные предотвратить случайную холодную сварку. Некоторые ключевые области, на которых конструкторы и инженеры фокусируются для предотвращения нежелательного сплавления, — это выбор материалов, смазка, покрытие и уменьшение контактной поверхности. С другой стороны, явление холодной сварки позволяет астронавтам эффективно выполнять любые необходимые ремонтные работы вне космического корабля.
Важные моменты, которые следует помнить
В отличие от других методов сварки, где металлы находятся в жидкой или расплавленной фазе ( дуговая сварка , сварка трением, точечная сварка и т. д.), холодная сварка позволяет соединять металлы без использования тепла. Этот процесс характеризуется равномерными и прочными результатами, поскольку не оставляет зоны термического влияния в сварном шве. Хотя для получения отличных результатов очень важно удалить оксидные слои и быть осторожным с любыми неровностями поверхности. Имейте в виду, что процесс лучше всего проводить в вакууме.
Холодная сварка помогает решать некоторые сложные проблемы, с которыми сталкиваются несколько отраслей промышленности, но она далека от совершенства, поскольку имеет некоторые ограничения относительно материалов. Ее нельзя применять к металлам, содержащим любую форму углерода. Это основной ограничивающий фактор, поскольку мягкая сталь является наиболее свариваемым металлом.
⦁ Холодная сварка не создает зону термического влияния (ЗТВ) , ослабляющую структуру металла.
⦁ Холодная сварка позволяет соединять разнородные металлы, такие как медные и алюминиевые сплавы.
⦁ Процесс происходит быстро, практически без деформации и коробления металлов.
⦁ Работы по холодной сварке можно выполнять в термочувствительных средах, где использование других методов сварки не считается безопасным.
Недостатки холодной сварки
⦁ Холодная сварка требует значительного времени на подготовку и очистку металлов.
⦁ Только определенные материалы можно сваривать холодной сваркой. Металлы должны быть пластичными и не содержать углерода.
⦁ Холодная сварка неровных поверхностей затруднительна. Процесс дает наилучшие результаты при выполнении на плоских поверхностях.
⦁ Прочность соединения может быть легко нарушена загрязнением. Это может быть вызвано оксидными слоями, неровностями поверхности и другими непредвиденными причинами.
⦁ Часть материала теряется во время подготовки (стрижка, резка, чистка)
Случайная холодная сварка
Холодная сварка дает наилучшие результаты, когда процесс выполняется в вакууме, то есть без присутствия кислорода. Вот почему были случаи, когда холодная сварка случайно применялась в деталях космических аппаратов.
Космический аппарат Galileo — яркий пример инженерного проекта, в котором не была учтена возможность случайной холодной сварки. Это едва не помешало всей операции, обойдясь NASA в миллиарды долларов. 9 октября 1989 года Galileo был запущен для сбора информации о Юпитере. Когда он наконец достиг планеты после 18 месяцев космического путешествия, три из восемнадцати специализированных антенн, которые должны были раскрыться, были спонтанно сварены вместе холодной сваркой.
Детали в подвижной конструкции антенны со временем очистились из-за недостатка кислорода и сплавились, когда детали соприкасались под высоким давлением. Относительное движение между поверхностями не исключает возможности возникновения холодной сварки. Это означает, что холодная сварка может происходить одновременно с фреттингом и истиранием, поскольку металлы подвергаются повторяющимся ударам и вибрациям.
В настоящее время существуют контрмеры, призванные предотвратить случайную холодную сварку. Некоторые ключевые области, на которых конструкторы и инженеры фокусируются для предотвращения нежелательного сплавления, — это выбор материалов, смазка, покрытие и уменьшение контактной поверхности. С другой стороны, явление холодной сварки позволяет астронавтам эффективно выполнять любые необходимые ремонтные работы вне космического корабля.
Важные моменты, которые следует помнить
В отличие от других методов сварки, где металлы находятся в жидкой или расплавленной фазе ( дуговая сварка , сварка трением, точечная сварка и т. д.), холодная сварка позволяет соединять металлы без использования тепла. Этот процесс характеризуется равномерными и прочными результатами, поскольку не оставляет зоны термического влияния в сварном шве. Хотя для получения отличных результатов очень важно удалить оксидные слои и быть осторожным с любыми неровностями поверхности. Имейте в виду, что процесс лучше всего проводить в вакууме.
Холодная сварка помогает решать некоторые сложные проблемы, с которыми сталкиваются несколько отраслей промышленности, но она далека от совершенства, поскольку имеет некоторые ограничения относительно материалов. Ее нельзя применять к металлам, содержащим любую форму углерода. Это основной ограничивающий фактор, поскольку мягкая сталь является наиболее свариваемым металлом.
