Сварка

Холодная сварка давлением

В связи с актуальностью задачи, по замене меди алюминием возникает необходимость производить оконцевание выводов алюминиевых токопроводящих деталей медью, а холодная сварка — это единственный метод, с помощью которого возможно соединение меди и алюминия.

Холодная сварка является высокопроизводительным методом.
С использованием ее можно осуществлять многоточечные соединения: одним ходом пресса может быть сварен узел с большим количеством сварных точек.

Известны четыре основные гипотезы механизма холодной сварки: пленочная, рекристаллизационная, диффузионная и энергетическая.

Однако несмотря на довольно широкое применение холодной сварки физическая сущность ее еще не может считаться выясненной, а разработка теории процесса все еще отстает от его практического использования.
Из перечисленных гипотез наиболее достоверной является энергетическая, согласно которой для проявления «схватывания» (сроднения) необходимо, чтобы энергия атомов поднялась выше какого-то уровня для данного металла, который называют «порогом схватывания».
Достижение этого порога осуществляется при совместном пластическом деформировании металлов.

Для проведения холодной сварки необходимо соответствующим образом подготовить свариваемые поверхности — очистить их от органических пленок.
Наилучшие результаты дает механическая очистка, так как она наиболее полно освобождает поверхность детали.
Подготовку детали при сварке внахлестку лучше всего производить вращающейся стальной щеткой, а при сварке встык (проводов) — обрезкой концов специальным инструментом.
Подготовку алюминиевых деталей можно производить прокаливанием при температуре 350 — 400 °С в воздушной среде.
При этом достигается полное выжигание находящихся на поверхности деталей органических пленок.

Подготовленные к сварке механическими способами (или прокаливанием) детали не должны загрязняться.
Даже незначительные загрязнения (отпечатки пальцев) приведут к некачественной сварке.

При холодной сварке внахлестку известны несколько схем сварки: точечная сварка без предварительного зажатия деталей, точечная сварка с предварительным зажатием деталей, точечная сварка с односторонним деформированием, шовная холодная сварка и др.
Та или иная схема может быть применена в зависимости от вида деталей и конструкции.

При стыковой холодной сварке соединяемые детали закрепляются в специальных зажимах, которые расположены соосно, а торцы свободных, выпущенных из зажимов концов деталей прижаты один к другому.
При осевой осадке эти выглядывающие концы подвергаются пластической деформации, в результате чего образуется цельно металлическое сварное соединение.

При сварке встык деталей из однородного металла выходящие из зажимных трубок концы проводов деформируются симметрично.
Однако при сварке разнородных деталей характер деформации изменяется из-за различной твердости металлов.

По данным сварку меди с алюминием лучше производить с двойной осадкой.
Алюминиевый конец должен быть в 1,2—1,5 раза больше, чем медный конец.

Холодная сварка проводниковых алюминиевых сплавов АЕ-1 и АЕ-2 производилась как между собой, так и с медью и алюминием.
Данные свидетельствуют о том, что по мере удаления от сварного шва величина удельного электрического сопротивления уменьшается.
В целом значение удельного электрического сопротивления при сварке сплавов с медью приблизительно представляет собой среднюю арифметическую величину удельных электрических сопротивлений исходных материалов.

При сварке сплавов значения удельного электрического сопротивления практически соответствуют исходному.
Предел прочности сварных соединений практически не изменился от исходных значений прочности сплавов при сварке их между собой.
 
Предел прочности сварных соединений сплавов с медью соответствует приближенно среднему арифметическому значению исходных величин.
Разрыв, как правило, происходит вне зоны сварки.

Образцы стыковой сварки меди с алюминием были испытаны в условиях вибрации.
Крепление образцов производилось консольно.
Выступавшие на 150 мм концы образцов сильно ужесточали условия испытания, так как их колебания при вибрации создавали дополнительные отрывающие усилия, действующие на сварной шов.
Каждый образец испытывался в течение 200 ч, амплитуда стола стенда 1 мм, частота 50 гц.
Испытания показали, что ни у одного образца никаких признаков разрушения сварного шва не было.

При практическом использовании сварки алюминиевых проводниковых сплавов с медью следует учесть, что нагрев (уже сваренных материалов сплав — медь) выше определенной температуры делает их хрупкими и непрочными.
Нагрев сварных соединений до температуры 250—275 °С может производиться неограниченно долго, так как он не приводит к увеличению хрупкости соединения.


Электрическая контактная сварка осуществляется давлением в месте нагрева соединяемых деталей до температуры ниже или выше точки, плавления.
Известны два основных вида электроконтактной сварки — это стыковая сварка и сварка оплавлением.
Для алюминия и алюминиевых сплавов возможно применение того и другого вида, однако лучшие результаты получены при сварке оплавлением.

Из-за большой склонности алюминия и алюминиевых сплавов к окислению при сварке оплавлением нагрев должен производиться очень быстро и обеспечивать интенсивное оплавление.

Получение качественного соединения при электроконтактной сварке сопровождается образованием на границе соединяемых деталей общих зерен металла путем рекристаллизации или перекристаллизации.
Электроконтактная сварка сопровождается приложением значительного давления, поэтому успешно свариваются те металлы, которые обладают достаточной пластичностью при температуре сварки.

При соединении сплавов АЕ-1 и АЕ-2 с алюминием электроконтактной сваркой оплавлением величина удельного электрического сопротивления представляет собой среднее арифметическое величин электрических сопротивлений исходных материалов.
При сварке сплавов между собой наблюдается некоторое повышение удельного электрического сопротивления, которое составляет не более 4—6%.

Механическая прочность, соединений сплавов АЕ-1 и АЕ-2 между собой и с алюминием уменьшается резко по сравнению с холодной сваркой давлением.
При сварке сплава АЕ-1 с АЕ-1 предел прочности уменьшается с 13 до 9 кгс/мм², сплава АЕ-2— от 21 до 13 кгс/мм².


Во время пайки металлы сращиваются в результате растекания жидкого припоя по нагретым и соприкасающимся поверхностям.
Вязкость припоев в жидком состоянии мала, и, пока припои находятся в расплавленном состоянии, они не скрепляют и не могут соединять сращиваемые поверхности.

Соединение происходит после того, когда припой затвердеет.
В связи с этим,при пайке очень важен переход припоя из жидкого состояния в твердое при охлаждении.
Основой процесса пайки служит прочное сцепление припоя с соединяемыми поверхностями.
Прочность сцепления припоя с соединяемыми поверхностями зависит от диффузионных процессов, на которые влияют многие факторы: подготовка поверхности, окисление припоя, температура пайки и др.

При пайке алюминия и алюминиевых сплавов встречается много трудностей вследствие быстрого образования на поверхности детали химически стойкой пленки окиси алюминия, поэтому алюминий необходимо паять химически активными флюсами, которые растворяли бы оксидную пленку.

Припои дают прочные паяные швы, устойчивые против коррозии в атмосферных условиях.
Более удобным в технологическом отношении является припой 34А, так как имеет наиболее низкую температуру плавления.

Причиной трудностей, связанных с выполнением алюминиевых соединений, являются:

• Способность алюминия к быстрому соединению с кислородом воздуха и образованию на поверхности тугоплавкой и малопроводящей пленки окиси Аl₂0₃, препятствующей смачиванию припоем разогретых концов;
• Большая теплоемкость и большая теплота плавления алюминия;
• Необходимость специальной защиты, связанной с образованием гальванической пары между медью и алюминием.

Несмотря на указанные трудности, разработаны достаточно надежные методы соединения и оконцевания изолированных проводов, кабелей и шин из алюминия и алюминиевых сплавов.

Пайку проводов с однопроволочными жилами сечением до 10 мм проводят обычно паяльником непрерывного или периодического действия.
Пайку сечений площадью более 16 мм² с многопроволочными жилами и оконцевание их медью выполняют паяльной лампой или газовой горелкой.

Соединение проводов и кабелей сечением свыше 16 мм² с многопроволочными жилами выполняют с предварительным обслуживанием припоем 1-го или 2-го концов жил, подготовленных ступенями по повивам.

Пайка алюминиевых шин и шин, изготовленных из сплавов АЕ-1 и АЕ-2, лучше всего происходит при использовании припоя 34 с флюсом 34А.
Нагрев под пайку ведется паяльной лампой.
Остатки флюса 34А во избежание коррозии снимаются со шва после пайки.
Полученное таким образом паяное соединение достаточно устойчиво к воздействию коррозии как в атмосфере воздуха, так и в морской воде.

Литейные алюминиевые сплавы, применяемые в электротехнике

В электротехнических изделиях часто используются алюминиевые сплавы, обладающие повышенным удельным электрическим сопротивлением.
Так, короткозамкнутые роторы (беличьи клетки асинхронных двигателей) обычно заливают алюминием, имеющим в литом виде удельное электрическое сопротивление около 0,03 ом · мм²/м.

Литейные сплавы на основе алюминия имеют удельное электрическое сопротивление не выше 0,06—0,085 ом · мм²/м и поэтому не всегда пригодны для рассматриваемых целей.

Известны алюминиево-марганцовистые сплавы, в которых марганец, входя в твердый раствор алюминия, очень резко повышает удельное электрическое сопротивление.
При добавке 9% марганца в алюминий удельное электрическое сопротивление равно 0,2 ом · мм²/м; зависимость электрического сопротивления от концентрации марганца в алюминии близка к прямолинейной.
По данным можно рассчитать состав сплава для получения нужной величины удельного электрического сопротивления.
Продолжительные нагревы до 200 °С не оказывают влияния на удельное электрическое сопротивление сплавов и это обеспечивает стабильность электрических свойств обмотки ротора.

Алюминиево - марганцовистые сплавы следует выплавлять из чистых металлов, ибо наличие таких примесей, как железо или медь, понижает удельное электрическое сопротивление, а примеси железа придают сплавам чрезвычайно большую хрупкость.

Опыт отечественных заводов по использованию алюминиево-марганцовистых сплавов для заливки роторов показал, что сплавы алюминия с 3—10% марганца, а также многокомпонентные высоколегированные сплавы имеют удельное электрическое сопротивление на нужном уровне, но обладают повышенной хрупкостью.
Последнее обстоятельство в значительной степени затрудняет промышленное использование рассматриваемых сплавов.

В асинхронных двигателях общего назначения обмотки роторов выполняются чистым алюминием.
При проектировании обмоток роторов двигателей проводимость алюминия принимается равной 32 м/ом · мм² и при этом возможны отклонения не больше ±8%.

Такие значения проводимости имеет алюминий марки А5 по ГОСТ 11069-2001.

Однако в процессе расплавления алюминия и заливки им роторов происходит обогащение его железом, неметаллическими включениями и насыщение газами, в результате чего проводимость алюминия значительно уменьшается и в ряде случаев может быть ниже установленного предела.

Для заливки роторов специальных двигателей (с повышенным скольжением, повышенным моментом и т. п.) требуются сплавы с более низкой, чем у алюминия проводимостью.
Так, в практике некоторых заводов используются литейные сплавы с проводимостью 25 и 15 м/ом · мм², не имеющие строго определенного химического состава.

Отечественные электромеханические заводы предъявляют следующие основные технические требования к алюминиевым сплавам для заливки роторов асинхронных электродвигателей:

1) высокие технологические свойства (при заполнении пазов ротора не должно быть горячих трещин и концентрированных усадочных раковин и т. п.);

2) технология приготовления сплавов должна быть проста и доступна для выполнения;

3) сплавы должны иметь проводимость, равную 32, 25, 19, 15, 12 и 8 м/ом · мм², при этом отклонение от заданных норм должно быть не более ±8% в готовых обмотках роторов;

4) сплавы должны быть без дефицитных компонентов.

Заливка роторов двигателей общего назначения обычно производится алюминием.
Проводимость алюминия в залитом роторе должна быть 32 м/ом · мм² ±8%.
Такую проводимость имеет алюминий при наличии следующих примесей: железа не более 0,5%; кремния не более 0,3%; общая сумма их должна быть не более 0,7%.

Шихтовыми материалами должны быть чушковый первичный алюминий и возвраты собственного производства.
Состав шихты подбирается так, чтобы во всех случаях в залитом роторе содержание примесей в алюминии не превышало указанных пределов.
Это дает возможность заводам широко использовать свои сырьевые ресурсы.

Загрязнение алюминия окислами, газами и другими включениями может значительно ухудшить его электрические свойства, поэтому рафинирование алюминия как средство его очистки от неметаллических включений должно быть обязательным.

Наиболее простым и достаточно эффективным способом рафинирования является обработка жидкого алюминия обезвоженным хлористым цинком.
Хлористый цинк берется в количестве 0,05 — 0,03% массы металла и вводится в глубь металла с помощью специального колокольчика.
Хлористый цинк при погружении в металл переходит в парообразное состояние и затем в виде газовых пузырей выделяется из металла, оказывая на него рафинирующее действие.
Процесс рафинирования длится 2 — 3 мин и заканчивается после прекращения выделения пузырей из металла.
Затем с поверхности жидкого металла удаляются окислы.
Рафинирование жидкого металла не следует производить многократно, так как это может привести к увеличению хрупкости металла в горячем состоянии и к образованию трещин на отливках.

Для заливки роторов электродвигателей специального назначения (с повышенным скольжением, повышенным моментом и т. п.) должны применяться алюминиевые сплавы.
Надо учитывать составы этих сплавов и их проводимость - каждому из значений проводимости удовлетворяют сплавы различного химического состава и различные по литейно-технологическим свойствам.
Указанное обстоятельство позволяет лучше использовать возможности, производства, а также учитывать конструктивные особенности роторов. и методы их заливки.