04 октомври 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Чудото на студеното заваряване: Два метала се слепват просто с притискане без лепило

Заваряването без топлина е възможно и може да е доста ефективно

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 23 септември 2022 в 01:01 229490
Студеното заваряване се извършва с промишлени преси, в идеалния случай във вакуум. Кредит: Fractory.

Заваряването традиционно включва нагряване на поне едно парче метал до неговата температура на топене, след което разтопеният материал се поставя в контакт с друго парче метал, за да се слеят двете части заедно.

Но не всички производствени процеси изискват екстремна топлина за сливане на два метала. Всъщност е възможно да се заварява при или близо до стайната температура. 

Това се нарича студено заваряване и всъщност е по-интересно, отколкото изглежда.

Какво представлява студеното заваряване?

Студеното заваряване, известно още като контактно заваряване, включва съединяване на две или повече метални части, изработени от един и същ материал, които са в пряк контакт, докато са под налягането на вакуум.

При това не се използва заваръчна дъга, горелка или каквото и да е нагряване. Всичко се извършва с помощта на налягане и с малко химия. Необходима е обаче известна внимателна подготовка.

Напречен разрез на студено заваряване - преди и след заварката. Кредит: Wikimedia Commons.

Когато са изложени на атмосферен кислород, метали като алуминия образуват оксиден слой върху повърхността на метала. Този слой, заедно с други примеси като масло и грес, действа като бариера, която не позволява на двата метала да се слеят.

Ето защо двете или повече метални парчета, които трябва да бъдат студено стопени помежду си, трябва да бъдат добре почистени с четка, за да се отстранят ръждата - тя е там, дори и да не се вижда с просто око - и другите примеси. Освен почистването, друго изискване е металите да са пластични (способността на метала да издържа на постоянна деформация, без да се чупи). Цветните метали като мед, олово, злато и алуминий са едни от най-често използваните пластични метали за студено заваряване.

След като бъдат подготвени, двете метални части се допират под високо налягане, във вакуум и при температура на околната среда. Вакуумът е, за да се предотврати образуването на нов оксиден слой, но контактното заваряване може да се извършва и в атмосферата (т.е. директно на строителната площадка), въпреки че здравината на връзката не е толкова голяма, колкото би се получила във вакуум.

Кредит: WeldGuru.com

В такава среда двете части, изработени от един и същ метален материал, се заваряват на студено, тъй като атомите в двата материала " прескачат" помежду си, създавайки химическа връзка. От техническа гледна точка този процес е известен като дифузия в твърдо състояние, което означава, че атомите на два метала се съединяват и дифузират едновременно. В крайна сметка съединението между двата метала образува нова връзка, сякаш те винаги са били едно цяло, хомогенно парче.

Двата метала обикновено се свързват с помощта на машини за заваряване под налягане, въпреки че в някои случаи е възможно да се образува връзка просто чрез натискане.

"Причината за това неочаквано поведение е, че когато всички атоми в контакта са от един и същи вид, няма начин атомите да "знаят", че се намират в различни парчета мед. Когато между тях има други атоми, в оксидите и смазките и по-сложните тънки повърхностни слоеве от замърсители, атомите "знаят", че не са на една и съща част", обяснява известният физик Ричард Файнман.

За какво е полезно студеното заваряване?

Дъговото заваряване е доста просто, включващо два прости електрода, които създават електрическа дъга между тях, която разтопява и съединява металите. Операторът може да използва машината за електродъгово заваряване практически навсякъде, освен под вода. Студеното заваряване включва доста допълнителни стъпки и специална вакуумна машина. Всичко това изисква обучени техници и може да бъде скъпо.

В някои случаи обаче усилията си заслужават.

Студеното заваряване е подходящо за съединяване на разнородни метали, т.е. метали и сплави с много различни свойства. Когато разнородни метали се разтопяват в точки, за да се слеят, те всъщност не се съединяват добре и по този начин могат да доведат до слаби заварки и пукнатини. Определено е нежелателно това да се случи във вътрешността на чувствителни части, като например в самолет или автомобил.

Това не е проблем при студеното заваряване, тъй като процесът съединява металите единствено чрез атомни връзки, образувани от свободни електрони. Когато е направена правилно, студената заварка е поне толкова здрава, колкото е най-слабият материал в съединението. Студеното заваряване често се използва в аерокосмическата и автомобилната промишленост, за съвременни производствени приложения и в лабораториите на изследователските институти.

Студеното заваряване е за предпочитане и при полагането на подземни кабели в опасни горещи точки, като например тунели, изпълнени със запалим газ, който може да се възпламени от топлинното заваряване. По същата причина контейнерите, в които се съхраняват експлозиви, се заваряват със студена заварка.

Един инженер може да реши да избере контактно заваряване, тъй като твърде много топлина, въведена в материала, може да доведе до деформация или отслабване на материала.

Като цяло студеното заваряване се използва, когато топлинното заваряване е неефективно поради свойствата на материалите, които трябва да бъдат споени, или когато топлината ще причини твърде големи щети или ще представлява опасност.

Колко здраво е студеното заваряване?

Ако студеното заваряване се извършва по правилата, т.е. материалите са добре почистени от примеси, а заваръчните съединения са хубави и плоски, може да се очаква, че завареното съединение ще бъде здраво като изходния материал. Някои други методи на заваряване могат да доведат до здравина на съединението, която може да бъде по-голяма от здравината на изходния материал, но това не е така при студеното заваряване.

За предвидените приложения обаче контактното заваряване е достатъчно здраво.

Всъщност понякога здравината на студеното заваряване може да бъде истинско неудобство, например при космически приложения, както НАСА научи по трудния начин през 60-те и 70-те години на миналия век. В своя YouTube-канал Veritasium публикува видео, в което обяснява студеното заваряване и случайните проблеми, които то е причинило в космическата индустрия. Известен пример е космическият апарат "Галилео" от 1989 г., който при достигането на Юпитер не може да използва 3 от своите 18 специални антени - те е трябвало да се разгънат, но спонтанно студено са се заварили.

Може би сега е моментът да споменем JB заваряването (JB welding). JB Weld е търговската марка на епоксидна система за залепване, която основно включва смес от два компонента - активатор и основа. Смесването на двата компонента и нанасянето на получената паста върху зоните, които се нуждаят от залепване. Когато се втвърди, връзката JB Weld може да бъде толкова здрава, колкото и стоманата, така че може да се използва за всичко - от стари бар столове до прикачни устройства за ремаркета. Но въпреки че JB weld често е наричан "оригиналното студено заваряване", технически това не е студено заваряване, защото няма молекулярен контакт между заваряваните части. Затова не трябва да се бърка JB заваряването със студеното заваряване - те изобщо не са едно и също нещо.

Плюсове и минуси на студеното заваряване

Предимството на студеното заваряване е, че не се налага да се използва топлина за създаване на връзка между материалите. Това намалява риска от изкривяване или отслабване на първоначалния материал. Студеното заваряване може да се извършва практически без обучение, за разлика от дъговото заваряване, което изисква известни умения и сръчност.

Въпреки това машините за пресово заваряване могат да бъдат скъпи, както и целият процес на студено заваряване в този смисъл. Внимателното почистване и четкане на материалите може да отнеме много време, докато дъговото заваряване може да се извършва на момента. Освен това студеното заваряване не е практично в промишлена среда поради всичкия прах и отломки, които се носят в атмосферата.

Студеното заваряване обикновено работи само с еластични материали, докато дъговото заваряване може да се извършва с почти всички видове метали, стига температурата им на кипене да не е твърде ниска, какъвто е случаят с галия например.

Неправилните форми са много трудни за свързване със студено заваряване, чиито най-добри резултати се получават при използване на плоски повърхности. Дъговото заваряване, от друга страна, може да се използва за съединяване на метали с всякакви форми и размери.

Кои метали са подходящи за студено заваряване?

Както бе споменато по-рано, студеното заваряване работи най-добре с пластични материали, които имат сходни метални структури и свойства на цветните метали. Някои от най-често използваните метали при студено заваряване включват:

• Алуминий (включително класовете 2xxx и 7xxx, които обикновено се считат за незаваряеми с топлина)
• Мед
• Цинк
• 70/30 месинг
• Никел
• Сребърни сплави
• Злато
• Неръждаема стомана

Въпреки че студеното заваряване звучи като оксиморон, то всъщност е много практична техника за свързване на метали. Ограниченията ѝ обаче - включително предварителните условия за отстраняване на оксидни слоеве и наличието на вакуум за най-добра ефективност - правят студеното заваряване практично за сравнително тесен кръг приложения в космическата и автомобилната промишленост.

Изтoчник: How cold welding works: fusing metals without heat, ZMEScience


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.