Висока енергоємність традиційних видів зварювання металів і сплавів змушує розробляти альтернативні способи нероз'ємного з'єднання деталей. До їх числа належить зварювання тиском. Вона заснована на відомих фізичних залежностях інтенсивності дифузійних процесів в металах, які відбуваються під зовнішніми силовими впливами.
Суть технології пластичної зварювання
Суть дифузійних процесів вивчається в матеріалознавстві. Як відомо, при тривалому контакті двох фізичних тіл, в прикордонних зонах починають відбуватися процеси взаємного впровадження атомів одного елемента в інший, одних матеріальних частинок - в суміжні. При звичайних умовах (кімнатні температури, відсутність зовнішнього зусилля) такі процеси відбуваються надзвичайно повільно, і тільки в приконтактних шарах. Зате такі зміни - незворотні і характеризуються дуже високою міцністю. Встановлено, що при підвищенні температури і, особливо, зусилля з'єднання двох деталей, інтенсивність взаємної дифузії різко зростає. Головне ж полягає в тому, що в прикордонній дифузійної зоні рівномірність складових настільки велика, що фізико-механічні властивості металів позитивно виділяються своєю рівномірністю. Таким чином, звичного поняття «зона зварного шва» при такій дифузійному зварюванні практично не існує.
Сварка тиском ґрунтується на положеннях саме вищевказаної теорії дифузії. Схема процесу полягає в наступному. При звичайній температурі (хоча є промислові установки, які функціонують і при негативних температурах, головне - щоб при цьому забезпечувалася необхідна рухливість атомів) проводиться спрямоване деформування двох суміжних поверхонь. При цьому повинно бути забезпечено як мінімум плоске напружено-деформований стан, при якому відбудеться диффузионное впровадження частини одного металу / сплаву в інший.
Сварка тиском особливо ефективна для деталей з алюмінію, міді, свинцю, а також нержавіючих сталей, які містять значний відсоток легуючих елементів. Зокрема, за допомогою зварювання тиском алюмінієвих сплавів можна значно знизити трудомісткість отримання сполуки нероз'ємного з'єднання, оскільки звичайна сварка алюмінію можлива лише під шаром флюсу.
Обов'язковими умовами для якісного зварювання металів тиском є:
- Ретельне очищення місця з'єднання від жирових і масляних плям, окалини та інших речовин зі складним хімічним складом, які не мають яскраво вираженої кристалічної структури.
- Поступовість наростання зусилля, внаслідок чого спочатку утворюється деформація приконтактних шарів, а потім починають відбуватися самі дифузійні процеси.
- Рівномірність зовнішніх температурних умов, особливо для легкоплавких сплавів. При цьому підвищення зовнішньої температури не обов'язково.
- Схильність зварюються таким чином металів до утворення так званих интерметаллидов - хімічних сполук одного металу з іншим. Дана умова забезпечується при наявності в складі стали хрому, кобальту, вольфраму і молібдену. Разом з тим, нікель интерметаллидов не утворює, тому холодна пластична зварювання нікелю з нікелем Маломіцні.
Таким чином, при наявності деяких обмежень по хімскладу деталей, що зварюються, зварювання тиском відрізняється простотою технічного рішення і меншими енергетичними затратами.
Послідовність освіти з'єднання
Після досягнення певного тиску в приповерхневих шарах заготовок починаються деформаційні процеси. При цьому змінюються (зменшуються) розміри кристалічної решітки, а атоми переходять з одного енергетичного рівня на інший, в результаті чого їх рухливість істотно зростає. Утворюються міцні хімічні зв'язки. Чим більше в мікроструктурі металу різнорідних атомів, тим ці зв'язки міцніше. Тому межа міцності з'єднаних таким чином деталей з нелегованої сталі при тих же робочих параметрах зусилля і часу нижче, ніж для легованих.
На якість зварювання тиском впливають також: 
- Характер наростання зусилля: при вібраційному навантаженні міцність з'єднання зростає, оскільки повідомляється при цьому атомам енергія помітно вище.
- Ступінь деформації: для високопластичних металів і сплавів - алюмінію, олова, свинцю - продуктивність зварювання збільшується.
- Температура: термомеханическая зварювання тиском, заснована на одночасному впливі тиску і температури, дозволяє з'єднувати таким чином навіть високолеговані стали, які звичайній зварці піддаються насилу.
Разом з тим на зварювання тиском не впливають наявність металевих плівок, які утворюються, наприклад, після поверхневого легування деталей. Тому даний процес можна виконувати на завершальних операціях технологічного процесу.
Зварювальні процеси із застосуванням тиску виконують за такими схемами:
- Точкової, при якій силовий контакт деталей, що з'єднуються виконується не по всій поверхні їхнього зіткнення;
- Шовного, коли деформація відбувається по всій лінії контакту;
- Торцевої, коли деформуюче зусилля прикладається до стику з'єднуються виробів.
Послідовність всіх варіантів виконання приблизно однакова і полягає в наступному. Очищені від забруднень деталі накладаються на робочий стіл встик або внахлестку між верхнім (рухомим) і нижнім (нерухомим) пуансонами обладнання. Іноді, з метою збереження вихідної геометрії стику, на деталях виконуються технологічні виступи, які ліквідуються в процесі подальшого деформування пуансонами. Деталі фіксуються за допомогою механізму притиску. Встановлюється (в залежності від міцності властивостей матеріалу) необхідна глибина впровадження рухомого пуансона в метал. При включенні приводу переміщення пуансони впроваджуються в метал з обох сторін місця з'єднання або стику і витримуються деякий час під тиском. З метою виключити викривлення інших частин з'єднання, його притискають до опорної поверхні столу зусиллям, при якому створюються тільки пружні деформації.
Обов'язковою умовою проведення якісного зварювання тиском є наявність мінімальних зазорів між пуансоном і направляючими їх конструкціями, оскільки, в іншому випадку, метал може затікати в такі зазори, знижуючи тим самим зусилля деформуючого притиску. В результаті кільцева зона навколо пуансонов може мати знижену міцність з'єднання.
Геометрія зварного стику залежить тільки від форми пуансона. Таким чином можна отримувати різні фігурні з'єднання: зірочкою, хрестом, ромбом і т.д.
Технологія холодної пластичної зварювання проста, відрізняється високою продуктивністю і різноманіттям конфігурацій зварних стиків.
термокомпрессіонной зварювання
Розповсюдженим різновидом зварювання тиском є термокомпрессіонной зварювання, при якій зварюються вироби додатково ще і нагріваються. Нагрівання скорочує стадію витримки виробів під тиском, оскільки збільшує рухливість атомів кристалічної решітки.
Термокомпрессіі на практиці реалізується так. Підлягають з'єднанню заготовки нагріваються в печі зі зниженим процентним вмістом кисню (ще більш ефективний нагрів в середовищі інертних газів), після чого негайно поміщаються в робочу зону зварювального пристосування. Подальші переходи відбуваються так само, як і в вищеописаних випадках.
Термокомпрессіонной зварювання особливо ефективна в наступних випадках:
- На виробництві відсутня виробниче обладнання, кінематика дії якого не передбачає фазу вистою пуансонів в крайньому робочому положенні.
- Одночасно зі зварюванням потрібно збільшити міцність стику за рахунок проведення термомеханічногозміцнення.
- Для зварювання алюмінію. У звичайних умовах на поверхні алюмінію і більшості його сплавів швидко формується окісна плівка, властивості якої ускладнюють формування якісного з'єднання.
Термомеханічні види зварювання більш поширені для з'єднання масивних деталей, для чого потрібна підвищена міцність місць стику.
Для термокомпрессіонной зварювання в якості основного виробничого обладнання часто використовують однопозиційні горячештамповочниє автомати. Ці машини мають вбудований індукційний нагрівач, а тому втрати температури при перенесенні заготовок з печі до робочій зоні відсутні.
В інших випадках зварювання тиском виконується або на кривошипно-колінних, або на гідравлічних пресах. Перші використовуються при з'єднанні високопластичних металів, другі - для міцніших. Як інструментального оснащення використовуються модернізовані штампи, в яких відсутня матриця, зате передбачено притиск навколо всієї зони з'єднання.
Для розглянутої технології нероз'ємних з'єднань не вимагається спеціалізованого обладнання та інструменту, а процеси легко піддаються механізації.