Сварка трением осуществляется теплотой, возникающей от трения при перемещении соединяемых деталей относительно друг друга, которые сжаты осевой силой. Одна из свариваемых деталей подвижна, вторая, прижатая к первой, вращается. Когда нагрев в стыке достигает температуры сварки (для стали 900–1200℃), трение резко прекращают, а осевое усилие увеличивают. Сварка трением весьма экономична в отношении использования энергии. Она широко применяется в сельскохозяйственном машиностроении.
Сварка трением это разновидность сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой (рис. 1, а) или вставки между деталями (рис. 1, б, в), при возвратно-поступательном движении деталей в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами и при звуковой частоте (рис. 1, г). Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.
В зоне стыка при сварке протекают различные процессы. По мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение различных загрязнений, присутствующих на них в исходном состоянии. Граничное трение уступает место сухому. В контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи и немедленно разрушаются вследствие относительного движения поверхностей. Этот процесс происходит непрерывно и сопровождается увеличением фактической площади контакта и быстрым повышением температуры в стыке. При этом снижается сопротивление металла деформации, и трение распространяется на всю поверхность контакта. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала, и трение из сухого становится граничным.
Рис. 1. Сварка трением:
а – вращение одной детали; б – вращение; обеих деталей; в – вращение вставки при двух неподвижных деталях;
г – возвратно-поступающее движение одной детали.
Под действием сжимающего усилия происходит вытеснение металла из стыка и сближение свариваемых поверхностей - осадка. Контактные поверхности оказываются подготовленными к образованию сварного соединения: металл в зоне стыка имеет низкое сопротивление высокотемпературной деформации, оксидные пленки утончены, частично разрушены и удалены, соединяемые поверхности активированы. После торможения, когда частота вращения приближается к нулю, наблюдается некоторое понижение температуры металла в стыке за счет теплоотвода.
При сварке трением получают стыковые и тавровые соединения (рис. 2) с высокими механическими свойствами. Расчетные напряжения в сварном соединении при этом оказываются эквивалентными напряжениям в основном металле. Допускаемые напряжения устанавливаются на основе специальных опытов.
Рис. 2. Детали, полученные сваркой трением:
а, б – стыковые; в – тавровое
Сварка трением позволяет получить крепкие соединения не только из одноименных, но и из разноименных металлов и сплавов, даже с разными теплофизическими характеристиками. Основными типами сварных соединений при сварке трением являются: стыковые соединения стержней и труб, соединения стержней и трубы с плоской поверхностью.
Машинная сварка трением
Машины для сварки трением обычно содержат следующие основные узлы (рис. 3): привод вращения 1 шпинделя с ременной передачей 2; фрикционную муфту 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; переднюю бабку 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; заднюю бабку 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего давления машины; пневматическую, пневмогидравлическую или гидравлическую схему управления силовым приводом машины; шкаф управления.
Рис. 3. Конструктивно-кинематическая схема машины для сварки трением
В большинстве машин в состав привода вращения входят трехфазный асинхронный электродвигатель, клиноременная передача с зубчатым ремнем. В машинах для микро- и прецизионной сварки, шпиндель которых должен развивать очень высокую частоту вращения, в качестве привода применяются пневматические турбины, которые характеризуются быстрым разгоном и торможением, позволяют обходиться без передачи при помощи непосредственного сочленения вала со шпинделем машины.
Материалы, используемые для сварки
Сварочная проволока
Проволока маркируется индексом Св. (сварочная) и следующих за ним букв и цифр. Буквами обозначены химические элементы, содержащиеся в металле проволоки: А - азот, Г - марганец, С - кремний, X - хром, Н - никель, М - молибден, Т - титан, Ю - алюминий, Ц - цирконий и др. Первые две цифры, следующие за индексом Св. указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после букв — содержание данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в проволоке менее одного процента. Буква А на конце обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). К примеру, сварочная проволока марки Св-08ХГ3С2 содержит 0,08% углерода, до 1% хрома, до 3% марганца и 2% кремния.
Металлические электроды
Электроды классифицируют по назначению, типу, маркам, толщине покрытия, качеству, допустимым пространственным положениям сварки или наплавки и т.д. По качеству электроды подразделяются на три группы: 1, 2, 3. Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, вздутий, наплывов и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия, вмятины глубиной до половины толщины покрытия и другие мелкие дефекты. Прочность покрытия испытывают следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться. Влагостойкость покрытия проверяют погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15...25℃. Электроды упаковывают в водонепроницаемую бумагу или полиэтиленовую пленку; пачки массой 3...8 кг укладывают в деревянные ящики. Масса ящика 30...50 кг. На каждой пачке имеются этикетка, содержащая наименование предприятия-изготовителя, условное обозначение электродов, область их применения, режимы сварки, механические и специальные свойства металла шва и др. Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04 и др. Марка электрода — это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие.
Преимущества и недостатки сварки трением
Преимущества
- Локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и технологические преимущества. Площадь тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначительна, что весь цикл его нагрева обычно длиться мало по времени, до 30 секунд. Это определяет высокую производительность процесса сварки трением, конкурировать с нею в этом отношении может лишь электрическая контактная стыковая сварка.
- Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают весьма высокий коэффициент полезного действия процесса сварки трением, при этом расход энергии и мощности при сварке трением в 5-10 раз меньше, чем при электрической контактной сварке встык.
- При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл соединяемых деталей, стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков, а металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия, по своему характеру близкого к режимам термомеханической обработки металлов.
- Детали, сваренные трением при одном и том же режиме, отличаются повторяемостью механических свойств: варьирование временного сопротивления, угла изгиба, величины ударной вязкости и других показателей в партии деталей, сваренных на неизменном режиме, не превышает 8-11%. Это позволяет обоснованно применять выборочный контроль качества партии деталей, что особенно важно при отсутствии в настоящее время простых, надежных и дешевых методов неразрушающего контроля стыковых соединений, пригодных для использования в условиях сварочных цехов.
- При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вводимых в контакт поверхностей, что в значительной мере экономит время вспомогательных операций.
- Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разноименных металлов и сплавов. Сварку трением от других видов сварки выгодно отличает гигиеничность процесса: отсутствие ультрафиолетового излучения, вредных газовых выделений и горячих брызг металла.
- Сварку трением выполняют на специальных машинах. Основные параметры процесса сравнительно легко программируются и всё оборудование представляет собой либо полуавтоматы с минимальным использованием ручного труда, либо автоматы.
Недостатки
- Соединение лишь таких пар деталей, из которых хотя бы одна является телом вращения, ось которого совпадает с осью вращения. При этом другая деталь может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая деталь, это несущественно ограничивает применяемость сварки трением. Анализ характера производства показывает, что в машиностроительных отраслях промышленности количество деталей круглого сечения составляет до 50—70% от общего числа свариваемых деталей.
- Громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным, процесс осуществим лишь при условии подачи заготовок, подлежащих сварке, к машине.
- Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования - волокна близ стыка располагаются в радиальных направлениях и выходят на наружную поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения, а в других деталях, работающих в агрессивных средах, — очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения указанных дефектов является сохранение на детали грата.
Особенности образования соединения при сварке трением
Процесс сварки металлов трением в реальности весьма сложен и многообразен, он подчинен многим закономерностям, так как в нем соседствуют и взаимодействуют такие явления, как тепловыделение и износ поверхностей при трении. Непрерывное образование и немедленное же разрушение металлических связей между сопряженными поверхностями в процессе их относительного движения, почти мгновенный нагрев и очень быстрое охлаждение малых объемов металла в присутствии очень больших удельных давлений. Упругопластические деформации в микрообъемах выступов шероховатых поверхностей и в макрообъемах слоев металла, прилегающих к этим поверхностям.
Применение сварки трением
Расчеты практического применения сварки трением показывают, что ее пока целесообразно применять для сварки деталей диаметром от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением для изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривающихся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок. Она используется для заварки днища у баллона для сжатых газов. Отрезок цельнотянутой стальной трубы с предварительно нагретым концом насаживают на быстровращающуюся оправку. К вращающейся заготовке приближают обжимку, осаживающую металл и придающую ему полусферическую форму днища баллона. При быстром вращении заготовки осаживаемый металл быстро разогревается трением между обжимкой и заготовкой в процессе осадки, а его температура не снижается и растет за счет механической работы сил трения. В результате трения металл днища сильно разогревается и осаживается с образованием утолщения. Для соединения круглых цилиндрических стержней или трубок детали закрепляют в зажимах машины и приводят в соприкосновение торцами. Одна деталь остается неподвижной, другая приводится во вращение со скоростью 500- 1500 об/мин и все время прижимается к неподвижной детали. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через короткое время доводятся до оплавления. Автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей. В ряде случаев способ оказался весьма эффективным. Он отличается высокой производительностью, высоким качеством и стабильностью сварки, поскольку процесс автоматизирован, все параметры отличаются большой неизменностью. Способ весьма экономичен и обладает высоким КПД. Потребление электрической мощности 15-20 вт/мм2, а потребление электроэнергии в 7-40 раз меньше, чем при контактной электросварке. Способ позволяет сваривать разнородные металлы (алюминий с медью, алюминий со сталью, медь со сталью и пр.). Ширина зоны влияния сварного соединения не более 2-3 мм. Максимально эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента сверл, метчиков и из углеродистой и быстрорежущей стали.
Надеюсь теперь вы разобрались с процессом сварки трением, как это устроено, достоинства и недостатки этого метода. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут. Так же рекомендую зайти на наш YouTube канал.