При достижении температуры плавления соединяемых поверхностей (когда вращение уже остановлено) усилие сжатия увеличивается. Этот метод проще, чем газовая или дуговая сварка.
Что такое сварка трением, где она применяется и какое оборудование необходимо для каждого вида сварки трением?
Сварка трением — это разновидность сварки давлением (ГОСТ Р ИСО 4063-2010), при которой сплавление соединяемых поверхностей достигается путем преобразования механической энергии силы трения деталей в тепловую.
- 1 Область применения и виды сварки трением
- 2 Колебательная сварка
- 3 С перемешиванием
- 4 Радиальная
- 5 Орбитальная
- 6 Инерционная
- 7 С непрерывным приводом
- 8 Выбор режима сварки
- 9 Достоинства и недостатки метода
Сначала поверхности деталей нагреваются и расплавляются при взаимном трении, вращении или возвратно-поступательном движении, затем детали сжимаются под давлением 50-450 МПа, и в месте контакта образуется сварной шов, который подделывается путем прерывания трения и охлаждения шва под непрерывным давлением.
Область применения и виды сварки трением
Сварка трением используется для следующих работ:
- соединения металлов и сплавов с температурой плавления до 1800 градусов ;
- сварки плоских деталей одинаковой толщины под развернутым углом ;
- продольной сварки труб ;
- изготовления болтов ;
- замены пайки мелких деталей с обработанными поверхностями .
Сварка трением подходит для соединения загрязненных деталей, поскольку не требуется предварительная очистка — оксидная пленка и жировые отложения удаляются в начале взаимного трения соединяемых поверхностей.
Детали из алюминиевых, титановых и магниевых сплавов подходят для сварки трением из-за их низкой температуры плавления.
Основными видами сварки трением являются:
Выбор типа сварки зависит от назначения конечного продукта и технологических возможностей производственного процесса.
Колебательная сварка
Сварка трением используется для сварки деталей из низкоплавких металлов и сплавов. Одна часть прочно удерживается, а вторая часть перемещается вперед-назад и прижимается к первой части, после чего соединение нагревается, расплавляется и перемешивается, образуя однородное сварное соединение.
Для осцилляции требуется сварочный аппарат:
- массивное основание ;
- крепления (зажимы, болты);
- двигатель с коленчатым валом ;
- гидравлическая установка ;
- шлифовальная машинка .
Сначала детали необходимо подготовить к сварке, т.е. очистить от ржавчины и сгладить все крупные неровности (оксидный слой удаляется трением во время сварки).
Затем первая часть прижимается к основанию зажимами, а другая часть соединяется с коленчатым валом двигателя. Амплитуда вибрации коленчатого вала должна составлять 0,3-0,7 длины линии сварки.
После закрепления деталей двигатель и коленчатый вал приводятся в рабочее состояние, детали нагреваются трением, приводятся в нужное положение и прижимаются друг к другу гидравлическим агрегатом в течение нескольких секунд, после чего давление сбрасывается, шов охлаждается и зачищается.
С перемешиванием
При сварке с перемешиванием две детали прочно соединяются, а трение расплавленного металла создается вращающейся спицей из тугоплавкого сплава, которая плавно перемещается вдоль линии сварки, перемешивая горячую поверхность деталей для создания однородного шва.
Потребуется сварка методом перемешивания:
- плоское основание ;
- детали и крепления ;
- тугоплавкий штырь с заплечиками и электроприводом .
Детали прочно закрепляются на основании и касаются свариваемых поверхностей. Штифт начинает вращаться со скоростью 600 об/мин и затем погружается вертикально в сварной шов между деталями до тех пор, пока плечи не коснутся поверхности деталей. Обе части образуют область расплавленного металла вокруг вращающегося штифта.
Когда штифт продолжает вращаться, он перемещается вдоль линии сварки и перемешивает металл в месте соединения деталей. После прохождения штифта металл остывает, и образуется сварной шов, совпадающий с заплечиками в верхней части. В конце сварки штифт вытаскивается из фитинга, образуя отверстие. Заготовку охлаждают, отверстие затыкают пробкой из материала заготовки и зачищают шов.
Выбор режима сварки
Каждый из этих режимов сварки имеет свои функции, различаясь скоростью вращения подвижных частей, силой сжатия частей и толщиной сварочного кольца (при радиальной сварке). Физические параметры режимов определяются технологией конкретного производства, и условно все режимы сварки трением можно разделить на три:
Сварка трением с низкой скоростью вращения или трения деталей используется, когда свариваемые материалы имеют высокую вязкость (например, медные детали) и когда существует риск нарушения волокнистой структуры детали. Высокие скорости трения используются при сварке с перемешиванием расплавленных металлов и сплавов, а высокое давление вдоль оси вращения — при сварке с непрерывным перемещением деталей без пустот (сплошные детали).
Особенности сварки трением
При сварке трением с перемешиванием механическая энергия, действующая на одну из свариваемых деталей, преобразуется в тепло, причем тепло выделяется непосредственно в месте будущего соединения.
Может вырабатываться тепло:
- при вращении одной детали относительно другой (рис. 2, а);
- при вращении вставки между деталями (рис. 2, б, в);
- при возвратно-поступательном движении деталей в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами Д и при звуковой частоте (рис. 2, г).
В последнем случае детали прессуются под постоянным давлением P или под давлением P, которое увеличивается со временем. Сварка завершается оседанием и быстрым прекращением вращения.
Процессы в зоне стыка при сварке трением
Во время сварки трением с перемешиванием происходит несколько процессов. Когда скорость свариваемых деталей увеличивается и прикладывается давление, контактные поверхности соприкасаются и первоначальные смазочные пленки на них разрушаются. Предельное трение уступает место сухому трению. Отдельные микрочастицы вступают в контакт, деформируются, и образуются молодые участки с ненасыщенными поверхностными атомными связями. Между ними на короткое время образуются металлические связи, которые тут же снова разрываются при относительном движении поверхностей.
Этот процесс происходит непрерывно и сопровождается увеличением эффективной площади контакта и быстрым повышением температуры в месте склеивания. В то же время сопротивление деформации металла уменьшается, и трение распространяется по всей площади контакта. В зоне соединения образуется тонкий слой слоистого металла, который действует как смазка, и трение меняется с сухого на низкое.
Рисунок 2. Схематическое изображение процесса сварки трением: 1 — свариваемые детали; 2 — вставка; 3 — зона сварки.
Под действием сжимающей силы металл смещается (переворачивается) за счет перекрытия и сближения свариваемых поверхностей. Контактные поверхности подготавливаются для формирования сварного соединения: Металл в зоне склеивания имеет низкое сопротивление деформации при высокой температуре, оксидные слои истончаются, частично разрушаются и удаляются в растворе, соединяемые поверхности активируются. После торможения, когда скорость приближается к нулю, температура металла в соединении немного снижается из-за теплоотдачи. Осаждение сопровождается образованием металлических соединений на поверхности.
Рисунок 3. Типы сварных соединений сваркой трением.
Диаметр деталей при сварке трением
Сваривать прутки диаметром более 200 мм нецелесообразно, так как для этого потребуются моторизованные машины. ~ 500 кВт при скорости вращения ~Стоимость строительства и эксплуатации такой машины будет настолько высока, что преимущества сварки трением не окупятся.
Также невозможно сваривать прутки диаметром менее 3,5 мм даже в мастерской при скорости вращения шпинделя ~ 200 с-1 и требуется сложное устройство для прямого торможения.
Расчеты и опыт применения сварки трением с перемешиванием показывают, что этот процесс целесообразно использовать для деталей диаметром от 6 до 100 мм. Сварка трением с перемешиванием лучше всего подходит для режущих инструментов при производстве сварных, кованых, литых или штампованных композитных деталей. Она необходима для соединения разнородных материалов, которые трудно или невозможно сварить другими способами. Например, сталь к алюминию или аустенитные стали к перлитным сталям. Сварка трением также может использоваться для соединения пластиковых материалов.
