книги / Сварка и свариваемые материалы. Технология и оборудование

Обозна­ Единицы Параметр Определение чение измере­

ния

Момент		инерции			Момент	инерцйи,		рав­
вращающихся масс					ный сумме моментов
					инерции	вращающихся
					частей, обеспечивающих
					тепловую энергию свар­
					ки
Отрицательное уг­					Отношение		изменения
ловое		ускорение			угловой скорости шпин­
шпинделя			от	мо­	деля от момента выклю­
мента выключения					чения привода до			его
привода до его ос­					полной	остановки		или
тановки		или		на­	начала	торможения к
чала торможения					длительности		промежу­
					тка времени,		в течение
					которого это изменение
					произошло
Время		задержки			Промежуток времени ме­
включения			давле­		жду прекращением			от­
ния	проковки			по­	носительного движения
сле	выключения				и приложением давле­
привода					ния проковки
Время		задержки			Промежуток времени ме­
торможения после					жду прекращением отно­
выключения				при­	сительного движения и
вода					началом торможения
Отрицательное ус­					Отношение изменения
корение		при		тор­	угловой скорости шпин­
можении					деля от момента начала
					торможения до его пол­

ной остановки к длитель* ностн торможения

/Нм- с*

8 рад/с1

?э. пр	с

с

*э.т

ет рйд/с*

Производные параметры

Момент трения	Момент сопротивления
	вращению свариваемых
	заготовок; интеграль­
	ная сумма моментов сил
	трения в зоне контакта
	относительно оси враще­
	ния
Абсолютная осе­	Суммарная осадка в про­
вая деформация	цессе нагрева и проков­
	ки

Мтр

Н м

6 мм

Скорость	дефор­ Предел, к которому стре­	и	м/с
мации	мится средняя скорость
	взаимного сближения за­
	готовок при бесконеч­
	ном уменьшении проме­
	жутка времени

Сварка тре­ нием

* 1 »

+

+

+

+

+

++

++

++

Параметр Определение

Мощность	тепло­	Интенсивность	тепло­
выделения		выделения,	тепловая
		энергия, выделяющаяся
		в свариваемых заготов­
		ках в течение одной се­
		кунды
Удельная	мощ­	Тепловая мощность, от­
ность тепловыде­		несенная к единице пло­
ления		щади исходного сечения
		свариваемых заготовок
Температура		Температура в зоне сое­
		динения

П р и м е ч а я ! 1е. (+ ) — есть; (—) — нет.

Обозна­	Единицы	Сварка тре­
			нием
чение	измере­
	ния	I	11
N	Вт	+	+

Мул	Вт/м2	+	+
Г	°С	+	+

14.1Л. Основные способы сварки, наплавки

иформоизменения трением

Сварка	трением	с	н е п р е р ы в н ы м	п р	и в о д о м впервые осуществлена
в СССР	в 1956	г.	А. И. Чудиковым	(рис.	14.1). Одной из заготовок сооб­

щается вращательное движение. Заготовки соприкасаются и к ним приклады-

Ряс. 14.1. Схема сварки трением с не­
прерывным приводом:	I — маховик; 2. 3 свариваемые эаго-
/ — тормоз; 2. 3 — свариваемые заготовки	товкн

Бается осевое усилие нагрева. Ста­

дия нагрева в существующих маши­

нах СТ регламентируется либо вре­

Ф

менем

нагрева, либо

степенью со­

вместной

деформации

заготовок.

Далее

следует

торможение

подвиж­

ной

заготовки

и проковка.

ции

Известны

различные

модифика­

- ^

Г

способа,

исключающие

ограни­

>

чения

по

конфигурации

сваривае­

Fx

П 1

мого сечения и длине заготовок. На­

пример, непрерывная СТ с помощью

вращающейся вставки [2, 3, 4, 5].

Рис. 14.3.

Схема

орбитальной

СТ:

на

И н е р ц и о н н а я

СТ

основана

использовании энергии,

накоплен­

а — стадия

нагрева; б — стадия

проковки

ной маховиком. Шпиндель с насажен­ ным на него маховиком заданной массы (рис. 14.2) разгоняется. По дости­

жении определенного момента инерции вращающихся масс привод отключают и заготовки сжимают с заданным усилием. Сварка их завершается в момент

остановки	шпинделя.	Диапазоны		регулируемых	параметров:	o=(0,28-f-
-rl 1,1) м/с;	/>„*=(474-465)		МПа;	значение / подбирают таким,		чтобы	е=
= (150-7-300) рад/с2.			СТ может осуществляться по одному из				двух
К о м б и н и р о в а н н а я
вариантов:	1) вначале	процесс ведут с постоянной			о), а затем	привод от­

ключают и завершают сварку по инерционному циклу; 2) начало сварки ве­ дут с постоянной со, затем по инерционному режиму. По достижении шпин­ делем п =(6-т-5) с - 1 осуществляют его «мгновенное» торможение.

К о л е б а т е л ь н а я СТ может выполняться за счет угловых колебаний одной или обеих заготовок или в процессе возвратно-поступательного дви­ жения (сварка вибротрением). Практическое применение получила только

сварка вибротреннеМ	для соединения термопластов и реактопластов.
О р б и т а л ь н а я	СТ осуществляется движением прижатых одна к дру­

гой заготовок по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей (рис. 14.3). Оси заготовок смещены во время стадии нагрева на величину эксцентриситета е, что позволяет получать относительно собственного вре­ менного центра круговые движения с орбитальным радиусом, равным экс-

РИС14.4. Схема рациИлЬноА СТ:

а ' - с наружным Р*ззИнмным кольцом; б — с внутренним разжимным кольцом; I, 2 — сваРИваемые заг°товкн; 3 — вращающееся кольцо нэ присадочного материала; 4 — зажимные элементы; & -N- оправка

Рнс. 14.5. Схема роликовой СТ:	Рис. 14.6. Схема	наплавки трением:
/, 2 — свариваемые заготовки; J —	/ — наплавляемая	поверхность; 2 —
шпиндель; 4 — вращающийся ролик;	слой наплавленного металла; 3 —•пру*
5 — прижимы	ток; 4 — резец для снятия грата

центриситету е. По завершении стадии нагрева оси совмещают, прекращая тем самым относительное движение заготовок, и выполняют проковку, фор* мируя сварное соединение.

Орбитальная СТ позволяет сваривать заготовки, имеющие свариваемое сечение произвольной формы, при равномерном тепловыделении на всей свариваемой поверхности. Это делает ее перспективной для сварки заго­ товок с большой площадью поперечного сечения. Сложность машин и низ­ кая надежность зажимных устройств вследствие действия на них значитель­

ных инерционных сил препятствуют	широкому внедрению этого способа
в практику.	использовании теплоты трения на­
Р а д и а л ь н а я СТ основана на

ружного или внутреннего кольца, вращающегося с заданной угловой скоростью, о скошенные концы труб, прижатых одна к другой с определен­ ным усилием (рис 14.4). По окончании стадии нагрева вращение кольца прекращают и его дополнительно сжимают (раздают) в радиальном на­ правлении.

Р о л и к о в а я СТ применяется для сварки заготовок из тонколистовых материалов. К концам заготовок подводят ролик, вращающийся с со~ «1600 рад/с (рис. 14.5). Скорость перемещения ролика относительно свари­ ваемых заготовок составляет 0,1—2,0 м/с при удельном давлении на ролик 0,2—0,5 МПа.

Н а п л а в к а т р е н и е м применяется для восстановления изношенных деталей или для придания поверхности заданных служебных свойств. К по­ верхности, подлежащей наплавке (рнс 14.6) и перемещающейся с линейной скоростью Озаг, с усилием F прижимается вращающийся пруток. Теплота, вы­ деляемая при трении, создает тепловое поле, асимметричное поверхности кон­ такта. Поле способствует более интенсивному нагреву прутка по сравнению с заготовкой. Происходит направленный перенос металла с прутка на по­ верхность заготовки. Рекомендации при выборе технологических параметров приведены в [3].

Ф о р м о и з м е н е н и е т р е н и е м — безотходный технологический про­ цесс, широко применяемый в промышленности. Деформирование компактных и трубных заготовок, пластифицированных теплотой трения, осуществляется на машинах СТ или на металлорежущих станках. Формоизменением трением можно выполнять высадку, вытяжку, формовку, раздачу и разбортовку.

14.1.2. Физические основы

На рис. 14.7 представлены схемы типовых осциллограмм ос­ новных параметров режима СТ с непрерывным приводом. На характер зависимостей F(t), ©(<), Л4тр(0. N(t), T°(t), Al(t)

влияют: природа свариваемых металлов, состояние контактных поверхностей, угловая скорость и удельное давление.

Для анализа явлений, протекающих при СТ, весь свароч­ ный цикл удобно разделить на отдельные фазы.

П е р в а я ф	а з а (притирка) протекает	в условиях сухого
или граничного	трения (при загрязненных	поверхностях). Осе­

вая сжимающая нагрузка F вызывает в соприкасающихся мик­ ровыступах нормальные напряжения, значительно превышаю­ щие пределы текучести, а Мтр приводит к возникновению каса­ тельных напряжений, превышающих напряжения сдвига.

Под действием эквивалентных напряжений на контактных поверхностях будут происходить сложные процессы: разруше-

Рнс. 14.7. Схема типовых осциллограмм основных па­ раметров режима СТ

ние оксидных и адсорбированных пленок; смятие и срез микро­ выступов при одновременном увеличении в них плотности дислокаций и их упрочнении; вовлечение «срезанных» микро­ выступов в граничную плоскость; образование очагов схваты­ вания н их разрушение. Завершение первой фазы характеризу­ ется прекращением роста МТР вследствие приработки трущихся

поверхностей.		начинается с приложения к заготовкам
В т о р а я ф а з а
усилия нагрева FH. Более высокое удельное давление интенси­
фицирует	процессы	на контактных поверхностях, начатые
в первой	фазе, и способствует интенсивному тепловыделению

в тонких поверхностных слоях. При этом количество выделяю­ щейся энергии в периферийной зоне больше, чем в центральной.

«Срезанные» и упрочненные микровыступы под действием сил трения и внутреннего давления перемещаются в более пла­

стифицированную	зону и движутся по круговой орбите в коль­
цевой площадке,	находящейся	на расстоянии		0,5—0,7	радиуса
от оси заготовки. Завершение		второй	фазы	характеризуется
граничным трением заготовок		через	«срезанные»		микровы­

ступы по кольцевой площадке и временным прекращением ро­

ста Мтр.

Пр(и движении в кольцевой зоне «срезанные» микровыступы контактируют между собой и образуют очаги схватывания с основным металлом. Слияние микровыступов носит спонтан­ ный лавинообразный характер, размеры отдельных «колоний» микровыступов увеличиваются, а их число уменьшается. При числе «колоний» («клиньев») [2] система становится кинемати­ чески неустойчивой и число «клиньев» самопроизвольно восста­ навливается до двух.

При относительном движении деформационно упрочненные «клинья» «пропахивают» более пластичные поверхностные слои и укрупняются, вовлекая в процесс более твердые глубинные слои заготовок. По достижении некоторой критической Вели­ чины «клиньев» происходит разъединение контактирующих по­

верхностей	(эквапланирование).
Т р е т ь я	ф а з а характеризуется отрицательной осадкой и

ростом Мтр. В этой фазе поверхности заготовок контактируют только через «клинья», что хорошо подтверждается наличием на них следов предыдущей механической обработки и «пропа­ ханной» кольцевой площадки.

Дальнейшее взаимодействие заготовок приводит к расшире­ нию кольцевой площадки до (0,5—0,8) г и росту Мтр. Темпе­ ратура на поверхности заготовок (кроме локальных участков на дорожках, «пропаханных клиньями») не превышает 300 °С, что подтверждается темно-синим цветом побежалости на кон­ тактных поверхностях при их разъединении. Увеличение ампли­ туды колебаний МТР относительно среднего значения («дрейф»

Мтр) при приближении к Л1тр обусловлено разрушением и об­ разованием «клиньев».

Ч е т в е р т а я ф а з а начинается с момента достижения Мтр; температура в кольцевой зоне в этот момент достигает (0,6-—0,7) 7’0юах; предел текучести металла в приконтактных объемах свариваемых заготовок заметно снижается, поверхно­ сти соприкасаются, а Мтр снижается. Окончание четвертой фазы характеризуется разрушением «клиньев», что прослежи­ вается на осциллограмме по прекращению «дрейфа» Мтр. За­

вершение стадии нагрева в четвертой	фазе нецелесообразно,
так как «клинья», оставшиеся в зоне	соединения, будут яв­

ляться концентраторами напряжений и способствовать низкой циклической прочности.

П я т а я ф а з а характеризуется заметным уменьшением «дрейфа» МТр и свидетельствует о завершении стадии нагрева. Скорость осадки в этой фазе постоянная.

Ш е с т а я		ф а з а — торможение.				В результате		уменьшения
угловой	скорости сопротивление				сдвигу		возрастает. Темпера­
тура в	зоне контакта		в шестой		фазе несколько			повышается,
а после ее окончания резко снижается.									полной
С е д ь м а я		ф а з а	(проковка)			начинается после
остановки шпинделя.			Во	время		этой	фазы	формируется
сварное	соединение.		Давление проковки не должно быть
чрезмерным, так как			интенсивное			пластическое		течение ме­
талла	может	разрушить		образовавшееся сварное					соеди­
нение.
14.1 -3. Технологические возможности
Локализация		выделения теплоты				и пластической		деформации

в зоне соединении при СТ обусловливает низкий расход энер­ гий на Процесс образования сварного соединения и позволяет сваривать разнородные металлы, например алюминий — медь, алюминий — сталь, медь — металлокерамика и др.

О г р а н и ч е н и я с п о с о б а СТ с непрерывным приводом: форма одной из заготовок должна приближаться к круговой; масса и длина подвижной заготовки ограничена возможно­ стями конкретной машины; существующие машины СТ не по­ зволяют соединять заготовки с площадью свариваемого сече­

ния > 150 мм.

Экономическая эффективность от внедрения СТ складыва­ ется из несколькяд показателей: высокой производительности; экономии материалов; снижения трудоемкости; высокой раз­ мерной точности сварных изделий; ограниченного числа послесварочных технологических операций; возможности соединения материалов в разных сочетаниях; небольших и быстро окупа­ емых расходов Яа капитальные вложения; низкой энергоем-

костИ и практического отсутствия брака. Данные табл. 14.2 ил-

люстРиРУЮт экономическую эффективность и технологические возможности СТ [8].

14.2. Технология

14.2. J- Свариваемые материалы и требования к конструкции

Данные о свариваемости разных конструкционных материалов

приведены в табл. 14.3 [7].

При проектировании заготовок для СТ необходимо учиты­

вать такие моменты,

как:

возможность

имеющейся

машины

Т А Б Л И Ц А

14.3

СВАРИВАЕМОСТЬ

РАЗНЫХ

КОНСТРУКЦИОННЫХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

ПРИ

СВАРКЕ

ТРЕНИЕМ

1

!

1

1

I 1

1j

4 I

1

I$

1

!

ч

1

||

111 1 1

1

I

1I11

1

11

1

I ||

Алюминии. -

1

11

!

1I I

$1

1

i 1J

II 1 1II

Алюминиевые сплавы

■■_

1

ГШГi

1

=1

,

XX

Латунь

X

х

бронза

Оксид кадмия

Литейный чугун

1

Керамика

■X

Кобальт

х

“1

: 1

Медь

1г

Недноникелевый сплав

Спеченное мелею

Инвар

X

1

Свинец.

Нагний

х

X

Магниевые сплавы

х х

iг

Xх

т г

X X

х

Молибден

Никель

■

г

монель

Т 1

Никепиевые сплавы

Ниноник

1

■

1

1

1

X

Ниобий

X

Ниодйевые сплавы

Серебро

% х 1

1

Серебряные сплавы

X ш

Углеродистая ст аль

1

1

Лееированная сталь

Мавтюиттьстареющаясталь 1Г х

нержавеющая сталь

■X

X 1

1 X

■

J-

X£

Тантал

Торий

X

Титан

X X

■

х х

■

Вольфрам

I

сверхтвеарые материалы \с

%

(карбид аолыррама)

\■_

■

Уран

ГГ

а

X

ванадий

_L_

Циркониевые сплавы

%

Примечание: Щ

качественные

соединения;

ЕЭ

некачест венные

соединения ;

□

данные

от сут ст вуют ;

Н

с ? небозм о/кна.

точность

т а б л и ц а

14.4

с т ,

свариваемость

материа-

по соосности и длине

JJQU

заготовок;

закрепление

ДЕТАЛЕЙ.

Т Ю Ю Ч А Ы Ы Х СВАРКОЙ

з а г о т о в ()К

„ с в а р ОЧНОй

МЗШИ-

не;

стоимость

подготовки за­

Диапазоны размеров свариваемых деталей, мм

готовок к сварке и последую­

Группа

Смещение осей, мм

Допуск на длину, мм

щей

послесварочной обработ­

ки

изделия;

автоматическое

точности

достижение требуемой соосно­

сти

и угловой

ориентации за­

До 20

Обычная

0,2

±0,4

готовок;

создание

в ответст­

венных

случаях

равных усло­

20—50

Повышенная

0,1

±0,2

вий

пластической

деформа­

Обычная

0,4

±0,6

Повышенная

0,2

±0,3

ции

и

симметричного

темпе­

50—100

Обычная

0,5

±1,0

ратурного

поля. Типы

соеди­

Повышенная

0,3

±0,5

нений и варианты подготовки

П р и м е ч а н и е . Пределы точности

заготовок на примере изделий

автомобилестроения

приведе­

приведены

для сварки

цилиндрических

эталонных

деталей.

ны в работах [4, 5].

припусков

—---------------------------------------

При

назначении

на длину

и

диаметр

загото­

вок следует руководствоваться данными, приведенными в табл. 14.4 [4].

Для обеспечения соосности заготовок непременным усло­ вием является их надежное закрепление в зажимных устрой-

Рис. 14.8. Определение длины вылета		заготовок из зажимных устройств:
л —Л -(0 ,3 + 1 .5)*; б - Л	, -(0.3-*- 1,5)*,;	Л,-<0,3ч- 1,5)*,; а —Л - ( 2 + 4)3;
* — * ,-< 2 + 4 )3 ; Ла-(0 .3 +	1,5)*