10.2 Сварка трением

Сварка трением является одной из разновидностей сварки давлением, отличающаяся от других способов методом введения тепла в свариваемые детали. В этом процессе необходимый для сварки нагрев деталей осуществляется путём преобразования механической энергии в теплоту благодаря работе сил трения.

Р

Р

Рис. 65 Принципиальная схема процесса сварки трением.

Простейшая и наиболее распространённая схема такого процесса показана на рис. 65.

Две детали, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах машины; одна из них неподвижна, а другая приводится во вращение вокруг их общей оси.

На сопряжённых торцовых поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевым усилием Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая при относительном вращении свариваемых заготовок на преодоление этих сил трения, преобразуется в тепло, которое выделяется на поверхностях трения и нагревает прилегающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования сварного соединения (при сварке, например, чёрных металлов температура в стыке достигает 1000 – 1300ºС). Таким образом, в стыке действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий быстрый локальный нагрев небольших объёмов металла.

В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях под воздействием осевого усилия и тангенциальных сил. При этом хрупкие окисные плёнки, покрывающие торцовые поверхности соединяемых деталей, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых плёнок и другие инородные включения вместе с металлом удаляются из стыка в грат.

Нагрев прекращается путём быстрого (практически мгновенного) прекращения относительного вращения. При этом в контакт оказываются введёнными очищенные торцовые поверхности соединяемых деталей, металл которых доведён до состояния повышенной пластичности.

Для получения прочного соединения достаточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию – проковать. Это достигается с помощью продолжающего ещё некоторое время действовать осевого усилия. Типы сварных соединений, выполняемых сваркой трением, показаны на рис. 66.

а) б) в)

г) д)

Рис. 66. Типы соединений, выполняемых с помощью сварки трением.

а) – сварка стержня встык

б) – - « - трубы встык

в) – - « - трубы со стержнем встык

г) и д )- Т-образное соединение стержня и трубы с плоской поверхностью

Основные преимущества сварки трением.

- Высокая производительность.

Непосредственно процесс сварки занимает от нескольких секунд до 0,5 мин.

- Высокие энергетические показатели процесса.

Расход энергии и мощности при сварке трением в 5-10 раз меньше, чем, например, при электрической контактной сварке встык.

- Высокое качество сварного соединения.

При правильно выбранном режиме сварки металл стыка обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл; стык свободен от пор, раковин, различного рода включений, а металл стыка и зоны термического влияния приобретает равноосную и сильно измельчённую структуру.

- Стабильность качества сварных соединений.

Варьирование механических свойств сварных соединений, выполненных на одном и том же режиме, не превышают 7…10%.

- Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности.

Все дефекты, связанные с загрязнением свариваемых поверхностей, выходят в грат.

- Возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях.

Изучены и освоены в промышленном производстве такие сочетания разноимённых материалов, как, например, алюминий со сталью, медь со сталью, титан с алюминием, медь с алюминием и другие.

- Гигиеничность процесса.

Сварку трением от других видов сварки выгодно отличает отсутствие ультрафиолетового излучения, вредных газовых выделений и горячих брызг металла.

- Простота механизации и автоматизации.

Сварку трением выполняют на специальных машинах, либо на полуавтоматах с минимальным использованием ручного труда, либо на автоматах - без участия человека.

Недостатки сварки трением.

- Сварка трением не является универсальным процессом.

Как минимум одна из соединяемых деталей должна быть телом вращения.

-Некоторая громоздкость оборудования.

Из-за этого процесс не может быть мобильным.

- Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования.

В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения.

Область применения сварки трением.

Форма и размеры сечения свариваемых деталей

Сварка трением применяется для соединения деталей встык (при этом или обе, или одна из них должны в месте сварки иметь круглое сечение) и для образования Т-образных соединений круглой детали “впритык” к плоской поверхности.

Как правило данный процесс используется для соединения деталей сечением 50…10000 мм².

Материалы свариваемых деталей

Равнопрочные соединения получаются при сварке одноимённых малоуглеродистой, среднеуглеродистой, низко- и среднелегированной сталей, хорошо сваривается жаропрочная стали и сплавы.

Хорошо свариваются стали всех названных выше классов в различных сочетаниях между собой, а также быстрорежущая сталь с конструкционной, например, Р18 со сталями 40 и 40Х.

Хорошо свариваются алюминий со всеми его сплавами, медь, латунь и другие одноимённые цветные металлы. Прочные и пластичные соединения образуются при сварке трением алюминия с медью, меди со сталью, алюминия со сталью. Плохо свариваются сталь с алюминиевыми сплавами, содержащими более 3% легирующих компонентов.