Сварка трением, принцип и особенности:
Сварка трением – разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным вращением (перемещением) одной из соединяемых частей (деталей, заготовок) свариваемого изделия. Вращающаяся (перемещающаяся) деталь свариваемыми поверхностями соприкасается с другой деталью (частью) свариваемого изделия. Из-за возникающих сил трения в местах соприкосновения происходит очень быстрый разогрев и переход материала в пластичное состояние.
Таким образом, сварка трением сопровождается процессом, при котором механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в теплоту. При этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой (в базовом варианте) или вставки между деталями, либо при перемещении детали или вставки.
За счет трения и высокой температуры разрушаются окисные пленки и следы посторонних загрязнений заготовок (деталей). Поверхности заготовок (деталей) притираются одна к другой, разрушаются микровыступы, поверхность выравнивается, и атомы металлов получают возможность вступать в близкое взаимодействие.
Свариваемые детали (части) при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения (перемещения). На этом (завершающем) этапе формируется окончательное соединение – когда к уже неподвижным деталям (частям) прикладывается проковочное усилие. Под действием сильного давления в получающемся соединении деталей образуются металлические связи.
Основным преимуществом сварки трением является то, что металл сваривается в пластичной фазе, но не расплавляется. Соответственно, из-за отсутствия литой структуры в металле не происходят процессы расплавления и кристаллизации металла, не возникают типичные для таких фазовых переходов дефекты, как поры, непропаи и горячие трещины.
Сварка трением обеспечивает прочность сварного соединения до 0,97 % от прочности основного материала, поэтому с ее помощью можно варить любые, даже самые высоконагруженные узлы.
С помощью сварки трением сваривают заготовки из металлов и сплавов из алюминия, титана, магния, меди, никеля, кобальта, молибдена, тантала и прочих сплавов (в том числе таких, которые затруднительно или невозможно сваривать дуговой сваркой), заготовки из различных марок стали (в т.ч. нержавеющей), детали из полимеров и композитов. Возможна сварка трением практически всех металлов и сплавов с температурой плавления до 1800 °C (включая жаропрочные и огнеупорные металлы и сплавы), а также деталей из разнородных металлов.
Различают несколько видов сварки трением: сварка трением с прямым приводом, инерционная сварка трением, радиальная сварка трением, линейная сварка трением (сварка трением с перемещением), линейная вибрационная сварка трением (колебательная сварка трением), сварка угловым трением, сварка трением с перемешиванием, штифтовая сварка трением,орбитальная сварка трением, роликовая сварка трением, комбинированная сварка трением.
Сварка трением используется для соединения различных металлов и термопластиков в авиастроении и автомобилестроении.
Основные этапы фрикционной сварки
Главная особенность этого метода сварки заключается в его универсальности в работе. То есть, оборудование для фрикционной сварки позволяет соединить в единое целое разные материалы – сталь, медь, латунь и так далее. Сварка трением нашла свое применение в производстве клапанных запчастей для двигателей внутреннего сгорания, печатных валов, поперечин, а еще труб для бурения и так далее. Зона термической обработки при использовании метода фрикционной сварки существенно меньше иных разновидностей сварки. В месте соединения материала не появляется сварочная ванна. Процесс сваривания достаточно простой, но трудоемкий, он состоит из таких основных этапов:
- Исходная точка: закрепление обеих рабочих частей и начало вращения одной из них;
- Нагревание: обе части рабочего материала прижимаются между собой с определенным усилием вращения, в следствие чего сила сжатия вызывает трение, которое, в свою очередь, вызывает нагревание поверхностей свариваемых частей;
Процесс сварки: в конкретный момент та часть, которая вращается, замедляет свой ход, что вызывает повышение давления сжатия. Именно в этом момент и возникает сваривание рабочих частей между собой с помощью трения.
Исходная точка
Нагревание
Процесс сварки
Принцип сварки
Сварка металла трением – технологический процесс изготовления сварного соединения, который осуществляется за счет применения тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых элементов. Во время этого процесса элементы с усилием прижимаются друг к другу, и одна из заготовок движется относительно другой.
Обычно применяется трение вращения, во время этого процесса вращается одна из свариваемых заготовок или вкладка между элементами. В точке, в которой происходит усиленное прижатие элементов, происходит выделение тепла и осуществляется нагревание.
Благодаря высокой температуре и трению происходит активное разрушение оксидных пленок и следов посторонних загрязнений. Поверхности свариваемых элементов плотно притираются друг к другу, во время этого начинается разрушение микро выступов. Поверхность становится ровной, и за счет этого атомы металлов могут вступать в полноценное взаимодействие друг с другом.
Фрикционная сварка осуществляется в несколько этапов:
- снятие оксидных пленок;
- нагревание поверхностей для состояния пластичности. Во время этого этапа также создаются и разрушаются фрагменты кристаллических решеток;
- на третьем этапе останавливается вращение, возникает кристаллизация зоны контакта и образуется сварное соединение.
После того как достигается необходимый показатель температуры плавления происходит остановка вращения с одновременным увеличением силы прижима.
Преимущества сварки трением
Возникшая в ходе экспериментов по присоединению концевых деталей на токарном станке сварка трением получила быстрое распространение в различных производствах. Сегодня это один из самых высокоэффективных процессов соединения заготовок, чаще всего круглой формы, изготовленных как из однообразных, так и разнородных материалов. Его применение позволяет в несколько раз увеличивать производительность работ при высоком качестве стыка. К преимуществам данного способа относят несложное оборудование, простоту процесса работы, а также экономичность.
Схемами сварки трением предусмотрено вращение сжатых деталей: одной из двух, обеих, вращающейся вставки между неподвижными либо поступательно-возвратным движением единственной. Нагревание их происходит посредством трения с почти мгновенной остановкой по завершении процесса нагрева. Причем усилие сжатия заготовок постоянно, а усилие проковки увеличивается с нагревом и после торможения вращающихся деталей. На параметры режима такой сварки оказывают влияние как скорость вращения с длительностью действия усилия проковки, так и величины осадки с осевым усилием в ходе нагревания и проковки.
Исключительно высокое и стабильное качество соединения при несложной технике работы на станках сварки трением делает ее результат, не зависящим от квалификации и опыта работающего. Удобство режимов этой технологии способствует устранению имеющихся трудностей в контроле качества сварных соединений другими способами, что особенно эффективно для изготовления режущего инструмента типа сверл, фрез и метчиков. С его помощью можно соединять дорогостоящие режущие части с хвостовиками определенного инструмента из других материалов. Также широко применяются машины сварки трением в автомобиле- и станкостроении.
Преимущества и недостатки сварки трением
Преимущества
1. Высокое качество соединения. В месте стыка отсутствуют многие дефекты, присущие сварным швам, полученным при помощи других видов сварки. К примеру, в месте соединения исключается образование газовых пор и сварных трещин, различных неметаллических включений и других дефектов.
2. Постоянство механических свойств. Как правило, механические свойства основного металла, места стыка и зоны возле него практические одинаковые из-за равномерной структуры металла.
3. Высокая производительность метода. Весь цикл сварки занимает от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от размеров свариваемых деталей.
4. Подготовка к сварке занимает меньше времени. Из-за того, что нет необходимости удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей и зачищать их, это существенно экономит время подготовки.
5. Не требуется дополнительных присадочных материалов, как для многих других видов сварки.
6. Не требуется дополнительных операций после сварки, таких как отпуск, отжиг, проковка и др.
7. Снижаются затраты на последующую механическую обработку после сварки.
8. Отсутствуют сварочные поводки и низкая степень деформации после окончания сварки.
9. Большая номенклатура свариваемых материалов. Сварка трением позволяет сваривать многие материалы, как между собой, так и в различных их сочетаниях.
10. Высокий коэффициент использования металла (КИМ). У альтернативных методов получения заготовок (отливки, поковки и др.) КИМ значительно ниже.
11. Меньшая степень вредности. При сварке трением отсутствует яркий слепящий свет, как при дуговой сварке, нет выделения вредных газов, отсутствуют брызги расплавленного металла.
12. Лёгкая возможность автоматизации. Достигаться она может установкой машин для сварки в автоматические и роторные поточные линии, или, к примеру, применением управляющих компьютеров, работающих по программам.
13. Экологичность процесса. Для сварки не требуется защитных газовых сред, флюсов или покрытий, из-за этого нет выделения вредных веществ в воздушную среду.
14. Низкая энергоёмкость. По сравнению с обычной дуговой сварки энергоёмкость снижена в 10 раз.
Недостатки
1. Низкая универсальность процесса и относительно небольшая номенклатура свариваемых деталей.
2. Габариты свариваемых деталей ограничены. В случае с круглыми деталями, при сварке которых одна неподвижно закреплена, а вторая вращается вокруг своей оси (ротационная сварка), экономически нецелесообразно сваривать заготовки, диаметром более 150мм.
3. Дорогое и громоздкое оборудование для сварки трением.
4. Возможно искажение волокон в зоне сварки, если сварное соединение в процессе эксплуатации подвергается высоким динамическим нагрузкам.
5. Отсутствие мобильности. Невозможно применить данный вид сварки в «полевых условиях» и различных монтажных работах, так как сварочное оборудование для сварки трением является стационарным, а не мобильным.
Сварка металлов трением
В соответствии с типажом на оборудование во ВНИИЭСО разработаны четыре типоразмера машин-полуавтоматов: МСТ-23, МСТ-35, МСТ-41, МСТ-51. Эти машины конструктивно и геометрически подобны и различаются лишь размерами сечений деталей, которые можно сваривать на каждой из машины, и, следовательно, основными параметрами (табл. 9). Они предназначены для сварки стержневых (сплошного сечения) круглых заготовок из низкоуглеродистой или низколегированных сталей. Машины позволяют также сваривать трубчатые заготовки и выполнять Т-образные соединения.
Весь цикл сварки выполняется автоматически после нажатия на соответствующие кнопки на пульте управления. Вручную лишь закладывают заготовки в зажимы машины (после чего происходит автоматическое их зажатие) и снимают сваренные детали.
Кроме этих машин, разработано, изготовлено и успешно эксплуатируется много специальных машин, предназначенных для сварки деталей только одного наименования в условиях массового или крупносерийного производства (табл. 10).
Таблица 9 Технические характеристики машин типа МСТ
| Показатели | МСТ-23 | МСТ-35 | МСТ-41 | МСТ-51 |
| Мощность, кВт | 10 | 22 | 40 | 75 |
| Осевое усилие, кгс: | ||||
| при нагреве | 2500 | 5 000 | 10 000 | 20 000 |
| максимальное | 5000 | 10 000 | 20 000 | 40 000 |
| Диаметр свариваемых стержневых заготовок, мм: | ||||
| минимальный | 10 | 16 | 22 | 32 |
| максимальный | 25 | 36 | 50 | 70 |
| Максимальный диаметр заготовок, мм | 32 | 39 | 52 | 75 |
| Производительность сварок в час | 150 | 120 | 100 | 70 |
Технические характеристики специальных машин для сварки трением
| Показатели | СМСТ-4 | МФ-327 | МТС-6 | МСТ-31-2 | МСТ-10-01 | МСТ-100-01 |
| Мощность, кВт | 20 | 10 | 4 | 28 | 40 | 125 |
| Частота вращения шпинделя, об/мин | 680 | 1500 | 2000 | 1000 | 1000 | 800 |
| Максимальное усилие, тс | 10 | 5 | 0,8 | 14 | 10 | 80 |
| Диаметр свариваемой детали, мм | 38 | 10—18* | 12 | 50 | 33 | 140/80 |
| Производительность, сварок в час | 70 | 160 | 420** | 50—60 | 140*** | 6—8 |
* Сварка специальных сталей. ** Сварка меди. *** Одновременная сварка двух стыков.
Применение сварки металла трением в промышленности
Оборудование для сварки трением сравнительно сложное и дорогое, а сам процесс высокопроизводителен. Максимальный экономический эффект от его внедрения достигается в массовом или серийном производстве при изготовлении деталей относительно крупными партиями или групповым методом. В этих случаях следует использовать полуавтоматы и автоматы. В мелкосерийном производстве для сварки трением следует использовать машины, более простые и легко переналаживаемые при переходе от сварки одной детали к сварке другой.
Рис. 58. Изготовление калибров:а — по старой технологии; б — с применением сварки трением
Сварка трением успешно применяется при изготовлении концевого режущего инструмента, например сверл средних размеров. Экономический эффект, получаемый в результате использования сварки трением заготовок инструмента, обусловлен значительным снижением брака и затрат труда и весьма существенной экономией дефицитной быстрорежущей стали. Замена электрической контактной сварки встык заготовок инструмента сваркой трения дает большую экономию.
Сваркой трением также изготовляют мерительный инструмент и детали вращающегося центра для токарных станков. Гладкие и резьбовые калибры ранее изготовляли из дорогой стали марки ШХ методом ковки в несколько переходов. При использовании сварки трением (рис. 58) заготовку выполняют составной: на автомате хвостовик из стали 45 приваривают к рабочей части из стали ШХ. В результате — экономия дорогой хромистой стали и значительное увеличение производительности труда.
До применения сварки трением клапаны двигателей внутреннего сгорания были цельноштампованными (рис. 59); их получали из дорогостоящей стали путем отрезки и горячей штамповки в несколько переходов. Новая технология с применением сварки трением состоит из большего числа операций. Однако затраты на внедрение новой технологии окупились сокращением расхода жаропрочной стали, повышением производительности труда и высвобождением тяжелого ковочного оборудования.
Рис.59. Изготовление клапана:а — по старой технологии; б — с применением сварки трением; 1 — жаропрочная сталь; 2 — заготовка; 3 — углеродистая сталь
Сварка трением успешно внедрена не только в тракторостроении, автомобилестроении, при производстве двигателей внутреннего сгорания, но также и при изготовлении труб, в ракетостроении, в строительной индустрии, в сельхозмашиностроении, в электротехнической и энергомашиностроении, в станкостроении и при изготовлении изделий многих других отраслей производства.
В ближайшие годы сварка трением должна быть широко внедрена в промышленность. Для этого предстоит выявить детали, которые целесообразно сваривать трением.
Вперед
Способы сварки алюминия
Выбор метода, которым можно сварить алюминий дома, определяется имеющимся оборудованием. Разработано несколько способов, но популярными стали только три.
Вольфрамовым электродом
Этим способом сваривают алюминий, когда к прочности шва предъявляются жесткие требования. Он создается за счет плавления присадочной проволоки диаметром 1,6 — 4 мм дугой, создаваемой неплавящимся электродом из вольфрама. Для защиты от окисления к месту сварки подается аргон или гелий.
Работа выполняется на переменном токе. Если работа проводится в помещении, расход газа настраивают в пределах 5 — 8 л/мин, на улице больше. Диаметр электрода и сила тока в зависимости от толщины деталей определяются по таблице:
| Диаметр электрода, мм | Толщина металла, мм | Величина тока, А |
| 1 | 1 — 2 | 10 — 15 |
| 1,6 | 2 — 3 | 30 — 90 |
| 2 | 3 — 4 | 50 — 100 |
| 3 | 4 — 6 | 100 — 160 |
| 4 | 6 — 7 | 150 — 220 |
| 5 | 7 — 9 | 210 — 280 |
| 6 | 9 — 10 | 260 — 300 |
При выполнении сварки следует учитывать нюансы метода:
- длину дуги поддерживают на уровне 2,5 мм;
- электрод устанавливается под углом 80⁰ к стыку;
- проволока подается под углом 90⁰ к электроду;
- горелку с электродом перемещают следом за проволокой без поперечных движений;
- для равномерного заполнения стыка проволоку подают короткими отрезками;
- на конце электрода должен образоваться шарик правильной формы, если нет — нужно увеличить ток;
- газ подают за 4 — 5 секунд до сварки изделий, после завершения перекрывают спустя 6 — 7 сек.
Технология
При движении свариваемых трением деталей происходит ряд последовательных процессов:
- под воздействием механических нагрузок разрушаются пленки окислов и загрязнения;
- заготовки разогреваются, металл выдавливается из стыка, одновременно вынося все загрязнения;
- вращение резко прекращается, при этом давление на детали не убирается, а часто увеличивается.
Опыт показал, что оптимальное значение размеров свариваемых элементов лежит в пределах от нескольких миллиметров, до 100-150 см. Бoльшие размеры требуют резкого увеличения мощности привода, переставая быть рентабельными. Наилучший эффект получается при использовании деталей с одинаковыми свариваемыми поверхностями. Исходя из этой особенности, в процессе подготовки, заготовки специально подрезают, выравнивая их торцы.
Сварочный процесс, выполняемый за счет трения, включает две переменных:
Скорость вращения и давление. Подбор этих параметров зависит от сочетания металлов, составляя наиболее сложную составляющую процесса. На 80% расчеты основаны на экспериментальных данных.
Динамические нагрузки возникающие при этом способе в ряде случаев требует дополнительной термической обработки. При этом она не требуется для низколегированных и некоторых классов высоколегированных сталей.
Применяемое оборудование
Для сваривания используют металлорежущие станки, но они не подходят для длительного применения, быстро выходят из строя. Специальные машины с блоком управления созданы по одному принципу: силовой привод подводится к двигающимся механизмам. Для фиксации свариваемых заготовок предусмотрены зажимные устройства, двигающие механизмы. Работает оборудование в автоматическом или полуавтоматическом режиме (укладка заготовок, выемка готовых изделий производится в ручном режиме). Машины бывают универсальными и под определенную технологию. На некоторых устройствах предусмотрена предварительная подготовка свариваемых поверхностей, заточка и выравнивание кромок.
Преимущества и недостатки
К основным преимуществам данного метода относятся:
- высокая производительность;
- энерго/эффективность;
- стабильность и качество соединения на высоком уровне;
- лояльные требования к чистоте поверхности;
- возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
- Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.
Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла
Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:
- универсальность процесса на низком уровне;
- тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
- искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.
Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.
Режимы и процесс сварки
Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.
Технология сварки методом трения
На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.
К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.
Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.
Способы
Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.
Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.
Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.
Дополнительно он формируется заплечниками. С помощью выдавливания и перемешивания происходит формирование сварного шва.
Линейная сварка трением
Ротационная сварка трением сегодня считается разработанным и распространенным способом. Она активно используется при выпуске холодильного оборудования, производстве паромов, тепловых обменников и электрических силовых агрегатов.
Техника задействована в научных и исследовательских целях, а также в автомобильной отрасли.
Какое оборудование необходимо?
К процессу подключаются специальные машины. Например, автоматическая установка СТ 110, предназначенная для производства автомобильных выпускных автомобилей.
Машины комплектуются рабочими узлами. Это: вращающийся привод, фрикционная муфта, шпинделя с ремённой передачей тормоз.
Большая часть машин оборудована приводом вращения, в который входит асинхронный электрический силовой агрегат, клиномерная передача с зубчатым ремнём.
Оборудование для сварки трением
Этот способ сварки подразумевает использование и других конструкций. К примеру, машин для микро и прецизионной сварки. «Малыши» не отстают от «взрослых». В маленьких конструкциях шпиндель должен разогнаться и развить частоту вращения 80-650 с-1. Сварки трением по ГОСТ 260184 регламентирует термины и определения основных понятий.
Техника безопасности
В процессе работ необходимо соблюдать противопожарную и личную безопасность.
Процесс безопасности включает подготовительный этап и рабочие моменты.
Это проверка рабочей формы и защитных принадлежностей. Освобождение рабочей зоны от посторонних предметов.
Проверка рабочего инструмента и электрических соединений.
Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.
В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видео сварки трением, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.
Важно, чтобы каждый сотрудник перед началом работы прошёл технический и личный инструктаж. Для этого предусмотрен специальный журнал
Заключение
Существующие процессы и технологии не стоят на месте. Специалисты изучают методы работы и стараются усовершенствовать конечный результат.
Хотя сварка трением считается изученной и понятной, но всё равно научные работники и исследовательские центры хотят расширить её возможности для получения более качественной продукции. Использовать метод, расширив его географию.
Это интересно: Инверторная сварка — основы работы для новичков
