Сварка трением: с перемешиванием, вращательная сварка, линейная и другие виды, оборудование и режимы

Что это такое?

Технологии и понятийный аппарат метода регламентирует ГОСТ 260184. Этот процесс несколько отличается от других способов сварки, что обусловлено технологическими особенностями метода. Для нагрева соединяемых элементов используется тепловая энергия, выделяющаяся при трении подготовленных элементов.

Наиболее актуальным и распространенным здесь является вращательное трение, при котором вращается один из свариваемых элементов. В процессе элементы прижимаются друг к другу с усилием, с постепенным увеличением усилия прижатия. Одновременно с нагревом разрушаются поверхностные оксидные пленки, а также остатки различных загрязнителей. Поверхности элементов постепенно притираются друг к другу, удаляются выступы и неровности, а атомы свариваемых материалов получают доступ к тесному взаимодействию.

В то же время контакты на уровне кристаллических структур неустойчивы и вскоре разрушаются из-за сильного вращения элементов.

Упомянутый способ намного проще, чем, например, газовый.

Среди функций технологии отмечают ряд факторов.

1. Возможность качественного соединения разнородных материалов. Нет необходимости использовать добавки и более сложное оборудование.
2. Возможность создать качественное и герметичное соединение элементов из меди, свинца, титана, избежать деформации деталей.
3. Наибольшая производительность метода зафиксирована при обработке заготовок диаметром 6-100 мм.
4. Возможность соединения плохо свариваемых металлов. Например, детали из алюминия и стали.

Этот метод также широко используется для соединения изделий из термопластов.

Преимущества и недостатки

Эта уникальная технология имеет множество преимуществ.

1. Высокий уровень производительности. Цикл сварки длится несколько секунд, иногда минут. Значительно меньше времени уходит на подготовку к операции. Таким образом, обсуждаемая технология более выгодна, чем контактная электросварка.
2. Сохранение энергии. Нагрев обрабатываемых участков происходит очень быстро и в очень локализованных областях, поэтому потребление энергии в десять раз меньше, чем в других технологиях.
3. Сварщики высокого качества. При оптимально подобранном режиме выполнения область шва и прилегающие к нему кромки остаются полностью идентичными основному материалу. При этом в теле шва отсутствуют дефекты (трещины, посторонние проявления и т.п).
4. Качественные и стабильные свойства швов в партиях готовых изделий сохраняются — конечные параметры изделий в них отличаются минимально, что позволяет осуществлять выборочный контроль, что экономит время и деньги.
5. Не требует предварительной механической очистки зоны шва и вокруг него, проводимой в начальной фазе процесса.
6. Возможность сварки неоднородных материалов.
7. Экологичность.
8. Метод прекрасно поддается автоматизации, что немаловажно при больших производственных партиях.

Стоит упомянуть о недостатках.

1. Применимость метода заключается в небольшом диапазоне форм заготовок. Способ не применяют для соединения вытянутых швов (прямых и криволинейных), сложной конфигурации, при монтаже строительных конструкций, крупных корпусных элементов.
2. Объем единиц. Устройства требуют стационарной установки и электропитания.
3. Ограничения в размерах деталей, длина которых соответствует вылету верхней опоры узла, а диаметр соответствует выносу кулачков патрона.
4. Появление возможных радиальных изломов фактуры в зонах швов и вблизи них. При значительных динамических нагрузках возникают места с усталостными напряжениями, микротрещины и другие дефекты. Уровень коррозионной стойкости также снижается. Чтобы избежать таких последствий, на деталях оставляют степень, на удаление которой требуется некоторое время.

Фазы

Основными фазами процесса являются:

• удаление оксидных пленок;
• нагрев соединяемых поверхностей до температуры образования и разрушения элементов кристаллической решетки (температуры пластичности);
• прекращение вращательного движения, кристаллизация зоны контакта, образование сварного шва.

Область применения

Сварка трением изначально разрабатывалась для оборонной промышленности, атомного комплекса. Затем метод стал применяться в машиностроении, электротехнике. Трубы для добывающей промышленности сваривают радиальным способом. Подходит для соединения плохо свариваемых металлов, магниевых сплавов, алюминиевых сплавов, цветных металлов, углеродистой стали, легированной стали, разнородных пластмассовых сплавов. Технология заменяет заклепки контактной электросваркой. Применяется для обработки поверхностей режущих инструментов, восстановления деталей.

Особенности процесса сварки

К особенностям сварки трением относятся:

• Возможность сварки различных материалов, например сварки стали с алюминием. Не требует пломбировочных материалов и сложного оборудования.
• Применение для неразъемного соединения деталей из меди, свинца, титана без деформации заготовок.
• Максимальная эффективность достигается при работе с заготовками диаметром от 6 до 100 миллиметров.
• Незаменим при создании сложных технологий и производстве ковано-сварных, штампосварных и сварно-литых изделий.
• Возможность соединения материалов с низкой свариваемостью. Этим методом можно сваривать детали, которые невозможно сварить другими методами, например, алюминий и сталь.

Схема сварки трением

Тепло при сварке трением также широко используется для сварки деталей из термопластов.

Читайте также: Сварка и строжка угольным электродом: технология, особенности, как сделать своими руками

Генерация и поток тепла

Для любого процесса сварки, как правило, желательно увеличить скорость перемещения и свести к минимуму тепловложение, поскольку это повысит производительность и, возможно, уменьшит влияние сварки на механические свойства сварного шва. В то же время необходимо обеспечить, чтобы температура вокруг инструмента была достаточно высокой, чтобы обеспечить достаточный поток материала и предотвратить дефекты или повреждение инструмента.

По мере увеличения скорости перемещения при заданном подводе тепла меньше времени для передачи тепла перед инструментом и больше градиенты температуры. В какой-то момент скорость станет настолько высокой, что материал перед инструментом станет слишком холодным, а напряжение течения будет слишком высоким, чтобы обеспечить достаточное движение материала, что приведет к растрескиванию или поломке инструмента. Если «горячая зона» слишком велика, вы можете увеличить скорость передвижения и, следовательно, производительность.

Цикл сварки можно разделить на несколько этапов, где тепловой поток и тепловой профиль будут разными:

• Остаться. Материал предварительно нагревается стационарным вращающимся инструментом для достижения достаточной температуры перед инструментом, чтобы обеспечить движение. Этот период может также включать погружение инструмента в заготовку.
• Переходный нагрев. Когда инструмент начинает двигаться, наступает переходный период, когда выделение тепла и температура вокруг инструмента будут сложным образом меняться, пока не будет достигнуто почти установившееся состояние.
• Псевдостационарное состояние. Хотя флуктуации тепловыделения будут иметь место, тепловое поле вокруг инструмента остается примерно постоянным, по крайней мере, в макроскопическом масштабе.
• Постстационарное состояние. Ближе к концу сварного шва тепло может «отражаться» от конца пластины, что приводит к дополнительному нагреву вокруг инструмента.

Выделение тепла при сварке трением происходит из двух основных источников: трения о поверхность инструмента и деформации материала вокруг инструмента. Часто предполагается, что тепловыделение происходит в основном под уступом из-за его большей площади поверхности и равно усилию, необходимому для преодоления контактных усилий между инструментом и заготовкой. Состояние контакта под плечом можно описать трением скольжения, используя коэффициент трения μ и давление на границе раздела P, или трением прилипания, основанным на прочности поверхности на сдвиг при соответствующей температуре и скорости деформации. Математические аппроксимации для общего количества тепла, выделяемого плечом инструмента Q-total, были разработаны с использованием моделей трения скольжения и прилипания:

Qcommon знак равно 23πpμω (rsoulder3-rsoulder3), { displaystyle Q _ { text {total}} = { frac {2} {3}} pi P mu omega left (R _ { text {плечо}} ^ {3}-R _ { text {булавка}} ^ {3} right),} (скольжение) {2} {3}} pi tau omega left (R _ { text {плечо}} ^ { 3} -R _ { текст {штырь}} ^ {3} справа),} (штырь)

где ω — угловая скорость инструмента, R — радиус заплечика инструмента, R — конусность штифта. Было предложено несколько других уравнений для учета таких факторов, как палка, но общий подход остается прежним.

Основная трудность при использовании этих уравнений заключается в определении соответствующих значений коэффициента трения или межфазного напряжения сдвига. Условия под прибором экстремальные и их очень трудно измерить. Сегодня эти параметры используются в качестве «параметров подгонки», когда модель опирается на измеренные тепловые данные для получения разумно смоделированного теплового поля. Хотя этот подход полезен для создания моделей процесса, например, для прогнозирования остаточных напряжений, он менее полезен для понимания самого процесса.

Перечень используемого оборудования

При необходимости выполнения разовой сварки трением могут применяться металлорежущие станки, но в массовом производстве они не применяются.

Специальные сварочные узлы трения имеют блок управления. Заготовки закрепляют в подвижных механизмах с прижимными устройствами, к ним подводят станцию, обеспечивающую сжатие. Есть как универсальное оборудование, так и предназначенное для одной из технологий. Некоторые станки позволяют предварительно подготовить детали: выровнять и заострить кромки.

Кроме того, может быть установлен станок для снятия заусенцев, загрузочные и разгрузочные механизмы, конвейеры и т д

Обзор видов

На сегодняшний день разработано и активно внедряется несколько специализированных (по области применения) способов сварки трением, которые могут быть:

• смешивание;
• радиальный;
• булавки;
• линейный;
• роторные (для сварки тонких металлических листов);
• точка;
• орбитальные и другие.

Перемешивающий способ

Технология перемешивания была изобретена и используется с конца прошлого века. Суть метода заключается в использовании специальной палки с буртиками из высокопрочного сплава. Нагревая материал при вращении, палочка проходит в него по заданному пути. Благодаря вращению в процесс вовлекаются размягченные слои металла, которые перемешиваются. Таким образом достигается однородность структуры и параметров сварного шва.

Радиальная

Этот метод используется при монтаже труб. В местах стыковки они устанавливаются на кольцеобразную металлическую конструкцию с небольшим зазором, которой придается ускоренное вращение. Из-за возникающих трений появляется интенсивный нагрев концов свариваемых труб. Кольца изготовлены из сплава, аналогичного трубам.

Штифтовая

Для выполнения ремонтных работ применяется технология штифтового метода. В деталях для ремонта просверливается отверстие, в которое вставляется штифт из аналогичного сплава. В процессе вращения выделяется значительное количество тепла, что обеспечивает процесс соединения. Это уникальный и мобильный метод сварки трением.

Линейная

Этот вид сварки осуществляется без вращения – свариваемые элементы совершают встречные движения вперед-назад, нагреваясь. В критический момент движение останавливается, и детали сильно прижимаются друг к другу. Излишки металла (валики), ставшие пластичными, выталкиваются из зоны сварки и образуют шов.

Есть технологии, когда оба соединяемых предмета неподвижны, а об них в области шва притирается специальный инструмент.

Область применения. Форма и размеры сечения

Сварка трением (наиболее важная и распространенная технологическая схема) применяется для соединения деталей встык (при этом либо обе, либо одна из них должна иметь круглое сечение в месте сварки) и для формирования Т-образной формы фигурные соединения круглой детали «ударяются» о плоскую поверхность.

В принципе размеры поперечного сечения свариваемых деталей не ограничены, но есть их рациональные пределы; мировая практика применения сварки трением еще не знает случаев шатунов диаметром <0,75 мм; Случаи сварки массивных деталей диаметром >200 мм также не известны. В СССР сварка трением применяется в промышленном производстве для соединения деталей сечением 50—10 000 мм2. Эти пределы определяются номинальной мощностью (NH) и максимальной тягой (Poc) используемой машины в соответствии со следующими выражениями:

Эти же выражения можно использовать при выборе необходимого оборудования по заданным размерам деталей и свойствам материала, из которого они изготовлены (обычные значения Nсп и Рсп приведены в соответствующей части справочника).

Материалы. Накоплен большой опыт промышленного применения сварки трением различных одноименных материалов, а также различных металлов и сплавов. Черные металлы хорошо свариваются (исключение составляет чугун).

Равнопрочные соединения получают сваркой одноименных низкоуглеродистых, среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных сталей; жаропрочная сталь хорошо сваривается. Стали всех названных выше марок хорошо свариваются в различных сочетаниях друг с другом, а также быстрорежущие стали марок Р9 и Р18 с конструкционными сталями марок 40 и 40Х (и близких к ним).

Существуют технологические трудности при сварке таких разнородных материалов, как быстрорежущая сталь повышенной жаропрочности с конструкционной сталью; трудносвариваемые и требующие принудительного тепловыделения, некоторые жаростойкие дисперсионно-твердеющие сплавы с конструкционными сталями.

Алюминий со всеми его сплавами, медь, латунь и другие одноименные цветные металлы хорошо свариваются.

Прочные и пластичные соединения образуются при сварке трением алюминия с медью, меди со сталью, алюминия со сталью. Плохо свариваемая сталь с алюминиевыми сплавами, содержащими более 3% легирующих компонентов.

Прочностные свойства соединений. Лабораторные исследования, подтвержденные многолетним опытом эксплуатации, показали, что при правильно подобранных режимах сварка трением позволяет получить соединения, равные по прочности основному металлу. Статическая прочность на растяжение и изгиб, относительное удлинение, ударная вязкость, усталостная прочность, то есть практически все основные механические свойства соединяемого металла находятся на уровне соответствующих показателей основного металла деталей или близки к ним.

Это дало возможность использовать сварку трением в промышленном производстве самых разнообразных изделий, в том числе очень ответственных.

Производственные филиалы. Сварка трением широко внедряется в ведущих отраслях промышленности при производстве:

в автомобильной промышленности — детали рулевого управления, карданные валы легковых и грузовых автомобилей, полуоси, картеры задних мостов автомобилей, клапаны двигателей внутреннего сгорания, цилиндры в гидросистемах и т.д.;

в тракторостроении — рулевые части, планетарные редукторы, карданные валы, катки, ремни, роторы турбокомпрессоров дизелей и др.;

в электротехнической промышленности — детали высоковольтного оборудования, провода масляно-бумажных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и аноды запальников, поршни пневмоцилиндров сварочных аппаратов и т.п.;

в инструментальном производстве — при серийном производстве концевого инструмента (фрезы, сверла, метчики).

На рис. 43 и 44 показаны некоторые типичные способы сварки трением.

Наиболее эффективные области использования: при изготовлении круглых деталей со ступенчатым профилем по длине путем их сварки из заготовок разного диаметра; при производстве составных деталей из разных материалов экономить более дорогие или дефицитные; в производстве сварных, штампованных, сварно-кованых и сварно-литых деталей; при проектировании деталей специально для сварки трением с учетом ее особенностей и возможностей.

Виды сварки трением, схемы сварки

Сварка трением с непрерывным приводом

Непрерывная сварка трением была самой ранней формой сварки трением. Для выполнения одну из заготовок жестко закрепляют, а другой заготовке придают вращательное движение, при этом обе заготовки являются телами вращения и находятся на одной оси (см схему сварки трением в непрерывном режиме). Кроме того, заготовки сближаются, и к движущейся части прикладывается некоторое осевое усилие.
При сварке трением в непрерывном режиме механическая энергия передается непосредственно в соединение, где она преобразуется в тепловую посредством динамического контакта между двумя деталями.

Стадия нагрева в установках для сварки трением может регулироваться временем нагрева, либо величиной взаимной деформации заготовок. Далее следует остановка движущейся заготовки и поковка. В настоящее время помимо сварки с непрерывным режимом работы появилось множество видов сварки трением, и сейчас мы рассмотрим наиболее распространенные из них.

Инерционная сварка трением

Этот тип сварки трением отличается от сварки с непрерывным приводом тем, что механическая энергия не передается непосредственно от привода к соединению. Эта сварка основана на использовании энергии, запасенной в маховике (см схему инерционной сварки трением).

Шпиндель с установленным на нем маховиком разгоняется. После достижения маховиком определенного момента инерции вращающейся массы привод отключается и заготовки сжимаются с определенным усилием. Процесс сварки заканчивается после остановки шпинделя.

Диапазоны устанавливаемых параметров сварки следующие: скорость 0,28-11,1 м/с. Давление сжатия заготовки: 47-465 МПа. Момент инерции маховика выбирают таким, чтобы угловое ускорение находилось в пределах 150-300 рад/с2.

Комбинированный вид сварки трением

Этот вид сварки может быть выполнен двумя способами:

1) Сначала заготовка вращается с постоянной угловой скоростью, а затем двигатель отключается, и процесс завершается по инерционному методу.

2) Начало сварки происходит с постоянной угловой скоростью и продолжается по инерционному способу. И в момент достижения скорости шпинделя 5-6 об/с происходит его мгновенное торможение.

Колебательная сварка трением

Этот вид сварки происходит с угловыми вибрационными движениями одной или обеих заготовок, либо с возвратно-поступательными движениями (вибрационная сварка трением). На практике этот тип сварки использовался только для сварки термопластов и термопластов друг с другом.

Сварка трением с перемешиванием

Это относительно молодой вид сварки трением, разработанный Британским институтом сварки и появившийся в начале 90-х годов. Суть такого процесса показана на рисунке ниже:

Инструмент, вращаясь с большой скоростью, контактирует со свариваемыми кромками в месте стыка и острие проникает в заготовку на всю кромку. При этом плечо инструмента касается поверхности сустава. Затем инструмент перемещается по всей линии шва. В результате трения вершины инструмента о заготовку кромки шва оплавляются, перемешиваются при вращении инструмента и вытесняются в свободную зону за движущимся инструментом.

Гладкая поверхность сварного шва обеспечивается уступом инструмента, который касается сварного шва. По окончании сварки инструмент выходит из зоны стыка за ее границы. Рекомендуем посмотреть видео, где наглядно показан процесс сварки трением с перемешиванием металла:

Орбитальная сварка трением

Схема этого процесса показана на рисунке. Суть этого вида сварки заключается в том, что свариваемые детали прижимаются друг к другу и перемещаются по траекториям относительно друг друга. При этом вращения заготовок вокруг собственных осей не происходит.
Оси заготовки смещены на определенную величину e, называемую эксцентриситетом. Благодаря этому их круговые движения происходят по определенной траектории, радиус которой равен радиусу эксцентриситета е. Когда заготовки прошли стадию нагрева, их оси выравниваются и круговые движения прекращаются. После этого выполняется ковка и формируется сварное соединение.

Орбитальная сварка может сваривать только круглые детали. Поскольку заготовки не вращаются вокруг собственных осей, форма их концов может быть любой, но необходимо обеспечить равномерное тепловыделение по всей плоскости свариваемых участков.

Благодаря тому, что форма заготовок может быть любой, этот вид сварки стал достаточно перспективным для соединения изделий с большой площадью поперечного сечения. Однако этот вид сварки не во всех случаях экономически целесообразен из-за сложного оборудования и недостаточной надежности зажимных механизмов. Низкая надежность хомутов обусловлена ​​воздействием на них больших сил инерции. Из-за этих недостатков этот способ сварки не нашел широкого применения в промышленности.

Радиальная сварка трением

Суть этого способа сварки заключается в использовании тепла, возникающего при трении наружного или внутреннего кольца, которое вращается с определенной угловой скоростью, при этом оно соприкасается с наклонными концами труб, прижатыми друг к другу с определенной силой.

Схема радиальной сварки трением показана на рисунке. Вращением кольцо нагревает концы трубок и в конце стадии нагрева вращение кольца прекращается и оно дополнительно сжимается в радиальном направлении.

Наплавка при помощи сварки трением

Такую обработку поверхности применяют в тех случаях, когда необходимо восстановить изношенные поверхности на деталях, либо когда необходимо придать поверхностям определенные эксплуатационные свойства. Форма поверхности трения показана на рисунке.

К поверхности, на которой необходимо произвести обработку поверхности, прижимают вращающийся стержень с силой F с угловой скоростью ок. 1600 рад/с, а сама поверхность движется с линейной скоростью Взаг. Тепловая энергия, образующаяся в результате трения, создает тепловое поле, нагревающее как заготовку, так и стержень. В этом случае стержень нагревается значительно сильнее из-за того, что контактная поверхность заготовки постоянно изменяется в процессе движения, в то время как контактная поверхность стержня остается неизменной. В результате стержень плавится и слой металла переносится со стержня на поверхность заготовки.

Основные этапы фрикционной сварки

Главной особенностью этого метода сварки является его универсальность в эксплуатации. То есть оборудование для сварки трением позволяет соединять в единое целое разные материалы – сталь, медь, латунь и так далее. Сварка трением нашла свое применение в производстве деталей клапанов двигателей внутреннего сгорания, нажимных роликов, траверс, а также труб для бурения и т.д. Зона термической обработки при использовании метода сварки трением значительно меньше, чем при других видах сварки. Сварочная ванна не появляется на пересечении материала. Процесс сварки достаточно простой, но трудоемкий, он состоит из следующих основных этапов:

• Начальная точка: прикрепите обе заготовки и начните вращение одной из них;
• Нагрев: обе части рабочего материала прижимаются друг к другу с определенной вращательной силой, в результате чего сила сжатия вызывает трение, что в свою очередь вызывает нагрев поверхностей свариваемых деталей;
• Процесс сварки: в определенный момент вращающаяся часть замедляется, что вызывает увеличение давления сжатия. Именно в этот момент происходит приваривание рабочих частей друг к другу посредством трения. Отправная точка

  Разминка

  Сварочный процесс

Оборудование

Комплект сварочного оборудования может состоять из сварочного аппарата, мини-ЭВМ с программами для заданных режимов, станка для снятия заусенцев, погрузочно-разгрузочных манипуляторов и транспортных устройств.

Станки снабжены рядом рабочих органов (как на токарном станке): приводом вращения, фрикционом, шпинделем с ременной передачей и тормозом.

Метод сварки трением предполагает использование других конструкций. Например, аппараты для микро- и прецизионной сварки. В малых агрегатах шпиндель развивает скорость 80-650 с-1, что является одним из основных параметров установки. С увеличением сварной шов становится более ровным, а прочность увеличивается. Оптимальная скорость вращения подбирается для конкретного металла.

Процесс сварки трением на токарном станке

Сварка стальных стержней

В патроне и бабке станка зажимаем металлический стержень, диаметр которого должен быть больше 3,5 мм, но меньше 200 мм. Они могут быть из стали, алюминия, меди, бронзы или различных металлов:

• сталь и алюминий;
• сталь и медь;
• алюминий и бронза и так далее

Комбинации материалов могут быть самыми разными, даже если сваривать их не обычным способом. Для сварки трением ограничений в этом отношении нет.

В нашем случае мы крепим тягу к бабке с помощью трех болтов, вкрученных в отверстия патрона, равномерно распределенных по окружности через 120 градусов. С их помощью выполняем центровку по отношению к зажатому в патроне штоку, затягивая или ослабляя тот или иной болт.

Подводим шпиндельную бабку к упору стержней встык и фиксируем или удерживаем рукой для увеличения прижимного усилия в процессе сварки, что требуется по технологии данного способа сварки. Включаем станок, в результате чего зажатый в патроне станка пруток начинает вращаться. В нашем случае стержень, закрепленный в передней бабке, неподвижен, но в принципе может вращаться в обратную сторону, что сократит время процесса.

Вскоре мы увидим тональные окраски, которые начинались в месте соприкосновения стержней и распространялись по ним в противоположных направлениях, что является прямым признаком быстрого нагрева металла в результате трения.

Через короткое время металл в зоне контакта будет ярко светиться и начнет выталкиваться в виде кольцевого образования за пределы размеров стержней. В этом кольце также будут градусы: окалина, несгоревший жир, твердые неметаллические включения и т д. В момент сильнейшего свечения от точки соприкосновения машину необходимо резко выключить, чтобы металл двух стержней схватился. При этом, если передняя бабка не была закреплена, необходимо постепенно увеличивать давление на нее, чтобы компенсировать объем вытесненного металла в зоне контакта и добиться более прочного и качественного соединения.

• Дождавшись прекращения свечения (а это признак полного схватывания металла), можно ослабить болты крепления и снять переднюю бабку. Теперь осталось только проверить качество сварки трением. Для этого снова включите станок и найдите небольшой выход приваренного стержня — следствие неточной регулировки при монтаже в начале. Этот дефект устраняется точением вместе со снятием выдавленного заусенца в зоне контакта.
• Более глубокий след металла показывает, что никаких особенностей в зоне сварки двух стержней не видно. Создается впечатление, что это не место соприкосновения двух стержней, а тело одного из них.

Соединение болтов

Сварку трением можно использовать для соединения головок и болтов в массовом производстве. Процесс ничем не отличается от процесса стержней: один болт зажимается в патроне станка, другой — бабки.

С помощью последнего болты приходят в соприкосновение с головками, и машина запускается. Также необходимо увеличить усилие прижима и зафиксировать сварочный момент, чтобы вовремя отключить привод. Сваркой трением можно соединять трудносвариваемые или не свариваемые другими материалами материалы: сталь и алюминий, аустенитную сталь и перлит. С его помощью пластиковые заготовки также легко соединяются между собой.

Расчеты и практика использования фрикционного соединения показывают, что этот метод лучше всего подходит для заготовок диаметром в диапазоне 6-100 мм. Сварка стержней диаметром более 200 мм экономически невыгодна, так как для процесса потребуется большая мощность (0,5 тыс кВт) и осевое усилие (3·106 Н). Соединить таким образом шатуны диаметром менее 3,5 мм не получится из-за необходимости обеспечения высоких оборотов (200 об-1) и сложности определения момента выключения привода.

Технология

Важнейшей технологической операцией сварки трением является нагрев соединяемых деталей за счет сил трения, возникающих в основном при вращательном движении заготовок.

Эта производительная технология широко используется в машиностроении и прежде всего в инструментальной области. Часто его также используют при монтажных работах в атомной энергетике. Метод популярен также для сварки алюминиево-магниевых сплавов в электро- и аэрокосмической технике, в машиностроении.

Относительно недавно он получил свое развитие в кораблестроении. Тенденции развития метода имеют тенденцию к вытеснению других методов сварки в операциях замены:

• пайка и клепка;
• электросварка;
• восстановительные операции узлов и сложных инструментов;
• при приварке заготовок к различным предварительно обработанным элементам.

Технология полностью оправдывает себя там, где предъявляются высокие требования к экологичности сварочного цикла. Повышенный уровень энергоэффективности, отсутствие брызг горячего металла, неприятных выбросов и результатов горения, ультрафиолетового излучения и низкая пожароопасность делают метод весьма целесообразным.

Выбор режима сварки

Каждый из описанных видов сварки имеет несколько режимов, различающихся скоростью вращения подвижных частей, усилием зажима заготовок и толщиной привариваемого кольца (для радиальной сварки). Физические параметры режимов определяются технологией конкретного производства, и условно все режимы сварки трением можно разделить на три:

• низкая скорость;
• стандартный;
• ускоренный.

Сварку трением при малых скоростях вращения или трении деталей применяют при большой вязкости свариваемых материалов (например, медных блоков), а также при опасности повреждения структуры волокон в детали. Высокие скорости трения применяют при сварке легкоплавких металлов и сплавов методом смешения, а высокие давления по оси вращения — при сварке деталей без полостей (сплошных) с использованием непрерывного режима).

Основные разновидности сварки трением

За полвека, прошедшие с момента разработки сварки трением, было создано несколько вариаций этой технологии. Каждый из подходов имеет свои нюансы, которые позволяют использовать его наиболее эффективно в той или иной сфере.

Метод линейной сварки трением

Металл нагревается за счет поступательного движения: одна заготовка жестко закреплена, а другая остается подвижной и качается, благодаря чему кромки элементов соприкасаются. При достижении точки пластичности материала детали прижимаются друг к другу, возникает общий слой молекул.

В результате образуется надежное соединение по всей поверхности соединения, что важно при работе с деталями из разных металлов, имеющих одинаковую степень пластичности.

Метод сварки трением с перемешиванием

Эта технология появилась в Великобритании, и произошло это не так давно — патент авторы получили только в конце прошлого века. Заготовки закрепляют таким образом, чтобы между кромками проходил вращающийся инструмент в виде цилиндра со штифтом и буртиками, который должен обеспечивать силу трения. Края нагреваются за счет вращения центрального штифта между запрессованными частями.

Движущийся стержень подмешивает мягкий нагретый материал к заготовкам, которые под действием центробежной силы оттесняются назад, закрывая зазор, оставшийся между деталями, и образуя сварной шов. Требуемые размеры рулона задаются с помощью буртиков. После нескольких проходов шва инструмент выходит из области детали. На заключительном этапе горячий металл сварного шва подвергается сжатию.

Метод орбитальной сварки

По этой технологии детали взаимодействуют друг с другом при вращении в общей плоскости по разным траекториям. Такая сварка трением обычно применяется для обработки деталей с большой площадью контакта.

Основными показателями, которые регулируются при работе, являются относительное смещение осей/эксцентриситет и скорость вращения. После достижения металлом необходимой степени нагрева заготовки укладывают вдоль оси и зажимают. Готовый шов проковывается для придания диффузному слою более прочной структуры.

Метод радиальной сварки

Подход используется при сварке трением стыков труб, где расширительное кольцо играет роль добавки. Последний можно установить двумя способами:

• наружный – кромка вращается над трубкой, а внутрь помещается оправка, чтобы изделие не меняло форму под воздействием горячего кольца;
• внутренний – кольцо находится в трубе, а оправка расположена снаружи заготовки.

Вращение обода приводит к возникновению силы трения, которая нагревает края и поверхность самого кольца. Сжатие наружного кольца или расширение внутреннего кольца приводит к образованию сварного шва, обеспечивающего герметичное уплотнение, способное выдерживать значительные нагрузки.

Метод инерционной сварки трением

При этом одна часть фиксируется, а другая крепится на маховике. Благодаря последнему достигаются следующие показатели: скорость 11 м/с и угловое ускорение 150–300 рад/с2.

Металл нагревается при сближении незакрученного элемента и неподвижного элемента за счет инерционной силы, накапливаемой маховиком. В этот момент двигатель аппарата для сварки трением уже выключен, а движущаяся заготовка вдавливается в твердое тело с усилием в районе 4740 кг/см2.

Следует уточнить, что это значение выбирают в соответствии с толщиной деталей, типом, качеством сплава.

Когда накопленная энергия иссякает и движение маховика прекращается, горячие края смыкаются, образуя единый диффузный слой.

Метод сварки трением с непрерывным ходом

Метод был открыт в середине 20 века. Он предполагает нагрев металла за счет жесткой фиксации одной из частей и непрерывного вращения другой вокруг общей оси. Движение останавливается, когда достигается точка пластичности и происходит сжатие деталей с усилием. Таким образом формируется диффузный слой и происходит спекание поверхностей.

Для повышения герметичности шва стык проковывается. При сварке трением проверяют время нагрева поверхностей и степень сжатия.

Метод штифтовой сварки

Технология позволяет укрепить изделия в месте дефекта. В первую очередь в детали просверливается отверстие диаметром, соответствующим размеру палки, – именно он будет играть роль поверхности. Затем вращением вставляется штифт, за счет чего металл нагревается и становится мягче, образуя надежный шов.

Этот способ еще называют мобильным и используется при проведении ремонтных работ. С его помощью можно увеличить срок службы деталей, если штифт установлен надежно.

Метод колебательной сварки

Его также называют вибрационным трением, так как оно связано с возвратно-поступательными движениями одной или двух частей с высокой частотой. В результате металл становится более пластичным, а края хорошо соединяются при сжатии. Такая сварка трением применяется при работе с материалами с высоким показателем пластичности.

Метод роликовой сварки

Первоначально подход был сделан для работы с тонкостенным стальным листом. Он основан на использовании вращающегося ролика, который перемещается по шву со скоростью 2 м/с, и прижимных пластин, прижимающих материал с усилием до 5 кг/см2. Валик нагревает металл в месте стыка, перекрывая листы.

Справочная информация

Сварка трением или как ее еще называют сварка трением – сварка, которая применяется для соединения металлов, различающихся по своему химическому составу.

Основным принципом этой технологии является трение деталей друг о друга, в результате чего они нагреваются, за счет возникшего тепла расплавляется металл и образуется сплав деталей.

Но помимо трения, при производстве большое значение имеет давление, оказываемое на эти детали, а также последующая ковка заготовок.

Принципы сварки трением чрезвычайно просты, поэтому ее применяют в передовых отраслях промышленности, так как этот метод улучшает результат и качество продукции.

И для этого не требуются высококвалифицированные сотрудники, достаточно обычного сварщика, прошедшего обучение настройке оборудования, а все остальное сделает программа.

5 статей, которые вам необходимо прочесть…

1. Линейная сварка трением (видео)
2. Сварка трением (видео)
3. Сварка ниобия и сплавов на его основе
4. Сварка труб трением (видео)
5. Техника ручной дуговой сварки покрытыми электродами (ММА, SMAW) деталей с большим зазором (видео)

Подготовка

При проектировании заготовок под последующую сварку важно учитывать ряд факторов:

• возможности сварочного оборудования;
• степень свариваемости материалов;
• закрепление заготовок в сварочном аппарате;
• затраты на подготовительные мероприятия к сварке заготовок и последующей обработке сварных швов;
• соблюдение необходимой степени соосности и углового размещения заготовок;
• формирование единого температурного режима и одинаковых условий деформирования;
• правильный подбор припусков на длину и диаметр заготовок.

обеспечение необходимой регулировки зависит от степени надежности крепления деталей в зажимных устройствах агрегата. В связи с этим фактическим параметром становится уровень жесткости свариваемых элементов по длине их выхода из зажимов. Если выходная длина меньше требуемого размера, это приводит к температурному отпуску зажимных приспособлений.

При сварке трением состояние соединяемых поверхностей оказывает на качество сварных соединений наименьшее влияние, чем при других способах сварки давлением. Поверхности для соединения можно получить в процессе резки на гильотине, циркулярной пиле. Неровности можно устранить заплаткой или увеличением времени нагрева.

Небольшие участки коррозии, остатки краски, масла и другие загрязнения на поверхностях удаляются при нагреве.

Понятие и определение сварки трением

Сварка трением – это технологический процесс получения сварного соединения, который происходит за счет использования тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых деталей, прижимаемых друг к другу с силой, и при этом одной из заготовки перемещаются относительно друг друга.

После перерыва или полной остановки движения заготовки сварку трением прекращают приложением кузнечного усилия.

Как и при других способах сварки давлением, сварное соединение получают в результате пластической деформации соединяемых участков свариваемых деталей. Но отличительной особенностью процесса сварки трением является выработка тепловой энергии непосредственно в зоне соединения за счет преобразования работы с целью преодоления сил трения между заготовками. Эти силы возникают при взаимном движении трущихся поверхностей свариваемых деталей.

Видео: сущность сварки трением