Сварка трением с перемешиванием

Основные этапы процесса сварки трением с перемешиванием

Сущность СТП описана в главе 1. Процесс можно разделить на три этапа:

1) этап внедрения инструмента — момент внедрения вращающегося инструмента в свариваемые детали на определенную глубину, без его продвижения;

2) этап перемещения инструмента — передвижение инструмента вдоль стыка, собственно процесс сварки, установившийся процесс;

3) этап остановки — остановка движения и извлечение вращающегося инструмента.

Первый этап – это подготовка металла к последующему передвижению инструмента. В начальный момент погружения инструмента на инструмент действуют максимальные нагрузки, т.к. инструмент погружается в холодный металл, причем погружение начинается с внедрения пина, диаметр которого мал, поэтому тепловыделение в начальный момент минимально. Как только поверхности свариваемого металла касаются заплечики, диаметр которых в 3..5 раз больше диаметра пина, генерируется большее количество тепла и процесс переходит в установившуюся стадию, с практически постоянным уровнем осевого усилия и крутящего момента. Следует отметить, что в начальный момент погружения инструмента происходит смятие микровыступов и разрушение оксидных пленок – в данный момент трение происходит не по всей поверхности инструмента, тепловыделение незначительно, могут наблюдаться вырывы на поверхности свариваемого материала; особенно ярко данная картина наблюдалась при погружении инструмента без пина. При дальнейшем заглублении устанавливается пластическое течение металла под заплечиком – устанавливается чистое трение, в пластическую деформацию вовлекаются более глубокие слои металла. Только после установившегося процесса пластического течения металла можно начинать сварку, т.е. перемещение инструмента вдоль стыка.

Второй этап — перемещения инструмента вдоль кромок собранных деталей, собственно сварка. В процессе сварки происходят практически те же процессы, что и при погружении. Передняя кромка инструмента при движении наезжает на исходный материал. Происходит смятие выступов, нагрев и переход к чистому трению. Материал переходит в активированное состояние, о котором будет сказано несколько позже. Активированное состояние металла при СТП — установившийся процесс чистого трения инструмента о свариваемый металл и установившееся пластическое течение объема металла под заплечиком инструмента – одно из условий формирования качественного сварного соединения, без которого процесс СТП вообще не может быть осуществлен. С увеличением скорости сварки уменьшается время контакта инструмента со свариваемым металлом, уменьшается тепловложение, и энергии для перехода к пластическому течению металла под заплечиком может не хватить.

В представленной работе основное внимание будет уделено второму этапу процесса СТП. Третий этап – прекращение движения инструмента и вывод его из свариваемого материала

Важно не прекращать вращения инструмента, не извлеченного из металла, т.к. это может привести к привариванию инструмента к свариваемому металлу (см

рис. 3.1) или интенсивному налипанию (схватыванию) металла

Третий этап – прекращение движения инструмента и вывод его из свариваемого материала

Важно не прекращать вращения инструмента, не извлеченного из металла, т.к. это может привести к привариванию инструмента к свариваемому металлу (см

рис. 3.1) или интенсивному налипанию (схватыванию) металла

Преимущества

Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и технологические преимущества, к которым в первую очередь относятся следующие.

Высокая производительность

. Объем тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначителен, что весь цикл его нагрева обычно укладывается в весьма малый промежуток времени — от нескольких секунд до 0,5 мин (в зависимости от свойств материала и размеров сечения свариваемых деталей); это определяет высокую производительность процесса сварки трением; конкурировать с нею в этом отношении может лишь электрическая контактная стыковая сварка.

Высокие энергетические показатели процесса

. Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают весьма высокий коэффициент полезного действия процесса сварки трением; расход энергии и мощности при сварке трением в 5—10 раз меньше, чем, например, при электрической контактной сварке встык (рис. 37).

Высокое качество сварного соединения

. При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл соединяемых деталей; стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков, а металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия (быстрые нагрев и охлаждение в присутствии больших — в несколько сотен атмосфер — давлений), по своему характеру близкого к режимам термомеханической обработки металлов, приобретает равноосную и сильно измельченную структуру (рис. 38).

Стабильность качества сварных соединений

. Детали, сваренные трением при одном и том же режиме, отличаются повторяемостью механических свойств; варьирование временного сопротивления, угла изгиба, величины ударной вязкости и других показателей в партии деталей, сваренных на неизменном режиме, не превышает 7—10%.

Это позволяет обоснованно применять выборочный контроль качества партии деталей, что особенно важно при отсутствии в настоящее время простых, надежных и дешевых методов неразрушающего контроля стыковых соединений, пригодных для использования в условиях сварочных цехов. Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности. Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности

Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности

. При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вводимых в контакт поверхностей; в отличие, например, от контактной сварки боковые поверхности деталей также могут оставаться неочищенными, что в значительной мере экономит время вспомогательных операций.

Возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях

. Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разноименных металлов и сплавов, причем даже таких, которые другими способами сварки либо вовсе не получаются, либо их получение сопряжено с большими трудностями. Изучены и освоены в промышленном производстве такие, например, сочетания разноименных материалов, как алюминий со сталью, медь со сталью, титан с алюминием, медь с алюминием и другие.

Гигиеничность процесса

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

Простота механизации и автоматизации

. Сварку трением выполняют на специальных машинах; основные параметры процесса сравнительно легко программируются, и, как правило, все оборудование представляет собой либо полуавтоматы с минимальным использованием ручного труда, либо автоматы, работа которых протекает без участия человека.

Технологические особенности

Оборудование, используемое для такого вида сварки в промышленных масштабах, позволяет соединять заготовки, минимальный диаметр которых составляет 6 мм. Применять такую технологию целесообразно для сваривания поверхностей площадью 30-8000 мм².

Механические показатели полученного шва не ниже, чем у основного материала. В шве нет пор и раковин, что позволяет достигать высоких показателей прочности. На единицу сечения в среднем тратится около 15-20 т/мм², что в 5-10 раз меньше, чем при контактном методе сваривания. Машинное время сварки всего 1-30 секунд, что позволяет достигать производительности 60-450 сварок/ч.

Насколько подходит для разных материалов

Фрикционный метод сваривания используется для соединения разных сталей:

• углеродистых;
• малоуглеродистых;
• высоколегированных;
• инструментальных.

Также можно работать с такими сплавами:

• алюминиевыми;
• медными;
• титановыми;
• магниевыми;
• свинцовыми;
• циркониевыми и цирконием в однородном сочетании;
• термопластами.

Подготовка деталей

Этот метод нетребователен к чистоте поверхностей, по сравнению с другими видами сварки. Если соединяются детали разного размера, то проводится фигурная обработка их концов. Главное — обеспечить, чтобы поверхности трения были перпендикулярны оси вращения заготовок. Отклонение может составлять 5-7%. Детали, предназначенные для сваривания, могут быть порезаны на гильотине, дисковой пилой и даже газорезкой.

Необходимые для сваривания деталей условия на их поверхности создаются после пластической деформации металла в зоне трения. Наличие тонких оксидных пленок не влияет на качество соединения, т.к. они удаляются во время сваривания. Окалина, образовавшаяся после прокатки, штамповки или проковки, должна быть удалена, то же касается и ржавчины.

Как подобрать подходящий метод

Какой метод фрикционной сварки выбирать, зависит от формы, размеров деталей, технологических возможностей предприятия и т.д.

Рекомендуем к прочтению Что такое MIG, MAG и MMA-сварка

Все существующие методы сварки трением имеют несколько режимов, различающихся такими параметрами:

• скоростью вращения заготовок;
• силой сдавливания;
• толщиной сварного кольца (при радиальном методе).

Физические параметры зависят от выбранной технологии сваривания, но условно их делят на:

• низкоскоростную, которую используют для материалов с высокой вязкостью, а также в том случае, когда есть вероятность нарушения структуры волокон деталей;
• стандартную;
• ускоренную, используемую при соединении сплавов и легкоплавких металлов методом перемешивания.

Обработка шва

Для снижения в сварном шве напряжений, повышения его пластичности, рекристаллизации и улучшения качества шва может выполняться его термическая обработка. Этот метод не используется при работе с низколегированными, высоколегированными хромоникелевыми и хромистыми сталями. Применяют его при соединении легированных и нелегированных среднеуглеродистых сталей.

Технология сварки трением

Рассматривая технологию с точки зрения физико-химических процессов, можно выделить несколько последовательных процессов:

• происходит истирание оксидного слоя в процессе соприкосновения деталей во время движения;
• область шва нагревается до температуры пластичности металла, он способен деформироваться под давлением;
• возникает единый диффузный слой в процессе проникновения молекул одной детали в другую, за счет этого образуются швы на разнородных и однородных металлах;
• формирование шовного валика вызвано выдавливанием пластичного металла за зону стыка;
• фиксация свариваемых деталей до затвердевания диффузного слоя;
• образование монолитной структуры в месте шва, проходит процесс кристаллизации, формирования металлической решетки.

При трении контактируют отдельные выступы, металл в зоне трения прогревается равномерно на небольшую глубину. После осадки деталь остывает медленно, образуя соединение по всей площади стыка.

Понятие и определение

Процесс перехода кинетической (двигательной) энергии в тепловую известен с незапамятных времен. Заключается он в том, что при трении предметов друг о друга их температура повышается и может достичь точки плавления.

На этом принципе и основан способ соединения двух металлических или пластиковых изделий с помощью трения. Способ этот считается одной из разновидности сварки давлением.

Попытки соединить металл таким способом предпринимались еще в начале века. Но впервые получить по-настоящему качественный стык получилось лишь в 1956 г у А. И. Чудикова. Используя токарный станок, он, вращением нагрел, а затем сжал заготовки, тем самым став родоначальником нового вида сварных соединений.

Основные разновидности фрикционного метода

С момента появления такой сварки были разработаны разные ее варианты, но все они работают по одному принципу – преобразованию силы трения в тепловую энергию.

Рекомендуем к прочтению Нюансы использования газовой сварки

Ротационный

Ротационная сварка трением позволяет с высокой производительностью соединять листы тонкостенной стали. Рабочий инструмент – вращающийся ролик, который движется вдоль свариваемого места со скоростью 2 м/с. За счет трения валика о металл в месте стыка или наложения листов он разогревается и передает тепло заготовке. Прижимные пластины обеспечивают необходимое давление, и получается надежное соединение.

Радиальный

Основная область его применения – заделка трубных стыков. В качестве присадки выступает разжимное кольцо.

Существует несколько вариантов расположения труб и соединительного кольца:

1. Снаружи. При этом кольцо вращается с внешней части трубы, а чтобы она не деформировалась, внутрь вставляют оправку.
2. Внутри. Кольцо движется внутри, а оправка надевается снаружи.

Линейный

В этом случае не происходит вращения деталей. Относительно друг друга они совершают линейные возвратно-поступательные движения. Когда достигается требуемая температура, заготовки останавливаются и сдавливаются. За счет частичного удаления излишков образуется сварной шов.

Орбитальный

Применение указанного способа сварки предусматривает вращение деталей в 1 плоскости, но по разным орбитам. Он позволяет соединять заготовки, имеющие большую площадь соприкосновения. Процесс нагрева регулируется путем изменения скорости, а также смещения осей вращения. После достижения требуемой температуры деталей они выставляются соосно и прижимаются друг к другу. Чтобы упрочить диффузный слой, после сварки выполняют проковку шва.

Точечное трение

Эта технология разработана только в конце прошлого века. Она подразумевает неподвижную фиксацию заготовок. Между ними проникает вращающийся рабочий инструмент, выполненный в виде цилиндра со штырем и заплечиками. За счет вращения штыря поверхность деталей разогревается, имеющийся зазор заполняется расплавленным металлом.

Инерционная сварка

Эта технология соединения предусматривает фиксацию одной детали неподвижно, а другой – на маховике. Вращающаяся заготовка приближается к стационарной, за счет инерции маховика они начинают тереться и нагреваться. В этом момент мотор уже не работает. Усилие вдавливания подвижного элемента в неподвижный зависит от толщины и материала, из которого они сделаны. После полной остановки маховика в месте соприкосновения прижатых элементов образуется надежное соединение.

Штифтовый

Такой способ используют, когда надо восстановить детали. В поврежденном месте под штифт, который является наплавкой, делают отверстие соответствующего диаметра. Штифт вращают с большой скоростью и вводят в подготовленное место. В процессе трения происходит нагрев детали и штифта. Они размягчаются, и формируется прочное соединение. Такой способ ремонта позволяет быстро восстановить требуемую деталь, добиться в месте установки штифта большей прочности, чем у самого предмета.

Рекомендуем к прочтению Как варить полуавтоматом без газовой среды

Непрерывный привод

Это один из первых методов фрикционной сварки. Он заключается в том, что одна деталь зафиксирована неподвижно, а вторая вращается. Когда они соприкасаются, происходит осевой разогрев поверхностей. При достижении заданной температуры останавливается вращение заготовки и выполняется сдавливание деталей. Для упрочения шва его проковывают.

Колебательный метод

Такая технология может реализоваться за счет движения как одной детали, так и обеих. Выполняется возвратно-поступательное движение, за счет чего происходит разогрев поверхностей и они становятся пластичными. После их сжатия образуется надежное соединение. Колебательный метод эффективно применяется при сваривании деталей из высокопластичных материалов.