Каким образом можно уменьшить потери на трение движущихся частей сварочной машины при сварке ни

Остаточные напряжения и деформации

При сварке в каждой точке сварного соединения или конструкции возникают напряжения и деформации. В начальный период сварки, когда происходит нагрев металла, и в процессе последующего охлаждения они существенно изменяются по величине, знаку, характеру распределения в том или ином сечении и их принято называть временными. Временные напряжения и деформации по мере охлаждения постепенно переходят в остаточные, которые для большинства конструкционных материалов существуют в металле в течение всего дальнейшего периода эксплуатации.

Температурная деформация многих объемов металла сварного соединения, как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения не может быть свободно реализована из-за стеснений (связей), обусловленных различными закреплениями со стороны сборочно-сварочной оснастки, а также накладываемых на нагретые области со стороны менее нагретых участков. По этой причине во многих объемах металла, как на стадии нагрева, так и на стадии охлаждения протекает пластическая деформация укорочения (сжатия) и удлинения (растяжения). Как правило, эти деформации по различным причинам не компенсируют друг друга. В результате в сварном изделии после сварки имеет место неравномерно распределенная, преимущественно сосредоточенная вблизи сварного шва, остаточная пластическая деформация. Как правило, это деформация укорочения и в основном продольного по отношению к шву направления. Так возникает усадка металла при сварке. Если мысленно после сварки расчленить изделие на элементарные объемы и убрать между ними силовое взаимодействие, то получим в исходном изделии множество различных щелей, зазоров и т.д., совокупность которых создает общий объем усадки при сварке. Однако в силу гипотезы о сплошности тела, как до нагружения, так и после него, никаких щелей и зазоров в сварном изделии быть не должно и это реализуется путем установления между такими объемами определенного силового взаимодействия, которое и представляет собой не что иное, как остаточные сварочные напряжения.

Величина продольных и поперечных усадочных явлений при сварке в большинстве случаев различна. Как правило, продольные усадочные явления превалируют над поперечными. Однако встречаются и случаи практически одинакового влияния как продольных, так и поперечных усадочных явлений, например, при вварке круглого элемента в пластину, при заварке коротких трещин в листе, при точечной контактной сварке и т. д. Важное значение имеет соотношение между погонной энергией сварки, усадочными напряжениями и короблением сварных конструкций. Общее положение заключается в том, что чем больше погонная энергия сварки, тем больше ширина высоконагретой зоны сварного соединения, что создает большие объемы усадки, а значит, и большие усадочные силы. Это приводит в конечном итоге к большему короблению изделия.

Относительные деформации в точке определяются путем деления замеренных каким-либо способом абсолютных деформаций на предварительно выбранной базе измерения на величину базы измерения. При использовании тензодатчиков сопротивления методика определения относительных деформаций несколько иная. Однако наиболее часто абсолютные деформации при сварке определяют при помощи механических деформометров с индикаторами часового типа, которые могут иметь различную базу измерения, отличаются высокой надежностью в работе и хорошей точностью определения деформаций. В зависимости от месторасположения (в пределах пластической зоны или за ее пределами) в сварном соединении точки, в которой определяются напряжения, устанавливается необходимость разрезки сварного соединения на отдельные элементы с расположенными на них базами измерения с целью разделения общей деформации на базе измерения на упругую и пластическую составляющие. Если точка заведомо находится вне пределов пластической зоны, то процедура разрезки не нужна. Достаточно произвести замеры до и после сварки. Разница в показаниях приборов будет представлять собой абсолютную упругую деформацию, которую можно непосредственно пересчитывать в относительную упругую деформацию и затем по соответствующим зависимостям закона Гука в напряжения. Одним из существенных недостатков механических методов измерения остаточных напряжений является необходимость в определенной степени разрушать участок сварного соединения или конструкции в том месте, где происходит измерение. Этого недостатка лишены физические методы, такие как голографической интерферометрии и оптически чувствительных покрытий.

Ультразвуковой метод определения остаточных сварочных напряжений основан на зависимости скорости распространения ультразвуковой волны в металлах от напряженного состояния. Скорость распространения ультразвука измеряют на отдельном участке металла до и после сварки. По изменению скорости судят о величине остаточных напряжений. Метод используют преимущественно для измерения одноосных напряжений. При измерении в шве и околошовной зоне из-за неоднородности свойств металла возможны погрешности результатов. Преимущество данного метода как и магнитоупругого заключается в мобильности проведения измерений без больших подготовительных работ.

Последовательность сварки отдельных элементов конструкции может оказывать существенное влияние напряженно-деформированное состояние в связи с изменением условий закрепления свариваемых элементов. В качестве примера можно привести случай сварки двутавровой балки со стенкой, составленной из нескольких листов, которые должны быть сварены вертикальными стыковыми швами. Если сначала сварить продольные поясные швы, а затем варить поперечные стыковые на стенке, то в них возникнут высокого уровня поперечные напряжения по причине жесткого закрепления отдельных листов стенки за счет сварки поясных швов. При иной последовательности сварки, когда вначале завариваются стыковые швы на стенке, а затем поясные, в стыковых швах на стенке поперечные напряжения будут незначительными из-за возможности поперечных перемещений листов стенки при сварке стыковых швов. По этим же соображениям при изготовлении днища вертикальных цилиндрических резервуаров из отдельных листов сначала сваривают все поперечные швы, а затем варят продольные швы. Подобных примеров можно привести достаточное количество. Последовательность сварки имеет значение и с точки зрения возникающих деформаций коробления. Не случайно широко известно правило сварки полотнищ от середины к периферии с целью уменьшения коробления. Если последовательность сварки оказывает влияние на распределение остаточных продольных пластических деформаций укорочения, то значит она влияет и на остаточное напряженное состояние в сварном соединении. Примером этому является обратноступенчатый способ сварки, при котором, как известно, остаточные напряжения в соединении уменьшаются по причине изменения характера распределения остаточных продольных пластических деформаций укорочения.

Влияние остаточных напряжений на поведение конструкции при эксплуатации в наибольшей степени проявляется в случае хрупких разрушений. Остаточные напряжения являются силовым фактором, действие которого может в полной мере проявиться при хрупком состоянии металла сварной конструкции. Можно указать на три аспекта влияния остаточных напряжений на хрупкое разрушение сварных конструкций. Во-первых, они могут суммироваться с напряжениями от внешних нагрузок на конструкцию и таким образом уменьшать величину внешней нагрузки, необходимой для разрушения. Во-вторых, они могут в отдельных объемах металла создавать объемное напряженное состояние, которое затрудняет пластическое деформирование металла и способствует переходу его в хрупкое состояние со всеми вытекающими из этого последствиями. Наконец, в-третьих, имея сложный характер распределения в различных сечения сварного изделия, остаточные напряжения могут влиять на устойчивость процесса хрупкого разрушения, что очень важно с точки зрения разработки мероприятий по его предотвращению. Изучение влияния остаточных напряжений на хрупкое разрушения сварных конструкций является крупной научно-технической проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение и которой занимаются исследователи во многих странах в течение многих лет.

Остаточные напряжения и деформации в сварных изделиях необходимо уменьшать. Анализ их образования показывает, что существуют следующие факторы, вызывающие напряженно-деформированное состояние сварной конструк­ции: а) остаточное продольное пластическое укорочение в пластической зоне; б) пластическая деформация укорочения поперечного по отношению к шву направления; в) несовпадение центра тяжести поперечного сечения зоны пластических деформаций укорочения с центром тяжести поперечного сечения свариваемых элементов (внецентренное приложение усадочной силы); г) структурные изменения, вызванные сварочным нагревом.

Уменьшение остаточных напряжений и деформаций может быть достигнуто следующими методами:

1. Рациональное проектирование сварных изделий, заключающееся в расположении сварных швов по возможности ближе к центру тяжести поперечного сечения с целью уменьшения изгибающих моментов от усадочных сил.

2. Рациональный выбор способа и режимов сварки с целью уменьшения тепловложения в металл и таким образом уменьшения эпюры остаточных продольных пластических деформаций укорочения, являющихся, в основном, ответственными за остаточные напряжения и деформации.

— При сварке листов стремиться к возможно более равномерному их разогреву с целью уменьшения угловых деформаций.

— Применение термической печной или локальной обработки сварных изделий.

— Применение вибрационной обработки.

— Применение взрывной обработки.

— Применение активного нагружения свариваемых элементов в процессе сварки.

— Применение сборочно-сварочной оснастки с охлаждением.

— Статическое нагружение после сварки.

— Предварительный подогрев перед сваркой.

— Прокатка тонкостенных сварных соединений после сварки.

— Термическая правка после сварки.

В качестве примеров управления короблением сварных изделий можно назвать термическую правку прогиба сварных балок, тепловую правку местных деформаций потери устойчивости тонколистовыми элементами сварных конструкций, правку грибовидности полок сварных тавровых или двутавровых балок механическим путем, устранение деформаций при вварке фланцев в оболочковые конструкции применением обратного выгиба свариваемых кромок, устранение деформаций «корсетности» при сварке кольцевых швов на тонкостенных цилиндрических оболочках прокаткой роликами зоны пластических деформаций и др.

Источник

Информация о сварке с помощью трения

Необходимость надежно соединять между собой металлические предметы возникает на разных производствах. Одним из эффективных способов, позволяющих это сделать, является сварка трением. Использование тепла, образующегося при трении заготовок одна об другую или об вращающийся инструмент, позволяет получать надежный шов при сваривании металлов и сплавов, в том числе и тех, которые другим способом соединить нельзя.

В каких случаях применяется

Указанная технология была разработана для использования в оборонной промышленности и атомной энергетике. Со временем такой способ сварки начали активно применять в машино-, авиа-, судостроении и электротехнике. Им можно надежно соединять плохо свариваемые черные и цветные металлы, магниевые, алюминиевые сплавы.

На чем основан принцип сварки трением

Этот вид сварки не похож на привычные всем способы соединения деталей. Тепло, нагревающее свариваемые поверхности, образуется за счет трения заготовок друг о друга. Чаще всего используется вращение одной из деталей или вкладки, расположенной между ними. В это же время увеличивается их прижим друг к другу, и в точке контакта они надежно соединяются.

Трение и высокая температура разрушают оксидные пленки и удаляют загрязнения. Происходит сглаживание всех микровыступов, что позволяет атомам вступать во взаимодействие. Появляются кристаллические связи, но за счет движения деталей они быстро разрываются.

Особенности работы с таким видом сварки

Процесс фрикционной сварки включает в себя следующие этапы:

При достижении температуры плавления соединяемых поверхностей (когда вращение уже остановлено) увеличивают силу прижима. Этот метод проще газовой или электродуговой сварки.

Особенности сварки трением:

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.

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:

Во время вращения кромки и присадочный обод разогреваются. Герметичный сварочный шов образуется после сжатия внешнего и внутреннего колец.

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.

Процесс может выполняться и при соединении 2 неподвижных деталей. Тогда между ними трется специальный инструмент.

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.

Корректировка размера и формы шва выполняется заплечиками. Выполнив проходку, рабочий инструмент удаляют, детали сжимаются, образуется прочный шов.

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.

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.

Перечень используемого оборудования

Если необходимо выполнить разовую сварку трением, можно применять металлорежущие станки, но для массового производства они не используются.

Специальные сварочные фрикционные установки имеют блок управления. Заготовки крепят в движущихся механизмах зажимными устройствами, к ним подводят привод, обеспечивающий сжатие. Есть как универсальное оборудование, так и рассчитанное на 1 из технологий. Некоторые станки позволяют предварительно подготавливать детали: выполнять выравнивание и заточку кромок.

Дополнительно могут быть установлены станок для снятия грата, погрузочно-разгрузочные механизмы, транспортеры и т.д.

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:

Также можно работать с такими сплавами:

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.

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

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

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.

Преимущества и недостатки технологии

Среди достоинств такого метода сваривания надо отметить:

Имеет фрикционный метод сваривания и ряд недостатков:

Указанные недостатки не позволяют фрикционной сварке стать универсальным методом, но наличие описанных преимуществ делает ее незаменимой в своей сфере применения.

Осуществление контроля за качеством

Возможные подрезы, наплывы и трещины, возникшие на шве, определяются во время его визуального осмотра, внутренние дефекты – при помощи разрушающих и неразрушающих методов.

Разрушающие способы применяют при выборочной проверке или при разработке образцов новой технологии.

Неразрушающие методы применяют при помощи приборов.

Такие исследования делают выборочно – в тех местах, где шов поддается разнонаправленным нагрузкам. При соблюдении технологии – обеспечении заданной скорости вращения заготовок и давления на них – сварка трением позволяет создавать надежные и прочные соединения.

Источник

Сварка трением (+ Инерционная сварка, Орбитальная сварка)

Основная схема сварки

Сварка трением является одной из разновидностей сварки давлением. Сварное соединение образуется в твердой фазе, без расплавления металла свариваемых деталей; при сближении поверхностей подлежащих сварке деталей до очень малых расстояний (соизмеримых с между атомными) между ними образуются металлические связи, по своей природе и по величине аналогичные силам взаимодействия между атомами в сплошном куске металла. Получение при этом прочного сварного соединения возможно при условии энергичного пластического деформирования тех объемов металла соединяемых деталей, которые расположены вблизи взаимодействующих поверхностей. Однако пластичность подавляющего большинства металлов и сплавов при комнатных температурах этому условию не отвечает. Для их сварки в твердой фазе требуется искусственное увеличение пластичности материала, например, с помощью нагрева соединяемых деталей до достаточно высоких температур (лежащих, однако, ниже температур плавления).

От других видов сварки давлением сварка трением отличается способом нагрева деталей или, точнее говоря, — способом введения тепла в свариваемые детали. В этом процессе необходимый для сварки нагрев деталей осуществляется путем непосредственного преобразования механической энергии в теплоту благодаря работе сил трения.

Простейшая и наиболее распространенная схема такого процесса показана на рис. 36. Две детали, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах машины; одна из них — неподвижна, а другая приводится во вращение вокруг их общей оси. На сопряженных 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, черных металлов температуры в стыке достигают 1000—1300° С). Таким образом, в стыке, т. е. именно там, где это требуется для целей сварки, действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий быстрый локальный нагрев небольших объемов металла.

В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях под воздействием осевого усилия и тангенциальных сил, возникающих в стыке при вращении одной детали относительно другой. Выдавленный металл — грат — имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, расположенного по обе стороны плоскости стыка.

При выдавливании пластичного металла из стыка в радиальных направлениях хрупкие окисные пленки, покрывавшие торцовые поверхности соединяемых деталей до начала сварки, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых пленок и другие инородные включения вместе с металлом удаляются из стыка в грат.

Нагрев прекращается путем быстрого (практически мгновенного) прекращения относительного вращения. При этом в контакт оказываются введенными очищенные торцовые поверхности соединяемых деталей, металл которых доведен до состояния повышенной пластичности. Для получения прочного соединения достаточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию— проковать. Это достигается с помощью продолжающего еще некоторое время действовать осевого усилия.

Таким образом, прочность образующегося сварного соединения непосредственно связана:

во-первых, с величиной пластического деформирования концов свариваемых деталей, мерой которой может служить сближение деталей при вытеснении металла в грат — «осадка»;

во-вторых, с режимом проковки.

В свою очередь, степень пластического деформирования зависит от введенной в свариваемые детали энергии, величины осевого усилия и некоторых других факторов.

Основными параметрами процесса сварки трением являются частота относительного вращения свариваемых деталей; величина осевого усилия при нагреве; величина осадки при нагреве; величина осевого усилия проковки; длительность приложения усилия проковки.

Первые два параметра определяют мощность нагрева, а в сочетании с третьим — величину введенной энергии при нагреве; два последних параметра ответственны (вместе с тремя первыми) за качество сварного соединения.

Величину осадки при нагреве нередко заменяют длительностью нагрева, так как эти величины практически прямо пропорциональны.

Усилия нагрева и проковки обычно задаются в виде удельных давлений, так как установлено, что их оптимальные значения прямо пропорциональны площади поперечного сечения свариваемых деталей в месте сварки; величину же полного осевого усилия определяют как произведение этой площади на удельное давление.

Численные значения основных параметров процесса зависят от свойств материалов свариваемых деталей и от размеров их сечений; они определяются экспериментально и сведены в технологические таблицы режимов сварки трением, которые приводятся в соответствующих разделах справочника.

Примерные режимы, обычно применяемые для сварки трением заготовок из малоуглеродистой и среднеуглеродистой стали, приведены в табл. 10.

Основные преимущества и недостатки

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. 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.

Недостатки

Сварка трением не является универсальным процессом. С ее помощью могут осуществляться соединения лишь таких пар деталей, из которых хотя бы одна является телом вращения (круглый стержень или труба), ось которого совпадает с осью вращения; при этом другая деталь может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая деталь. На рис. 39 показаны основные варианты соединений.

Этот недостаток, однако, несущественно ограничивает применяемость сварки трением; анализ характера производства показывает, что в машиностроительных отраслях промышленности количество деталей круглого сечения составляет до 50—70% от общего числа свариваемых деталей.

Некоторая громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным; процесс осуществим лишь при условии подачи заготовок, подлежащих сварке, к машине (приварка малых деталей к массивным конструкциям с помощью переносных машин исключается).

Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования — волокна близ стыка располагаются в радиальных направлениях и выходят на наружную (боковую) поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения, а в других деталях, работающих в агрессивных средах, — очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения указанных дефектов является сохранение на детали грата. Другие средства борьбы с этими нежелательными явлениями могут значительно увеличить стоимость изготовления детали.

Следует также указать на неудобства, связанные с необходимостью съема грата, когда это по конструктивным соображениям оказывается необходимым. На это затрачивается добавочное время либо на сварочной машине, либо на отдельном рабочем месте.

Особенности образования соединения при сварке трением. Несмотря на кажущуюся простоту, процесс сварки металлов трением в действительности весьма сложен и многообразен; он подчинен многим закономерностям, так как в нем соседствуют и взаимодействуют такие явления, как тепловыделение и износ поверхностей при трении; непрерывное образование и немедленное же разрушение металлических связей между сопряженными поверхностями в процессе их относительного движения; почти мгновенный нагрев и очень быстрое охлаждение малых объемов металла в присутствии очень больших (достигающих тысячи атмосфер) удельных давлений; упругопластические деформации в микрообъемах выступов шероховатых поверхностей и в макрообъемах слоев металла, прилегающих к этим поверхностям; наклеп и рекристаллизация металла; взаимная диффузия, а также внедрение макроскопических частиц металла одной из свариваемых деталей в тело другой и др.

Теория сварки трением сложна и далеко еще не разработана. Однако выполненные уже исследования позволяют представить качественную картину явлений, происходящих в стыке при сварке.

На рис. 40 показана характерная (экспериментальная) кривая изменения момента сил трения М во времени (так как частота вращения п на протяжении процесса постоянна, то эта кривая в ином масштабе характеризует изменения потребляемой мощности, а площадь, ограниченная ею, соответствующими ординатами и осью абсцисс, — затраченную энергию). Процесс начинается трением покоя М₀, затем (в фазе τ₁) имеет место граничное трение, в результате которого температура поверхностей трения в отдельных точках повышается, эти точки очищаются от окисных и жировых пленок, металл пластифицируется, и между поверхностями трения образуются металлические связи — мостики «схватывания». В процессе продолжающегося относительного движения поверхностей трения эти связи разрушаются, на что расходуется дополнительная энергия. Возрастание в фазе τ₂ момента (и мощности) трения характеризует вначале бурно растущий процесс увеличения числа мостиков схватывания на поверхностях трения; при этом возрастает и средняя температура; скорость этого процесса со временем затухает (кривая 1 на рис. 41). С ростом температуры возникает другой процесс, характеризующийся кривой 2 на рис. 41, — процесс уменьшения прочности металла и сопротивления мостиков разрушению. Произведение этих двух функций (их считают близкими к экспонентам) обусловливает наличие максимума (кривая 3 на рис. 41); этим обусловлен и максимум на кривой моментов, после которого начинается спад значений моментов (фаза τ₃) до некоторого установившегося значения. В начале этой фазы появляется интенсивное макродеформирование поверхностей свариваемых деталей с вытеснением металла из стыка в грат и соответственно — сближением деталей в осевом направлении (так называемая осадка нагрева). При достижении моментом сил установившегося значения скорость осадки тоже стабилизируется, и наступает «квазистационарное» состояние, начало которого является основанием для прекращения стадии нагрева.

К этому моменту металл стыка полностью подготовлен к образованию сварного соединения, но пока продолжается вращение одной детали относительно другой, соединение возникнуть не может. Как только прекращается движение (возникшие уже ранее металлические связи более не разрушаются), начинается образование сварного соединения. По аналогии с кузнечной (горновой) сваркой, нагретый и готовый к свариванию металл необходимо подвергнуть «проковке», т. е. обжать его осевым усилием. Эта, четвертая фаза (вторая стадия) процесса наступает тотчас же после прекращения вращения и продолжается обычно несколько секунд, пока металл стыка не остынет до нижней границы ковочных температур.

Осевое усилие проковки может быть равно усилию при нагреве, но может быть и (во многих случаях, в особенности, когда сварке подвергаются материалы пониженной пластичности) увеличено.

Чаще всего усилие проковки выбирают вдвое большим, нежели усилие нагрева.

Совместное пластическое деформирование металла свариваемых деталей и его течение в плоскости стыка как в стадии нагрева, так и в стадии проковки является одним из основных условий образования прочного соединения.

Пластическая деформация металла в микрообъемах имеет важное значение для течения процесса; благодаря этому явлению происходит перераспределение удельных давлений по сечению в стадии нагрева: нагревшийся металл менее сопротивляется деформированию, чем более холодный, поэтому действующее осевое усилие воспринимается более холодными участками поверхностей трения, вследствие чего они быстрее нагреваются и деформируются. Этим объясняется и то обстоятельство, что участки поверхности трения, расположенные близ оси вращения, температура которых должна была бы быть минимальной, быстро нагреваются почти до тех же температур, что и периферийные участки поверхностей трения (рис. 42).

Область применения. Форма и размеры сечения

Сварка трением (основная и наиболее распространенная схема процесса) 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.

Этими же выражениями можно пользоваться при выборе требуемого оборудования по заданным размерам деталей и свойствам материала, из которого они изготовлены (употребительные значения N_уд и P_уд приведены в соответствующем разделе справочника).

Материалы. Накоплен большой опыт промышленного использования сварки трением различных одноименных материалов, а также разноименных металлов и сплавов. Хорошо свариваются черные металлы (исключением является чугун).

Равнопрочные соединения получаются при сварке одноименных малоуглеродистой, среднеуглеродистой, низко- и среднелегированной сталей; хорошо сваривается жаропрочная сталь. Хорошо свариваются стали всех названных выше классов в различных сочетаниях между собой, а также быстрорежущая сталь марок Р9 и Р18 с конструкционной сталью марок 40 и 40Х (и близких к ним).

Представляет некоторые технологические затруднения сварка таких разноименных материалов, как быстрорежущая сталь повышенной теплостойкости с конструкционной; трудно свариваются и требуют форсированных режимов тепловыделения некоторые жаростойкие сплавы дисперсионного твердения с конструкционной сталью.

Хорошо свариваются алюминий со всеми его сплавами, медь, латунь и другие одноименные цветные металлы.

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

Прочностные свойства соединений. Лабораторные исследования, подтвержденные многолетним эксплуатационным опытом, показали, что при правильно выбранных режимах сварка трением позволяет получать соединения, равнопрочные основному металлу. Статическая прочность при растяжении и загибе, относительное удлинение, ударная вязкость, усталостная прочность, т. е. почти все основные механические показатели металла стыка, находятся на уровне соответствующих показателей основного металла деталей или близки к ним.

Это позволило использовать сварку трением при промышленном производстве самых различных изделий, в том числе и весьма ответственных.

Отрасли производства. Сварка трением широко внедрена в ведущих отраслях производства при изготовлении:

в автомобилестроении — деталей рулевого управления, карданных валов легковых и грузовых автомобилей, полуосей, картеров задних мостов автомобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидросистем и др.;

в тракторостроении — деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбонагнетателей дизельного двигателя и др.;

в электропромышленности — деталей высоковольтной аппаратуры, выводов бумагомасляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневмоцилиндров сварочных машин и др.;

в инструментальном производстве — при массовом изготовлении концевого режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики).

На рис. 43 и 44 показаны некоторые характерные случаи применения сварки трением.

Наиболее эффективные направления использования: при изготовлении круглых деталей ступенчатого по длине профиля путем их сварки из заготовок разного диаметра; при изготовлении составных деталей из разных материалов с целью экономии более дорогого или дефицитного из них; при изготовлении сварно-штампованных, сварно-кованых и сварно-литых деталей; при конструировании деталей специально под сварку трением, с учетом ее особенностей и возможностей.

Оборудование

Для сварки трением необходимо использовать специальные машины. Принципиальная кинематическая схема такой машины показана на рис. 45. Машина снабжена схемой управления, связывающей работу всех ее узлов в единый цикл.

Большинство действующих в настоящее время машин для сварки трением представляют собой полуавтоматы, которые весь этот цикл выполняют автоматически, и лишь укладка свариваемых заготовок в зажимы машины и извлечение сваренной детали в них выполняются вручную. В крупных машинах, предназначенных для сварки тяжелых деталей, вспомогательные операции обычно механизированы. За последние годы в ряде стран стали появляться машины-автоматы с полностью автоматизированным (включая и вспомогательные операции) циклом работы.

До начала 70-х годов почти все машины для сварки трением были универсальными и рассчитаны на сварку большого числа различных по форме и размерам деталей. В настоящее время наметилась тенденция создания специализированного оборудования для сварки трением; в этом случае каждая машина предназначена для сварки какой-либо одной или группы однотипных деталей. Такие машины более высокопроизводительны и в подавляющем большинстве работают в полностью автоматизированном цикле. Начинают находить применение комплексные механизированные и автоматические линии, построенные на базе машин для сварки трением и выполняющие как операции сварки, так и ряд смежных операций — механическую обработку до сварки, снятие грата после сварки и даже иногда контроль качества выполненного соединения. Эти наиболее высокопроизводительные агрегаты весьма перспективны и в ближайшие годы найдут широкое применение.

Тем не менее простые, дешевые и удобные в эксплуатации машины универсального применения хотя и не отличаются высокой производительностью, до настоящего времени успешно применяются при выполнении ремонтных работ, а также в небольших производственных цехах с развитым ассортиментом обрабатываемых деталей.

Подробные сведения об оборудовании для сварки трением приведены в соответствующем разделе справочника. Здесь для общей ориентировки сообщаются некоторые технико-экономические показатели лишь одного из полуавтоматов, выпускаемых серийно в СССР (рис. 46): номинальная мощность — 22 кВт; максимальное осевое усилие 10 000 кгс; диапазон диаметров свариваемых заготовок 16—36 мм; машинное время сварки 10—30 с; масса машины 2700 кг; габаритные размеры в плане 720 X 1800 мм; высота 1300 мм.

Разновидности сварки трением

Инерционная сварка

Инерционная сварка была изобретена в США и широко там распространена. Инерционная сварка отличается от обычного способа сварки трением лишь тем, что потребляемая из электрической сети энергия, преобразованная электродвигателем в механическую энергию, поступает к месту сварки не непосредственно, а предварительно (в промежутках между сварками) аккумулируется в маховике машины. Эта особенность процесса позволила своеобразно решить некоторые вопросы технологии и конструкцию оборудования.

Процесс инерционной сварки заранее закрепленных в зажимах подлежащих сварке заготовок начинается с того, что маховик машины с помощью электродвигателя приводится во вращение. По мере нарастания угловой скорости маховика в нем нарастает запас кинетической энергии Э_к, величина которого определяется из уравнения

где J — момент инерции маховика и связанных с ним вращающихся частей машины; ω — угловая скорость маховика.

Когда накопленная энергия достигнет заданной величины З_max, необходимой и достаточной для сварки деталей, а угловая скорость достигнет соответственно величины

специальное устройство, реагирующее на величину угловой скорости, сработает и пошлет сигнал на механизм, подключающий шпиндель машины к вращающемуся маховику и отключающий маховик от приводного двигателя.

Одна из свариваемых деталей при этом приводится во вращение; если детали предварительно были прижаты осевым усилием одна к другой, то в стыке начинается процесс тепловыделения. Момент сил трения М_T в стыке является единственным (если не считать потерь на трение в узлах машины) тормозным моментом в системе, и, следовательно, им определяется тормозной путь («выбег»)

и длительность торможения (сварки) t_св; работа трения может быть записана в виде

Совместное решение приведенных выражений позволяет определить время сварки как

где k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, режим сварки данных деталей при уже выбранном для них маховике однозначно определяется лишь двумя параметрами процесса — величиной запасенной энергии и моментом трения в стыке, или иначе — начальной угловой скоростью маховика ω_max и усилием Р (удельным давлением) сжатия деталей.

Как видно из рис. 47, время нагрева при инерционной сварке в несколько раз меньше, чем при обычной сварке трением, что является основной особенностью этой разновидности сварки, определяющей ее технологические преимущества; так, например, кратковременный цикл нагрева-охлаждения позволяет с помощью инерционной сварки соединять такие разнородные материалы, как титан с алюминием и другие сочетания, в то время как при обычной сварке трением это в ряде случаев невыполнимо. Следует, однако, отметить, что в некоторых случаях эта особенность инерционной сварки оказывается вредной: при соединении материалов, склонных к образованию закалочных структур, например быстрорежущей стали с конструкционной, вследствие быстротечности термического цикла соединения получаются хрупкими, в них возможно образование закалочных трещин.

Значительное сокращение машинного времени инерционной сварки по сравнению с обычной сваркой трением не означает, однако, что производительность процесса также резко возрастает; при одинаковой мощности, потребляемой из сети машинами, и при сварке идентичных заготовок время одного цикла сварки в обеих сравниваемых разновидностях сварки трением практически одинаково, так как при инерционной сварке в качестве составляющей в него входит достаточно большое время разгона тяжелого маховика.

Отрицательной особенностью машин для инерционной сварки следует считать ведение процесса на повышенных угловых скоростях при больших осевых усилиях, что требует применения тяжелых подшипниковых узлов и зажимов, выдерживающих большие радиальные усилия. В результате машины для инерционной сварки сложнее, тяжелее и дороже машин для обычной сварки трением, а так как они не отличаются существенно повышенной производительностью, целесообразность их использования ограничивается теми случаями, когда соединяют материалы в сочетаниях, не сваривающихся обычным способом сварки трением (алюминий—титан и др.)

Орбитальная сварка

Орбитальная сварка является разновидностью сварки трением и отличается тем, что она позволяет осуществлять соединение не только круглых заготовок, но также и заготовок любой произвольной формы сечения. Это достигается путем вращения обеих свариваемых заготовок с одинаковой угловой скоростью в одну и ту же сторону (синхронно и синфазно). При этом, даже если торцы заготовок и были прижаты один к другому, силы трения между ними возникнуть не могут, до тех пор, однако, пока оси вращения обеих заготовок совпадают. Достаточно одну из них сместить параллельно самой себе на некоторую величину эксцентриситета е, как тотчас же в стыке возникнет трение, начнется тепловыделение и т. д.

Эта схема процесса (рис. 48) отличается от других разновидностей сварки трением тем, что каждая точка на торце одной из свариваемых заготовок описывает окружности относительно соответствующей точки на торце второй заготовки с угловой скоростью, равной угловой скорости заготовок. Следовательно, мощность тепловыделения на всей поверхности трения постоянна и определяется, как обычно, величиной удельного давления, которая в данном случае может быть найдена из выражения

а ее численные значения должны лежать в пределах, обычных для сварки трением — от 0,5 до 2 м/с (для черных металлов и алюминия). Процесс тепловыделения завершается в результате принудительного совмещения осей все еще вращающихся заготовок; в то же время к свариваемым заготовкам прикладывается проковочное давление, и их совместное вращение прекращается; к моменту полной остановки деталь оказывается сваренной.

Кроме названной особенности — возможности сварки деталей некруглого сечения, орбитальная сварка обладает другим важным преимуществом — повышенной производительностью.

При орбитальной сварке нет необходимости оси свариваемых деталей совмещать с осью вращения, и, следовательно, вместо одной пары заготовок на планшайбах, смонтированных на шпинделях машины, на разном удалении от оси вращения могут быть закреплены и одновременно свариваться не одна пара заготовок, а несколько таких пар; при этом мощность машины и величина осевого усилия должны быть соответственно увеличены.

Орбитальной сваркой благодаря синхронности вращения заготовок можно осуществлять соединение таких заготовок, которые после сварки должны быть строго сориентированы по углу поворота.

Процесс орбитальной сварки пока еще не нашел промышленного применения, что, вероятно, объясняется недостаточной популяризацией возможностей орбитальной сварки.

Другие разновидности процесса сварки трением

Сварка двух деталей с помощью третьего тела. Соединение длинных (или коротких, но массивных) деталей с помощью сварки трением осложнено тем, что приведение во вращение и быстрое торможение таких деталей сопряжено со значительными трудностями. В этом случае может быть успешно применена схема процесса (разновидность) сварки трением, позволяющая осуществлять сварку двух неподвижных деталей с помощью вращения зажатого между ними третьего тела. В качестве такого третьего тела может быть использован тонкий диск с диаметром большим, нежели диаметр свариваемых заготовок (рис. 49), для удобства захвата диска зажимом либо (рис. 49, а) относительно длинная в осевом размере вставка, диаметр которой может быть таким же, как и диаметр подлежащих соединению заготовок.

Одновременная сварка трех заготовок — нередко применяемый прием — с целью, увеличения производительности труда одновременно свариваются три заготовки, причем средняя (рис. 49, в) в процессе сварки остается неподвижной, а обе крайние приводятся во вращение с помощью двух отдельных шпинделей; вращение крайних заготовок может быть синхронизировано и синфазировано, если требуется взаимная ориентация деталей по углу поворота либо вращение обоих шпинделей осуществляется без применения синхронизаторов.

Вибрационная сварка. Принципиально возможен процесс сварки трением некруглых деталей, при котором вместо относительного вращения используется возвратно-поступательное движение торца одной из свариваемых заготовок относительно другой (рис. 49, г). Практически эта схема процесса не нашла применения, так как сварочная установка получается очень неэкономичной: большая доля вводимой в машину энергии растрачивается бесполезно на преодоление сил инерции и на износ частей и деталей самой машины; при необходимости соединять трением детали некруглой формы правильнее обращаться к орбитальной сварке.

Перспективы развития сварки трением

За сравнительно короткое время промышленного использования сварка трением зарекомендовала себя как высокопроизводительный технологический процесс, позволяющий получать высококачественные соединения деталей из большого числа различных одноименных и разноименных металлов и сплавов и обладающий рядом других важных преимуществ. Это одна из основных причин быстрого внедрения сварки трением в различных отраслях машиностроения. Особенности процесса позволяют прогнозировать следующие пути дальнейшего развития сварки трением:

Николаев Г.А. «Сварка в машиностроении. Справочник. Т.1»

Источник