Сварка трением, сущность, виды и схемы сварки. Её преимущества, недостатки, технология


Содержание

  1. Понятие и определение сварки трением
  • Видео: сущность сварки трением
  • Преимущества и недостатки сварки трением
  • Преимущества
  • Недостатки
  • Виды сварки трением, схемы сварки
    • Сварка трением с непрерывным приводом
    • Инерционная сварка трением
    • Комбинированный вид сварки трением
    • Колебательная сварка трением
    • Сварка трением с перемешиванием
    • Орбитальная сварка трением
    • Радиальная сварка трением
    • Роликовая сварка трением
    • Наплавка при помощи сварки трением
  • Технология сварки трением
    • Свариваемость различных материалов
    • Требования к конструкции свариваемых деталей
    • Подготовка поверхностей к сварке трением
    • Выбор режимов сварки с непрерывным приводом
    • Термообработка сварного соединения
  • Оборудование для сварки трением
  • Контроль качества сварных соединений
  • Технология

    Теперь перейдем непосредственно к технологии сварки. Первый этап — это подготовка металла. Она обязательна и выполняется вне зависимости от выбранной вами технологии сварки. Но при сварке трением подготовка не особенно важна, поскольку все неровности можно исправить. А качество подготовки деталей не влияет на качество готово шва.

    Так что вы можете разрезать детали с помощью ножниц по металлу или дисковой пилы. Если будут какие-о неровности, то их можно затереть или просто нагревать детали подольше. Вам даже не обязательно удалять загрязнения, масло, признаки коррозии или следы краски, поскольку все эти недостатки нивелируются при нагреве металла.

    Куда важнее правильно установить режим сварки, поскольку от этого уже напрямую зависит качество сварного соединения.

    Понятие и определение сварки трением

    Сварка трением — это технологический процесс изготовления сварного соединения, который происходит за счёт использования тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых заготовок, прижатых с усилием друг к другу и при этом, одна из заготовок движется относительно другой.

    После прерывания, или полной остановки движения заготовки, сварка трением прекращается приложением усилия проковки.

    Как и при других методах сварки давлением, сварное соединение получается в результате совместной пластической деформации соединяемых участков сварных заготовок. Но отличительной особенностью процесса сварки трением является получение тепловой энергии непосредственно в зоне соединения за счёт трансформирования работы, направленной на преодоление сил трения между заготовками. Эти силы возникают при взаимном перемещении трущихся поверхностей свариваемых заготовок.

    Видео: сущность сварки трением

    Технология операций и определение нагрузок

    Сварка трением производится на специальном оборудовании. Его настройку выполняют в зависимости от габаритных размеров и теплофизических характеристик свариваемых деталей. При настройке устанавливается:

    1. Значение рабочего давления, при котором происходит оптимальный разогрев стыкуемых изделий.
    2. Время основных стадий процесса.
    3. Расчетное усилие на исполнительном прижимающем механизме.

    Кинематика процесса такова. Соединяемые детали подводятся друг к другу, после чего включается привод их вращения в противоположных направлениях.


    Станок для сварки трением

    По мере разогрева поверхностей последовательно наступают две стадии соединения: нагрева, при котором увеличивается пластичность металла, и осадки, в течение которой происходит деформирующее сжатие, вплоть до сплошного оплавления кромок и получения неразъемного соединения.

    Суммарное усилие машины для сварки трением учитывает удельные нагрузки от обеих стадий, а также размеры площади поперечного сечения соединяемых заготовок.

    Сам процесс сварки трением происходит так. Заготовку устанавливают в шпиндель станка, либо в подвижный суппорт (все зависит от вида стали, например, заготовки из быстрорежущих стали, теплофизические параметры которых выше, устанавливают именно в шпиндель, угловая скорость вращения которого выше). Установку полуфабриката производят таким образом, чтобы вылет заготовки на несколько миллиметров превышал уровень осадки. Для быстрорежущих сталей вылет принимают на 3-5 мм больше, чем для изделий из конструкционных или нелегированных сталей. Для ограничения и контроля величины вылета используются регулируемые упоры.

    В процессе осадки происходит неконтролируемое увеличение поперечного сечения заготовок, поэтому заготовки размещают в специальной закрытой матрице из материала с более высокими показателями теплостойкости (например, из сталей типа 5ХНМ, которые применяют для изготовления штампов горячей объемной штамповки). Применение матрицы исключает появление сварочного грата, а также обеспечивает более равномерный прогрев заготовок, поскольку в этом случае генерируется два встречных тепловых поля.

    Преимущества и недостатки сварки трением

    Преимущества

    1. Высокое качество соединения. В месте стыка отсутствуют многие дефекты, присущие сварным швам, полученным при помощи других видов сварки. К примеру, в месте соединения исключается образование газовых пор и сварных трещин, различных неметаллических включений и других дефектов.

    2. Постоянство механических свойств. Как правило, механические свойства основного металла, места стыка и зоны возле него практические одинаковые из-за равномерной структуры металла.

    3. Высокая производительность метода. Весь цикл сварки занимает от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от размеров свариваемых деталей.

    4. Подготовка к сварке занимает меньше времени. Из-за того, что нет необходимости удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей и зачищать их, это существенно экономит время подготовки.

    5. Не требуется дополнительных присадочных материалов, как для многих других видов сварки.

    6. Не требуется дополнительных операций после сварки, таких как отпуск, отжиг, проковка и др.

    7. Снижаются затраты на последующую механическую обработку после сварки.

    8. Отсутствуют сварочные поводки и низкая степень деформации после окончания сварки.

    9. Большая номенклатура свариваемых материалов. Сварка трением позволяет сваривать многие материалы, как между собой, так и в различных их сочетаниях.

    10. Высокий коэффициент использования металла (КИМ). У альтернативных методов получения заготовок (отливки, поковки и др.) КИМ значительно ниже.

    11. Меньшая степень вредности. При сварке трением отсутствует яркий слепящий свет, как при дуговой сварке, нет выделения вредных газов, отсутствуют брызги расплавленного металла.

    12. Лёгкая возможность автоматизации. Достигаться она может установкой машин для сварки в автоматические и роторные поточные линии, или, к примеру, применением управляющих компьютеров, работающих по программам.

    13. Экологичность процесса. Для сварки не требуется защитных газовых сред, флюсов или покрытий, из-за этого нет выделения вредных веществ в воздушную среду.

    14. Низкая энергоёмкость. По сравнению с обычной дуговой сварки энергоёмкость снижена в 10 раз.

    Недостатки

    1. Низкая универсальность процесса и относительно небольшая номенклатура свариваемых деталей.

    2. Габариты свариваемых деталей ограничены. В случае с круглыми деталями, при сварке которых одна неподвижно закреплена, а вторая вращается вокруг своей оси (ротационная сварка), экономически нецелесообразно сваривать заготовки, диаметром более 150мм.

    3. Дорогое и громоздкое оборудование для сварки трением.

    4. Возможно искажение волокон в зоне сварки, если сварное соединение в процессе эксплуатации подвергается высоким динамическим нагрузкам.

    5. Отсутствие мобильности. Невозможно применить данный вид сварки в «полевых условиях» и различных монтажных работах, так как сварочное оборудование для сварки трением является стационарным, а не мобильным.

    Сварка трением происходит в твердом состоянии

    Сварка трением происходит в твердом состоянии под воздействием тепла, возникающего в результате трения о поверхность сварного изделия . Поверхностное трение достигается путем вращения свариваемых деталей и сжатия их с силой Р.

    Во время сварки наблюдается существенная пластическая деформация на свариваемой поверхности.

    Прочные сварные соединения образуются в результате металлических связей между молодыми (чистыми) контактными поверхностями свариваемых деталей.

    Различные включения и пленки, которые предотвращают образование этих связей на поверхности металла, разрушаются трением и удаляются из зоны радиального шва из-за значительной пластической деформации поверхности трения.

    Чтобы получить необходимую деформацию, металл находится в состоянии повышенной пластичности с помощью тепла, возникающего в результате трения. Механическая энергия преобразуется непосредственно в тепло, а выделение тепла строго локализуется в тонком поверхностном слое металла. Эта особенность процесса определяет основные преимущества сварки трением.

    • Сила трения создается на поверхности детали, сжатой силой P. Работа, затраченная на преодоление этих сил, превращается в тепло, которое выделяется на поверхности трения и резко нагревает металл до температуры, необходимой для образования сварного соединения. При применении к сварке стали эти температуры составляют 950-1300 ° С (1223-1573 К) в зависимости от режима процесса. Как только требуемая температура достигнута, относительное движение деталей должно быть остановлено как можно быстрее (почти мгновенно).

    Виды сварки трением, схемы сварки

    Сварка трением с непрерывным приводом


    Сварка трением с непрерывным приводом была самой первой разновидностью сварки трением. Для её осуществления одну из заготовок жёстко закрепляют, а второй заготовке сообщают вращательное движение, при этом обе заготовки представляют собой тела вращения, и находятся на одной оси (см. схему сварки трением с непрерывным приводом). Далее заготовки сближаются вплотную и к подвижной прикладывают некоторое осевое усилие.
    При сварке трением с непрерывным приводом механическая энергия передаётся непосредственно к месту соединения, где посредством динамического контакта двух заготовок преобразуется в тепловую энергию.

    Стадия нагрева в установках для сварки трением может быть регламентирована временем нагрева, либо величиной взаимной деформации заготовок. После этого следует остановка подвижной заготовки и проковка. В настоящее время, кроме сварки с непрерывным приводом, появилось достаточно много видов сварки трением, и сейчас рассмотрим наиболее распространённые из них.

    Инерционная сварка трением


    От сварки с непрерывным приводом этот вид сварки трением отличается тем, что механическая энергия не передаётся непосредственно от привода к месту соединения. Эта сварка основана на использовании энергии, накопленной маховиком (см. схему инерционной сварки трением).

    Шпиндель, с насаженным на него маховиком, разгоняется. После того, как маховик достиг определённого момента инерции вращающейся массы, привод отключают и производят сжатие заготовок с определённым усилием. Процесс сварки завешается после остановки шпинделя.

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

    Комбинированный вид сварки трением

    Данный вид сварки может происходить двумя способами:

    1) Сначала заготовка вращается с постоянной угловой скоростью, а затем двигатель отключают и заканчивают процесс по инерционному способу.

    2) Начало сварки происходит при постоянной угловой скорости и продолжается по инерционному способу. А в тот момент, когда частота вращения шпинделя достигнет 5-6 об/с, происходит его мгновенное торможение.

    Колебательная сварка трением

    Этот вид сварки происходит при угловых вибрационных движениях одной или обеих заготовок, или при возвратно-поступательном движении (сварка вибротрением). На практике подобный вид сварки получил применение только для сваривания термопластов и реактопластов между собой.

    Сварка трением с перемешиванием

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

    Инструмент, вращающийся с большой скоростью, соприкасается со сварными кромками в месте стыка и его наконечник внедряется в заготовку на всю глубину кромок. При этом заплечник инструмента касается поверхности стыка. Далее инструмент перемещается вдоль всей линии стыка. В результате трения наконечника инструмента об заготовки, сварные кромки расплавляются, перемешиваются при вращении инструмента и вытесняются в свободную область позади движущегося инструмента.

    Ровная поверхность сварного шва обеспечивается заплечником инструмента, который касается сварного стыка. По окончании сварки инструмент выходит из зоны стыка за его пределы. Рекомендуем посмотреть видеоролик, в котором наглядно показан процесс сварки трением с перемешиванием металла:

    Орбитальная сварка трением


    Схема этого процесса показана на рисунке. Суть этого вида сварки состоит в том, что прижатые друг к другу свариваемые заготовки двигаются по орбитам относительно друг друга. При этом вращения заготовок вокруг собственных осей не происходит.
    Оси заготовок смещены на некоторую величину е, называемую эсцентриситетом. Благодаря этому, происходят их круговые движения по некоторой орбите, радиус которой равен радиусу эксцентриситета е. Когда заготовки прошли стадию нагрева, их оси совмещают и круговые движения прекращаются. После этого делается проковка и формируется сварное соединение.

    С помощью орбитальной сварки можно сваривать не только круглые заготовки. Так как вращения заготовок вокруг собственных осей не происходит, то форма их торцов 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 не во всех случаях этот вид сварки экономически целесообразен из-за сложного оборудования и недостаточной надёжности зажимных механизмов. Низкая надёжность зажимов обусловлена воздействием на них больших инерционных сил. Из-за этих недостатков этот способ сварки не получил массового внедрения в промышленности.

    Радиальная сварка трением

    Суть этого способа сварки заключается в применении теплоты, возникающей при трении наружного или внутреннего кольца, которое вращается с определённой угловой скоростью, соприкасаясь при этом со скошенными концами труб, прижатых один к другому с некоторым усилием.

    Схема радиальной сварки трением приведена на рисунке. Вращаясь, кольцо разогревает концы труб и по окончании стадии нагрева, затем, вращение кольца останавливают и его дополнительно сжимают в радиальном направлении.


    Роликовая сварка трением

    Этот вид сварки используют в тех случаях, когда нужно сварить тонколистовые элементы. Схема роликовой сварки приведена на рисунке.

    Суть этого способа состоит в том, что ролик, вращающийся со скоростью, примерно, 1600 рад/с, подводят в краям заготовок. Ролик перемещается относительно свариваемых кромок со скоростью 0,1-2,0 м/с, а давление, создаваемое на ролик, составляет в диапазоне 0,2-0,5 МПа.

    Наплавка при помощи сварки трением


    Такая наплавка применяется в тех случаях, когда требуется восстановить изношенные поверхности деталей, или когда необходимо обеспечить на поверхностях определённые эксплуатационные свойства. Схема наплавки трением приведена на рисунке.
    К поверхности, на которой необходимо выполнить наплавку, с усилием F прижимается вращающийся пруток с угловой скоростью порядка 1600 рад/с, а сама поверхность перемещается с линейной скоростью Vзаг. Тепловая энергия, образующаяся в результате трения, создаёт тепловое поле, которое нагревает и заготовку и пруток. При этом пруток нагревается значительно сильнее из-за того, что поверхность контакта заготовки постоянно меняется по ходу её движения, а поверхность контакта прутка остаётся неизменной. В результате чего пруток расплавляется и происходит перенос слоя металла с прутка на поверхность заготовки.

    Виды

    Сварка трением с перемешиванием алюминиевых, медных, стальных и других видов сплавов может производиться несколькими способами.

    Выделяют следующие виды данной технологии:

    1. Линейная сварка трением. Во время этого способа не используется вращение деталей. Соединяемые элементы трутся друг о друга до тех пор, пока не образуется требуемая среда для прочного соединения деталей. Одна из заготовок обычно производит возвратно-поступательные движения, а оказываемое давление позволяет получить требуемое соединение.
    2. Радиальная. Ее применяют при сваривании трубных конструкций. На стуках труб устанавливается специальное кольцо, которое во время вращения выделяет необходимое тепло для осуществления сваривания.
    3. Штифтовая. Этот метод применяется при проведении ремонтных работ. Первым делом просверливается отверстие, в которое направляется штифт из соответствующего материала. После этого он усиленно вращается, выделяет тепло и образует необходимую пластификацию. Это все создает требуемые условия для создания качественного шва.

    Сварочным процесс с использованием трения применяется в условиях крупных производств, на которых изготавливаются металлические конструкции. Удобное и функциональное оборудование, а также уникальная технология позволяют получить качественный шов с высокой прочностью. Но чтобы все было выполнено правильно стоит предварительно рассмотреть важные особенности и преимущества данной сварки.

    Технология сварки трением

    Локализация теплового поля и пластической деформации в процессе сварки обеспечивает низкий расход энергии и позволяет производить сваривание разнородных металлов, таких как алюминий-медь, алюминий-сталь, медь-металлокерамика и другие. Кроме экономии энергии, сварка трением снижает затраты но последующую обработку сварного соединения.

    Свариваемость различных материалов

    Данные о свариваемости различных металлов и сплавов между собой приведены в таблице ниже:

    Требования к конструкции свариваемых деталей и возможности оборудования

    Во время проектирования заготовок, получаемых сваркой трением, необходимо принимать во внимание следующие факторы: возможности оборудования для сварки, возможность сваривания материалов между собой, закрепление заготовок в сварочном аппарате. Также учитываются стоимость подготовки заготовок к сварке и последующей обработке полученного соединения, автоматическое получение необходимой соосности и углового расположения заготовок, создание при необходимости равномерного температурного поля и равных условий деформации.

    Назначая припуски на длину и диаметр заготовок, принимают во внимание данные, приведённые в таблице.

    Для того, чтобы заготовкам обеспечить требуемую соосность, необходимо надёжно закрепить их в зажимных приспособлениях сварочной машины. Кроме этого, важным показателем является жёсткость свариваемых заготовок на длине их вылета из зажимов. Рекомендации по этой длине приведены на рисунке:


    В случае, если длина вылета меньше рекомендованной, это может привести к температурному отпуску зажимных приспособлений.

    Подготовка поверхностей к сварке трением

    При сварке трением состояние свариваемых поверхностей оказывает значительно меньшее влияние на качество сварного соединения, чем при других способах сварки давлением. Поверхности для сваривания могут быть получены резкой на гильотине, дисковой пилой или даже газорезкой. Неровности на поверхностях устранятся притиркой или дополнительным временем нагрева.

    Отклонение от параллельности свариваемых поверхностей может достигать 5-7° и это не окажет значимого влияния на качество сварки. Небольшие участки коррозии, остатки краски, масло и другие загрязнения на поверхностях удаляются на стадии нагрева. Исключение составляет ржавчина и окалина, полученная при прокатке, проковке или штамповке.

    Когда свариваются разнородные материалы, необходима более тщательная подготовка поверхностей. Например, при сварке алюминия со сталью, величина торцевого биения стальной заготовки не должна превышать 0,2мм. На рисунке ниже показаны некоторые примеры подготовки свариваемых поверхностей из разнородных материалов.

    Выбор режимов сварки трением с непрерывным приводом

    Одним из главных показателей является частота вращения. При её увеличении сварной шов получается однороднее, прочностные показатели повышаются. Частота вращения рассчитывается по оптимальной скорости V, м/с: для чёрных металлов и сплавов 2,6-3, для алюминия и меди около 2, для титана 4-5.

    Удельное давление нагрева. При сварке углеродистых и низколегированных сталей составляет 30-60МПа, для жаропрочных и инструментальных сталей 60-120МПа, для сварки алюминия и алюминиевых сплавов 7-23 Мпа, для сварки меди с алюминием 40-60МПа, алюминия с коррозионностойкой сталью 6,4-12,2 МПа, для сварки титана и титановых сплавов не более 18 МПа.

    На практике, при сварке однородных материалов, удельное давление нагрева можно изменять в широких пределах, получая высокое качество сварного соединения. При сварке разнородных материалов оптимальное значение давление нагрева следует выбирать, исходя из скорости деформации в таком диапазоне, который обеспечит одинаковую степень деформации обеих сварных кромок.

    Удельное давление притирки. Оно назначается для улучшения работы сварочного оборудования. Обычно составляет 15-20% от удельного давления нагрева. Для сварки углеродистых сталей составляет, примерно, 10МПа. Время притирки 1-3с.

    Удельное давление проковки выбирают, исходя из пластических свойств соединяемых материалов. Чаще всего, давление проковки составляет 100-300% от удельного давления нагрева. При сварке алюминия с коррозионностойкими сталями давление проковки выбирают в пределах 800-1000% от давления нагрева. Время проковки обычно составляет 1,5-3с.

    Время нагрева. Этот показатель сильно влияет на циклическую прочность и ударную вязкость сварного соединения, особенно, при сварке разнородных материалов. Время нагрева определяется экспериментальным путём для каждой конкретной пары заготовок. Увеличение времени нагрева приводит к росту зёрен.

    Время торможения. Оно должно быть максимально коротким, чтобы течение металла из сварного соединения не приобрело устойчивый характер. Интенсивное течение металла и резкое охлаждение препятствуют снятию напряжений в сварном соединении, и это снижает прочность и может привести к разрушению соединения сразу же после окончания процесса сварки.

    Термообработка сварного соединения

    При помощи термической обработки, в сварном соединении снижаются внутренние напряжения, повышаются пластические свойства, происходит рекристаллизация и улучшение качества сварки в результате диффузионных процессов.

    Термообработку не проводят при сварке низколегированных, высоколегированных хромоникелевых аустенитных и хромистых ферритных сталей, сваренных в однородном и разнородном сочетаниях.

    Термообработке подвергают среднеуглеродистые легированные и нелегированные стали, а также высоколегированные аустенитно-мартенситные, хромистые ферритно-мартенситные стали, сваренные в различных сочетаниях между собой. При этом, если углеродный эквивалент сталей выше 0,8%, термообработку проводят из нагретого состояния.

    Достоинства

    Сварка трением с перемешиванием пользуется высоким спросом на больших производствах, на которых изготавливаются огромные конструкции и важное оборудование.

    Востребованность связана с наличием целого ряда положительных качеств у данного сварочного процесса:

    1. Высокая производительность. Сварка требует немного времени, ее можно осуществить всего за несколько минут.
    2. Эффективное применение энергии. Нагревание осуществляется быстро, его можно произвести в ограниченной закрытой области. Если сравнивать с другими видами сварок, то у данной технологии отмечаются низкие потери на обогревание окружающей области.
    3. При осуществлении сварки трением получается прочный и качественный шов. Если во время процесс будет применяться одинаковый режим для соединения всех типов металлов, то можно получить аналогичные свойства, а именно угол изгиба, временные показатели сопротивления, ударная вязкость, а также другие показатели, которые могут отличаться друг от друга всего на 7-10 %.
    4. Перед тем как проводить инерционную сварку трением не нужно выполнять предварительную подготовку соединяемого стыка. Но все же опытные сварщики советуют обязательно выполнять тщательную зачистку от ржавчины, жировых пятен, смазки.
    5. Высокое качество сварного соединения наблюдается даже при наличии расхождений между заготовками с показателем до углов 5-70.
    6. При проведении сварочного процесс трением нет таких негативных условий, как усиленного ультрафиолетовое излучение, выделение вредных газов — продуктов сварочных реакций.
    7. Подходит для сваривания разнородных металлов и сплавов. При помощи этой технологии можно с огромным успехом сваривать многие пары металлов, которые невозможно сварить при помощи других видов сварок — стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и многое другое.

    Важно! При проведении сварки трением применяется стандартный набор оборудования — сварочная машина, станок, снимающий грат и манипулятор (робот), который осуществляет перемещение крупногабаритных деталей. Все эти элементы позволяют произвести легкое и качественное сваривание больших стальных конструкций.

    Оборудование для сварки трением

    Принципиальная схема машины для сварки трением с непрерывным приводом представлена на рисунке ниже:

    В состав оборудования для сварки трения могут входить: машина для сварки, вычислительный мини-компьютер с программами параметров режимов, станок для удаления грата, манипуляторы для погрузки-разгрузки, транспортировочные устройства.

    Режимы сварки

    Для всех описанных выше методов сварки трением предусмотрено несколько режимов. Они предполагают разную скорость вращения подвижных элементов, силу сдавливания заготовок и толщину сварного кольца, если речь идет о радиальной сварке.

    Физические параметры зависят от технологии производства. Условно подобная сварка выполняется при низкоскоростном, стандартном и ускоренном режиме.

    Низкие скорости вращения, трения заготовок необходимы для обработки материалов большой вязкости, таких как медь. Кроме того, они незаменимы, когда присутствует вероятность нарушения структуры волокон детали.

    На высоких скоростях сваривают легкоплавкие металлы и сплавы методом перемешивания. А высокое давление вдоль оси вращения используется во время работы с непрерывным приводом и сплошными деталями, то есть не имеющими полостей.

    Рейтинг
    ( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Для любых предложений по сайту: [email protected]