Сварка с помощью трения: особенности технологии

Сварка трением – это подвид сварки давлением. Технология подразумевает нагрев свариваемых частей с помощью трения – для этого одна из них перемещается (вращается), при этом свариваясь с другой. В этой статье мы рассмотрим, как работает сварка трением, какие разновидности технологии существуют, в чем преимущества и недостатки сварки трением.

Содержание

Принцип действия

Сварка трением – это процесс, преобразующий механическую энергию движения одной из деталей в тепловую энергию. Чаще всего для этого используется вращение; вращаться может либо одна из деталей, либо вставка между ними. Одновременно детали придавливаются друг к другу постоянным либо увеличивающимся давлением. При этом нагрев происходит непосредственно в месте соединения деталей.
После завершения сварочного процесса идет осадка и быстрое прекращение вращения. В сварочной зоне на стыках деталей протекают следующие процессы: при увеличении частоты вращения заготовок и воздействии сжимающего давления контактные поверхности притираются друг к другу. Жировые и контактные пленки, присутствующие на деталях в исходном состоянии, разрушаются; после чего на смену граничному трению приходит сухое. Отдельные микровыступы начинают контактировать друг с другом и деформироваться. Образуются ювенильные участки, где связи поверхностных атомов не насыщены – между ними тут же образуются металлические связи, которые за счет относительного движения поверхностей тут же разрушаются.
treniem

В целом техпроцесс можно разделить на следующие фазы:

  • Разрушение и удаление окисных пленок силами трения;
  • Разогрев свариваемых кромок до пластичного состояния, появление временного контакта, его разрушение; выдавливание из стыка наиболее пластичных объемов металла;
  • Прекращение вращения, образование монолитного сварного соединения.
к меню ↑

Преимущества сварки трением

Среди основных преимуществ сварки трением можно назвать следующие.

  1. Высокая производительность. Поскольку объем слоя нагреваемого металла невелик, весь цикл сварки может укладываться в достаточно короткие временные промежутки – от нескольких секунд до минуты (зависит от свойств материала и сечений свариваемых деталей); за счет этого сварка трением может считаться высокопроизводительной и конкурировать с таким процессом, как электрическая стыковая контактная сварка.
  2. Высокая энергоэффективность. Поскольку тепло генерируется локально и в небольших объемах, КПД процесса достаточно велик, и расход энергии в 5-10 раз меньше, чем, к примеру, при стыковой контактной сварке.
  3. Высокое качество соединения. Если правильно подобрать режим сварки, то прочность металла стыка и зоны возле него будет сравнима с прочностью основного металла. В стыке отсутствуют раковины, поры, инородные включения и т.д., сам металл стыка имеет равномерную структуру.
  4. Стабильное качество соединений. Детали, свариваемые при одинаковом режиме, имеют практически одинаковые свойства: временное сопротивление, ударная вязкость, угол изгиба и другие показатели в партии отличаются не более, чем на 7-10%. Это позволяет применять выборочный контроль качества, что очень важно, поскольку простые, дешевые и надежные методы контроля стыковых соединений, не разрушающие их, в условиях сварочных цехов практически отсутствуют.
  5. Низкие требования к чистоте поверхности. Зачищать поверхность свариваемых деталей нет необходимости; боковые поверхности также могут быть неочищенными. Это существенно экономит время, расходуемое на вспомогательные операции.
  6. Возможность сварки различных металлов. Сварочный процесс позволяет сваривать как одноименные, так и разноименные сплавы и металлы, при этом другие способы сварки здесь бывают бесполезны. К примеру, возможно сваривать сталь с алюминием, медью; алюминий с медью, титаном и так далее.
  7. Гигиеничность процесса. Сварочный процесс выгодно отличается отсутствием ультрафиолетового излучения, брызг расплавленного металла, вредных газов и так далее.
  8. Простота автоматизации. Процесс может выполняться на программируемых машинах с низким использованием ручного труда или вовсе без него.Схема сварки трением с перемешиванием, при которой сварочный шов формируется с помощью комбинирования операций выдавливания и перемешивнания
к меню ↑

Недостатки сварки трением

Помимо достаточно существенных преимуществ, сварочному процессу характерны и некоторые недостатки, среди которых можно назвать следующие.

  1. Низкая универсальность процесса. С помощью сварки трением можно сварить пару деталей, из которых хотя бы одна должна являться телом вращения (труба, круглый стержень и т.д.), вторая деталь должна обладать плоскостью, к которой будет привариваться первая. Впрочем, этот недостаток не слишком существенен: как показывает практика, в машиностроении используется до 70% деталей с круглым сечением (от общего количества деталей).
  2. Громоздкость оборудования. Поскольку процесс требует использования достаточно громоздкого оборудования, он осуществим лишь при использовании стационарных машин; приварить же малую деталь к массивной конструкции с помощью переносного оборудования практически невозможно.
  3. Искривление текстурных волокон в зоне сварки. Волокна около стыка располагаются радиально, выходя на наружную поверхность детали. Если деталь работает при динамических нагрузках, в этих местах может появиться очаг усталостного разрушения, при работе в агрессивных средах – очаг коррозии. Чтобы предотвратить появление дефектов, лучше всего сохранять на детали грат. Стоит упомянуть и о неудобствах при съеме грата, когда это требуется из конструктивных соображений. Для этого требуется дополнительное время на рабочем месте либо на сварочной машине.
к меню ↑

Виды сварки трением

Существуют различные способы сварки трением. Каждый из них имеет свои особенности и область применения. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Сварка трением с перемешиванием

Этот метод был изобретен и запатентован в 1991 году. Основной принцип предельно прост: сварка трением с перемешиванием использует вращающийся цилиндрический инструмент специальный формы с заплечиками и штырем в центре. Он погружается в линию соединения деталей, подлежащих сварке. За счет вращения инструмента, прижимного усилия и поступательного движения образуется сварочный шов, который дополнительно формируется заплечиками. Формирование сварного шва проводится с помощью комбинирования операций выдавливания и перемешивания; отсюда и название – сварка трением с перемешиванием.

Радиальная сварка трением

Этот метод используется для сварки труб. Тепло выделяется за счет вращения кольца, которое находится на их стыках. Как правило, материалы кольца и труб идентичны.

Штифтовая сварка трением

Этот метод часто используется при ремонтных работах. В предварительно просверленное отверстие вводится штифт из того же металла, что и детали. За счет вращения штифта образуется тепло, которое приводит к пластификации свариваемых материалов и образованию прочного соединения.

Линейная сварка

Этот метод отличается от остальных тем, что вращение не используется. Свариваемые детали трутся друг о друга, пока их поверхности не обретут необходимую пластичность и не соединятся. Одна из деталей совершает возвратно-поступательные движения, при этом давление соединяет ее со второй деталью. После достижения достаточной температуры движения прекращаются, а давление усиливается. Пластичный металл вытекает из зоны стыка, формируется ровная плоскость.

к меню ↑

Заключение

Мы рассмотрели такой процесс, как сварка трением. Как видите, этот сварочный процесс отличается от прочих, и имеет массу преимуществ. Однако он достаточно специфичен и подходит не для всех задач. Тем не менее, во многих случаях его использование оправдано.

Похожие статьи