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
- Преимущества сварки трением
- Недостатки сварки трением
- Виды сварки трением
- Заключение
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.
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.
Преимущества сварки трением
Среди основных преимуществ сварки трением можно назвать следующие.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- Гигиеничность процесса. Сварочный процесс выгодно отличается отсутствием ультрафиолетового излучения, брызг расплавленного металла, вредных газов и так далее.
- Простота автоматизации. Процесс может выполняться на программируемых машинах с низким использованием ручного труда или вовсе без него.
Недостатки сварки трением
Помимо достаточно существенных преимуществ, сварочному процессу характерны и некоторые недостатки, среди которых можно назвать следующие.
- 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).
- 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.
- 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.
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.