Технология сварки трением

В основу большинства технологических процессов, используемых для сварки изделий, положен принцип внешнего тепла, которое выделяется каким-либо высокоэнергетическим источником, например, дуговым разрядом. Однако генерация тепла в зоне сварки может быть выполнена и иначе. К числу таких методов относится сварка трением. Известны, в частности, сварка трением труб, плоских поверхностей, а также деталей конгруэнтной (полностью совпадающей) конфигурации.

Основы процессов сварки трением

Сварочное соединение в рассматриваемом случае получается вследствие тепла, которое образуется в зоне подвижного фрикционного контакта на поверхности заготовок. При этом заготовки должны вращаться с различными угловыми скоростями или (что на практике реализуется чаще) во взаимно противоположных направлениях. К обеим соединяемым деталям прикладывается определенное осевое усилие сжатия, значение которого во времени непостоянно.

В сопоставлении с обычными сварочными технологиями (например, стыковой электросварки) сварка трением отличается следующими эксплуатационными преимуществами:Сварка трением

  1. Энергоемкость процесса соединения существенно уменьшается.
  2. Надежностью сварного стыка всегда постоянна и зависит только от теплофизических характеристик металла свариваемых изделий.
  3. Нет необходимости в предварительной подготовке соединяемого стыка (за исключением его тщательной очистки от ржавчины, жировых пятен и смазки).
  4. Высокое качество соединения образуется даже при возможной непараллельности смежных поверхностей заготовок до углов 5-70.
  5. При сварке трением отсутствуют такие негативные факторы, как интенсивное ультрафиолетовое излучение и вредные выделения газов — продуктов сварочных реакций.
  6. Технологическая оснастка для сварки трением проста, допускает свое легкое регламентное обслуживание и легко поддается механизации и автоматизации.

Считается, что прочность сварного стыка после выполнения подобной обработки равнопрочна с исходным металлом, механические характеристики которого являются ниже материала другой, соединяемой таким способом детали.

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
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.

Последовательность выполнения сварки

После начала осадки нагретых заготовок выполняется их частичная проковка. Эта стадия операции машиной для соединения трением производится автоматически. В более дешевых, полуавтоматических машинах приходится управлять процессом сварки по показаниям приборов, в частности, силоизмерителя и манометра.Проковка заготовки

После того, как процесс завершен, с установки снимают матрицу, извлекают соединенную заготовку из зажимов и сразу же помещают ее в термостат. Такой переход необходим для того, чтобы произвести оперативный отжиг места сварного соединения. Для того, чтобы предохранить заготовку от теплового удара, вызванного значительным температурным перепадом. Это особенно важно для сталей, которые склонны к отпускной хрупкости — нержавеющих, высокоуглеродистых и высоколегированных.

Начальная температура внутри термостата устанавливается не ниже 150-1800С. В термостате выполняется медленное охлаждение места стыка до момента, когда температуры снизится до 500С. После этого соединение можно подвергнуть либо отжигу, либо использовать непосредственно.

Рассматриваемый процесс можно применять и для заготовок, которые имеют два стыка. Для этого вначале вышеописанным способом получают первый из стыков, затем помещают полуфабрикат в термостат с температурой 750-800 0С и выдерживают его там не менее 2.5-3 ч. Далее выполняется очистка полученного стыка от макродефектов сварки. Очищенную заготовку без торцевания второго стыка закрепляют в шпинделе или в суппорте и сваривают второй стык. Последующие переходы не отличаются от технологии одностыковой сварки трением.

Соединение с использованием трения может использоваться не только для сталей. Например, сварка алюминия трением считается особенно малозатратным способом получения неразъемного соединения, поскольку алюминий имеет хорошую теплопроводность и нагревается значительно быстрее стальных заготовок.

В условиях ремонтных мастерских, а также в быту, под сварку трением можно успешно приспосабливать обычные токарные станки. Предварительно следует произвести расчет допускаемого осевого усилия на шпиндель и соотнести полученное значение с требуемым.

Технологические параметры некоторых, наиболее распространенных машин отечественного производства, на которых выполняется соединение изделий трением, приведены в таблице:

Параметры машин для сварки трением

Последовательность выполнения стыкового соединения деталей трением можно увидеть на демонстрационном видео:

Поиск записей с помощью фильтра:
Вид обработки
Вид проката
Вид материала