СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

Технология сварка трением

Этапы сварки трением. Внешне простой процесс сварки трени­ем в действительности весьма сложен. Он представляет собой це­лый комплекс взаимосвязанных явлений:

• интенсивное локальное тепловыделение на поверхностях тре­ния;

• образование металлических связей между этими поверхностями и их разрушение вследствие тангенциального движения этих по­верхностей;

• нагрев и упругопластическая деформация микронеровностей;

• наклеп и рекристаллизация;

• разрушение оксидных пленок и удаление их из стыка вместе с нагретым до пластического состояния металлом;

• интенсивное образование и перемещение дислокаций и акти­вация поверхностей контакта.

В процессе классической сварки трением просматриваются шесть этапов (см. рис. 7.2) образования соединения.

На первом этапе (т,) происходит притирка поверхностей тре­ния. По мере увеличения частоты вращения момент трения покоя снижается и переходит в граничное трение (по пленкам), проис­ходит удаление жировых пленок и образование очагов схватыва­ния.

На втором этапе (т2) наступает сухое (чистое) трение (в от­сутствие пленок), интенсивное увеличение фактической площа­ди контакта и быстрый рост температуры со снижением предела текучести металла. Момент трения сначала быстро нарастает и достигает максимума. В роли смазочного материала появляется тон­кий слой металла в сверхпластичном состоянии, трение из сухого становится полусухим.

Третий этап (т3) отличается постепенным подъемом темпера­туры металла и, как следствие, спадом момента трения. Начина­ется вытеснение из стыка нагретого до пластического состояния металла с образованием наружного грата. К концу третьего этапа температура в стыке достигает максимального значения, а мо­мент трения, мощность тепловыделения и скорость осадки стаби­лизируются.

На четвертом установившемся этапе (т4) завершается подго­товка стыка к образованию сварного соединения: поверхности трения активированы, остатки оксидов и инородных включений удалены в грат.

Пятый этап (х5) — торможение с завершением сварки и обра­зованием металлических связей по площади всего стыка.

Шестой этап (т6) — осадка (проковка), термомеханическая обработка сварного соединения, способствующая повышению прочности и вязкости металла. Проковка длится 1,5...3 с, после чего сваренная деталь освобождается из зажимов машины и ох­лаждается на воздухе.

Выбор режимов сварки. Основными параметрами сварки тре­нием являются п — скорость относительной частоты вращения детали (мин-1 или с-1); р — удельное давление при нагреве, МПа; R — радиус свариваемой детали, мм; /— коэффициент трения.

Если учесть что коэффициент трения при сварке — величина неопределенная и зависит от многих факторов (материала и пле­нок на нем, скорости относительного движения поверхностей трения, значения и скорости нарастания нормального давления, жесткости и упругости узла трения), то оптимальные параметры процесса сварки конкретных деталей можно определить только опытным путем.

От скорости относительной частоты вращения в значительной степени зависят потребляемая мощность и производительность сва­рочного процесса, размер теплогенерирующего слоя, температур - . ное поле в стыке свариваемых деталей.

Это вызвано зависимостью характера износа поверхностей тре­ния от скорости их относительного движения. В диапазоне сравни­тельно малых скоростей происходит глубинное вырывание час­тиц металла, а при больших скоростях — эффект полирования (износ лишь тончайших приповерхностных слоев металла) и из­менение свойств поверхностей трения сварных соединений.

Чрезмерно малые скорости относительной частоты вращения приводят к доминирующей роли 1-го и 2-го этапов нагрева в об - щем балансе машинного времени сварки. Если учесть, что сум­марная длительность этих этапов в значительной мере зависит от начального состояния поверхностей, то малые скорости относи­тельной частоты вращения приводят к сварным соединениям с резко различными механическими свойствами металла стыка и зоны термического влияния.

При малых скоростях относительной частоты вращения до состояния повышенной пластичности нагревается сравнитель­но толстый слой металла, который выдавливается в грат широ­ким слоем. Это может быть причиной появления в стыке пустот. К тому же, при малых скоростях (по сравнению с умеренными) потребляемая мощность увеличивается, а производительность снижается.

С увеличением скорости относительной частоты вращения со­кращается машинное время процесса сварки, так как установив­шееся значение момента сил и мощности наступает раньше, чем при низких скоростях. При этом значительно уменьшаются осадка и количество металла, вытесняемого в грат.

При повышенных скоростях относительной частоты вращения сокращаются затраты потребляемой мощности. Однако подшип­никовые упорные узлы машины попадают в значительно более тяжелые условия работы, нежели при умеренных скоростях.

Что же касается основного показателя — прочности соедине­ния, то при сварке низкоуглеродистой стали она не зависит от скорости относительной частоты вращения в достаточно широких пределах ее изменения.

При этом для каждого сочетания металлов существует некото­рый оптимум этой скорости. Рекомендуемые линейные значения скорости вращения находятся в пределах 0,6...3 м/с. Произведе­ние скорости вращения (л, мин-1) на наружный диаметр сварива­емой детали (d„, мм) находится также в определенных пределах: для черных металлов рекомендуют ndH = (0,3...0,6)-103 мм • с-1; ли­нейная скорость скольжения v ~ 1...2 м/с; для сварки красной меди ndH = (0,6... 7,5) -103 мм с-1; v ~ 2 м/с; для сварки титана ndH = (8... 10) • 103 мм • с-1; v ~ 2,0...2,5 м/с).

При повышенных скоростях относительной частоты вращения сокращается время нагрева и уменьшается осадка, а также объем вытесняемого в грат металла; снижается время на последующую операцию удаления грата. Однако следует учесть, что при малой осадке требуется токарная подрезка торцов деталей перед сваркой. Таким образом, небольшое сокращение машинного времени соб­ственно сварки и времени на операцию удаления грата перекры­вается значительно большими затратами времени на подрезку тор­цов каждой из подлежащих сварке деталей, что экономически нецелесообразно. Поэтому наиболее рациональными являются умеренные режимы скорости вращения свариваемых деталей.

Сжатие при нагреве и осадке (проковке) оказывает значитель­ное влияние на технико-экономические показатели сварочного процесса.

В общем случае давления при нагреве и проковке могут быть неодинаковыми, и тогда цикл подачи давления приобретает сту­пенчатый характер (см. рис. 7.2, а).

Момент увеличения давления при ступенчатом цикле должен совпадать с прекращением тешктьщеления (вращения). Однако практически он иногда упреждает прекращение тепловыделения, а иногда отстает, так как точного совпадения добиться трудно. В первом варианте повышение давления при еще продолжающем­ся вращении вызывает излишнее выделение теплоты, а вместе с ней увеличение осадки, расхода металла, а также дополнитель­ную нагрузку на подшипники. Второй вариант предпочтительнее, так как за несколько долей секунды металл стыка еще не успевает остыть и эффект проковки не изменяется.

Применение ступенчатого цикла давления дает не только тех­нологические преимущества, но и позволяет вести процесс на­грева при пониженном давлении. В этом случае можно применять оборудование малой мощности, правда с некоторым усложнени­ем конструкции машины. Обычно ковочное давление задается в 2 — 3 раза выше, чем давление в процессе сварки.

Общая осадка при СТ (сумма значений осадки при нагреве и проковке) является важным технологическим параметром, по которому определяют длину заготовок с припусками, длину сва­ренного узла, расход материала и размеры грата, подлежащего обработке.

Оптимальные значения осадки и времени нагрева определяют экспериментальным путем по моменту, когда процесс тепловы­деления достигнет установившегося состояния. Этот момент мож-

но определить по показаниям амперметра, включенного в цепь питания двигателя машины.

Достижение установившегося значения мощности тепловыде­ления происходит за различное время, которое зависит от скоро­сти вращения и диаметра свариваемых деталей. По мере их увели­чения время осадки и нагрева сокращается. Примеры средних зна­чений режимов и суммарной осадки для сварки трением конст­рукционных сталей представлены в табл. 7.1.

Подготовка деталей под сварку. Кроме перечисленных пара­метров необходимо учитывать характер состояния поверхностей трения деталей перед сваркой. Их загрязненность, шероховатость (чистота обработки), форма этих поверхностей — некоторые из основных параметров процесса сварки трением.

Эти параметры могут оказывать значительное влияние и на ход процесса, и на качество соединения, в особенности при сварке деталей из разнородных материалов.

Если степень загрязнения трущихся поверхностей изменяется от детали к детали, то изменяется и длительность первого этапа нагрева — время, необходимое ддя удаления (вытеснения, выжи­гания) смазки и загрязнений с поверхностей трения, а также вре­мя, необходимое для возбуждения первых очагов схватывания. При регламентации нагрева по времени различная длительность пер­вого этапа процесса приводит к дефициту времени, остающегося для последующих этапов нагрева, и вызывает непостоянство их длительности. Это, в свою очередь, отражается на тепловыделе­нии и приводит к снижению качества сварного соединения.

В этом случае лучше регламентация процесса нагрева по осадке вместо регламентации по времени. Если же это невозможно, то детали перед сваркой следует обязательно очищать от смазочных масел и других загрязнений.

Влияние загрязнений на дестабилизацию качества сварных со­единений особенно проявляется при малых скоростях вращения, когда длительность 1 - го и 2-го этапов процесса нагрева является определяющей в общем балансе времени (см. рис. 7.2). Увеличение скорости относительной частоты вращения и давления при нагреве благоприятно отражается на стабильности качества сварных соеди­нений деталей с плохой подготовкой свариваемых поверхностей.

Тонкие оксидные пленки на соединяемых поверхностях при сварке деталей из одноименных металлов не приносят вреда свар­ному соединению. Их наличие не влияет на течение процесса нагрева. Они быстро разрушаются при трении и их частицы вы­носятся из стыка вытесняемым в радиальных направлениях ме­таллом.

На поверхностях трения недопустимо лишь присутствие ока­лины. На деталях, подвергавшихся до сварки ковке, штамповке или некоторым видам термической обработки, эти поверхности должны быть очищены от окалины любым доступным на данном предприятии способом, например дробеструйной обработкой.

Подготовка торцевых поверхностей под СТ может быть выпол­нена самыми различными способами: подрезкой на токарном стан­ке, рубкой на механических ножницах и прессом, резкой механи­ческой пилой или обработкой наждачным кругом. В этом отноше­нии процесс СТ одноименных металлов весьма непритязателен. При сварке одноименных металлов перпендикулярность торцов оси вращения не обязательна; отклонение может составлять 5...7° без заметного влияния на качество сварного соединения. При этом требуется вести процесс с регламентацией по времени. Неподре - занная центральная часть торцевой поверхности детали при ее токарной обработке, различного рода заусенцы, остающиеся на краю поверхности при резке заготовки ножовочным полотном, также не влияют на процесс СТ. Все эти небольшие по сечению выступы на торцевых поверхностях почти мгновенно стираются в самом начале сварки.

При соединении встык двух деталей одинакового диаметра из металлов, обладающих различной степенью пластичности при температурах сварки, требования к подготовке торцов несколько усложняются: деталь из более твердого и плохо деформирующего­ся металла требует более жестких допусков на обработку торца. Если одна из деталей в процессе сварки практически не деформи­руется вовсе (например, сталь при сварке с алюминием), требу­ется очень тщательная торцовка такой детали; биение не должно превышать 0,2 мм. В противном случае возможно получение недо­брокачественного сварного соединения. Такую точную обработку следует выполнять в зажимном патроне сварочной машины со специальным резцовым суппортом.

Тщательная торцовка необходима также при выполнении сварки трением Т-образных соединений даже из однородных металлов. Если к развитой плоской поверхности приваривают деталь труб­чатого сечения, то неперпендикулярность плоскости трения от­носительно оси вращения неизбежно приводит к неплотному (хотя иногда и прочному) соединению.

Качество сварки трением. Сварка трением обеспечивает высо­кое и стабильное качество сварного соединения при условии со­блюдения требуемого качества исходного материала свариваемых заготовок и технологических параметров режима сварки. Несмот­ря на это, почти все промышленные предприятия осуществляют выборочный или 100%-ный контроль качества сварных изделий в зависимости от их назначения. Например, на Волжском автомо­бильном заводе (г. Тольятти) проводят 100%-ный контроль каче­ства клапанов, изготовленных с применением ИСТ, методом из­гиба в области упругой деформации, учитывая, что клапан дол­жен обладать высокой гарантией надежности.

В табл. 7.2 приведены возможные виды и причины брака при ИСТ.

Качество деталей, изготовленных ИСТ, оценивают по резуль­татам визуального контроля, механических испытаний (растяже­ние, кручение, изгиб и др.), микроструктурного анализа, конт­роля сварных соединений без разрушения (магнитная и ультра­звуковая дефектоскопия и др.), технической пробы в виде ручной отбойки. Одним из основных методов контроля является визуаль­ный контроль с использованием оптических приборов. При внеш­нем осмотре выявляют смещение и кривизну сварной детали или узла, наружные трещины в шве и зоне термического влияния.

С помощью механических испытаний и последующего изуче­ния изломов образцов выявляют непровар, перегрев, поры, рас­слоения и другие дефекты сварного соединения. Для механичес­ких испытаний изготовляют стандартные образцы со стыком в середине образца. Часто эти испытания проводят на образцах с кольцевой проточкой по линии сварного шва при уменьшении сечения до 30 %.

Эффективным методом контроля качества сварных соедине­ний является микроструктурный анализ (рис. 7.6), позволяющий обнаружить внутренние и наружные трещины, непровары, газо­вые поры и неметаллические включения, дефекты структуры в зоне сварного соединения и зоне термического влияния.

В последнее время большое внимание уделяют неразрушающим методам контроля. Капиллярным методом обнаруживают поры, непровары и наружные трещины. Наружные и залегающие на глу­бине до 5 мм трещины, поры и непровары выявляют магнитопо­рошковым методом. Ультразвуковая дефектоскопия позволяет выя­вить непровары, трещины, различного вида включения. Несплошно - сти и включения определяют магнитографическим методом. С помо­щью радиационной дефектоскопии обнаруживают непровары, поры

и включения, трещины в шве и зоне термического влияния. Ука­занные методы обеспечивают высокую точность оценки качества сварных соединений и возможность рассортировки их по категори­ям годности: годные, исправимый и неисправимый брак. В основ­ном оценку качества проводят в соответствии с техническими ус­ловиями на изготовление и приемку сварных узлов и изделий.

Несмотря на длительность, наиболее ценные результаты по качеству сварных соединений дают лабораторно-стендовые и про­изводственные испытания готовых узлов и изделий.

В настоящее время разработаны средства пассивного и актив­ного контроля процесса инерционной сварки трением, позволя­ющие обнаружить и даже предупредить появление перечисленных видов брака.

Система пассивного контроля позволяет с помощью датчиков и самопишущих приборов регистрировать отклонения наиболее важных параметров процесса сварки. Рассмотрение ленты с запи­сью процесса сварки всей партии деталей дает возможность вы­браковывать детали.

Одной из важнейших характеристик процесса инерционной сварки является число оборотов, совершаемых маховиком за один цикл сварки при заданных значениях других параметров. Приме­нительно к установке для инерционной сварки трением разрабо­тана система регистрации числа оборотов, совершаемых махови­ком за один цикл, которая обеспечивает получение сварных изде­лий с гарантированным качеством.