ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Сварка трением

Сварка трением - сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным относительным пере­мещением свариваемых частей или инструмента.

Наиболее распространенная схема ротационной сварки приве­дена на рис. 5.7. Две заготовки, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах машины; одна из них - неподвижна, а другая приво­дится во вращение вокруг их общей оси. На сопряженных торцовых поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевым усилием Р, возникают силы трения.

Работа, затрачиваемая при относительном вращении сваривае­мых заготовок на преодоление этих сил трения, преобразуется в теп­лоту, которое выделяется на поверхностях трения и нагревает приле­гающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования сварного соединения (при сварке черных металлов тем­пературы в стыке достигают 1000. 1300° С). Таким образом, в стыке действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий бы­стрый локальный нагрев небольших объемов металла.

В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях под воздействием осевого усилия и танген­циальных сил, возникающих в стыке при вращении одной детали от­носительно другой. Выдавленный металл (грат) - имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, располо­женного по обе стороны плоскости стыка.

При выдавливании пластичного металла из стыка в радиальных направлениях хрупкие оксидные пленки, покрывавшие торцовые по­верхности соединяемых заготовок до начала сварки, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых пленок и другие инородные включения вместе с металлом удаляются из стыка в грат.

Нагрев прекращается путем быстрого (практически мгновенно­го) прекращения относительного вращения. При этом в контакт ока­зываются введенными очищенные торцовые поверхности соединяе­мых деталей, металл которых доведен до состояния повышенной пла­стичности. Для получения прочного соединения достаточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию - про-

ковать. Это достигается с помощью продолжающего еще некоторое время действовать осевого усилия.

Таким образом, прочность образующегося сварного соединения непосредственно связана с величиной пластического деформирования торцов свариваемых деталей и с режимом проковки.

В свою очередь, степень пластического деформирования и гео­метрия зоны сварки зависят от количества и характера выделения теп­ла при трении, теплопроводности материала заготовок, распределения давления в контакте с учетом изменения механических свойств мате­риала заготовок при нагреве и длительности цикла сварки.

Мощность выделения тепла в точках, расположенных на рас­стоянии ri от оси вращения составляет:

AN = 2nfpnri,

где: f - коэффициент трения; р - нормальное давление в контакте; n - частота вращения.

Суммарная мощность составит:

На периферии стыка нагрев металла более значителен чем в зо­не оси вращения. При сварке происходит перераспределение давле­ния. Оно концентрируется в центральной зоне (там, где скорость тре­ния и нагрев материала меньше). Обычно скорость трения составляет 10.25 м/с. При скоростях меньше 10 м/с необходимо увеличивать давление, что может привести к деформациям заготовок. При сварке сталей рекомендуются давления: на фазе нагрева 0,6 МПа; на стадии проковки - 1,5 МПа. При нагреве происходит притирка поверхностей заготовок, удаление оксидных пленок и загрязнений, что сопровожда­ется уменьшением линейных размеров заготовок. После проковки также происходит уменьшение суммарной длины заготовок. Если не-

обходимо обеспечить точный осевой размер свариваемого изделия, то используется контроль изменения длины заготовок. Управление про­цессом сварки в современных станках осуществляется на основе дан­ных о скорости изменения длины заготовок на стадиях нагрева и про­ковки.

Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, определяющей его энергетические и технологические преимущества, к которым в первую очередь относятся следующие: Высокая производительность. Объем тонкого слоя нагреваемого ме­талла незначителен. Весь цикл его нагрева продолжается от 2 до 30 секунд (в зависимости от свойств материала и размеров сечения сва­риваемых деталей). Высокие энергетические показатели процесса. Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают высокий КПД процесса. Рас­ход энергии и мощности при сварке трением в 5.10 раз меньше чем, например, при электрической контактной сварке встык. Высокое ка­чество сварного соединения. При правильно выбранном режиме свар­ки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшей, чем основной металл соединяемых заго­товок; стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков. Металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия (бы­стрые нагрев и охлаждение в присутствии больших давлений), по сво­ему характеру близкого к режимам термомеханической обработки ме­таллов, приобретает сильно измельченную структуру. Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности. При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вво­димых в контакт поверхностей; боковые поверхности заготовок также могут оставаться неочищенными, что в значительной мере экономит

время вспомогательных операций. Возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях. Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разно­именных металлов и сплавов (например, сочетания алюминий - сталь, медь - сталь, титан - алюминий, медь - алюминий). Простота механи­зации и автоматизации. Сварку трением выполняют на специальных машинах; основные параметры процесса сравнительно легко про­граммируются, и, как правило, все оборудование представляет собой полуавтоматы или автоматы.

К недостаткам сварки трением можно отнести: Сварка трением не является универсальным процессом. С ее помощью могут осущест­вляться соединения лишь таких пар заготовок, из которых хотя бы од­на является телом вращения (круглый стержень или труба), ось кото­рого совпадает с осью вращения. Другая заготовка может быть произ­вольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая заготовка. Этот недостаток, однако, несущест­венно ограничивает применяемость сварки трением; так как в маши­ностроительных отраслях промышленности количество деталей круг­лого сечения составляет до 50. 70% от общего числа свариваемых деталей. Г ромоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным; процесс осуществим лишь при условии по­дачи заготовок, подлежащих сварке, к машине (приварка малых заго­товок к массивным конструкциям с помощью переносных машин ис­ключается). Искривление волокон текстуры проката в зоне пластиче­ского деформирования - волокна близ стыка располагаются в ради­альных направлениях и выходят на наружную (боковую) поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться оча­гом усталостного разрушения, а в деталях, работающих в агрессивных средах - очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения ука­занных дефектов является сохранение на детали грата. Необходимость съема грата, когда это по конструктивным соображениям оказывается необходимым. На это затрачивается добавочное время либо на сва­рочной машине, либо на отдельном рабочем месте.

Сварка трением широко применяется при изготовлении: В авто­мобилестроении - деталей рулевого управления, карданных валов лег­ковых и грузовых автомобилей, полуосей, картеров задних мостов ав­томобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидравлических систем и др. В тракторостроении - деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбо нагнетателей дизельного двигателя и др. В электропромышленности - деталей высоковольтной аппаратуры, вы­водов бумаго-масляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневматических цилиндров сварочных машин и др. В инструментальном производстве - при массовом изго­товлении концевого режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики).

Принципиально сварку трением можно вести на любом метал­лорежущем станке имеющем патрон на вращающемся шпинделе для закрепления одной из свариваемых деталей и место для установки второй детали (токарный, фрезерный, расточной, сверлильный и т. п. станки). Однако использование универсальных металлорежущих станков для сварки трением приводит к их быстрому износу. Универ­сальные станки не рассчитаны на режимы, свойственные сварке тре­нием; выходят из строя подшипниковые группы станков, ломаются станины.

В серийном производстве для сварки трением используют спе­циальные машины, снабженные силовым (обычно гидравлическим) механизмом прижима заготовок, электромагнитным тормозом шпин­делей установленных в подшипниках повышенной мощности.

Различают несколько видов сварки трением:

Инерционная сварка отличается от обычного способа сварки трением лишь тем, что потребляемая из электрической сети энергия, преобразованная электродвигателем в механическую энергию, посту­пает в зону сварки не непосредственно, а предварительно (в проме­жутках между сварками) аккумулируется в маховике машины. Про­цесс инерционной сварки начинается с того, что маховик машины с помощью электродвигателя приводится во вращение. Когда накоп­ленная энергия и угловая скорость достигнут достаточной для сварки заготовок величины, маховик отключается от приводного двигателя и подключается к шпинделю, на котором укреплена одна из заготовок. Если заготовки предварительно были прижаты осевым усилием одна к другой, то в стыке начинается процесс тепловыделения.

Время нагрева при инерционной сварке в несколько раз меньше, чем при обычной сварке трением. Кратковременный цикл нагрева - охлаждения позволяет с помощью инерционной сварки соединять та­кие разнородные материалы, как титан с алюминием и другие сочета­ния, в то время как при обычной сварке трением это в ряде случаев невыполнимо. Однако при сварке сталей склонных к образованию за­калочных структур (сварка быстрорежущих сталей с конструкцион­ными) быстротечность термического цикла приводит к образованию закалочных трещин.

Орбитальная сварка (рис. 5.8, а) отличается от обычного спосо­ба сварки тем, что позволяет осуществлять соединение не только круглых заготовок, но также и заготовок любой произвольной формы сечения. Это достигается путем вращения обеих свариваемых загото­вок с одинаковой угловой скоростью в одну и ту же сторону. При этом даже если торцы заготовок и были прижаты один к другому, си­лы трения между ними не возникнут. Если одну из заготовок сместить в радиальном направлении то в стыке возникнет трение, начнется теп­ловыделение. Процесс тепловыделения завершается принудительным совмещением осей вращающихся заготовок. Во время торможения обеих заготовок их торцами прикладывается проковочное давление. К моменту остановки заготовок, они оказываются сваренными.

Сварка двух деталей с помощью третьего тела применяется для соединения длинных (или коротких, но массивных) заготовок. Во время сварки крайние заготовки (рис. 5.8, б) остаются неподвижными. Во вращение приводится только зажатое между ними тело (вставка).

В качестве вставки может быть использован тонкий диск с диаметром большим, нежели диаметр свариваемых заготовок, или относительно длинная в осевом размере вставка, диаметр которой может быть таким же, как и диаметр, подлежащих соединению заготовок.

Одновременная сварка трех заготовок - применяется с целью увеличения производительности труда. Одновременно свариваются три заготовки. Средняя заготовка в процессе сварки остается непод­вижной, а крайние - приводятся во вращение с помощью двух отдель­ных шпинделей.

Вибрационная сварка (линейная сварка LFW) - сварка трением некруглых деталей, при котором вместо относительного вращения ис­пользуется возвратно-поступательное движение торца одной из сва­риваемых заготовок относительно другой. В процессе возвратно - по­ступательного движения с частотой около 60 Гц и амплитудой до 3 мм, торцы заготовок сжимаются до образования плотного контакта. В процессе сварки вязкопластичные слои металлов заготовок переме­щаются к границам свариваемой поверхности. При этом удаляются окислы и загрязнения. Малая длительность процесса (до 20 с) обеспе­чивает минимальную зону термического влияния.

Сварка целого или полого стержня к диску или пластине являет­ся разновидностью ротационной сварки.

Перемешивающая сварка (ПСТ) выполняется торцом вращаю­щегося инструмента 3, перемещающегося в направлении сварки (рис.

5.8, в). Диаметр инструмента выбирается немного меньше, чем глуби­на сварки. Пластифицированные тепловыделением металлы заготовок 2 и 4 закручивается за счет сил трения относительно оси вращения инструмента. Происходит перемешивание металлов заготовок и фор­мирование сварного шва 1. Деформация и перемешивание металлов заготовок в твердой фазе создают микроструктуры более прочные, чем основной материал. Сварка может производиться в любом поло­жении по любой заданной траектории. ПСТ используется для сварки заготовок толщиной 1,6.30 мм (листовых, цилиндрических и трубча­тых) из стали и сплавов цветных металлов.

Штифтовая сварка трением (рис. 5.8, г) используется: при сварке под водой для конструкций, которые трудно сваривать обычным спо­собом; в ремонтном производстве для заварки трещин; для заварки литейных трещин. Предварительно сверлится отверстие, в которое вставляется штифт из того же материала, что и материал свариваемых заготовок. Сварка начинается с момента касания штифтом дна отвер­стия. В результате нагрева, внутреннего трения и пластической де­формации поверхность трения перемещается вверх по отверстию, по­ка пластифицированный металл полностью его не заполнит. Длитель­ность процесса сварки 5.20 с. Далее сверлят новое отверстие, и про­цесс сварки повторяется.