СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ И РЕЗКИ

СПЕЦИАЛЬНЫЕ СПОСОБЫ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ. Сварка трением

Виды трения

Различают внутреннее трение, когда превращения механичес­ких видов энергии в теплоту происходят во всех точках некоторо­го объема (даже если оно имеет малую толщину), и внешнее, ког­да развитие теплоты происходит только вдоль поверхности разде­ла двух тел, в которой протекает процесс трения скольжения.

При трении скольжения выделяют понятие о чистом трении. Оно возникает на чистых ювенильных поверхностях (не имеющих адсорбированных и оксидных пленок). Чистое трение сопровож­дается «заеданием» и «схватыванием» трущихся поверхностей.

Поэтому сварку трением можно отнести к разновидности чис­того трения с молекулярно-механическим изнашиванием трущихся пар за счет их межатомарного взаимодействия, в то же время это разновидность термомеханического способа сварки давлением, при котором детали очищаются от пленок загрязнений, оксидов, ад­сорбированных газов и нагреваются до пластического состояния в поверхностных слоях в результате трения и осадки сопрягаемых поверхностей.

Сила сопротивления, возникающая между двумя соприкасаю­щимися телами при относительном их перемещении в плоскости касания, называется силой трения.

Силу сухого граничного трения выражают в виде закона Амонто- на—Крагельского:

F = aS + РР,

где аир — постоянные коэффициенты трения, характеризующие материал поверхностей трения; S — фактическая площадь каса­ния соприкасающихся тел; Р — сила нормального давления, дей­ствующая на эти тела.

Основной особенностью сварки трением является исключитель­но рациональное генерирование теплоты, необходимой для обра­зования сварного соединения непосредственно в тонких трущих­ся поверхностных слоях свариваемых деталей.

Практическое применение в основном имеют четыре способа сварки трением:

• сварка трением с торможением;

• инерционная сварка трением;

• сварка трением без маховика и искусственного торможения;

• ротационная сварка трением.

Сварка трением с торможением. Практическое использование трения для соединения деталей началось в России в 1956 г. с пред­ложенной ленинградским токарем А. И. Чудиковым оригинальной схемы процесса, получившем в дальнейшем название сварки тре­нием (СТ) (русской, обычной, с непрерывным приводом, с тор­можением).

Первым исследователем сварки трением был В. И. Билль. В 1956—1959 гг. им разработаны основы теории и технологии про­цесса СТ, дана классификация и описание используемого обору­дования, отмечены достоинства способа сварки, что и обуслови­ло его широкое распространение в промышленности.

Технологическая сущность СТ состоит в следующем (рис. 7.1): две детали соосно устанавливают в зажимах машины. Одну из них приводят во вращение и прижимают к неподвижной. На торцах деталей возникают силы трения и происходит нагрев металла до температуры пластического состояния. Нагретый материал вместе с поверхностными загрязнениями, оксидами, адсорбированными газами выдавливается из стыка в виде грата. В соприкосновение приходят ювенилизированные и активированные поверхности — происходит сварка двух деталей. В этот же момент производится

отключение двигателя вращения, резкое торможение (за четверть оборота) и осадка. Локальное выделение теплоты в тонком слое металла и создание активированного слоя возбужденных атомов за короткое время обеспечило сварке трением ряд неоспоримых тех - нико-экономических достоинств, таких как высокое и стабильное качество соединения, простота процесса, легкость автоматизации, дешевизна и высокие производительность и экологичность.

Инерционная сварка трением. Классическая СТ имеет некото­рые недостатки — необходимость мгновенного торможения, боль­шую установочную мощность двигателя, большое время сварки по сравнению с контактной стыковой сваркой аналогичных деталей.

Все эти недостатки обусловлены тем, что при классической СТ мощность двигателя привода вращения детали выбирают ис­ходя из необходимости преодоления максимальной величины мо­мента трения (тах-момента) в начале процесса (рис. 7.2). Но про­должительность действия шах-момента в общем балансе цикла сварки не превышает 10 %. Обеспечивать преодоление шах-момента за счет мощности привода вращения нетехнологично, как нетех­нологично и достижение высоких температур за счет длительнос­ти времени трения, а не за счет сварочного давления.

Поэтому была разработана технология инерционной сварки тре­нием (ИСТ) с использованием инерции маховика без торможе­ния (патент ЧССР, 1959; патент США, 1964). Маховик накапли­вал энергию, необходимую для преодоления шах-момента сопро­тивления вращению в начале процесса трения.

По способу ИСТ (рис. 7.3) маховик 5 с выбранным моментом инерции вместе с подвижной деталью разгоняют с помощью не­большого приводного двигателя 1 до заданной скорости. Затем двигатель при помощи муфты сцепления 3 отсоединяют от вра­щающегося маховика с деталью, а неподвижную деталь привод сжатия 11 прижимает к вращающейся детали. Силы трения между вращающейся и неподвижной деталью тормозят и останавливают маховик с деталями. За короткое время торможения маховика про­исходит сварка деталей.

Достоинствами ИСТ считают отказ от узла принудительного торможения и сокращение числа основных параметров процесса сварки с пяти до трех:

• при классической ИСТ: со — угловая скорость шпинделя, / — момент инерции вращающейся массы; р — удельное сжатие дета­лей в процессе нагрева; Рк — усилие осадки (ковочное); t — время сварки или величина осадки;

• при ИСТ — только со, J, р, что позволяет снизить установоч­ную мощность, уменьшить припуск на сварку и сократить свароч­ный цикл в 3 раза.

В качестве недостатка ИСТ отмечают необходимость более тща­тельной подготовки свариваемых торцов в целях обеспечения их
перпендикулярности относительно оси вращения и невозможность использования классического оборудования СТ, а также невоз­можность регулирования стационарного этапа сварки трением без замены маховика, необходимость в высокооборотных двигателях для разгона маховика до частоты (5...20)- 103мин"‘ (83...330 с-1).

Кроме этого возникает необходимость в установке высоконагру - женных подшипников, способных выдерживать моменты инер­ции маховиков, превосходящие в 5 — 10 раз инерцию вращаю­щихся масс машин, используемых для классической СТ.

Сварка трением без маховика и искусственного торможения. Для устранения указанных недостатков ИСТ в 1982 г. С. А. Серегиным был предложен новый принцип использования классического оборудования СТ без искусственного мгновенного торможения вращения шпинделя с деталью с одновременным укорочением стационарного этапа сварки трением. Он обнаружил, что самопро­извольная остановка вращения состыкованных деталей за счет сво­бодного выбега вращающихся масс машины на этапе естественного самоторможения не приводит к нарушению качества сварки. Им же были обнаружены эффекты саморегулирования СТ и сверхвысокой скорости тангенциальной пластической деформации (сверхпластич­ности) в стыке шириной до 0,5 мм, которая на 5 порядков превы­шает скорость осевой пластической деформации.

Сварка металлов трением без искусственного торможения и без применения маховиков улучшает технико-экономические по­казатели процесса за счет экономии расходуемой энергии, сокра­щения цикла сварки, облегчения режима работы машины и упро­щения ее конструкции.

На примере сварки стержней диаметром 8 мм из стали Р12 и 45 при рсв = 180 МПа на рис. 7.4 приведены циклограммы процессов СТ при искусственном мгновенном торможении в сопоставлении с СТ без искусственного торможения.

Рис. 7.4. Кинетика изменения основных параметров сварки трения деталей из стали Р12 и 45 с торможением (-------------------- )

и без торможения( ) в процессе сварки по циклограмме:

а — изменение частоты вращения и; б — эквивалентного напряжения трения оэ; в — коэффициента трения /, г — температуры Т

д — осадки Д/; е — мощности N

Из циклограмм видно, что при одинаковой длительности ста­ционарного этапа (постоянной скорости вращения, примерно рав­ной 2 с) и искусственном мгновенном торможении остановка вра­щения деталей в зависимости от массы деталей происходит за 0,2...0,5 с, без искусственного торможения — за 1,5...2,5 с.

Коэффициент трения/в обоих случаях имеет по два максиму­ма. Один из них в начале процесса в обоих случаях/ = 0,7...0,8; второй максимум — в конце процесса торможения. При искусст­венном мгновенном торможении / = 0,9; при естественном / = = 1,2... 1,3, что в 2 раза больше первого максимума. На стационар­ном этапе в обоих случаях/ = 0,26.

Для оценки целесообразности СТ без искусственного тормо­жения наибольший практический интерес представляет измене­ние мощности в стадии торможения. При классической СТ она падает практически сразу до нуля. Во втором случае после отклю­чения двигателя треть мощности на свариваемом контакте еще остается в течение 0,3 с. Это способствует повышению температу­ры и скорости осадки в свариваемом контакте на всем этапе са­моторможения. Непосредственной причиной возрастания темпе­ратуры и скорости осадки в свариваемом контакте является повы­шение эквивалентного (суммарного) напряжения оэ вследствие роста на этапе торможения коэффициента трения / Из этого сле­дует вывод, что при СТ условие мгновенного прекращения вращения на завершающем этапе сварки не является обязательным.

Ротационная сварка трением. Ротационная сварка трением (РСТ) — сравнительно новый технологический процесс, предло­женный в 1991 г. Британским институтом сварки.

Особенность ротационной сварки трением заключается в том, что процесс соединения металлов происходит за счет теплоты, возникающей в стыке деталей при вращении (ротации) пуансона (рис. 7.5), прижатого к поверхности стыка деталей и перемещаю­щегося вдоль него. Вследствие высокой скорости вращения пуансо­на выделяется теплота, и на контактной поверхности стыкуемых деталей металл нагревается до температуры сверхпластичного со­стояния. Этому способствует выступающая центральная цилинд-

Рис. 7.5. Схема ротационной сварки трением:

1 — вращающийся пуансон; 2 — опор­ная часть пуансона; 3 — выступ (шип) пуансона; 4, 5 — свариваемые листы, закрепленные в оснастке; стрелками по­казано: а, b — фиксация деталей в при­способлении; с — поджатие пуансона к стыку деталей; d — вращение пуансона; е — направление движения пуансона
рическая часть пуансона меньшего диаметра, называемого шипом. При вращении пуансона создается тонкий слой металла в сверх - пластичном состоянии. Слой металла, смыкаясь за шипом по мере продвижения пуансона, образует монолитную структуру шва. Та­ким образом происходит процесс образования сварного соедине­ния, при котором свариваемые кромки деталей за счет деформа­ции и сверхпластичности металла образуют монолитную структу­ру, превышающую по своим прочностным и эксплуатационным характеристикам структуру, получаемую при сварке плавлением.

Другим достоинством РСТ является высокая производительность без какой-либо дополнительной обработки кромок изделия. Одним из основных достоинств сварных узлов и конструкций, сваренных ротационной сваркой трением, является их готовность к примене­нию сразу же после сварки. Отпадает необходимость в трудоемких послесварочных работах, таких как зачистка от шлака и брызг, механическая обработка усиления шва, правка и рихтовка.

Для каждого материала и его толщины рассчитаны оптималь­ное соотношение частоты вращения пуансона и скорости переме­щения по стыку.