Сварка трением

Сварка трением — технология, применение, схема, недостатки и преимущества

Сварка трением

Сварка трением — достойная альтернатива классическим сварочным технологиям, со своими особенностями, областью применения, несомненными плюсами и существенными минусами. Их подробный разбор и рассмотрение видов сварки трением поможет читателю определить, подходит ли она для решения существующих задач.

Что такое сварка трением

Сварка трением, по сути, это способ соединения металлов под давлением при нагреве до точки пластичности за счет фрикционных сил во время взаимного движения заготовок. Детали подвергают трению под большой нагрузкой. Благодаря происходящим в металле внутренним структурным процессам, удается получать прочные соединения без больших энергозатрат.

Движение бывает:

  • вращательным;
  • поступательным;
  • возвратно-поступательным (колебательным).

Двигаются обе заготовки одновременно или только одна, вторая жестко закреплена. В отличие от других видов сварки, технология с использованием силы трения применима для сплавов с разными температурами плавления. В процессе соединения металл не расплавляется, а вдавливается, образуя прочный шов.

: Сварка тонкого металла электродом — технология, электроды

Принцип сварки трением

Суть технологии состоит в сваривании деталей и заготовок через нагрев трением друг о друга, плавящим металл и образующим соединение частей. Последнее дополнительно обеспечивается давлением на детали и усиливается их немедленной проковкой.

Этапы сваривания:

  1. Детали придавливают друг к другу и создают трение движением одной либо обеих.
  2. Свариваемые поверхности притираются, разрушая оксидно-жировые пленки и разогреваясь до стадии расплавленности.
  3. Между поверхностями возникают металлические связи.
  4. Одновременно с прекращением трения формируется сварное соединение, незамедлительно укрепляющееся проковкой.

В зависимости от вида сварки давление остается постоянным либо постепенно усиливается. Трение чаще прочего создается вращательным движением одной из свариваемых деталей.

Понятие и определение сварки трением

Сварка трением — это технологический процесс изготовления сварного соединения, который происходит за счёт использования тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых заготовок, прижатых с усилием друг к другу и при этом, одна из заготовок движется относительно другой.

После прерывания, или полной остановки движения заготовки, сварка трением прекращается приложением усилия проковки.

Как и при других методах сварки давлением, сварное соединение получается в результате совместной пластической деформации соединяемых участков сварных заготовок.

Но отличительной особенностью процесса сварки трением является получение тепловой энергии непосредственно в зоне соединения за счёт трансформирования работы, направленной на преодоление сил трения между заготовками.

Эти силы возникают при взаимном перемещении трущихся поверхностей свариваемых заготовок.

Область применения

Чаще всего сварку трением с перемешиванием используют для соединения заготовок из алюминия и его сплавов, что легко объяснить сложностями проработки этих металлов классическими методами, в первую очередь – их склонностью к образованию тугоплавких оксидных пленок.

Основными сферами применения технологии стали промышленность, энергетика и транспорт, в частности:

  • изготовление автомобилей и их комплектующих;
  • производство железнодорожного подвижного состава и элементов инфраструктуры;
  • изготовление и ремонт деталей, узлов и агрегатов морских судов;
  • авиационная и космическая промышленность;
  • тепловая и атомная электроэнергетика.

Этот перечень постоянно пополняется новыми пунктами. Постепенно оборудование для сварки трением с перемешиванием становится доступнее, входит в производственные фонды относительно малых промышленных предприятий.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам данного метода относятся:

  • высокая производительность;
  • энерго/эффективность;
  • стабильность и качество соединения на высоком уровне;
  • лояльные требования к чистоте поверхности;
  • возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
  • Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.

Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла.

«К сведению!

В рабочем процессе не выделяются вредные газы, отрицательно влияющих на здоровье рабочих.

»

Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:

  • универсальность процесса на низком уровне;
  • тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
  • искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.

Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.

Режимы и процесс сварки

Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.

Технология сварки методом трения

На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.

К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.

Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.

Способы

Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.

Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.

Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.

Дополнительно он формируется заплечниками. С помощью выдавливания и перемешивания происходит формирование сварного шва.

Линейная сварка трением

Ротационная сварка трением сегодня считается разработанным и распространенным способом. Она активно используется при выпуске холодильного оборудования, производстве паромов, тепловых обменников и электрических силовых агрегатов.

Техника задействована в научных и исследовательских целях, а также в автомобильной отрасли.

Какое оборудование необходимо?

К процессу подключаются специальные машины. Например, автоматическая установка СТ 110, предназначенная для производства  автомобильных выпускных автомобилей.

Машины комплектуются рабочими узлами. Это: вращающийся привод, фрикционная муфта, шпинделя с ремённой передачей тормоз.

Большая часть машин оборудована приводом вращения, в который входит асинхронный электрический силовой агрегат, клиномерная передача с зубчатым ремнём.

Оборудование для сварки трением

Этот способ сварки подразумевает использование и других конструкций. К примеру, машин для микро и прецизионной сварки. «Малыши» не отстают от «взрослых». В маленьких конструкциях шпиндель должен разогнаться и развить частоту вращения 80-650 с-1.  Сварки трением по ГОСТ 260184 регламентирует термины и определения основных понятий.

Техника безопасности

В процессе работ необходимо соблюдать противопожарную и личную безопасность.

Процесс безопасности включает подготовительный этап и рабочие моменты.

Это проверка рабочей формы и защитных принадлежностей. Освобождение рабочей зоны от посторонних предметов.

Проверка рабочего инструмента и электрических соединений.

Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.

В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видео сварки трением, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.

Важно, чтобы каждый сотрудник перед началом работы прошёл технический и личный инструктаж. Для этого предусмотрен специальный журнал.

Заключение

Существующие процессы и технологии не стоят на месте. Специалисты изучают методы работы и стараются усовершенствовать конечный результат.

Хотя сварка трением считается изученной и понятной, но всё равно научные работники и исследовательские центры хотят расширить её возможности для получения более качественной продукции. Использовать метод, расширив его географию.

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.

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:

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

Поиск записей с помощью фильтра:

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

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.

Особенности процесса сварки

Возможности этой технологии позволяют производить сварку трением алюминия без использования присадочного материала и защитных газов. Она обеспечивает полный провар металлов толщиной в пределах 3 см без риска возникновения внутренних пустот с порами.

Хорошие прочностные характеристики при незначительных деформациях достижимы даже в особых случаях соединений алюминиевых сплавов, когда прочие технологии их соединения не гарантируют успеха.

Эффективна данная технология также для сваривания сплавов свинца, меди, магния и даже титана.

Радиальная технология нашла применение в обработке сваркой трением пластмасс и длинномерных изделий. К примеру, она незаменима в устройстве трубопроводов, когда требуется сварка труб с неповоротными стыками.

В этом случае необходимо, чтобы обе части сохраняли неподвижное положение. Поэтому их нагрев осуществляется с помощью вращения особой вставки в зазор между ними, которую удаляют непосредственно перед проковкой.

В процессе вибрационной или линейной сварки трением одна из соединяемых заготовок остается неподвижной, а вторая совершает поперечные колебательные движения.

Данный способ эффективен для соединения изделий с прямоугольным сечением. Одной из его разновидностей является схема наплавки вибротрением.

Она предусматривает совершение прутком поступательных колебательных движений в направлении, перпендикулярном оси перемещения обрабатываемой заготовки.

Сварка трением с перемешиванием производится с помощью перемещающегося инструмента. В ходе такого процесса соединяемые листы или детали неподвижно скрепляются. Зазор при этом должен быть минимальным.

При введении в него вращающегося инструмента с последующим его передвижением вдоль линии шва осуществляется нагрев поверхностного слоя металла.

От вращения инструмента торцы заготовок плавятся, их металл перемешивается и образует соединение.

Применяемое оборудование

Для сваривания используют металлорежущие станки, но они не подходят для длительного применения, быстро выходят из строя. Специальные машины с блоком управления созданы по одному принципу: силовой привод подводится к двигающимся механизмам.

Для фиксации свариваемых заготовок предусмотрены зажимные устройства, двигающие механизмы. Работает оборудование в автоматическом или полуавтоматическом режиме (укладка заготовок, выемка готовых изделий производится в ручном режиме). Машины бывают универсальными и под определенную технологию.

На некоторых устройствах предусмотрена предварительная подготовка свариваемых поверхностей, заточка и выравнивание кромок.

Как происходит процесс сварки

Соединение заготовок трением с перемешиванием не требует выполнения каких-либо предварительных операций, в том числе кромкования. Даже очистка и удаление поверхностных пленок осуществляются непосредственно рабочим органом установки.

После закрепления заготовок на опорном столе выполняется следующая последовательность действий:

  1. Вращающийся стержень, играющий роль сварочного инструмента, погружается наконечником в стык свариваемых заготовок. Силы трения, вызванные высокой скоростью вращения, раскаляют металл до пластичного состояния.
  2. Утолщенная часть вращающегося стержня, называемая буртом или заплечником, упирается в металл, ограничивая заглубление и предотвращая растекание сварочной ванны. Продолжая вращаться, наконечник перемешивает частицы металла.
  3. Одновременно с вращением инструмент начинает линейное движение, продвигаясь вдоль шва и формируя единую сварочную ванну с равномерно распределенным веществом. Бурт давит на ванну, уплотняя материал и придавая зоне пластичного течения направленную форму.
  4. По мере отдаления наконечника ванна начинает остывать. Проработав шов, то есть завершив линейное движение, инструмент извлекается. В конечной точке обычно остается небольшое отверстие от наконечника.

Обычно ось инструмента слегка наклонена вперед по ходу движения, что облегчает процесс. Стандартный угол уклона – 1,5-4,5°.

Если угол избыточен, бурт не будет полностью касаться поверхности металла, что, в свою очередь, способно вызвать тоннельный дефект.

Cварка трением

Сварка трением

Сварка трением — достойная альтернатива классическим сварочным технологиям, со своими особенностями, областью применения, несомненными плюсами и существенными минусами. Их подробный разбор и рассмотрение видов сварки трением поможет читателю определить, подходит ли она для решения существующих задач.

Особенности технологии

Характерные особенности сваривания трением:

  • применимость для скрепления низкосвариваемых материалов, включая сталь и алюминий;
  • способность соединять разнородные металлы;
  • высочайшая эффективность скрепления деталей диаметром до 100 мм.

Важно: сваривание трением успешно применяется как для соединения металлических поверхностей, так и заготовок из термопластиков.

Технология сваривания трением включает подготовку материалов и настройку режима сварки.

Первый этап предельно прост, так как не требует удаления неровностей, загрязнений и признаков коррозии в месте приваривания — все это сходит на нет при нагреве металлических поверхностей.

Подходящие параметры режима сварки:

  • Частота вращения — при сваривании алюминия, меди и их сплавов рекомендуется 2, черных металлов — от 2,6 до 3, титана — 4 или 5.
  • Удельное давление притирки — для всех материалов разное, значится в нормативной документации по сварке металлов.
  • Удельное давление нагрева — для алюминия подходит от 7 до 20 мегапаскалей, углеродистой либо низколегированной стали от 30 до 60 МПа, для жаропрочной либо инструментальной стали от 61 до 120 МПа.
  • Удельное давление проковки — зависит от пластических характеристик соединяемых материалов, определяется по нормативной документации.
  • Длительность нагрева и торможения — единых параметров нет, выставляется на усмотрение сварщика.

Обязательно задавать также размер свариваемых деталей и мощность сваривания.

Оборудование

Перечень оборудования определяется областью применения технологии и частично стоимостью.

Как минимум необходимы:

  • сварочный агрегат;
  • устройство для снятия грата;
  • манипулятор либо иной аппарат для перемещения крупных деталей (заготовок).

Разновидности

Сварка трением с перемешиванием, придуманная и разработанная в Великобритании в начале 90-х прошлого века, осуществляется с помощью штыря из высокопрочного сплава с заплечиками. Он вращается, входит в плавящийся металл на линии стыка деталей и перемешивает его поверхностные слои, обеспечивая формировку сварного шва с равномерной структурой.

Радиальная 

Применима для сваривания металлических труб. Производится путем надевания на линию стыка одного или двух (наружного и внутреннего) колец, предварительно выплавленных из того же материала, что трубы. Кольца вращаются и плавят поверхность свариваемых элементов.

Штифтовая 

Изобретена для ремонта и усовершенствования деталей. В изделии сверлится отверстие, куда вставляется штифт из того же материала, который вращаясь плавит металл и образует сварной шов.

Орбитальная 

Это скрепление деталей, вращающихся по отношению друг к другу, но без движения вокруг своих осей. Когда металл на линии стыка достаточно нагревается, происходит совмещение осей заготовок и прекращение вращения. Далее следует проковка с завершающим формированием сварного шва.

Линейная 

Выделяется из прочих разновидностей тем, что вместо вращательного хода штыря, штифта либо кольца совершаются возвратно-поступательные движения одной из заготовок. Когда трущиеся друг о друга поверхности достигают требуемой температуры, заготовка замирает и увеличивается давление. На линии стыка образуется прочный шов.

Преимущества и недостатки

Ключевые плюсы:

  • Максимальная производительность. Подготовка материалов, непосредственно процесс сваривания, продолжающийся не более нескольких минут, и заключительные операции требуют гораздо меньших временных затрат, чем другие виды сварки.
  • Минимальные требования к чистоте свариваемых поверхностей — тщательная зачистка не нужна, что опять-таки существенно экономит время и усилия.
  • Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Методом трения соединяются пары материалов, не рассчитанные на сварку иными способами.
  • Энергоэффективность. Материалы нагреваются максимально быстро и в локальной закрытой области, что делает ничтожно малыми потери энергии по сравнению с прочими методами сваривания. Энергозатраты ниже во много раз, вплоть до десятикратной экономии, что при сегодняшней стоимости электроэнергии немаловажно.
  • Безупречное качество шва. Если сваривание производится в правильном технологическом режиме, шовная линия и околошовные области обретают фактически полную идентичность основному металлу по строению и показателям. Притом в шовном материале фактически нет пор, трещин и прочих дефектов.
  • Высочайшая стабильность показателей швов всей партии изделий. При точном соблюдении технологического режима готовые изделия (детали и пр.) отличаются своими характеристиками на десятые доли процента, благодаря чему ОТК может осуществлять выборочный контроль качества, обеспечивая серьезную экономию времени и ресурсов. После прохождения разрушающего контроля одним изделием специалисты могут давать заключение о годности целой партии.
  • Экологичность технологии. Воздушная среда не загрязняется вредными веществами, также не причиняется вред здоровью сварщиков слепящим светом, разбрызгиванием плавящегося металла, выделяющимися газами, УФ-излучением и др.
  • Легкость автоматизации, что играет решающую роль при использовании технологии для массового производства. Сваривание можно осуществлять на агрегатах с программируемым управлением, сводя ручной труд к минимуму, нередко к нулю.

Минусы, свойственные свариванию трением и нередко оказывающиеся критичными:

  • Применимость к сравнительно малому количеству форм заготовок из-за необходимости, чтобы хоть одна выступала телом вращения. Технология не может использоваться для соединения поверхностей большой протяжности, формирования сложных швов, монтажа крупных конструкций, варки кузовов автотранспорта и др. Но в машиностроительстве нужной формой обладают свыше 75% деталей.
  • Ограниченный размер поверхностей. Длина заготовки ограничивается вылетом бабки станка, диаметр — кулачков патрона.
  • Относительная дороговизна оборудования.
  • Громоздкость сварочного агрегата и других устройств, нуждающихся в стационарной установке и электроснабжении, в связи с чем технологию невозможно использовать на монтажных работах.
  • Возможное радиальное искажение текстуры в месте шва и в прилегающих областях, если при эксплуатации готовое изделие испытывает большие динамические нагрузки. Не исключается и уменьшение стойкости к повреждениям коррозией. Чтобы предотвратить оба явления, на деталях частично оставляют грат. Притом снятие именно той части грата, которую нужно, связано с трудозатратами, так что в этом случае свести ручной труд человека к нулю невозможно.

Перечисленные минусы выводят сваривание трением из разряда универсальных методов обработки металлов и сплавов, но в областях применимости ему стоит отдать предпочтение, так как плюсы перевешивают.

Оригинал: https://prompriem.ru/svarka/svarka-treniem.html

Технология сварки трением

Сварка 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:

  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.

Сварочные операции: Сварка трением и диффузионная сварка

Сварка трением

Оригинал: https://www.uniprofit.ru/spravka/article/svarka-treniem-diffuzornaya/

Сварка трением на токарном

Сварка трением

Оригинал: https://www.youtube.com/watch?v=ll3GYDuKxks

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Тратосфера