Сварка трением | Сварка и сварщик

В 1956 г. токарь-новатор А.М. Чудиков предложил и практически осуществил сварку трением для ряда деталей. В этом виде сварки соединение получают при совместном пластическом деформировании и нагреве деталей. Нагрев происходит в результате трения двух поверхностей сжатых между собой деталей, то есть механическая энергия преобразуется в тепловую. Наибольшее распространение получила схема сварки, когда нагрев трением осуществляется в контакте между деталями, одна из которых вращается относительно другой. Возникающее при вращении трение, а также пластическое деформирование вызывают разрушение окисных и адсорбированных пленок и удаление их и других посторонних включений из зоны сварки. Такая очистка позволяет в процессе пластической деформации обеспечить надежную металлическую связь по всей поверхности свариваемых деталей и получить высокопрочное соединение.

В процессе нагрева трением различают три стадии.

Первая стадия представляет собой приработку трущихся поверхностей, когда сминаются выступы, разрушаются пленки, обеспечивается металлический контакт по всей поверхности стыка свариваемых деталей.

В конце первой стадии момент сил трения уменьшается до минимума.

С началом второй стадии возникают отдельные очаги металлической связи (очаги схватывания), которые постепенно расширяются, но по мере перемещения трущихся поверхностей относительно друг друга разрушаются. На этой стадии момент трения постоянно нарастает до максимума и происходит интенсивный нагрев торцов.

Для третьей стадии характерно падение момента сил трения, так как с повышением температуры металла очаги схватывания легко разрушаются и прочность металла уменьшается. При нагреве торцов деталей до пластического состояния (Тп = 0.7…0.9 Тпл) момент сил трения стабилизируется и в дальнейшем не меняется. В результате температура по сечению стыка выравнивается и металл деталей оказывается подготовленным к образованию сварного соединения. Вращение детали практически мгновенно прекращается и детали сжимаются с усилием проковки, которое обычно в два раза больше усилия при нагреве.

Основные параметры режима сварки трением:

1. Скорость относительного перемещения свариваемых поверхностей. Для вращающихся деталей оптимальное число оборотов должно соответствовать относительной окружной скорости Vокр = 12…60 об/мин.

2. Величина осевого усилия при нагреве Рн и осевого усилия при проковке Рп. Эти усилия зависят от площади сечения свариваемых деталей и свойств материалов. Поэтому эти усилия для разных материалов задаются через удельное давление Руд = 2…25 кг/мм2.

3. Величина осадки при нагреве ΔL_H и осадки при проковке ΔLп. Суммарная осадка зависит от свойств материала и выбирается в зависимости от диаметра деталей dд, то есть ΔL_H + ΔLп = 0.2…0.5dд, величина ΔL_H прямо зависит от времени нагрева tH, которое часто используется в качестве параметра режима сварки. Малый объем металла, нагреваемого при сварке трением, требует малого времени нагрева (1.5…50 с) и незначительного расхода энергии.

Мощность при сварке трением в 5…10 раз меньше, чем при контактной сварке. При этом обеспечивается равномерная нагрузка фаз питающей сети и высокий коэффициент полезной мощности cos ? = 0.8…0.85. Мощность двигателя для вращения детали можно существенно уменьшить, если предварительно накопить механическую энергию во вращающемся маховике машины. По этому принципу создано оборудование для так называемой инерционной сварке трением.

Одно из наиболее важных преимуществ сварки трением — высокое качество получаемых сварных соединений: без пор, раковин, окислов. При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл. Свойства сварного соединения практически не зависят от таких внешних факторов, как колебания напряжения питающей сети, качество вспомогательных материалов, квалификация сварщика и т.п. Сварка трением позволяет получать прочные соединения не только из одноименных, но и из большого числа сочетаний разноименных металлов и сплавов.

При сварке трением не предъявляются высокие требования к загрязненности и чистоте обработки поверхности деталей. Сам процесс сварки легко автоматизируется. Кроме того, при сварке трением отсутствуют вредные выделения, рабочее место отличается чистотой.

Недостатки сварки трением:

1. Применение сварки трением обусловлено формой сечения деталей. Необходимо, чтобы обе или одна из деталей представляли собой тело вращения (стержень или трубу), ось которого совпадает с осью вращения. Вторая деталь может быть плоской.

2. Ограничены размеры сечения свариваемых деталей в месте их сопряжения. Использовать этот процесс для сварки стержней сплошного сечения диаметром более 200 мм при современном уровне развития техники нецелесообразно из-за высокой стоимости изготовления и эксплуатации сложного и энергоемкого оборудования.

Различные схемы сварки представлены на рис. 1 — 4. Первая является наиболее распространенной, ее чаще всего реализуют в специальном сварочном оборудовании для сварки трением (рис. 1). вторая схема применяется при сварке массивных деталей для снижения кинетической энергии вращения.

В этой схеме проще осуществить торможение и быструю остановку детали (рис. 2).

Рис. 1. Схема сварки трением с одной вращающейся деталью: М — момент сил трения; Р — усилие сжатия.	Рис. 2. Схема сварки трением с двумя вращающимися в разные стороны деталями: М — момент сил трения Р — усилие сжатия.

Расширить возможности использования сварки трением для длинномерных деталей, вращение и в особенности быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно по третьей схеме путем вращения вспомогательной детали, зажатой между двумя не вращающимися и подлежащими сварке деталями (рис. 3).

На рис. 4. показана схема сварки вибротрением, отличительная особенность которого — сообщение одной из свариваемых деталей возвратно-поступательного движения в плоскости трения с относительно малыми амплитудами. В этом случае можно сваривать детали с различной формой поперечного сечения.

Рис. 3 Схема сварки трением с одной вращающейся деталью: М – момент сил трения; Р – усилие сжатия	Рис. 4. Схема сварки трением с двумя вращающимися в разные стороны деталями: М – момент сил трения Р – усилие сжатия

Для сварки деталей некруглого сечения предложена схема сварки, которая получила название орбитальной сварки трением (рис. 5). Некруглые детали вращаются синхронно с одинаковой скоростью в одном направлении, но оси их вращения не совпадают. При этом кромки деталей относительно друг друга не смещаются, а в стыке возникает трение, которое вызывает нагрев. Процесс нагрева прекращается при принудительном совмещении осей вращающихся деталей, после чего к ним прикладывается осевое усилие проковки.

Перед сваркой детали следует очищать от жира и загрязнений, например, протиркой их торцевых поверхностей чистой тряпкой. В большинстве случаев этого вполне достаточно.

Рис. 5. Орбитальная сварка трением: Р — усилие сжатия; М — момент сил трения

Основные типы соединений, рекомендуемые при сварке трением: сварка стержней встык, сварка труб встык, сварка встык стержня с трубой, приварка стержня к листу, приварка трубы к листу, приварка стержня к массивной детали.

Сварку трением целесообразно применять при массовом или серийном производстве при изготовлении деталей относительно крупными партиями. Большой экономический эффект; достигается при внедрении сварки трением заготовок различного режущего инструмента для цехов механической обработки, в том числе и на заводах авиационной промышленности. Особенно эффективна сварка сверл, метчиков, разверток и т.д. из углеродистой и быстро режущей стали.

Сваркой трением изготавливают также мерительный инструмент (рис. 7).

Рис. 6. Изготовление калибров по старой технологии	Рис. 7. Изготовление калибров с применением сварки трением

До применения сварки трением клапаны двигателей внутреннего сгорания были цельноштампованными (рис. 8), их получали из дорогостоящей стали путем отрезки и горячей штамповки в несколько переходов. Новая технология с применением сварки трением позволила сократить расход жаропрочной стали, повысить производительность труда, высвободить тяжелое ковочное оборудование.

a	б

Рис. 8. Изготовление клапана: а — по старой технологии; б — с применением сварки трением; 1 — жаропрочная сталь; 2 — заготовка; 3 — углеродистая сталь.

Сварка трением используется также для изготовления зубчатых колес, штоков с поршнями, ступенчатых валов и осей, составных пуансонов.

Для сварки трением необходимо специальное оборудование, которое должно быть рассчитано на работу при достаточно больших скоростях вращения и осевых усилиях, свойственным сварке трением, а также позволяет осуществлять быстрый запуск и быструю остановку шпинделя машины. Обычные металлорежущие (токарные, фрезерные, сверлильные) станки допускаются до сварки трением в виде исключения и только при выполнении неответственных работ. Современные машины для сварки трением достаточно сложны и включают в себя следующие узлы:

• два зажима для свариваемых деталей;
• привод вращения шпинделя;
• пневматические или гидравлические цилиндры, облегчающие создание необходимого усилия машины;
• схема управления силовым приводом; электрическая схема управления машиной;
• станина

Статьи о радиотехнике, технологиях, чертежах, 3D-моделировании

Сварка трением

Сварка трением осуществляется теплотой, возникающей от трения при перемещении соединяемых деталей относительно друг друга, которые сжаты осевой силой. Одна из свариваемых деталей подвижна, вторая, прижатая к первой, вращается. Когда нагрев в стыке достигает температуры сварки (для стали 900–1200℃), трение резко прекращают, а осевое усилие увеличивают. Сварка трением весьма экономична в отношении использования энергии. Она широко применяется в сельскохозяйственном машиностроении.

Сварка трением это разновидность сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения.

Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой (рис. 1, а) или вставки между деталями (рис. 1, б, в), при возвратно-поступательном движении деталей в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами и при звуковой частоте (рис. 1, г). Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

В зоне стыка при сварке протекают различные процессы. По мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение различных загрязнений, присутствующих на них в исходном состоянии. Граничное трение уступает место сухому. В контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи и немедленно разрушаются вследствие относительного движения поверхностей. Этот процесс происходит непрерывно и сопровождается увеличением фактической площади контакта и быстрым повышением температуры в стыке.

При этом снижается сопротивление металла деформации, и трение распространяется на всю поверхность контакта. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала, и трение из сухого становится граничным.

Рис. 1. Сварка трением:

а – вращение одной детали; б – вращение; обеих деталей; в – вращение вставки при двух неподвижных деталях;

г – возвратно-поступающее движение одной детали.

Под действием сжимающего усилия происходит вытеснение металла из стыка и сближение свариваемых поверхностей — осадка. Контактные поверхности оказываются подготовленными к образованию сварного соединения: металл в зоне стыка имеет низкое сопротивление высокотемпературной деформации, оксидные пленки утончены, частично разрушены и удалены, соединяемые поверхности активированы. После торможения, когда частота вращения приближается к нулю, наблюдается некоторое понижение температуры металла в стыке за счет теплоотвода.

При сварке трением получают стыковые и тавровые соединения (рис. 2) с высокими механическими свойствами. Расчетные напряжения в сварном соединении при этом оказываются эквивалентными напряжениям в основном металле. Допускаемые напряжения устанавливаются на основе специальных опытов.

Рис. 2. Детали, полученные сваркой трением:

а, б – стыковые; в – тавровое

Сварка трением позволяет получить крепкие соединения не только из одноименных, но и из разноименных металлов и сплавов, даже с разными теплофизическими характеристиками. Основными типами сварных соединений при сварке трением являются: стыковые соединения стержней и труб, соединения стержней и трубы с плоской поверхностью.

Машинная сварка трением

Машины для сварки трением обычно содержат следующие основные узлы (рис. 3): привод вращения 1 шпинделя с ременной передачей 2; фрикционную муфту 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; переднюю бабку 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; заднюю бабку 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего давления машины; пневматическую, пневмогидравлическую или гидравлическую схему управления силовым приводом машины; шкаф управления.

Рис. 3. Конструктивно-кинематическая схема машины для сварки трением

В большинстве машин в состав привода вращения входят трехфазный асинхронный электродвигатель, клиноременная передача с зубчатым ремнем. В машинах для микро- и прецизионной сварки, шпиндель которых должен развивать очень высокую частоту вращения, в качестве привода применяются пневматические турбины, которые характеризуются быстрым разгоном и торможением, позволяют обходиться без передачи при помощи непосредственного сочленения вала со шпинделем машины.

Материалы, используемые для сварки

Сварочная проволока

Проволока маркируется индексом Св. (сварочная) и следующих за ним букв и цифр. Буквами обозначены химические элементы, содержащиеся в металле проволоки: А — азот, Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Ю — алюминий, Ц — цирконий и др. Первые две цифры, следующие за индексом Св. указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после букв — содержание данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в проволоке менее одного процента. Буква А на конце обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). К примеру, сварочная проволока марки Св-08ХГ3С2 содержит 0,08% углерода, до 1% хрома, до 3% марганца и 2% кремния.

Металлические электроды

Электроды классифицируют по назначению, типу, маркам, толщине покрытия, качеству, допустимым пространственным положениям сварки или наплавки и т.д. По качеству электроды подразделяются на три группы: 1, 2, 3. Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, вздутий, наплывов и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия, вмятины глубиной до половины толщины покрытия и другие мелкие дефекты. Прочность покрытия испытывают следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться. Влагостойкость покрытия проверяют погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15…25℃. Электроды упаковывают в водонепроницаемую бумагу или полиэтиленовую пленку; пачки массой 3…8 кг укладывают в деревянные ящики. Масса ящика 30…50 кг. На каждой пачке имеются этикетка, содержащая наименование предприятия-изготовителя, условное обозначение электродов, область их применения, режимы сварки, механические и специальные свойства металла шва и др. Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм². Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04 и др. Марка электрода — это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие.

Преимущества и недостатки сварки трением

Преимущества

• Локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и технологические преимущества. Площадь тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначительна, что весь цикл его нагрева обычно длиться мало по времени, до 30 секунд. Это определяет высокую производительность процесса сварки трением, конкурировать с нею в этом отношении может лишь электрическая контактная стыковая сварка.
• Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают весьма высокий коэффициент полезного действия процесса сварки трением, при этом расход энергии и мощности при сварке трением в 5-10 раз меньше, чем при электрической контактной сварке встык.
• При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл соединяемых деталей, стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков, а металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия, по своему характеру близкого к режимам термомеханической обработки металлов.
• Детали, сваренные трением при одном и том же режиме, отличаются повторяемостью механических свойств: варьирование временного сопротивления, угла изгиба, величины ударной вязкости и других показателей в партии деталей, сваренных на неизменном режиме, не превышает 8-11%. Это позволяет обоснованно применять выборочный контроль качества партии деталей, что особенно важно при отсутствии в настоящее время простых, надежных и дешевых методов неразрушающего контроля стыковых соединений, пригодных для использования в условиях сварочных цехов.
• При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вводимых в контакт поверхностей, что в значительной мере экономит время вспомогательных операций.
• Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разноименных металлов и сплавов. Сварку трением от других видов сварки выгодно отличает гигиеничность процесса: отсутствие ультрафиолетового излучения, вредных газовых выделений и горячих брызг металла.
• Сварку трением выполняют на специальных машинах. Основные параметры процесса сравнительно легко программируются и всё оборудование представляет собой либо полуавтоматы с минимальным использованием ручного труда, либо автоматы.

Недостатки

• Соединение лишь таких пар деталей, из которых хотя бы одна является телом вращения, ось которого совпадает с осью вращения. При этом другая деталь может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая деталь, это несущественно ограничивает применяемость сварки трением. Анализ характера производства показывает, что в машиностроительных отраслях промышленности количество деталей круглого сечения составляет до 50—70% от общего числа свариваемых деталей.
• Громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным, процесс осуществим лишь при условии подачи заготовок, подлежащих сварке, к машине.
• Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования — волокна близ стыка располагаются в радиальных направлениях и выходят на наружную поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения, а в других деталях, работающих в агрессивных средах, — очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения указанных дефектов является сохранение на детали грата.

Особенности образования соединения при сварке трением

Процесс сварки металлов трением в реальности весьма сложен и многообразен, он подчинен многим закономерностям, так как в нем соседствуют и взаимодействуют такие явления, как тепловыделение и износ поверхностей при трении. Непрерывное образование и немедленное же разрушение металлических связей между сопряженными поверхностями в процессе их относительного движения, почти мгновенный нагрев и очень быстрое охлаждение малых объемов металла в присутствии очень больших удельных давлений. Упругопластические деформации в микрообъемах выступов шероховатых поверхностей и в макрообъемах слоев металла, прилегающих к этим поверхностям.

Применение сварки трением

Расчеты практического применения сварки трением показывают, что ее пока целесообразно применять для сварки деталей диаметром от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением для изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривающихся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок. Она используется для заварки днища у баллона для сжатых газов. Отрезок цельнотянутой стальной трубы с предварительно нагретым концом насаживают на быстровращающуюся оправку. К вращающейся заготовке приближают обжимку, осаживающую металл и придающую ему полусферическую форму днища баллона. При быстром вращении заготовки осаживаемый металл быстро разогревается трением между обжимкой и заготовкой в процессе осадки, а его температура не снижается и растет за счет механической работы сил трения. В результате трения металл днища сильно разогревается и осаживается с образованием утолщения. Для соединения круглых цилиндрических стержней или трубок детали закрепляют в зажимах машины и приводят в соприкосновение торцами. Одна деталь остается неподвижной, другая приводится во вращение со скоростью 500- 1500 об/мин и все время прижимается к неподвижной детали. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через короткое время доводятся до оплавления. Автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей. В ряде случаев способ оказался весьма эффективным. Он отличается высокой производительностью, высоким качеством и стабильностью сварки, поскольку процесс автоматизирован, все параметры отличаются большой неизменностью. Способ весьма экономичен и обладает высоким КПД. Потребление электрической мощности 15-20 вт/мм², а потребление электроэнергии в 7-40 раз меньше, чем при контактной электросварке. Способ позволяет сваривать разнородные металлы (алюминий с медью, алюминий со сталью, медь со сталью и пр. ). Ширина зоны влияния сварного соединения не более 2-3 мм. Максимально эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента сверл, метчиков и из углеродистой и быстрорежущей стали.

Надеюсь теперь вы разобрались с процессом сварки трением, как это устроено, достоинства и недостатки этого метода. Если у вас остались вопросы, можете их задать тут. Так же рекомендую зайти на наш YouTube канал.

Поделиться статьёй:

• Назад
• Вперёд

Сварка трением | Техника и человек

Фрикционная сварка, которая также известна, как сварка трением, – это процедура соединения материала по средством давления. Обе части рабочего материала симметрично друг к другу. Для работы такого вида сварки используется тепло, которое выделяется в процессе трения, для расплавки материала. Обрабатываемые части следует поворачивать во время работы, перемещая их навстречу друг к другу, таким образом, чтобы они соприкасались. После нагревания рабочего металла до показателя, когда он становится пластичным, обе части следует прижать между собой под высоким давлением.

Основные этапы фрикционной сварки

Главная особенность этого метода сварки заключается в его универсальности в работе. То есть, оборудование для фрикционной сварки позволяет соединить в единое целое разные материалы – сталь, медь, латунь и так далее. Сварка трением нашла свое применение в производстве клапанных запчастей для двигателей внутреннего сгорания, печатных валов, поперечин, а еще труб для бурения и так далее. Зона термической обработки при использовании метода фрикционной сварки существенно меньше иных разновидностей сварки. В месте соединения материала не появляется сварочная ванна. Процесс сваривания достаточно простой, но трудоемкий, он состоит из таких основных этапов:

• Исходная точка: закрепление обеих рабочих частей и начало вращения одной из них;
• Нагревание: обе части рабочего материала прижимаются между собой с определенным усилием вращения, в следствие чего сила сжатия вызывает трение, которое, в свою очередь, вызывает нагревание поверхностей свариваемых частей;
• Процесс сварки: в конкретный момент та часть, которая вращается, замедляет свой ход, что вызывает повышение давления сжатия. Именно в этом момент и возникает сваривание рабочих частей между собой с помощью трения.

  Исходная точка

  Нагревание

  Процесс сварки

Технологические виды фрикционной сварки и их основные характеристики

Упомянутый способ сварки считается одним из наиболее перспективных среди аналогичных ему методов. Он активно развивается специалистами в экономически развитых государствах. На сегодня существуют следующие разновидности технологических схем сварки трением:

1. Фрикционная сварка с непрерывным приводом: этот метод предусматривает вращение одной из рабочих заготовок. В момент соприкосновения обеих частей на них воздействует осевая сила нагрева. Степень нагревания в специальном сварочном оборудовании определяется временем нагрева или же уровнем деформации рабочих заготовок;
2. Инерционная сварка трением: этот способ сваривания предусматривает использование специального массивного маховика, который обеспечивает движение рабочих частей материала. Предварительно его следует разогнать до определенной скорости, что выполняется за счет мощного мотора. Энергия, которая накапливается во вращательной массе этого маховика, превращается в тепловую в момент сжатия поверхностей заготовок;
3. Орбитальная фрикционная сварка: этот способ осуществляется за счет силы, образованной при прижатии обеих частей друг к другу по круговой орбите, но без вращения по своей собственной оси. В момент нагрева оси рабочих частей смешены на показатель эксцентриситета. В конце процесса нагревания оси следует совместить, что прекращает движение частей и способствует их проковке;
4. Радиальный метод фрикционной сварки: этот способ базируется на использовании теплоты трения одного из колец – наружного или внутреннего, которые вращаются с определенной угловой скоростью, и скошенных концах труб, которые прижимаются между собой с конкретной силой;
5. Сварка трением с перемешиванием: эта методика чаще всего используется в работе с заготовками из тонколистного сырья. К концам рабочих частей необходимо подвести ролик, вращающийся с определенной скоростью. Эта технологическая схема достаточно сложная в выполнении и реализуется в несколько этапов.

Особенности процесса фрикционной сварки

Технология сваривания материалов методом фрикционной сварки дает возможность соединять изделия из различных материалов, к примеру, обрабатывать алюминиевые заготовки без использования присадочной проволоки и дополнительного оборудования. Упомянутая методика сваривания позволяет практически полностью расплавить металлическое сырье с плотностью от 3 сантиметров, при этом не деформировав само изделие. Наиболее эффективна технология сварки трением при работе с медными, свинцовыми, титановыми материалами.

Практическое применение метода сварки трением показывает, что его целесообразно задействовать при сварке деталей с диаметром от 6 до 100 миллиметров.

Установки для фрикционной сварки незаменима в производственном процессе сварочно-кованых, сварочно-штампованных или же сварочно-литых элементов. Методика подходит для работы с трудносвариваемыми материалами или же теми, которые нельзя соединить никакими иными способами сварки, к примеру, сырьем из стали и алюминия. Активно применяется метод фрикционной свари при соединении пластмассовых деталей.

Преимущества метода сварки трением

Упомянутая методика соединения материалов отличается следующими достоинствами:

• Высокие показатели работы: в целом сварочный цикл занимает несколько часов, что возможно за счет быстрого разогрева поверхностей рабочих заготовок из металла;
• Высокие показатели КПД в работе;
• Соединение деталей выполняется качественно: места стыков прочные, если правильно был задан режим работы на панели инвертора;
• Предварительна очистка рабочей поверхностей не требуется, что сокращает затраты времени на процесс соединения заготовок;
• Возможность сваривать различные материалы, которые невозможно соединить иными методами;
• Процедура абсолютно безопасна: в процессе сваривания раскаленное сырье не разбрызгивается и нет выделений инфракрасных лучей;
• Машины для фрикционной сварки полностью автоматизированы: этот метод может быть выполнен в автономном режиме при применении специального оборудования, обеспечивающего контроль всей процедуры.

Недостатки метода сварки трением

К минусам упомянутой методики соединения материалов можно причислить следующие:

• Соединение рабочих заготовок возможно только в том случае, если одна их них будет вращаться, а поверхность второй в месте стыка абсолютно ровная;
• Оборудование, которое используется для реализации сварки трением, отличается большими габаритами и может быть использовано для стационарного инвертора;
• Если соединение материалов выполняется за счет динамического давления, то в местах стыка через некоторое время могут образовываться трещины, а также следы коррозийных процессов.
  http://zewerok.ru/wp-content/uploads/2017/07/videoplayback-2.mp4

Сварка трением

Сеть профессиональных контактов специалистов сварки

Сущность метода и основные области применения.

Сварка трением — метoд соединения материалов в твердoй фазе, пpи которoм зона соединения нагревается зa счет работы прoтив сил трения, возникающих нa свариваемых поверхностях, находящихcя в относительнoм движении и прижатых дpуг к другу нормальным усилием. Pазрушение и удаление загрязнений обеспечиваются термическим воздействием, механическим износом и пластическим течением металла вдoль поверхности скольжения. Послe достижения в зоне соединения нужной сварочной температуры и определеннoй деформации материала относительноe движение заготовок практически мгновеннo прекращается, и процесс сварки заканчивается естественным охлаждением изделия.

Особенности метода связаны с кинетикой тепловыделения, пластического деформирования материалов. На рис. 1 смотрите схемы типовых осциллограмм основных параметров режима сварки трением c непрерывным приводом.

Риc. 1. Схема типовых осциллограмм основныx параметров режима сварки трением: F — осевая сжимающая нагрузка, Н; (ω — частота вращения, с^-1; N – мощность тепловыделения, В_т; М_тр — момент трения, Н . м; t_п , t_н, t_пр — соответственно время притирки, нагрева и проковки, с; Т — температура в зоне соединения, °С ; Δl- осадка, мм.

Применение в промышленности.

Сварка трением широкo применяется в машиностроении, инструментальном производстве, ядерной энергетике, электротехнической промышленности, тракторостроении, автомобилестроении, в авиакосмической технике, нефтяноми химическом машиностроении. Этот метoд сварки являетcя одним из наиболеe интенсивно развивающихся технологических процессов. Зарубежныe источники сообщают o перспективах использования сварки трением с перемешиванием в судостроении, вагоностроении, ракетостроении, авиастроении, электротехнической, пищевой промышленности. Например, норвежская судостроительная компания «Marine Aluminium» впервыe применила промышленную установку «ESАB SuperStir» для изготовлeния алюминиевых панелей размером 6х16м корпусов скоростных катеров и крупнокорпусныx паромов. Шведская фирма «SAPА» разработалa и освоила производство сварных панелей для холодильных установок быстрой заморозки.

Технологические схемы сварки трением.

Сварка трением с непрерывным приводом (рис . 2). Одной из заготовок сообщается вращательное движение. Заготовки соприкасаются, и к ним прикладывается осевая сила нагрева. Стадия нагрева в существующих машинах сварки трением регламентируется либо временем нагрева, либо степенью деформации заготовок.

Инерционная

(риc . 3).

Это сварка, при которoй относительное движение заготовок обеспечивает массивный маховик, предварительно разогнанный до нужной скорости специальным двигателем небольшoй мощности. Пpи прижатии свариваемых торцов заготовок дpуг к дpугу энергия, накопленная вo вращающейся массе маховика, трансформируетcя в теплоту, которая выделяется в процессe трения в стыке.

Орбитальная сварка трением осуществляется движением прижатых с силой F_пp одна к другой заготовок по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей ( рис . 4). Оси заготовок смещены вo время нагрева нa величину эксцентриситета. Пo завершении стадии нагрева оcи совмещают, прекращая тем сaмым относительное движение заготовок, далее выполняют проковку. Этот способ позволяeт избежать трудностей, связанных c неравномерным нагревом F_н свариваемого элементa по сечению из-зa различия в значенияx линейных скоростей на егo центральных и периферийных участках.

Рис. 2. Схема сварки трением c непрерывным перемешиванием: 1 — тормоз; 2, 3 — свариваемые заготовки.

Рис. 3. Схема инерционной с варки трением : 1 — маховик; 2, 3 — свариваемые элементы.

Рис. 4. Схема орбитальной сварки трением : а — стадия нагрева ; б — стадия проковки.

Радиальная сварка трением основана на использовании теплоты трением наружного или внутреннего кольца, вращающегося с заданной угловой скоростью, о скошенные концы труб, прижатых одна к другой с определенной силой (рис. 5).

Сварка трением с перемешиванием применяется для сварки заготовок из тонколистовых материалов. К концам заготовок подводят ролик, вращающийся со скоростью 200…3000 об. в мин. Скорость перемещения ролика относительно свариваемых за готов о к составляет 4,5 ,. .6,0 м /мин при удельном давлении на ролик 0,2. ..0,5 МПа.

Технологическая схема (рис. 6) способа включает в себя три основных этапа. На первом вращающийся с высокой скоростью инструмент 1 цилиндрической или ступенчатой (с малым углом конусности ) формы с буртом 2 в месте перепада диаметров рабочего наконечника 3 и корпуса инструмента погружают в стык соединяемых деталей 4 и 5, жестко закрепленных в оснастке, на глубину, примерно равную их тол. Когда бурт инструмента войдет в контакт с поверхностью деталей, прекращают погружение и приступают ко второму этапу процесса — перемещению вращающегося инструмента по линии соединения.

Рис. 5. Схема радиальной сварки трением: а — с наружным разжимным кольцом ; б — с внутренним разжимным кольцом; 1. 2 — свариваемые заготовки; 3 — вращающееся кольцо из присадочного материала; 4 – зажимные элементы; 5 – оправка.

Рис. 6. Технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием.

На третьем этапе (окончание сварки) вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка. Нагретый в результате работы сил трения до пластичного состояния и перемешанный вращающимся инструментом материал вытесняется в освобождающийся позади движущегося по линии стыка инструмента и ограниченный сверху буртом объем, в котором и формируется шов.

Технологические возможности сварки трением.

Номенклатура свариваемых материалов достаточно широка : малоуглеродистые, углеродистые, инструментальные, высоколегированные стали различных классов, алюминиевые, медные, титановые сплавы, цирконий как в однородном, так и в разнородных сочетаниях, термопласты.

Варианты конструктивного оформления соединений, выполняемых эти м методом , в силу специфики самого процесса ограниченны. Стыковые соединения выполняются на стержнях, трубах и других элементах, имеющих форму тел вращения (сплошных и полых). Возможно тавровое соединение стержней с плоскими элементами.

Диапазон размеров свариваемых заготовок достаточно широк. Считают, что сваркой трением целесообразно сваривать сечения площадью 30. ..8000 мм², В производственных условиях минимальный диаметр свариваемых прутков 6 мм.

Для сварных соединений , получаемых этим методом , в большинстве случаев характерны высокие (не ниже основного материала) показатели механических свойств и высокая их стабильность . Разброс показателей прочности и пластичности 5,7. .. 10 %. В шве отсутствуют поры, раковины, инородные включения. Структура мелкозернистая, зерно равноосное. Это объясняется спецификой процесса сварки трением, при котором обеспечиваются эвакуация из зоны соединения всякого рода загрязнений, значительная пластическая деформация металла нагретой зоны при малой ее протяженности, а сами соединяемые поверхности изолированы от контакта с воздухом.

Сварка трением дает высокие экономические показатели. Удельная затрачиваемая мощность (в расчете на единицу площади свариваемого сечения) 15. . .20 в т/мм² по сравнению со 120. . . 150 Вт/мм² для контактной сварки, а расход в 5-10 раз меньше. При этом коэффициент мощности cos ψ = 0,7 … 0,8 (для контактной сварки 0,4 .. .0,5). Производительность до 60 .. .450 сварок / ч . Машинное время сварки 1. .. 30 с. Настройка оборудования для сварки трением заготовок разных диаметров несложная и не требует большиx затрат времени. Выполнениe вспомогательных операций (т.e. укладка и зажатие заготовoк, съём деталей и т.п.) легкo механизируется, а сaм цикл сварки автоматический.

Недостатки сварки трением : небольшaя номенклатура типов соединений, получаемыx этим методом, образование трудноудаляемогo грата, ограничения пo размерам и конфигурaции вращаюшейся заготовки, неодинаковыe условия нагрева периферийных и центральныx участков сечения.

Технология сварки трением.

Подготовка заготовок к сварке.

Основное требование — обеспечение перпендикулярности поверхности трения к oси вращения заготовки. Пpи сварке одноименных металлов допускается непараллельность торцов 5. .. 7 %. При сварке материалов с разной степенью пластичности (напримеp, алюминия со сталью) биениe торца не должно превышaть 0,2мм. К чистоте поверхности этoт метод менее требователен, чeм другие способы сварки.

Фигурная обработка концов заготовок проводится при сварке деталей разных диаметров (рис. 7).

Создание на соединяемых поверхностях необходимых для сварки условий возможно после определенной пластической деформации металла в зоне соединения. Осадку можно использовать в качестве параметра для регламентации процесса нагрева, т.е. по достижении определенной осадки будет подаваться команда на прекращение относительного движения. Можно осуществлять регламентацию и по времени.

Наличие на поверхности загрязнений сказываетcя на результатах в различныx условиях сварки неодинаково. Кaк правило, тонкие оксидные пленки нe влияют на качество соединения. Вo всех случаях недопустима окалина. Ржавчина, толстые оксидные пленки, масла, жиры и другие загрязнения могут влиять нa длительность первых двуx фаз процесса сварки, а пpи регламентации по времени этo может привеcти к нестабильности качества соединения.

Рис. 7. Подготовка контактных поверхностей заготовок, состоящих из разнородных материалов к сварке: а — из быстрорежущей стали и конструкционной; б – из коррозионно-стойкой стали и алюминия ; в — из коррозионно-стойкой стали и цинка; d2 = (1,15 … 1,25)d1.

Также в продолжение тeмы технологии сварки смотрите страницу Режимы сварки трением.

Смотрите такжe Машина для сварки трением.

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.

Сварка трением с перемешиванием конструкционных материалов и свойства соединений

Новый метод получения сварных соединений, получивший название «сварка трением с перемешиванием» (СТП) был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991 г. [1]. Интенсивное изучение данного процесса, направленное на совершенствование технологии и оборудования, позволило внедрить данный способ за рубежом в производство высокотехнологичных изделий в таких отраслях как вагоно-, судо-, авиастроение и многих других. Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла. Исследователи данного процесса считают, что если 10% общего объема сварных соединений в США заменить СТП, то будет достигнуто на 500 млн. фунтов/год меньше выделений парникового газа. Расчетная экономическая выгода промышленности США от внедрения СТП в промышленное производство составляет $4,9 млрд./год [2].

Сущность процесса заключается в следующем (рис. 1). Для сварки используют инструмент в форме стержня, состоящий из двух основных частей, а именно: заплечика или бурта (утолщенная часть) и наконечника (выступающая часть). Размеры этих конструктивных элементов выбирают в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей.

Длину наконечника устанавливают приблизительно равной толщине детали, подлежащей сварке. Диаметр заплечика может изменяться от 1,2 до 25 мм. Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы наконечник внедрился в заготовки на глубину, примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности. После этого инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки. В результате работы сил трения происходит нагрев металла до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху заплечиком инструмента. По окончании сварки вращающийся инструмент выводят из стыка за пределы заготовки. В связи с асимметрией структуры швов в поперечном сечении сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, принято различать сторону набегания, где направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону – отхода.

Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием.

СТП применяют в основном для соединения материалов со сравнительно низкой температурой плавления, прежде всего алюминиевых [3] и магниевых сплавов [4]. Выполнена успешная сварка данным способом медных [5], никелевых и титановых сплавов [2], а также сталей [6]. С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной до 75 мм за один проход [7]. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать нахлесточные соединения алюминиевых листов толщиной от 0,2 мм [8]. Скорость сварки сплава 6082 толщиной 5мм может достигать 6 м/мин [9]. Основными параметрами процесса СТП являются: скорость сварки, частота вращения инструмента, усилия прижатия и перемещения инструмента, угол наклона инструмента, его размеры. Усилия прижатия и перемещения зависят от типа свариваемого материала, его толщины и скорости сварки. Сварка образцов из сплава 7010 – Т7651 толщиной 6,35 мм при изменении скорости сварки в диапазоне от 59 до 159 мм/мин и скорости вращения инструмента от 180 до 660 об/мин показала, что при увеличении скорости вращения увеличивается тепловложение в металл и в сварном соединении формируется микроструктура с более однородными зернами [10]. При этом также повышаются прочностные и пластические свойства до определенного предела. При увеличении скорости сварки необходимо увеличивать скорость вращения инструмента для достижения оптимальных условий. Однако для полного отсутствия дефектов, а также для обеспечения всех необходимых свойств, надежности и технологичности необходимо строго выбирать режимы, оптимально подходящие для определенной продукции.

Большинство исследователей указывают на следующие преимущества сварки трением с перемешиванием по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений [11, 12]:

– в зоне сварки лучше сохраняются свойства основного металла по сравнению со способами сварки плавлением;

– отсутствие вредных испарений и ультрафиолетового излучения в процессе сварки;

– возможность получения бездефектных швов на сплавах, которые при сварке плавлением склонны к образованию горячих трещин и пористости в швах;

– не требуется использование присадочного материала и защитного газа, удаление поверхностных оксидов на кромках перед сваркой, а также шлака и брызг после сварки;

– отсутствуют потери легирующих элементов металла при его сварке.

Уровни выделений Cr, Cu, Mn, Cr⁺⁶ при СТП сталей по сообщению RockwellScientific (США) значительно ниже (<0,03, <0,03, <0,02 и <0,01 мг/мм³ соответственно), чем при аргонодуговой сварке (0,25, 0,11, 1,88 и 0,02 мг/мм³ соответственно) [2]. Сравнение затрат на производство при использовании сварки трением с перемешиванием и сварки плавящимся электродом (СПЭ) показало, что начальные капиталовложения при СТП более высокие, но с увеличением объемов производства сварка трением с перемешиванием становится экономически выгоднее, чем дуговая сварка [11].

Рис. 2. Распределение температур в продольном сечении образца.

Судя по экспериментальным результатам TWI, максимальная температура при сварке трением с перемешиванием составляет около 70% значения температуры плавления и для алюминия не превышает 550°С. Тепловложение при СТП меньше, чем при аргонодуговой сварке примерно в 2 раза и для сплава 6N01 – Т5 толщиной 4 мм равно соответственно 190 и 390 Дж/мм (скорость сварки 500 мм/мин) [13]. С помощью математического моделирования тепловых процессов при СТП в работе [14] построено распределение температур в свариваемой пластине (рис. 2). Более низкая температура зоны соединения при сварке трением с перемешиванием по сравнению со сваркой плавящимся электродом объясняет меньший уровень угловых деформаций в сварном соединении. При СТП угловая деформация равна 1/5÷1/7 значений при СПЭ [12] (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение угловой деформации при сварке трением с перемешиванием и сварке плавящимся электродом (алюминиевый сплав серии 6000, толщина 2 мм).

Предполагается, что из-за невысокого уровня температур процесса, остаточные напряжения низкие. Но жесткое закрепление налагает большие ограничения на деформацию пластин. Это препятствует сокращению металла при охлаждении зоны динамической рекристаллизации и зоны термического влияния (ЗТВ) в продольном и в поперечном направлении, приводя к поперечным и продольным остаточным напряжениям. При СТП сплавов 2024 – Т3 і 6013 – Т6 обнаружено, что продольные остаточные напряжения выше поперечных (скорость сварки составляла 300 ÷ 1000 мм/мин, скорость вращения инструмента – 1000 ÷ 2500 об/мин). Высокие растягивающие напряжения преобладают в ЗТВ. Величина остаточных напряжений уменьшается при снижении скорости сварки и скорости вращения инструмента. Максимальные значения продольных растягивающих напряжений достигают значений 30 ÷ 60% предела текучести сварного соединения и 20 ÷ 50% предела текучести основного металла [15].

Рис. 4. Схема зон стыкового соединения, выполненного СТП: А – основной металл, В – зона термического влияния (ЗТВ), С – зона термомеханического влияния, D – зона динамической рекристаллизации (сторона набегания слева).

Макроструктура сварных соединений при сварке трением с перемешиванием характеризуется особенностями, не свойственными швам, полученным способами сварки плавлением. Типичным для СТП является образование в центре соединения ядра, которое содержит овальные концентричные кольца, различающиеся структурой [16]. К ядру примыкает сложный профиль, который образует верхнюю часть шва. Образование овальных колец связывается с особенностями перемешивания металла наконечником инструмента. В сварном соединении при СТП выделяют четыре зоны, которые схематически представлены на рисунке 4. Непосредственно к зоне А (основной металл) примыкает зона В, где металл заготовок остается недеформированным и изменяет свою структуру только под воздействием нагрева (зона термического влияния). Зона С, где металл подвергается значительным пластическим деформациям и нагреву, названа зоной термомеханического влияния (ЗТМВ). Зона D – это ядро соединения, где происходит динамическая рекристаллизация. Твердость металла уменьшается в направлении от основного металла к центру шва, и минимальное значение достигается в ЗТВ (рис. 5). Снижение твердости в ЗТВ происходит за счет перестаривания, уменьшения плотности дислокаций либо за счет обоих этих механизмов.

Рис. 5. Распределение твердости в зоне сварного соединения сплава 7075 – Т7351 [17].

О высоком уровне механических свойств сварных соединений сообщают многие исследователи. При СТП сварное соединение сплава 6082 –Т6 имеет предел прочности σ_в=245 МПа, тогда как основной металл имеет σ_в=317 МПа. Для 6082 –Т4, состаренного после сварки, σ_в=308 ÷ 310 МПа. Испытания на усталость свидетельствуют о более высоком уровне механических свойств соединений при СТП по сравнению с аналогичными при аргонодуговой сварке [18].

Авторы [19] проводили исследования механических свойств соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием сплава 5083 при криогенных температурах, что имело целью подготовить производство емкостей для сжиженного водорода. Образцы толщиной 30 мм были сварены со скоростью 40 мм/мин. Исследования при 77К в жидком азоте, 20К в жидком водороде и 4К в жидком гелии показали, что уровень свойств соединений при СТП выше, чем при аргонодуговой сварке.

Рис. 6. Механические свойства сварного соединения, выполненного различными способами сварки.

Проблемами СТП литейных алюминиевых сплавов занимались авторы работы [20]. В промышленном производстве литейные сплавы часто приходится сваривать с получаемыми экструдированием. Использовали сплавы ADC1 и А6061 – Т6 толщиной 4мм. Результаты, полученные при СТП, сравнивались с аналогичными при аргонодуговой и лазерной сварке. Как видно из рисунка 6, СТП обеспечивает лучшие свойства соединений. Предел прочности составляет 80% прочности А6061 – Т6. При испытании на изгиб разрушение при сварке трением с перемешиванием происходит по основному металлу. О положительных результатах сварки трением с перемешиванием разнородных сплавов, а также алюминиевых сплавов со сталями сообщается в публикации [21]. При СТП стали SS400 и сплава А5083 толщиной 2 мм предел прочности был равен 240 МПа, что составляет 86% прочности алюминиевого сплава.

Рис. 7. Установка для точечной сварки трением с перемешиванием (слева), поперечное сечение (вверху справа) и внешний вид образцов (внизу справа).

В качестве недостатка способа СТП авторы [2, 12] отмечают образование в конце шва отверстия, равного диаметру наконечника, что требует выведения шва за пределы рабочего сечения заготовки или заполнения отверстия после сварки с помощью других методов, таких как вварка трением специальных пробок.

Происходящее совершенствование технологии и оборудования позволяет преодолеть существующие недостатки, а также расширить области применения способа. Хотя сварка трением с перемешиванием применяется в основном для стыковых и нахлесточных швов, возможно также получение угловых, тавровых, точечных швов. Точечную сварку трением с перемешиванием можно реализовать двумя способами. Первый способ – это точечная сварка погружением (PFSW), который был запатентован фирмой Mazda (Япония) в 2003 году. При этом вращающийся инструмент погружается в деталь, доводя до пластического состояния и перемешивая металл под заплечиком. После этого инструмент поднимается, оставляя характерное углубление в детали. Второй способ – точечная сварка трением с заполнением шва (RFSW), который запатентован GKSS– GmbH в 2002 году [2]. Для этого способа используют инструмент, у которого наконечник и заплечик имеют раздельные системы привода. Вращающийся инструмент опускается в деталь, при этом наконечник выдавливает и перемешивает находящийся под ним металл, а после он убирается, и металл под заплечиком заполняет углубление, и, таким образом, получается шов без отверстия (рис. 7).

Рис. 8. Внешний вид инструмента из поликристаллического кубического нитрида бора [2].

Сварочный инструмент обычно изготавливается из инструментальных сталей Н13 (AISI), SKD61, SKD 11, SKH 57 (JIS), нержавеющей мартенситной стали SUS440C(JIS). При этом возможно использование составных инструментов, у которых наконечник изготовлен из кобальтового сплава МР159, а заплечик – из Н13 [22]. Для сварки методом СТП сталей толщиной до 0,5″ MegaStir разработала инструмент из поликристаллического кубического нитрида бора. Его стойкость против разрушения выше и позволяет придать наконечнику форму необходимую для благоприятного течения металла в зоне сварки (рис. 8). Инструмент по отношению к поверхности детали располагают под небольшим углом 2 ÷ 3° [16, 23]. При таком расположении инструмента под небольшим углом к поверхности детали достигаются наиболее высокие показатели качества.

Рис. 9. Конструкция инструмента Bobbin Tool.

Инструмент, одновременно выполняющий также роль подкладки соединяемых заготовок, приведен на рисунке 9 [24]. В NASA разрабатывается саморегулирующийся инструмент, длина наконечника которого определяется силами, действующими на него. При отклонении нагрузки на наконечник от заданного значения, происходит автоматическая корректировка его длины. Это позволяет сваривать заготовки переменного сечения и избегать образования отверстия при выполнении кольцевых швов.

Рис. 10. Варианты конструкции рабочего инструмента WhorlTM.

Для сварки алюминиевых сплавов значительной толщины разработаны семейства инструментов Whorl^TM(рис. 10) и Triflute^TM[25], которые позволяют выполнять сварку за один проход алюминиевых сплавов толщиной 50 мм. Новыми вариантами СТП являются технологии Re– Stir^TM, Skew– Stir^TM, Com– Stir^TM[26]. Технология Re– Stir^TM с переменным вращением инструмента по часовой и против часовой стрелки позволяет исключить асимметрию шва, присущую традиционной СТП. По технологии Skew– Stir^TM инструмент немного наклонен по отношению к шпинделю машины так, что точка пересечения осей шпинделя и инструмента, получившая название фокусной точки, может располагаться над, под или в свариваемой заготовке в зависимости от свойств материала и параметров режима. Это позволяет получить при вращении инструмента в процессе сварки более широкий шов. Инструменты A – Skew^TMи Flare – Triflute^TMобеспечивают формирование более прочных нахлесточных соединений. Технология Com– Stir^TM состоит в совмещении в процессе сварки вращательного и орбитального движений инструмента. В результате получают более широкие швы и в основном применяют для соединения разнородных материалов. Разработана система с двумя параллельными инструментами Twin – Stir^TM [27].

Рис. 11. Соединения, выполненные на автомобиле Mazda RX – 8 с помощью точечной сварки трением с перемешиванием [2].

Развитие новых технологий сварки трением с перемешиванием продолжается. В Университете Миссури – Колумбия (США) занимаются разработкой СТП с сопутствующим дополнительным нагревом при пропускании тока через наконечник инструмента. Центр обработки и соединения передовых материалов (США) разрабатывает СТП с индукционным предварительным подогревом материала, что позволит увеличить скорость сварки, уменьшить силы, действующие на инструмент, и уменьшить его износ [2]. В работе [28] изучается возможность использования лазера для предварительного подогрева металла при СТП магниевых сплавов.

Рис. 12. Оборудование для сварки трением с перемешиванием в вертикальном положении.

Благодаря небольшому количеству факторов, влияющих на процесс СТП, и достаточно простой конструкции оборудования, способ идеально подходит для автоматизации и роботизации [29]. Установка Tricept805 позволяет выполнять сварку алюминия толщиной до 10 мм.

Сварка трением с перемешиванием уже используется многими производителями различных высокотехнологичных изделий. Фирмы GDLS (GeneralDynamicsLandSystems) и EWI (EdisonWeldingInstitute) провели совместные работы, целью которых было обеспечить требуемые баллистические характеристики соединений броневых плит из алюминиевого сплава 2195 – Т87 для морских бронированных транспортеров. Сварка методом СТП вместо аргонодуговой плит толщиной 31,8 мм позволила получить приемлемые прочностные свойства соединений и более пластичные (в 2 – 3 раза) швы. В итоге сварные соединения (в том числе угловые) успешно прошли баллистические испытания [22].

Рис. 13. Установка для сварки трением с перемешиванием топливного бака ракеты «Delta» на предприятии «Boeing».

Для предотвращения ухудшения свойств сверхпроводящей Nb – Ti проволоки её необходимо соединять с жестким элементом из чистого Al при температуре ниже 400°С. Раньше для этого использовали низкотемпературную пайку, но паяные швы имели низкую прочность. СТП обеспечила требуемые свойства сварного соединения в жидком гелии [12].

В течение трех лет с 2003 года компания FordMotorCo. (США) изготовила несколько тысяч автомобилей FordGT, применяя СТП для сварки центрального отсека, который вмещает и изолирует топливный бак от внутреннего отделения и обеспечивает пространственную жесткость каркаса [2]. СТП повышает точность размеров и на 30% увеличивает прочность по сравнению со сходными узлами при дуговой сварке в защитном газе. В другой работе [30] описывается процесс изготовления точечной сваркой трением кузова автомобиля MazdaRX – 8 (рис. 11). С 2003 года было произведено свыше 100 тыс. автомобилей, двери которых изготовлены точечной сваркой трением [7]. На основании успешного применения данного способа сварки сообщается о планах фирмы выполнить подобные соединения на новом поколении автомобилей модели MX – 5.

Рис. 14. Самолет Eclipse 500 с узлами, изготовленными сваркой трением с перемешиванием.

Активно занимаются изучением процесса СТП в аэрокосмической сфере (рис. 12) [24]. В 2001 году процесс внедрен в производство внешнего бака ракеты носителя для возвращаемых космических кораблей. Технология предусматривает сварку 8 продольных швов на резервуаре из сплава 2195 для жидкого водорода и 4 продольных шва на резервуаре для жидкого кислорода. Это приблизительно ½ мили швов на каждом баке. Разрабатывается оборудование для ремонтной сварки трением с перемешиванием в условиях космического вакуума. Концепция основана на том, что высокая скорость вращения инструмента (30000 об/мин) при СТП позволит уменьшить усилия, необходимые для выполнения сварки.

Компания «Boeing» начала использовать сварку трением с перемешиванием при производстве ракеты «Delta» II и III (рис. 13) [31]. Сварка выполняется на топливном баке длиной 8,4 м, на баке для жидкого кислорода длиной 12 м и на других конструкциях. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает повышение качества (один дефект на 76,2 м шва) по сравнению с аргонодуговой сваркой (один дефект на 8,4 м шва). При СТП уменьшается время изготовления сварной конструкции. Производство ракет «Delta» II выросло с 8 до 17 единиц в год.

О работах по СТП оребренных панелей для крыла самолета из сплавов 2024, 7475, 7050 толщиной 4 мм сообщается в статье [32]. Высокое качество соединений обеспечено при использовании СТП на самолете Airbus А350 и двух новых версиях А340 (А340 – 500 и А340 – 600) [2]. Компания EclipseAviation завершает сертификацию реактивного самолета бизнес класса Eclipse 500 с узлами, изготовленными методом СТП (рис. 14).

Рис. 15. Внешний вид экспериментальной установки для СТП тонколистовых (1,8 ÷ 2,5 мм) алюминиевых сплавов.

Приведенный анализ опубликованной информации свидетельствует о том, что сварка трением с перемешиванием успешно развивается и находит применение в различных отраслях промышленного производства. Большинство публикаций касаются сварки алюминиевых сплавов средней и сравнительно большой толщины. Следует иметь в виду, что затруднения обычно возникают при соединении заготовок толщиной 0,5 – 3 мм, а также более 40 мм. В связи с этим, а также с возникающими осложнениями при обеспечении точности сборки тонкостенных заготовок под сварку в ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования процесса СТП на специальной экспериментальной установке (рис. 15). Работы выполнены на алюминиевых сплавах АМг6, 1201, 1460 толщиной 1,8 … 2,5 мм. На рис. 16 приведен внешний вид сварного соединения сплава АМг6, полученного методом СТП. Одновременно проверена эффективность сварочных инструментов с различными профилями рабочей части.

Рис. 16. Внешний вид шва, полученного сваркой трением с перемешиванием (алюминиевый сплав АМг6 толщиной 2 мм).

Установлено, что соединения при данном способе сварки обладают высоким уровнем механических свойств (коэффициент прочности сварных соединений составляет 0,7 ÷ 0,9 от уровня прочности основного металла (табл.)) и подтверждена актуальность работ по усовершенствованию способа сварки трением с перемешиванием конструкций с применением тонколистовых материалов.

Таблица

Механические свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием

Алюминиевыйсплав	Прочность сварного соединения σвсв, МПа	Угол загиба сварного соединения α, град
АМг6	343	180
1420	362	96
1201	294	180
1460	325	180

 

 

Литература

1. US Pat. No 5460317. Friction stir butt welding/ W. M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham et al.; Опубл. 1995.
2. Arbegast W.J. Friction stir welding. After a decade of development// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 28 – 35.
3. Ito T., Motohashi Y., Goloborodko A. et al. Microstructures and room temperature mechanical properties in friction-stir-welded joints of 7075 aluminum alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 9 – 13.
4. Aritoshi M. Friction stir welding of magnesium alloys sheets// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 18 – 23.
5. Nakata K. Friction stir welding of copper and copper alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 14 – 17.
6. Klingensmith S., Dupont J.N., Marder A.R. Microstructural characterization of a double-sided friction stir weld on a superaustenitic stainless steel// Welding J. – 2005. – May. – P. 77 – 85.
7. Martin J. Pushing the boundaries – friction stir goes deeper than before// TWI Connect. – 2006. – January/February. – P. 1.
8. Teh N.J. Small joints make a big difference// TWI Connect. – 2006. – 143, №4. – Р. 1.
9. Эрикссон Л.Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трением – научные исследования и новые области применения// Технология машиностроения. – 2003. – №6. – Р. 81 – 84.
10. Hassan A.A., Prangnell P.B., Norman A.F. et al. Effect of welding parameters on nugget zone microstructure and properties in high strength aluminium alloy friction stir welds// Sci. Technol. Weld. Joining. – 2003. – 8, №4. – Р. 257 – 268.
11. Defalco J. Friction stir welding vs. fusion welding// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 42 – 44.
12. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of aluminum alloy and application to structure// J. of Jap. Institute of Light Metals. – 2000. – 50, №4. – P. 166 – 172.
13. Aota K., Okamura H., Masakuni E. et al. Heat inputs and mechanical properties friction stir welding// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
14. Lambrakos S.G., Fonda R.W., Milewski J.O. et al. Analysis of friction stir welds using thermocouple measurements// Sci. Technol. Weld. Joining. – 2003. – 8, №5. – Р. 385 – 390.
15. Dalle Donne C., Lima E., Wegener J. et al. Investigation on residual stresses in friction stir welds// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
16. Volpone M., Mueller S.M. Friction stir welding (FSW): le ragioni di un successo// Rivista Italiana della Saldatura. – 2005. – №1. – Р. 23 – 30.
17. Chao Y.P., Wang Y., Miller K.W. Effect of friction stir welding on dynamical properties of AA 2024-T3 and AA 7075-T7351// Welding J. – 2001. – №8. – Р. 196 – 200.
18. Ericsson M., Sandstorm R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG// International Journal of Fatigue. – 2003. – №25. – P. 1379 – 1387.
19. Hayashi M., Oyama K., Eguchi H. et al. Mechanical properties of friction stir welded 5083 aluminum alloy at cryogenic temperatures// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
20. Nagano Y., Jogan S., Hashimoto T. Mechanical properties of aluminum die casting joined by FSW// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
21. Kimapong K., Watanabe T. Friction stir welding of aluminum alloy to steel// Welding J. – 2004. – October. – P. 277 – 282.
22. Colligan K.J., Konkol P.J., Fisher J.J. et al. Friction stir welding demonstrated for combat vehicle construction// Welding J. – 2003. – March. – P. 34 – 40.
23. Shibayanagi T., Maeda M. Characteristics of microstructure and hardness in friction stir welded 7075 aluminum alloy joints// Trans. JWRI. – 2004. – 33, №1. – P. 17 – 23.
24. Ding J., Carter R., Lawless K. et al. Friction stir welding flies high at NASA// Welding J. – 2006. – March. – P. 54 – 59.
25. Dolby R.E., Johnson K.J., Thomas W.M. The joining of aluminium extrusions// La metallurgia italiana. – 2004. – №3. – P. 25 – 30.
26. Pekkari B. The future of welding and joining// Svetsaren. – 2004. – №1. – Р. 53 – 59.
27. Thomas W., Staines D. Better joints using two contra – rotating FSW tools// TWI Connect. – 2006. – May/June. – P. 7.
28. Kohn G., Greenberg Y., Makover I. et al. Laser – assisted friction stir welding// Welding J. – 2002. – February. – P. 46 – 48.
29. Cook G.E., Smartt H.B., Mitchell J.E. et al .Controlling robotic friction stir welding//Welding J. – 2003. – June. – P. 28 – 34.
30. Kato K., Sakano R. Development of spot friction welding and application for automobile body// J. of Light Metal Welding & Construction. – 2004. – 42, №11. – P. 8 – 13.
31. Imuta M., Kamimuki K. Development and Application of Friction Stir Welding for Aerospace Industry// Proc. of the IIW International Conference on Technical Trends and Future Prospectives of Welding Technology for Transportation, Land, Sea, Air and Space, Osaka, Japan, 15 – 16 July, 2004. – P. 53 – 64.
32. Kumagai M. Application of FSW for aircraft// Welding Technology. – 2003. – 51, №5. – P. 74 – 78.

Сварка трением: технология, особенности, разновидности

Содержание

1. В каких случаях применяется
2. На чем основан принцип сварки трением
3. Особенности работы с таким видом сварки
4. Основные разновидности фрикционного метода
5. Ротационный
6. Радиальный
7. Линейный
8. Орбитальный
9. Точечное трение
10. Инерционная сварка
11. Штифтовый
12. Непрерывный привод
13. Колебательный метод
14. Перечень используемого оборудования
15. Технологические особенности
16. Насколько подходит для разных материалов
17. Подготовка деталей
18. Как подобрать подходящий метод
19. Обработка шва
20. Преимущества и недостатки технологии
21. Среди достоинств такого метода сваривания надо отметить:
22. Осуществление контроля за качеством

Необходимость надежно соединять между собой металлические предметы возникает на разных производствах. Одним из эффективных способов, позволяющих это сделать, является сварка трением. Использование тепла, образующегося при трении заготовок одна об другую или об вращающийся инструмент, позволяет получать надежный шов при сваривании металлов и сплавов, в том числе и тех, которые другим способом соединить нельзя.

В каких случаях применяется

Указанная технология была разработана для использования в оборонной промышленности и атомной энергетике. Со временем такой способ сварки начали активно применять в машино-, авиа-, судостроении и электротехнике. Им можно надежно соединять плохо свариваемые черные и цветные металлы, магниевые, алюминиевые сплавы.

Кроме того, можно сваривать легированную, углеродистую сталь, пластичные сплавы с разной однородностью, восстанавливать детали, вышедшие из строя, наплавлять рабочие части режущего инструмента.

На чем основан принцип сварки трением

Этот вид сварки не похож на привычные всем способы соединения деталей. Тепло, нагревающее свариваемые поверхности, образуется за счет трения заготовок друг о друга. Чаще всего используется вращение одной из деталей или вкладки, расположенной между ними. В это же время увеличивается их прижим друг к другу, и в точке контакта они надежно соединяются.

Трение и высокая температура разрушают оксидные пленки и удаляют загрязнения. Происходит сглаживание всех микровыступов, что позволяет атомам вступать во взаимодействие. Появляются кристаллические связи, но за счет движения деталей они быстро разрываются.

Особенности работы с таким видом сварки

Процесс фрикционной сварки включает в себя следующие этапы:

• удаление оксидных пленок;
• нагрев заготовок, достигающий температуры пластичности и разрушающий фрагменты кристаллических решеток;
• остановку движения деталей и образование шва.

При достижении температуры плавления соединяемых поверхностей (когда вращение уже остановлено) увеличивают силу прижима. Этот метод проще газовой или электродуговой сварки.

Особенности сварки трением:

• возможность соединять разнородные материалы, например сталь и алюминий, без использования присадочных материалов и дополнительного оборудования;
• отсутствие деформации при соединении деталей из меди, титана, свинца;
• возможность сваривания не только металлических деталей, но и изделий из термопластичных пластиков;
• максимальная эффективность соединения деталей диаметром 6-100 мм;
• возможность соединять заготовки из плохо свариваемых материалов и те, которые другим способом сварить нельзя.

Основные разновидности фрикционного метода

С момента появления такой сварки были разработаны разные ее варианты, но все они работают по одному принципу – преобразованию силы трения в тепловую энергию.

Ротационный

Ротационная сварка трением позволяет с высокой производительностью соединять листы тонкостенной стали. Рабочий инструмент – вращающийся ролик, который движется вдоль свариваемого места со скоростью 2 м/с. За счет трения валика о металл в месте стыка или наложения листов он разогревается и передает тепло заготовке. Прижимные пластины обеспечивают необходимое давление, и получается надежное соединение.

Радиальный

Основная область его применения – заделка трубных стыков. В качестве присадки выступает разжимное кольцо.

Существует несколько вариантов расположения труб и соединительного кольца:

1. Снаружи. При этом кольцо вращается с внешней части трубы, а чтобы она не деформировалась, внутрь вставляют оправку.
2. Внутри. Кольцо движется внутри, а оправка надевается снаружи.

Во время вращения кромки и присадочный обод разогреваются. Герметичный сварочный шов образуется после сжатия внешнего и внутреннего колец.

Линейный

В этом случае не происходит вращения деталей. Относительно друг друга они совершают линейные возвратно-поступательные движения. Когда достигается требуемая температура, заготовки останавливаются и сдавливаются. За счет частичного удаления излишков образуется сварной шов.

Процесс может выполняться и при соединении 2 неподвижных деталей. Тогда между ними трется специальный инструмент.

Орбитальный

Применение указанного способа сварки предусматривает вращение деталей в 1 плоскости, но по разным орбитам. Он позволяет соединять заготовки, имеющие большую площадь соприкосновения. Процесс нагрева регулируется путем изменения скорости, а также смещения осей вращения. После достижения требуемой температуры деталей они выставляются соосно и прижимаются друг к другу. Чтобы упрочить диффузный слой, после сварки выполняют проковку шва.

Точечное трение

Эта технология разработана только в конце прошлого века. Она подразумевает неподвижную фиксацию заготовок. Между ними проникает вращающийся рабочий инструмент, выполненный в виде цилиндра со штырем и заплечиками. За счет вращения штыря поверхность деталей разогревается, имеющийся зазор заполняется расплавленным металлом.

Корректировка размера и формы шва выполняется заплечиками. Выполнив проходку, рабочий инструмент удаляют, детали сжимаются, образуется прочный шов.

Инерционная сварка

Эта технология соединения предусматривает фиксацию одной детали неподвижно, а другой – на маховике. Вращающаяся заготовка приближается к стационарной, за счет инерции маховика они начинают тереться и нагреваться. В этом момент мотор уже не работает. Усилие вдавливания подвижного элемента в неподвижный зависит от толщины и материала, из которого они сделаны. После полной остановки маховика в месте соприкосновения прижатых элементов образуется надежное соединение.

Штифтовый

Такой способ используют, когда надо восстановить детали. В поврежденном месте под штифт, который является наплавкой, делают отверстие соответствующего диаметра. Штифт вращают с большой скоростью и вводят в подготовленное место. В процессе трения происходит нагрев детали и штифта. Они размягчаются, и формируется прочное соединение. Такой способ ремонта позволяет быстро восстановить требуемую деталь, добиться в месте установки штифта большей прочности, чем у самого предмета.

Непрерывный привод

Это один из первых методов фрикционной сварки. Он заключается в том, что одна деталь зафиксирована неподвижно, а вторая вращается. Когда они соприкасаются, происходит осевой разогрев поверхностей. При достижении заданной температуры останавливается вращение заготовки и выполняется сдавливание деталей. Для упрочения шва его проковывают.

Колебательный метод

Такая технология может реализоваться за счет движения как одной детали, так и обеих. Выполняется возвратно-поступательное движение, за счет чего происходит разогрев поверхностей и они становятся пластичными. После их сжатия образуется надежное соединение. Колебательный метод эффективно применяется при сваривании деталей из высокопластичных материалов.

Перечень используемого оборудования

Если необходимо выполнить разовую сварку трением, можно применять металлорежущие станки, но для массового производства они не используются.

Специальные сварочные фрикционные установки имеют блок управления. Заготовки крепят в движущихся механизмах зажимными устройствами, к ним подводят привод, обеспечивающий сжатие. Есть как универсальное оборудование, так и рассчитанное на 1 из технологий. Некоторые станки позволяют предварительно подготавливать детали: выполнять выравнивание и заточку кромок.

Дополнительно могут быть установлены станок для снятия грата, погрузочно-разгрузочные механизмы, транспортеры и т.д.

Технологические особенности

Оборудование, используемое для такого вида сварки в промышленных масштабах, позволяет соединять заготовки, минимальный диаметр которых составляет 6 мм. Применять такую технологию целесообразно для сваривания поверхностей площадью 30-8000 мм².

Механические показатели полученного шва не ниже, чем у основного материала. В шве нет пор и раковин, что позволяет достигать высоких показателей прочности. На единицу сечения в среднем тратится около 15-20 т/мм², что в 5-10 раз меньше, чем при контактном методе сваривания. Машинное время сварки всего 1-30 секунд, что позволяет достигать производительности 60-450 сварок/ч.

Насколько подходит для разных материалов

Фрикционный метод сваривания используется для соединения разных сталей:

• углеродистых;
• малоуглеродистых;
• высоколегированных;
• инструментальных.

Также можно работать с такими сплавами:

• алюминиевыми;
• медными;
• титановыми;
• магниевыми;
• свинцовыми;
• циркониевыми и цирконием в однородном сочетании;
• термопластами.

Подготовка деталей

Этот метод нетребователен к чистоте поверхностей, по сравнению с другими видами сварки. Если соединяются детали разного размера, то проводится фигурная обработка их концов. Главное – обеспечить, чтобы поверхности трения были перпендикулярны оси вращения заготовок. Отклонение может составлять 5-7%. Детали, предназначенные для сваривания, могут быть порезаны на гильотине, дисковой пилой и даже газорезкой.

Необходимые для сваривания деталей условия на их поверхности создаются после пластической деформации металла в зоне трения. Наличие тонких оксидных пленок не влияет на качество соединения, т.к. они удаляются во время сваривания. Окалина, образовавшаяся после прокатки, штамповки или проковки, должна быть удалена, то же касается и ржавчины.

Как подобрать подходящий метод

Какой метод фрикционной сварки выбирать, зависит от формы, размеров деталей, технологических возможностей предприятия и т.д.

Все существующие методы сварки трением имеют несколько режимов, различающихся такими параметрами:

• скоростью вращения заготовок;
• силой сдавливания;
• толщиной сварного кольца (при радиальном методе).

Физические параметры зависят от выбранной технологии сваривания, но условно их делят на:

• низкоскоростную, которую используют для материалов с высокой вязкостью, а также в том случае, когда есть вероятность нарушения структуры волокон деталей;
• стандартную;
• ускоренную, используемую при соединении сплавов и легкоплавких металлов методом перемешивания.

Обработка шва

Для снижения в сварном шве напряжений, повышения его пластичности, рекристаллизации и улучшения качества шва может выполняться его термическая обработка. Этот метод не используется при работе с низколегированными, высоколегированными хромоникелевыми и хромистыми сталями. Применяют его при соединении легированных и нелегированных среднеуглеродистых сталей.

Среди достоинств такого метода сваривания надо отметить:

1. Производительность. Она достигается за счет минимальных затрат на подготовительно-завершающие этапы, а сам процесс занимает мало времени.
2. Энергоэффективность. Быстрый нагрев происходит в ограниченном месте, поэтому потери на нагрев окружающей среды минимальные.
3. Качество шва. Правильный выбор технологии позволяет получать шов, в котором нет дефектов, пор и трещин. По своему составу он практически идентичен соединяемым деталям.
4. Возможность работы с разнородными металлами и сплавами.
5. Стабильность характеристик шва в 1 партии деталей. При соблюдении технологии параметры шва у всех заготовок из 1 партии практически идентичны, поэтому контроль качества можно делать выборочно.
6. Экологичность. Минимальное воздействие на окружающую среду и человека, т.к. такие негативные факторы, как брызги металла, опасное излучение и высокое напряжение, исключены.
7. Простота механизации и автоматизации процесса.

Имеет фрикционный метод сваривания и ряд недостатков:

1. Ограниченную форму заготовок. Он не подходит, если надо сделать криволинейные, сложные швы и швы большой протяженности.
2. Габаритное оборудование. Оно требует стационарной установки, подключения к электроснабжению, поэтому использовать метод в полевых условиях не получится.
3. Ограниченный размер соединяемых деталей.

Указанные недостатки не позволяют фрикционной сварке стать универсальным методом, но наличие описанных преимуществ делает ее незаменимой в своей сфере применения.

Осуществление контроля за качеством

Возможные подрезы, наплывы и трещины, возникшие на шве, определяются во время его визуального осмотра, внутренние дефекты – при помощи разрушающих и неразрушающих методов.

Разрушающие способы применяют при выборочной проверке или при разработке образцов новой технологии.

К ним относятся:

• испытания на разрыв, кручение, сжатие, герметичность и т.д.;
• металлографический анализ;
• проверка химического состава шва.

Неразрушающие методы применяют при помощи приборов.

Это такие, как:

• рентгеновские или гамма-лучи;
• проверка плотности шва ультразвуком;
• магнитные изменения потока.

Такие исследования делают выборочно – в тех местах, где шов поддается разнонаправленным нагрузкам. При соблюдении технологии – обеспечении заданной скорости вращения заготовок и давления на них – сварка трением позволяет создавать надежные и прочные соединения.

Основы сварки трением

Инерционная сварка трением, или сварка вращением, представляет собой экологически безопасный процесс соединения металлов, используемый для соединения одинаковых или разнородных металлов. Этот процесс осуществляется без использования присадочных металлов, флюсов или защитных газов, как при обычной сварке. Он также сводит к минимуму потребление энергии, не производит паров, газов, дыма или отходов. Первоначально детали, свариваемые трением, были, как правило, круглыми. С современными технологиями области применения, компоненты, типы материалов, размеры и формы, которые можно соединять, безграничны. Spinweld предлагает – сварку трением с прямым приводом и инерционную сварку трением. (См. Преимущества сварки трением)

Сварка трением, широко известная как сварка вращением, представляет собой контролируемый процесс механической обработки для соединения ПОХОЖИХ или РАЗЛИЧНЫХ (биметаллических) комбинаций материалов. Конечной целью сварки вращением является получение 100% сварного шва по всей поверхности соединения. Это означает, что при наличии подходящих материалов прочность сварного соединения или поверхности раздела равна прочности основного металла. Этот процесс позволяет получить высокопрочный сварной шов с малой зоной термического влияния (ЗТВ) с низким напряжением без пористости и в большинстве случаев устраняет необходимость в дорогостоящей предварительной обработке или дорогостоящем инструменте. Возможно, вы слышали об этом процессе сварки трением или сварочном интерфейсе, который называется вращением, сваркой, плавлением, склеиванием, повреждением или соединением. Сварка трением — хорошо зарекомендовавший себя процесс, разработанный в 1890s и широко используется во многих различных отраслях промышленности и на мировых рынках.

Простое объяснение определяет процесс сварки трением как вращение одного компонента против неподвижного компонента под давлением. Это действие эффективно подготавливает и очищает поверхность сварки, а также генерирует достаточно низкотемпературного тепла трения, чтобы по крайней мере один из материалов стал пластичным на границе соединения. Этот «твердотельный» (не плавящийся) процесс соединения создает слияние между материалами за счет тепла, выделяемого индуцированным трением, и приложенной нагрузки между двумя поверхностями.

В чем разница между сваркой трением с прямым приводом и инерционной сваркой?

Сварка трением с прямым приводом и инерционная сварка обеспечивают превосходное соединение материалов за счет вращения одного компонента относительно неподвижного компонента под давлением. Разница заключается в источнике энергии, оборотах и ​​времени/расстоянии при приложении давления.

Сварка трением с прямым приводом

Энергия обеспечивается электродвигателем, напрямую соединенным со шпинделем машины. Этот источник энергии бесконечен во времени и применяется к сопрягаемым материалам до тех пор, пока не будет достигнуто надлежащее общее тепловое или пластическое состояние. Скорость поддерживается постоянной в течение выбранного времени и/или расстояния при изменении давления. Когда желаемое пластическое состояние достигнуто, вращающийся компонент останавливается и прикладывается ковочная нагрузка для завершения процесса соединения, в результате чего детали становятся единым целым. При инерционной сварке трением можно получить большее общее тепло, что может замедлить скорость охлаждения, что приведет к немного большему времени цикла.

Инерционная сварка трением

Энергия обеспечивается кинетической энергией машины, которая накапливается во вращающейся системе или массе. Энергия, доступная в системе хранения энергии, конечна. Для этого требуются определенные параметры массы/веса, скорости и давления, соответствующие требованиям сварного соединения. При достижении желаемой скорости вращения кинетическая энергия передается свободно вращающейся части. Постоянное давление ковки применяется до тех пор, пока не будет достигнуто пластическое состояние. Вращение останавливается из-за контролируемого давления, когда достигается желаемая общая длина смещения материала (высадка). Скорость вращения обычно выше, чем при сварке трением с прямым приводом. Большая часть общего смещения приходится на самый конец цикла сварки, а не на середину и конец цикла.

Сварка трением Spinweld, обработка с ЧПУ и решение «под ключ»

1. Шаг 1: Один компонент загружается во вращающийся «головной» патрон, а другой компонент загружается в фиксированную «хвостовую» бабку. Головка разгоняется до заданной скорости.
2. Шаг 2: Вращающийся «головной» компонент или фиксированная «хвостовая» бабка (в зависимости от типа станка и желаемого давления) затем прижимается к оставшемуся компоненту.
3. Шаг 3: Вращение останавливается, и давление ковки завершает цикл сварки. В результате каждый раз получается чистый, прочный сварной шов с полной границей раздела.
4. Шаг 4: ЧПУ-обработка затем выполняется для удаления сложного или затвердевшего заусенца (при желании), черновой обработки, оптимизации ячеек или чистовой обработки для получения готовой детали. Кроме того, предлагаются другие дополнительные услуги для завершения проекта в соответствии с точными спецификациями печати.

Шаг 1

Шаг 2

Шаг 3

Шаг 4 — Продукты, изготовленные с использованием сварки инерционных трения

Процесс 9000.

• 77

  Процесс.

• Сварка деталей сложной или круглой формы на всех этапах изготовления деталей: готовых, полуфабрикатов и заготовок
• Оптимизирует использование материалов; почти чистые формы или для сдерживания затрат
• Процесс производства и обработки на основе решений для снижения стоимости материалов, снижения стоимости инструментов, снижения затрат на НИОКР, снижения веса и/или снижения затрат на механическую обработку
• Процесс производства и обработки на основе решений для повышения качества, увеличения производительности и/или увеличения скорости выхода на рынок
• Легкое соединение сталей и цветных металлов
• Можно соединять комбинации разнородных металлов
• Детали из порошкового металла можно приваривать к другим порошковым металлам, поковкам, литью или кованым материалам
• Высокая производительность
• Прочность соединения равна или превышает прочность основного металла
• Самоочищающееся действие сокращает или устраняет время и затраты на подготовку поверхности
• Совместная подготовка не критична; обработанные, распиленные и даже срезанные поверхности пригодны для сварки
• Целостность сварных соединений очень надежна
• Снижение затрат на сложные поковки/отливки
• Высокоточный и воспроизводимый процесс
• 100% соединений металл-металл проявляют свойства основного металла
• Низкое напряжение при сварке
• Компоненты могут быть прочнее и легче, чем другие методы сварки
• Экологически чистый, не выделяет дыма
• Упрощение конструкции компонентов
• Замена дорогостоящих материалов менее дорогостоящими
• Присадочные металлы, флюсы или защитные газы не требуются
• Можно выбрать ручную загрузку или дополнительную автоматическую загрузку
• Соединения могут выдерживать колебания высоких температур
• Сниженная норма брака деталей
• Пониженная ЗТВ (зона термического влияния)
• И еще. ..

Сварка трением: все, что вам нужно знать

Существует множество методов сварки трением, которые могут оптимизировать ваш производственный процесс. В этой статье мы рассмотрим несколько различных типов. Понимание этих различных типов поможет вам решить, какие из них могут повысить точность и снизить общую стоимость и время цикла для вашего приложения.

---

Поговорите с Пирсом о разработке и производстве более эффективных промышленных роликов.

---

Что такое сварка трением?

Прежде чем мы разберем различные типы, давайте определим процесс сварки в твердом состоянии, известный как сварка трением. Сварка в твердом состоянии относится к процессам сварки, в которых не используется внешнее тепло. Вместо этого внешнее давление прикладывается к твердому состоянию для образования сварного шва. При сварке трением соединяемые детали вращаются друг относительно друга. Это движение создает трение, которое нагревает материалы на контактных поверхностях. Сила высокого давления применяется до тех пор, пока цикл сварки не будет завершен. Сварку трением можно использовать для соединения различных металлических (например, стальных и алюминиевых) стержней и труб диаметром более 100 мм.

Как работает сварка трением

Сварка трением работает, следуя основным принципам трения. В процессе используется трение для создания пластического тепла на границе раздела сварных швов. Например, теплота трения, создаваемая сталью, обычно составляет около 900–1300 градусов по Цельсию. После достижения соответствующей температуры внешнее усилие давления увеличивается до тех пор, пока заготовки не образуют неразъемный сварной шов.

Хотя существует несколько различных типов сварки трением, все они следуют общему принципу работы. Сначала одна заготовка помещается в патрон с роторным приводом, а другая удерживается неподвижно. Ротор позволяет смонтированной заготовке вращаться с высокой скоростью. К неподвижной заготовке прикладывается сила давления, приводящая ее в контакт с вращающейся заготовкой. Когда заготовки соприкасаются, создается высокая сила трения и выделяется значительное количество тепла на соприкасающихся поверхностях до тех пор, пока два материала не размягчатся, что также называется пластификацией. Как только материалы достигают пластифицированного состояния, к статической детали прикладывается более высокое давление ковки, заставляя два материала сплавляться вместе. После того, как детали сплавляются вместе и поверхность начинает остывать, ротор останавливается, как только температура снижается и материалы снова затвердевают. Давление ковки поддерживается в течение нескольких секунд, а затем сбрасывается, после чего сварка завершается.

5 Типы сварки трением

1. Инерционная сварка трением

Что такое инерционная сварка трением? При инерционной сварке трением используются маховики разных размеров, прикрепленные к патрону и валу шпинделя. К валу шпинделя подключен двигатель, который вращает деталь. В начале цикла сварки двигатель подключается к валу шпинделя и вращает деталь до нужной скорости вращения. После достижения желаемой скорости двигатель отсоединяется от вала шпинделя. В зависимости от веса детали, вала шпинделя, патрона и маховиков свободно вращающиеся компоненты создают инерцию вращения. В этот момент происходит процесс сварки трением, как описано выше, с использованием инерции вращения для создания тепла трения при соединении деталей. Узнайте, почему вам следует сочетать инерционную сварку с обработкой на станках с ЧПУ.

2. Сварка трением с прямым приводом

В этом процессе двигатель привода шпинделя постоянно прикреплен к валу шпинделя. Двигатель продолжает вращать вращающуюся часть по мере того, как две части соединяются вместе, тем самым создавая тепло трения. В соответствии с заданной программой ЧПУ шпиндель постоянно замедляется по мере выполнения сварочного процесса, останавливая шпиндель в заданной точке. Этот тип сварки трением удобен, когда требуется определенная ориентация между свариваемыми компонентами.

3. Линейная сварка трением

Этот процесс аналогичен инерционной сварке трением; однако подвижный патрон не вращается. Вместо этого он колеблется в боковом движении. Две заготовки находятся под давлением на протяжении всего процесса. Этот процесс требует от заготовок высокой прочности на сдвиг и требует более сложного оборудования, чем инерционная сварка. Одним из преимуществ этого метода является то, что он позволяет соединять детали любой формы (вместо круглых интерфейсов).

4. Сварка трением с перемешиванием (FSW)

FSW — это процесс соединения в твердом состоянии, в котором используется нерасходуемый инструмент для соединения двух обращенных друг к другу заготовок. Тепло генерируется трением между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к размягчению области на границе раздела. Пока инструмент перемещается вдоль линии стыка, он механически смешивает размягченный материал двух кусков металла и формирует поверхность сварного шва за счет механического давления, прилагаемого инструментом. FSW используется в современном судостроении, поездах и аэрокосмической технике.

5. Орбитальная сварка трением

Орбитальная сварка трением аналогична вращательной сварке трением, но обе свариваемые детали вращаются в одном направлении и с одинаковой скоростью, но их оси смещены до 1/8” . По завершении цикла сварки и замедлении вращения детали возвращаются к той же оси, а давление ковки сохраняется, пока материалы повторно затвердевают.

Применение

Сварку трением можно использовать для изготовления более качественных промышленных роликов, труб и валов. Этот процесс часто используется для изготовления этих узлов для промышленных принтеров, погрузочно-разгрузочного оборудования, а также для автомобильной, аэрокосмической, морской и нефтяной промышленности. Другие примеры компонентов включают шестерни, осевые трубы, карданные передачи, клапаны, гидравлические поршневые штоки, роликовые втулки грузовых автомобилей, валы насосов, сверла, соединительные стержни и т. д.

Преимущества

Сварка трением — это экологически чистый процесс, который не создает дыма и не выделяет в атмосферу другие вредные токсины. Кроме того, он предлагает большой контроль над зоной термического влияния, что снижает изменение свойств материала. Он также не требует присадочного металла (что экономит затраты на сырье). Наконец, сварка трением предлагает простую автоматизацию, высокие скорости, эффективные сварные швы и возможность комбинировать различные металлы.

Готовы начать сварку трением?

Если вам кажется, что сварка трением может помочь вам, свяжитесь с нами. Во время нашего разговора мы можем обсудить, какой тип сварки трением может быть вашим лучшим вариантом, и являемся ли мы лучшим поставщиком для инерционной сварки ваших узлов.

Процессы сварки трением. Руководство по AHSS

Семейство процессов сварки трением с перемешиванием основано на значительной пластической деформации или ковке для преодоления барьеров на пути к сварке в твердом состоянии. В начале процесса преобладает фрикционный нагрев, за которым следует нагрев из-за пластической деформации после начала ковки. Процессы сварки трением, в которых используется вращение одной детали относительно другой, представляют собой инерционную сварку трением с непрерывным (или прямым) приводом. Это наиболее распространенный процесс сварки трением, который идеально подходит для круглых стержней или труб. Как при инерционной сварке трением, так и при сварке трением с непрерывным приводом (CD) одна часть вращается с высокой скоростью относительно другой части (рис. 1). Затем они соединяются под действием силы, создавая фрикционный нагрев, который размягчает (уменьшает YS) материал в месте соединения и рядом с ним, чтобы облегчить процесс ковки, что, в свою очередь, вызывает дополнительный нагрев. По прошествии времени, достаточного для надлежащего нагрева деталей, прикладывается большое усилие осадки, которое выдавливает размягченный горячий металл в «вспышку». Любые загрязнения выдавливаются, а сварной шов формируется. Заусенец обычно удаляют сразу после сварки, пока он еще горячий. ^{A-11, P-6}

Сварка трением с перемешиванием

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — это революционно новый процесс сварки трением, разработанный в начале 1990-х годов Британским институтом сварки (TWI). В то время как такие процессы, как инерционная сварка трением и сварка трением с непрерывным приводом (CD), в основном ограничиваются круглыми деталями, FSW (рис. 2) обеспечивает сварку трением в твердом состоянии с использованием традиционных соединений, таких как стыковые соединения. FSW основан на теплоте трения, возникающей при вращении специального нерасходуемого штифтового инструмента вдоль стыка относительно верхней части двух свариваемых деталей. В начале процесса фрикционный нагрев размягчает (или пластифицирует) металл в месте соединения, облегчая перемешивание пластифицированного металла. Дальнейший нагрев, вызванный пластической деформацией, становится основным источником нагрева по мере продвижения сварного шва. Следующие два видео дают больше информации о процессе.

Рис. 2. Сварка трением с перемешиванием

http://ahssinsights.org/wp-content/uploads/2020/05/Animation-of-the-Friction-Stir-Welding-Process.mp4 ://ahssinsights.org/wp-content/uploads/2020/05/FrictionStirWelding. mp4

 

Инструмент для штифта для СТП состоит из выступа и штифта. Плечо опирается на поверхность пластин и обеспечивает большую часть фрикционного нагрева. Штифт частично проникает в стык свариваемых пластин. В самой зоне перемешивания пластифицированный горячий металл обтекает штифт и сливается, образуя сварной шов. Основная цель штифта — контролировать действие перемешивания. Было изучено большое разнообразие конструкций штифтовых инструментов и материалов, включая использование материалов на основе вольфрама (W), резьбовых штифтов и чашеобразных буртиков. Как показано на рисунке 3, обычно используется небольшой угол толкания (<5 градусов) относительно направления движения. Скорость перемещения сварного шва намного меньше обычной скорости дуговой сварки. Этот процесс имеет ограниченное промышленное применение, поскольку он все еще находится в стадии разработки, особенно при разработке инструментов. ^{A-11, P-6}

Рис. 3: СТП обычно использует небольшой угол толкания

 

конструкция инструмента и инструментальные материалы. Выбор материала инструмента для AHSS включает в себя поликристаллический кубический нитрид бора на керамической основе (PCBN) и тугоплавкий вольфрам-рениевый сплав (W-Re). PCBN выбран потому, что он чрезвычайно износостойкий и имеет хорошие тепловые характеристики. Материал на основе W выбран потому, что он очень прочен при комнатной температуре и температурах сварки, а также может использоваться для толстых профилей сталей.

Механические свойства для FSW образцов поперечной сварки из стали AHSS на растяжение показали полностью консолидированные сварные швы без несплошностей, но показали снижение пластичности сварного шва примерно на 10%, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4: Механические свойства FSW для АХСС.

 

Точечная сварка трением с перемешиванием

Разновидностью процесса СТП является точечная сварка трением с перемешиванием. Этот процесс был специально разработан для некоторых автомобильных применений, включая соединение AAl), Al со сталью и AHSS. Этапы процесса аналогичны FSW без линейного перемещения, таким образом, создается соединение типа «точечный» (рис. 5). ^O-1

Рисунок 5: Этапы процесса точечной сварки трением с перемешиванием (вверху) с результирующим профилем сварного шва (внизу). ^O-2

 

Таким образом, преимущества и ограничения процессов сварки трением перечислены ниже.

• Преимущества:
  • Отсутствие плавления означает отсутствие дефектов, связанных с затвердеванием
  • Присадочные материалы не требуются
  • Очень немногие переменные процесса приводят к высокой повторяемости процесса
  • В случае круговой сварки трением может применяться в производственной среде
  • Мелкозернистая структура сварных швов трением обычно демонстрирует превосходные механические свойства по сравнению с BM, особенно при сварке Al
  .
  • Не требуется специальной подготовки шва или навыков сварки
• Ограничения:
  • Оборудование очень дорогое
  • Ограниченные конструкции соединений, а в случае круговой и инерционной сварки детали должны быть симметричными
  • FSW очень медленный и не способствует быстродействию

Что такое сварка трением? Тщательное понимание

Последнее обновление 19 июля 2022

Когда люди размышляют о сварке, они обычно думают о сплавлении металлов с помощью пламени или искр, образующихся при сочетании газов под давлением. Они не думают о соединении материалов через скорость и давление.

Тем не менее, именно это имеет место при сварке трением. Это также называется сваркой вращением, и это более распространено, чем вы думаете. Как следует из названия, сварка трением использует трение для сварки соединений. В этой процедуре сварки вам не требуется внешний нагрев в процессе соединения.

Таким образом, вместо сварки плавлением сварка вращением является процессом в твердом состоянии. Здесь последнее соединение обычно такое же прочное, как и основной металл. Этот подход сварки используется в различных отраслях промышленности для соединения деталей.

Давайте теперь определим этот процесс, узнаем, как он работает, а также его преимущества и недостатки. Мы расскажем вам все, что вам нужно знать о сварке трением. Продолжай читать!

---

Что такое сварка трением?

Прежде чем мы рассмотрим, как это работает, и разделим их на отдельные типы, давайте дадим определение сварке трением (процедура сварки в твердом состоянии). Это относится к процедурам сварки, которые не требуют внешнего нагрева.

Когда дело доходит до создания сварного шва, вы вместо этого прикладываете внешнее давление к твердому телу. Заготовки, которые вы хотите соединить, вращаются сравнимо друг с другом. Материалы на контактных поверхностях нагреваются, поскольку это движение создает трение.

Затем вы прикладываете силу высокого давления к точке, где цикл сварки завершен. Сварку трением можно использовать для соединения широкого спектра металлических труб и стержней диаметром более 100 мм.

Как это работает?

Сварка трением работает по принципу трения. В процедуре используется трение для создания пластического тепла на границе раздела сварного шва. Например, теплота трения, выделяемая сталью, обычно составляет около 900 до 1300 градусов Цельсия.

Изображение предоставлено: Tyankee, Wikimedia Commons под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International.

Достигнув нужной температуры, увеличивайте усилие внешнего давления до точки, в которой заготовки образуют прочный сварной шов. Хотя существует несколько различных типов сварки трением, все они придерживаются общего принципа действия.

Сначала одна заготовка помещается в роторный патрон, а другая неподвижна. С помощью ротора прикрепленная заготовка вращается с высокой скоростью. На неподвижную заготовку приложите усилие давления. Он приводит его в контакт с вращающейся заготовкой.

Как только детали соприкасаются, возникает высокая сила трения, вызывающая значительный нагрев соприкасающихся поверхностей до тех пор, пока материалы не размягчатся. Это также известно как пластификация.

Как только материалы достигнут пластифицированного состояния, убедитесь, что вы применяете более высокое давление ковки к статической детали. Это помогает двум материалам соединиться вместе. Как только детали соединяются и поверхность начинает остывать, ротор останавливается, как только температура падает и материалы снова затвердевают.

Поддерживайте давление ковки в течение нескольких секунд, а затем отпустите его. На этом сварка завершена.

Какие существуют виды сварки трением?

Инерционная сварка трением

Отличается маховиками различных размеров, прикрепленными к валу шпинделя и патрону. Просто подключите двигатель к валу шпинделя, чтобы вращать деталь с желаемой скоростью перед началом цикла сварки.

Как только вы достигнете желаемой скорости, отсоедините двигатель от вала шпинделя. Вращательная инерция создается свободно вращающимися деталями в зависимости от веса патрона, детали, маховика и вала шпинделя.

На данном этапе процедура сварки трением происходит, как описано. Он использует инерцию вращения для выработки тепла, если вы соедините компоненты.

Посмотреть этот пост в Instagram

Пост, опубликованный Доком (@doc_cutting_ties)

Линейная сварка

Эта процедура аналогична процедуре инерционной сварки. Вместо того, чтобы вращаться подвижный патрон, он качается вперед и назад в боковом движении. В течение всего процесса сварки обе заготовки находятся под давлением.

В этом процессе заготовки обладают высокой способностью к сдвигу и требуют более сложного оборудования по сравнению с инерционной сваркой. Одним из преимуществ этого процесса является то, что он позволяет соединять детали любой формы (а не только круглые поверхности).

FSW (сварка трением с перемешиванием)

Это процедура твердотельного соединения, используемая для соединения двух обращенных друг к другу заготовок с использованием нерасходуемого инструмента. Тепло образуется за счет трения между материалом заготовки и вращающимся инструментом. Это приводит к смягчению области соединения.

При перемещении устройства по соединительной линии оно механически смешивается с размягченным материалом двух металлических частей. Затем он формирует сварное соединение за счет механического давления, оказываемого инструментом. Вы можете использовать сварку трением с перемешиванием в поездах, судостроении и самолетах.

Орбитальная сварка

Это похоже на процесс вращательной сварки трением. Однако две сваренные детали вращаются в одинаковом направлении и с одинаковой скоростью. Кроме того, их оси компенсируют до 1/8 дюйма.

Детали возвращаются к одной и той же оси после завершения цикла сварки и замедления вращения. Когда материалы повторно затвердевают, давление ковки сохраняется.

• Подробнее:  Что такое орбитальная сварка и как она работает?

Сварка с прямым приводом

В этой процедуре двигатель привода шпинделя прочно соединяется с валом. Когда две части соединяются, двигатель продолжает вращать вращающуюся часть, выделяя тепло от трения.

В зависимости от определенной программы ЧПУ, шпиндель постоянно замедляется, когда выполняется процедура сварки. Он останавливает шпиндель в заданной точке. Если вам нужна определенная ориентация между свариваемыми деталями, этот тип сварки предпочтителен.

---

Каковы основы сварки трением?

Изображение предоставлено: Центр космических полетов Маршалла НАСА, Flickr, лицензия CC BY-NC-ND 2.0

Это обычно называют сваркой вращением. Сварка трением представляет собой регламентированную процедуру механической обработки для соединения одинаковых и разных комбинаций металлов. Основной целью сварки трением является 100% сварка всей поверхности соединения.

Это означает, что при правильно подобранных материалах прочность поверхности раздела или сварного соединения равна прочности основных металлов. Результатом процедуры является сильнодействующая, не подверженная стрессу и слегка подверженная тепловому воздействию область (ЗТВ).

Кроме того, сварной шов не имеет пор, что во многих случаях избавляет от необходимости дорогостоящей предварительной обработки или обработки. Спиновая сварка — это установленная процедура, которая началась в 1890-х годах. Он обычно одобрен во многих различных отраслях и на мировых рынках.

Проще говоря! При сварке трением одна деталь прижимается к другой присоединенной детали под давлением. Этот механизм эффективно подготавливает и очищает сварное соединение. Кроме того, он производит достаточно низкотемпературного и фрикционного тепла. При этом один из материалов становится пластичным на границе раздела.

Процедура склеивания без плавления создает сплавление материалов за счет тепла, выделяемого в результате триггерного чистящего движения, и нагрузки, приложенной между поверхностями.

В этот момент вращение быстро останавливается, и детали соединяются вместе.

Какие металлы вы используете при сварке трением?

С помощью сварки трением можно соединять различные типы металлов. Некоторые материалы, которые невозможно соединить с помощью других методов сварки, можно соединить с помощью сварки трением. С помощью сварки трением можно выполнить даже некоторые разнородные сварные соединения.

Это потому, что для сварки в твердом состоянии не требуется плавление. Поэтому непримиримость металла, встречающаяся в расплавленном состоянии, не является проблемой.

Изображение предоставлено: Amiinc123, Wikimedia Commons под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.

Обычные металлы, которые можно соединять сваркой трением, включают:

• Различные типы стали
• Различные титановые сплавы
• Алюминиевые сплавы
• Медные сплавы и многое другое

Где используется?

Этот метод особенно полезен для последовательного производства. Несколько высокие накладные расходы находятся в равновесии с более высокой скоростью производства и более низкой потребностью в рабочей силе. Процедура имеет несколько размеров и аппаратных средств, которые можно легко отрегулировать.

Таким образом, этот метод сварки также полезен, когда речь идет о производстве деталей меньшего размера. Благодаря этим преимуществам сварка трением нашла широкое применение в промышленности.

Обычно сварку трением можно применять в следующих отраслях:

Самолеты

Еще одним преимуществом сварки трением является возможность соединения разнородных материалов. Это особенно полезно в аэрокосмической отрасли. Здесь он используется для соединения легкого алюминия с высокопрочными сталями.

Обычно большая разница в температурах плавления двух материалов делает сварку традиционными методами невозможной и требует некоторого механического соединения. Сварка вращением обеспечивает соединение «полной прочности» без лишнего веса.

Атомная промышленность

Следующим распространенным применением этого типа биметаллического соединения является эта промышленность. Здесь связь медь-сталь обычна в системах охлаждения реактора и транспортировки криогенных жидкостей. Когда дело доходит до соединения сплава алюминия с нержавеющей сталью и сплава материалов с высоким содержанием никеля для защитных емкостей и трубопроводов криогенной жидкости, лучше всего подходит сварка вращением.

Изображение предоставлено: Центр космических полетов Маршалла НАСА, Flickr, лицензия CC BY-NC-ND 2.0

Автомобили

Стремление производить более экономичные автомобили привело к увеличению использования алюминия в автомобильном секторе. Алюминий легкий и, следовательно, экономит вес. Это также повышает возможность вторичной переработки, если автомобили поцарапаны.

СТП все чаще используется для восстановления методов сварки плавлением, если используются алюминиевые сплавы. Основным преимуществом алюминия является минимальное искривление. Эта процедура использовалась при изготовлении панелей задних фонарей.

Тем не менее, этот подход не использовался для производства алюминиевых цистерн для тяжелых автомобильных перевозок порошков и жидкостей.

Термопласты

Вы также можете использовать сварку трением с термопластами. Аналогичным образом они действуют на металлы под давлением и при нагревании. Давление и тепло, которые вы используете для этих материалов, намного ниже по сравнению с металлами.

Тем не менее, вы можете использовать этот подход для соединения металлов с пластиком с механической обработкой металлического соединения. Например, вы можете использовать этот подход, если вы соединяете оправы очков со штифтами, расположенными в их петлях. Давление и более низкие энергии, которые вы используете, позволяют вам применять широкий спектр подходов.

Преимущества сварки трением

• Позволяет создавать сварные швы высочайшего качества за короткое время.
• Вам не нужен присадочный материал или флюс.
• Сварочный аппарат прост в эксплуатации.
• Имеет минимальное количество поверхностных примесей и оксидных пленок.
• Это не займет так много времени.
• Процедура сварки позволяет сваривать большинство обычных металлов. Вы также можете использовать его для соединения многочисленных комбинаций разнородных металлов.
• Этот процесс обеспечивает улучшенные сварные швы по низкой цене и с более высокой скоростью, чем контактная стыковая сварка. Кроме того, он требует низкого уровня электрического тока.
• Имеет небольшую площадь термического влияния по сравнению с традиционной сваркой оплавлением.
• Вам не нужно использовать защитный газ, флюс или присадочный металл.
• Не образует шлака, который может привести к дефектам сварки.
• Укорачивание деталей меньше, чем при стыковой сварке оплавлением.

Недостатки сварки трением

• В этом процессе сварки вам потребуется несколько дорогостоящее оборудование, похожее на механическое устройство.
• Процедура ограничивается соединением круглых труб или стержней одинакового диаметра.
• Этот метод сварки нельзя использовать для сварки не поддающихся ковке материалов или высушенных подшипников (один из них должен быть податливым).
• Сплавы, не требующие механической обработки, плохо поддаются сварке.
• Сварочное оборудование и инструменты, используемые в этой процедуре, дороги.
• Если вы хотите получить равномерное трение и нагрев, подготовка и выравнивание заготовки имеют решающее значение.

Изображение предоставлено: TheGrenzebachGroup, Wikimedia Commons под лицензией Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International license

Часто задаваемые вопросы

Сварка трением надежна?

Поскольку сварной шов трением более прочный по сравнению с традиционными сварными швами, требуется меньше исходных материалов для достижения аналогичных характеристик усталости и крутящего момента традиционной детали. Это подразумевает снижение стоимости и времени послесварочной обработки двух исходных материалов, чтобы избавиться от дополнительного материала.

Что такое холодная сварка трением?

Холодная сварка – обычное, но важное явление при резке металла. Это результат структурных изменений и взаимной диффузии инструмента и стружки при сварке. Холодный сварочный слой с подслоем и устройством создает общие зерна.

Можно ли сваривать нержавеющую сталь трением?

Среди типов нержавеющей стали аустенитная нержавеющая сталь является лучшим вариантом для сварки трением. В настоящее время широко распространена сварка трением с использованием нержавеющей стали. А поскольку сварка трением не занимает много времени, дефекты на металле уменьшаются без предварительного нагрева и послетермической обработки.

---

Заключение

Сварка вращением — это процесс сварки в твердом состоянии, при котором происходит коалесценция материалов за счет тепла, полученного от скользящего движения, которое механически вызывается между трющимися поверхностями.

Детали удерживаются вместе за счет давления. В этом процессе одна часть вращается относительно другой, создавая фрикционное тепло в соединении. Как только будет достигнута необходимая высокая температура, концепция вращения остановится. Слияние происходит, если вы оказываете дополнительное давление.

---

Рекомендуемое изображение: Дэниел Стилман, Flickr под лицензией Public Domain Mark CC 1.0

• Что такое сварка трением?
• Как это работает?
• Какие существуют виды сварки трением?
  • Инерционная сварка трением
  • FSW (сварка трением с перемешиванием)
  • Орбитальная сварка
  • Сварка с прямым приводом
• Каковы основы сварки трением?
• Какие металлы вы используете при сварке трением?
• Где используется?
  • Самолеты
  • Атомная промышленность
  • Автомобили
  • Термопласты
• Часто задаваемые вопросы
  • Прочна ли сварка трением?
  • Что такое холодная сварка трением?
  • Можно ли сваривать нержавеющую сталь трением?
• Заключение

Знать различия между методами сварки трением

Производство

Войцех Осикович, Hydro 06 августа 2021 г.

Сварка трением с перемешиванием является отличным методом соединения алюминия. Но это только один из видов сварки трением. Позвольте мне объяснить различия и сходства между ними.

Сварка трением с перемешиванием (FSW) особенно полезна при создании длинных и широких конструкционных алюминиевых панелей для таких отраслей, как морская, оффшорная и транспортная. Другие типы процессов сварки трением, с которыми можно столкнуться:

• Вращательная сварка трением (RFW)
• Линейная сварка трением (LFW)
• Орбитальная сварка трением (OFW)

Как и в случае с СТП, каждый из этих процессов представлен в различных модификациях и вариантах, адаптированных к оборудованию и конкретным применениям.

• RFW используется при сварке некоторых автомобильных компонентов, включая оси, шестерни, поршневые штоки и валы турбин, алюминиево-медные электрические соединители, переходные соединения из разнородных металлов, сверла и другие инструменты.
• LFW используется в основном в аэрокосмической промышленности, например, для интегрированных лопастных дисков для реактивных двигателей и заготовок почти чистой формы для конструкционных деталей.
• OFW обычно используется для соединения пластика, а не металла.

Обычные процессы сварки трением

По сравнению с FSW, RFW считается обычным процессом сварки трением. RFW используется в промышленности уже более полувека. LSW и OFW, хотя и не так широко применялись, также были известны за десятилетия до изобретения FSW.

Каждый метод создает фрикционное тепло путем трения соприкасающихся поверхностей материалов под действием сжимающих осевых нагрузок. Как только металл пластифицируется и размягчается под воздействием тепла, трение прекращается, и детали прижимаются друг к другу для укрепления соединения. Отличие между ними заключается в характере относительного движения частей.

Схемы движения для создания сварных швов трением

RFW лучше всего работает в комбинациях, когда хотя бы одна из деталей симметрична относительно оси вращения. Эта часть вращается или вращается, а другая неподвижна. При сварке несимметричных профилей возникают проблемы, связанные с контактом границы горячего металла с атмосферой во время сварки и контролем углового совмещения деталей. Эти проблемы решаются в LFW и OFW.

LFW и OFW основаны на тех же принципах, что и RFW. Однако вместо вращения детали в LFW используется линейное колебательное движение, а в OFW используется орбитальное движение между частями. Как только происходит достаточное нагревание и поток металла, детали доводятся до желаемого выравнивания.

Многие решения с трением

Общим знаменателем для всех методов сварки трением является их твердотельный характер. Сварной шов остается в твердом состоянии, что устраняет проблемы, связанные с расплавлением и затвердеванием, такие как пористость и растрескивание.

Более низкие пиковые температуры по сравнению со сваркой плавлением снижают термическое повреждение свариваемых деталей и минимизируют деформацию. Кроме того, твердотельный характер процессов сварки трением позволяет успешно соединять разнородные материалы.

Обычные процессы сварки трением применимы только к деталям, которые могут быстро перемещаться относительно друг друга по одной и той же плоскости соединения, и к материалам, обладающим хорошей поперечной жесткостью и хорошими высокотемпературными свойствами.

Каждый из обычных процессов трения можно считать более быстрым на единицу сварного шва, чем СТП. Это связано с тем, что объем взаимодействия в FSW мал и ограничивается тонким слоем материала вокруг вращающегося инструмента. В других процессах сварка происходит естественным образом по всему поперечному сечению интерфейсов. FSW также требует инструментов, а другие процессы — нет.

Все процессы сварки трением легко автоматизируются, что обеспечивает высокую воспроизводимость сварных швов с очень низким уровнем брака.

В целом СТП имеет меньше ограничений, чем другие процессы сварки трением, и, хотя это гораздо более молодая технология, СТП широко используется во многих отраслях промышленности. Они варьируются от больших конструкционных панелей в транспорте и гражданском строительстве до небольших конструкционных деталей и корпусов автомобилей, а также радиаторов в силовой электронике.

Сварка трением безвредна для окружающей среды

Все процессы сварки трением более безопасны для окружающей среды и безопаснее для людей, выполняющих работу, чем традиционные методы сварки. Они соединяют металлы, смешивая интерфейсы частей. Не требуется никаких наполнителей или защитных газов.

Суть в том, что все четыре метода сварки трением обеспечивают получение прочных и долговечных сварных швов. Они делают это экономически эффективно, с минимальным риском для здоровья и воздействием на окружающую среду.

Хотите узнать больше?

Ознакомьтесь с подробным информационным документом о сварке трением с перемешиванием.

 

Свяжитесь с нами, чтобы узнать больше о сварке трением с перемешиванием или о соединении похожих и разнородных материалов!

Что такое сварка алюминия трением с перемешиванием?

Q  — Я слышал о сварочном процессе под названием Сварка трением с перемешиванием. Судя по всему, это довольно новый процесс, особенно хорошо подходящий для сварки алюминия. Можете ли вы дать мне некоторую информацию об этом процессе и типах приложений, для которых он используется?

A —  Изобретенный в 1991 году процесс сварки трением с перемешиванием (FSW) был разработан и запатентован Институтом сварки (TWI) в Кембридже, Соединенное Королевство. Первые специально построенные и коммерчески доступные машины для сварки трением с перемешиванием были произведены ESAB Welding and Cutting Products на своем заводе по производству оборудования в Лаксе, Швеция. Развитие этого процесса было значительным изменением по сравнению с обычным вращательным движением и линейными возвратно-поступательными процессами сварки трением. Это обеспечило большую гибкость в группе процессов сварки трением.

Традиционный процесс вращательной сварки трением требует, чтобы по крайней мере одна из соединяемых частей вращалась, и имеет практическое ограничение соединения компонентов правильной формы, предпочтительно круглого сечения и ограниченной длины. Хорошим примером являются короткие трубы или круглые стержни одинакового диаметра.

Процесс линейного возвратно-поступательного движения также требует перемещения соединяемых деталей. В этом процессе используется прямолинейное движение вперед и назад между двумя частями для создания трения. В этом процессе регулярность соединения деталей не так важна; однако движение детали во время сварки имеет важное значение.

Очевидным ограничением обоих этих процессов является ограничение конструкции соединения и геометрии компонента. По крайней мере, одна из соединяемых частей должна иметь ось симметрии и иметь возможность вращаться или перемещаться вокруг этой оси.

Сварка трением с перемешиванием (FSW) позволяет выполнять соединения встык или внахлестку материалов различной толщины и длины. При СТП выделяется тепло за счет трения нерасходуемого инструмента о поверхность, предназначенную для соединения, и за счет деформации, возникающей при прохождении инструмента через соединяемый материал. Вращающийся инструмент создает объемный нагрев, поэтому по мере продвижения инструмента создается непрерывное соединение. FSW, как и другие типы сварных швов трением, по своей природе в основном является твердым. В результате сварные швы трением с перемешиванием не подвержены дефектам, связанным с затвердеванием, которые могут мешать другим процессам сварки плавлением. Схема процесса СТП представлена ​​на рис. 1. Части, предназначенные для соединения, обычно располагаются встык. Затем вращающийся инструмент приводится в контакт с заготовками. Инструмент состоит из двух основных компонентов: наконечника, выступающего из нижней части инструмента, и выступа относительно большого диаметра. Длина зонда обычно рассчитана так, чтобы точно соответствовать толщине обрабатываемых деталей. Сварка начинается с погружения вращающегося зонда в заготовку до тех пор, пока буртик не окажется в тесном контакте с верхней поверхностью детали. Тепло трения генерируется, когда вращающееся плечо трется о верхнюю поверхность под действием приложенной силы. Как только достаточное количество тепла вырабатывается и направляется в заготовку, вращающийся инструмент продвигается вперед. Материал размягчается под действием нагрева плеча и перемещается зондом через линию соединения, облегчая соединение.

Одним из ограничений процесса СТП является механическая стабильность инструмента при рабочей температуре. При СТП инструмент отвечает не только за нагрев материала подложки до температур ковки, но и за обеспечение механического воздействия ковки. Следовательно, инструментальный материал должен быть способен выдерживать высокие ковочные нагрузки и температуры при контакте с деформируемым материалом подложки без чрезмерного износа или деформации. В результате в большинстве применений СТП использовались материалы с низкой температурой ковки. Из них наиболее важным классом материалов был алюминий. Практически все классы алюминиевых сплавов успешно свариваются трением с перемешиванием. К ним относятся сплавы 1xxx, 2xx, 3xxx, 4xxx, 5xxx, 6xxx и 7xxx, а также более новые сплавы Al-Li. Каждая система сплавов металлургически различна. Кроме того, разные сплавы в пределах данного класса могут иметь разные характеристики ковки. В результате обработка для каждого сплава может различаться. Тем не менее, соединения с высокой степенью целостности могут быть получены во всех классах.

Некоторые применения:

Из-за потенциальных преимуществ по сравнению с дуговой сваркой в ​​некоторых применениях, связанных с этими процессами, СТП вызвала интерес во многих областях промышленности, работающих с алюминием. К преимуществам относится возможность производить сварные швы большой длины из алюминия без расплавления основного материала. Это обеспечивает важные металлургические преимущества по сравнению с обычной дуговой сваркой. Плавление основного материала при СТП не происходит, что исключает возможность образования трещин при затвердевании, что часто является проблемой при дуговой сварке некоторых алюминиевых сплавов. Другими преимуществами могут быть: низкая деформация, связанная с меньшим нагревом в процессе сварки; устранение проблем с пористостью, которые возникают при дуговой сварке алюминия; минимальная подготовка кромок, так как стыковые соединения обычно выполняются с квадратно-стыковой подготовкой; и отсутствие расходных материалов для сварки, таких как защитный газ или присадочный материал.