Материалы для сварки трением

Что такое сварка трением, где она применяется и какое оборудование необходимо для каждого вида сварки трением?

Сварка трением – это разновидность сварки давлением (ГОСТ Р ИСО 4063-2010), при которой расплав соединяемых поверхностей достигается за счет преобразования механической энергии силы трения деталей в тепловую.

Сначала поверхности деталей нагреваются и расплавляются от взаимного трения за счет вращения или возвратно-поступательного движения относительно друг друга, потом детали плотно прижимаются друг к другу с давлением 50-450 МПа, и в месте контакта формируется сварное соединение, проковка которого достигается путем прекращения трения и остывания шва под продолжающимся давлением.

Область применения и виды сварки трением

Сварка трением применяется для следующих операций:

Сварка трением подходит для соединения загрязненных деталей, так как не требует их предварительной очистки – окисная пленка и жировой налет снимаются в начале взаимного трения соединяемых поверхностей.

Заготовки из алюминия, титана и магнийсодержащих сплавов хорошо поддаются сварке трением из-за легкоплавкости.

Существуют следующие основные виды сварки трением:

колебательная (линейная);
с перемешиванием;
с непрерывным приводом;
радиальная;
орбитальная;
инерционная.

Вид сварки выбирается в зависимости от назначения готового изделия и технологических возможностей производства.

Колебательная сварка

С помощью данной технологии сваривают детали из легкоплавких металлов и сплавов. Одна деталь закрепляется неподвижно, а второй придаются возвратно-поступательные движения с одновременным прижатием к первой детали, в результате чего на стыке деталей металл нагревается, расплавляется и перемешивается, образуя однородное сварное соединение.

Для колебательной сварки потребуется оборудование:

массивное основание;
крепления (зажимы, болты);
двигатель с коленчатым валом;
гидравлическая установка;
шлифовальная машинка.

Сначала детали нужно подготовить к сварке – очистить от ржавчины и зашлифовать крупные неровности (окисная пленка снимается трением в процессе сварки).

Далее первая деталь прикрепляется зажимами к основанию, а другая деталь соединяется с коленчатым валом двигателя, при этом амплитуда колебания коленвала должна составлять 0,3-0,7 от длины линии сваривания.

После закрепления деталей включается двигатель с коленвалом, детали разогреваются от трения, устанавливаются в нужное положение и придавливаются друг к другу гидравлической установкой на несколько секунд, после чего давление снижается, шов остывает и обрабатывается от заусенцев.

С перемешиванием

При сварке металлов с перемешиванием обе детали закрепляются неподвижно, а трение для расплава создается вращающимся штырем из тугоплавкого сплава, плавно перемещающимся вдоль линии сварки и перемешивающим горячую поверхность деталей, оставляя однородный шов.

Для сварки с перемешиванием потребуется:

плоское основание;
детали и крепления;
тугоплавкий штырь с заплечиками и электроприводом.

Детали закрепляются неподвижно на основании, соприкасаясь поверхностями, которые нужно сварить. Штырь начинает вращаться со скоростью от 600 об/мин, после чего погружается перпендикулярно линии сваривания между деталями, пока заплечики не коснутся поверхности деталей. Вокруг вращающегося штыря образуется область с расплавленным металлом обеих деталей.

Продолжая вращаться, штырь перемещается вдоль линии сварки, перемешивая металл на стыке деталей. После прохода штыря металл остывает и образуется сварной шов, выровненный сверху заплечиками. В конце линии сварки штырь вынимается из деталей, оставляя отверстие. Деталь остывает, отверстие закрывается заглушкой из материала деталей и шов зачищается.

Радиальная

Радиальная сварка применяется для соединения труб. Шов формируется из внешнего металлического кольца, которое плотно прижимается к вращающимся трубам, расплавляется от трения и перемешивается с металлом труб на их стыке.

Для радиальной сварки потребуются крепления для труб и соединительного кольца и двигатель для вращения деталей. Процесс сварки включает следующие шаги:

Два отрезка трубы соединяют поперечными разрезами, которые требуется сварить, и закрепляют в двигателе.
Металлическое кольцо закрепляется на месте будущего сварного шва.
Трубы начинают вращаться.
Место соединения труб и кольцо расплавляются.
Вращение замедляется и формируется сварной шов.

Кольцо должно быть сделано из того же металла, что и трубы. Для радиальной сварки не требуется дополнительного давления на детали, но расходуется металл для шва (кольцо).

Орбитальная

При орбитальной сварке поверхности деталей расплавляются за счет трения от их взаимного вращения, но не вокруг своих осей, а вокруг выбранной смещенной оси, благодаря чему трение происходит более интенсивно и детали разогреваются быстрее.

Технология и процесс сваривания такие же, как при линейной сварке, только вместо движения коленвалом детали сообщается соосное с ротором двигателя вращение.

Данный вид сварки не подходит для труб и иных деталей с полостями внутри линии сваривания.

Схема орбитальной сварки

Инерционная

Инерционная сварка трением – это разновидность радиальной сварки, при которой крутящий момент от двигателя к подвижной детали сообщается не напрямую, а через инерционный маховик, благодаря чему происходит экономия электроэнергии.

Читать еще: Баня 4х6 с ломаной крышей проект

Инерционная сварка происходит так:

Инерционный маховик необходимо регулировать под каждый вид свариваемых деталей, чтобы время его вращения было достаточным для расплава деталей. Скорость маховика варьируется в пределах 0,28-11,1 м/с.

С непрерывным приводом

Непрерывный привод используется в радиальном, инерционном и орбитальном типах сварки. Суть метода в том, что вращение двигателя не тормозится для смены каждой детали, а при использовании маховика он отсоединяется от оси двигателя без его остановки.

Технология сварки с непрерывным приводом определяется конкретным видом сварки и позволяет экономить время на запуск и остановку двигателя. Подходит для конвейерного производства однотипных деталей, но требует механизма для автоматической смены заготовок.

Выбор режима сварки

Каждый из описанных видов сварки имеет несколько режимов, различающихся по скорости вращения подвижных деталей, силе сдавливания заготовок и толщины сварного кольца (для радиальной сварки). Физические параметры режимов определяются технологией конкретного производства и условно все режимы сварки трением можно разделить на три:

низкоскоростной;
стандартный;
ускоренный.

Сварка трением на низких скоростях вращения или трения деталей применяется при большой вязкости свариваемых материалов (например, заготовок из меди), а также при риске нарушения структуры волокон детали. Высокие скорости трения применяются при сваривании легкоплавких металлов и сплавов методом перемешивания, а высокое давление вдоль оси вращения – при сварке с помощью непрерывного привода деталей без полостей (сплошных).

Достоинства и недостатки метода

Достоинствами сварки трением являются:

более низкое энергопотребление по сравнению с другими видами сварки;
малое количество дефектов (пор, раковин);
равномерная структура сварного шва;
возможность точно контролировать процесс;
малое количество вредных выбросов;
высокий коэффициент использования металла;
возможность автоматизации процесса.

ограниченная применимость;
громоздкое оборудование;
ограниченная поверхность соединения.

Применение метода затруднено при сваривании неоднородных деталей разной толщины, кроме того, из-за сложности используемых механизмов сварку трением практически невозможно использовать на выездных работах и при срочном ремонте.

Сварка трением

Сварка трением, или фрикционная сварка, была изобретена в 1956 году в СССР. Для нагрева металла используется тепло, выделяемое при интенсивном трении прижатых друг к другу деталей. Метод отличается простотой, экологичностью и малой энергоемкостью. Так можно сваривать даже разнородные металлы и сплавы, не соединяемые другими способами.

Принцип действия

Технология сварки с помощью трения стоит особняком среди прочих методов сварки. Для нагрева свариваемых деталей используется тепло, выделяемое при трении заготовок друг о друга.

Наиболее распространено использование трения вращения, при этом вращается одна из свариваемых заготовок либо вкладка (или накладка) между ними.

Заготовки сильно прижимают друг к другу, постепенно увеличивая силу прижима. В точке контакта деталей и происходит нагрев.

За счет трения и высокой температуры разрушаются окисные пленки и следы посторонних загрязнений. Поверхности заготовок притираются одна к другой, разрушаются микро выступы, поверхность выравнивается, и атомы металлов получают возможность вступать в близкое взаимодействие. Кристаллические связи возникают на короткое время и быстро разрываются за счет движения заготовок друг относительно друга.

Схема сварки трением

Процесс разделяется на следующие этапы:

Снятие оксидных пленок.
Нагрев поверхностей до температуры пластичности, создание и разрушение фрагментов кристаллических решеток
Останов вращения, кристаллизация зоны контакта, образование сварного шва.

После того, как температура плавления достигнута, вращение останавливают и увеличивают силу прижима.

Технологическая схема сварки трением намного проще, чем электродуговая или газовая сварка.

Особенности процесса сварки

К особенностям сварки трением относят:

Способность к свариванию разнородных материалов, например, сварить сталь алюминий. При этом не требуются присадочные материалы и сложное оборудование.
Применимость для неразъемного соединения деталей из меди, свинца, титана без деформации заготовок.
Максимальная эффективность достигается при работе с заготовками от 6 до 100 миллиметров диаметром.
Незаменимость в создании сложных технологий и выпуске ковано-сварных, штампованно-сварных и сварочно — литых изделий.
Способность соединять материалы с низко свариваемостью. Этим методом можно сварить заготовки, не свариваемые никакими другими методами, например, алюминиевые и стальные.

Схема производства сварки трением

Нагревание при сварке трением широко используется и для сваривания деталей из термопластичных пластиков.

Преимущества сварки трением

К важным преимуществам технологии сварки трением относят:

Производительность. Весь сварочный процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существенно меньше времени занимают также и подготовительно — завершающие операции. По этому параметру технология превосходит контактную электросварку.
Эффективность использования энергии. Нагрев происходит очень быстро и в весьма ограниченной закрытой области, потери энергии на обогрев окружающего пространства ничтожны по сравнению с другими сварочными технологиями. Преимущество по энергозатратам может быть десятикратным.
Отличное качество шва. При корректно подобранном технологическом режиме зона сварного шва и околошовные области станут практически идентичны по своему строению и характеристикам основному металлу. Кроме того, в шовном материале практически отсутствуют дефекты: пористость, каверны, трещины, посторонние включения.
Высокая стабильность характеристик швов внутри партии деталей. Если точно выдерживать режим, параметры деталей будут отличаться на доли процента. Это позволяет контролировать качество выборочно и позволяет сэкономить много времени и средств. Если одна деталь из партии прошла разрушающий контроль, то можно принимать технически обоснованное решение о годности всей партии.
Нет необходимости в предварительной механической зачистке поверхности зоны шва и околошовной области. Она выполняется на первом этапе технологического процесса. Поскольку на подготовительно — завершающие операции времени уходит больше, чем на собственно сварку, это преимущество дает возможность для весьма заметной экономии.
Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Успешно свариваются такие пары металлов, которые просто невозможно сварить другими методами: стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и т.д.
Экологичность технологии. Сведены к минимуму как загрязнение окружающей среды, так и вредные факторы воздействия на здоровье людей: высокое напряжение, брызги расплавленного металла, ультрафиолетовое излучение, пожароопасность и другие.

Читать еще: Балкон на первом этаже своими руками

Кроме того, сварка трением легко поддается механизации и автоматизации. Это особенно важно при крупносерийном и массовом производстве. Несколько несложных повторяющихся операций легко алгоритмизируются и могут выполняться по программе без участия человека.

Недостатки сварки трением

Как и у любой реально действующей технологии, фрикционному свариванию присущ и ряд недостатков:

Применимость к ограниченному набору форм заготовок. Хотя бы одна из них должна иметь форму тела вращения. Способ не подходит для сваривания протяженных прямых и криволинейных швов, оболочек сложной формы, монтажа строительных конструкций, корпусов механизмов и транспортных средств. Однако в машиностроении более 75% деталей имеют круглое сечение или более сложную форму тел вращения.
Громоздкое оборудование. Универсальный или специализированный станок требует стационарной установки, подведения электропитания. Это делает невозможным применение метода в полевых условиях.
Ограниченный размер детали. Длина привариваемой детали ограничена вылетом бабки станка, диаметр — вылетом кулачков патрона.
Радиальная деформация текстуры в зоне шва и в околошовных областях. При сильных динамических нагрузках возможна концентрация усталостных напряжений и возникновение микротрещин и других дефектов. Снижается также и коррозионная стойкость. Чтобы избежать ‘этих явлений, на заготовке оставляют грат. Дополнительная трудоемкость затрачивается на снятие грата по конструктивным требованиям.

Недостатки, ограничивающие использование метода, не позволяют считать фрикционную сварку универсальной технологией. Однако в сфере своей применимости она обладает значительными преимуществами перед другими методами.

Виды сварки трением

За полвека были разработаны и активно применяются несколько разновидностей фрикционного сваривания деталей. Они обладают своими особенностями, делающими их эффективными в своей области использования.

Сварка с перемешиванием

Технология была разработана и начала применяться в конце ХХ века. Суть метода заключается в использовании вращающегося штыря с заплечиками. Штырь изготавливают из тугоплавкого сплава высокой прочности. Вращаясь и нагревая металл, он проникает в него по линии контакта заготовок. За счет вращательного движения, в которое вовлекаются поверхностные слои размягченного нагревом металла заготовок, происходит перемешивание этих слоев. Так обеспечивается равномерность структуры и характеристик шовного материала.

Сварка трением с перемешиванием

Радиальная сварка

Применяется для соединения труб. В месте стыка на трубы с минимальным зазором надевают металлическое кольцо, которое вращается вокруг них. За счет трения вращения происходит нагрев торцов соединяемых труб. Кольцо обычно изготавливают из того же сплава, что и свариваемые трубы.

Радиальная сварка трением

Штифтовая сварка

Технология разработана для проведения ремонтов. В ремонтируемой детали сверлят отверстие, в него вводят стержень из такого же сплава, что и сама деталь. В ходе вращения штифта выделяется большое количество тепла, нагревающего металл. Это один из немногих мобильных способов сварки трением.

Штифтовая сварка трением

Линейная сварка

В отличие от остальных технологий, использующих трение, в этой вращение не применяется. Детали двигаются друг относительно друга прямолинейно, возвратно – поступательно и нагреваются до необходимой температуры. В этот момент движение прекращают и сильно прижимают заготовки друг к другу. Излишки металла в состоянии пластичности частично выдавливается из зоны сварки, образуется сварочный шов. Существует вариант технологии, при котором обе свариваемые детали неподвижны, а зоне шва о них трется инструмент специальной формы.

Читать еще: Строительство мансарды ломаная крыша пошаговое

Линейная сварка трением

Область применения

Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей.

Сравнительно недавно фрикционная сварка стала использоваться в кораблестроении и пищевом машиностроении.

Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как:

для замены паяных и клепаных соединений;
для замены контактной электросварки;
для восстановления изделий и сложного инструмента;
для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям.

Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Сварка трением, принцип, применение, схема и технология

Сварка трением берет свое начало в 1956 году, в Советском Союзе. С 60-х годов она начала развиваться в других странах и впоследствии получила широкое признание. Сварка трением представляет собой разновидность сварки давлением, при которой нагрев металла происходит путем трения одной из соединяемых частей изделия. Окончательное соединение происходит в конце процесса, когда применяется проковочное усилие. Этот вид сварки используется в авиастроении, автомобилестроении.

Сварка металла трением

Сварка металла трением — это уникальный процесс соединения двух металлов, при котором механическая энергия трения или вращения одной из заготовок превращается в тепловую, где генерирование теплоты происходит именно в месте нужного соединения. В процессе нагрева детали прижимаются с постоянным давлением или нарастающим. После необходимого нагрева, расплава металла, соединения путем давления сварка завершается осадкой и резким прекращением вращения. При сварке металла трением в зоне соединения в результате давления происходит разрушение жировых пленок и окислов, которые мешают прочному соединению. Сильно разогретый металл, до температуры плавления, при сильном сжатии побуждает атомы металлов врастать друг в друга, что вызывает монолитность изделия. Таким образом, сварка металла трением включает в себя процесс:

прочное закрепление деталей, при котором одна из них подвижная, а другая нет;
разогрев металла механическим путем до пластичного состояния, плавления;
процесс разрушения окислов, жировых пленок, мешающих прочности сварного шва;
кромки горячего металла устанавливают металлические связи на атомном уровне;
прекращение вращательных движений, давления, режим застывания деталей.

В 1990-е годы был разработан метод сварки трением металлов с перемешиванием. Этим способом варятся стыковые швы листового цветного металла: алюминия, титана, их сплавов, а также стали. Также свариваются все сплавы с температурой плавления до 1800 0 С, можно соединять разнородные металлы. Для этого используют инструмент в форме стержня с наконечником, который углубляется в свариваемую деталь и проходит по всей необходимой длине свариваемой детали. Инструмент вращается с очень большой скоростью, происходит сильное трение, вызывающее нагрев металла до пластичного состояния. Происходит перемешивание расплавленной массы с вращающимся инструментом и его вытеснение в свободное пространство позади инструмента. В результате такого процесса устанавливаются металлические связи и происходит соединение металлов. По окончании работы инструмент выводят за пределы заготовки. Ключевые критерии сварки трением металлов с перемешиванием:

скорость сварки;
частота вращательных движений;
сила прижимания инструмента, его перемещение, с учетом свариваемого металла, его толщины;
размеры такого инструмента и угол его наклона.

Достоинства такой сварки:

не нужна большая мощность;
локальная зона разогрева, точность разогрева;
быстрота сварки;
точность соединения;
отсутствие брызг.

Сварка трением оборудование

Сварка трением оборудование предназначено для выполнения высокоточной задачи по соединению двух металлов. Одним из передовых станков является ПСТ-80. Он оборудован гидравлическими зажимами, сенсорным экраном для контроля, управления и программирования цикла сварки, гидростанцией и станцией смазки. Может сваривать металл из жаропрочной стали, конструкционной, шов сечения состоит из мелкозернистой структуры. Сварка трением оборудование модели МАСТ-10 предназначена для стыковой сварки черных металлов, цветных, их сплавов. Машина полуавтоматическая, автоматизированные операции, кроме загрузки деталей. Модели ПСТ-12, ПСТ-20, ПСТ-50 замечательно выполняют свою работу сваривания, образуют качественный шов, быстрота работы.