fbpx

Технология и области применения сварки трением на токарном станке

Чтобы соединить две детали требуется сдвинуть атомы вещества настолько, чтобы между ними начали работать силы межатомного сцепления.

Для достижения контакта используют температуры, размягчающие металл:  вольтову дугу, кислородно-ацетиленовую горелку, луч лазера и т.д.

Но есть способ, при котором дополнительный источник тепла не используется. Это сварка металла трением.

Понятие и определение

Процесс перехода кинетической (двигательной) энергии в тепловую известен с незапамятных времен. Заключается он в том, что при трении предметов друг о друга их температура повышается и может достичь точки плавления.

На этом принципе и основан способ соединения двух металлических или пластиковых изделий с помощью трения. Способ этот считается одной из разновидности сварки давлением.

Попытки соединить металл таким способом предпринимались еще в начале века. Но впервые получить по-настоящему качественный стык  получилось лишь  в 1956 г у А. И. Чудикова.  Используя токарный станок, он, вращением нагрел, а затем сжал заготовки, тем самым став родоначальником нового вида сварных соединений.

Область применения

Сварка трением быстро приобрела популярность. С ее помощью оказалось возможным быстро и точно соединять детали. Причем из металлов, которые другим способом соединить сложно. К примеру, сталь с титаном, медь с алюминием и т.п.

Нагрев только поверхностных слоев дал возможность сваривать изделия, не допуская  температурных деформаций. Соединять изделия, прошедшие чистовую обработку без порчи  поверхности.

Такой способ соединения используют для редких, дорогостоящих металлов, уменьшая их расход за счет отсутствия шва, выгорания и разбрызгивания.

Преимущества и недостатки

Из минусов, точнее — ограничений метода можно назвать следующие:

  • необходимость громоздкого оборудования;
  • низкая универсальность процесса: невозможно либо невыгодно сваривать тяжелые, крупные изделия, ограничена конфигурация свариваемых элементов;
  • требование точного соблюдения технологических регламентов;

Вместе с тем, методика:

  • позволяет выполнять сварное соединение металлов, плохо или совсем не поддающихся другим способам, скажем, соединить алюминиевый брусок с титановой пластиной;
  • дает экономию энергозатрат, особенно при поточном изготовлении типовых деталей;
  • точно выдерживает характеристики соединений;
  • чтобы подготовить поверхность заготовок не требуется особых мероприятий, от большинства загрязнений она очиститься в процессе соединения;
  • не требует специфических расходных и вспомогательных материалов;
  • качество соединения не уступает основному металлу не только по прочности, но по пластичности и упругости;
  • обладает высокими экологическими качествами: отсутствует УФ излучение, нет разбрызгивания горячего металла, пыли, вредных газов.

Высокую экономичность метода подтверждает скорость окупаемости оборудования. Она редко превышает год. При активном использовании составляет несколько месяцев.

Виды и схемы

При относительной единообрáзности принципов,  методик и схем  насчитывается более десятка.

  1. Сварка трением с непрерывным приводом. Самый первый способ, с которого методика  началась. Две детали, одна из которых неподвижна, вторая прижимается к ней одновременно вращаясь. Как только металл размягчится, вращение останавливают, детали сжимают.
  2. Инерционная сварка. Развитие предыдущего метода. Вращающаяся заготовка раскручивается до определенной скорости, а затем продолжает вращаться по инерции.
  3. Комбинированный вид сварки  сочетает два предыдущих.  До определенного  момента вращение обеспечивает привод. Затем его отключают, а заготовку по достижению точно определенной скорости и усилия резко останавливают.
  4. Колебательная сварка трением. Или как ее еще называют вибрационная. Отличием является не вращательное, а возвратно поступательное движение с высокой частотой.
  5. Сварка трением с перемешиванием. Специфический вид позволяющий получить уникальные результаты.  Сварка перемешиванием производится вращением особого валика, при неподвижных соединяемых деталях. Размягчая металл, такой наконечник погружается на определенную глубину, а затем перемещается по  стыку свариваемых деталей, продолжая вращение. При этом метал  перемешивается, образуя цельный стык.
  6. Орбитальная сварка трением. Отличается перемещением изделия по определенной орбите (обычно по окружности). При этом сама деталь не вращается.
  7. Радиальная сварка трением. Способ используют для соединения трубчатых заготовок. Сами детали при этом обычно неподвижны, а относительно них (внутри или снаружи) вращается еще одна — кольцеобразная.
  8. Роликовая сварка. С успехом используется для соединения тонких плоских элементов. Нагрев создает вращающийся ролик. Он перемещается по наложенным внахлест листам, оставляя за собой шов.
  9. Штифтовая сварка. Служит для создания точечных соединений, ремонта каверн и раковин. Температура создается вращающимся штифтом.
  10. Линейная сварка. Принцип схож с колебательной, при большей траектории перемещения. Иногда для соединения достаточно переместить деталь лишь в одном направлении.
  11. Ротационная сварка. Нередко встречающееся понятие — обобщенное название всех типов,  при которых заготовки вращаются относительно своей оси. Сюда входит радиальная, инерционная, сварка трением с перемешиванием и пр.
  12. Наплавка с помощью сварки трением. Служит для образования слоя покрытия одного металла другим. Деталь вращается, одновременно перемещаясь, при этом ее металл словно намазывается на основу. Таким образом возможно получить толстый нержавеющий защитный слой, либо поверхностный сплав двух металлов.

Кроме перечисленных основных типов существуют и другие разновидности,  отличающиеся незначительными нюансами.

Технология

При движении свариваемых трением деталей происходит ряд последовательных процессов:

  • под воздействием механических нагрузок разрушаются пленки окислов и загрязнения;
  • заготовки разогреваются, металл выдавливается из стыка, одновременно вынося все загрязнения;
  • вращение резко прекращается, при этом давление на детали не убирается, а часто увеличивается.

Опыт показал, что оптимальное значение размеров свариваемых элементов лежит в пределах от нескольких миллиметров, до 100-150 см. Бoльшие размеры требуют резкого увеличения мощности привода, переставая быть рентабельными.

Наилучший эффект получается при использовании деталей с одинаковыми свариваемыми поверхностями. Исходя из этой особенности, в процессе подготовки, заготовки специально подрезают, выравнивая их торцы.

Сварочный процесс, выполняемый за счет трения, включает две переменных:

Скорость вращения и давление. Подбор этих параметров зависит от сочетания металлов, составляя наиболее сложную составляющую процесса. На 80% расчеты основаны  на экспериментальных данных.

Динамические нагрузки возникающие при этом способе  в ряде случаев требует дополнительной термической обработки. При этом она не требуется для низколегированных и некоторых классов высоколегированных сталей.

Оборудование

Машины для соединения таким способом, как правило имеют схожее устройство. Это привод с клиноременной передачей, вращающаяся бабка для крепления одной детали, неподвижная для другой.

Отличает их мощность, осевое усилие вращения, проковки, размер и форма деталей которые с их помощью удается сварить и пр.

Некоторые модели оборудованы дополнительными фрезерными устройствами для снятия, выдавливаемого из зоны стыка металла.

Контроль качества соединений

В качестве руководства по контролю соединений, выполненных методом трения, используют ГОСТ 3242-79 «Соединения сварные. Методы контроля качества».

Основная методика проверки — обследование ультразвуковыми приборами. Кроме того, применяются выборочные разрушающие испытания образцов на изгиб, разрыв, поперечную деформацию.

В завершение разговора

Подводя итоги, можно сделать вывод: методика сваривания трением является  инструментом инженерного арсенала промышленности. Дает эффективна при правильном использовании.

Учитывая, что с момента изобретения сварки с помощью трения не прошло еще и ста лет,  велика вероятность что потенциал ее далеко не исчерпан.

Оставить комментарий

Оцените статью*