Орбитальная сварка трением
Для сварки трением деталей некруглого сечения может быть использована орбитальная сварка, при которой две свариваемые детали, поджатые осевым усилием, синхронно вращаются в одну сторону, а оси вращения деталей смещены на величину эксцентриситета. При этом каждая точка контакта описывает окружность с радиусом, равным эксцентриситету. Процесс нагрева прекращается совмещением осей вращения деталей.
Орбитальная сварка трением осуществляется движением прижатых с силой Fпp одна к другой заготовок по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей ( рис . 4). Оси заготовок смещены вoвремя 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 Fн свариваемого элементa по сечению из-зa различия в значенияx линейных скоростей на егo центральных и периферийных участках.
Рис. 4. Схема орбитальной сварки трением : а - стадия нагрева ; б - стадия проковки.
Радиальная сварка трением
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).
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. Схема радиальной сварки трением.
Радиальная сварка трением является разновидностью ротационной сварки и используется в основном для сварки труб. Ее основным достоинством является отсутствие вращения свариваемых компонентов. Соединение формируется за счет тепла, выделяющегося при трении вращающегося кольца, находящегося на стыке свариваемых труб. Кольцо изготавливается из того же материала что и свариваемые детали. Законцовки деталей имеют V- образную разделку, а внутренняя поверхность кольца соответствующей формы выступ (рис. 6.). Кольцо обжимается радиальными силами. Во внутреннюю полость помещается стержень из теплостойкого материала, который извлекается после сварки. При необходимости выступающая часть кольца может быть в дальнейшем удалена механической обработкой.
Этим способом сваривают трубопроводы из обычных и нержавеющих сталей. По сравнению с электродуговой и газовой сваркой радиальная сварка трением обеспечивает более высокое качество шва.
Перемешивающая сварка трением (пст)
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.
Рис. 7. Технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием.
Рис. 8. Схема ПСТ.
Технологическая схема (рис. 7) 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.
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.
Перемешивающая сварка трением (ПСТ) является одним из новейших способов сварки (запатентована в 1991 году). Она выполняется торцом вращающегося инструмента, перемещающегося в направлении сварки . Диаметр инструмента выбирается несколько меньшим, чем глубина сварки. Рабочая поверхность инструмента имеет специальный профиль. Пластифицированный тепловыделением металл за счет сил трения закручивается относительно оси вращения инструмента. В процессе перемещения инструмента по стыку свариваемых поверхностей происходит перемешивание и перенос металла с формированием сварного шва. ПСТ целесообразно использовать для сварки материалов толщиной 1,6…30мм. Согласно данным компании TWI этот способ сварки трением позволяет за два прохода с разных сторон сваривать алюминиевый лист толщиной 75 мм. Технология ПСТ наиболее широко используется для сварки алюминиевых сплавов. К другим материалам, свариваемым ПСТ, относятся: медь и ее сплавы, свинец, магниевые сплавы, стали, сплавы на титановой и никелевой основах, термопластичные полимеры.
Инструменты для ПСТ изготавливают из инструментальных сталей (сварка пластиков и легкоплавких металлов), быстрорежущих сталей (сварка алюминиевых и магниевых сплавов), металлокерамических твердых сплавов и минералокерамик, специальных композиционных материалов (сварка алюминиевых сплавов, сталей, сплавов на никелевой и титановой основах). При выборе инструментального материала стремятся избежать намазывания оттесняемого металла на поверхности инструмента. Для этих целей могут быть использованы специальные покрытия.
Рис. 9. Конструкция инструмента, применяемого для сварки листов толщиной 8 мм из алюминий-литиевого сплава.
Рис. 10. Рабочие части инструментов используемых при ПСТ: а – традиционная конструкция инструмента; б – инструмент для получения глубоких швов; в – инструмент со специальной формой торца. Показан намазанный на выступ свариваемый металл.
При ПСТ достигается высокое качество сварки. Деформация и перемешивание металла в твердой фазе иногда создает микроструктуры более прочные, чем основной материал. Обычно, прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90% от этих характеристик для основного материала. Сварка может выполняться в различных позициях (вертикальной, горизонтальной, под наклоном, снизу вверх и т.д.), поскольку силы гравитации, в данном случае, не играют никакой роли. Перемещение инструмента или детали может производиться в различных направлениях и по программе. По мнению западных специалистов, этот процесс является революционным в области сварки листовых материалов.
Разновидностью сварки трением является инерционная сварка, комбинированная сварка, вибрационная сварка и орбитальная сварка.