Вопросы для проверки

1. Какой физический принцип заложен в процесс сварки взрывом?

2. Какие металлы рекомендуется сваривать данным методом?

3. Какая энергия используется в способе сварки взрывом?

4. Какая подготовка поверхностей соединяемых металлов выполняется перед сваркой?

5. Какие связи образуются в результате сварки взрывом?

6. В течение какого времени происходит данный сварочный процесс?

7. Каковы перспективы развития сварки взрывом?

8. Какие взрывчатые вещества могут использоваться в данном сварочном процессе?

Тема 1.4. Сварка трением

Сварка трением является одним из методов сварки в твёрдой фазе. Здесь также теплота, влияющая на создание соединения, является не внешне прилагаемым фактором, а следствием механического процесса.

Метод сварки трением успешно применяется при удлинении различных тел вращения (валов, трубчатых изделий), удлинение хвостовиков режущего инструмента (свёрла, фрезы) и т. д. Способ сварки трением не является дорогостоящим и сложным процессом и поэтому находит довольно широкое применение для соединения разнообразных заготовок не требующих прецезионной точности.

Изучение материала данной темы способствует более глубокому пониманию студентами влияния изменения механических характеристик соединяемых материалов на процесс создания сварного соединения. Теоретический материал сопровождается рисунками, дающими наглядное представление изучаемого сварочного процесса. Для закрепления текущего материала предлагаются вопросы для самопроверки, а для контроля усвоения тест № 4 блока текущего контроля.

Сварка трением происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемого изделия. Трение поверхностей осуществляют вращением свариваемых деталей, сжимаемых усилием Р, как это показано на рис. 15. В процессе сварки наблюдаются значительные пласти­ческие деформации на свариваемых поверхностях. Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между ювенильными (чистыми) контактирующими поверхностями свариваемых деталей. Препятствующие образованию этих связей различные включения и пленки, покрывающие металлические поверхности, разрушаются при трении и удаляются из зоны сварки в радиальном направлении вследствие значительной пластической деформации трущихся поверх­ностей.

Рис. 15. Принципиальные схемы сварки трением:

а — вращение одной детали, б — вращение обеих деталей.

Для получения требуемой деформации металл доводят до состояния повышенной пластичности с помощью теп­лоты, возникающей при трении. На поверхностях деталей, прижатых усилием Р, возникают силы трения. Работа, затрачиваемая на преодоление этих сил, превращается в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и вызывает интенсивный нагрев металла до температур, необходимых для образования сварного соединения применительно к сварке сталей эти температуры, в зависимости от режима про­цесса, составляют 950 - 1300 °С (1223 - 1573 К). По достижении требуемой температуры относительное движение деталей должно быть по возможности быстро (практически мгновенно) прекращено. Процесс образования сварного соединения завершают проковкой. Проковкой называется операция выдержки сваренных деталей под давлением, но уже без вращения. После проковки происходит естественное охлаждение сварных деталей.

Малый объем металла, нагреваемого при сварке трением, предопределяет и исключительно высокие энергетические характеристики процесса; расход энергии и мощность установок при сварке трением в 5 - 10 раз меньше, чем при контактной. При этом обеспечивается равномерная нагрузка фаз питающей сети, высокий коэффициент мощности (φ = 0,8 - 0,85).

Наиболее важным достоинством способа сварки трением, является высокое качество получаемых сварных соединений. Различные типы сварных соединений, выполненные сваркой трением, представлены на рис. 16. При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл свариваемых деталей. Это объясняется следующим:

1. Все окисные и адсорбированные пленки и различные инородные частицы в процессе сварки трением удаляются из стыка в грат благодаря деформированию металла в радиальных направлениях. Плотный контакт между поверхностями трения препятствует образованию окислов в процессе сварки.

2. В стыке и прилегающих к нему зонах термического влияния металл приобретает структуру с равноосным измельчённым зерном; такая структура образуется в результате быстрого локального нагрева малых объемов металла и высоких скоростей их охлаждения в присут­ствии значительных давлений, достигающих 300 - 500 ат (29,4 - 49,0 МН/м²) и более того, имеет место меха­ническое измельчение зёрен в процессе трения. Сварка трением позволяет получать прочные соедине­ния не только из одноименных, но и из большого числа сочетаний разноименных металлов и сплавов, в том числе и таких, теплофизические характеристики которых резко различны.

При сварке трением не предъявляются высокие требо­вания в отношении загрязненности к чистоты обработки боковых поверхностей деталей, предназначенных для сварки, этим сварка трением выгодно отличается от кон­тактной. На поверхностях трения недопустима окалина, ее присутствие может привести к образованию недобро­качественного соединения.

Рис. 16. Типы сварных соединений, выполнен­ных с помощью сварки трением:

а - стержни встык; б - трубы встык; в – стержень и труба встык;

г - соединения стержня и трубы с плоской поверхностью детали

Возможность использования сварки трением ограни­чивается также и размерами сечения свариваемых дета­лей в месте их сопряжения. Расчеты показывают, что использовать этот процесс для сварки стержней сплошного сечения диаметром более 200 мм при современном уровне развития техники нецелесообразно. Нижний предел диаметра свариваемых трением деталей - стержни диаметром менее 6 мм. Диапазон площадей сечений дета­лей, которые целесообразно сваривать трением, составляет 30—8000 мм².

Расширить возможности применения сварки трением крупных деталей, вращение и в особенно­сти быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно путем вращения вспомогательной детали (третьего тела), зажатой между двумя невращающимися и подлежащими сварке деталями (рис. 17). Эта схема процесса позволяет также сварить две (крайние) детали.

Рис. 17. Сварка двух неподвижных деталей с помощью

вращающейся третьей детали

На рис. 18 показана схема процесса 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. 18. Сварка вибротрением

(возвратно-поступательные движения в плоскости стыка

с относительно малыми амплитудами при звуковой частоте)

Тепловой режим определяет производительность про­цесса, прочность сварного соединения, параметры сварочного оборудования и т. п.

Вследствие обнажения участков чистого металла уже в начале проведения процесса сварки, на поверхностях трения появляется возможность образо­вания очагов схватывания. В процессе продолжающегося относительного движения поверхностей эти мостики вслед за их образованием разрушаются. Энергия, затраченная на их деформацию, проявляясь в форме теплоты, способствует повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, облегчает образование новых очагов схватыва­ния, которые вновь разрушаются.

Экономический эффект, получаемый в результате использования сварки трением заготовок инструмента, обусловлен значительным снижением брака и затрат труда и весьма существенной экономией дефи­цитной быстрорежущей стали. Замена электрической контактной сварки встык заготовок инструмента сваркой трения дает большую экономию.

В ближайшие годы сварка трением должна быть ши­роко внедрена в промышленность. Для этого предстоит выявить детали, которые целесообразно сваривать трением.