5. Сварка трением

Процессу трения всегда сопутствует превращение части механической энергии в тепловую. При взаимном су­хом трении двух металлических деталей температура в трущемся контакте растет пропорционально скорости отно­сительного перемещения деталей и давлению, с которым создается контакт. В технике выделение тепла при трении рассматривается как вредное явление и с ним, за исклю­чением редких случаев, ведется борьба. Одним из примеров полезного использования тепла, выделяющегося при тре­нии, является процесс получения неразъемного соединения, названный сваркой трением.

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую, при этом генерирование тепла происходит непосредственно в месте будущего соединения.

Тепло может выделяться при вращении одной детали относительно другой (рис. 5.1,а), вставки между деталями (рис. 5.1,б,в), при возвратно-поступательном движении де­талей в плоскости стыка Δ относительно малыми амплиту­дами и при звуковой частоте (рис. 5.1, г) и т.д. Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во вре­мени давлением Р. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

Рис. 5.1. Схемы процес­са сварки трением:

1. — Свариваемые детали; 2— вставка; 3 — зона сварки

В зоне стыка при сварке протекают следующие про­цессы. По мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение жировых пленок, присутствующих на них в исходном состоянии. Граничное трение уступает место сухому. В контакт всту­пают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных 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 ростом температуры в стыке. С ростом температуры снижа­ется сопротивление металла деформации и трение распро­страняется на всю поверхность контакта. В зоне стыка по­является тонкий слой пластифицированного металла, вы­полняющего как бы роль смазочного материала. Трение из сухого становится как бы граничным. 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 обладает низким сопротивлением высокотемпературной деформации, оксид­ные пленки утонены, частично разрушены и удалены в грат, соединяемые поверхности активированы. После торможе­ния, когда частота вращения приближается к нулю, наблю­дается некоторое понижение температуры металла в стыке за счет теплоотвода. Осадка сопровождается образованием металлических связей по всей поверхности. На заключи­тельной стадии проковки, под действием осевого усилия сжатия, которое либо остается на прежнем (как в стадии на­грева) уровне, либо может быть увеличено, и температуры развиваются процессы объемного взаимодействия, способ­ствующие повышению качества сварного соединения.

Большое значение в формировании соединения име­ет процесс тепловыделения при сварке трением. Мощность тепловыделения N определяется зависимостью

N = 2π · n · М,

где n - частота вращения; М - момент сил трения.

При сварке круглых стержней момент сил трения (Н·м) в зависимости от параметров процесса приближенно можно оценить по выражению

,

где Р_н - удельное давление, МПа; S - площадь сечения заго­товки (поверхность трения), м²; R - радиус свариваемой за­готовки, м; f - коэффициент трения, изменяющийся в преде­лах от 0,1 до 1. Тогда полная мощность (кВт), потребляемая в процессе сварки N (мощность тепловыделения), будет следующей:

,

где v - линейная скорость на периферийном участке, м/с.

Характер изменения осевого усилия р, частоты вра­щения n, момента сил трения М , потребляемой мощности N , температуры Т и осадки Δl в процессе сварки трением приведен на рис. 5.2.

Особенностью сварки трением является ограничение применения этого способа соединения формой и размерами сечения свариваемых деталей. При враща­тельном движении сварка трением позво­ляет получать хорошие результаты лишь в тех случаях, когда одна из подлежащих сварке де­талей представляет со­бой тело вращения (стержень, трубу), ось которого совпадает с осью вращения, а дру­гая деталь обладает плоской поверхностью. Возможны следующие виды соединений, вы­полняемых с помощью сварки трением (рис. 5.3); стержни встык, трубы встык, стержень встык с трубой, Т - образное соединение стержня или трубы и детали с плоской поверхностью.

Рис. 5.2. Циклограмма процесса сварки трением

Рис. 5.3. Типы сварных соединений, выполненных сваркой трением

Возможности применения сварки трением ограничи­ваются не только формой, но и размерами сечения свари­ваемых деталей в месте их сопряжения. Так, сваривать стержни диаметром более 200 мм нецелесообразно, потому что для реализации этого процесса потребовались бы ма­шины с двигателями мощностью порядка 500 кВт при ско­рости вращения порядка 2 с^-1 и с осевым усилием более 3·10⁶ Н. Сооружение такой машины и ее эксплуатация бы­ли бы настолько дорогими, что не окупили бы выгоды, ко­торые может дать сварка трением.

Не удается сварить даже в лабораторных условиях и стержни диаметром менее 3,5 мм, для которых нужна уста­новка со скоростью вращения шпинделя порядка 200 с^-1 и сложным устройством для осуществления мгновенного его торможения. Расчеты и опыт практического применения сварки трением показывают, что ее пока целесообразно применять для сварки деталей диаметром от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением в сфере изготовления режущего инструмента при производстве со­ставных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривавших­ся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием, аустенитных сталей с перлитными и т.п. Эффективно применение сварки трением и для соеди­нения пластмассовых заготовок.

Основными технологическими параметрами процес­са сварки трением являются: частота (скорость) вращения, удельное давление в процессе нагрева и проковки, время нагрева и величина осадки деталей.

Выбор частоты вращения. Скорость вращения опре­деляет общее количество энергии, вложенное в изделие, толщину теплогенерирующего слоя, температурное поле в свариваемых деталях, а также характер деформации кон­тактных поверхностей. В диапазоне малых скоростей вра­щения имеет место глубинное вырывание частиц металла, в то время как при больших скоростях движения наблюдается эффект полирования (износ лишь тончайших приповерхно­стных слоев металла). При малых скоростях вращения за­трачиваемая мощность увеличивается, а производитель­ность процесса уменьшается. При повышенных скоростях вращения узлы сварочных машин эксплуатируются в тяже­лых условиях. Для выбора оптимальной частоты вращения используют следующие эмпирические зависимости:

для черных металлов

n·d_s = (0,3...0,6)·10³ мм/c; v ≈ (1…2) м/с;

для цветных металлов (алюминий, медь)

n·d_s = (0,6...0,75)·10³ мм/с; v ≈ 2 м/с;

для титана

n·d_s = (8. ..10)·10³ мм/с; v ≈ (4…5) м/с,

где d_s - диаметр заготовки в месте сварки, мм; v = πd_sn·10³ - окружная скорость.

Выбор удельного давления. Удельное давление игра­ет важную роль, как в процессе нагрева, так и на заключи­тельной стадии максимального сближения контактных по­верхностей. Применение проковки, заключающейся в уве­личении удельного давления с прекращением вращения (те­пловыделения) позволяет не только улучшить механические характеристики сварного соединения, но и вести процесс нагрева при несколько пониженных давлениях и, следова­тельно, применять оборудование меньшей мощности. Обычно давление проковки Р_пр и давление нагрева Р_н связа­ны зависимостью

Р_пр = (2...3)·Р_н.

Экспериментальные исследования показали, что при выборе значения удельных давлений можно использовать следующие рекомендации.

При сварке заготовок сплошного сечения:

n = 16,6 с^-1; d_s = (15...40) мм; Р_н = 30 МПа,

n = 6,6 с^-1; d_s = (40...100) мм; Р_н = 50 МПа.

При сварке заготовок трубчатого сечения:

n = 16,6 с^-1; d_s = (15...60) мм; Р_н = (20...30) МПа,

n = 6,6 с^-1; d_s = (40...160) мм; Р_н = 50 МПа.

Выбор времени нагрева и величины осадки. После достижения установившегося тепловыделения в зоне стыка продолжать нагрев нецелесообразно. Поэтому оптимальное значение времени нагрева можно определить эксперимен­тально (например, с помощью амперметра, включенного в цепь питания двигателя машины, можно «засечь» момент, когда процесс тепловыделения достигнет установившегося значения) или с помощью номограмм, приведенных в спра­вочниках. Обычно время нагрева для углеродистых, средне- и высоколегированных сталей составляет от 5 до 10 с.

Величина осадки и время нагрева в общем случае взаимо­связанные величины. Процесс сварки можно регламентиро­вать либо по времени нагрева, либо по величине осадки при нагреве, которая может быть оценена для сталей по зависи­мости, приведенной на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Зависимость осадки при нагреве от диаметра свариваемых

деталей: 1 — минимальная; 2 — рекомендуемая

В табл. 5.1 приведены при­меры режимов сварки трением некоторых широко распро­страненных материа­лов. В подавляющем большинстве случаев правильно выполнен­ное соединение харак­теризуется механиче­скими свойствами, близкими к свойствам основного металла. Отклонения прочност­ных и пластических характеристик сварных соединений в деталях одной партии, сварен­ных на неизменном режиме, обычно не превышает 5÷10 %. При сварке трением на оптимальных режимах соединения, как правило, не имеют таких макродефектов, как раковины, поры, неметаллические включения и т.д. К дефектам сварки трением относят несоосность, внутренний и наружный кольцевой непровары, трещины и пониженную прочность или пластичность. Несоосность и кривизна вы­зываются износом зажимных устройств, плохой их цен­тровкой, недостаточной жесткостью станка и большой ус­тановочной длиной. Кольцевой внутренний непровар обра­зуется в результате загрязнения поверхности и нарушений теплового режима, а наружный непровар - из-за больших начальных давлений, малой скорости вращения и разной пластичности металла. Трещины возникают при быстром охлаждении или окислении нагреваемых поверхностей. Не­достаточная прочность и пластичность могут быть обуслов­лены перегревом металла стыка и наличием в нем оксидов.

Таблица 5.1