4.2.2. Трущийся контакт и сварка трением

При сварке трением процесс организуют так, что механическая энергия вращающихся (или поступательно перемещающихся от­носительно друг друга) контактирующих тел переходит в тепло­вую. Выделение теплоты при этом происходит непосредственно на свариваемых поверхностях. После разогрева поверхностей до тре­буемых температур осуществляется остановка деталей и их сдав­ливание (осадка), в результате которого образуется сварное соеди­нение.

В начальный момент при сварке трением коэффициент трения имеет максимальное значение. Соответственно затраты мощности и тепловыделение в месте трущегося контакта возрастают. В про­цессе контакта (движения) коэффициент трения на этом участке падает и выделение теплоты уменьшается, затем при нагреве до 700...800 К испаряются и выгорают жировые пленки, а коэффици­ент трения растет. Одновременно начинает проявляться местное схватывание соединяемых поверхностей, что вызывает интенсив­ное тепловыделение. С повышением температуры число участков схватывания растет, а их прочность снижается. Понижается также и тепловыделение вследствие уменьшения коэффициента трения в результате появления на трущихся поверхностях жидкого металла, играющего роль смазки. На этом участке движения устанавливает­ся квазиравновесное состояние, затем следуют резкое торможение и осадка.

Сварка трением в отличие от контактной стыковой сварки тре­бует меньших затрат энергии (поскольку нет потерь на тепловыде­ление в объеме свариваемых деталей и в токоподводящих эле­ментах) и в ряде случаев обеспечивает более благоприятное рас­пределение температур в зоне сварки. Это особенно важно при сварке разнородных материалов (например, при изготовлении би­металлического инструмента из углеродистых и быстрорежущих сталей).

В последние годы находит все большее применение способ сварки трением с перемешиванием, позволяющий получать различ­ие соединения листовых заготовок. Сварочный процесс (рис. 4.3) при этом способе сварки происходит следующим образом. Специ­альный инструмент, вращающийся со скоростью 200...3000 об/мин, состоящий из утолщенной части (заплечика) и выступающей части (штыря), в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхно­стью зафиксированных на массивной подкладке соединяемых заготовок так, чтобы штырь внедрился в заготовки, а заплечик кос­нулся их поверхности. В результате трения штыря и заплечика о заготовку выделяется теплота, которая доводит металл вокруг инст­румента до пластичного состояния. Затем инструменту сообщают поступательное движение со скоростью сварки 4,5...6 м/мин при его давлении на заготовку 0,2...0,5 МПа, и пластичный материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, оги­бает штырь и образует соединение. По характеру процесса образо­вания сварного соединения этот способ имеет много общего с термопрессовой сваркой.

4.2.3. Ударный контакт и сварка взрывом

Сварка взрывом характеризуется использованием энергии взрыва и образующихся затем мощных газовых потоков для пере­мещения свариваемых деталей и создания в них пластических де­формаций, приводящих к образованию соединения в твердой фазе (рис. 4.4). Основной энергоноситель - взрывчатое вещество (ВВ) -3 наносится в виде слоя толщиной δ₀ и инициируется детонато­ром 4. Метаемая пластина 2 толщиной δ₁ под воздействием продуктов взрыва приобретает определенную скорость поле­та v₀. Точка контакта свари­ваемых под углом γ пластин передвигается по поверхности неподвижной пластины 1 толщиной δ₂ со скоростью v_K, не превышающей скорости v_д детонации ВВ. Предполагает­ся что все точки метаемой пластины одновременно движутся нормально к ее поверхности; решающую роль играет давление и установочный угол α. Продук­ты горения ВВ оказывают давление на поверхность свариваемой детали и с большой скоростью «мечут» ее в сторону другой дета­ли. При соударении поверхностей детали очищаются от оксидов, загрязнений и адсорбированных газов, а возникающие при этом деформации обеспечивают образование сварного соединения.

Для сварки взрывом ВВ должны иметь скорость горения (де­тонации) не менее 1500...2000 м/с (так называемые бризантные ВВ). Так как ВВ обычно равномерно распределяется по поверхно­сти свариваемой детали, то скорость сварки практически соответ­ствует скорости детонационной волны.

Скорость соударения свариваемых элементов зависит от ха­рактеристик ВВ, конструкции и материала соединения. Эта ско­рость может быть рассчитана по формулам газодинамики и со­ставляет для стальных пластин около 1500 м/с. Давление, возни­кающее при этом между элементами, достигает 10³ ... 10⁵ МПа.

Благодаря высоким скоростям сварки даже при значительном повышении температуры контактирующих слоев металла, вы­званном соударением и деформацией пластин, процессы диффузии не успевают развиться. Поэтому сварка взрывом перспективна для получения соединений разнородных материалов (сталь - медь, сталь - алюминий, алюминий - титан и т. д.) и применяется как заготовительная операция в прокатном производстве при получении биметалла.

С энергетической точки зрения сварка взрывом весьма выгодна, однако она применима лишь для ограниченного класса конструкций и типов соединений и, кроме того, ее осуществление требует специальных мероприятий по технике безопасности и организации рабочего места.