5.15. Сварка трением

Сварка трением– это сварка путём пластической деформации с нагревом соединяемых поверхностей за счёт их трения друг о друга. Трение поверхностей (рис. 5.29) осуществляется вращением или возвратно-поступательным движением (вибрацией). Например, на рис. 5.29-асвариваемые заготовки1устанавливают соосно в зажимах машины, один из которых2неподвижен, а второй3может совершать вращательное и поступательное (вдоль оси заготовок) движения. Заготовки сжимаются силойР, после чего включается механизм вращения. На соединяемых поверхностях возникают силы трения, работа которых превращается в теплоту, нагревающую поверхности трения до температуры порядка 1000–1300С. При достижении требуемой температуры вращение прекращают, а силуРувеличивают, производя совместную пластическую деформацию свариваемых поверхностей с образованием прочных металлических связей, поскольку окисные плёнки на соединяемых поверхностях разрушаются за счёт трения и удаляются пластической деформацией в радиальном направлении.

1 2 3 Р Р а) б) Р Р Р Р в) г) Рис. 5.29. Сварка трением: а – с вращением одной заготовки; б – с вращением обеих заготовок; в – с вращением вставки; г – с вибрацией одной заготовки

Сваркой трением получают соединения с достаточно высокими механическими свойствами как между однородными, так и между разнородными материалами, типа медь–сталь, алюминий–титан и др. В промышленности её используют при изготовлении режущего инструмента, валов, штоков с поршнями, пуансонов и т.п., сваривая заготовки диаметром 0,75–140 мм. Основные типы получаемых соединений показаны на рис. 5.30.

Главными достоинствами сварки трением являются: 1) высокая производительность; 2) малые затраты энергии (в 5–10 раз меньше контактной стыковой сварки); 3) возможность сварки разнородных материалов; 4) стабильность качества; 5) отсутствие таких вредных явлений, как ультрафиолетовое излучение, газовые выделения, брызги раскалённого металла.

а) б) в) г) д) Рис. 5.30. Типы соединений, получаемых сваркой трением: а – сварка стрежней встык; б – сварка труб встык; в – сварка встык стрежня с трубой; г – приварка стрежня к листу или массивной детали; д – приварка трубы к листу

5.16. Ультразвуковая сварка

Ультразвуковая сварка– это сварка давлением с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний, в результате которых на соединяемых поверхностях возникают силы трения, вызывающие нагрев и создающие сдвиговые деформации, разрушающие поверхностные плёнки.

М Р 1 2 3 4 5 6 А Рис. 5.31. Ультразвуковая сварка: 1 – магнитострикционный преобразователь; 2 – трансформатор продольных упругих колебаний; 3 – рабочий инструмент; 4 – наконечник; 5 – свариваемые заготовки; 6 – опора; М – момент в узле колебаний; Р – сжимающая сила; А – амплитуда продольных колебаний

Для получения механических колебаний высокой (ультразвуковой) частоты используют магнитострикционный эффект, заключающийся в изменении размеров некоторых материалов (феррита, пермаллоя, никеля) под действием переменного магнитного поля. Этот эффект получают с помощью магнитострикционного преобразователя 1(рис. 5.31) и поскольку изменения размеров от него очень незначительны, то для увеличение амплитудыАпродольных механических колебаний в направлении зоны сварки используют волновод, обычно имеющий сужающуюся форму и состоящий из трансформатора2продольных упругих колебаний, соединённого с рабочим инструментом3, на конце которого закреплён наконечник4, воздействующий на свариваемые заготовки5, установленные на опоре6. С помощью моментаМ, приложенного в узле колебаний, в наконечнике4создаётся сжимающая силаР, действующая на свариваемые заготовки. Усиленные ультразвуковые колебания создают на соединяемых поверхностях силы трения, вызывающие нагрев и разрушающие поверхностные плёнки, в результате чего под действием силыРпроисходит пластическая деформация, сближающая соединяемые поверхности на расстояние действия межатомных сил, что и приводит к возникновению прочной связи.

Сравнительно небольшое тепловое воздействие на свариваемые материалы обеспечивает минимальные изменения их структуры, механических и других свойств. Например, при сварке меди температура в зоне контакта не превышает 600С, а при сварке алюминия 200…300С. Это особенно важно при сварке химически активных материалов.

Ультразвуковой сваркой можно получать точечные и шовные соединения внахлёстку, а также соединения по замкнутому контуру, например, кольцу, для чего в волновод вставляют сменный наконечник в форме трубы, поперечные размеры которой соответствуют получаемому кольцевому соединению.

Ультразвуковой сваркой можно сваривать заготовки толщиной 0,001…1 мм, а также приваривать тонкую фольгу и листы к массивным деталям. Ультразвук настолько активно разрушает поверхностную плёнку, что позволяет без предварительной очистки получать высококачественные соединения окисленных или покрытых лаком поверхностей.

Ультразвуковая сварка позволяет соединять разнородные материалы, например, алюминий с медью, медь со сталью и т.п., а также находит особенно широкое применение при сварке пластмасс. Ультразвуковая сварка используется в приборостроении, радиоэлектронике и авиационной промышленности.