Сварка трением

Сварка трением

        Сварка трением — сварка давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным относительным перемещением (вращением) свариваемых частей друг относительно друга.

Изобретателем сварки трением является токарь Эльбрусского рудника (СССР) А. И. Чудиков, который в 1956 г. разработал этот способ сварки.

        Проведенные в Институте сварки России исследования,  показали, что такие особенности процесса, как низкая энергоёмкость, высокий КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования, представляют несомненный практический интерес. Изобретение токаря А. И. Чудикова получило поддержку, и ему было выдано авторское свидетельство СССР на этот способ сварки.

Сущность этого метода сварки заключается в том, что механическая энергия, подводимая к одной или обеим свариваемым деталям, в результате трения контактирующих поверхностей преобразуется в тепловую. При этом выделение теплоты происходит непосредственно в зоне их контакта.

Образование прочного соединения происходит в результате возникновения металлических связей между чистыми контактирующими поверхностями. Неровности, различные включения и пленки, препятствующие образованию этих связей, разрушаются при трении и удаляются из зоны сварки в процессе пластической деформации, протекающей в радиальном направлении. Интенсивная очистка поверхности от оксидных и адсорбированных пленок позволяет не только обеспечивать возможность сварки, но и получать высокопрочные соединения.

Основными параметрами режимов сварки трением являются: частота вращения свариваемых деталей, величина осевого усилия сжатия, величина осадки при сжатии, длительность приложения усилия сжатия.

Трение свариваемых поверхностей может осуществляться вращением или возвратно-поступательным перемещением сжатых заготовок (рис. 1).

Рис. 1. Схемы процесса сварки трением: а — с вращением одной детали; б — с вращением обеих деталей в противоположном направлении; в — неподвижных деталей с вращающейся вставкой; г — с возвратнопоступательным движением одной из деталей; 1 — свариваемые детали; 2 — вставка; 3 — зона сварки

Простейшая и наиболее распространенная схема такого процесса представлена на рисунке 1, а. Вращающуюся и неподвижную детали 1 сжимают осевым усилием Р. Трущиеся поверхности разогреваются, при этом трение способствует разрушению оксидных пленок на них.

Когда наступает разогрев поверхности свариваемого металла до его пластичного состояния (значение температуры локального разогрева находится диапазоне 800...1300°С), возникает временный контакт, происходит его разрушение и высокопластичный металл (металл шва) выдавливается из стыка с образованием грата. После этого прекращают вращение, продолжая прикладывать постоянное или возрастающее давление Р, с образованием сварного соединения 3.

Преимуществами сварки трением являются следующие:

1) прочность и пластичность зоны сварного соединения не уступает аналогичным характеристикам основного металла, что объясняется высоким качеством сварного соединения, обусловленным локализированным тепловыделением только в контактирующих поверхностных слоях соединяемых деталей (ширина зоны термического влияния составляет не более 2...3 мм);

2) независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности;

3) возможность сварки изделий из разнородных металлов и сплавов, которые не свариваются традиционными способами;

4) высокая производительность (время сварки составляет от нескольких секунд до 0,5 мин);

5) энергетические показатели процесса характеризуются высоким КПД и низким расходом энергии (25...100 Вт/см2, что в 5...10 раз меньше, чем при контактной стыковой сварке);

6) экономичность процесса сварки, обусловленная отсутствием расходных материалов (флюсов, припоев, присадочных материалов, защитных газов и т. п.);

7) экологичность процесса, связанная с отсутствием светового излучения, вредных газовых выделений, горячих брызг металла и т. п.

К недостаткам сварки трением относятся следующие:

1) возможность соединения только таких деталей, у которых хотя бы одна является телом вращения (круглый стержень или труба), а другая может быть произвольной формы (но должна иметь плоскую поверхность);

2) громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным;

3) необходимость удаления грата;

4) искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования, что может оказаться очагом последующего усталостного разрушения в деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, или очагом коррозии в деталях, работающих в агрессивных средах.

Сварка трением в промышленном производстве используется для соединения деталей сечением 50...10 000 мм2. Наиболее эффективно применение сварки трением при изготовлении круглых деталей ступенчатого по длине профиля (путем их сварки из заготовок разного диаметра), при изготовлении составных деталей из разных материалов (для экономии более дорогого или дефицитного из них), при изготовлении сварно-штампованных, сварно-кованых и сварно-литых деталей.

Сваркой трением хорошо свариваются изделия из черных металлов (исключением является чугун): малоуглеродистых, среднеуглеродистых, низко- и среднелегированных, а также жаропрочных сталей. Хорошо свариваются детали из этих сталей в различных сочетаниях между собой, а также из быстрорежущих сталей Р9 и Р18 и из конструкционных сталей 40 и 40Х. Хорошо свариваются между собой детали из алюминия , меди, латуни и других цветных металлов, а также из алюминия со всеми своими сплавами, алюминия с медью, меди со сталью, алюминия со сталью. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок.

Сварка трением широко используется:

– в автомобилестроении (при изготовлении и ремонте деталей)

рулевого управления, карданных валов, легковых и грузовых автомобилей, полуосей, картеров задних мостов автомобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидросистем и др.);

– в тракторостроении (для изготовления и ремонта деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбонагнетателей дизельного двигателя и др.);

– в электропромышленности (для изготовления деталей высоковольтной аппаратуры, выводов бумагомасляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневмоцилиндров сварочных машин и др.);

– в инструментальном производстве (при изготовлении фрез, сверл, метчиков и т. п.).

Некоторые примеры применения сварки трением приведены на рисунке 2.

Рис.2. Применение сварки трением: 

а — гладкие и резьбовые калибры; б — сварка труб;

в — сталеалюминевый трубчатый переходник (диаметр 90 мм, толщина стенки 4мм); г — клапан ДВС; д — вилка тяги (поковка и прокат); е — ротор турбонагнетателя (колесо из жаропрочной аустенитной стали, вал — из перлитной стали); ж — соединение пластин линейной сваркой