Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 1

Сварка трением

Технологические особенности

Оборудование, используемое для такого вида сварки в промышленных масштабах, позволяет соединять заготовки, минимальный диаметр которых составляет 6 мм. Применять такую технологию целесообразно для сваривания поверхностей площадью 30-8000 мм².

Механические показатели полученного шва не ниже, чем у основного материала. В шве нет пор и раковин, что позволяет достигать высоких показателей прочности. На единицу сечения в среднем тратится около 15-20 т/мм², что в 5-10 раз меньше, чем при контактном методе сваривания. Машинное время сварки всего 1-30 секунд, что позволяет достигать производительности 60-450 сварок/ч.

Насколько подходит для разных материалов

Фрикционный метод сваривания используется для соединения разных сталей:

  • углеродистых;
  • малоуглеродистых;
  • высоколегированных;
  • инструментальных.

Также можно работать с такими сплавами:

  • алюминиевыми;
  • медными;
  • титановыми;
  • магниевыми;
  • свинцовыми;
  • циркониевыми и цирконием в однородном сочетании;
  • термопластами.

Подготовка деталей

Этот метод нетребователен к чистоте поверхностей, по сравнению с другими видами сварки. Если соединяются детали разного размера, то проводится фигурная обработка их концов. Главное — обеспечить, чтобы поверхности трения были перпендикулярны оси вращения заготовок. Отклонение может составлять 5-7%. Детали, предназначенные для сваривания, могут быть порезаны на гильотине, дисковой пилой и даже газорезкой.

Необходимые для сваривания деталей условия на их поверхности создаются после пластической деформации металла в зоне трения. Наличие тонких оксидных пленок не влияет на качество соединения, т.к. они удаляются во время сваривания. Окалина, образовавшаяся после прокатки, штамповки или проковки, должна быть удалена, то же касается и ржавчины.

Как подобрать подходящий метод

Какой метод фрикционной сварки выбирать, зависит от формы, размеров деталей, технологических возможностей предприятия и т.д.

Все существующие методы сварки трением имеют несколько режимов, различающихся такими параметрами:

  • скоростью вращения заготовок;
  • силой сдавливания;
  • толщиной сварного кольца (при радиальном методе).

Физические параметры зависят от выбранной технологии сваривания, но условно их делят на:

  • низкоскоростную, которую используют для материалов с высокой вязкостью, а также в том случае, когда есть вероятность нарушения структуры волокон деталей;
  • стандартную;
  • ускоренную, используемую при соединении сплавов и легкоплавких металлов методом перемешивания.

Обработка шва

Для снижения в сварном шве напряжений, повышения его пластичности, рекристаллизации и улучшения качества шва может выполняться его термическая обработка. Этот метод не используется при работе с низколегированными, высоколегированными хромоникелевыми и хромистыми сталями. Применяют его при соединении легированных и нелегированных среднеуглеродистых сталей.

Сварка трением с перемешиванием

Сварка шва трением с перемешиванием.1 — вращающийся инструмент трением раскаляет свариваемые материалы до пластичности2 — инструмент погрузился до погона, который предотвращает растекание материала3,4 — погруженный вращающийся инструмент двигается вдоль шва, раскаляя трением материал и оставляя после себя перемешанный и остывающий материал5,6 — инструмент извлекается, оставляя после себя отверстие

Инструменты для сварки трением с перемешиванием

Технологическим институтом сварки (TWI, Великобритания) в 1991 году был разработан и в декабре того же года запатентован метод сварки трением с перемешиванием. Первоначально метод (известный, впрочем, и раньше: в СССР он был запатентован ещё в 1967 году) применялся к листам и пластинам из алюминия и алюминиевых сплавов. В настоящее время этим методом сваривают стыковые швы листового проката из алюминиевых, титановых, магниевых и некоторых других сплавов (в том числе таких, которые затруднительно или невозможно сваривать дуговой сваркой), заготовки из сталей, полимеров и композитов. Возможна сварка практически всех металлов и сплавов с температурой плавления до 1800 °C, а также имеется возможность соединения деталей из разнородных металлов.

В роли сварочного инструмента в данном методе используют стержень, состоящий из утолщённой части (опорного бурта, или заплечика) и выступающей части (наконечника). Размеры инструмента выбирают с учётом толщины и материала свариваемых деталей; при этом длина наконечника должна примерно соответствовать толщине свариваемой детали, а диаметр опорного бурта может обычно изменяться в пределах от 1,2 до 25 мм. При сварке быстро вращающийся инструмент медленно погружают в стык свариваемых деталей на глубину, примерно равную толщине соединяемых кромок, после чего инструмент перемещают вдоль линии стыка. При этом опорный бурт энергично давит на поверхность кромок, материал которых разогревается за счёт внутреннего трения и претерпевает пластическую деформацию, причём зона пластического течения имеет вытянутую форму; одновременно вращающийся наконечник обеспечивает перемешивание материала и его вытеснение в освобождающееся позади инструмента пространство. Объём, в котором формируется сварочный шов, ограничивается сверху опорным буртом. По завершении процесса сварки инструмент выводят из стыка.

Структура образовавшегося сварного шва оказывается асимметричной, так что в поперечном сечении сварного соединения различают сторону набегания, для которой направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону — сторону отхода. При движении сварочного инструмента вдоль шва ось инструмента мало отклоняется от перпендикуляра к плоскости сварки: опорный бурт должен всей рабочей поверхностью касаться кромок свариваемых деталей, иначе — при слишком большом угле наклона — возможно нарушение сплошности шва у его корня с образованием тоннельного дефекта. Рекомендуют при перемещении инструмента поддерживать малый (от 1,5 до 4,5°) наклон в направлении сварки. Основными параметрами, характеризующими процесс сварки трением с перемешиванием, являются: скорость сварки, частота вращения инструмента, возникающие при прижатии и перемещении инструмента усилия, размеры инструмента и угол его наклона. При этом усилия прижатия и перемещения зависят от материала свариваемых деталей, их толщины и скорости сварки.

Поскольку при сварке трением с перемешиванием соединение материалов происходит без расплавления (в твёрдой фазе), данный метод сварки обладает рядом преимуществ: не используются присадочные материалы и защитные газы; отсутствуют разбрызгивание расплавленного металла и выделение вредных газов и дыма; для сварного шва характерны высокая прочность при мелком размере зерна и отсутствии пористости; не нужна предварительная очистка кромок (так как оксидная плёнка удаляется в процессе трения); остаточные напряжения в материале шва невелики. Энергопотребление при сварке трением с перемешиванием оказывается в 2 — 5 раз меньшим, чем при дуговой и контактной сварке.

Выберите регион

Россия

  • Алтайский край
  • Белгородская область
  • Брянская область
  • Владимирская область
  • Волгоградская область
  • Вологодская область
  • Воронежская область
  • Ивановская область
  • Иркутская область
  • Кабардино-Балкарская Республика
  • Калужская область
  • Кемеровская область
  • Кировская область
  • Краснодарский край
  • Красноярский край
  • Курганская область
  • Курская область
  • Ленинградская область
  • Липецкая область
  • Московская область
  • Нижегородская область
  • Новгородская область
  • Новосибирская область
  • Омская область
  • Оренбургская область
  • Орловская область
  • Пензенская область
  • Пермский край
  • Псковская область
  • Республика Адыгея
  • Республика Башкортостан
  • Республика Дагестан
  • Республика Коми
  • Республика Крым
  • Республика Марий Эл
  • Республика Татарстан
  • Республика Хакасия
  • Ростовская область
  • Рязанская область
  • Самарская область
  • Саратовская область
  • Свердловская область
  • Смоленская область
  • Ставропольский край
  • Тамбовская область
  • Тверская область
  • Томская область
  • Тульская область
  • Тюменская область
  • Удмуртская Республика
  • Ульяновская область
  • Челябинская область
  • Чувашская Республика
  • Ярославская область

Преимущества сварки трением

Среди основных преимуществ сварки трением можно назвать следующие.

Высокая производительность. Поскольку объем слоя нагреваемого металла невелик, весь цикл сварки может укладываться в достаточно короткие временные промежутки – от нескольких секунд до минуты (зависит от свойств материала и сечений свариваемых деталей); за счет этого сварка трением может считаться высокопроизводительной и конкурировать с таким процессом, как электрическая стыковая контактная сварка.
Высокая энергоэффективность. Поскольку тепло генерируется локально и в небольших объемах, КПД процесса достаточно велик, и расход энергии в 5-10 раз меньше, чем, к примеру, при стыковой контактной сварке.
Высокое качество соединения. Если правильно подобрать режим сварки, то прочность металла стыка и зоны возле него будет сравнима с прочностью основного металла. В стыке отсутствуют раковины, поры, инородные включения и т.д., сам металл стыка имеет равномерную структуру.
Стабильное качество соединений. Детали, свариваемые при одинаковом режиме, имеют практически одинаковые свойства: временное сопротивление, ударная вязкость, угол изгиба и другие показатели в партии отличаются не более, чем на 7-10%

Это позволяет применять выборочный контроль качества, что очень важно, поскольку простые, дешевые и надежные методы контроля стыковых соединений, не разрушающие их, в условиях сварочных цехов практически отсутствуют.
Низкие требования к чистоте поверхности. Зачищать поверхность свариваемых деталей нет необходимости; боковые поверхности также могут быть неочищенными

Это существенно экономит время, расходуемое на вспомогательные операции.
Возможность сварки различных металлов. Сварочный процесс позволяет сваривать как одноименные, так и разноименные сплавы и металлы, при этом другие способы сварки здесь бывают бесполезны. К примеру, возможно сваривать сталь с алюминием, медью; алюминий с медью, титаном и так далее.
Гигиеничность процесса. Сварочный процесс выгодно отличается отсутствием ультрафиолетового излучения, брызг расплавленного металла, вредных газов и так далее.
Простота автоматизации. Процесс может выполняться на программируемых машинах с низким использованием ручного труда или вовсе без него.

к меню

Это интересно: Ресанта САИПА 165 — описание, технические характеристики

Дуговые способы

Выше мы разбирались с основными понятиями и физикой дуги (знаменитая РДС – ручная дуговая, абсолютный чемпион по популярности).

Но классификация способов сварки – дело строгое, поэтому представляем виды дуговой сварки отдельно взятым семейством:


Строение и свойства электрической дуги.

Ручные дуговые:

  • РАД – ручная аргонодуговая неплавящимся электродом;
  • РАДН – ручная аргонодуговая наплавка.

Автоматические способы дуговых:

ААД, ААДН, АЛСН, АППГН и т.д. – обширная семья способов с применением либо электродов (плавящихся и неплавящихся), либо проволок, либо порошковых проволок. Варить можно с газом и без.

Дуговые под флюсом:

  • знакомая нам АФ, автоматическая дуговая под флюсом;
  • различные приварки, наплавки с ленточными или проволочными электродами;
  • механизированная дуговая.

Дуговые с покрытыми электродами:

  • вот где правильное место для народной чемпионки РДС;
  • ручная дуговая наплавка;

Механизированные дуговые:

МАДП, МПГН, МСОД и т.д. – многочисленная «механическая» семья.

Сферы использования

СТП часто применяют во многих производственных областях. В ракетном и авиационном строительстве эта технология применяется для изготовления различных панелей и фюзеляжа. Что касается судостроения, то СТП в этой сфере применяется для сварки конструкций малых судов. Она позволяет делать очень прочные соединения. Сварные швы после методики СТП могут выдерживать существенные нагрузки и отличаются долговечностью.

Сварка с помощью трения соединяет металлические сплавы, которые при этом находятся не в расплавленном, а в твердом состоянии. Для этого применяется специальное оборудование, состоящее из профилированного основания, бурта и наконечника с металлическим профилем, который передвигается по стыку обрабатываемой детали. Затем происходит выделение большого количества тепловой энергии и последующая стыковка поверхностей.

Конечно, увидеть этот процесс своими глазами нужно всем. Эта методика обладает массой достоинств, отличающих ее от множества других сварочных технологий.

Специалистам многих сфер деятельности СТП полюбилась за то, что она очень удобна и проста в применении. Кроме того, этот способ позволяет сэкономить время на подготовительных мероприятиях.

https://youtube.com/watch?v=GAnw_iVfZ3M

Сварка трением ГОСТ

Сварка трением, или фрикционная сварка, была изобретена в 1956 году в СССР. Для нагрева металла используется тепло, выделяемое при интенсивном трении прижатых друг к другу деталей. Метод отличается простотой, экологичностью и малой энергоемкостью. Так можно сваривать даже разнородные металлы и сплавы, не соединимые другими способами.

Сварка трением

Преимущества сварки трением

К важным преимуществам технологии сварки трением относят:

  • Производительность. Весь сварочный процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существенно меньше времени занимают также и подготовительно — завершающие операции. По этому параметру технология превосходит контактную электросварку.
  • Эффективность использования энергии. Нагрев происходит очень быстро и в весьма ограниченной закрытой области, потери энергии на обогрев окружающего пространства ничтожны по сравнению с другими сварочными технологиями. Преимущество по энергозатратам может быть десятикратным.
  • Отличное качество шва. При корректно подобранном технологическом режиме зона сварного шва и околошовные области станут практически идентичны по своему строению и характеристикам основному металлу. Кроме того, в шовном материале практически отсутствуют дефекты: пористость, каверны, трещины, посторонние включения.
  • Высокая стабильность характеристик швов внутри партии деталей. Если точно выдерживать режим, параметры деталей будут отличаться на доли процента. Это позволяет контролировать качество выборочно и позволяет сэкономить много времени и средств. Если одна деталь из партии прошла разрушающий контроль, то можно принимать технически обоснованное решение о годности всей партии.
  • Нет необходимости в предварительной механической зачистке поверхности зоны шва и околошовной области. Она выполняется на первом этапе технологического процесса. Поскольку на подготовительно — завершающие операции времени уходит больше, чем на собственно сварку, это преимущество дает возможность для весьма заметной экономии.
  • Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Успешно свариваются такие пары металлов, которые просто невозможно сварить другими методами: стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и т.д.
  • Экологичность технологии. Сведены к минимуму как загрязнение окружающей среды, так и вредные факторы воздействия на здоровье людей: высокое напряжение, брызги расплавленного металла, ультрафиолетовое излучение, пожароопасность и другие.

Кроме того, сварка трением легко поддается механизации и автоматизации

Это особенно важно при крупносерийном и массовом производстве. Несколько несложных повторяющихся операций легко алгоритмизируются и могут выполняться по программе без участия человека

Недостатки сварки трением

Как и у любой реально действующей технологии, фрикционному свариванию присущ и ряд недостатков:

  • Применимость к ограниченному набору форм заготовок. Хотя бы одна из них должна иметь форму тела вращения. Способ не подходит для сваривания протяженных прямых и криволинейных швов, оболочек сложной формы, монтажа строительных конструкций, корпусов механизмов и транспортных средств. Однако в машиностроении более 75% деталей имеют круглое сечение или более сложную форму тел вращения.
  • Громоздкое оборудование. Универсальный или специализированный станок требует стационарной установки, подведения электропитания. Это делает невозможным применение метода в полевых условиях.
  • Ограниченный размер детали. Длина привариваемой детали ограничена вылетом бабки станка, диаметр — вылетом кулачков патрона.
  • Радиальная деформация текстуры в зоне шва и в околошовных областях. При сильных динамических нагрузках возможна концентрация усталостных напряжений и возникновение микротрещин и других дефектов. Снижается также и коррозионная стойкость. Чтобы избежать ‘этих явлений, на заготовке оставляют грат. Дополнительная трудоемкость затрачивается на снятие грата по конструктивным требованиям.

Недостатки, ограничивающие использование метода, не позволяют считать фрикционную сварку универсальной технологией. Однако в сфере своей применимости она обладает значительными преимуществами перед другими методами.

Плюсы и минусы сварки трением

До положительных сторон можно отнести следующие:

  • сварщик не подвергается воздействию шума, дыма или света;
  • швы в процессе сварки получаются беспористыми, а это увеличивает их прочность;
  • в статоре машины для сварки вакуум, а это исключает потребности во флюсе или инертном газе;
  • в процессе трения удаляется пленка оксидов, что не требует дополнительной подготовки перед работой;
  • пространственная свобода;
  • автоматизация процесса качественно влияет на производительность и КПД;
  • благодаря простоте оборудования и его высокой эффективности существенно снижаются за траты на потребление электрической энергии.

Так же метод имеет и некоторые недостатки в сравнении с дуговой электрической сваркой:

  • для процесса необходимы крупногабаритные металлические подложки с возможностью крепления одной из заготовок в различных пространственных положениях;
  • если вовремя не остановить статор, то диаметрально по шву может пройти канавка в форме наконечника штыря;
  • возможные поломки механической части привода вращений или статора приведут к порче заготовок во время сварки.

Несмотря на эти нюансы, метод является неотъемлемой частью большинства высокоточных производств, где от изделий ожидается качество, надежность, стопроцентная герметичность и непроницаемость.

Машины для данного вида сварки являют собой сочетания качества, функциональности, минимума затрат и максимума производительности.

Общая информация

Сваркой трением (или фрикционная сварка) — метод соединения однородных и разнородных металлов, суть которого заключается в нагреве двух деталей путем их трения друг о друга. Образующееся в ходе трения тепло плавит металл, формируя неразъемное соединение. Но трение — не единственное, что используется во время сварки. Здесь также большую роль играет проковка деталей после сварки, а также давление, оказываемое на заготовки.

Как видите, суть сварки трением крайне проста, поэтому такое сварочное оборудование применяется на многих современных производствах. Данный метод позволяет улучшить качество и производительность труда без найма дополнительных сотрудников высокой квалификации. Достаточно обучить сварщика, как правильно настраивать оборудование, остальные процессы проходят в автоматическом режиме.

Достоинства

Сварка трением с перемешиванием пользуется высоким спросом на больших производствах, на которых изготавливаются огромные конструкции и важное оборудование. Востребованность связана с наличием целого ряда положительных качеств у данного сварочного процесса:

Востребованность связана с наличием целого ряда положительных качеств у данного сварочного процесса:

  1. Высокая производительность. Сварка требует немного времени, ее можно осуществить всего за несколько минут.
  2. Эффективное применение энергии. Нагревание осуществляется быстро, его можно произвести в ограниченной закрытой области. Если сравнивать с другими видами сварок, то у данной технологии отмечаются низкие потери на обогревание окружающей области.
  3. При осуществлении сварки трением получается прочный и качественный шов. Если во время процесс будет применяться одинаковый режим для соединения всех типов металлов, то можно получить аналогичные свойства, а именно угол изгиба, временные показатели сопротивления, ударная вязкость, а также другие показатели, которые могут отличаться друг от друга всего на 7-10 %.
  4. Перед тем как проводить инерционную сварку трением не нужно выполнять предварительную подготовку соединяемого стыка. Но все же опытные сварщики советуют обязательно выполнять тщательную зачистку от ржавчины, жировых пятен, смазки.
  5. Высокое качество сварного соединения наблюдается даже при наличии расхождений между заготовками с показателем до углов 5-70.
  6. При проведении сварочного процесс трением нет таких негативных условий, как усиленного ультрафиолетовое излучение, выделение вредных газов — продуктов сварочных реакций.
  7. Подходит для сваривания разнородных металлов и сплавов. При помощи этой технологии можно с огромным успехом сваривать многие пары металлов, которые невозможно сварить при помощи других видов сварок — стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и многое другое.

Важно! При проведении сварки трением применяется стандартный набор оборудования — сварочная машина, станок, снимающий грат и манипулятор (робот), который осуществляет перемещение крупногабаритных деталей. Все эти элементы позволяют произвести легкое и качественное сваривание больших стальных конструкций

Преимущества и недостатки

Ключевые плюсы:

Максимальная производительность. Подготовка материалов, непосредственно процесс сваривания, продолжающийся не более нескольких минут, и заключительные операции требуют гораздо меньших временных затрат, чем другие виды сварки.
Минимальные требования к чистоте свариваемых поверхностей — тщательная зачистка не нужна, что опять-таки существенно экономит время и усилия.
Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Методом трения соединяются пары материалов, не рассчитанные на сварку иными способами.
Энергоэффективность. Материалы нагреваются максимально быстро и в локальной закрытой области, что делает ничтожно малыми потери энергии по сравнению с прочими методами сваривания

Энергозатраты ниже во много раз, вплоть до десятикратной экономии, что при сегодняшней стоимости электроэнергии немаловажно.
Безупречное качество шва. Если сваривание производится в правильном технологическом режиме, шовная линия и околошовные области обретают фактически полную идентичность основному металлу по строению и показателям

Притом в шовном материале фактически нет пор, трещин и прочих дефектов.
Высочайшая стабильность показателей швов всей партии изделий. При точном соблюдении технологического режима готовые изделия (детали и пр.) отличаются своими характеристиками на десятые доли процента, благодаря чему ОТК может осуществлять выборочный контроль качества, обеспечивая серьезную экономию времени и ресурсов. После прохождения разрушающего контроля одним изделием специалисты могут давать заключение о годности целой партии.
Экологичность технологии. Воздушная среда не загрязняется вредными веществами, также не причиняется вред здоровью сварщиков слепящим светом, разбрызгиванием плавящегося металла, выделяющимися газами, УФ-излучением и др.
Легкость автоматизации, что играет решающую роль при использовании технологии для массового производства. Сваривание можно осуществлять на агрегатах с программируемым управлением, сводя ручной труд к минимуму, нередко к нулю.

Минусы, свойственные свариванию трением и нередко оказывающиеся критичными:

  • Применимость к сравнительно малому количеству форм заготовок из-за необходимости, чтобы хоть одна выступала телом вращения. Технология не может использоваться для соединения поверхностей большой протяжности, формирования сложных швов, монтажа крупных конструкций, варки кузовов автотранспорта и др. Но в машиностроительстве нужной формой обладают свыше 75% деталей.
  • Ограниченный размер поверхностей. Длина заготовки ограничивается вылетом бабки станка, диаметр — кулачков патрона.
  • Относительная дороговизна оборудования.
  • Громоздкость сварочного агрегата и других устройств, нуждающихся в стационарной установке и электроснабжении, в связи с чем технологию невозможно использовать на монтажных работах.
  • Возможное радиальное искажение текстуры в месте шва и в прилегающих областях, если при эксплуатации готовое изделие испытывает большие динамические нагрузки. Не исключается и уменьшение стойкости к повреждениям коррозией. Чтобы предотвратить оба явления, на деталях частично оставляют грат. Притом снятие именно той части грата, которую нужно, связано с трудозатратами, так что в этом случае свести ручной труд человека к нулю невозможно.

Перечисленные минусы выводят сваривание трением из разряда универсальных методов обработки металлов и сплавов, но в областях применимости ему стоит отдать предпочтение, так как плюсы перевешивают.

Рейтинг: /5 —
голосов

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации