Сварка трением

Сварка трением — разновидность сварки давлением, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия (рис. 1).

Рис.1. Схема сварки трением

Процесс образования сварного соединения:

• Воздействие сил трения сдирает оксидные пленки;
• Наступает разогрев кромок свариваемого металла до пластичного состояния, возникает временный контакт, происходит его разрушение, и высокопластичный металл (металл шва)* (рис. 1) выдавливается из стыка;
• Вращение прекращается, образуется сварное соединение.

Особенности сварки трением

При сварке трением механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую, и теплота вырабатывается прямо в месте будущего соединения.

Теплота может выделяться:

• при вращении одной детали относительно другой (рис. 2, а);
• при вращении вставки между деталями (рис. 2, б, в);
• при возвратно-поступательном движении деталей в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами Д и при звуковой частоте (рис. 2, г).  

В последнем случае детали прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением Р. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

Процессы в зоне стыка при сварке трением

В зоне стыка при сварке трением протекает ряд процессов. По мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок и при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей, а также разрушение присутствующих на них в исходном состоянии жировых пленок. Граничное трение уступает место сухому. В контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов. Между последними мгновенно формируются металлические связи и немедленно разрушаются из-за относительного движения поверхностей.

Этот процесс идет непрерывно и сопровождается увеличением фактической площади контакта и быстрым повышением температуры в стыке. Одновременно снижается сопротивление металла деформации, и трение распространяется на всю поверхность контакта. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала, и трение из сухого становится граничным.

Рис. 2. Схемы процесса сварки трением: 1 — свариваемые детали; 2 — вставка; 3 — зона сварки

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, температура металла в стыке несколько снижается за счет теплоотвода. Осадка сопровождается образованием металлических связей по всей поверхности.

Рис. 3. Типы сварных соединений, выполненных сваркой трением

Диаметр деталей при сварке трением

Сваривать стержни диаметром более 200 мм нецелесообразно, потому что для реализации этого процесса потребовались бы машины с двигателями мощностью ~ 500 кВт при скорости вращения ~2 с-1 и с осевым усилием более 3 x 10б Н. Сооружение такой машины и её эксплуатация были бы настолько дорогими, что не окупили бы выгоды, которую 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 ~ 200 с-1 и сложным устройством для осуществления мгновенного его торможения.

Расчеты и опыт применения сварки трением показывают, что ее стоит применять для сварки деталей диаметром от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением для изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она незаменима при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривающихся другими способами разнородных материалов. Например, стали с алюминием, аустенитных сталей с перлитными. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок.

Машины для сварки трением: конструкция и особенности

Машины для сварки трением обычно содержат следующие основные узлы (рис. 4): 

• привод вращения 1 шпинделя с ременной передачей 2;
• фрикционную муфту 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; 
• тормоз 4 для торможения шпинделя; 
• два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; 
• переднюю бабку 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; 
• заднюю бабку 8 с неподвижным зажимом; 
• пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) давления машины;
• пневматическую, пневмогидравлическую или гидравлическую схему управления силовым приводом машины; шкаф управления.

Рис. 4. Принципиальная конструктивно-кинематическая схема машины для сварки трением

В большинстве машин в состав привода вращения входят трехфазный асинхронный электродвигатель, клиноременная передача с зубчатым ремнем. В машинах для микро- и прецизионной сварки, шпиндель которых должен развивать очень высокую частоту вращения (80–650 с-1), в качестве привода применяют пневматические турбинки. Такие турбинки характеризуются быстрым разгоном и торможением, позволяют обходиться без передачи при помощи непосредственного сочленения вала со шпинделем машины.

На рис. 5 приведен общий вид установки сварки трением с последующим удалением грата в автоматическом режиме автомобильных выпускных клапанов.

Рис. 5. Установка СТ110 для сварки трением

Примеры и опыт сварки трением

Мировой опыт применения сварки трением позволяет сделать вывод, что этот вид сварки — один из наиболее интенсивно развивающихся технологических процессов. Особенно в странах с высоким уровнем развития промышленности.

Некоторые примеры применения сварки трением приведены на рис. 6.

Рис. 6. Примеры применения сварки трением: а — промежуточный вал коробки передач автомобиля; б — карданный вал тяжёлого грузового автомобиля; в — карданный вал автомобиля «Форд»; г — коническое зубчатое колесо с удлиненной ступицей; д — вал рулевого управления легкового автомобиля; е — гладкие и резьбовые калибры; ж — сталеалюминиевый трубчатый переходник диаметром 90 мм с толщиной стенки 4 мм​

Разновидностью сварки трением является инерционная сварка. В этом случае вращаемую деталь располагают в маховике, который раскручивают до заданной скорости. Детали соединяют, и сварка завершается остановкой вращения маховика.

Достоинства инерционной сварки трением:

• Не требуется большой мощности;
• Быстрота сварки, меньшая зона разогрева, вследствие точного дозирования энергии.