Оборудование для сварки трением

На крупномасштабных предприятиях, где в большом количестве выпускаются корабли, самолеты и сельскохозяйственная техника, применяются не совсем классические методы сварки. Понятно, почему. Каким бы большим ни был состав сварщиков в цеху они в любом случае не смогут обеспечить высокую производительность труда, поскольку здесь во многом играет человеческий фактор.

Оборудование для сварки трением

В таких случаях применяются альтернативные сварочные технологии. В этой статье мы расскажем об одной из таких технологий— сварке трением.

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.

Плюсы и минусы

Среди преимуществ сварки трением можно отметить отличное качество сварных швов, высокую производительность сварки и возможности сварки разнородных металлов. Недостатки есть и порой они критичны. Так, например, нельзя варить детали любого размера, поскольку станки рассчитаны под работу с заготовками определенных габаритов. К тому же вы не сможете сварить детали, у которых площадь поперечного сечения больше, чем 150 мм2. В остальном же сварка трением характеризуется, как крайне эффективная.

Область применения

Как мы говорили выше, сварка трением широко используется при производстве судов, кораблей и сельскохозяйственной технике. Вы также обнаружите этот тип сварки на предприятии, где занимаются ядерной энергетикой, электротехникой и нефтяным машиностроением. Словом, сфера применения немаленькая, поэтому данный метод отлично зарекомендовал себя даже при выполнении особо ответственных работ, например, при сварке космических кораблей.

Виды сварки трением

Существует несколько подтипов сварки трением. Это сварка трением с непрерывным приводом, инерционная сварка, колебательная, орбитальная и радиальная. Давайте разберем каждый тип подробнее.

Сварка трением с непрерывным приводом

Данный тип соединения металлов один из старейших среди всех подтипов сварки трением. Впервые он был разработан в середине 20-го века. Одна из заготовок находится в статичном положении, а другая вращается. Во время соприкосновения деталей образуется осевое усилие нагрева. Детали нагреваются до нужной температуры и вращающаяся заготовка останавливается. Далее следует проковка. Ниже вы можете видеть схему данного типа сварки, где под цифрой 1 обозначен тормоз, а под цифрой 2 и 3 обозначены заготовки.

Оборудование для сварки трением

Инерционная сварка

Этот тип сварки заключается в том, что энергия накапливается во вращающемся маховике, который насажен на шпиндель. После того, как маховик будет достаточно раскручен, две детали сжимают под давлением. Процесс сварки останавливается вместе с остановкой шпинделя. Ниже схема инерционной сварки, где 1 — это маховик, а 2 и 3 — это детали.

Оборудование для сварки трением

Колебательная сварка

Колебательная сварка также называется сваркой вибротрением. Суть данного типа сварки заключается в том, что одна либо две заготовки колеблются под углом. Колебательная сварка применяется очень редко, но она хорошо показала себя при сварке термо- и реактопластов.

Орбитальная сварка

Мы посвятили отдельную статью орбитальной сварке, обязательно прочтите ее. В рамках этой статьи мы расскажем кратко. Орбитальная сварка — это метод соединения металлов, когда обе заготовки вращаются вокруг друг друга. После сварки нужно совместить оси деталей, тем самым остановив их, а затем выполнить проковку.

При орбитальной сварке тепло выделяется равномерно, поэтому можно без проблем варить детали с большой площадью сечения. Ниже вы можете видеть схему орбитальной сварки. Буквой а отмечена стадия нагрева, а буквой б отмечена стадия проковки деталей.

Оборудование для сварки трением

Радиальная сварка

При радиальной сварке трением используется внутреннее и наружное кольцо. Оба кольца вращаются под определенным углом и выделяют тепловую энергию, которая плавит концы труб. Предварительно трубы плотно стыкуют друг с другом. Также на трубы может оказываться дополнительное давление. Ниже схема данного типа сварки, где а — это наружное кольцо, б — это внутреннее кольцо, 1 и 2 — это детали, 4 — это зажимные части.

Оборудование для сварки трением

Технология

Теперь перейдем непосредственно к технологии сварки. Первый этап — это подготовка металла. Она обязательна и выполняется вне зависимости от выбранной вами технологии сварки. Но при сварке трением подготовка не особенно важна, поскольку все неровности можно исправить. А качество подготовки деталей не влияет на качество готово шва.

Так что вы можете разрезать детали с помощью ножниц по металлу или дисковой пилы. Если будут какие-о неровности, то их можно затереть или просто нагревать детали подольше. Вам даже не обязательно удалять загрязнения, масло, признаки коррозии или следы краски, поскольку все эти недостатки нивелируются при нагреве металла.

Читайте также:  Как подключить осциллятор к инвертору

Куда важнее правильно установить режим сварки, поскольку от этого уже напрямую зависит качество сварного соединения.

Чтобы настроить режим сварки нужно знать все его параметры. Новичкам будет непросто сходу установить каждое значение, так что дадим свои рекомендации по поводу оптимальных настроек. Вы можете применять их первое время, но прочтите также нормативные документы, чтобы понимать суть.

Итак, первое, что нужно настроить, это частоту вращения. Оптимальное значение для сварки черного металла варьируется от 2,6 до 3, для сварки алюминия, меди и их сплавов достаточно 2, а для сварки титановых изделий подойдет значение 4 или 5.

Далее нужно настроить удельное давление притирки, этот параметр позволяет улучшить, а значит ускорить работу сварочной машины. Здесь сложно давать какие-то общие рекомендации, поскольку для разных металлов значения разные. Например, мы для сварки углеродистой стали выставляем значение 10 Мпа, а время притирки задаем в районе одной-трех секунд. Прочтите нормативные документы.

Следующий параметр — удельное давление нагрева. Опять же, для сварки углеродистой или низколегированной стали мы рекомендуем значение от 30 до 60 Мпа. Если нужно сварить жаропрочную или инструментальную сталь, то установите значение от 60 до 120 МПа, алюминию будет достаточно от 7 до 20 Мпа.

Также нужно настроить удельное давление проковки. Здесь нужно учитывать, какими пластическими свойствами обладает металл, который вы варите. Опять же, опирайтесь больше на нормативные документы. Мы для сварки алюминия использовали 8 — 10 Рн (МПа). Также устанавливали время проковки не более трех секунд.

Не забудьте установить время нагрева и время торможения. Вот здесь можете дать себе волю и поэкспериментировать, поскольку не существует единых параметров. Конечно, есть рекомендации, но от них можно отклоняться на свое усмотрение. А время торможения должно быть коротким.

Оборудование

Состав оборудования может состоять из разных компонентов, в зависимости от стоимости комплекта и сферы применения. Стандартный набор состоит из сварочной машины, станка, снимающего грат, а также манипулятора (или робота), с помощью которого можно перемещать крупногабаритные детали.

Для настройки оборудования нужно установить параметр сварки, мощность привода шпинделя, задать размер заготовки, которую нужно сварить, а также установить скорость сварки.

Большинство настроек опытный сварщик установит сразу, а вот с расчетом мощности привода могут быть проблемы. Поэтому рекомендуем использовать следующую формулу:

Оборудование для сварки трением

Где S — это площадь свариваемого сечения в мм2, а Nуд неизменно и составляет 20 Вт/мм2.

Вместо заключения

Соединение металла трением — это простой, но в то же время эффективный метод сварки. Благодаря такой технологии можно добиться сварки разнородных металлов, высокой производительности труда, отличного качества швов. А вы имели дело со сваркой трением в своей практике? Расскажите об этом в комментариях. Также посмотрите ниже видео, где подробно показана сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов.

Сварка трением — достойная альтернатива классическим сварочным технологиям, со своими особенностями, областью применения, несомненными плюсами и существенными минусами. Их подробный разбор и рассмотрение видов сварки трением поможет читателю определить, подходит ли она для решения существующих задач.

Оборудование для сварки трением

Принцип сварки трением

Суть технологии состоит в сваривании деталей и заготовок через нагрев трением друг о друга, плавящим металл и образующим соединение частей. Последнее дополнительно обеспечивается давлением на детали и усиливается их немедленной проковкой.

  1. Детали придавливают друг к другу и создают трение движением одной либо обеих.
  2. Свариваемые поверхности притираются, разрушая оксидно-жировые пленки и разогреваясь до стадии расплавленности.
  3. Между поверхностями возникают металлические связи.
  4. Одновременно с прекращением трения формируется сварное соединение, незамедлительно укрепляющееся проковкой.

В зависимости от вида сварки давление остается постоянным либо постепенно усиливается. Трение чаще прочего создается вращательным движением одной из свариваемых деталей.

Особенности технологии

Характерные особенности сваривания трением:

  • применимость для скрепления низкосвариваемых материалов, включая сталь и алюминий;
  • способность соединять разнородные металлы;
  • высочайшая эффективность скрепления деталей диаметром до 100 мм.

Важно: сваривание трением успешно применяется как для соединения металлических поверхностей, так и заготовок из термопластиков.

Технология сваривания трением включает подготовку материалов и настройку режима сварки.

Первый этап предельно прост, так как не требует удаления неровностей, загрязнений и признаков коррозии в месте приваривания — все это сходит на нет при нагреве металлических поверхностей.

Оборудование для сварки трением

Подходящие параметры режима сварки:

  • Частота вращения — при сваривании алюминия, меди и их сплавов рекомендуется 2, черных металлов — от 2,6 до 3, титана — 4 или 5.
  • Удельное давление притирки — для всех материалов разное, значится в нормативной документации по сварке металлов.
  • Удельное давление нагрева — для алюминия подходит от 7 до 20 мегапаскалей, углеродистой либо низколегированной стали от 30 до 60 МПа, для жаропрочной либо инструментальной стали от 61 до 120 МПа.
  • Удельное давление проковки — зависит от пластических характеристик соединяемых материалов, определяется по нормативной документации.
  • Длительность нагрева и торможения — единых параметров нет, выставляется на усмотрение сварщика.
Читайте также:  Учебник по токарному делу

Обязательно задавать также размер свариваемых деталей и мощность сваривания.

Оборудование

Перечень оборудования определяется областью применения технологии и частично стоимостью. Как минимум необходимы:

  • сварочный агрегат;
  • устройство для снятия грата;
  • манипулятор либо иной аппарат для перемещения крупных деталей (заготовок).

Область применения

Сваривание трением эффективно применяется во многих сферах — от электротехники до кораблестроения, сборки ядерных реакторов и выпуска аэрокосмических летательных аппаратов. Особенно успешно технология используется в машиностроительной отрасли, включая изготовление инструментов и приспособлений (оснастки).

Сварка трением незаменима при изготовлении ковано-, штамповано-сварных и сварно-литых металлоизделий.

Разновидности

Сварка трением с перемешиванием, придуманная и разработанная в Великобритании в начале 90-х прошлого века, осуществляется с помощью штыря из высокопрочного сплава с заплечиками. Он вращается, входит в плавящийся металл на линии стыка деталей и перемешивает его поверхностные слои, обеспечивая формировку сварного шва с равномерной структурой.

Радиальная

Применима для сваривания металлических труб. Производится путем надевания на линию стыка одного или двух (наружного и внутреннего) колец, предварительно выплавленных из того же материала, что трубы. Кольца вращаются и плавят поверхность свариваемых элементов.

Штифтовая

Изобретена для ремонта и усовершенствования деталей. В изделии сверлится отверстие, куда вставляется штифт из того же материала, который вращаясь плавит металл и образует сварной шов.

Орбитальная

Это скрепление деталей, вращающихся по отношению друг к другу, но без движения вокруг своих осей. Когда металл на линии стыка достаточно нагревается, происходит совмещение осей заготовок и прекращение вращения. Далее следует проковка с завершающим формированием сварного шва.

Линейная

Выделяется из прочих разновидностей тем, что вместо вращательного хода штыря, штифта либо кольца совершаются возвратно-поступательные движения одной из заготовок. Когда трущиеся друг о друга поверхности достигают требуемой температуры, заготовка замирает и увеличивается давление. На линии стыка образуется прочный шов.

Оборудование для сварки трением

Преимущества и недостатки

  • 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.

Сва́рка тре́нием — разновидность сварки давлением (часто упоминается как «сварка без расплавления»), при которой нагрев осуществляется трением, вызванным — в базовом варианте данного метода — перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия. Сварка трением используется для соединения различных металлов и термопластиков в авиастроении и автомобилестроении. Следует отметить, что окончательное соединение формируется на завершающей стадии процесса, когда к уже неподвижным образцам прикладывается проковочное усилие.

Читайте также:  Как обойти магнитную пломбу на электросчетчике форум

Оборудование для сварки трением

Процесс образования сварного соединения включает такие этапы:

  • Разрушение и удаление оксидных плёнок под действием сил трения;
  • Разогрев кромок свариваемого металла до пластичного состояния, возникает временный контакт, происходит его разрушение и наиболее пластичные объёмы металла выдавливаются из стыка;
  • Прекращение вращения с образованием сварного соединения.

Сварка трением сопровождается процессом, при котором механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в теплоту; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой или вставки между деталями. Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения. В зоне стыка при сварке протекают следующие процессы: по мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение жировых и оксидных плёнок, присутствующих на них в исходном состоянии; граничное трение уступает место сухому, в контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи, немедленно разрушающиеся вследствие относительного движения поверхностей [1] .

Практическому использованию сварки трением положили начало опыты токаря-новатора А. И. Чудикова (1956 г.), получившие развитие в работах ВНИИЭСО (СССР). Эти работы послужили толчком для начала исследований сварки трением в США, Японии, Великобритании, Германии и других странах. В 1960—1990 годах сварку трением интенсивно исследовали и внедряли в промышленность как в СССР, так и в других странах мира [2] .

Сварка трением с перемешиванием [ править | править код ]

Оборудование для сварки трением

Оборудование для сварки трением

Технологическим институтом сварки (TWI, Великобритания) в 1991 году был разработан и в декабре того же года запатентован метод сварки трением с перемешиванием [3] . 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 [4] [5] . 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 [6] [7] .

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 [8] [9] . 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 [5] [10] . Объём, в котором формируется сварочный шов, ограничивается сверху опорным буртом. По завершении процесса сварки инструмент выводят из стыка [8] .

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 [4] . 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 [5] . 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 [8] [9] .

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 [5] .