Сварка металлов трением

Сварка трением происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, возникающей при трении поверх­ностей свариваемого изделия (рис. 10.1). Трение поверх­ностей осуществляют вращением свариваемых деталей, сжимаемых усилием Р,как это показано на рис. 10.1. В процессе сварки наблюдаются значительные пласти­ческие деформации на свариваемых поверхностях.

Прочное сварное соединение образуется в результате возникновения металлических связей между ювенильными (чистыми) контактирующими поверхностями свариваемых деталей. Препятствующие образованию этих связей раз­личные включения и пленки, покрывающие металлические поверхности, разрушаются при трении и удаляются из зоны сварки в радиальном направлении вследствие значительной пластической деформации трущихся поверх­ностей.

Для получения требуемой деформации металл доводят до состояния повышенной пластичности с помощью теп­лоты, возникающей при трении. Механическая энергия непосредственно преобразуется в тепловую, причем гене­рирование теплоты происходит строго локализовано в тонких приповерхностных слоях металла. Эта особен­ность процесса предопределяет основные преимущества сварки трением [7, с. 56–72].

На поверхностях деталей, прижатых усилием Р,возникают силы трения. Работа, затрачиваемая на пре­одоление этих сил превращается в теплоту, которая выделяется на поверхностях трения и вызывает интен­сивный нагрев металла до температур, необходимых для образования сварного соединения; применительно к сварке сталей эти температуры, в зависимости от режима про­цесса, составляют 950–1300°С (1223–1573 К). По до­стижении требуемой температуры относительное дви­жение деталей должно быть по возможности быстро (практически мгновенно) прекращено. Процесс образо­вания сварного соединения завершают проковкой: к нагретым, но уже неподвижным деталям на некоторое время прикладывают сжимающее усилие. После проковки происходит естественное охлаждение сварных деталей.

Объем тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначителен, что весь цикл его нагрева обычно уклады­вается в весьма малый промежуток времени – от не­скольких секунд до полминуты, поэтому производительность сварки трением весьма высока, и конкурировать с нею может лишь электрическая кон­тактная сварка.

Малый объем металла, нагреваемого при сварке трением, предопределяет и исключи­тельно высокие энергетические характеристики процесса; ра­сход энергии и мощность уста­новок (рис. 10.2) при сварке трением в 5-10 раз меньше, чем при контактной. При этом обеспечивается равномерная нагрузка фаз питающей сети, высокий коэффициент мощности (φ = 0,8÷0,85).

Одно из наиболее важных преимуществ сварки тре­нием – высокое качество получаемых сварных соедине­ний. При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл свариваемых деталей. Это объясняется следующими причинами.

1. Все окисные и адсорбированные пленки и различные инородные частицы в процессе сварки трением удаляются из стыка в грат благодаря деформированию металла в радиальных направлениях. Плотный контакт между поверхностями трения препятствует образованию окислов в процессе сварки.

2. В стыке и прилегающих к нему зонах термического влияния металл приобретает структуру с равноосным и резко измельченным зерном; такая структура образуется в результате быстрого локального нагрева малых объемов металла и высоких скоростей их охлаждения в присут­ствии значительных давлений, достигающих 300-500 ат (29,4-49,0 МН/м²) и более, кроме того, имеет место меха­ническое измельчение зерен в процессе трения.

Сварные соединения, выполненные с помощью сварки трением без перенастройки машины, обладают высокими показателями (временное сопротивление разрыву, угол изгиба, ударная вязкость). Это объясняется постоянством основных параметров процесса (скорости относительного вращения, величины осевого усилия и продолжительности нагрева) и тем, что свойства сварного соединения практически не зависят от таких внешних факторов. Это колеба­ния питающей сети, качество вспомогательных мате­риалов, квалификация и степень утомленности сварщика и т. п. Эти факторы при других видах сварки в значительной мере влияют на стабильность свойств сварных соединений.

Сварка трением позволяет получать прочные соедине­ния не только из одноименных, но и из большого числа сочетаний разноименных металлов и сплавов, в том числе и таких, теплофизические характеристики которых резко отличаются между собою.

При сварке трением не предъявляются высокие требо­вания в отношении загрязненности и чистоты обработки боковых поверхностей деталей, предназначенных для сварки, этим сварка трением выгодно отличается от кон­тактной. На поверхностях трения недопустима окалина; ее присутствие может привести к образованию недоброкачественного соединения.

Основные параметры процесса сварки трением сравни­тельно легко программируются. Оборудование для сварки трением – это полуавтоматы с минимальным использо­ванием ручного труда либо автоматы, работа которых протекает без участия человека.

Применение сварки трением ограничено формой и размерами сечения свариваемых деталей. При использо­вании вращательного движения сварка трением позво­ляет получить хорошие результаты лишь в тех случаях, когда одна из деталей представляет собой тело вращения (стержень или трубу), ось которого совпадает с осью вращения, а другая деталь обладает плоской поверх­ностью (рис. 10.3).

Возможность использования сварки трением ограни­чивается также и размерами сечения свариваемых дета­лей в месте их сопряжения. Расчеты показывают, что использовать этот процесс для сварки стержней сплошного сечения диаметром более 200 мм при современном уровне развития техники нецелесообразно. Для сварки таких стержней (сечением более 30 000 мм²) потребовалась бы машина с электродвигателем мощностью порядка 500 кВт, при частоте вращения около 100-150 об/мин и с осевым усилием более 300 тс (294 МП). Сооружение такой машины и ее эксплуатация были бы весьма дорогими. Нижний предел диаметра свариваемых трением деталей – стержни диаметром менее 6 мм. Диапазон площадей сечений дета­лей, которые целесообразно сваривать трением, составляет 30-8000 мм². Расширить возможности применения сварки трением крупных деталей, вращение и в особенно­сти быстрое торможение которых в конце процесса сильно затруднено, можно путем вращения вспомогательной детали (третьего тела), зажатой между двумя не вращающимися и подлежащими сварке деталями (рис. 10.4). Эта схема процесса позволяет также сварить две (крайние) детали.

На рис. 10.5 показана схема процесса сварки вибро­трением, отличительная особенность которого – сооб­щение одной из свариваемых деталей возвратно-посту­пательного движения в плоскости трения с относительно малыми амплитудами. В этом случае можно сваривать детали с различной формой поперечного сечения.

Тепловой режим определяет производительность про­цесса, прочность сварного соединения, параметры свароч­ного оборудования и т. п.

Исследования показали, что при сварке трением максимальное выделение теплоты происходит на перифе­рии поверхности трения, на оси вращения выделение теплоты равно нулю.

Получены выражения для момента сил трения, дей­ствующих на всей поверхности трения:

(10.1)

–для мощности тепловыделения

(10.2)

–для средней удельной мощности, отнесенной к единице поверхности трения (Вт/мм²)

, (10.3)

где М – полный момент сил, кгс/мм; N – полная мощ­ность, кВт; р – давление, кгс/мм²; п – относительная частота вращения, об/мин; f – коэффициент трения.

На рис. 10.6 изображена характерная кривая момента сил М (t) и совмещенная с ней кривая частоты враще­ния п (t). Момент сил изменяется в процессе сварки, проходя сначала через минимальное, затем через максимальное значения, устремляясь к некоторому установив­шемуся значению в конце процесса. Анализ кривых позволяет получить некоторое представление о явлениях, происходящих на поверхностях трения при сварке.

Вначале процесс протекает при незначительных температурах и характеризуется сухим или граничным трением (коэффициент трения при этом f ≈ 0,10÷0,12). Небольшой пик на кривой моментов в самом начале про­цесса (f ≈ 0,25) соответствует трению покоя.

Переход от состояния покоя к движению соответствует сначала быстрому, а затем более медленному спаду кривой мо­ментов (интервал времени t₁). Следующее затем быстрое нарастание этой кривой в интервале времени можно рассматривать как признаки начала перехода от сухого (граничного) трения к чистому.

Средняя температура поверхностей трения в начале отрезка времени составляет 100-120 °С (373-393 К).

Вследствие обнажения участков чистого металла на поверхностях трения появляется возможность образо­вания очагов схватывания. В процессе продолжающегося относительного движения поверхностей эти мостики вслед за их образованием разрушаются. Энергия, затраченная на их деформацию, проявляясь в форме теплоты, способствует повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, облегчает образование новых очагов схватыва­ния, которые вновь разрушаются. Процесс схватыва­ния быстро нарастает. Однако беспредельному росту числа очагов схватывания препятствуют ограниченные размеры поверхности трения. Поэтому с течением вре­мени этот процесс, достигнув некоторого уровня, уста­навливается.

При рассмотрении зависимостей изменения тепловыде­ления во времени весь процесс нагрева при сварке тре­нием можно условно разделить на три фазы (рис. 10.6): первая (начальная), характеризующаяся преобладанием явлений внешнего (сухого или граничного) трения t₁;вторая, начинающаяся с появления очагов схватываний и характеризующаяся процессом бурного их увеличения t₂, третья, отличающаяся высокими температурами и тенденцией процесса к установлению – t₃.

В первой и второй фазах процесса тепловыделение незначительно, основное количество теплоты выделяется в третьей фазе. Количество теплоты, выделенной в первой фазе, 1%, во второй – 12%, в третьей – 87%. Нагрев деталей до состояния повышенной пластичности, необ­ходимой для образования прочного сварного соединения, происходит в третьей фазе процесса.

Сварное соединение образуется лишь после прекра­щения тепловыделения (вращения). В конце процесса сварки проводят проковку – взаимно неподвижные и охлаждающиеся детали подвергают действию внешнего, сжимающего усилия; при этом в ряде случаев величину давления при проковке, по сравнению с давлением при вращении, выбирают более высокой.

В процессе образования сварного соединения при температурах ниже температуры плавления большое зна­чение имеет и деформация приповерхностных слоев ме­талла в макромасштабах. Разрушение окисных пленок, покрывающих контактирующие поверхности, и удаление обломков этих пленок из стыка в грат связано с пласти­ческим течением металла в плоскости стыка, т. е. дефор­мациями, развивающимися в относительно толстых слоях металла, измеряемыми десятыми долями миллиметра. При сварке трением подводимая извне энергия, необхо­димая для сварки, преобразуется в теплоту в процессе и в результате деформирования и разрушения приповерх­ностных объемов металла.

Деформация смятия в энергетическом балансе про­цесса сварки трением играет лишь второстепенную роль; механическая работа, затраченная на чистое смятие ми­кровыступов и выдавливание из стыка металла, став­шего в результате нагрева пластичным, не превышает 2-3% общей энергии, затраченной на сварку. Доминирую­щую роль играет деформация среза микровыступов и разрыва атомных металлических связей, возникающих в результате трения поверхностей.

Деформация среза микровыступов помогает сближению поверхностей и умножению числа единичных контактов и этим облегчается образование связей.

Микро- и макродеформации следует различать потому, что процессы образования связей между поверхностями присущи субмикрообъемам металла и вовлечения в этот процесс относительно толстого подслоя теоретически не требуется, тепловыделение при сварке трением может (в зависимости от режима процесса) происходит в микро- и макрообъемах металла. Режим процесса определяет характер взаимодействия трущихся поверхностей. При малых скоростях трения в процессе износа поверхностей имеет место глубинное вырывание частиц металла; при больших скоростях глубинное вырывание отсутствует, оно уступает место процессу полирования поверхностей, когда отрываются лишь мельчайшие частицы металла.

В первом случае в процессе теплогенерирования участ­вуют значительные по толщине (до нескольких десятых долей миллиметра) приповерхностные слои металла; во втором – процесс генерирования теплоты вызывается преимущественным разрушением поверхностных связей и толщина теплогенерирующего слоя при этом минимальна.

С увеличением скорости вращения температура поверх­ностей трения несколько возрастает, несмотря на заметное уменьшение при этом мощности, расходуемой на сварку (рис. 10.7). Это явление объясняется тем, что при малых скоростях вращения в процесс генерирования теплоты оказываются вовлеченными значительно большие объемы металла, а следовательно, увеличиваются расходы энергии и мощности. Относительно толстый слой металла легко выдавливается и

уносит с собой из стыка в грат значительную часть теплоты.

В результате температура на поверхностях трения к которым в процессе деформи­рования подходит более холодный металл, оказывается ниже, чем при повышенных скоростях вращения.

Пластическое деформирова­ние металла при сварке тре­нием является необходимым условием образования качест­венного соединения. Мерой пластической деформации при­нята величина сближения в осе­вом направлении свариваемых деталей – осадка.

Параметры режима сварки трением (частота вращения, давление и др.) зависят от свойств свариваемого металла и конфи­гурации изделия.

Накоплен большой экспериментальный материал по сварке трением различных металлов. При свар­ке низкоуглеродистой стали скорость вращения назначается из условия окружной скорости на поверхности детали, равной 1 м/с; давление в начале сварки при нагреве 4 кгс/мм² (392 × 10⁵ Н/м²); давление при проковке 8-10 кгс/мм² (784 × 10⁵ ÷ 980,6 × 10⁵ Н/м²).

Детали перед сваркой следует очищать от жира и загрязнений, например, протиркой их торцовых поверхностей чистой тряпкой; в большинстве случаев этого вполне достаточно, и лишь иногда приходится прибегать к обезжириванию этих поверхностей химическими средст­вами.

Тонкие окисные пленки на соединяемых поверхностях при сварке деталей из одноименных металлов почти не влияют на течение процесса нагрева: они быстро разру­шаются при трении и их обломки выносятся из стыка вытесняемым в радиальных направлениях металлом. На поверхностях трения недопустимо присутствие окалины. На деталях, подвергавшихся до сварки ковке, штамповке или некоторым видам термообработки, эти поверхности должны быть очищены от окалины любым доступным способом.

Подготовка торцовых поверхностей под сварку тре­нием может быть выполнена самыми различными спосо­бами: подрезкой на токарном станке, рубкой на ножницах и под прессом, разрезкой пилой или наждачным кругом и т. п.

При соединении встык двух деталей одинакового диа­метра, металлы которых обладают различной степенью пластичности при температурах сварки, требования к под­готовке торцов несколько усложняются: для деталей из более твердого и плохо деформирующегося металла требуются более жесткие допуски на обработку торца. Если одна из деталей в процессе сварки практически не деформируется вовсе (например, сталь при сварке с алюминием), требуется очень тщательная подготовка поверхности торца такой детали.

К боковым поверхностям деталей при сварке трением никаких требований не предъявляется; они могут быть покрыты маслом, окалиной или ржавчиной; это не отра­жается на свойства получаемого сварного соединения. Этим сварка трением выгодно отличается от других видов сварки.

Исследования механических свойств сварного соеди­нения, полученного с помощью сварки трением, и свойств металла в нем показали, что при правильно выбранных режимах сварки металл обладает сплошностью струк­туры, инородные включения, поры и другие макроде­фекты отсутствуют. Разрушение сварных образцов при испытании на растяжение статической нагрузкой всегда происходило вдали от стыка и вне зоны изменения зерна. Ударная вязкость зоны сварного соединения близка к ударной вязкости основного металла.

Высокая прочность сварного соединения при сварке трением объясняется специфическими условиями образо­вания сварного соединения. Сварка трением происходит под действием интенсивного локализованного и кратковременного воздействия теплоты, выделяющейся на сва­риваемых поверхностях, высокой степени пластической деформации и при очень хорошей защите места сварки от действия кислорода и азота воздуха. Пластическая деформация металла сопровождается непрерывным уда­лением части металла из зоны сварки; при этом происхо­дит своеобразная термомеханическая обработка металла в этой зоне. Металл сварного соединения обладает весьма мелкокристаллическим строением и сохраняет остаточ­ный наклеп.

Сваркой трением можно соединять разноименные ме­таллы, обладающие резко различными теплофизическими характеристиками, и такие, при сварке которых обычными методами получаются недоброкачественные швы: меди со сталью, меди со сплавом «ковар», меди с алюминием и некоторыми его сплавами, алюминия с титаном и т. п.

Для улучшения процесса сварки деталей, имеющих раз­личное сечение, на более массивной детали необходимо делать выступы (см. рис. 10.3). Вследствие высокой интенсивности процесса сварки высоту выступов можно прини­мать из расчета h = (0,25÷0,5) d. Во многих случаях рекомендуется соединение, показанное на рис. 10.3, б.

Сварка деталей с одинаковыми размерами сечений, как правило, не представляет большого труда и обеспе­чивает высокие механические показатели: временное со­противление, угол изгиба, ударную вязкость и др. Для закаливающихся металлов это достигается после соответ­ствующей термообработки.

При сварке тонкостенных трубчатых деталей обычно возникает ряд затруднений. Для их сварки можно реко­мендовать следующие приемы.

1.Короткие трубчатые детали со сквозными гладкими отверстиями сваривать, предварительно вставив внутрь пробки из твердого материала (рис. 10.8). Минимального эксцентриситета (при очень тонкостенных трубах) дости­гают с помощью взаимной центровки этих пробок, на­пример, так, как показано на рис. 10.9. Для уменьшения износа круглого пальца одной пробки и соответствующего отверстия в другой пробке, последняя может быть снаб­жена шарикоподшипником.

2. Если по условиям производства внутрь деталей вставлять пробки нельзя, то их заменяют охватывающими кольцами.

3. Машины, предназначенные для сварки труб, снаб­жают многокулачковыми зажимами, позволяющими охва­тить трубы почти по всей ее окружности (рис. 10.10).

В Т-образных соединениях стержень или трубу при­варивают впритык к плоской поверхности другой детали. Основная особенность сварки таких соединений – асим­метрия температурного поля. От плоского источника на поверхности трения теплота распространяется фронтально вдоль оси стержня и в направлениях, нормальных к неко­торой сферической поверхности в теле другой детали (рис. 10.11). Это различие в интенсивности теплоотвода по обе стороны от поверхности трения вызывает асимметрию температурного поля. В стержне наблюдаются более высокие температуры, чем в пластине, поэтому в стержне происходит процесс глубинного вырывания частиц металла, тогда как в массивной и менее прогретой пластине имеет место лишь эффект поверхностного полирования.

Для обеспечения высокого качества Т-образных сое­динений при их сварке трением необходимо торцевать поверхность плоской детали в машине для сварки тре­нием, после чего (не переставляя ее в зажиме) проводить сварку; искусственно сводить сварку асимметричного Т-образного соединения к сварке симметричного соедине­ния. Для этого либо на детали с плоской поверхностью заранее протачивают выступ (рис. 10.12) диаметром, равным диаметру привариваемого стержня, и высотой 3-6 мм для сталей и несколько более для пластичных металлов, либо на торцовой поверхности массивной детали заранее протачивают кольцевую канавку (рис. 10.12, б) для сварки этой детали со стержнем. Для соединения с трубой пло­скую деталь подготовляют, как показано на рис. 10.12, в. Надежное соединение трубы с фланцем рекомендуется выполнять также по схеме, представленной на рис. 10.12, в.

Для сварки трением необходимо специальное обору­дование, которое должно быть рассчитано на работу при достаточно больших скоростях вращения и осевых уси­лиях, свойственных сварке трением, должно позволять быстрый запуск и мгновенную остановку шпинделя машины, обладать достаточной прочностью для восприя­тия и гашения значительных радиальных вибраций, возникающих в процессе сварки, и удовлетворять ряду других требований. Этим требованиям не отвечают обычные металлорежущие (токарные, фрезерные, сверлильные) станки, применение которых для сварки трением даже после соответствующей реконструкции может быть допу­щено лишь в виде исключения и только при выполнении неответственных работ.

Современные машины для сварки трением достаточно сложны, состоят из большого числа следующих элемен­тов и узлов (рис. 10.13): два зажима 5 и 7 для подлежащих сварке деталей 6; передняя бабка 4 со шпинделем, несу­щим на себе вращающийся зажим 5; узел 8, в котором размещен невращающийся зажим 7; привод вращения шпинделя с электродвигателем 1, ременной передачей 2 и устройством для натяжения ремней; фрикционная муфта 3 для сцепления шпинделя с приводным устрой­ством, а также для торможения шпинделя; пневматиче­ские или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) усилия машины; пневматическая, пневмогидравлическая или гид­равлическая схема управления силовым приводом ма­шины; электрическая схема управления машиной; ста­нина машины, шкаф управления.

В соответствии с типажом на оборудование во ВНИИЭСО разработаны четыре типоразмера машин-по­луавтоматов: МСТ-23, МСТ-35, МСТ-41, МСТ-51. Эти машины конструктивно и геометрически подобны и различаются лишь размерами сечений деталей, которые можно сваривать на каждой из машины, и, следовательно, основными параметрами (табл. 10.1). Они предназначены для сварки стержневых (сплошного сечения) круглых заготовок из низкоуглеродистой или низколегирован­ных сталей. Машины позволяют также сваривать трубчатые заготовки и выполнять Т-образные соедине­ния.

Весь цикл сварки выполняется автоматически после нажатия на соответствующие кнопки на пульте управле­ния. Вручную лишь закладывают заготовки в зажимы машины (после чего происходит автоматическое их зажа­тие) и снимают сваренные детали.

Кроме этих машин, разработано, изготовлено и успешно эксплуатируется много специальных машин, предназна­ченных для сварки деталей только одного наименования в условиях массового или крупносерийного производства (табл. 10.2).

Оборудование для сварки трением сравнительно слож­ное и дорогое, а сам процесс высокопроизводителен. Мак­симальный экономический эффект от его внедрения до­стигается в массовом или серийном производстве при изготовлении деталей относительно крупными партиями или групповым методом. В этих случаях следует исполь­зовать полуавтоматы и автоматы. В мелкосерийном про­изводстве для сварки трением следует использовать машины, более простые и легко переналаживаемые при переходе от сварки одной детали к сварке другой.

Сварка трением успешно применяется при изготовле­нии концевого режущего инструмента, например сверл средних размеров. Экономический эффект, получаемый в результате использования сварки трением заготовок инструмента, обусловлен значительным снижением брака и затрат труда и весьма существенной экономией дефи­цитной быстрорежущей стали. Замена электрической контактной сварки встык заготовок инструмента сваркой трения дает большую экономию.

Сваркой трением также изготовляют мерительный инструмент и детали вращающегося центра для токарных станков. Гладкие и резьбовые калибры ранее изготовляли из дорогой стали Марки ШХ методом ковки в несколько переходов. При использовании сварки трением (рис. 10.14) заготовку выполняют составной: на автомате хвостовик из стали 45 приваривают к рабочей части из стали ШХ. В результате – экономия дорогой хромистой стали и значительное увеличение производительности труда.

До применения сварки трением клапаны двигателей внутреннего сгорания были цельноштампованными (рис. 10.15); их получали из дорогостоящей стали путем отрезки и горячей штамповки в несколько переходов. Новая технология с применением сварки трением состоит из большего числа операций. Однако затраты на внедрение новой технологии окупились сокращением расхода жаро­прочной стали, повышением производительности труда и высвобождением тяжелого ковочного оборудования.

		Рис.10.15– Изготовление клапана: а– по старой технологии; б– с применением сварки трением: 1– жаропрочная сталь; 2– заготовка; 3– углеродистая сталь

Сварка трением успешно внедрена не только в тракто­ростроении, автомобилестроении, при производстве двигателей внутреннего сгорания, но также и при изготов­лении труб, в ракетостроении, в строительной индустрии, в сельхозмашиностроении, в электротехнической и энергомашиностроении, в станкостроении и при изготовле­нии изделий многих других отраслей производства.

В ближайшие годы сварка трением должна быть ши­роко внедрена в промышленность. Для этого предстоит выявить детали, которые целесообразно сваривать тре­нием.