Процесс сварки трением и его особенности

Технологические особенности процесса сварки трением

Экономическая целесообразность применения сварки трением обусловлена высокой энергоемкостью процесса и малыми затратами энергии, возможностью соединения различных материалов, включая трудносвариваемые разнородные сочетания, повышением уровня технологичности при изготовлении изделий, хорошей приспособленностью к созданию высокопроизводительного автоматизированного производства.

Важным преимуществом процесса является стабильное качество соединений, позволяющее уверенно применять сварные соединения в сложных условиях эксплуатации.

ОАО «КТИАМ» осуществляет:

  • разработку технологий сварки трением различных изделий;
  • разработку, проектирование, изготовление и ввод в эксплуатацию станков сварки трением и технологических линий;
  • серийное и мелкосерийное производство сварных соединений на станках сварки трением с последующей термообработкой ТВЧ.

Процесс сварки трением

Сварка трением является технологическим процессом, позволяющим получать швы высокой прочности и плотности, удовлетворяющие критическим требованиям к безопасности, однородные по качеству, при этом точность и повторяемость результатов близких к обработке на металлорежущих станках.

С помощью сварки трением можно получать самые разнообразные детали в различных отраслях промышленности, в том числе в автомобилестроении, электротехнической, химической и авиационно-космической промышленности, а также в нефтяной промышленности.

Сварка трением отличается специфическими условиями удаления пленок и загрязнений из сварной зоны, а также условиями нагрева трущихся поверхностей. Что в свою очередь позволяет получить ряд преимуществ:

  • высокая производительность процесса , обусловленная быстрым нагревом до требуемых температур приповерхностных слоев металла соединяемых деталей;
  • высокая стабильность качества сварных соединений, связанная с получением под действием сжимающего усилия, таких скоростей нагрева и охлаждения, которые обеспечивают образование в результате сварки более прочных мелкозернистых структур с равноосным зерном;
  • упрощение подготовки деталей к сварке вследствие отсутствия необходимости осуществлять очистку и выравнивание стыка по сечению;
  • уменьшения припусков на сварку и контроль длинны изделия, благодаря высокой локализации процесса пластической деформации в стыке соединения деталей;
  • уменьшение затрат электроэнергии по сравнению с контактной стыковой сваркой в 5-10 раз и снижение потребляемой мощности сварочного оборудования;
  • простота автоматизации и управления параметрами режима сварки;
  • возможность соединения разнородных, в том числе трудносвариваемых металлов и сплавов.

Отсутствие брызг металла при сварке и высокая точность соединения позволяют применять этот метод для сварки деталей, прошедших окончательную механическую обработку, в том числе шлифовку и полировку.

Наличие антикоррозийных и упрочняющих покрытий на деталях также не является препятствием для сварки, поскольку получаемая относительно небольшая зона термического влияния, сохраняет покрытие вблизи соединения. Эта же особенность процесса обеспечивает возможность сварки закаленных деталей.

Источник: https://ktiam.ru/article/technology/

Cварка трубопроводов методом трения

Сроки освоения нефтегазовых месторождений и доставки нефти и газа к потребителям и переработчикам во многом зависят от скорости прокладки трубопроводов, которая напрямую определяется производительностью применяемых для этих целей сварочных процессов.

В настоящее время наиболее широко применяемой для этой цели является ручная и автоматическая дуговая электрическая сварка, как в среде защитных газов, так и без нее, требующая большого расхода  сварочных материалов, высокой квалификации  сварщиков и тщательного  контроля качества. Эти требования особо  важны при сварке толстостенных труб, толщина которых непрерывно увеличивается и в ближайшем будущем может достигнуть  более 50 мм.

По мнению ряда российских и зарубежных  специалистов в области сварочного производства большинство способов дуговой сварки практически достигли предела повышения производительности, экономичности и качества, и сейчас активно ведется поиск новых и перспективных технологий.

Одним из перспективных методов сварки для строительства трубопроводов различного назначения может стать  сварка трением, получившая широкое применение в различных отраслях промышленного производства, в частности, в машиностроении и в аэрокосмической промышленности. Процесс сварки трением обеспечивает высокое качество сварного соединения при высокой производительности и простоте конструкций сварочных машин,  он более экономичен и не требует применения каких­либо расходных сварочных материалов.

 Несмотря на неоспоримые достоинства сварки трением и попытки  иностранных компаний применить ее для сварки трубопроводов, технология не получила применения, т.к не был достигнут ожидаемый результат. Это  обусловлено некоторыми недостатками самой технологии.

Главной причиной, препятствующей применению  традиционной сварки трением для строительства трубопроводов, является необходимость наличия большого удельного давления сжатия торцов труб в начальной стадии нагрева – 5 МПа, и при последующей стадии проковки в конце сварки, достигающего 10 МПа.

При таком давлении и относительно малой толщине стенок труб к их диаметру, наблюдается такое явление, как потеря устойчивости сварного соединения, заключающееся в том, что в начальной стадии процесса сварки происходит частичное либо полное «наползание» стенок одной трубы на стенки другой, без образования кольцевого сварного соединения.

Новый процесс сварки трением и оборудование

На основе значительного объема экспериментальных и теоретических исследований сотрудниками компании был разработан принципиально новый процесс сварки трением, при котором торцу одной из свариваемых деталей сообщается движение по определенному закону. Сварке были подвергнуты образцы сплошного  и трубчатого сечения, диамет­ром 40….

114 мм, при толщине стенок от 3 до 16 мм.

Ни на одном из опытов по сварке образцов из тонкостенных труб, с толщиной стенки 3 мм,  не наблюдалось потери устойчивости сварного стыка, что позволило успешно сварить на полупромышленной установке   полноразмерные нефтепромысловые трубы (длиной 12 м, диаметром 114 мм, толщине стенки 4,5 мм) в трехтрубные плети (рис. 1).

Рис. 1 Машина сварки трением полноразмерных труб диаметром 114 мм

Рис. 2 Осциллограммы традиционного (а) и разработанного (б) процессов сварки трением ( t – время, Р – усилие сжатия, L – осадка,
М – крутящий момент)

В процессе экспериментов определили, что минимальное удельное давление при нагреве составляет всего 0,05 МПа, что в несколько десятков раз меньше, чем при обычной сварке трением.

Также была выявлена и другая особенность нового процесса сварки – высокое качество сварного соединения достигается без применения стадии проковки. Время сварки одного стыка составляло от 5 до 30 секунд и не зависело  ни от диаметра свариваемого образца, ни от толщины его стенок.

На практике это означает, что на сварку одного стыка трубопровода  требуется в пределах 30 сек. не зависимо от диаметра и толщины стенок, при условии подведения удельной мощности, равной 0,7 кВт/кв.

см свариваемой поверхности, при этом расчетное  время производственного цикла – в пределах 10–15 мин. на один стык. Таким образом производительность за 8 часовую рабочую смену  составит не менее 32 сварок.

Рис. 3 Проба на изгиб (а), на разрыв (б)

Были разработаны теоретические основы технологии, которые хорошо согласуются с экспериментами, а эксперименты подтверждают теоретические выводы.

Осциллографирование процесса подтвердило существенное различие его параметров от параметров известных способов сварки трением, что видно из сопоставительного анализа осциллограмм, приведенных на рис. 2.

Рентгеноструктурный анализ и прочностные испытания сварных соединений показали их высокое качество. При механических испытаниях образцов разрушение всегда происходило вне зоны сварного стыка (рис. 3).

При испытаниях на изгиб  в зоне стыка не было отмечено даже признаков начала разрушения. Все основные механические показатели металла стыка находятся на уровне соответствующих показателей основного металла, либо очень близки к ним.

Проведенные металлографические исследования (рис.

4) сварных образцов показали, что  дефектов типа пор, раковин, шлаковых включений, непроваров в микроструктуре сварного соединения и околошовной зоне всех исследуемых образцов нет. Ширина сварных швов в пределах 0,1–0,15 мм.

Ширина зоны термического влияния (ЗТВ) у разных образцов, по обе стороны от сварного шва,  имеют протяженность   0,5…3 мм. Твердость в зоне сварного соединения имеет близкие значения к зоне основного металла.

  Сварное соединение (центр)                       Зона термического влияния (ЗТВ)

Рис. 4 Микроструктура сварного шва и ЗТВ

Высокое качество сварки достигается за счет того, что металл в зоне стыка не доводится до температуры плавления, что исключает выгорание легирующих элементов из зоны сварного соединения, за счет чего химический состав металла в этой зоне остается  неизменным по отношению к основному металлу. Полностью исключено появление газовых пузырей, пор и шлаковых включений в сварном шве. Нагрев по стыку происходит одновременно по всей окружности, что исключает появление температурных напряжений в сварном соединении.

В ходе проведения  работ было установлено: новая технология практически нечувствительна к наличию загрязнений на торцах свариваемых труб. Успешно были сварены  указанные полноразмерные нефтепромысловые трубы, без зачистки торцов после их резки газом. В другом случае – после смазки торцов труб машинным маслом. В том и в другом случаях было получено  качественное сварное соединение.

Данная технология позволяет производить сварку труб, как с подготовленными на торцах фасками, так и без них.

Сварочный грат, образующийся в процессе сварки, имеет компактную форму и в зависимости от технических условий  может удаляться полностью, непосредственно в процессе сварки, либо формироваться в заданных размерах. Проработаны механизмы снятия  грата в зоне стыка с внутренней поверхности труб.

Неразрушающие методы контроля, применяемые для оценки качества сварных стыков, такие как магнитная и ультразвуковая дефектоскопии, гамма­ и рентгеноскопия, недостаточно эффективны при оценке качества сварного соединения полученных трением.

Высокое качество сварки деталей методом трения и стабильная повторяемость параметров процесса позволяют существенно сократить затраты, применяя пассивный контроль.

Параметры режима сварки трением регистрируются на основе шаблонных диаграмм процесса, путем сравнения их с запрограммированными величинами.

При активном контроле наряду с регистрацией параметров сварочного процесса наиболее эффективным является метод контроля сварных соединений вихревыми токами. Метод является бесконтактным, имеет достаточное быстродействие и может встраиваться в сварочные машины для стопроцентного контроля всех сварных стыков.

Рис. 5 Сварные соединения различных образцов

Сварные соединения различных образцов, выполненных по новой технологии показаны на рис. 5.

В полной мере определены основные параметры сварочного процесса и созданы основы расчетов и конструирования сварочных машин для его реализации, разработаны различные кинематические схемы машин для сварки деталей различных форм и назначения.

Машины для сварки труб трением представляют собой относительно простые по конструкции механические устройства. Они имеют небольшой вес и габариты,  не сложные  в обслуживании и надежные при эксплуатации.

Одним из основных преимуществ таких  машин перед оборудованием электродуговой, электроконтактной, гибридно­лучевой сварки и подобных технологий, является возможность работы привода от двигателя внутреннего сгорания, как при сварке на стендах, так и в полевых условиях. Это  актуально  в отдаленных районах при прокладке трубопроводов, а также избавляет от необходимости применения передвижных электростанций.

На основе полученных результатов научно­производственная компания «НСТ» имеет возможность  изготавливать сварочные машины для сварки трубопроводов различного назначения диаметром до 350 мм при толщине стенки до 24 мм.

Неоспоримое преимущество метода сварки трением указывает на  перспективность предложенной технологии и оборудования для ее реализации, применительно для сварки труб и трубопроводов различного назначения.

  • Процесс сварки трением высокопроизводителен, время сварки одного стыка труб составляет в пределах 30 сек. и не зависит ни от диаметра свариваемых труб, ни от толщины их стенок.
  • Не требуются  расходные сварочные материалы.
  • Высокое качество сварки при стабильной повторяемости процесса  в значительной степени позволяет сократить затраты на проведение контроля качества сварных соединений.
  • В сварном стыке отсутствует даже вероятность появления газовых пузырей, шлаковых включений, пористости металла шва и иных включений.
  • Химический состав металла шва остается неизменным в сравнении с основным металлом свариваемых труб по той причине, что металл стыка не доводится до температуры плавления.
  • Образующийся сварочный грат имеет компактную форму и в зависимости от технических условий может удаляться полностью, в процессе сварки, либо формироваться в заданных размерах.
  • Процесс сварки легко поддается автоматизации и программированию. Влияние на сварочный процесс человеческого фактора сведен до минимума.
  • Процесс нечувствителен к намагничиванию зоны стыка и не требует размагничивания.
  • Свариваемые торцы труб в процессе сварки нагреваются по окружности равномерно, что полностью исключает появление местных температурных напряжений.
  • Технология сварки позволяет получать заданную структуру металла в сварном шве.
  • Для работы и техобслуживания не требуется персонал высокой квалификации.
  • Технология позволяет производить сварку труб как с подготовленными на торцах фасками, так и без них.
  • Процесс сварки не чувствителен к влиянию климатических условий и имеет широкий температурный диапазон применения.
  • За счет высокой производительности и высокого качества сварки – имеет высокие технико­экономические показатели.
  • Сварочные машины несложной конструкции, надежные в эксплуатации.
  • Возможность работы привода сварочной машины от двигателя внутреннего сгорания.
Читайте также:  Температура плавления металла в градусах

Открытые для сотрудничества,  мы заинтересованы в партнерских отношениях с нефтегазовыми компаниями, инвестиционными фондами и исследовательскими институтами по созданию стационарных и самоходных сварочных машин с отработкой технологических режимов сварки  трением промысловых и магистральных трубопроводов. 

Г.В. Белошапкин

Р.Б. Ильиных

ООО «Научно­производственная компания «НСТ» г. Томск

Тел. 8(3822) 53­00­42, 8(903)913­40­65

E­mail: nsttomsk@bk.ru

Источник: http://mirprom.ru/public/cvarka-truboprovodov-metodom-treniya.html

Сварка трением

При нагревании области соприкосновения материалов за счет трения процесс соединения поверхностей становится кардинально другим, в отличие от распространенных способов слияния.

Сварка трением позволяет обрабатывать металлические заготовки, имеющие твердую фазу.

Необходимое давление создается благодаря смещению одной заготовки относительно неподвижной другой, а конечный результат обладает весьма значительной прочностью.

Сварка трением с перемешиванием

Применение сварочных работ, основанных на трении с перемешиванием, используется для создания прочнейших неразъемных соединений конструкций с различными геометрическими характеристиками.

Универсальность этого метода подтверждается возможностью замещения всех альтернативных способов сварки: заклепочной технологией, электроннолучевой, даже лазерной.

Активно используется эта методика в авиастроительстве при создании конструкций, отвечающих стандартам пятого поколения авиационных моделей.

Из ключевых особенностей сварных работ с перемешиванием выделяют следующие:

  1. Поддерживается работа с материалами, находящимися в твердой фазе.
  2. Низкий процент деформации соединяемых материалов.
  3. Размерная стабильность отличная, остается возможность повторного сваривания.
  4. Исключается процесс выгорания.
  5. Сварной шов имеет высокую прочность.
  6. Сварка осуществляется на высокой скорости, отсутствуют трещины усадочного типа.

В процессе сварки экологические и энергетические характеристики сохраняются на высоком европейском уровне.

Оборудование для сварки трением

Для осуществления сварных процессов, основанных на методе трения, применяется специфическое оборудование:

  • Уникальные машины для сварки. Могут изготавливаться под заказ, учитывая индивидуальные запросы покупателей.
  • Микро-ЭВМ – устройство использует инновационные программы контроля рабочего режима.
  • Станок, обеспечивающий снятие грата.
  • Дополнительные работы или манипуляторы, функцией которых является дозагрузка и снятие заготовок с главной машины.
  • Транспорт, использующийся для ускорения производственных мощностей.

Выбор оптимальной комплектации сварного оборудования для конкретного производства должен основываться на анализе следующих параметров: желаемого режима сварки, соответствие мощности привода конечным выпускаемым продуктам, размеров применяемых на производстве заготовок. Отдельное значение оказывается желаемая производительность всей рабочей линии. Для выпуска большего числа сварных конструкций потребуется более дорогостоящее и современное оборудование.

Машина для сварки трением

Специализированное устройство используется для создания надежных сварных соединений методом пластической деформации материалов, которые находятся в твердом состоянии. Высокопроизводительная машина обладает массой положительных характеристик:

  1. Производительность высокого класса.
  2. Качество конечных результатов сварки отменное.
  3. При использовании машинной сварки создается возможность контролировать качество всей партии продукции.
  4. Обеспечивается сварка материалов разнородной природы.
  5. Безопасность при работе: отсутствует УФ-излучение, исключаются опасные выделения газов и нагретые металлические брызги.

При относительных требованиях к заготовкам любая машина подобного типа может собираться, учитывая особенности конкретного заказчика. Такой подход решает проблему создания нового производства, основанного на этой уникальной технологии.

Сварка труб трением

Сварочные работы по технологии трения позволяют не использовать присадочные материалы либо свойства защитных газов при создании прочного шва. Соединение металлических труб происходит без образования пустот при 3 см. толщине.

Хорошие качественные соединения получаются даже при сварке алюминиевых сплавов, которые при использовании альтернативных технологий не показывают гарантированного качественного результата.

Подобная технология сварки доказывает свою эффективность при работе со сплавами других металлов: медных, магниевых даже титановых.

Радиальная разновидность сварки трением широко применяется при создании герметичных швов на трубопроводах и отдельных цилиндрических конструкций. Соединение труб на неповоротных участках предполагает неподвижное расположение двух концов трубопровода.

Непосредственно в зазор вставляется дополнительная нагреваемая вставка, которая перед операцией проковки будет автоматически удаляться. Соединение труб этим методом сварных работ позволяет создать цельную поверхность с одинаковыми показателями толщины сварного шва и его прочности.

Этим способом выполняются работы на значимых участках трубопроводов, от которых требуются стандарты прочности и безопасности.

Линейная сварка трением

Кардинально новая технология сварки, обеспечивающая моментальное надежное соединение металлов и альтернативных сплавов в твердом виде. Нагревание приконтактной зоны обеспечивается специфической комбинацией усилий сжатия поверхностей, амплитудных показателей и частоты, возникающих в процессе линейного движения.

Активно используется эта методика сварки при создании прочных швов сложной профильной системы. Весь процесс сварки трением характеризуется чрезвычайной кратковременностью, соединение заготовок осуществляется в считанные секунды.

Высокое признанное качество швов этой технологии предполагает использование трения в самых перспективных и дорогостоящих отраслях: авиастроении, инновационной энергетике, передовом автомобилестроении и изготовлении высокотехнологичных медицинских аппаратов.

В сравнении с ротационной технологией сварочные работы с применением трения функционально похожи, но индивидуальные характеристики и возможности этих разновидностей сварки кардинально отличаются. Перспектива использования трения в процессе сварки является весьма актуальным вопросом будущего развития этой сферы.

Источник: http://svarkagid.com/svarka-treniem/

Сварка трением

Говорят, что сварка трением была открыта в Советском Союзе, когда токарь соединил на станке две заготовки цилиндрической формы. Одну он зажал неподвижно, а вторую, вращал в шпинделе. Стоило только соединить с определенным усилием торцы заготовок вместе, и они сварились.

Легенда также гласит, что все это произошло случайно. Может это и так. В любом случае, технология сварки трением начала развиваться, достигла определенных успехов и на сегодняшний день появились различные ее виды. Это довольно экономичный способ качественной сварки различных узлов без плавления дугой и применения индукционного или прочего  нагрева.

По сути, сварка трением – это разновидность сварки давлением, так как только одновременное использование этих двух физических явлений, трения и давления, и приводит к формированию неразъемного сварного соединения. От других сварок она отличается только способом подачи тепла, которое в данном случае образуется через преобразование механической энергии посредством сил трения.

Весь процесс от начала и до конца можно описать в четырех простых пунктах:

  • Как только трение начинает действовать на детали узла, с трущихся поверхностей удаляются жировой слой и оксидная пленка.
  • Детали начинают разогреваться, область взаимодействия становится пластичной, а между атомами металлов образуются связи.
  • Теперь металл легко поддается пластической деформации и выдавливается из стыка.
  • Механическое движение прекращается с образованием прочного шва.

Принцип хорошо виден на фото сварки труб.

Способ эффективно используется на производстве, в строительной промышленности и классифицируется в зависимости от вида и формы применяемых материалов и принципа работы оборудования. Различают следующие виды сварки трением:

 (инерционная, с постоянной скоростью вращения);

( катушечная, точечная, шовная);

(заполнением, штифтованием);

    • Трибосборка;
    • Радиальная;
    • Вибрационная

(орбитальная, ультразвуковая, линейная).

демонстрируется технология сварки трением

Сварка трением с перемешиванием

Уникальный метод сварки трением с перемешиванием (СТП) был открыт в 1991 году в Великобритании в институте TWI. С тех пор началось активное изучение и технологическое совершенствование применяемого оборудования, что привело к широкому внедрению данного метода во многих отраслях промышленности России и зарубежных стран, таких как вагоностроение, судостроение, машиностроение.

Несомненное преимущество процесса СТП заключается в том, что соединение кромок металлов перемешиванием происходит в твердом состоянии, а значит, отсутствуют проблемы, которые ранее были вызваны дуговой сваркой: коробления, выгорание легкоплавкой эвтектики и т.д.

Сущность процесса заключается в следующем: рабочий орган (стержень) погружается на определенную глубину в свариваемый металл (диаметр инструмента не должен превышать глубину сварки), после чего ему сообщается вращательное движение с высокой скоростью с одновременным перемещением вдоль линии стыка.

Под действием сил трения металл приобретает пластичные свойства, в результате чего происходит его перемещение вдоль оси вращения рабочего органа и перенос в направлении сварки с образованием неразъемного  шва.

С помощью СТП соединяют металлы с низкой температурой ликвидуса: алюминиевые и магниевые сплавы, никель, медь и титан.

Классификация СТП

По назначению:

• Шовная; • Точками; • Наплавка; • Удаление пор, раковин и видоизменение материала; • Формирование внутренних каналов;

• Пайка.

По конструктивным особенностям инструмента:

• С вращающимся и неподвижным буром;

• Катушечная; • С конусным пином; • С изменяемой длиной пина;

• Инструментом без пина;

По другим особенностям:

• С дополнительно вносимым металлом; • С дополнительным нагревом; • С применением защитных сред и добавлением легирующих элементов; • С механической или упрочняющей обработкой сварного шва;

• Тип параметров, поддерживаемых на постоянном уровне (Fz; Fx;δ)

Источник: http://svarka-master.ru/svarka-treniem/

Физические основы процесса сварки трением

Сварка отдельных конструктивных деталей без применения дугового разряда, квантового генератора, ультразвука и других устройств для преобразования различных видов энергии в тепловую возможна. Для этого необходимо при достаточном давление создать трение между деталями, в результате которого обе поверхности нагреваются и свариваются.

Что даёт использование физики при сварке?

Способ сварки трением позволяет соединить такие материалы и вещества:

  • различные марки стали от малоуглеродистых до инструментальных и высоколегированных;
  • сплавы алюминиевые, медные, титановые;
  • сплавы, цирконий в разнообразных сочетаниях;
  • термопласты.

Основное ограничение связано с техническими особенностями метода: одна из свариваемых конструкции должны иметь форму тел вращения.

К недостаткам метода относят не мобильность процесса из-за громоздкости оборудования. Проблемным местом может стать стык, в котором искривлены волокна текстуры: он подвержен коррозии в агрессивной среде или усталостному разрушению.

Но на ряду с недостатками, выделяют и целый рад достоинств сварки трением:

  • высокая производительность;
  • незначительные энергетические затраты;
  • качество производимых работ и получение одинакового результата для всех деталей партии;
  • простота процесса подготовки поверхностей к сварке, который не включает в себя даже этап очищения;
  • подходит для соединения металлов и сплавов с различной структурой. Особенно эффективно её применения для веществ, которые другим способом не соединяются;
  • соответствие санитарным требованиям охраны труда. При таком виде соединения горячий металл не разбрызгивается, токсичный газ не выделяется, а ультрафиолетовое излучение не действует на организм;
  • простота организации процесса и управления почти полностью автоматизированным оборудованием.

Основные физические характеристики процесса

Сваривание деталей без расплавления происходит при температурах ниже чем температура плавления веществ и при расстояниях, при которых вступают в силу межатомное взаимодействие.

Такое возможно при пластическом деформировании очагов металла в точках сваривания.

Способ доведения до пластического состояния поверхностного слоя в сваривании трением заключается в изменении внутренней энергии веществ за счёт совершения работы силы трения.

Самый простой способ обеспечить трение — это закрепив одну деталь, другу вращать с необходимой частотой. В результате в месте соприкосновения двух частей они разогреваются и тепловая энергия размягчает небольшой слой. Так как процесс протекает под давлением, это приводит в некоторому выдавливанию вещества наружу. Он образует грат на стыке.

Параллельно разрушаются окисные, жировые плёнки поверхности и «закатываются» в грат. Для прекращения нагрева достаточно просто остановить вращение детали. Для получения прочного соединения, осевое усилие не прекращают ещё некоторое время.

Читайте также:  Пайка медных труб: процесс, инструменты и материалы

К основным параметрам сварочного процесса, которой протекает под действием трения, относят такие:

  • частоту вращения свариваемых деталей относительно друг друга;
  • значение осевого усилия во время нагрева трением;
  • параметр осадки при нагреве;
  • величина осевого усилия проковки;
  • временной режим проковки.

Теплота, которая вводится в вещества, его мощность зависит от частоты вращения и показателя осевого усилия

Новое слово в сварочном процессе

Одной из разновидностей пластического соединения металлов является сварка трением с перемешиванием. Её используют для нестандартных условий сварочных работ:

  • соединений элементов с нестандартной формой для сварки трением, таких как заготовки в виде плоских листов, пространственные профильные конструкции, трубы;
  • восстановление изношенных деталей;
  • модифицирование и улучшение структуры материалов;
  • устранение трещин, дефектов литья.

Для такого вида сварочных работ применяют специальное оборудование. Им является рабочий инструмент, который состоит бурта и пина. Бурт является основанием, а пин — наконечник расположенный на бурте.

Бурт и пин, вращаясь, за счёт трения, создают зону пластической деформации на свариваемых поверхностях. Пин ещё перемещается вдоль поверхности стыка и переносит материал в не размягчённые участки.

Бурт создаёт дополнительное давление на сварочный шов. То есть проковка проходит автоматически.

Инженерами разработаны ещё несколько видов сварки трением:

  • инерционная;
  • орбитальная;
  • ротационная;
  • линейная;
  • штифтовая.

Линейная сварка трением позволяет соединять этим способом детали, не имеющие форму тела вращения. Она использует не вращательное трение, а тепло от трения, возникающего при возвратно-поступательном движении одной из деталей.

Эти движения происходят под давлением. После нагрева до температуры, обеспечивающей пластическую деформацию, движение останавливается. Давление же, наоборот, усиливается для того, чтобы материал вытек из зоны стыка.

При этом сформируется ровная стыковочная плоскость.

Источник: http://stroitel5.ru/fizicheskie-osnovy-processa-svarki-treniem.html

Сварка трением

ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Сварка трением — сварка с применением давления, при которой нагрев осуществляется трением, вызванным относительным пере­мещением свариваемых частей или инструмента.

Наиболее распространенная схема ротационной сварки приве­дена на рис. 5.7. Две заготовки, подлежащие сварке, устанавливают соосно в зажимах машины; одна из них — неподвижна, а другая приво­дится во вращение вокруг их общей оси. На сопряженных торцовых поверхностях деталей, прижатых одна к другой осевым усилием Р, возникают силы трения.

Работа, затрачиваемая при относительном вращении сваривае­мых заготовок на преодоление этих сил трения, преобразуется в теп­лоту, которое выделяется на поверхностях трения и нагревает приле­гающие к ним тонкие слои металла до температур, необходимых для образования сварного соединения (при сварке черных металлов тем­пературы в стыке достигают 1000. 1300° С). Таким образом, в стыке действует внутренний источник тепловой энергии, вызывающий бы­стрый локальный нагрев небольших объемов металла.

В процессе трения пластичный металл стыка выдавливается в радиальных направлениях под воздействием осевого усилия и танген­циальных сил, возникающих в стыке при вращении одной детали от­носительно другой. Выдавленный металл (грат) — имеет характерную для сварки трением форму сдвоенного правильного кольца, располо­женного по обе стороны плоскости стыка.

При выдавливании пластичного металла из стыка в радиальных направлениях хрупкие оксидные пленки, покрывавшие торцовые по­верхности соединяемых заготовок до начала сварки, разрушаются, а их обломки, а также продукты сгорания адсорбированных жировых пленок и другие инородные включения вместе с металлом удаляются из стыка в грат.

Нагрев прекращается путем быстрого (практически мгновенно­го) прекращения относительного вращения. При этом в контакт ока­зываются введенными очищенные торцовые поверхности соединяе­мых деталей, металл которых доведен до состояния повышенной пла­стичности. Для получения прочного соединения достаточно такой подготовленный к сварке металл подвергнуть сильному сжатию — про-

ковать. Это достигается с помощью продолжающего еще некоторое время действовать осевого усилия.

Таким образом, прочность образующегося сварного соединения непосредственно связана с величиной пластического деформирования торцов свариваемых деталей и с режимом проковки.

В свою очередь, степень пластического деформирования и гео­метрия зоны сварки зависят от количества и характера выделения теп­ла при трении, теплопроводности материала заготовок, распределения давления в контакте с учетом изменения механических свойств мате­риала заготовок при нагреве и длительности цикла сварки.

Мощность выделения тепла в точках, расположенных на рас­стоянии ri от оси вращения составляет:

AN = 2nfpnri,

где: f — коэффициент трения; р — нормальное давление в контакте; n — частота вращения.

Суммарная мощность составит:

На периферии стыка нагрев металла более значителен чем в зо­не оси вращения. При сварке происходит перераспределение давле­ния. Оно концентрируется в центральной зоне (там, где скорость тре­ния и нагрев материала меньше). Обычно скорость трения составляет 10.25 м/с.

При скоростях меньше 10 м/с необходимо увеличивать давление, что может привести к деформациям заготовок. При сварке сталей рекомендуются давления: на фазе нагрева 0,6 МПа; на стадии проковки — 1,5 МПа.

При нагреве происходит притирка поверхностей заготовок, удаление оксидных пленок и загрязнений, что сопровожда­ется уменьшением линейных размеров заготовок. После проковки также происходит уменьшение суммарной длины заготовок. Если не-

обходимо обеспечить точный осевой размер свариваемого изделия, то используется контроль изменения длины заготовок. Управление про­цессом сварки в современных станках осуществляется на основе дан­ных о скорости изменения длины заготовок на стадиях нагрева и про­ковки.

Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, определяющей его энергетические и технологические преимущества, к которым в первую очередь относятся следующие: Высокая производительность.

Объем тонкого слоя нагреваемого ме­талла незначителен. Весь цикл его нагрева продолжается от 2 до 30 секунд (в зависимости от свойств материала и размеров сечения сва­риваемых деталей). Высокие энергетические показатели процесса.

Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают высокий КПД процесса. Рас­ход энергии и мощности при сварке трением в 5.10 раз меньше чем, например, при электрической контактной сварке встык. Высокое ка­чество сварного соединения.

При правильно выбранном режиме свар­ки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшей, чем основной металл соединяемых заго­товок; стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков.

Металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия (бы­стрые нагрев и охлаждение в присутствии больших давлений), по сво­ему характеру близкого к режимам термомеханической обработки ме­таллов, приобретает сильно измельченную структуру.

Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности. При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вво­димых в контакт поверхностей; боковые поверхности заготовок также могут оставаться неочищенными, что в значительной мере экономит

время вспомогательных операций. Возможность сварки металлов и сплавов в различных сочетаниях.

Процесс сварки трением позволяет выполнять прочные соединения не только одноименных, но и разно­именных металлов и сплавов (например, сочетания алюминий — сталь, медь — сталь, титан — алюминий, медь — алюминий). Простота механи­зации и автоматизации.

Сварку трением выполняют на специальных машинах; основные параметры процесса сравнительно легко про­граммируются, и, как правило, все оборудование представляет собой полуавтоматы или автоматы.

К недостаткам сварки трением можно отнести: Сварка трением не является универсальным процессом. С ее помощью могут осущест­вляться соединения лишь таких пар заготовок, из которых хотя бы од­на является телом вращения (круглый стержень или труба), ось кото­рого совпадает с осью вращения.

Другая заготовка может быть произ­вольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая заготовка. Этот недостаток, однако, несущест­венно ограничивает применяемость сварки трением; так как в маши­ностроительных отраслях промышленности количество деталей круг­лого сечения составляет до 50. 70% от общего числа свариваемых деталей.

Г ромоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным; процесс осуществим лишь при условии по­дачи заготовок, подлежащих сварке, к машине (приварка малых заго­товок к массивным конструкциям с помощью переносных машин ис­ключается).

Искривление волокон текстуры проката в зоне пластиче­ского деформирования — волокна близ стыка располагаются в ради­альных направлениях и выходят на наружную (боковую) поверхность сваренной детали.

В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться оча­гом усталостного разрушения, а в деталях, работающих в агрессивных средах — очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения ука­занных дефектов является сохранение на детали грата. Необходимость съема грата, когда это по конструктивным соображениям оказывается необходимым. На это затрачивается добавочное время либо на сва­рочной машине, либо на отдельном рабочем месте.

Сварка трением широко применяется при изготовлении: В авто­мобилестроении — деталей рулевого управления, карданных валов лег­ковых и грузовых автомобилей, полуосей, картеров задних мостов ав­томобилей, клапанов двигателей внутреннего сгорания, цилиндров гидравлических систем и др.

В тракторостроении — деталей рулевого управления, планетарных передач, валов отбора мощности, катков, траков, роторов турбо нагнетателей дизельного двигателя и др. В электропромышленности — деталей высоковольтной аппаратуры, вы­водов бумаго-масляных конденсаторов, кислотных аккумуляторов и анодов игнитронов, поршней пневматических цилиндров сварочных машин и др.

В инструментальном производстве — при массовом изго­товлении концевого режущего инструмента (фрезы, сверла, метчики).

Принципиально сварку трением можно вести на любом метал­лорежущем станке имеющем патрон на вращающемся шпинделе для закрепления одной из свариваемых деталей и место для установки второй детали (токарный, фрезерный, расточной, сверлильный и т. п.

станки). Однако использование универсальных металлорежущих станков для сварки трением приводит к их быстрому износу.

Универ­сальные станки не рассчитаны на режимы, свойственные сварке тре­нием; выходят из строя подшипниковые группы станков, ломаются станины.

В серийном производстве для сварки трением используют спе­циальные машины, снабженные силовым (обычно гидравлическим) механизмом прижима заготовок, электромагнитным тормозом шпин­делей установленных в подшипниках повышенной мощности.

Различают несколько видов сварки трением:

Инерционная сварка отличается от обычного способа сварки трением лишь тем, что потребляемая из электрической сети энергия, преобразованная электродвигателем в механическую энергию, посту­пает в зону сварки не непосредственно, а предварительно (в проме­жутках между сварками) аккумулируется в маховике машины.

Про­цесс инерционной сварки начинается с того, что маховик машины с помощью электродвигателя приводится во вращение. Когда накоп­ленная энергия и угловая скорость достигнут достаточной для сварки заготовок величины, маховик отключается от приводного двигателя и подключается к шпинделю, на котором укреплена одна из заготовок.

Если заготовки предварительно были прижаты осевым усилием одна к другой, то в стыке начинается процесс тепловыделения.

Время нагрева при инерционной сварке в несколько раз меньше, чем при обычной сварке трением.

Кратковременный цикл нагрева — охлаждения позволяет с помощью инерционной сварки соединять та­кие разнородные материалы, как титан с алюминием и другие сочета­ния, в то время как при обычной сварке трением это в ряде случаев невыполнимо.

Однако при сварке сталей склонных к образованию за­калочных структур (сварка быстрорежущих сталей с конструкцион­ными) быстротечность термического цикла приводит к образованию закалочных трещин.

Читайте также:  Особенности легированной стали: разновидности, применение

Орбитальная сварка (рис. 5.8, а) отличается от обычного спосо­ба сварки тем, что позволяет осуществлять соединение не только круглых заготовок, но также и заготовок любой произвольной формы сечения. Это достигается путем вращения обеих свариваемых загото­вок с одинаковой угловой скоростью в одну и ту же сторону.

При этом даже если торцы заготовок и были прижаты один к другому, си­лы трения между ними не возникнут. Если одну из заготовок сместить в радиальном направлении то в стыке возникнет трение, начнется теп­ловыделение. Процесс тепловыделения завершается принудительным совмещением осей вращающихся заготовок.

Во время торможения обеих заготовок их торцами прикладывается проковочное давление. К моменту остановки заготовок, они оказываются сваренными.

Сварка двух деталей с помощью третьего тела применяется для соединения длинных (или коротких, но массивных) заготовок. Во время сварки крайние заготовки (рис. 5.8, б) остаются неподвижными. Во вращение приводится только зажатое между ними тело (вставка).

В качестве вставки может быть использован тонкий диск с диаметром большим, нежели диаметр свариваемых заготовок, или относительно длинная в осевом размере вставка, диаметр которой может быть таким же, как и диаметр, подлежащих соединению заготовок.

Одновременная сварка трех заготовок — применяется с целью увеличения производительности труда. Одновременно свариваются три заготовки. Средняя заготовка в процессе сварки остается непод­вижной, а крайние — приводятся во вращение с помощью двух отдель­ных шпинделей.

Вибрационная сварка (линейная сварка LFW) — сварка трением некруглых деталей, при котором вместо относительного вращения ис­пользуется возвратно-поступательное движение торца одной из сва­риваемых заготовок относительно другой.

В процессе возвратно — по­ступательного движения с частотой около 60 Гц и амплитудой до 3 мм, торцы заготовок сжимаются до образования плотного контакта. В процессе сварки вязкопластичные слои металлов заготовок переме­щаются к границам свариваемой поверхности. При этом удаляются окислы и загрязнения.

Малая длительность процесса (до 20 с) обеспе­чивает минимальную зону термического влияния.

Сварка целого или полого стержня к диску или пластине являет­ся разновидностью ротационной сварки.

Перемешивающая сварка (ПСТ) выполняется торцом вращаю­щегося инструмента 3, перемещающегося в направлении сварки (рис.

5.8, в). Диаметр инструмента выбирается немного меньше, чем глуби­на сварки. Пластифицированные тепловыделением металлы заготовок 2 и 4 закручивается за счет сил трения относительно оси вращения инструмента. Происходит перемешивание металлов заготовок и фор­мирование сварного шва 1.

Деформация и перемешивание металлов заготовок в твердой фазе создают микроструктуры более прочные, чем основной материал. Сварка может производиться в любом поло­жении по любой заданной траектории. ПСТ используется для сварки заготовок толщиной 1,6.

30 мм (листовых, цилиндрических и трубча­тых) из стали и сплавов цветных металлов.

Г азовая сварка выполняется ацетиленокислородным, нормаль­ным пламенем с использованием флюса АФ-4А. Пламя должно быть «мягким» и не оказывать сильного давления на металл. Величину расхода газа устанавливают в зависимости от толщи­ны …

Наиболее высокое качество сварных соединений получают при аргонно-дуговой сварке с использованием неплавящегося вольфрамо­вого электрода марки ВА-1А. Диаметр электрода выбирают в зависи­мости от силы сварочного тока (для автомобильных деталей приме­няют электроды …

Газовая сварка чугуна является одним из старейших способов восстановления деталей (наращивание обломанных частей ушков, за — плавки изношенных отверстий в некорпусных деталях и пр.) При за- варке трещин газовую сварку …

Источник: https://msd.com.ua/osnovy-svarochnogo-proizvodstva/svarka-treniem-3/

Разновидности 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

Источник: https://svarkaed.ru/svarka/vidy-i-sposoby-svarki/raznovidnosti-svarki-treniem.html

Ссылка на основную публикацию