Зварювання тертям – технологія та етапи виконання

В основу більшості технологічних процесів, які використовуються для зварювання виробів, покладений принцип зовнішнього тепла, яке виділяється будь-яким високоенергетичним джерелом, наприклад, дуговим розрядом. Однак генерація тепла в зоні зварювання може бути виконана і інакше. До числа таких методів відноситься зварювання тертям. Відомі, зокрема, зварювання тертям труб, плоских поверхонь, а також деталей конгруентної (повністю збігається) конфігурації.

Основи процесів зварювання тертям

Зварювальне з’єднання в даному випадку виходить внаслідок тепла, яке утворюється в зоні рухомого фрикційного контакту на поверхні заготовок. При цьому заготовки повинні обертатися з різними кутовими швидкостями або (що на практиці реалізується частіше) у взаємно протилежних напрямках. До обох з’єднуються деталей прикладається певне осьове зусилля стиснення, значення якого в часі мінливо.

У зіставленні з звичайними зварювальними технологіями (наприклад, стикового електрозварювання) зварювання тертям відрізняється наступними експлуатаційними перевагами:

  1. Енергоємність процесу з’єднання істотно зменшується.
  2. Надійністю зварного стику завжди постійна і залежить тільки від теплофізичних характеристик металу виробів, що зварюються.
  3. Немає необхідності в попередній підготовці з’єднується стику (за винятком його ретельного очищення від іржі, жирових плям і мастила).
  4. Висока якість з’єднання утворюється навіть при можливій непараллельности суміжних поверхонь заготовок до кутів 5-70.
  5. При зварюванні тертям відсутні такі негативні чинники, як інтенсивне ультрафіолетове випромінювання і шкідливі виділення газів – продуктів зварювальних реакцій.
  6. Технологічне оснащення для зварювання тертям проста, допускає своє легке регламентне обслуговування і легко піддається механізації і автоматизації.

Вважається, що міцність зварного стику після виконання подібної обробки равнопрочность з вихідним металом, механічні характеристики якого є нижче матеріалу іншої, що з’єднується таким способом деталі.

Технологія операцій і визначення навантажень

Зварювання тертям проводиться на спеціальному обладнанні. Його настройку виконують в залежності від габаритних розмірів і теплофізичних характеристик деталей, що зварюються. При налаштуванні встановлюється:

  1. Значення робочого тиску, при якому відбувається оптимальний розігрів стикуються виробів.
  2. Час основних стадій процесу.
  3. Розрахункове зусилля на виконавчому притискають механізмі.

Кінематика процесу така. З’єднуються деталі підводяться один до одного, після чого включається привід їх обертання в протилежних напрямках.


Верстат для зварювання тертям

У міру розігріву поверхонь послідовно настають дві стадії з’єднання: нагрівання, при якому збільшується пластичність металу, і опади, протягом якої відбувається деформуюче стиснення, аж до суцільного оплавлення крайок і отримання нероз’ємного з’єднання.

Сумарне зусилля машини для зварювання тертям враховує питомі навантаження від обох стадій, а також розміри площі поперечного перерізу з’єднуються заготовок.

Сам процес зварювання тертям відбувається так. Заготівлю встановлюють в шпиндель верстата, або в рухливий супорт (все залежить від виду стали, наприклад, заготовки з швидкорізальних стали, теплофізичні параметри яких вище, встановлюють саме в шпиндель, кутова швидкість обертання якого вище). Установку напівфабрикату виробляють таким чином, щоб виліт заготовки на кілька міліметрів перевищував рівень опади. Для швидкорізальних сталей виліт приймають на 3-5 мм більше, ніж для виробів з конструкційних або нелегованих сталей. Для обмеження і контролю величини вильоту використовуються регульовані упори.

В процесі опади відбувається неконтрольоване збільшення поперечного перерізу заготовок, тому заготовки розміщують в спеціальній закритій матриці з матеріалу з більш високими показниками теплостійкості (наприклад, із сталей типу 5ХНМ, які застосовують для виготовлення штампів гарячого об’ємного штампування). Застосування матриці виключає появу зварювального грата, а також забезпечує більш рівномірне прогрівання заготовок, оскільки в цьому випадку генерується два зустрічних теплових поля.

Послідовність виконання зварювання

Після початку опади нагрітих заготовок виконується їх часткова проковка. Ця стадія операції машиною для з’єднання тертям проводиться автоматично. У дешевших, напівавтоматичних машинах доводиться управляти процесом зварювання за показниками приладів, зокрема, силовимірювача і манометра.

Після того, як процес завершений, з установки знімають матрицю, витягають з’єднану заготовку з затискачів і відразу ж поміщають її в термостат. Такий перехід необхідний для того, щоб зробити оперативний отжиг місця зварного з’єднання. Для того, щоб оберегти заготовку від теплового удару, викликаного значним температурним перепадом. Це особливо важливо для сталей, які схильні до відпускної крихкості – нержавіючих, високовуглецевих і високолегованих.

Початкова температура всередині термостата встановлюється не нижче 150-1800С. В термостаті виконується повільне охолодження місця стику до моменту, коли температури знизиться до 500С. Після цього з’єднання можна піддати або відпалу, або використовувати безпосередньо.

Розглянутий процес можна застосовувати і для заготовок, які мають два стику. Для цього спочатку вищеописаним способом отримують перший зі стиків, потім поміщають напівфабрикат в термостат з температурою 750-800 0С і витримують його там не менше 2.5-3 ч. Далі виконується очищення отриманого стику від макродефектів зварювання. Очищену заготовку без торцювання другого стику закріплюють в шпинделі або в супорті і зварюють другий стик. Наступні переходи не відрізняються від технології одностиковой зварювання тертям.

З’єднання з використанням тертя може використовуватися не тільки для сталей. Наприклад, зварювання алюмінію тертям вважається особливо маловитратними способом отримання нероз’ємного з’єднання, оскільки алюміній має гарну теплопровідність і нагрівається значно швидше сталевих заготовок.

В умовах ремонтних майстерень, а також в побуті, під зварювання тертям можна успішно пристосовувати звичайні токарні верстати. Попередньо слід провести розрахунок допускається осьового зусилля на шпиндель і співвіднести отримане значення з необхідним.

Технологічні параметри деяких, найбільш поширених машин вітчизняного виробництва, на яких виконується з’єднання виробів тертям, наведені в таблиці:

Послідовність виконання стикового з’єднання деталей тертям можна побачити на демонстраційному відео: