Сварка трением

Технологические виды фрикционной сварки и их основные характеристики

Упомянутый способ сварки считается одним из наиболее перспективных среди аналогичных ему методов. Он активно развивается специалистами в экономически развитых государствах. На сегодня существуют следующие разновидности технологических схем сварки трением:

1. Фрикционная сварка с непрерывным приводом: этот метод предусматривает вращение одной из рабочих заготовок. В момент соприкосновения обеих частей на них воздействует осевая сила нагрева. Степень нагревания в специальном сварочном оборудовании определяется временем нагрева или же уровнем деформации рабочих заготовок;
2. Инерционная сварка трением: этот способ сваривания предусматривает использование специального массивного маховика, который обеспечивает движение рабочих частей материала. Предварительно его следует разогнать до определенной скорости, что выполняется за счет мощного мотора. Энергия, которая накапливается во вращательной массе этого маховика, превращается в тепловую в момент сжатия поверхностей заготовок;
3. Орбитальная фрикционная сварка: этот способ осуществляется за счет силы, образованной при прижатии обеих частей друг к другу по круговой орбите, но без вращения по своей собственной оси. В момент нагрева оси рабочих частей смешены на показатель эксцентриситета. В конце процесса нагревания оси следует совместить, что прекращает движение частей и способствует их проковке;
4. Радиальный метод фрикционной сварки: этот способ базируется на использовании теплоты трения одного из колец – наружного или внутреннего, которые вращаются с определенной угловой скоростью, и скошенных концах труб, которые прижимаются между собой с конкретной силой;
5. Сварка трением с перемешиванием: эта методика чаще всего используется в работе с заготовками из тонколистного сырья. К концам рабочих частей необходимо подвести ролик, вращающийся с определенной скоростью. Эта технологическая схема достаточно сложная в выполнении и реализуется в несколько этапов.

В каких сферах применяется

Такие сферы производства, как автомобилестроение, постоянно работают над тем, как увеличить прочностные качества изделия при уменьшении его массы. В связи с этим непрерывно идет внедрение новых материалов, которые были ранее не свойственны ввиду сложности обработки.

Так, в 2021 году компания “Хонда” применила аддитивные технологии и сварку трением с перемешиванием для производства подрамников для своих автомобилей. Они внедрили сочетание стали и алюминия.

При производстве сварных элементов кузова из алюминия может возникать прожиг листов металла. Этого недостатка лишена СТП. Кроме того, что потребление электричества снижается в 1,5-2 раза, снижаются затраты на расходные материалы, такие как сварочная проволока, защитные газы.

Кроме производства автомобилей СТП применяется в следующих областях:

1. Строительное производство: алюминиевые опорные фермы, пролеты мостов.
2. Железнодорожный транспорт: рамы, колесные тележки, вагоны.
3. Судостроение: переборки, элементы конструкции.
4. Авиастроение: топливные баки, части фюзеляжа.
5. Пищепром: различные емкости для жидких продуктов (молоко, пиво).
6. Производство электротехники: корпуса электродвигателей, параболические антенны.

   

Кроме алюминиевых сплавов сварка трением с перемешиванием применяется для получения соединений меди, например, при производстве медных контейнеров для захоронения отработанного радиоактивного топлива.

Область применения

Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли.

Сравнительно недавно фрикционная сварка стала использоваться в кораблестроении и пищевом машиностроении.

Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как:

• для замены паяных и клепаных соединений;
• для замены контактной электросварки;
• для восстановления изделий и сложного инструмента;
• для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям.

Сварка трением в декоре
Сварка трением в декоре
Оборудование для линейной сварки
Оборудование для сварки перемешиванием

Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным.

Плюсы и минусы сварки трением

• сварщик не подвергается воздействию шума, дыма или света;
• швы в процессе сварки получаются беспористыми, а это увеличивает их прочность;
• в статоре машины для сварки вакуум, а это исключает потребности во флюсе или инертном газе;
• в процессе трения удаляется пленка оксидов, что не требует дополнительной подготовки перед работой;
• пространственная свобода;
• автоматизация процесса качественно влияет на производительность и КПД;
• благодаря простоте оборудования и его высокой эффективности существенно снижаются за траты на потребление электрической энергии.

• для процесса необходимы крупногабаритные металлические подложки с возможностью крепления одной из заготовок в различных пространственных положениях;
• если вовремя не остановить статор, то диаметрально по шву может пройти канавка в форме наконечника штыря;
• возможные поломки механической части привода вращений или статора приведут к порче заготовок во время сварки.

Несмотря на эти нюансы, метод является неотъемлемой частью большинства высокоточных производств, где от изделий ожидается качество, надежность, стопроцентная герметичность и непроницаемость.

Машины для данного вида сварки являют собой сочетания качества, функциональности, минимума затрат и максимума производительности.

Преимущества

Комбинация быстрого времени соединения (порядка нескольких секунд) и прямого тепловложения на границе сварного шва дает меньшие зоны термического влияния. Сварка трением, как правило, не требует плавления, что снижает рост зерен в конструкционных материалах, таких как высокопрочные термообработанные стали.

Еще одно преимущество заключается в том, что движение имеет тенденцию очищать поверхность между свариваемыми материалами, а это означает, что их можно соединить с меньшей подготовкой. В процессе сварки, в зависимости от используемого метода, небольшие кусочки пластмассы или металла будут вытесняться из рабочей массы (вспышка).

Еще одно преимущество сварки трением состоит в том, что она позволяет соединять разнородные материалы. Это особенно полезно в аэрокосмический, где он используется для присоединения к легкому алюминий припуск к высокопрочным сталям.

Обычно большая разница в точках плавления двух материалов делает невозможным сварку традиционными методами и требует какого-то механического соединения. Сварка трением обеспечивает прочное соединение без дополнительного веса. Другие распространенные применения биметаллических соединений такого типа — в атомной промышленности, где медь-стали стыки обычны в системах охлаждения реактора; и при транспортировке криогенных жидкостей, где сварка трением использовалась для соединения алюминиевых сплавов с нержавеющими сталями и материалами с высоким содержанием никеля для трубопроводов криогенных жидкостей и защитных сосудов.

Сварка трением также используется с термопластами, которые действуют аналогично металлам под действием тепла и давления. Нагревание и давление, применяемые к этим материалам, намного ниже, чем к металлам, но эту технику можно использовать для соединения металлов с пластмассами с обрабатываемой поверхностью раздела металлов.

Спеченный материалы, такие как Al, Cu, Ti, Mg сплавы жаропрочные Ni и Co сплавы и тугоплавкие материалы, такие как Та и Пн Сплавы успешно соединяются сваркой трением.[1]

Преимущества и недостатки

У этой уникальной технологии множество преимуществ.

1. Высокий уровень производительности. Сварочный цикл длится несколько секунд, иногда минут. Значительно меньше времени уходит и на подготовку операций. Таким образом, обсуждаемая технология выгоднее контактной электросварки.
2. Экономия энергии. Нагрев обрабатываемых областей проявляется крайне скоро и в весьма локализованных районах, поэтому энергозатраты в десятки раз меньше, чем в иных технологиях.
3. Высококачественные сварные швы. При оптимально выбранном режиме исполнения зона шва и его близлежащие края остаются абсолютно идентичными базовому материалу. Более того, в теле шва не остаётся дефектов (трещинок, инородных проявлений и прочего).
4. Качественные и стабильные характеристики швов в партиях финишной продукции сохраняются – окончательные параметры изделий в них отличаются минимально, что предоставляет возможность реализации выборочного контроля, экономя время и средства.
5. Не требуется предварительных механических зачисток шовной зоны и около неё, выполняемых в начальной фазе процесса.
6. Возможность сваривания неоднородных материалов.
7. Экологичность.
8. Метод прекрасно поддается автоматизации, что актуально при крупных производственных сериях.

Стоит сказать и о недостатках.

1. Применимость способа лежит в небольшой области форм деталей-заготовок. Метод не применяется для соединения удлиненных швов (прямых и кривых), непростых конфигураций, при монтаже стройконструкций, крупных корпусных элементов.
2. Громоздкость агрегатов. Агрегаты требуют стационарной установки и электропитания.
3. Ограничения в габаритах деталей, длина которых соизмерима с вылетом бабки агрегата, а диаметр — с выносом кулачков патрона.
4. Появление возможных радиальных нарушений текстуры в зонах швов и около них. При значительных динамических нагрузках появляются места усталостных напряжений, возникают микротрещины и иные дефекты. Снижается и уровень антикоррозионной устойчивости. Во избежание таких последствий на деталях оставляют грат, на снятие которого уходит некоторое время.

Рекомендации

Ротационная сварка трением

Ротационная сварка трением (RFW) для пластмасс, также известных как вращательная сварка, использует машины с двумя патроны для удержания свариваемых материалов, один из которых неподвижен, а другой вращается.

В сварка трением с прямым приводом (также называемая сваркой трением с непрерывным приводом) приводной двигатель и патрон соединены. Приводной двигатель постоянно приводит в движение патрон во время стадий нагрева. Обычно для отсоединения приводного двигателя от патрона используется муфта, а затем используется тормоз для остановки патрона.

В инерционная сварка трением приводной двигатель отключается, и детали сжимаются под действием силы сварки трением. Кинетическая энергия, накопленная во вращающемся маховике, рассеивается в виде тепла на границе раздела сварных швов, когда скорость маховика уменьшается.

Перед сваркой одна из заготовок крепится к поворотному патрону вместе с маховик заданного веса. Затем деталь раскручивается до высокой скорости, чтобы сохранить необходимую энергию в маховике. После вращения на нужной скорости двигатель снимается, и части сжимаются под давлением.

Работа трения преобразуется в повышение температуры в зоне зоны сварки, в результате чего изменяется структура шва. Отдельные термомеханические зоны можно описать, процитировав пример статьи: R.McAndrew и другие, «Обзор литературы по линейной сварке трением Ti-6Al-4V», 2021.[3]

«Технически WCZ и TMAZ являются« зонами термомеханического воздействия », но из-за сильно различающейся микроструктуры они часто рассматриваются отдельно. WCZ подвергается значительной динамической рекристаллизации (DRX), а TMAZ — нет. Материал в HAZ не деформируется механически, но подвергается воздействию тепла.

Область от одной границы TMAZ / HAZ до другой часто называют «толщиной TMAZ» или зоной пластического воздействия (PAZ). В оставшейся части этой статьи эта область будет именоваться ПАЗ ».[3]

Установка совершенно разных параметров может привести к получению другого сварного шва, например, изменения структуры не будут одинаковой ширины. Возможно получение меньшего зона термического влияния (HAZ) и зона пластического воздействия (PAZ).

Ширина сварного шва меньше. Например, результаты не такие, как для сварных швов, выполненных для Европейского космического агентства с высоким оборотом ω = 14000 об / мин.[4] или другой пример в Варшавском техническом университете 12000 об / мин[5] и очень короткое время трения всего 60 мс[6][40 мс-[7]] вместо стандартных параметров, кроме того, в этом случае ультра мелкое зерно сплав был сварен. К сожалению, диаметр заготовки может быть ограничением для использования высоких скоростей вращения.

https://www.youtube.com/watch?v=XRvoqfIipXY

Есть много научных статей, описывающих испытания сварных швов, например твердость,[7][8][9]испытания на растяжение.[8] Структуру сварного шва можно исследовать с помощью оптической микроскопии.[8][9][10] и сканирующая электронная микроскопия.[4][9][10][8] Компьютер метод конечных элементов (FEM) используется для прогнозирования формы вспышки, границы раздела и других, не только для ротационной сварки трением (RFW),[11] но и для сварка трением с перемешиванием (FSW),[12][13] линейная сварка трением (LFW),[3] FRIEX,[14] и другие. Измерения температуры также проводятся в научных целях.[11]Станок для сварки трениемПо мере разогрева поверхностей последовательно наступают две стадии соединения: нагрева, при котором увеличивается пластичность металла, и осадки, в течение которой происходит деформирующее сжатие, вплоть до сплошного оплавления кромок и получения неразъемного соединения.Суммарное усилие машины для сварки трением учитывает удельные нагрузки от обеих стадий, а также размеры площади поперечного сечения соединяемых заготовок. Сам процесс сварки трением происходит так. Заготовку устанавливают в шпиндель станка, либо в подвижный суппорт (все зависит от вида стали, например, заготовки из быстрорежущих стали, теплофизические параметры которых выше, устанавливают именно в шпиндель, угловая скорость вращения которого выше).Установку полуфабриката производят таким образом, чтобы вылет заготовки на несколько миллиметров превышал уровень осадки. Для быстрорежущих сталей вылет принимают на 3-5 мм больше, чем для изделий из конструкционных или нелегированных сталей. Для ограничения и контроля величины вылета используются регулируемые упоры. В процессе осадки происходит неконтролируемое увеличение поперечного сечения заготовок, поэтому заготовки размещают в специальной закрытой матрице из материала с более высокими показателями теплостойкости (например, из сталей типа 5ХНМ, которые применяют для изготовления штампов горячей объемной штамповки). Применение матрицы исключает появление сварочного грата, а также обеспечивает более равномерный прогрев заготовок, поскольку в этом случае генерируется два встречных тепловых поля.