Оборудование для сварки трением

Обновлено: 19.05.2024

Главной особенностью технологии сварки трением является разогрев деталей, вызванный вращением, резкая остановка и осадка. Главными составными частями предлагаемого оборудования являются приводной модуль, зажимный держатель вращающегося элемента, зажимы, держащие неподвижный элемент. Чтобы было возможным выполнение сварного шва, одна из составных частей готового изделия должна быть закреплена во вращающемся зажимном держателе, а другая часть в удерживающих зажимах.

Процесс сварки начинается от приближения вращающейся части к торцу неподвижного элемента. В результате столкновения обеих плоскостей, при этом одной вращающейся, и выработанной силы трения возникает энергия, способная к соединению обеих деталей.

Обороты приводной системы плавно регулируются с помощью инвертора. Для быстрой остановки привода предусмотрена электронная система торможения. Работа системы заключается в подаче постоянного тока на двигатель в установленное время. Это решение уже было использовано на практике и эффективно работает, не вызывая износа деталей.

Весь приводной модуль установлен на прочных направляющих, обеспечивая продольное движение, и, следовательно, прижим трения и осадки.

Работа станка основана на управлении контроллером PLC и сенсорной операторской панели. Оператор может управлять следующими параметрами:

- скорость вращения держателя

- время разгона и торможения

- прижимная сила трения и осадки

- время удержания зажимов после остановки

Преимущества и недостатки сварки трением

Преимущества:

1. Высокое качество соединения. В месте стыка отсутствуют многие дефекты, присущие сварным швам, полученным при помощи других видов сварки. К примеру, в месте соединения исключается образование газовых пор и сварных трещин, различных неметаллических включений и других дефектов.
2. Постоянство механических свойств. Как правило, механические свойства основного металла, места стыка и зоны возле него практические одинаковые из-за равномерной структуры металла.
3. Высокая производительность метода. Весь цикл сварки занимает от нескольких секунд до нескольких минут, в зависимости от размеров свариваемых деталей.
4. Подготовка к сварке занимает меньше времени. Из-за того, что нет необходимости удалять оксидные плёнки с соединяемых поверхностей и зачищать их, это существенно экономит время подготовки.
5. Не требуется дополнительных присадочных материалов, как для многих других видов сварки.
6. Не требуется дополнительных операций после сварки, таких как отпуск, отжиг, проковка и др.
7. Снижаются затраты на последующую механическую обработку после сварки.
8. Отсутствуют сварочные поводки и низкая степень деформации после окончания сварки.
9. Большая номенклатура свариваемых материалов. Сварка трением позволяет сваривать многие материалы, как между собой, так и в различных их сочетаниях.
10. Высокий КИМ (коэффициент использования металла). У альтернативных методов получения заготовок (отливки, поковки и др.) КИМ значительно ниже.
11. Меньшая степень вредности. При сварке трением отсутствует яркий слепящий свет, как при дуговой сварке, нет выделения вредных газов, отсутствуют брызги расплавленного металла.
12. Лёгкая возможность автоматизации. Достигаться она может установкой машин для сварки в автоматические и роторные поточные линии, или, к примеру, применением управляющих компьютеров, работающих по программам.
13. Экологичность процесса. Для сварки не требуется защитных газовых сред, флюсов или покрытий, из-за этого нет выделения вредных веществ в воздушную среду.
14. Низкая энергоёмкость. По сравнению с обычной дуговой сварки энергоёмкость снижена в 10 раз.

Недостатки:

2. Габариты свариваемых деталей ограничены. В случае с круглыми деталями, при сварке которых одна неподвижно закреплена, а вторая вращается вокруг своей оси (ротационная сварка), экономически нецелесообразно сваривать заготовки, диаметром более 150мм.

4. Возможно искажение волокон в зоне сварки, если сварное соединение в процессе эксплуатации подвергается высоким динамическим нагрузкам.

5. Отсутствие мобильности. Невозможно применить данный вид сварки в «полевых условиях» и различных монтажных работах, так как сварочное оборудование для сварки трением является стационарным, а не мобильным.

Предлагаем оборудование для сварки трением (с разными степенями автоматизации процесса) «под ключ» по техническому заданию Заказчика. Опыт наших партнеров позволит предложить оптимальное техническое решение для задач Заказчика.

Сущность сварки трением

Фрикционная технология или сварка трением основана на способности металла преобразовывать энергию силы трения в тепловую. Метод разработан в России более 60 лет назад для соединения разнородных металлов. Экологически безопасная технология постоянно совершенствуется, расширяется спектр производимых сварных работ.

Что такое сварка трением

Сварка трением, по сути, это способ соединения металлов под давлением при нагреве до точки пластичности за счет фрикционных сил во время взаимного движения заготовок. Детали подвергают трению под большой нагрузкой. Благодаря происходящим в металле внутренним структурным процессам, удается получать прочные соединения без больших энергозатрат. Движение бывает:

вращательным;
поступательным;
возвратно-поступательным (колебательным).

Двигаются обе заготовки одновременно или только одна, вторая жестко закреплена. В отличие от других видов сварки, технология с использованием силы трения применима для сплавов с разными температурами плавления. В процессе соединения металл не расплавляется, а вдавливается, образуя прочный шов.

Область применения

Фрикционная сварка изначально разрабатывалась для оборонной промышленности, атомного комплекса. Затем метод стали использовать в машиностроении, электротехнике. Радиальным методом сваривают трубы для добывающей отрасли. Подходит для соединения плохо свариваемых металлов, магниевых, алюминиевых сплавов, цветных металлов, углеродистой, легированной стали, разнородных пластичных сплавов. Технология заменяет клепку, контактную электросварку. Используется для наплавки режущего инструмента, восстановления деталей.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими видами соединения металлов, у использования силы трения хорошие перспективы. У метода много преимуществ:

технология отличается высокой производительностью, шов образуется за несколько секунд благодаря скоростному движению деталей, непродолжительному сжатию заготовок;
удается получать прочные соединения, процент брака невысокий;
стабильно хорошее качество швов: на них нет окалины, пережогов, непроваров, пористости;
не требуется предварительной зачистки оксидного слоя;
перечень свариваемых сплавов широк;
технология безопасна, не требуется обычной экипировки сварщика;
процесс автоматизирован, только крупногабаритные детали приходится устанавливать вручную.

невысокая универсальность, геометрия свариваемого проката ограничена: прутки, трубы, листовой прокат, лента, полоса;
габаритное оборудование, оно устанавливается стационарно, мобильных аналогов нет;
нарушается микроструктура сплава в области пластической деформации, искривление структурных волокон при сварке приводит к усталостной деформации, со временем металл теряет былую прочность.

Виды сварки трением

Разработаны различные технологии, в результате которых в месте стыка образуется сцепляющий молекулярный слой, надежно удерживающий свариваемые заготовки вместе. Методика предусматривает различные способы преобразования силы трения в тепловую. Каждую технологию сварки стоит рассмотреть подробно.

Сварка трением с перемешиванием

Молодая технология запатентована в конце прошлого века, разработана в Британии. При сварке трением с перемешиванием обе свариваемые детали закрепляются неподвижно. Кромки подготавливают так, чтобы между ними мог пройти вращающийся инструмент, создающий силу трения. Он представляет собой цилиндр со штырем и заплечиками. Кромки для сварки трением с перемешиванием нагреваются от вращения центрального штыря между сдавливаемыми деталями. Размягченный металл смешивается движущимся стержнем, центробежной силой вытесняется назад, полностью заполняет зазор между заготовками. Формируется сварочный шов, валик корректируют заплечики. После одной или нескольких проходок стыка инструмент, используемый при сварке, выходит за область деталей. При сжатии жидкий металл шва уплотняется.

Линейная сварка

Для нагрева металла используется поступательное движение. Для линейной сварки трением кромки соприкасаются за счет колебательных движений, одна заготовка зажимается, другая подвижна. Когда металл разогрет до точки пластичности, детали сжимают. Размягченный сплав в процессе сварки взаимно вжимается, образуется общий слой молекул. Технология применяется для соединения элементов из различных металлов, схожих по показателям пластичности. Образуется прочное соединение по всей площади стыка.

Орбитальная сварка

Сжатые заготовки соприкасаются, вращаясь по разным орбитам в одной плоскости. Орбитальную сварку трением обычно используют для деталей с большой площадью соприкосновения. Регулируется относительное смещение осей (эксцентриситет), скорость движения. Когда за счет силы трения поверхности заготовок разогреваются до необходимой температуры, заготовки устанавливают соосно, сильно сдавливают. После формирования шва производится проковка для упрочнения структуры диффузного слоя.

Инерционная сварка трением

По технологии одна свариваемая часть плотно фиксируется, другая крепится к маховику. Разгоняется, скорость достигает 11 м/с, угловое ускорение – от 150 до 300 рад/с 2 . Разогрев происходит во время сближения раскрученной заготовки с неподвижной. Разогрев происходит за счет сил инерции, накопленной маховиком. Двигатель в этот момент уже отключен, а подвижную заготовку вдавливают в неподвижную с усилием до 4740 кг/см 2 в зависимости от толщины свариваемых элементов, вида и марки сплава. Когда маховик останавливается (заканчивается накопленная энергия), разогретые прижимаемые друг к другу поверхности сцепляются, образуя общий диффузный слой.

Сварка трением с непрерывным ходом

Технология была разработана в середине прошлого века. Одну из свариваемых деталей жестко закрепляют, другая непрерывно вращается на этой же оси. От осевого усилия нагрева детали разогреваются. При достижении точки пластичности вращение прекращается. Когда заготовки с усилием сдавливают, образуется диффузный слой, поверхности спекаются. Стык для уплотнения проковывают. Процесс регулируют по времени разогрева поверхностей, степени сдавливания.

Радиальная сварка

Этот метод создан для заделки трубных стыков, роль присадки выполняет разжимное кольцо. Существует два способа установки присадочного обода:

наружный, кольцо вращается поверх трубы, внутрь устанавливается оправка, которая не дает трубе деформироваться при сжатии разогретого кольца;
внутренний, кольцо вращается внутри трубы, оправка надевается сверху.

При вращательном движении кольца возникает сила трения. Кромки разогреваются, поверхность присадочного обода тоже. При сжатии наружного или расширении внутреннего кольца формируется сварной шов, образуется герметичное соединение, рассчитанное на большую нагрузку.

Радиальная сварка трением: а — с наружным разжимным кольцом; б — с внутренним разжимным кольцом; 1,2 — свариваемые заготовки; 3 — вращающееся кольцо из присадочного материала; 4 — зажимные элементы; 5 — оправка

Штифтовая сварка

Метод используют для укрепления деталей в месте дефекта. Под размер штифта, выполняющего роль наплавки, высверливается отверстие. Штифт вводится вращением с большой скоростью. За счет силы трения металл в области соединения разогревается, размягчается. Между штифтом и деталью формируется прочный сварочный шов. Мобильный метод часто применяется при проведении ремонтных работ. Надежно установленный штифт повышает срок службы упрочняемой детали.

Колебательная сварка

Технология вибротрения предусматривает движение одной или обеих заготовок относительно друг друга с высокой частотой. При возвратно-поступательном движении поверхности становятся пластичными, быстро схватываются при сжатии. Метод применяется для соединения материалов с высоким коэффициентом пластичности.

Роликовая сварка

Метод разработан для листовой тонкостенной стали. Вращающийся ролик движется по шву со скоростью до 2м/с, прижимные пластины в это время оказывают давление до 5 кг/см2. За счет вращения ролика создается необходимое для разогрева металла трение в области стыка или наложения тонких листов внахлест.

Технология сварки трением

Рассматривая технологию с точки зрения физико-химических процессов, можно выделить несколько последовательных процессов:

происходит истирание оксидного слоя в процессе соприкосновения деталей во время движения;
область шва нагревается до температуры пластичности металла, он способен деформироваться под давлением;
возникает единый диффузный слой в процессе проникновения молекул одной детали в другую, за счет этого образуются швы на разнородных и однородных металлах;
формирование шовного валика вызвано выдавливанием пластичного металла за зону стыка;
фиксация свариваемых деталей до затвердевания диффузного слоя;
образование монолитной структуры в месте шва, проходит процесс кристаллизации, формирования металлической решетки.

При трении контактируют отдельные выступы, металл в зоне трения прогревается равномерно на небольшую глубину. После осадки деталь остывает медленно, образуя соединение по всей площади стыка.

Применяемое оборудование

Для сваривания используют металлорежущие станки, но они не подходят для длительного применения, быстро выходят из строя. Специальные машины с блоком управления созданы по одному принципу: силовой привод подводится к двигающимся механизмам. Для фиксации свариваемых заготовок предусмотрены зажимные устройства, двигающие механизмы. Работает оборудование в автоматическом или полуавтоматическом режиме (укладка заготовок, выемка готовых изделий производится в ручном режиме). Машины бывают универсальными и под определенную технологию. На некоторых устройствах предусмотрена предварительная подготовка свариваемых поверхностей, заточка и выравнивание кромок.

Контроль качества

При визуальном методе контроля швов выявляют подрезы, наплывы, трещины. Внутренние дефекты выявляют методами разрушающего или неразрушающего контроля.

металлографический анализ шва;
исследование химического состава диффузного слоя; (определяют предел выносливости соединения на растяжение, кручение, изгиб под ударной нагрузкой, сжатие; проверяют усталостную стойкость шва, герметичность соединения).

Разрушающие методы контроля применяются в исключительных случаях:

на образцах при разработке технологии;
готовых деталях при выборочном контроле, регламентированном стандартом.

К неразрушающим методам относятся исследования с применением приборов, делается:

просвечивание соединения рентгеновскими или гамма-лучами;
ультразвуковой основан на способности луча отклоняться при различной плотности материала;
магнитные фиксируют изменение потока.

Исследования проводятся выборочно, где на шов оказывается разнонаправленная нагрузка. Фрикционная технология надежная: образуются прочные швы, если обеспечена достаточная скорость движения, на разогретый металл оказывается необходимое давление.

Сварка трением

Сварка трением, или фрикционная сварка, была изобретена в 1956 году в СССР. Для нагрева металла используется тепло, выделяемое при интенсивном трении прижатых друг к другу деталей. Метод отличается простотой, экологичностью и малой энергоемкостью. Так можно сваривать даже разнородные металлы и сплавы, не соединяемые другими способами.

Принцип действия

Технология сварки с помощью трения стоит особняком среди прочих методов сварки. Для нагрева свариваемых деталей используется тепло, выделяемое при трении заготовок друг о друга.

Наиболее распространено использование трения вращения, при этом вращается одна из свариваемых заготовок либо вкладка (или накладка) между ними.

Заготовки сильно прижимают друг к другу, постепенно увеличивая силу прижима. В точке контакта деталей и происходит нагрев.

За счет трения и высокой температуры разрушаются окисные пленки и следы посторонних загрязнений. Поверхности заготовок притираются одна к другой, разрушаются микро выступы, поверхность выравнивается, и атомы металлов получают возможность вступать в близкое взаимодействие. Кристаллические связи возникают на короткое время и быстро разрываются за счет движения заготовок друг относительно друга.

Схема сварки трением

Процесс разделяется на следующие этапы:

Снятие оксидных пленок.
Нагрев поверхностей до температуры пластичности, создание и разрушение фрагментов кристаллических решеток
Останов вращения, кристаллизация зоны контакта, образование сварного шва.

После того, как температура плавления достигнута, вращение останавливают и увеличивают силу прижима.

Технологическая схема сварки трением намного проще, чем электродуговая или газовая сварка.

Особенности процесса сварки

К особенностям сварки трением относят:

Способность к свариванию разнородных материалов, например, сварить сталь алюминий. При этом не требуются присадочные материалы и сложное оборудование.
Применимость для неразъемного соединения деталей из меди, свинца, титана без деформации заготовок.
Максимальная эффективность достигается при работе с заготовками от 6 до 100 миллиметров диаметром.
Незаменимость в создании сложных технологий и выпуске ковано-сварных, штампованно-сварных и сварочно — литых изделий.
Способность соединять материалы с низко свариваемостью. Этим методом можно сварить заготовки, не свариваемые никакими другими методами, например, алюминиевые и стальные.

Схема производства сварки трением

Нагревание при сварке трением широко используется и для сваривания деталей из термопластичных пластиков.

Преимущества сварки трением

К важным преимуществам технологии сварки трением относят:

Производительность. Весь сварочный процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существенно меньше времени занимают также и подготовительно — завершающие операции. По этому параметру технология превосходит контактную электросварку.
Эффективность использования энергии. Нагрев происходит очень быстро и в весьма ограниченной закрытой области, потери энергии на обогрев окружающего пространства ничтожны по сравнению с другими сварочными технологиями. Преимущество по энергозатратам может быть десятикратным.
Отличное качество шва. При корректно подобранном технологическом режиме зона сварного шва и околошовные области станут практически идентичны по своему строению и характеристикам основному металлу. Кроме того, в шовном материале практически отсутствуют дефекты: пористость, каверны, трещины, посторонние включения.
Высокая стабильность характеристик швов внутри партии деталей. Если точно выдерживать режим, параметры деталей будут отличаться на доли процента. Это позволяет контролировать качество выборочно и позволяет сэкономить много времени и средств. Если одна деталь из партии прошла разрушающий контроль, то можно принимать технически обоснованное решение о годности всей партии.
Нет необходимости в предварительной механической зачистке поверхности зоны шва и околошовной области. Она выполняется на первом этапе технологического процесса. Поскольку на подготовительно — завершающие операции времени уходит больше, чем на собственно сварку, это преимущество дает возможность для весьма заметной экономии.
Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Успешно свариваются такие пары металлов, которые просто невозможно сварить другими методами: стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и т.д.
Экологичность технологии. Сведены к минимуму как загрязнение окружающей среды, так и вредные факторы воздействия на здоровье людей: высокое напряжение, брызги расплавленного металла, ультрафиолетовое излучение, пожароопасность и другие.

Кроме того, сварка трением легко поддается механизации и автоматизации. Это особенно важно при крупносерийном и массовом производстве. Несколько несложных повторяющихся операций легко алгоритмизируются и могут выполняться по программе без участия человека.

Недостатки сварки трением

Как и у любой реально действующей технологии, фрикционному свариванию присущ и ряд недостатков:

Применимость к ограниченному набору форм заготовок. Хотя бы одна из них должна иметь форму тела вращения. Способ не подходит для сваривания протяженных прямых и криволинейных швов, оболочек сложной формы, монтажа строительных конструкций, корпусов механизмов и транспортных средств. Однако в машиностроении более 75% деталей имеют круглое сечение или более сложную форму тел вращения.
Громоздкое оборудование. Универсальный или специализированный станок требует стационарной установки, подведения электропитания. Это делает невозможным применение метода в полевых условиях.
Ограниченный размер детали. Длина привариваемой детали ограничена вылетом бабки станка, диаметр — вылетом кулачков патрона.
Радиальная деформация текстуры в зоне шва и в околошовных областях. При сильных динамических нагрузках возможна концентрация усталостных напряжений и возникновение микротрещин и других дефектов. Снижается также и коррозионная стойкость. Чтобы избежать ‘этих явлений, на заготовке оставляют грат. Дополнительная трудоемкость затрачивается на снятие грата по конструктивным требованиям.

Недостатки, ограничивающие использование метода, не позволяют считать фрикционную сварку универсальной технологией. Однако в сфере своей применимости она обладает значительными преимуществами перед другими методами.

За полвека были разработаны и активно применяются несколько разновидностей фрикционного сваривания деталей. Они обладают своими особенностями, делающими их эффективными в своей области использования.

Сварка с перемешиванием

Технология была разработана и начала применяться в конце ХХ века. Суть метода заключается в использовании вращающегося штыря с заплечиками. Штырь изготавливают из тугоплавкого сплава высокой прочности. Вращаясь и нагревая металл, он проникает в него по линии контакта заготовок. За счет вращательного движения, в которое вовлекаются поверхностные слои размягченного нагревом металла заготовок, происходит перемешивание этих слоев. Так обеспечивается равномерность структуры и характеристик шовного материала.

Сварка трением с перемешиванием

Применяется для соединения труб. В месте стыка на трубы с минимальным зазором надевают металлическое кольцо, которое вращается вокруг них. За счет трения вращения происходит нагрев торцов соединяемых труб. Кольцо обычно изготавливают из того же сплава, что и свариваемые трубы.

Радиальная сварка трением

Технология разработана для проведения ремонтов. В ремонтируемой детали сверлят отверстие, в него вводят стержень из такого же сплава, что и сама деталь. В ходе вращения штифта выделяется большое количество тепла, нагревающего металл. Это один из немногих мобильных способов сварки трением.

Штифтовая сварка трением

В отличие от остальных технологий, использующих трение, в этой вращение не применяется. Детали двигаются друг относительно друга прямолинейно, возвратно – поступательно и нагреваются до необходимой температуры. В этот момент движение прекращают и сильно прижимают заготовки друг к другу. Излишки металла в состоянии пластичности частично выдавливается из зоны сварки, образуется сварочный шов. Существует вариант технологии, при котором обе свариваемые детали неподвижны, а зоне шва о них трется инструмент специальной формы.

Линейная сварка трением

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. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей.

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 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.

Оборудование для сварки трением

В зависимости от способа СТ машины подразделяют на обычные, инерционные и ротационные. Основные конструктивные и компоновочные схемы машин подобны. Общими конструктивными узлами и системами в них являются:

• привод осевого сжатия;

• привод вращения шпинделя;

• передняя бабка со шпинделем и зажимом для вращающейся детали;

• задняя бабка с зажимом для неподвижной детали;

• тормозная система шпинделя;

• система управления процессом сварки и машиной.

В машинах для ИСТ имеется маховик для аккумулирования кинетической энергии.

Привод осевого усилия предназначен для сближения деталей перед сваркой и обеспечения осевого усилия по заданной программе нагрев—проковка.

Рис. 7.7. Кинематическая схема двухшпиндельной машины для инерционной сварки трением:

1 — приводной двигатель; 2 — ременная передача; 3 — муфта сцепления; 4, 8 — подшипниковые узлы; 5, 7 — вращающиеся зажимы; 6 — свариваемые детали;

9 — маховик; 10 — привод сжатия деталей

В машинах для СТ применяют пневматические, пневмогидрав — лические, гидравлические и электромагнитные приводы сжатия.

Пневматические приводы сжатия отличаются простотой, их применяют в машинах малой мощности.

Пневмогидравлические приводы нашли применение в машинах малой и средней мощности. Большая инерционность пневматических систем (длительное заполнение цилиндров воздухом и их опорожнение) не позволяет обеспечивать обратную связь по контролю давления.

Гидравлический привод сжатия применяют на машинах средней мощности (более 300 кН) и во всех машинах большой мощности (до 3 ООО кН). Такой привод легко обеспечивает нарастание усилия при нагреве и проковке, а также позволяет осуществлять активный контроль давления (до 30 мПа).

Гидроаппаратура размещена в отдельном шкафу. В нижней части шкафа размещен бак с рабочей жидкостью, в котором находится охлаждающий змеевик с проточной водой.

Силовой электромагнитный привод сжатия (рис. 7.8) отличается высокими динамическими характеристиками и позволяет использовать магнитопровод в качестве основной маховой массы и тем самым исключить упорный подшипник.

Передняя бабка машины служит для приведения во вращение одной из свариваемых деталей, а также для восприятия осевых

усилий, создаваемых приводом сжатия на этапе нагрева и проковки. На передней бабке расположен шпиндель, свободно вращающийся в подшипниках. На одном конце шпинделя закреплен зажим для свариваемой детали, а на другом — элемент системы, связывающий шпиндель с приводом вращения. Подшипники шпинделя (радиальные и упорные) работают в весьма неблагоприятных условиях (как на этапе нагрева деталей, так и на этапе проковки и торможения). В связи с тяжелыми условиями их работы в машинах для сварки трением особое внимание уделяют их своевременной смазке и охлаждению.

В качестве привода вращения шпинделя используют трехфазный асинхронный электрический двигатель, клиноременную передачу с зубчатым ремнем, муфту сцепления и тормозное устройство. Во многих мощных машинах используют гидравлические двигатели. Такой привод обеспечивает бесступенчатое регулирование частоты вращения шпинделя и расширяет технологические возможности машины. Часто в этих машинах гидравлические двигатели вращения подключают к единой гидравлической системе машины.

В машинах для микросварки трением с очень большой частотой вращения (80…650 с-1) в качестве привода используют пневматические турбинки, которые нечувствительны к мгновенным перегрузкам и способны длительно работать в режиме частых пусков и торможений. Они обходятся без передач благодаря непосредственному сочленению вала со шпинделем машины.

Муфты сцепления обеспечивают надежную и долговечную работу машины при минимальном времени срабатывания. Этим тре-

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Рис. 7.8. Кинематическая схема машины для инерционной сварки трением с электромагнитным силовым приводом:

бованиям удовлетворяют электромагнитные многодисковые, а также гидравлические и пневматические фрикционные муфты. Наиболее широкое применение нашли электромагнитные фрикционные сухие муфты, отличающиеся высокой нагрузочной способностью и хорошей теплоотдачей.

Тормозные системы при сварке трением основаны на двух практических способах прекращения быстрого вращения сваренных деталей:

• за счет искусственного торможения всей системы привода вместе с вращающейся деталью (реверсированием двигателя, при помощи фрикционных электромагнитных или гидравлических, а также дисковых тормозов или муфт);

• путем использования момента трения в стыке свариваемых деталей и свободного выбега вращающихся масс машины на этапе естественного самоторможения.

Первый способ используют при обычной СТ на маломощных машинах для сварки стержневых деталей диаметром 0,7… 15 мм при частоте вращения 60…633 с-1 и окружной скорости 1… 1,2 м/с.

Рис. 7.9. Конструктивные элементы (отверстия, шлицы на валу, шпоночный паз на валу), ‘позволяющие упростить закрепление их в зажимах

Второй способ используют в машинах для обычной СТ и ИСТ, рассчитанных для сварки деталей диаметром свыше 20 мм.

Для универсальных машин предусматривают использование обоих способов торможения, что обеспечивает гарантированное качество сварки деталей из разнородных металлов при разнообразии их диаметров.

Зажимы для подвижных и неподвижных деталей предназначены для обеспечения взаимного центрирования свариваемых деталей и надежного их закрепления для предотвращения проскальзывания под воздействием осевого усилия и прокручивания от вращающего момента.

Установку и закрепление простых деталей, изготовленных из прутков, толстостенных труб (свыше 4 мм), а также некоторых поковок и штамповок производят в типовых зажимах общего применения (кулачковых патронах).

Для закрепления деталей сложной формы применяют специальные зажимные устройства. Эти устройства упрощают, используя для закрепления деталей имеющиеся в них отверстия, углубления, выступы (рис. 7.9) или специально предусмотренные технологические отверстия.

Крупные машины для сварки трением оснащают специальными зажимами, которые позволяют воспринимать большие осевые нагрузки и передавать большие вращающие моменты (рис. 7.10). Принцип действия такого зажима следующий. Втулка 2, несущая

Рис. 7.10. Специальный зажим передней бабки машины для сварки трением крупногабаритных деталей:

1 — свариваемая деталь; 2 — сменная втулка с тремя кулачками; 3 — сменная насадка; 4 — шпиндель; 5 — тарельчатые пружины; 6 — тяга; 7 — поршень

на себе три кулачка со сменными насадками 3, находится на конце шпинделя 4 и соединена с ним болтами. С помощью тяги 6 втулка вместе с кулачками может перемещаться вдоль оси шпинделя, сжимая набор тарельчатых пружин 5. При этом кулачки скользят по внутренней конической поверхности насадки 3 и зажимают вставленную деталь 1. Обратное перемещение всей этой системы происходит под действием гидроцилиндра, разжимающего тарельчатые пружины 5. Происходит освобождение детали.

Для зажатия неподвижной детали используются устройства, усилие зажатия которых пропорционально осевому усилию (рис. 7.11). Принцип работы этой двухкулачковой самоцентрирующейся системы заключается в том, что призматические кулачки, зажимающие деталь, имеют скошенные под углом 15° затылочные поверхности, которые передвигаются по соответствующим клиновым поверхностям корпуса зажима. При поступательном перемещении кулачков вдоль оси неподвижной детали они сближаются в радиальных направлениях и зажимают заготовку.

Аппаратура для управления машиной размещена в отдельном шкафу, что гарантирует устранение влияния вибраций, тряски и толчков, возникающих в процессе сварки.

Рис. 7.11. Схема зажима невра — щающихся деталей:

Современные машины для СТ оборудованы средствами управления продолжительностью нагрева соприкасающихся поверхностей и обеспечения окончания формирования соединения одновременно с прекращением подвода теплоты. Эти средства включают в себя тахометр для замера скорости вращения патрона с заготовкой и клапан регулирования давления для контроля усилия сжатия заготовок силовыми цилиндрами. С помощью перечисленной измерительной и регулирующей аппаратуры приводят в соответствие осевое усилие с накопленной энергией во вращающихся инерционных массах.

1 — поршень; 2 — пневмоцилиндр; 3 — вилка; 4 — клиновый ползун со сменными кулачками; 5 — свариваемая деталь; 6 — подача воздуха

Все современные машины для сварки прением выполняют процесс сварки автоматически. Они прекращают тепловыделение по заранее заданной программе. Программа может быть задана либо по времени нагрева, либо по значению осадки нагрева. Некоторые виды оборудования позволяют пе

реходить от одного из этих способов управления к другому с помощью простого переключения схемы управления машиной.

Для ротационной сварки трением применяют специальные установки, по компоновке близкие сверлильным станкам. Одна из таких установок показана на рис. 7.12. В процессе сварки шпин-

Рис. 7.12. Схема установки для ротационной сварки трением:

дельную головку с рабочим инструментом, выполненным из стали Р6М5, прижимают к свариваемым листам и приводят во вращение. Одновременно включают привод перемещения свариваемых листов. При подходе к концу листов конечный выключатель прекращает процесс, а шпиндельная головка отводится в исходное положение.

Для освоения техники ротационной сварки трением разработаны экономичные установки модульной конструкции. Новая серия установок может сваривать данным методом материал толщиной 1,4… 100 мм. Мощность привода шпинделя инструмента —

1,5.. . 100 кВт. Серия состоит из двух основных типов: установки типа S для прямолинейных швов и установки типа U для прямолинейных швов по осям X или Y, а также швов в форме окружности, прямоугольника и т. п. Каждый тип установок изготавливают двух видов:

• напольная установка с вертикальной стойкой для крепления крупногабаритных приспособлений и устройством сварки кольцевых швов;

• установка с низко расположенной шпиндельной головкой для двухсторонней сварки со столом для монтажа малогабаритных приспособлений.

Сварка трением с перемешиванием

Среди огромного количества различных технологий сварки следует отметить сварку трением с перемешиванием. Подобный процесс не предусматривает использование защитных газов и расходных сварочных материалов. При этом можно получить соединение высокого качества. Технология в большинстве случаев применяется при обработке алюминия и некоторых других сплавов. Рассмотрим принцип процесса и некоторые другие моменты подробнее.

Принцип процесса

Сварка трением с перемешиванием проводится при применении специального инструмента, который напоминает форму стержня. Среди особенностей сварки трением с перемешиванием можно отметить нижеприведенные моменты:

Применяемое оборудование для сварки трением с перемешиванием состоит из двух основных частей: заплечика и бурта, а также наконечника.
Инструмент выбирается в зависимости от толщины материала и его типа. Некоторые сплавы характеризуются низкой степенью обрабатываемостью.
Длина наконечника устанавливается в зависимости от толщины детали.
Этот метод сварки может выполняться с присадочным материалом. На момент сварки инструмент вращается с высокой скоростью в месте плавления. Оказываемое давление приводит к тому, что наконечника внедряется в заготовку на требуемую толщину. При этом заплечник должен коснуться обрабатываемой поверхности.
Следующий шаг заключается в перемещении инструмента по линии шва с определенной скоростью. При сильном трении поверхность материалов начинает сильно нагреваться, за счет чего он начинает становится пластичным. Деформация проходит равномерно.

При помощи специальной установки можно создать прочное соединение, которое характеризуется довольно высоким качеством.

Основные параметры которые влияют на свойства шва

Стоит учитывать, что некоторые параметры оказывают влияние на основные качества образующегося шва. К основным можно отнести:

Скорость перемещения инструмента определяет силу трения, возникающую между режущей поверхностью и заготовкой. От этого зависит также температура.
Частот вращения инструмента также оказывает влияние на температуру в зоне обработке.
Угол наклона инструмента также оказывает влияние на особенности проведения сварки трение с перемешиванием.
Геометрические размеры применяемого прибора выбираются в зависимости от того, какой нужно получить соединение.
Усилие прижатия и перемещения также можно считать наиболее важными параметрами.

При рассмотрении способа сварки трением отметим, что подобная технология сегодня активно развивается. Это связано с тем, что естественный процесс нагрева не приводит к появлению внутренних деформаций и иных дефектов.

Основные области применения

На сегодняшний день рассматриваемая технология применяется в большинстве случаев при выпуске транспортных средств. Это связано с нижеприведенными моментами:

При применении технологии, которая предусматривает плавление металла, может появится перфорация тонких листов стали. Примером можно назвать обработку алюминия.
Рассматриваемая технология СТП определяет выделение меньшего количества тепла. Именно поэтому вероятность появления подобных дефектов незначительна.
Сварки трением с перемешиванием характеризуется высокой эффективностью, так как ее использование приводит к уменьшению степени энергопотребления в два раза.
Применение технологии позволяет снизить вес получаемой конструкции.

Все приведенные выше моменты определяют то, что рассматриваемая технология получила следующее распространение:

Судостроение.
Аэрокосмическая промышленность.
Электротехническая промышленность.
Строительство.
Пищевая промышленность.
Железнодорожный транспорт.

Оборудование для сварки трением с перемешиванием

Чаще всего сварки трением с перемешиванием применяется при соединении медных сплавов. Примером можно назвать получение контейнеров, которые можно использовать для хранения ядерных отходов и ответственных деталей.

Преимущества

Рассматриваемый метод характеризуется довольно большим количеством достоинств. Перемешивая заготовки трением можно получить качественный шов. Качество сварки трением перемешиванием повышается при использовании различных инструментов. Преимуществами можно назвать следующие моменты:

Заготовки не нужно тщательно подготавливать. Если рассматривать контактную и другую технологию, то перед непосредственной обработкой поверхность должна быть тщательно очищена от различных загрязнений и быть ровной. В противном случае качество шва будет низким, достигнуть требуемой герметичности не получится. В рассматриваемом случае достаточно очистить поверхность от крупных и сильно проявляющихся загрязнений.
Не возникает необходимости в особой подготовке кромок. Некоторые технологии предусматривают снятие поверхностного слоя металла и проведение некоторых технологических операций, которые позволят существенно повысить прочность соединения.
Есть возможность провести соединение металла, который нельзя обработать обычным способом. Примером можно назвать материалы, не подающиеся обычным методам сварки. При этом необходимость в предварительном подогреве зоны обработки практически не возникает.
Прочность получаемого соединения достаточно высока. Именно поэтому технология может применяться для получения ответственных изделий с различной областью применения.
Нет необходимости в использовании присадочной проволоки. Этот момент существенно снижает себестоимость проводимой работы.
В месте соединения зернистость мелкая. За счет этого повышается плотность сварочного шва и его устойчивость к различного рода воздействия.
Отсутствие пор также благоприятно сказывается на качестве полученного соединения. Это свойство можно связать с тем, что при сильном нагреве проводится выделение различных газов и веществ, которые и становятся причиной образования пористости.
Практически полное отсутствие признаков коробления и термической деформации определяет то, что финишная обработка требуется крайне редко.
После проведения сварочных работ при сварке трением с перемешивание изделие практически сразу готово к применению. При этом нет необходимости в проведении каких-либо подготовительных действий.
Не повышается степень реакции поверхности на воздействие окружающей среды. Другими словами, материал не покрывается коррозией.
При проведении процедуры на момент сварки трением с перемешиванием не образуется токсичных газов или других выделений. Кроме этого, более распространенные методы, основанные на воздействии тока, приводят к образованию электрической дуги, которая оказывает негативное воздействие на оператора и окружающих при условии отсутствия специальных средств индивидуальной защиты.
Уменьшается продолжительность производственного цикла примерно на 50% в сравнении с другими распространенными способами.
Экономия на количестве потребляемой энергии составляет 20%.

Как ранее было отмечено, получение бездефектных швов на сплавах определило широкое распространение сварки трением с перемешиванием. Примером можно назвать получение кузовных деталей.

Недостатки

У проводимой процедуры также есть несколько недостатков, которые нужно учитывать. Примером можно назвать возможность нарушения сплошности шва. Кроме этого, некоторые сплавы в меньшей степени подвержены воздействию силы трения.

Совершенствование рассматриваемого способа определило то, что на поверхности шва образуются дефекты в самых крайних случаях. Чаще всего это случается при нарушении технологии и использовании низкокачественного инструмента.

Технологические возможности у рассматриваемой процедуры довольно обширны. Примером назовем следующие моменты:

Автоматизация процесса.
Получение качественных изделий при несущественных финансовых затратах.
Получение шва без сильного наплыва металла.

Сварка меди и стали

Как ранее было отмечено, сварка трением с перемешиванием сегодня активно развивается. Именно поэтому в будущем может появится оборудование с более высоким показателем производительности.

Особенности формирования соединений при применении СТП

Как ранее уже было отмечено, сварка трением с перемешиванием характеризуется достаточно большим количеством особенностей. Среди ключевых моментов, касающихся формирования соединения, можно отметить нижеприведенную информацию:

Нагрев металла проводится постепенно до температуры, которая не приводит к изменению основных свойств.
Температура повышается только в одном локальном месте. За счет этого обеспечивается высокое качество получаемого соединения.
При соблюдении рекомендаций по проведению рассматриваемой процедуры дефекты возникают крайне редко. Именно поэтому в большинстве случаев достаточно провести визуальный осмотр места соединения для контроля качества.

Современное оборудование позволяет получать минимальный шов, которые после финишной обработки практически незаметен. Обширное распространение рассматриваемого метода также можно связать с тем, что она подходит для работы с труднообрабатываемыми металлами.

Сварка трением с перемешиванием – активно развивающаяся технология, которая сегодня все чаще внедряется в различное производство.

Читайте также: