Сварка трением

Развитие промышленности во всем мире, особенно современных отраслей, таких как авиация, космонавтика, автомобилестроение, требует использования современных методов соединения элементов конструкций, даже из не поддающихся классическому свариванию разнородных сталей. Одним из таких методов является сварка трением.

В процессе сварки трением неразъемно соединяются различные материалы, причем необходимое для проведения сварочного процесса тепло возникает за счет преобразования механической энергии в тепловую, как результат трения в зоне взаимного контакта свариваемых объектов.

Технология процесса

Предварительный этап. Одной из заготовок придается вращение с большой скоростью. При этом к ней с определенной силой прижимается второй элемент.

Фаза трения. Контактные поверхности нагреваются за счет относительного движения (вращения) и оказываемого давления.

Фаза давления. Вращение прекращается, а давление увеличивается. Расплавившийся материал деталей теперь может соединяться между собой путем взаимопроникновения жидкостей.

Фаза закалки. На обе части детали все еще оказывается давление, и они медленно охлаждаются.

Такая форма сварочного процесса позволяет соединять даже необычные комбинации материалов, например:

• меди и алюминия;
• меди и нержавеющей стали;
• алюминия и нержавеющей стали;
• обычной стали и нержавеющей стали;
• углеродистой и нержавеющей стали;
• титана и алюминия;

и многих других.

Сварка трением – способы соединения

Разработано несколько способов сварки, использующих теплоту трения между элементами для создания неразрывного соединения.

Роторная сварка трением RFW (Rotary Friction Welding)

Ротационный метод — самый старый и распространенный способ сварки трением, он применяется для соединения легко приводимых во вращение элементов круглого сечения: валов, осей, стержней, труб и т. д.

LFW (сварка линейным трением)

Линейная сварка трением — процесс, при котором один компонент линейно вибрирует с высокой скоростью и прижимается к другому неподвижному компоненту. Тепло, выделяющееся при трении, равномерно нагревает компоненты. После нагрева колебательное движение прекращается, и, при все еще приложенном давлении, образуется сварной шов, прочно соединяющий элементы.

Благодаря этому методу можно соединять детали различной геометрии, например, пластину с пластиной, трубу с пластиной, полосу с полосой, вал с полосой, трубу с полосой, все формы с пластиной и другие конфигурации.

Линейная сварка трением с перемешиванием FSW (Friction Stir Welding)

При сваривании таким методом для соединения элементов используется специальный цилиндрический инструмент со штифтом и буртиком. Инструмент приводится в быстрое вращение и проникает в область соединения двух сквозных компонентов. Эти элементы должны быть правильно закреплены, чтобы они не могли раздвинуться.

При трении инструмента о поверхность соединения выделяется тепло. Его действие приводит к тому, что поверхности соединяемых элементов размягчаются (но не плавятся), и инструмент может перемещаться по линии соединения. Пластифицированный металл свариваемых деталей отбрасывается к задней кромке штифта инструмента, где за счет взаимодействия фланца и штифта происходит перемешивание материала обоих соединяемых элементов. Охлаждаясь, такая смесь создает прочную связь между деталями.

Существует две разновидности метода FSW: линейная сварка и точечная сварка. При первом получается линейный сварной шов, позволяющий соединять элементы различной геометрии, в стык можно соединить листы и различные тонкостенные элементы, а также трубы и профили различной формы. Точечная сварка FSW позволяет соединять листы между собой внахлест, сплошной шов отсутствует, элементы соединяются точечно. Первая разновидность отличается высокой прочностью, вторая – скоростью сварки, гибкостью получившегося соединения.

Благодаря тому, что процесс СТП протекает при температуре ниже температуры плавления соединяемых материалов, удается добиться снижения внутренних напряжений в соединяемых элементах по сравнению, например, с классической сваркой.

Температура продукта, ближайшего к месту соединения, достигает максимум 500°C на доли секунды, а затем быстро остывает.

Этот метод разработан для соединения трудносвариваемых материалов, таких как: алюминиевые сплавы, алюминиево-литиевые сплавы, свинец, магний, титан. Он используется в аэрокосмической промышленности, для производства космических ракет, реакторов и в других ответственных случаях.

Преимущества сварки трением

Современная аппаратура для сварки трением обеспечивает высокую повторяемость результатов сварки, а также удобство управления и контроля качества в ходе сварочного цикла. Характеризуется простотой эксплуатации и легкой автоматизацией производственного процесса. Рассмотрим, какие преимущества может предложить рассматриваемая технология.

• Очень короткое время цикла (несколько секунд).
• Идеально подходит для массового производства.
• Экономия дорогостоящего материала при использовании биметаллических компонентов (например, сверл – HSS/MCS).
• Никакой подготовки кромок, наполнителя, защитного газа, при этом нет образования брызг, дыма или радиации.
• Отличное качество сварки: соединение такое же прочное, как у цельного материала.
• Можно сваривать самые разные металлы: медь с алюминием, медь или алюминий со сталью, титан с нержавеющей сталью и т. д.
• Не требует обязательного удаления оксидного слоя.
• Предварительная и последующая обработка требуется только для некоторых цветных металлов и некоторых легированных сталей.
• Высокая производительность при коротком времени цикла.
• Процесс экологически чистый.
• Никакого дыма, шлака или расходных материалов, таких как газ, флюс или наполнитель.
• Можно сваривать детали различных форм: шестиугольные, квадратные, эллиптические и т. д.
• Низкое энергопотребление по сравнению с другими сварочными процессами.
• Мониторинг сварных швов обеспечивает 100% контроль качества процесса.