Сварка трением (стр. 2 из 3)
Рис.2. Схемы процесса сварки трением: 1 - свариваемые детали; 2 - вставка; 3 - зона сварки
Под действием сжимающего усилия происходит вытеснение металла из стыка и сближение свариваемых поверхностей (осадка). Контактные поверхности оказываются подготовленными к образованию сварного соединения: металл в зоне стыка обладает низким сопротивлением высокотемпературной деформации, оксидные пленки утонены, частично разрушены и удалены, соединяемые поверхности активированы. После торможения, когда частота вращения приближается к нулю, наблюдается некоторое понижение температуры металла в стыке за счет теплоотвода.
Сварка трением позволяет получить прочные соединения не только изодно-именных, но и из разноименных металлов и сплавов, даже таких, теплофизические характеристики которых резко различны. Основными типами сварных соединений при сварке трением являются: стыковые соединения стержней и труб, соединения стержней и трубы с плоской поверхностью.
2.1 Машинная сварка трением
Машины для сварки трением обычно содержат следующие основные узлы (рис. 3): привод вращения 1 шпинделя с ременной передачей 2; фрикционную муфту 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; переднюю бабку 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; заднюю бабку 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравлические цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) давления машины; пневматическую, пневмогидравлическую или гидравлическую схему управления силовым приводом машины; шкаф управления.
Рис. 3. Принципиальная конструктивно-кинематическая схема машины для сварки трением
В большинстве машин в состав привода вращения входят трехфазный асинхронный электродвигатель, клиноременная передача с зубчатым ремнем. В машинах для микро- и прецизионной сварки, шпиндель которых должен развивать очень высокую частоту вращения (80-650 с-1), в качестве привода применяются пневматические турбины, которые характеризуются быстрым разгоном и торможением, позволяют обходиться без передачи при помощи непосредственного сочленения вала со шпинделем машины.
Машины для сварки трением
Первая машина для сварки металлов трением «МСТ-1» была разработана во и внедрена для сварки заготовок инструмента на Сестрорецком инструментальном заводе в 1959 г. В Институте разработано несколько десятков типоразмеров оборудования, в том числе ряд «МСТ-23», «МСТ-35», «МСТ-41» и «МСТ-51» с пневмогидравлическим приводом мощностью от 10 до 75 кВт, охватывающий диапазон свариваемых диаметров стальных заготовок от 10 до 70 мм, и ряд «МСТ-0401», «МСТ-2001», «МСТ-6001», «МСТ-120.01» с гидравлическим приводом мощностью от 4 до 160 кВт и диапазоном диаметров свариваемых стальных изделий от 5 до 120 мм.
Организован выпуск первого ряда машин на Волковысском заводе литейного оборудования, машины «МСТ-2001» – на Гомельском станкостроительном заводе и «МСТ-120.01» – на Краматорском заводе тяжелого станкостроения.
В настоящее время в ОАО «Институт сварки России» изготовлен экспериментальный макет, который после отладки будет использован для исследования технологии сварки трением перемешиванием.
2.2 Материалы, используемые для сварки
Сварочная проволока
Проволока маркируется индексом Св. (сварочная) и следующих за ним букв и цифр. Буквами обозначены химические элементы, содержащиеся в металле проволоки: А — азот (только в высоколегированных проволоках), Г — марганец, С — кремний, X — хром, Н — никель, М — молибден, Т — титан, Ю — алюминий, Ц — цирконий и др. Первые две цифры, следующие за индексом Св. указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после букв — содержание данного элемента в процентах. Отсутствие цифры после буквенного обозначения легирующего элемента означает, что этого элемента в проволоке менее одного процента. Буква А на конце обозначений марок низкоуглеродистой и легированной проволоки указывает на пониженное содержание вредных примесей (серы и фосфора). Например, сварочная проволока марки Св-08ХГ2С содержит 0,08% углерода, до 1 % хрома, до 2% марганца и до 1 % кремния.
Металлические электроды
Металлические электроды изготовляют по ГОСТ 9466—75 «Электроды, покрытые металлические для ручной дуговой сварки и наплавки. Классификация, размеры и общие технические требования». Электроды классифицируют по назначению, типу, маркам, толщине покрытия, качеству, допустимым пространственным положениям сварки или наплавки и т.д. По качеству (точность изготовления, состояние поверхности покрытия, сплошность металла шва, содержание серы и фосфора в наплавленном металле) электроды подразделяются на три группы: 1, 2, 3.Покрытие электрода должно быть однородным, плотным, прочным, без трещин, вздутий, наплывов и эксцентричности относительно оси стержня. Допускаются шероховатость и отдельные риски глубиной менее четверти толщины покрытия, вмятины глубиной до половины толщины покрытия и другие мелкие дефекты. Прочность покрытия испытывают следующим образом: при падении плашмя на стальную плиту с высоты 1 м электродов диаметром менее 4 мм и с высоты 0,5 м электродов диаметром 4 мм и более покрытие не должно разрушаться. Влагостойкость покрытия проверяют погружением электрода в воду и выдержкой в течение 24 ч при температуре 15...25°С.Электроды упаковывают в водонепроницаемую бумагу или полиэтиленовую пленку; пачки массой 3...8 кг укладывают в деревянные ящики. Масса ящика 30...50 кг. На каждой пачке имеются этикетка, содержащая наименование предприятия-изготовителя, условное обозначение электродов, область их применения, режимы сварки, механические и специальные свойства металла шва и др. Тип электрода обозначается буквой Э и цифрой, указывающей гарантируемый предел прочности металла шва в кгс/мм2. Буква А в обозначении указывает, что металл шва, наплавленный этим электродом, имеет повышенные пластические свойства. Такие электроды применяют при сварке наиболее ответственных швов. Каждому типу электрода соответствует несколько марок, на каждую из которых разработаны технические условия. Например, типу Э42 соответствуют электроды ОММ-5, ЦМ-7, МЭЗ-04 и др. Марка электрода — это его промышленное обозначение, характеризующее стержень и покрытие.
2.3 Преимущества и недостатки сватки трением
Преимущества
Строго локализованное тепловыделение в приповерхностных слоях деталей при сварке трением является главной особенностью этого процесса, предопределяющей его энергетические и технологические преимущества, к которым в первую очередь относят: высокую производительность. Объем тонкого слоя нагреваемого металла настолько незначителен, что весь цикл его нагрева обычно укладывается в весьма малый промежуток времени — от нескольких секунд до 30 секунд (в зависимости от свойств материала и размеров сечения свариваемых деталей); это определяет высокую производительность процесса сварки трением; конкурировать с нею в этом отношении может лишь электрическая контактная стыковая сварка. Высокие энергетические показатели процесса. Локальное генерирование тепла и малые объемы нагреваемого при сварке трением металла обусловливают весьма высокий коэффициент полезного действия процесса сварки трением; расход энергии и мощности при сварке трением в 5—10 раз меньше, чем, например, при электрической контактной сварке встык (рис. 37).
Высокое качество сварного соединения. При правильно выбранном режиме сварки металл стыка и прилегающих к нему зон обладает прочностью и пластичностью, не меньшими, чем основной металл соединяемых деталей; стык свободен от пор, раковин, различного рода инородных включений и других макропороков, а металл стыка и зон термического влияния в результате ударного термомеханического воздействия (быстрые нагрев и охлаждение в присутствии больших — в несколько сотен атмосфер — давлений), по своему характеру близкого к режимам термомеханической обработки металлов, приобретает равноосную и сильно измельченную структуру (рис. 38).
Стабильность качества сварных соединений. Детали, сваренные трением при одном и том же режиме, отличаются повторяемостью механических свойств; варьирование временного сопротивления, угла изгиба, величины ударной вязкости и других показателей в партии деталей, сваренных на неизменном режиме, не превышает 7—10%. Это позволяет обоснованно применять выборочный контроль качества партии деталей, что особенно важно при отсутствии в настоящее время простых, надежных и дешевых методов неразрушающего контроля стыковых соединений, пригодных для использования в условиях сварочных цехов. Независимость качества сварных соединений от чистоты их поверхности. При сварке трением нет необходимости в зачистке перед началом процесса вводимых в контакт поверхностей; в отличие, например, от контактной сварки боковые поверхности деталей 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, причем даже таких, которые другими способами сварки либо вовсе не получаются, либо их получение сопряжено с большими трудностями. Изучены и освоены в промышленном производстве такие, например, сочетания разноименных материалов, как алюминий со сталью, медь со сталью, титан с алюминием, медь с алюминием и другие. Гигиеничность процесса. Сварку трением от других видов сварки выгодно отличает гигиеничность процесса: отсутствие ультрафиолетового излучения, вредных газовых выделений и горячих брызг металла. Простота механизации и автоматизации. Сварку трением выполняют на специальных машинах; основные параметры процесса сравнительно легко программируются, и, как правило, все оборудование представляет собой либо полуавтоматы с минимальным использованием ручного труда, либо автоматы, работа которых протекает без участия человека.