Сварка трением. 2

Федеральное агентство по образованию

ГОУ  ВПО «Уральский Государственный  Технический Университет – УПИ  имени первого Президента РФ Б.Н. Ельцина»

Кафедра «Технология сварочного производства»

Реферат на тему:

«Сварка трением»

Преподаватель:       

Студент:                                                                           

Группа:                                                                             

Екатеринбург

2012

Содержание

1 Сварка трением

1.1 Машинная сварка трением

1.2 Материал используемый для сварки трением

1.3 Преимущества и недостатки сварки трением

1.4 Оборудование для сварки  трением

1.5 Выборы параметров режима  сварки трением

2 Применение сварки трением

Список литературы

1 Сварка трением

Сварка трением это  разновидность сварки давлением, при  которой нагрев осуществляется трением, вызванным перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия (рисунок 1).Она происходит в твердом состоянии при воздействии теплоты, возникающей при трении поверхностей свариваемого изделия.

Рисунок 1. Схема сварки трением

Процесс образования сварного соединения:

1) вследствие действия  сил трения сдираются оксидные  плёнки;

2) наступает разогрев  кромок свариваемого металла  до пластичного состояния, возникает  временный контакт, происходит  его разрушение и высокопластичный металл (металл шва) (см.рисунок 1) выдавливается из стыка;

3)прекращение вращения  с образованием сварного соединения.

Сварка трением это  разновидность сварки давлением, при которой механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в тепловую; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой (рис2, а) или вставки между деталями (рис. 2, б, в), при возвратно-поступательном движении деталей в плоскости стыка с относительно малыми амплитудами и при звуковой частоте (рис. 2, г). Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения.

В зоне стыка при сварке протекают различные процессы. По мере увеличения частоты вращения свариваемых  заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение жировых  пленок, присутствующих на них в  исходном состоянии. Граничное трение уступает место сухому. В контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи и немедленно разрушаются вследствие относительного движения поверхностей. Этот процесс происходит непрерывно и сопровождается увеличением фактической площади контакта и быстрым повышением температуры в стыке. При этом снижается сопротивление металла деформации, и трение распространяется на всю поверхность контакта. В зоне стыка появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала, и трение из сухого становится граничным.

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.

1.1 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.

1.2 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.

1.3 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.

Недостатки

Сварка трением не является универсальным процессом. С ее помощью могут осуществляться соединения лишь таких пар деталей, из которых хотя бы одна является телом вращения (круглый стержень или труба), ось которого совпадает с осью вращения; при этом другая деталь может быть произвольной формы, но должна иметь плоскую поверхность, к которой приваривается первая деталь. Этот недостаток, однако, несущественно ограничивает применяемость сварки трением; анализ характера производства показывает, что в машиностроительных отраслях промышленности количество деталей круглого сечения составляет до 50—70% от общего числа свариваемых деталей. Некоторая громоздкость оборудования, в результате чего процесс не может быть мобильным; процесс осуществим лишь при условии подачи заготовок, подлежащих сварке, к машине (приварка малых деталей к массивным конструкциям с помощью переносных машин исключается). Искривление волокон текстуры проката в зоне пластического деформирования — волокна близ стыка располагаются в радиальных направлениях и выходят на наружную (боковую) поверхность сваренной детали. В деталях, работающих в условиях динамических нагрузок, стык с таким расположением волокон может оказаться очагом усталостного разрушения, а в других деталях, работающих в агрессивных средах, — очагом коррозии. Лучшим средством предотвращения указанных дефектов является сохранение на детали грата. Другие средства борьбы с этими нежелательными явлениями могут значительно увеличить стоимость изготовления детали. Следует также указать на неудобства, связанные с необходимостью съема грата, когда это по конструктивным соображениям оказывается необходимым. На это затрачивается добавочное время либо на сварочной машине, либо на отдельном рабочем месте.

Особенности образования  соединения при сварке трением. Несмотря на кажущуюся простоту, процесс сварки металлов трением в действительности весьма сложен и многообразен; он подчинен многим закономерностям, так как в нем соседствуют и взаимодействуют такие явления, как тепловыделение и износ поверхностей при трении; непрерывное образование и немедленное же разрушение металлических связей между сопряженными поверхностями в процессе их относительного движения; почти мгновенный нагрев и очень быстрое охлаждение малых объемов металла в присутствии очень больших (достигающих тысячи атмосфер) удельных давлений; упругопластические деформации в микрообъемах выступов шероховатых поверхностей и в макрообъемах слоев металла, прилегающих к этим поверхностям; наклеп и рекристаллизация металла; взаимная диффузия, а также внедрение макроскопических частиц металла одной из свариваемых деталей в тело другой и др.

Теория сварки трением  сложна и далеко еще не разработана. Однако выполненные уже исследования позволяют представить качественную картину явлений, происходящих в  стыке при сварке.

1.4 Оборудование для сварки трением

В состав оборудования для сварки трением могут входить: машина для  сварки трением, микро-ЭВМ, с программами  параметров режима, станок для снятия грата, роботы или манипуляторы для  загрузки-выгрузки и транспортирующие устройства.

Ниже рассматриваются только машины для сварки трением с непрерывным  приводом и инерционной сварки трением, получившие наибольшее применение в  промышленности.

Рис. 7.12. Принципиальная схема машины для сварки трением с непрерывным приводом: 1 — станина; 2 — привод шпинделя; 3 — передняя бабка; 4 — траверса; 5 — задняя стойка; 6 — направляющие штанги; 7 — гидравлические цилиндры осевого нагружения; 8 — шпиндель; 9 — зажимной патрон вращающейся заготовки; 10 — зажимное устройство неподвижной заготовки; 11 — свариваемые заготовки; 12 — пульт управления; 13 — упор для неподвижной заготовки

Исходными данными при выборе оборудования являются: параметры режима сварки трением; необходимая мощность привода шпинделя; размеры свариваемых заготовок; требуемая производительность процесса.

Мощность привода определяют по формуле N_дв = N_удS, Вт (здесь S — площадь свариваемого сечения в мм; N_уд = 20 Вт/мм).

Кинематические схемы машин  СТ, выпускаемых в настоящее время, различны. Наиболее распространенная представлена на рисунке 7.12.

Мировой парк машин СТ имеет десятки модификаций и к настоящему времени насчитывает ~ 4500.

1.5 Выбор параметров  режима сварки трением

Частота вращения является одним из главных регулируемых параметров. При увеличении п толщина пластифицированного слоя уменьшается, слой становится более однородным, динамические прочностные характеристики соединения повышаются.

Частота вращения подсчитывается по оптимальной v, м/с: для черных металлов 2,6...3, для алюминия и меди ~ 2, для титана 4...5.

Удельное давление притирки назначается для улучшения условий работы машины сварки трением. Обычно P_п = (0,15-0,20)Р_н. Для углеродистых сталей Р_п = 10 МПа. Время притирки t_п = (1-3) с.

Удельное давление нагрева Р_н при сварке трением углеродистой и низколегированной сталей выбирают в пределах 30...60 МПа, жаропрочных и инструментальных 60... 120, алюминиевых сплавов 7...23, алюминия с медью 40...60, алюминия с коррозионностойкой сталью 6,4...12,2 и титановых сплавов <= 18 МПа.

Как показывает практика, при сварке металлов в однородном сочетании  Р_н можно изменять в очень широких пределах, получая при этом достаточно высокое качество сварного соединения. При сварке трением разнородных металлов оптимальное значение Р_нследует выбирать из условия получения скорости деформации и, обеспечивающей одинаковую степень деформации обеих заготовок.

Удельное давление проковки назначают  с учетом пластических свойств свариваемых материалов. Обычно Р_пр = (1—3)Р_н. При сварке трением алюминия с коррозионностойкой сталью Р = (8,0-10 0)Р_н (МПа), t= (1,5-3,0) с.

Следует отметить, что на прочностные  свойства соединения наибольшее влияние  оказывает момент приложения Р_пр, а не его абсолютная величина: Р_пр должно быть приложено в тот момент, когда w снизилась и составляет 1/3 первоначальной, но не позже чем через 0,05 с после остановки шпинделя.

Систематизированные значения Р_н, Р_пр, n, t_н и t_пр для конкретных марок материалов приведены во многих работах.

Время нагрева оказывает решающее влияние на циклическую прочность и ударную вязкость сварного соединения, особенно при сварке трением разнородных материалов. Время нагрева следует определять экспериментальным путем для конкретной пары заготовок по кривой М_тр(t) при ранее выбранных значениях v и Р_н. Оптимальным следует считать t_н, равное интервалу от начала сварки (окончания стадии притирки) до начала пятой фазы. Увеличение tH приводит к росту зерна и образованию в зоне соединения видманштеттовой структуры.

Время торможения должно быть достаточно коротким, чтобы пластическое течение металла из зоны соединения не успело приобрести устойчивый характер. Интенсивное течение металла и быстрое охлаждение делают невозможным релаксацию напряжений в зоне соединения, что приводит к уменьшению прочности или разрушению соединения сразу же после завершения процесса сварки. Время торможения следует назначать из условия, чтобы E_т >= 2500 рад/с².

2 Применение сварки трением

Расчеты и опыт практического  применения сварки трением показывают, что ее пока целесообразно применять  для сварки деталей диаметром  от 6 до 100 мм. Наиболее эффективно применение сварки трением для изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривающихся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием, аустенитных сталей с перлитными. Эффективно применение сварки трением и для соединения пластмассовых заготовок.

Сварка трением иногда используется для заварки днища  у баллона для сжатых газов. Отрезок  цельнотянутой стальной трубы с  предварительно нагретым концом насаживают на быстровращающуюся оправку. К  вращающейся заготовке приближают обжимку, осаживающую металл и придающую  ему полусферическую форму днища  баллона. При быстром вращении заготовки  осаживаемый металл быстро разогревается  трением между обжимкой и заготовкой в процессе осадки; его температура  не снижается, а растет за счет механической работы сил трения. В результате трения металл днища сильно разогревается  и осаживается с образованием утолщения. Для соединения круглых  цилиндрических стержней или трубок детали закрепляют в зажимах машины и приводят в соприкосновение  торцами. Одна деталь остается неподвижной, другая приводится во вращение со скоростью 500- 1500 об/мин и все время прижимается к неподвижной детали. Вследствие трения торцы деталей быстро разогреваются и через короткое время доводятся до оплавления; автоматически выключается фрикционная муфта, прекращая вращение шпинделя; затем производится осевая осадка деталей. В ряде случаев способ оказался весьма эффективным. Он отличается высокой произво-дительностью (машинное время для разных деталей 1,5-50 сек),высоким качеством и стабильностью сварки, поскольку процесс автоматизирован, все параметры (число оборотов, усилие осадки, время сварки) отличаются большим постоянством. Способ весьма экономичен и обладает высоким к. п. д. Потребление электрической мощности 15-20 вт/мм², а потребление электроэнергии в 7-40 раз меньше, чем при контактной электросварке; нагрузка трехфазной сети, питающей приводной электродвигатель, вполне равномерна; cos f = 0,8.Способ позволяет сваривать разнородные металлы (алюминий с медью, алюминий со сталью, медь со сталью и пр.). Ширина зоны влияния сварного соединения не более 2-3 мм. Особенно эффективна сварка заготовок металлорежущего инструмента сверл, метчиков и т. д. из углеродистой и быстрорежущей стали.

Примеры применения сварки трением 

В последующие годы в стране стали применяться: сварка ультразвуком, электронно-лучевая, плазменная, диффузионная, холодная сварка, сварка трением и  др. Большой вклад в развитие сварки внесли учёные нашей страны: В.П.Вологдин, В.П.Никитин, Д.А. Дульчевский, Е.О. Патонов, а также коллективы Института электросварки имени Е.О. Патонова, Центрального научно-исследовательского института технологии машиностроения, Всесоюзного научно-исследовательского и конструктивного института автогенного машиностроения, Института металлургии имени А.А. Байкова, ленинградского завода «Электрик» и др.Сварка во многих случаях заменила такие трудоёмкие процессы изготовления конструкций, как клёпка и литьё, соединение на резьбе и ковка. Преимущество сварки перед этими процессами следующие:

· экономия металла - 10...30% и  более в зависимости от сложности  конструкции;

· уменьшение трудоёмкости работ, сокращение сроков работ и  уменьшение их стоимости;

· удешевление оборудования;

· возможность механизации  и автоматизации сварочного процесса;

· возможность использования  наплавки для восстановления изношенных деталей;

· герметичность сварных  соединений выше, чем клепаных или  резьбовых;

· уменьшение производственного  шума и улучшение условий труда  рабочих.

Мировой опыт применения сварки трением позволяет сделать вывод, что этот вид сварки - один из наиболее интенсивно развивающихся технологических  процессов, особенно в странах с  высоким уровнем развития промышленности.

Список используемой литературы

1. Сварка. Том 1. Развитие  сварочной технологии и науки  о сварке. Технологические процессы, сварочные материалы и оборудование. Комов В.В , 1990. - 536 с.

2. Сварка. Том 2. Теоретические  основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство. Комов В.В, 1995. - 494 с.

3.Ольшанский Н.А. , Николаев  Г.А. «Специальные методы сварки».  М. , “Машиностроение ” , 1999. 232 с.

4. «Теоретические основы  сварки». М., Высшая школа, 2004. 592стр.

5. Герасименко А.И., «Справочник электросварщика», Профессиональное мастерство, 2009 . 271с.