Proces třecího svařování a jeho vlastnosti

Třecí svařování je druh tlakového svařování (GOST R ISO 4063-2010), při kterém je roztavení spojovaných povrchů dosaženo přeměnou mechanické energie třecí síly součástí na tepelnou energii.

Nejprve se povrchy dílů zahřejí a nataví od vzájemného tření v důsledku rotace nebo vratného pohybu vůči sobě, poté se díly těsně přitlačí k sobě tlakem 50-450 MPa a vytvoří se svarový spoj při kontaktní bod, jehož kování je dosaženo zastavením tření a chlazením švu pod stálým tlakem.

Rozsah a druhy třecího svařování

Třecí svařování se používá pro následující operace:

• sloučeniny kovů a slitin s bodem tání do 1800 stupňů;
• svařování plochých dílů stejné tloušťky pod rozvinutým úhlem;
• podélné svařování trubek;
• výroba šroubů;
• náhradní pájení malých dílů s obrobenými plochami.

Třecí svařování je vhodné pro spojování znečištěných dílů, protože nevyžaduje jejich předběžné čištění – oxidový film a tukové usazeniny se odstraní na začátku vzájemného tření spojovaných ploch.

Sochory vyrobené z hliníku, titanu a slitin obsahujících hořčík se díky své tavitelnosti dobře hodí pro třecí svařování.

Existují následující hlavní typy třecího svařování:

Druh svařování se volí v závislosti na účelu hotového výrobku a technologických možnostech výroby.

Schéma třecího svařování

Vibrační svařování

Touto technologií se svařují díly z nízkotavitelných kovů a slitin. Jedna část je nehybně nehybná a druhá má vratné pohyby se současným přitlačováním k první části, v důsledku čehož se kov na spoji částí zahřívá, taví a míchá, čímž se vytváří homogenní svarový spoj.

Pro vibrační svařování je vyžadováno vybavení:

Nejprve je třeba díly připravit ke svařování – odstranit rez a vybrousit velké nerovnosti (oxidový film se odstraňuje třením při procesu svařování).

Dále je první část upnuta k základně a druhá část je připojena ke klikovému hřídeli motoru, přičemž amplituda kmitání klikového hřídele by měla být 0,3-0,7 délky svařovací linie.

Po upevnění dílů se zapne motor s klikovým hřídelem, díly se zahřejí od tření, nastaví se do požadované polohy a na několik sekund přitlačí proti sobě hydraulickou instalací, poté se tlak sníží, šev se ochladí dolů a zpracovává se od otřepů.

za míchání

Při svařování kovů za míchání jsou oba díly nehybně fixovány a tření o taveninu je vytvářeno rotujícím čepem ze žáruvzdorné slitiny, který se plynule pohybuje po svařovací lince a promíchává horký povrch dílů a zanechává rovnoměrný šev.

Svařování mícháním vyžaduje:

• plochá základna;
• díly a přípravky;
• žáruvzdorný čep s osazeními a elektrickým pohonem.

Díly jsou nehybně upevněny na základně a dotýkají se svařovaných ploch. Čep se začne otáčet rychlostí 600 ot./min., načež se zanoří kolmo k linii svařování mezi díly, dokud se ramena nedotknou povrchu dílů. Kolem rotačního čepu je vytvořena oblast s roztaveným kovem obou částí.

Při dalším otáčení se čep pohybuje podél svařovací linie a mísí kov na spoji dílů. Po průchodu čepu se kov ochladí a vytvoří se svar, vyrovnaný nahoře s osazeními. Na konci svařovací linky je čep odstraněn z dílů a ponechán otvor. Díl se ochladí, otvor se uzavře zátkou z materiálu dílů a šev se začistí.

Radiální

Pro spojování trubek se používá radiální svařování. Šev je vytvořen z vnějšího kovového prstence, který je pevně přitlačen k rotujícím trubkám, taví se třením a mísí se s kovem trubek v místě jejich spojení.

Pro radiální svařování budete potřebovat trubkové a spojovací kroužky a motor pro otáčení dílů. Proces svařování zahrnuje následující kroky:

1. Dva úseky potrubí jsou spojeny průřezy, které je třeba svařita upevněné v motoru.
2. Kovový kroužek je upevněn v místě budoucího svaru.
3. Trubky se začnou otáčet.
4. Spojení trubek a prstence je roztaveno.
5. Rotace se zpomalí a vytvoří se svar.

Kroužek musí být vyroben ze stejného kovu jako trubky. Radiální svařování nevyžaduje dodatečný tlak na díly, ale spotřebovává se kov pro šev (kroužek).

Orbitální

Při orbitálním svařování dochází k natavení povrchů dílů vlivem tření od jejich vzájemné rotace, nikoli však kolem jejich os, ale kolem zvolené osy offsetu, díky čemuž je tření intenzivnější a díly se rychleji zahřívají.

Technologie a postup svařování jsou stejné jako u lineárního svařování, pouze místo pohybu součásti klikovým hřídelem je rotace souosá s rotorem motoru.

Tento typ svařování není vhodný pro trubky a jiné díly s dutinami uvnitř svařovací linky.

Schéma orbitálního svařování

inerciální

Inerciální třecí svařování je druh radiálního svařování, při kterém se točivý moment z motoru na pohyblivou část nepřenáší přímo, ale přes setrvačník, čímž se šetří energie.

Inerciální svařování probíhá takto:

1. Pohyblivá část je upevněna v setrvačníku.
2. Motor roztočí setrvačník a zhasne.
3. Rotující ruční kolo s obrobkem se pohybuje směrem ke stacionárnímu obrobku.
4. V místě kontaktu dochází k tavení.
5. Setrvačnost se zastaví třením a vznikne svar.

Setrvačný setrvačník musí být pro každý typ svařovaných dílů seřízen tak, aby jeho doba otáčení byla dostatečná k roztavení dílů. Rychlost setrvačníku se pohybuje mezi 0,28-11,1 m/s.

s nepřetržitým pohonem

Plynulý pohon se používá u radiálních, inerciálních a orbitálních typů svařování. Podstata metody spočívá v tom, že se pro výměnu každé části nezpomaluje rotace motoru a při použití setrvačníku se odpojí od osy motoru bez jeho zastavení.

Technologie svařování s plynulým pohonem je dána konkrétním typem svařování a šetří čas na startování a vypínání motoru. Vhodné pro výrobu dopravníků stejného typu dílů, ale vyžaduje mechanismus pro automatickou výměnu obrobků.

Volba režimu svařování

Každý z popsaných typů svařování má několik režimů, které se liší rychlostí otáčení pohyblivých částí, silou sevření obrobků a tloušťkou svařovaného prstence (pro radiální svařování). Fyzikální parametry režimů jsou určeny technologií konkrétní výroby a konvenčně lze všechny režimy třecího svařování rozdělit do tří:

Třecí svařování při nízkých rychlostech otáčení nebo tření dílů se používá při vysoké viskozitě svařovaných materiálů (např. měděných přířezů) a také při riziku poškození vláknité struktury dílu. Vysoké rychlosti tření se používají při svařování nízkotavitelných kovů a slitin mícháním a vysokého tlaku podél osy rotace při svařování dílů bez dutin (pevných) pomocí kontinuálního pohonu.

Výhody a nevýhody metody

Výhody třecího svařování jsou:

• nižší spotřeba energie ve srovnání s jinými druhy svařování;
• málo závad (póry, skořápky);
• jednotná struktura svaru;
• schopnost přesně řídit proces;
• nízké množství škodlivých emisí;
• vysoká míra využití kovu;
• možnost automatizace procesu.

• omezená použitelnost;
• objemné vybavení;
• omezená připojovací plocha.

Aplikace metody je obtížná při svařování nehomogenních dílů různé tloušťky, navíc vzhledem ke složitosti použitých mechanismů je třecí svařování téměř nemožné použít při práci v terénu a pro urgentní opravy.

plastické vlastnosti sloučeniny nejsou horší než u obecného kovu, protože

– v kloubu nejsou žádné makro defekty

4 – stabilita kvality spojení. To se vysvětluje stabilitou

stabilita hlavních parametrů třecího svařování, jejich nezávislost na vlivu rušivých faktorů, které určují stabilitu mechanických vlastností. Typické je rozšíření vlastností, jako je dočasná rezistence (_в), rázová houževnatost (a_н), únavová pevnost nepřesahuje 7-10%.

5 – snadnost mechanizace a automatizace procesu. Hlavní

parametry procesu Рн, Рpr, t_н, n jsou snadno programovatelné. Třecí svařovací stroje – poloautomatické nebo automatické.

6 – možnost svařování kovů a slitin s různými

fyzikální a mechanické a tepelné charakteristiky (Fe+Al; Fe+Cu; Ti+Al; Plb+LiO).

7 – hygienický proces: žádné ultrafialové záření

záření, emise škodlivých plynů, postříkání horkým kovem.

8 – vysoká účinnost procesu. Obvykle doba návratnosti

zařízení pro třecí svařování s jeho dvousměnným provozem cca 1 rok, v některých případech 3-4 měsíce.

Omezení obvyklý (konvenční) cesta, svařování:

1 – omezení formy připojení. S třecím svařováním

V nejjednodušším schématu je možné svařovat díly a spoje ve tvaru T.

2 – omezení tvaru řezu. Jeden ze svařitelných

díly by měly být rotační těleso, jehož osa se shoduje s osou rotace (lze svařovat bez rotace).

3 – omezení velikosti svařovaných úseků. Pro technické a

Z ekonomických důvodů je nejvhodnější svařování v rozsahu průřezů 10-50000 mm 2 .

ROZSAH TŘECÍHO SVAŘOVÁNÍ.

Nejúčinnější bylo použití třecího svařování v oblasti:

1 – výroba řezných nástrojů, při výrobě

kompozitní svařované a kované díly.

2 – při svařování rozdílných materiálů (Al + ocel).

3 – při záchraně nedostatkového kovu.

kraj aplikací svařování tření podmíněně podíl takto:

1 – oblast pro svařování dílů o průměru 0,75-2,0 mm – přijato

název MIKROSVAŘOVÁNÍ TŘENÍ (Zařízení v 1960. letech začal vyvíjet British Welding Institute).

2 – plocha svařovaných dílů o průměru 2,0-6,0 mm – přijato na–

hodnost PŘESNOST SVAŘOVÁNÍ TŘENÍ (Zařízení začal v roce 1973 rozvíjet Technologický institut v Budapešti).

3 – svařovací plocha pro díly o průměru větším než 6,00 mm –

byl pojmenován PRAVIDELNÝ SVAŘOVÁNÍ TŘENÍ (KONVENČNÍ SVAŘOVÁNÍ).

Vlastnosti třecího svařování dílů malých profilů.

1 – Pro mikro a přesné svařování by mělo být doporučeno

použití stejných lineárních rychlostí (obvodových) jako u konvenčního konvenčního třecího svařování.

Takže u ocelových dílů obvodová rychlost není

méně než 1,5 m/s, vezmeme-li v úvahu, že V=dn10-3,

d – průměr obrobku, mm

V je obvodová rychlost, m/s.

Oblasti mikro svařování odpovídá rozsahu otáček n=250-666 s -1 (15000-40000 ot/min).

Oblasti přesnost svařování – n u83,3d 250-1 s -5000 (15000-XNUMX ot./min).

Třecí svařování lze použít pro svařování dílů různých profilů a spojů ve tvaru T. Hlavním rysem svařování takových spojů je asymetrie teplotního pole. Aby se vytvořilo rovnoměrnější teplotní pole a příznivé podmínky pro plastickou deformaci, snaží se tyto případy redukovat na případ svařování dílů stejného průřezu, uměle připravují konce dílů.

Příprava plochého dílu před svařováním.

Různá provedení spojů získaných třecím svařováním.

Celý proces ohřevu během svařování lze rozdělit do fází:

V první fázi (t₁) dochází k předběžnému broušení třecích ploch.

Druhá fáze (t₂) je lavinovitý nárůst počtu mikrovýběžků, zvětšení skutečné plochy S_Ф kontakt a rychlý nárůst teploty v kloubu. S rostoucí teplotou dochází k rychlému poklesu meze kluzu kovu a jeho odolnosti proti deformaci. M_TP nejprve rychle roste, pak se zpomaluje a na konci druhé fáze dosahuje jeho hodnota maxima M_1max, tření se rozprostře po celé kontaktní ploše, objeví se tenká vrstva změkčeného kovu, který působí jako mazivo.

Třetí fáze (t₃) se vyznačuje postupným nárůstem teploty a v důsledku toho poklesem momentu M_TPzačíná vytlačování plastifikovaného kovu ze spoje (tvorba otřepů). Na konci třetího stupně dosáhne teplota v kloubu maximální hodnoty a třecí moment, výkon a rychlost pěchování se stabilizují.

M_тpu2d 3 / 3pfR 2, kde p je tlak kgf / mm XNUMX)

f – koeficient tření f=0,1-0,12

М – moment (kgfmm).

N=2/3pnfR 3 10 -6 , kde n je relativní rychlost

REŽIM TŘECÍHO SVAŘOVÁNÍ se vyznačuje následujícími hlavními parametry:

1 – rychlost – n, ot./min (s -1)

2 – tlak ohřevu – P_н, MPa

3 – kovací tlak – P_пр, MPa

4 – doba ohřevu – t_H, s

Při správné kombinaci všech hlavních parametrů lze získat vysoce kvalitní svarový spoj.

1 – výkon a produktivita procesu a následně teplotní pole ve svařovaných dílech do značné míry závisí na rychlosti otáčení.

Při nízkých rychlostech relativního pohybu dochází k hlubokému vytažení částic povrchové vrstvy kovu, při vysokých rychlostech je pozorován leštící efekt.

V současné době neexistuje konsenzus o racionální volbě rychlostí otáčení, dobrých výsledků bylo dosaženo jak při středních, tak vysokých rychlostech otáčení.

Můžeme doporučit následující vzorec, odvozený z velkého množství experimentálních dat:

nd_n=(1,2-6,0)xl0, kde n je počet otáček za minutu

d_n– vnější průměr dílu v mm.

pro železné kovy – nd_n= 3xl0 4

pro titan – nd_n=(8-10)xl0 4

pro červenou měď – nd_n-(4-4,5)xl0.

Použití mírných otáček také zlepšuje pracovní podmínky strojů (jejich ložiskových jednotek).

Vliv rychlostí otáčení na teplotu v rovině spoje pro ocelové předvalky různých průměrů je znázorněn na obr.5.

Obr.5 Závislost maximální teploty ve spoji na

rychlost otáčení. Materiál – ocel; R_н= 40 MPa.

1 – 16mm; 2 – 20 mm.

Uvolňování tepla v dílech závisí na hodnotě měrného tlaku ohřevu a kvalita budoucího spoje do značné míry závisí na hodnotě kovacího tlaku.

Obecně má tlakový cyklus v procesu svařování stupňovitý charakter.

Měrný tlak je důležitým energetickým parametrem v procesu třecího svařování, který určuje rovnoměrnost ohřevu a v důsledku toho rovnoměrnost kvality svařování v celém úseku. Rozlišujte tlak ohřevu P_н a kovací tlak P_пр.

Při výběru topného tlaku zvažte následující. Snížení tlaku P_н vede ke snížení spotřeby energie a teploty na křižovatce. Horní hranice P_н je omezena výkonem motoru stroje, navíc při příliš vysokých tlacích může dojít ke kontaktu kovových vrstev, jejichž teplota je při daném kovacím tlaku nedostatečná k vytvoření spoje. Při svařování uhlíkových ocelí P_н se volí rovno 40-60 MPa.

Hodnota kovacího tlaku určuje mechanické vlastnosti svarového spoje a volí se přibližně stejně jako u bleskového svařování na tupo (80-150 MPa).

Ve většině případů je nutné při rotaci použít proměnný tlak: nižší na začátku a vyšší před zastavením rotace.

Nejčastěji se u třecích svařovacích strojů používají následující diagramy průběhu tlaků procesu

Okamžik zvýšení měrného tlaku ve stupňovitém cyklu se musí shodovat с zastavení rotace však v praxi buď vede, nebo zaostává o několik zlomků sekundy (druhá možnost je výhodnější). Nejúčelnější je použití stupňovitého cyklu, nicméně při svařování některých stejnojmenných materiálů je možné kvalitní svařování pomocí jednoduchého cyklu.

Obvykle poměr R_пр/Р_нu2d XNUMX, někdy při svařování speciálních ocelí a slitin – P_пр/Р_н= 3,5-4,0. Číselné hodnoty P_н se liší v rozmezí 1-8 kg / mm 2 (10-80 MPa) a hodnoty P_пр – 2-5 kg ​​/ mm 2 (20-150 MPa), někdy až 25 kg / mm 2 (250 MPa).

Pro každou kombinaci kovů při svařování P_пр a R_н jsou brány na základě experimentálních dat a každý kov má svůj vlastní rozsah optimálních hodnot.

Maximální teplotní závislost в přechod od tlaku P_н znázorněno na obr.6.

Obr.6 Závislost maximální teploty ve spoji na

tlak P_н. Materiál ocel 20.

1 – 16mm (V=2,33m/s); 2 – 30mm (V=l,25m/s).

Prakticky důležitou vlastností třecího svařování je způsob regulace procesu. Správně zvolené regulační kritérium by mělo na jedné straně určit připravenost spoje z hlediska teplotního stavu, zajistit co nejefektivnější a nejkvalitnější svařování. Na druhou stranu musí být citlivý na možné odchylky procesu a stavu svařovaných dílů. V závislosti na tom je proces regulován množstvím srážek nebo časem během ohřevu.

Zvyšování t_H ve srovnání s optimálními hodnotami vede ke zvýšení _н, snížení kvality spoje v důsledku možného přehřátí kovu. Snížení t oproti optimální hodnotě vede k nedostatečné penetraci spoje. Optimální hodnota t_н (_н) odpovídají kombinaci n a P_н.

Obr.7 Závislost doby ustáleného ohřevu na otáčkách

otáčení. Materiál – ocel 20.

1 – 12 mm; 2 – 16mm; 3 – 20 mm.

Jak se n (V,m/s) zvyšuje, doba ohřevu (t_H) a zahřívání sedimentu (_н) pokles.

S rostoucím měrným tlakem Р_н při svařování roste hodnota měrného výkonu v ustáleném stavu po křivce se saturací (obr. 8). Tato povaha závislosti N_ud od R_н je v souladu se změnou intenzity opotřebení svařovaných povrchů, odhadované podle množství srážek.

Obr.8 Závislost ustálené hodnoty měrného výkonu

z tlaku P_н. Materiál – ocel 20.

1 – 16mm (V=2,33m/s); 2 – 16mm (V=0,52m/s);

Čas k dosažení ustáleného procesu uvolňování tepla t_н s rostoucím měrným tlakem se mění podél křivky s minimem. (obr. 9), což odpovídá hodnotě tlaku, označené jako P_cr.

Fyzikální význam vzoru změny v t. zv_н vzhledem k tomu, že se zvyšujícím se tlakem P_н působí dva faktory. Na jedné straně s nárůstem R_н měrný výkon se zvyšuje, což přispívá ke snížení t_H. Na druhou stranu s nárůstem R_н zvyšuje se vytlačování zahřátého kovu, díky čemuž později dochází k dosažení ustálené teploty ve spoji a úroveň teploty klesá.

Obr.9 Závislost ustálené hodnoty doby ohřevu na

tlak P_н. Materiál – ocel 20.

1 – 16mm (V=0,58m/s); 2 – 16mm (V=2,33m/s);

Optimální hodnoty t_н nebo _н snadno určit experimentálně M_ústa, nebo „detekuje“ ampérmetrem zapojeným do napájecího obvodu motoru stroje.

Obr.10 Průběh proudu motoru.

Závislost _н na průměru svařovaného obrobku je znázorněno na následujícím obrázku.

Při svařování dílů vyrobených z různých kovů a slitin s velmi rozdílnými tepelnými vlastnostmi (Fe + Al, Fe + Cu, Plb + 40X atd.) je nutné použít následující techniky pro získání pevného spojení:

1 – zvětšení průměru dílu z tažnějšího kovu o 15-20%.

2 – předehřev před svařováním části odolnějšího kovu

3 – použití speciálního trnu pro vytvoření rovnoměrné plastické deformace kovu (velmi používané).