Режимы сварки трением

Марка материала	Диаметр заготов­ки, мм	Частота враще­ния, с-1	Давле­ние на­грева, МПа	Давле­ние проковки, МПа	Осад­ка, мм	Вре­мя на­грева, с
Ст3	20	25	50	50	5	5
Ст3	40	16,6	100	100	12	20
Сталь 20	20	16,6	50	100	3,5	6,5
15Г	20	25,0	50	100	5,5	6
60С2А	20	25,0	50	100	6	10
25Г2С	22	25,0	45	45	4	10
20ХНМА	20	16,6	100	220	7,5	7
2X13	20	16,6	100	200	5,5	6
Х18Н9Т	18	16,6	70	170	5,0	8
10Х16Н25 М6	20	16,6	11О	220	5,0	15
Д1б	40	15,3	35	150	20	30
Медь техническая	8	23,5	25	150	-	150

При оценке качества соединения используют разру­шающие и неразрушающие методы контроля. К разрушаю­щим методам контроля относятся механические испытания, технологические пробы, металлографические исследования и, при необходимости, коррозионные испытания. К неразрушающим методам контроля относится метод ультразвуковой дефектоскопии, целью которого является обнаруже­ние дефектов (несплошностей) в стыке, определение их размеров и распределение по сечению свариваемых дета­лей. Во многих случаях обеспечение качества сварных со­единений может быть достигнуто контролем параметров процесса сварки: длительности нагрева, величины и усилия осадки и реже - температуры.

Машины для сварки трением обычно содержат в себе следующие основные узлы (рис. 5.5): привод вращения шпинделя 1 с ременной передачей 2; фрикционная муфта 3 для сцепления шпинделя с приводным устройством; тормоз 4 для торможения шпинделя; два зажима для крепления свариваемых заготовок 7; передняя бабка 5 со шпинделем, несущим на себе вращающийся зажим 6; задняя бабка 8 с неподвижным зажимом; пневматические или гидравличе­ские цилиндры 9, обеспечивающие создание необходимого рабочего (осевого) давления машины; пневматическая, пневмогидравлическая или гидравлическая схема управле­ния силовым приводом машины; шкаф управления. 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 используются пневматические турбинки, которые характеризуются быстрым разгоном и торможением, позво­ляют обходиться без передачи при помощи непосредствен­ного сочленения вала со шпинделем машины.

Рис. 5.5. Принципиальная конструктивно-кинематическая схема машины для сварки трением

В качестве муфт сцепления находят применение электромагнитные многодисковые, гидравлические и пнев­матические. В машинах в торможении шпинделя участвуют как момент сил трения в стыке между свариваемыми заго­товками, так и специальное тормозное устройство. Извест­ны следующие способы торможения: реверсированием дви­гателя, при помощи фрикционных (электро­магнитных, пневматиче­ских или гидравличе­ских) и дисковых тормо­зов.

Вращающийся зажим обычно выпол­няют в виде трехкулач-кового сменного патрона (рис. 5.6). Кулачки сменные, каждая группа кулачков рассчитана на закрепление заготовок в узком диапазоне диа­метров (2÷3 мм). Машины комплектуются несколькими та­кими группами кулачков.

Рис. 5.6. Конструкция вра­щающегося патрона: 1 — кольцо; 2 — корпус за­жима; 3 — свариваемая де­таль; 4 — кулачок

Неподвижный зажим (рис. 5.7) снабжен парой (в некоторых машинах двумя парами) сменных кулачков. Для обеспе­чения соосности свари­ваемых заготовок в за­жимах нужно, чтобы все кулачки перемещались синхронно.

Рис. 5.7. Конструкция зажима невращающейся заготовки:

1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — кулачок; 4 — зажимаемая заго­товка;

5 — вход сжатого воздуха

Для надежного закрепления заготовки, предохраняющего ее от прокручивания, при сварке сумма радиаль­ных усилий, действую­щих со стороны кулач­ков на боковую поверх­ность заготовки, должна быть не менее четырех­кратной величины мак­симального осевого усилия машины.

Все промышленное оборудование для сварки трени­ем можно разделить на две группы: универсальное и спе­циализированное. Специализированное предназначено для сварки одной детали или группы однотипных деталей, раз­меры и материал которых заранее известны при проектиро­вании машин. В большинстве случаев это машины - автома­ты или полуавтоматы, рассчитанные на эксплуатацию в ус­ловиях массового или крупносерийного производства. Та­кие машины обычно изготавливают в одном-двух экземпля­рах или небольшими партиями.

Серийно выпускаются универсальные машины, характеристики которых представлены в табл. 5.2.

Инерционная сварка. Это процесс, при котором энер­гия, потребляемая от источника в промежутках между свар­ками, сначала накапливается во вращающихся массах (ма­ховиках), а затем в процессе сварки преобразуется в тепло. Инерционная сварка начинается с разгона одного или не­скольких маховиков, соединенных с приводом через элек­тромагнитную муфту. При накоплении энергии в маховике, раскрученном до определенной угловой скорости, муфта отключается, детали сжимаются и начинается интенсивное тепловыделение.

Таблица 5.2

Технические характеристики оборудования для сварки трением

Параметры	Тип машины
	МФ-327	МФ-362	МСТ-120-02	МСТ-120-03
Номинальная мощность, кВт	10	10	200	160
Максимальное осевое усилие, кН: при проковке при нагреве	50 50	50 50	1200 450	1200 450
Частота вращения шпинделя, с-1	25	25	5	6
Диаметр сварива­емых заготовок, мм	10÷22	10÷22	-	73÷168

Скорость маховика в процессе превращения накоп­ленной в нем кинетической энергии в тепловую падает до нуля. Давление в течение всего цикла сварки может оста­ваться постоянным или при снижении угловой скорости маховика до заданного значения (или в момент его полной ос­тановки) увеличиваться.

При инерционной сварке резко уменьшается расход энергии, хотя удельная мощность значительно выше (23÷174 Вт/мм²), чем при обычной (12÷47 Вт/мм²). Число оборотов изменяется от 25 до 85 с^-1, давление до торможения 20÷100 МПа, а при торможении за 0,2÷0,5 с оно повышается иногда до 250 МПа.

Орбитальная сварка. Это сварка, позволяющая со­единять детали некруглого сечения, а также - заранее сори­ентированные между собой детали, и отличающаяся тем, что обе свариваемые заготовки во время сварки вращаются син­хронно и синфазно, а трение между ними возникает в ре­зультате взаимного смещения осей вращения, которые при этом остаются взаимно параллельными. Схема орбитальной сварки трением приведена на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Схема процесса орбитальной сварки

Оси заготовок сме­щены относительно друг друга на величину орбитального радиуса l, обеспечивающего относительное движение. При орбитальной сварке, например, сечением 650 мм² орбиталь­ный радиус составляет 3 мм. При увеличении значений l во время сварки будет иметь место периодическое «оголе­ние» периферийных областей контактных поверхностей, что может привести к их окислению. Выбор основных параметров режимов орбитальной сварки аналогичен выбору пара­метров обычной сварки трением.

Процесс сварки трением с успехом используется также для восстановления изношенных деталей. Так как при этом не происходит расплавления металла, то правильнее при­менять в данном случае термин «наварка», а не «наплавка». На рис. 5.9, а показана схема выполнения наварки проволоки.

Рис. 5.9. Схемы процессов наварки трением с использованием вращения (а) и вибрации (б) присадочного металла

Пруток 1 вращается с большой скоростью п₁ и его торец при­жимается усилием Р к детали 2, которая поворачивается со ско­ростью п₂ по мере образования валика. Когда нужно навари­вать деталь на большой длине, ее перемещают еще в осевом направлении так, чтобы накладываемые по винтовой линии валики 3 перекрывались по краям. Таким способом можно на­варивать не только цилиндрические, но и любые другие поверхности в любом пространственном положении. Наваренные слои имеют удовлетворительные показатели по прочности и твердости, а затраты электроэнергии меньше, чем при элект­родуговых способах наплавки.

Но этот способ имеет и существенные недостатки:

вращательное движение не позволяет применять для навар­ки длинные прутки;

трудно обеспечить непрерывную подачу прутка к месту на­варки через вращающийся шпиндель, а из-за необходимости сохранения жесткости прутка нельзя делать его вылет из шпин­деля достаточно большим. Поэтому процесс нужно вести с ча­стыми перерывами. Названные недостатки ограничивают воз­можность автоматизации процесса наварки.

Более перспективна схема наварки с использованием виб­ротрения (рис. 5.9,б), которая позволяет избежать указанных недостатков. Этот способ заключается в том, что присадочный металл 1 в виде проволоки или полосы непрерывно подается роликами из бухты к месту наварки 3. Концевая часть приса­дочного металла прижимается с определенным усилием Р к на­вариваемой детали 2 и совершает вибрационное движение. Вибрация только конца проволоки или полосы, а не всей мас­сы присадочного металла, позволяет легко автоматизировать процесс.

С помощью сварки трением в настоящее время изго­тавливаются узлы для автомобилей, тракторов, мопедов: промежуточный вал коробки передач, картер заднего моста, карданный вал, вал рулевого управления, реактивная штан­га, вал с коренной шестерней, ролики гусеничного трактора и др.; детали сельскохозяйственных машин, машин для пи­щевой промышленности: ось и рычаг зернового комбайна, цилиндр гидравлической системы, распределитель и днище молочного сепаратора, приводной вал землеройной гусе­ничной машины и др.; детали и муфты, колеса и валы зуб­чатых передач: корпус и втулка муфты, зубчатое цилиндри­ческое колесо, вал червячного колеса и др.; узлы двигате­лей, газовых турбин, насосов и компрессоров: клапан дви­гателя внутреннего сгорания, сопло реактивного двигателя, ротор турбины, кулачковая шайба и др.; детали подъемно-транспортных и бурильных машин: гидравлический порш­невой шток, поршень со штоком, оси катков транспортера и др.; инструменты различного назначения.