Нюансы сварки трением

Существует легенда о появлении сварки трением. Якобы на одном предприятии в советское время некий токарь, не исключено что после праздников, испортил деталь. Попросту говоря, совсем неожиданно получил соединение там, где получать его не должен был. Чтобы избежать наказания от грозно подступавшего мастера, сообразительный токарь доложил — новый, мол, способ сварки придумал. Таково «народное» предание о появлении сварки, прозванной в мире «русской».

Сварка трением является разновидностью сварки давлением, при которой неразъемное соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации свариваемых металлов. От других видов сварки давлением она отличается только источником нагрева.

Суть процесса сводится к тому, что поджатые усилием торцы двух свариваемых деталей приводятся в относительное движение. В результате работы сил трения в тонких приповерхностных слоях деталей генерируется тепло, количества которого достаточно для нагрева металла до пластического состояния. После прекращения относительного движения под действием приложенного усилия происходит образование сварного соединения при совместной пластической деформации приконтактных объемов металла.

При классическом способе сварки трением круглый пруток (обычно длиной не более 1 м) приводится во вращение с постоянной скоростью от электропривода, а второй усилием нагрева поджимается к нему и перемещается вдоль оси (осадка нагрева), осуществляя пластическую деформацию нагреваемых объемов металла. В заданный момент вращающийся пруток резко тормозится, а усилие поджима возрастает до величины проковки — происходит осевая деформация проковки.

Машина для сварки металлов трением «МСТ-2001-ГД 88»

Машина для сварки металлов трением «МСТ-2001-ГД 88»

Инерционная сварка отличается от описанного процесса тем, что энергия передается детали не непосредственно от электродвигателя, а от заранее разогнанного до заданной угловой скорости маховика. После сцепления вращающегося маховика со шпинделем с закрепленной деталью, к торцу которой постоянным осевым усилием поджата вторая свариваемая деталь, система тормозится силой трения до полной остановки. В этом случае, в отличие от классического способа сварки, процесс тепловыделения протекает при скорости относительного вращения, изменяющейся от начальной скорости маховика до нуля.

Интересно применение комбинированной сварки трением, при которой первая стадия осуществляется при вращении детали от электродвигателя с обычной для классического способа линейной скоростью до износа всех неровностей поверхности, а вторая — при вращении детали от маховика, разогнанного до той же скорости на первой стадии процесса. В этом случае удается реализовать положительную специфику инерционной сварки, избавившись от ее минусов: высокой скорости вращения и связанными с этим трудностями создания оборудования и высокими требованиями к предварительной подготовке поверхности.

Особый интерес представляет вибрационная сварка, при которой торец одной из деталей совершает возвратно-поступательное движение относительно другой неподвижной детали.

Однако реализация требующейся при этом частоты колебаний (100 и более Гц), при наличии массивных зажимных устройств машины и самой свариваемой детали, достаточно сложна.

Для сварки трением деталей некруглого сечения может быть использована орбитальная сварка, при которой две свариваемые детали, поджатые осевым усилием, синхронно вращаются в одну сторону, а оси вращения деталей смещены на величину эксцентриситета. При этом каждая точка контакта описывает окружность с радиусом, равным эксцентриситету. Процесс нагрева прекращается совмещением осей вращения деталей.

Технологические исследования, проведенные ВНИИЭСО, показали, что сварка трением однородных металлов одинакового сечения не требует применения специальных технологических приемов и позволяет получать соединения, не отличающиеся по своим характеристикам от основного металла. Выбор скорости относительного вращения определяется диаметром детали и материалом. Для большинства металлов оптимальная линейная скорость вращения составляет примерно 1,5-0,8 м/с, давление нагрева — от 2 до 5 кгс/мм2, а давление проковки для малоуглеродистых, низколегированных сталей и также для цветных металлов вдвое превышает давление нагрева.

Машина для сварки металлов трением «МСТ-120.01»

Машина для сварки металлов трением «МСТ-120.01»

При сварке сталей разных марок или жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями или сталей с цветными металлами сказывается различие теплофизических свойств; и чем оно больше, тем сложнее получить сварное соединение с хорошими механическими характеристиками.

В этом случае процесс образования соединений протекает при температуре, не превышающей точку плавления менее жаропрочного металла, когда образование физического контакта за счет его деформации протекает быстро, а активация контактной поверхности более жаропрочного металла замедлена. Этим определяется необходимость создания условий, способствующих ускорению активационных процессов на контактной поверхности жаропрочного металла. Невозможность регулирования температуры процесса оставляет единственный путь — интенсификацию пластической деформации, достигаемой изменением схемы напряженного состояния приконтактной зоны свариваемого металла. На практике этого добиваются установкой формующей оправки на менее жаропрочный металл, которая препятствует его свободной пластической деформации и создает объемное напряженное состояние в зоне стыка. При этом пластическая деформация микрообъемов приконтактной зоны жаропрочного металла оказывается достаточной для активации его поверхности, и вторая стадия завершается образованием прочного сварного соединения. При сварке конкретных сочетаний металлов следует тщательно анализировать процессы, протекающие при охлаждении соединения, и воздействовать на них, например, вводя большее количество тепла в изделие (при опасности образования трещин при высокой скорости охлаждения) или сокращать его до допустимого минимума (в случае образования хрупких прослоек интерметаллида).

Проведенные исследования позволили разработать технологические процессы сварки трением быстрорежущих, жаропрочных сталей и сплавов с поделочными сталями, алюминия с нержавеющей сталью, титаном, никелем и медью. Следует подчеркнуть, что только этот способ сварки позволяет получать равнопрочные и вакуумно-плотные соединения алюминия со сталью.

Для тех случаев, когда не удается получить работоспособное соединение конкретных разнородных металлов, предложено осуществлять сварку трением через прослойку из третьего металла, хорошо соединяющегося с каждым из первых двух. В частности, соединение легированных алюминиевых сплавов успешно осуществляется со сталью через прослойку из технически чистого алюминия.

Настоящая история появления сварки трением

28 августа 1956 г. в газете «Труд» было опубликовано письмо токаря Эльбрусского рудника А.И. Чудикова: «Я разработал способ сварки методом трения. На нашем руднике это новшество нашло широкое распространение. Посланное в Министерство цветной металлургии предложение вернулось с резолюцией — метод не годится».

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте электросварочного оборудования (ВНИИЭСО), как тогда назывался Институт сварки России, это письмо привлекло внимание начальника отдела научно-технической информации Ю.Я. Терентьева, который и выступил инициатором начала исследований по этой теме. Уже первые эксперименты, проведённые сотрудниками института В.И. Виллем и Л.А. Штерниным, показали, что такие особенности процесса как малая энергоемкость, высокие КПД, производительность, качество соединений и относительная простота оборудования предопределяют несомненную рациональность промышленного применения сварки изделий трением, если одна из деталей является телом вращения. Всё это и послужило толчком к началу многолетних научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ по этому процессу. Естественно, токарь А.И. Чудиков получил авторское свидетельство на этот способ сварки.

Мировой лидер

Первая машина для сварки металлов трением «МСТ-1» была разработана во ВНИИЭСО 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.

Первые публикации по сварке трением дали толчок к началу успешных работ этого направления в ряде стран Западной Европы и США. Тем не менее, ВНИИЭСО (вместе со своим «наследником» — Институтом сварки России) остался автором и ведущей организацией по сварке металлов трением.

В текущем году в Институте начаты экспериментальные работы по предложенной Британским институтом сварки сварке трением перемешиванием. Этот процесс сварки не имеет ничего общего с описанными выше способами и предназначен для стыковой сварки листов из алюминия и его сплавов. Вращающийся инструмент с заплечиками и штырем в центре, выступающим на величину чуть меньше толщины металла, вдавливается в жестко закрепленные листы и перемещается по линии их стыка. При этом нагретый до пластического состояния металл перемещается из зоны перед штырем в зону за ним, формуется заплечиками и образует сварное соединение в процессе охлаждения. Процесс похож на прессовую сварку и обеспечивает соединения, отвечающие самым высоким требованиям. Успешно используется при изготовлении изделий в автомобиле- , вагоно- , корабле- и ракетостроении.

В настоящее время в ОАО «Институт сварки России» изготовлен экспериментальный макет, который после отладки будет использован для исследования технологии сварки трением перемешиванием.

Конечно, хотелось бы отметить сотрудников Института, внесших большой вклад в развитие сварки трением с момента ее зарождения и по сегодняшний день. Это кандидаты технических наук В.И. Вилль, Л.А. Штернин, М.М. Шпейзман, Э.С. Комарчева, В.С. Смирнов, инженеры Б.С. Алексеев, И.Н. Кондратенко, Л.П. Кудреватых, М.С. Десятсков, Ю.Н. Жуков, В.С. Фишкин, А.Р. Лаптев, И.Р. Арефьев, наладчики А.Д. Смирнов и С.Н. Маренков.

Профессиональный словарь

Интерметаллид — хрупкое химическое соединение алюминия со сталью, и т.п.
Поделочная сталь — низкоуглеродистая, низколегированная сталь.
Проковка — осевое усилие после прекращения относительного вращения.
Формующая оправка — стальное кольцо, устанавливаемое на менее жаропрочный металл, например, на алюминий, при сварке его со сталью, или на сталь 40Х при сварке ее со сталью ЭИ 572.
Эксцентриситет — величина несоосности свариваемых деталей.

К.т.н. Л.А. Штернин, к.т.н. Н.В. Смирнов
Институт сварки России

Комментарии

  1. Андрей

    Сварка трением одна из разновидностей сварки давлением. Прародитель Элиу Томсон (англ. Elihu Thomson; 29 марта 1853 — 13 марта 1937) — британский, американский инженер, изобретатель и предприниматель. Родился в Манчестере (Англия) 29 марта 1853 года. Вместе с семьёй переехал в Филадельфию в 1858 году. Томсон обучался Central High School в Филадельфии, которую окончил в 1870 году. После окончания школы стал преподавателем, а в 1876 году, в возрасте двадцати трех лет, стал заведующим кафедрой химии. В 1877 году начал исследования в области контактной сварки, разработал способ стыковой сварки и внедрил её в промышленность. Различают следующие виды сварки давлением: контактная, трением, холодная, взрывом, диффузионная, ультразвуковая (за счёт механических колебаний), термокомпрессионная (когда металл предварительно нагревается до высоких температур[1]) и др.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *