Содержание страницы
При относительном перемещении твердых тел, прижатых друг к другу силой Р, возникают силы трения и часть механической энергии, затрачиваемой на преодоление силы трения, превращается в тепловую. Количество выделяемой теплоты пропорционально скорости относительного перемещения Vот и величине нормального давления ρ
где kт — коэффициент, учитывающий долю механической энергии, превращающейся в теплоту; f — коэффициент трения.
При определенных условиях локальные участки поверхностных слоев трущихся тел могут нагреваться до высоких температур. Фрикционный нагрев используют при осуществлении таких технологических операций, как фрикционная отбортовка отверстий, фрикционная резка, фрикционная сварка.
1. Фрикционная резка
Фрикционная отбортовка отверстий. Фрикционная отбортовка позволяет получать безотходные отверстия в листовом материале. Отличительной особенностью этого вида отбортовки является образование двухстороннего буртика. На рисунке 1 представлены основные стадии формообразования отверстия.
На первой стадии (1) инструмент из тугоплавкого и жаропрочного материала подводится к листовой заготовке и прижимается к ней, после чего инструменту сообщается вращательное движение. При дальнейшем поступательном движении инструмент своей конической частью внедряется в заготовку (2). В результате фрикционного тепловыделения пластичность материала заготовки повышается и начинается его деформация. Коническая часть инструмента проходит через материал заготовки (3) и формирует коническое отверстие в пластичном материале. В процессе дальнейшего перемещения инструмента его цилиндрическая (калибровочная) часть начинает формировать внутренний диаметр отверстия (4). В нижнем положении инструмента формообразование втулки завершается (5). После чего инструмент выводят из отверстия в исходное положение (6). При необходимости возможно нарезание резьбы метчиком (7).
Рисунок 1 — Основные стадии фрикционной обортовки
Технология фрикционной отбортовки отверстий находит все более широкое применение. Соответствующее оборудование и инструменты изготавливаются в Голландии, Германии, США.
Фрикционная отрезка. Операции фрикционной отрезки и прорезки пазов осуществляется с помощью вращающегося дискового инструмента. Диск поджимается к заготовке с некоторым усилием подпружиненного регулирующего устройства. Диск вращается вокруг собственной оси. В отдельных случаях к инструменту и заготовке подводят напряжение от сильного точного источника питания и резку осуществляют комбинированным электрофрикционным способом. Для интенсификации отвода тепла от диска-инструмента его добавочно обдувают струей сжатого воздуха.
2. Сварка трением с перемешиванием слоев
Технологический процесс этой разновидности фрикционной сварки включает три основных стадии (рис. 2). На первой стадии – вращающийся с высокой скоростью инструмент 1 цилиндрической ступенчатой формы вводят в отверстие, расположенное на стыке свариваемых заготовок 2, 3. Когда торец инструмента 6 войдет в контакт с поверхностями заготовок, погружение прекращают и приступают ко второму этапу процесса – перемещению вращающегося инструмента по плоскости контакта заготовок. На третьем этапе (по окончании процесса соединения) вращающийся инструмент выводят из стыка.
Рисунок 2 — Технологическая схема сварки трением с перемешиванием слоев: 1 – корпус инструмента; 2, 3 – заготовки; 4 – наконечник инструмента; 5 – опорная плита; 6 – торец инструмента
Тепловая энергия, генерируемая трением стержня инструмента о поверхности заготовок, локализовано выделяется в непосредственной близости от будущего соединения и доводит металл до высокопластического состояния. Впереди инструмента возникает очаг деформации между двумя заготовками и инструментом, совершающим одновременно поступательное и вращательное движения. В очаге деформации возникает сложное объёмное перемещение слоев металла. С одной стороны металл деформируется нормальными контактными силами инструмента в направлении продольного перемещения инструмента, и с другой стороны тангенциальными (круговыми) силами трения.
Позади инструмента освобождается пространство, ограниченное поверхностями опорной плиты 5, заготовок 2, 3 и торцом инструмента 6. В это пространство из передней части перемещаются деформируемые слои. В результате позади инструмента происходит интенсивное, заполнение пространства, смешивание и соединение слоев заготовок с образованием единого цельного сварного шва.
К подготовке кромок, как и всей поверхности, а так же сборке элементов под сварку трением с перемешиванием не предъявляются какие-либо специальные требования. Нет необходимости в предварительном удалении оксидов. Оксидная пленка в процессе сварки разрушается, дисперсно упрочняется и равномерно распределяется по всему объему вращающимся инструментом.
Собранные под сварку стыки должны быть без зазоров. Отклонения инструмента в процессе его перемещения по линии должны быть строго регламентированы.
Свариваемые заготовки прижимают к опорной плите с помощью силовых приспособлений, которые предотвращают нарушения плоскостности и поперечного перемещения свариваемых элементов под воздействием контактных сил вращающегося инструмента. Плотное прижатие заготовок к опорной плите позволяет обеспечивать точную установку инструмента и контролировать глубину погружения инструмента в процессе сварки, что очень важно для качественного формирования зоны шва.
Основными параметрами являются: скорость сварки (скорость перемещения инструмента вдоль оси шва), частота вращения инструмента, усилие прижатия и перемещения инструмента, угол наклона инструмента и его размеры. Так же учитываются условия трения в зависимости от применяемого материала инструмента и напряжения течения материала заготовок при температуре деформации. Во избежание недогрева или перегрева металла необходимо назначать оптимальное соотношение скоростей поступательного и вращательного движения. Это соотношение зависит от множества факторов и на практике устанавливается экспериментально.
Существенное влияние на формирование швов оказывают частота вращения инструмента и скорость сварки. Тепловыделение в зоне сварки повышается с увеличением количества оборотов инструмента или уменьшением скорости его перемещения вдоль стыка. При определенном для каждого конкретного сплава соотношении частоты вращения инструмента и скорости сварки выделяемой за счет трения теплоты может оказаться недостаточным для пластификации требуемого объема металла, чтобы заполнить всю полость, образуемую наконечником инструмента. В результате нарушается непрерывность потока, перемещающегося по сложной траектории металла, а в шве образуются внутренние незаполненные полости. При сохранении той же скорости вращения инструмента и уменьшении скорости его поступательного перемещения пластифицированного металла становится больше, благодаря чему качество сварного шва улучшается. При чрезмерном уменьшении скорости сварки происходит избыточное выделение тепла, приводящее к перегреву металла, оплавлению легкоплавких эвтектик на межзеренных границах и образованию внутренних дефектов в виде полостей и несплошностей.
Результаты экспериментальных исследований показали, что качество формирования швов, например, алюминиевых сплавов, главным образом зависит от таких параметров, как размер и конфигурация рабочих поверхностей бурта и наконечника инструмента, усилия прижатия инструмента к поверхностям листов. Чрезмерно большой диаметр бурта способствует формированию широкой лицевой поверхности шва, значительному короблению сварных соединений и образованию дефектов вследствие перегрева металла в зоне сварки. Установлено, что для сварки алюминиевых сплавов толщиной 1,8–2,5
мм оптимальный наружный диаметр бурта инструмента должен находиться в пределах 10–12 мм. Кроме того, для обеспечения стабильности формирования швов на торцевой поверхности бурта необходимо делать небольшое кольцевое углубление, обеспечивающее плавное и непрерывное перемещение пластифицированного металла и формирование качественной лицевой поверхности швов. Размер его должен быть таким, чтобы при небольшом заглублении бурта инструмента перемещающийся металл постоянно находился под избыточным давлением.
Перемешивание металла по всей толщине свариваемых кромок в процессе сварки происходит за счет перемещения его вращающимся наконечником инструмента. Проведенные эксперименты показали, что получить качественное сварное соединение можно при использовании наконечника инструмента в виде простого усеченного конуса. Во избежание несплавления в корневой части шва длина наконечника должна составлять 0,9–0,95 толщины свариваемых материалов.
Хорошие результаты получены при использовании сборного инструмента с раздельным исполнением корпуса и наконечника (рис. 3). Этот вариант конструкции обеспечивает различные скорости и направления вращения друг относительно друга наконечника и корпуса.
Рисунок 3 — Разновидности инструмента с раздельным исполнением корпуса и наконечника: 1 – корпус; 2 – наконечник
Используемые установки для реализации этого метода позволяют предварительно задавать различные скорости вращения, либо автоматически их изменять в процессе, чтобы достичь желаемых условий сварки. При обычном методе сварки относительная скорость вращения точек изменяется от нуля в центре до максимума на краю фланца, что может вызвать значительный нагрев и оплавление поверхности, прилегающей к фланцу (бурту). Раздельное вращение составного инструмента применяется для снижения скорости вращения корпуса инструмента до соответствующего уровня и, следовательно,
способствует уменьшению тенденции к перегреву и оплавлению, сохраняя при этом высокую скорость вращения наконечника.
Преимущество сварки с раздельным вращением состоит в том, что она снижает максимальную температуру, достигаемую в течение термического цикла сварки, что помогает избегать проблем ликвационных трещин. Так же более низкие температуры, достигаемые в сварном шве при сварке с раздельным вращением, уменьшают величину изменений механических свойств, которые происходят в процессе перемешивания материала. После двух месяцев естественного старения швы, выполненные с раздельным вращением корпуса инструмента и наконечника, показали более высокие значения твердости в зоне перемешивания и зоне термического влияния, чем при обычном методе сварки.
Предложено много вариантов конструкций инструментов, отличающихся, главных образом, конструктивными особенностями рабочего стержня. Рекомендуется стержень выполнять в виде усеченного конуса. Предложены различные варианты его поперечного сечения. Отмечается высокая эффективность винтовой нарезки на рабочем стержне с равномерным или переменным шагом и создание функционального рельефа на торце буртика.
В процессе сварки некоторое количество материала выдавливается на лицевую поверхность шва. Разработан инструмент, позволяющий в процессе сварки срезать лишний материал, зачищая поверхность.
Целесообразно использование одновременно двух инструментов с поперечным, продольным или шахматным расположением (рис. 4). Вариант с поперечным расположением инструментов, вращающихся в противоположных направлениях, может существенно снизить реактивный момент.
Вариант с последовательным расположением инструментов предполагает следование одного инструмента за другим. Второй инструмент перемещается по уже размягченному шву, что позволяет использование менее износостойких материалов.
Шахматное расположение инструментов предполагает создание достаточно широкой площади сварного шва. Инструменты расположены один за другим со сдвигом в сторону так, что полоса второго сварного шва частично перекрывает первую полосу. Это позволяет избежать утонения заготовок после наложения первого шва. Преимущество шахматного расположения инструментов также проявляется при соединении внахлестку, так как образовавшаяся область сварного шва обеспечивает большую прочность, чем наложение одного шва.
Рисунок 4 — Варианты сварки трением двумя инструментами с поперечным (а), продольным (б) и шахматным (в) расположением инструментов
К основным достоинствам процесса сварки трением с перемешиванием относят следующие: не требуется специальная разделка кромок и удаление пленки перед сваркой; снижается вероятность образования пор, особенно при сварке сплавов алюминия; можно получать качественные соединения в любых пространственных положениях; достигается высокая эффективность использования электрической энергии; процесс идеально подходит для автоматизации; не требуется высокая квалификация оператора; отсутствие специфических вредных факторов, таких как шум, ультрафиолетовое излучение; сварка может выполняться в сильных электромагнитных полях.
Типы соединений, выполняемых сваркой трением с перемешиванием, характеризуются большим разнообразием: стыковые, угловые, тавровые, нахлесточные, а так же различные замковые и прорезные.
Швы могут быть получены на сплавах, склонных к горячим и холодным трещинам; появляется возможность сварки деталей больших толщин без применения последующей термической обработки; может достигаться более высокий уровень прочности для термически упрочняемых сплавов; формирование шва в твердой фазе позволяет сохранить свойства метастабильных сплавов, как композиты или сплавы, полученные быстрой кристаллизацией; легковесные прессованные панели, состоящие из многочисленных небольших профилей, которые практически невозможно или экономически нецелесообразно прессовать; сборка стыков не требует точных подгонок кромок.
К недостаткам способа сварки трением с перемешиванием можно отнести следующее: необходимость прочных подкладок, на которых должны надежно закрепляться свариваемые заготовки; образование в конце сварного шва отверстия, равного размеру диаметра штыря, и, как следствие, применение дополнительных способов сварки для заполнения отверстия, либо применение вводных и выводных планок; ограниченное применение по толщинам заготовок (невозможно
сваривать листы толщиной менее 1 мм); высокая стоимость оборудования для применения в мелкосерийном производстве; возникновение большого реактивного момента от вращения инструмента при сварке прочных материалов и деталей