УДК 621.791.14

Сравнительный анализ методов сварки трением

Бочкарёв Павел Игоревич – студент Уфимского университета науки и технологий.

Карачурина Алла Альбертовна – студент Уфимского университета науки и технологий.

Хайруллин Данис Айдарович – студент Уфимского университета науки и технологий.

Яхин Азат Варисович – кандидат технических наук, доцент Уфимского университета науки и технологий.

Аннотация: В данной научной статье представлен сравнительный анализ различных методов сварки трением, применяемых в промышленности. Исследование проведено с целью выбора оптимального метода сварки, обладающего наиболее высокой эффективностью и экономичностью. В статье рассмотрены традиционные методы сварки трение, такие как инерционный и ротационный, а также современные методы, включая радиальный, с перемешиванием, орбитальный. Мы учитывали различные положения и законы теоретической механики при рассмотрении методов. Результаты исследования позволят выбрать оптимальный метод сварки трением для конкретной задачи, что приведет к повышению эффективности работы системы и снижению затрат на электроэнергию.

Ключевые слова: сварка, сварка трением, ротационный, инерционный, радиальный метод сварки трением.

Введение

Сварка трением – это вид сварки давлением, при котором нагрев происходит за счет трения, возникающего при вращении одной из соединяемых деталей. Вращающиеся части находятся в контакте с другими частями соединяемого изделия. Силы трения, возникающие в точках контакта, быстро нагревают материал, заставляя его переходить в пластичное состояние.

Правильный выбор метода сварки трением имеет решающее значение для надежной и безопасной работы и эффективного использования энергии. Существует несколько методов сварки трением, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения. Однако выбор оптимального метода – сложная задача, требующая учета многих факторов, таких как прочность соединения, износ, деформация и свойства соединяемых материалов.

Способы сварки трением

Существует множество способов сварки трением:

  1. сварка трением с непрерывным приводом (ротационная)
  2. инерционная сварка трением,
  3. радиальная сварка трением,
  4. сварка трением с перемешиванием,
  5. орбитальная сварка трением,
  6. роликовая сварка трением,
  7. комбинированная сварка трением.

Методы сварки трением варьируются в зависимости от требований и спецификаций применения. Ниже приведен сравнительный анализ наиболее распространенных методов сварки трением.

Сварка трением с непрерывным приводом

Сварка трением с непрерывным приводом – это первый метод сварки трением. При этом методе одна заготовка зажимается, а другая вращается, располагая обе заготовки на одной оси с вращающимся телом. Затем заготовки сближаются, и к движущейся заготовке прикладывается осевое усилие.

1

Рисунок 1. Схема ротационной сварки трением

При непрерывной сварке трением механическая энергия передается непосредственно к сварному шву и преобразуется в тепловую энергию за счет динамического контакта между двумя заготовками.

Фаза нагрева в системе сварки трением с перемешиванием может регулироваться временем нагрева или деформацией заготовки. Затем движущаяся заготовка останавливается и подвергается ковке.

Основными параметрами ротационной сварки трением, показанные на рисунке 1, являются: Р – Давление нагрева и проковки; S – осадка; ω – частота вращения; MT – среднее значение момента трения.

2

Рисунок 2. Параметры сварочного процесса ротационной сварки трением

Преимуществами сварки трением с перемешиванием с непрерывным приводом являются:

  1. высокая производительность: сварка трением с непрерывным приводом может выполняться быстро и эффективно, что сокращает время процесса и повышает производительность.
  2. минимальная деформация: этот метод соединения сводит к минимуму деформацию и деформацию материала.
  3. высокая прочность соединения: при сварке трением с непрерывным приводом получаются очень прочные соединения, что делает этот метод соединения привлекательным для механических и промышленных применений.

К недостаткам сварки трением с непрерывным приводом относятся:

  1. Высокая стоимость оборудования: сварка трением с непрерывным приводом требует специализированного оборудования, которое дорого стоит в приобретении и обслуживании.
  2. Ограничения по форме и размеру деталей: этот метод может быть ограничен размером и формой свариваемой детали.
  3. Ограничения по материалам: не все материалы подходят для непрерывной сварки трением с перемешиванием, что может ограничить ее применение в некоторых отраслях промышленности.

В целом, непрерывная сварка трением с перемешиванием имеет множество преимуществ, но есть и ограничения, которые необходимо учитывать при выборе метода соединения для конкретного применения.

Инерционная сварка трением

От сварки с непрерывным приводом этот вид сварки трением отличается тем, что механическая энергия не передаётся непосредственно от привода к месту соединения. Эта сварка основана на использовании энергии, накопленной маховиком.

Шпиндель, с насаженным на него маховиком, разгоняется. После того, как маховик достиг определённого момента инерции вращающейся массы, привод отключают и производят сжатие заготовок с определённым усилием.

3

Рисунок 3. Схема инерционной сварки трением

Однако значительное сокращение машинного времени при инерционной сварке давлением по сравнению с обычной сваркой трением не означает, что производительность процесса также значительно повышается. Если машины потребляют одинаковую мощность и сваривают одинаковые заготовки, время одного цикла сварки давлением будет примерно одинаковым для обоих типов эквивалентной сварки трением из-за относительно большого времени разгона тяжелого маховика при сварке давлением по инерции. Образование хрупких интерметаллических фаз при сварке разнородных материалов связано с очень коротким временем, в течение которого температура сварки достигает максимального значения.

В инерционном способе сварки трением основными параметрами процесса являются: Р – Давление нагрева и проковки; ω – частота вращения; MT – среднее значение момента трения. Параметры схожи с ротационной сваркой трением, но циклограмма и показатели (рисунок 4) отличаются.

4

Рисунок 4. Параметры сварочного процесса инерционной сварки трением

Преимущество инерционной сварки трением:

Температура в сварном шве достигают максимальных значений только на очень короткий промежуток времени, что создает условия, затрудняющие образование хрупких интерметаллидных фаз при сварке различных материалов.

Недостатки инерционной сварки трением:

  1. Недостатком аппаратов для инерционной сварки трением является то, что процесс осуществляется с угловой скоростью и с большими осевыми усилиями, что требует тяжелых подшипниковых узлов и зажимов, выдерживающих большие радиальные усилия. В результате машины для инерционной сварки сложнее, тяжелее и дороже, чем машины для сварки трением с непрерывным приводом,
  2. Их использование ограничено соединением комбинаций материалов, которые невозможно соединить обычной сваркой трением (например, алюминий-титан), так как производительность при этом существенно не увеличивается.

Орбитальная сварка трением

Суть этого вида соединения заключается в том, что прижатые друг к другу заготовки движутся по орбите относительно друг друга. Заготовки не вращаются вокруг оси.

5

Рисунок 5. Схема орбитальной сварки трением 

Оси заготовок смещены на определенную величину e, называемую эксцентриситетом. Поэтому заготовка движется по кругу по определенной орбите, радиус которой равен радиусу эксцентриситета e. Когда заготовка проходит через стадию нагрева, их оси совпадают, и круговое движение прекращается. Затем происходит штамповка и образуется сварное соединение.

Преимущества орбитальной сварки трением заключаются в следующем:

  1. круглые заготовки можно сваривать так же, как и при орбитальной сварке
  2. отсутствует вращение заготовки, поэтому форма кромок свободная, но необходимо обеспечить равномерное рассеивание тепла по всей поверхности сварки.

К недостаткам орбитальной сварки трением относятся.

  1. сложность оборудования и ненадежность зажимного механизма означают, что этот вид сварки не всегда экономически целесообразен. Ненадежность зажимного механизма обусловлена высокими инерционными силами, действующими на зажим.
  2. высокая стоимость оборудования: оборудование для сварки трением с перемешиванием обычно довольно дорогое и может быть недоступно для малых и средних предприятий
  3. сложность в настройке и обслуживании: процесс настройки и обслуживания оборудования для сварки трением с перемешиванием требует специальных знаний и навыков
  4. ограниченная способность справляться со сложными геометрическими формами: сварка трением с перемешиванием может быть более сложной для деталей сложной геометрии.

Из-за многочисленных недостатков этот процесс сварки не получил широкого распространения в промышленности.

Сварка трением с перемешиванием

Сварка трением с перемешиванием - это процесс соединения в твердом состоянии, в котором используется неплавящийся инструмент для соединения двух заготовок, расположенных друг напротив друга. Вращающийся на высокой скорости инструмент соприкасается с кромкой соединяемой заготовки, и его наконечник проникает в заготовку на всю глубину кромки. В то же время кончик инструмента касается поверхности стыка. При движении инструмента по линии соединения оба металлических изделия механически перемешиваются, и горячий, размягченный металл под механическим давлением выковывается. 

6

Рисунок 6. Схема сварки трением с перемешиванием

Между изнашивающимся инструментом и заготовкой выделяется тепло от трения. Это тепло, вместе с теплом, выделяемым в процессе механического перемешивания, и адиабатическим теплом внутри материала, размягчает перемешиваемый материал, не расплавляя его. При движении инструмента вперед специальная геометрия щупа выталкивает пластифицированный материал с поверхности на обратную сторону, где большие силы способствуют кузнечному упрочнению сварного шва. 

7

Рисунок 7. Наконечники инструмента для сварки с перемешиванием

Преимущество сварки трением с перемешиванием заключаются в следующем: она безопасна, так как отсутствуют токсичные газы и брызги расплавленного материала

Недостатки сварки трением с перемешиванием следующие.

  1. При извлечении инструмента остается выходное отверстие в наконечнике
  2. Для фиксации пластины требуется большое усилие зажима.
  3. Скорость перемещения часто ниже, чем при сварке плавлением, но это можно компенсировать уменьшением количества сварочных проходов.

Радиальная сварка трением

Суть этого метода сварки заключается в использовании тепла, выделяемого при трении внешнего или внутреннего кольца. Внешнее или внутреннее кольцо контактирует с зажатым концом трубы, вращаясь с постоянной угловой скоростью, и трубы прижимаются друг к другу с постоянной силой. При вращении колец концы труб нагреваются, а, когда нагрев завершается, кольца перестают вращаться и продолжают сжиматься в радиальном направлении.

8

Рисунок 8. Схема радиальной сварки трением

Преимущества радиальной сварки трением заключаются в следующем: качество сварного соединения: благодаря особому процессу сварки, радиальная сварка трением позволяет получать высококачественные сварные соединения с небольшим количеством дефектов.

Недостатки радиальной сварки трением следующие:

  1. высокая стоимость оборудования: оборудование для радиальной сварки трением с перемешиванием обычно очень дорогое и может быть недоступно для малых и средних предприятий;
  2. сложность установки и обслуживания: процесс установки и обслуживания оборудования для сварки трением с перемешиванием требует специальных знаний и навыков.

Заключение

Из проведенного сравнительного анализа методов сварки трением с перемешиванием можно сделать вывод, что в большинстве случаев ротационный метод является наиболее эффективным и экономичным решением. Можно получить высококачественные соединения без лишних затрат. Кроме того, ротационные сварочные аппараты просты в установке и настройке, поэтому могут использоваться широким кругом потребителей. Однако каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, в зависимости от требований и характеристик системы. Прежде чем выбрать конкретный метод сварки, необходимо тщательно проанализировать условия эксплуатации и требования к работе. В следующей таблице приведены преимущества и недостатки каждого метода:

 

Преимущества

Недостатки

Ротационная сварка

1. Обеспечивает высокую прочность соединения.

2. Позволяет сваривать трубы и цилиндрические детали.

3. Может быть автоматизирована для повышения производительности.

Может быть неэффективной для сварки плоских деталей.

Инерционная сварка

Обеспечивает высокую скорость сварки.

Снижает деформацию деталей.

Требует высокой точности и контроля процесса.

Орбитальная сварка

Обеспечивает высокую точность и качество сварного шва.

 

1. Требует специализированного оборудования и высокой квалификации операторов.

2. Может быть более затратной по сравнению с другими методами сварки.

Сварка с перемешиванием

1. Обеспечивает высокую прочность соединения.

2. Подходит для сварки различных материалов, включая алюминий и титан.

3. Подходит для сварки листового металла в стыке

1. Требует специализированного оборудования и опытных операторов.

2. Может быть более сложной в реализации по сравнению с другими методами.

Радиальная сварка

1. Обеспечивает высокую скорость сварки.

 

 

1. Требует специализированного оборудования и высокой квалификации операторов.

2. Может быть менее эффективной для сварки толстых материалов.

Список литературы

  1. Сварка трением, сущность, виды и схемы сварки. [Электронный ресурс]//URL: https://taina-svarki.ru/sposoby-svarki/svarka-davleniem/svarka-treniem-vidy-primenenie-preimushchestva-i-nedostatki.php (дата обращения 23.12.2023)
  2. Сварка трением (+ Инерционная сварка, Орбитальная сварка) [Электронный ресурс]// URL: http://www.autowelding.ru/index/0-60 (дата обращения 21.12.2023)
  3. Сварка трением перемешиванием [Электронный ресурс]//URL:http://weldworld.ru/articles/svarka-treniem-peremeshivaniem/5684-svarka-treniem-peremeshivaniem.html (дата обращения 21.12.2023)
  4. Сварка трением: с перемешиванием, вращательная сварка, линейная и другие виды, оборудование и режимы [Электронный ресурс]//URL: https://vsetehpribory.ru/spravochnik/svarka-treniem-s-peremeshivaniem-vrashhatelnaya-svarka-linejnaya-i-drugie-vidy-oborudovanie-i-rezhimy (дата обращения 21.12.2023)
  5. Покляцкий А. Г., Ищенко А. Я., Подъельников С. В. «Автоматическая сварка». Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8…2,5 мм / – 2008. – № 10. – С. 27-30.
  6. Ольшанский Н.А. , Николаев Г.А. «Специальные методы сварки», “Машиностроение” – 1999. – 232 с.
  7. Штрикман М.М. Состояние и развитие сварки трением линейных соединений (аналитический обзор). Ч. 1 // Сварочное производство. - 2007. - № 9. - С. 36-40.
  8. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор) / А.Я. Ищенко [и др.] // Автоматическая сварка. - 2007. - № 11. -С. 32-38.