Зварювання тертям

Зварювання тертям — це спосіб зварювання тиском, який використовує тепло, що утворюється внаслідок взаємного тертя під час відносного переміщення контактних торцевих поверхонь зварних з’єднань, для досягнення надійного з’єднання матеріалів. Процес зварювання передбачає застосування тиску, викликаючи тертя між зварюваними матеріалами, що призводить до підвищення температури на поверхні розділу та в прилеглих областях, зрештою досягаючи термопластичного стану. Під дією сили висадки оксидна плівка межі розділу розривається, і матеріал зазнає пластичної деформації та течії, утворюючи з’єднання через дифузію елементів розділу та металургійні реакції рекристалізації. Важливо, що цей процес зварювання не потребує присадочного металу, флюсу чи захисного газу, і всю процедуру можна завершити лише за кілька секунд.

Викликане високим тиском відносне тертя між поверхнями двох зварених компонентів на високих швидкостях призводить до двох ефектів:

• Він усуває оксидну плівку або будь-які інші забруднення на поверхні з’єднання, відкриваючи чистий метал.
• Він генерує тепло і швидко утворює термопластичний шар на поверхні суглоба. Під наступним крутним моментом тертя та осьовим тиском ці зламані оксиди та частина пластикового шару екструдуються з поверхні з’єднання, утворюючи спалах, а решта пластично деформованого металу утворює метал шва. Остаточна осадка дає можливість подальшої ковки зварного металу, в результаті чого зварене з’єднання гарної якості.

З процесу зварювання видно, що зварювальний з’єднання тертям утворюється нижче температури плавлення зварюваного металу, тому зварювання тертям є методом твердотільного зварювання.

Зварювання тертям можна класифікувати на різні типи на основі різних режимів руху зварюваних компонентів.

• Зварювальний виріб обертається навколо осі і може бути розділений на зварювання тертям з прямим приводом і зварювання тертям інерції
• Зварювання не рухається, і його можна розділити на радіальне зварювання тертям і зварювання тертям з перемішуванням
• Інші рухи можна розділити на фрикційне наплавлення, лінійне зварювання тертям і орбітальне зварювання тертям

Зварювання тертям з прямим приводом

Це поширений вид зварювання тертям. Під час процесу зварювання заготовка безперервно приводиться в рух шпиндельним двигуном і обертається з постійною швидкістю. До досягнення заданого часу тертя або деформації тертя заготовка негайно припиняє обертатися і перевертається для зварювання.

Зварювання тертям за інерцією

Обертовий кінець заготовки затискається в маховику. На початку процесу зварювання маховик і обертовий кінець заготовки спочатку розганяються до певної швидкості, а потім маховик від'єднується від основного двигуна. При цьому рухомий кінець заготовки рухається вперед, і після контакту заготовки починається фрикційний нагрів. У процесі нагріву зварювання тертям маховик гальмується моментом тертя, і швидкість його обертання поступово зменшується. Коли швидкість обертання досягає нуля, процес зварювання закінчується.

Радіальне зварювання тертям

На торцях двох труб із протилежними фасками кріпиться кільце зі скосом. У процесі зварювання тертям кільце зазнає обертання, і на двох кінцях труби діє радіальне тертя. Після завершення фази тертя обертання кільця припиняється, і додається осадний тиск.

Зварювання тертям з перемішуванням

Принцип роботи зварювання тертям з перемішуванням полягає в наступному: обертовий інструмент FSW певної форми, виготовлений із стійкого до високих температур твердого матеріалу, обертається вглиб кромки, де з’єднуються два зварювані матеріали, і головка для перемішування регулюється та обертається.Велика кількість тепла від тертя утворюється на з’єднувальній кромці двох зварних швів, що призводить до появи металопластикової зони розм’якшення на з’єднанні. Ця пластична зона розм'якшення перемішується і стискається під дією мішальної головки.Коли штифтовий інструмент обертається, він тече назад вздовж зварного шва, утворюючи потік пластичного металу, і екструдується під час процесу охолодження після того, як перемішувальна головка відійде, утворюючи твердофазне зварне з’єднання.

Фрикційне наплавлення

Фрикційне наплавлення — це твердотільний метод зварювання, при якому покриття або шар матеріалу наноситься на підкладку за допомогою тепла та тиску, створених тертям. Цей процес використовується для покращення поверхневих властивостей матеріалу або створення захисного шару з бажаними характеристиками. Як правило, це включає використання обертового витратного стрижня або дроту, який контактує з матеріалом підкладки, що призводить до генерації значного тепла від тертя.

Лінійне зварювання тертям

Одна з двох заготовок, призначених для зварювання, залишається нерухомою, а інша рухається взаємно з певною швидкістю, або обидві заготовки здійснюють зворотно-поступальний рух відносно одна одної. Завдяки застосуванню тиску тертя на межі розділу між двома заготовками генерує тепло, тим самим полегшуючи процес зварювання.

Лінійне зварювання тертям

Одна з двох заготовок, призначених для зварювання, залишається нерухомою, а інша рухається взаємно з певною швидкістю, або обидві заготовки здійснюють зворотно-поступальний рух відносно одна одної. Завдяки застосуванню тиску тертя на межі розділу між двома заготовками генерує тепло, тим самим полегшуючи процес зварювання.

Орбітальне зварювання тертям

Орбітальне зварювання тертям - це новий метод зварювання, який в основному використовується для зварювання заготовок некруглого поперечного перерізу

При лінійному орбітальному зварюванні тертям заготовка слідує певній лінійній орбіті з певною амплітудою та частотою. Це гарантує, що швидкість вібрації досягає необхідного значення, дозволяючи зварювальній поверхні зазнавати повторюваної відносної вібрації та тертя.

Кожна частинка заготовки при зварюванні тертям по круговій орбіті рухається відносно зварювальної поверхні по круговій орбіті з постійним радіусом і швидкістю обертання. Коли з’єднання досягає температури зварювання, фрикційний рух заготовки припиняється, і починається процес зварювання.

Таким чином, протягом усього процесу зварювання тертям металева поверхня, призначена для зварювання, зазнає прогресуючого нагрівання тертям від низьких до високих температур. Він зазнає безперервних перетворень, включаючи пластичну деформацію, механічне розривання, адгезію та молекулярне з’єднання. При цьому утворюється високошвидкісний шар пластичної деформації тертям, де зосереджені явища тепловиділення, деформації та дифузії під час зварювання тертям. На етапах стоянки і осадного зварювання деформований шар на поверхні тертя і метал в зоні високої температури частково подрібнюються і викидаються. Потім наплавлений метал піддається ковці, що призводить до створення високоякісного зварного з’єднання.

• Короткі терміни зварювання та висока ефективність виробництва
• Зварювальна деформація, викликана термічним циклом зварювання, невелика, точність розмірів після зварювання висока, і немає потреби в корекції деформації після зварювання та знятті напруги.
• Високий ступінь механізації та автоматизації, стабільна якість зварювання. При заданих умовах зварювання операція проста і не потребує спеціальних зварювальних техніків.
• Підходить для зварювання різних різнорідних матеріалів. Він може зварювати алюміній-сталь, алюміній-мідь, титан-мідь, інтерметалічні сполуки-сталь тощо, які неможливо зварити за допомогою звичайного плавлення.
• Може досягати зварювання прутів і труб одного діаметра або різних діаметрів
• Під час зварювання не утворюється дим, світло дуги, шкідливі гази тощо, а навколишнє середовище не забруднюється. У той же час, порівняно з флеш-зварюванням, електроенергія економиться в 5-10 разів.

Однак зварювання тертям також має такі недоліки та обмеження:

• Важко зварювати некруглий поперечний переріз і вимагає складного обладнання; важко також зварювати дископодібні тонкі деталі і тонкостінну трубну арматуру, оскільки їх важко затиснути.
• Важко досягти зварювання тертям для компонентів, форма та місце складання яких були визначені.
• З’єднання схильні до спалаху, тому їх необхідно обробити після зварювання.
• Затискна частина схильна до подряпин або слідів затискання

Зварювання тертям, яке характеризується високою якістю, ефективністю, енергозбереженням і екологічністю, поступово набуває широкого поширення як у нових, так і в традиційних галузях промисловості. До них належать авіація, космонавтика, ядерна енергетика, зброя, автомобілебудування, виробництво електроенергії, освоєння океану та машинобудування.

Аерокосмічна промисловість: авіаційні двигуни, деталі колінчастого вала двигуна внутрішнього згоряння

Автомобілебудування: колеса, рульові тяги, випускні клапани, ротори