Статьи / Машиностроение / Сварка трением - качество при меньших затратах

Сварка трением - качество при меньших затратах

Сварка трением - качество при меньших затратах

Продолжая тему сварки различных поверхностей различными методами (в прошлый раз мы писали о стыковке пластиковых труб), редакция промышленного портала решила затронуть не менее интересную тему сварки металлических поверхностей трением. В промышленной среде термин "сварка трением" стал широко известен с начала 90-х годов, когда были опубликованы работы учёных из Института Сварки (в Кембридже) по данной теме. Хотя идея эта не новая, в СССР токарь-изобретатель Чудиков А.И ещё в середине прошлого века соединил два стержня из низкоуглеродистой стали на обычном токарном станке, когда один из стержней вращался и торцом прижимался ко второму.

Фактические, сварка трением представляет собой процесс твердотельного соединения материалов, когда кинетическая энергия от вращающегося инструмента (либо детали) передаётся свариваемому материалу, тут же преобразуясь в тепловую в месте контакта. Металл при этом не расплавляется, а теплота выделяется исключительно в зоне соединения деталей. Таким способом можно сваривать алюминий, медь, сталь, разнородные металлические материалы, например сталь с алюминием. Качество сварного шва при этом очень высокое, ведь расплавления металла не происходит, а значит не наблюдается образование раковин, пор и других дефектов, характерных для «стандартного» метода сварки, когда свариваемые детали локально расплавляются.

В простейшем случае, процесс соединения металлических частей сваркой трением можно описать так:

  • две детали укладываются встык;
  • перпендикулярно плоскости деталей на стык подаётся вращающаяся головка (выполняется из материала с особыми свойствами, например, керамика);
  • керамическая головка прижимается к стыку, вращается с большой частотой, постепенно перемещается по стыку, формируя за собой шов.

У сварки трением есть несколько специфических плюсов:

  • не требуется использования инертных газов и специальной проволоки;
  • есть возможность максимальной автоматизации (при этом обслуживающий персонал может не иметь специальных навыков. Контролировать качество соединения можно в процессе создания шва. Особенно это проявляется при работе на швах значительной протяжённости. Например, при сварке корпусов ракет или подводных лодок;
  • особую актуальность сварка трением принимает в свете постоянного удорожания энергоносителей, ведь расходы электроэнергии при этом способе соединения металлических минимальны, т.к. не нужно нагревать до расплавления «лишний металл»;
  • в процессе соединения деталей по данной технологии, не выделяется вредные вещества в атмосферу, отсутствует ультрафиолетовое излучение. Это позволяет не возводить и не эксплуатировать системы дымоудаления, что так же снижает себестоимость сварочных работ (в некоторых случаях стоимость аспирационных систем, которые удаляют продукты сварочный дым от места проведения работ, может быть соизмерима со стоимостью сварочного оборудования). И это без учёта возможных штрафных санкций, когда загрязняющее сварочное производство расположено в черте населённого пункта.

Таким образом, при автоматизированной сварке трением, можно получать высококачественный продолжительный однородный шов, который по своим параметрам прочности и пластичности и себестоимости значительно превосходит швы от электросварки и газопламенной сварки. Однако, по сравнению с электросваркой или газосваркой, такой метод не очень удобен по соображениям оперативности ведения работ (особенно в сравнении с ручной сваркой). Действительно, если необходимо провести сварочные операции на труднодоступных небольших узлах или узлах в условиях действующего производства (например, при проведении ремонта), ручной труд сварщика заменить нечем.

Специфические трудности в использовании этого метода соединения деталей выражаются в следующем:

  • сложно в оперативном порядке изменять длину вращающегося наконечника, когда осуществляется сварка заготовок с переменной толщиной;
  • в месте отвода сварочной головки от заготовки по технологическим причинам остаётся отверстие. Это отверстие как правило заплавляется обычными методами.

Специалистами НАСА разработано оборудование, которое позволяет сваривать разнотолщинные детали, при этом отверстия в конце шва не остаётся. Оборудование это позволяет получить высококачественный шов толщиной от 0,3 мм и используется для аэрокосмических проектов НАСА. Для «рядового» применения эта разработка НАСА будет обходиться довольно дорого.

Высокое качество шва сделало технологию сварки трением стандартной в авиакосмической сфере. Именно таким методом соединяют детали корпуса наружного топливного бака Space Shuttle и ракеты Ariane. Этим же методом соединяют корпусные детали палуб для автомобильных паромов, сварные детали всевозможных резервуаров в химической промышленности.

В связи с тем, что сварка методом трения является ключевой технологией в создании крупных объектов аэрокосмических программ, в 2004 году в США был создан специализированный Центр Технологий Сварки Трением. В это объединение вошли ключевые производители аэрокосмической техники: Lockheed Martin, Boeing, NASA и др. В итоге общими усилиями удалось разработать новые технологические приёмы сварки трением. Так, для обеспечения локального равномерного прогрева свариваемых листов, сварку тернием комбинировали с нагревом ТВЧ. С помощью ТВЧ металл предварительно разогревается до пластичного состояния, после чего осуществляется непосредственно сварочный процесс. При этом используются специальные тепловые экраны для предотвращения даже минимальных тепловых потерь. Разделение нагрева и пластической деформации для формирования сварочного шва в самостоятельные процессы, позволяет формировать шов с точно заданной микроструктурой. Естественно, прочностные характеристики такого шва будут самые выдающиеся. Такой метод ведения процесса позволяет сваривать не только швы на плоскости, но и кольцевые швы на трубопроводах, угловые швы.

Сварка трением позволяет получать высококачественные швы при работе с «трудносвариваемыми» сплавами – на основе магния, титана, алюминия. Этим методом на предприятиях-производителях аэрокосмической тематики в США, сваривают титановые пластины толщиной около 13мм. Сваривают таким способом и вовсе экзотические элементы, например пластины из обеднённого урана. Шов обладает довольно высокими показателями пластичности, что при использовании электросварки и газосварки почти невозможно в работе со специфическими сплавами. Таким образом, появляется возможность изготавливать сварные детали из специальных сплавов, работающие в условиях сильных знакопеременных нагрузок. Ранее такие детали выполняли из цельной заготовки - механически обрабатывали, либо ковали. Т.е. использование в качестве технологии соединения компонентов сварки трением – путь к снижению себестоимости наряду с повышением качества соединения.

Постепенно передовая технология «перекочевала» из космических и авиационных секторов в более «приземлённые». Так, компания Rolls Royce и General Motors начали активно внедрять подобное оборудование на своих производственных мощностях по созданию автомобилей, что является выверенным решением в борьбе за качество конечной продукции при минимальных затратах на ведение процесса.


© ООО «Индбоард»

Опубликовано: 2011-08-15

При перепечатке или копировании этой статьи или отдельных ее фрагментов ссылка на первоисточник обязательна.

Общая оценка: (442 чел.)

Моя оценка этой статьи

Насколько полезна и содержательна информация в этой статье?

Ещё статьи

Реклама на indboard.ru

Поделиться с друзьями

 

 

Комментарии и отзывы пользователей отсутствуют. Вы можете первым оставить свой комментарий, если Вам есть, что сказать.

 

Ваш комментарий