Сварка

Схемы сварки трением показаны на рисунке 23:

а) с вращением одной детали;

б) с вращающейся вставкой;

в) с вращением в противоположные стороны;

г) с возвратно-поступательным движением одной детали.

В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми (ювенильными) контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. На сопряженных деталях в месте стыка происходит интенсивный нагрев контактирующих поверхностей. Например, для углеродистых сталей обыкновенного качества температура достигает 900–1350 °C. При достижении температуры сварки процесс трения должен быть резко прекращен.

Окисные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и удаляются за счет пластической деформации в радиальных направлениях. Сварка заканчивается естественным охлаждением деталей при повышенном сжимающем осевом усилии.

Выделяют несколько типов сварных соединений сваркой трением, которые показаны на рисунке 24:

а) сварка стержней встык;

б) сварка труб встык;

в) сварка встык стержня с трубой;

г) приварка стержня к листу;

д) приварка трубы к листу;

е) приварка стержня к массивной детали.

Основные технологические параметры сварки трением:

• скорость относительного перемещения (вращения) свариваемых поверхностей;

• продолжительность нагрева;

• удельное усилие сжатия заготовок;

• пластическая деформация, т. е. величина осадки;

• площадь сечения и конфигурация заготовки.

Рис. 23.

Схемы сварки трением

Преимущества стыковой сварки:

• высокая производительность;

• высокое и стабильное качество сварного соединения;

• возможность сварки разнородных металлов и сплавов;

• отсутствие вредных выделений;

• высокие энергетические показатели (например, при сварке трением углеродистой стали удельная электрическая мощность равна 15–20 Вт/мм2, а при электрической контактной сварке – 120–150 Вт/мм2);

• высокая скорость соединения деталей (машинное время в пределах 2–40 секунд);

• высокая степень механизации и автоматизации процесса;

• возможность использовать для сварки трением различные типы общепромышленных токарных и сверлильных станков.

Недостатки сварки трением:

• для каждого металла необходимо разрабатывать технологические режимы в зависимости от состава материала и геометрических параметров;

• необходимость контроля момента сварки с последующим прекращением процесса;

• необходим механизм давления для создания осевых усилий сжатия.

Ультразвуковая сварка

Волны, распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях, твердых телах), называются в физике волнами малой интенсивности. Эти волны вызывают слабые механические возмущения. Звуковые волны, воздействуя на органы слуха, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты звуковых колебаний лежат в пределах 16–20 000 Гц. Эта область называется областью слышимых звуков. Упругие волны с частотами 20–100 кГц называются ультразвуковыми.

Рис. 24.

Типы соединений сварки трением

Ультразвук («ультра» означает «сверх») – волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц твердых тел, жидкостей и газов, происходящее с частотами более 16 000 колебаний в секунду. В физике принято измерять частоты колебаний в герцах (1 Гц = 1 колебанию в 1 секунду). Ультразвук назван так потому, что основная часть людей не слышит колебания свыше 16 кГц.

Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой (ультразвуковой) частоты к свариваемым деталям в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластические деформации материала свариваемых поверхностей. В результате механических колебаний в месте соединения металлов развивается повышенная температура, зависящая от свойств материала. Эта температура способствует возникновению пластического состояния материалов и их соединению. В местах сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Таким образом, сварка с применением ультразвука относится к процессам, в которых используют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. В этом способе сварки тепловая энергия не подводится извне, а образуется в результате действия сил трения, поэтому ультразвуковая сварка относится к механическому классу. Силы трения возникают в результате действия механических колебаний с ультразвуковой частотой на заготовки, сжатые осевой силой Р.

Механические колебания создаются в специальных преобразователях, которые преобразуют высокочастотные колебания электрического тока в механические колебания рабочего инструмента.

Для этих целей используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля. Магнитострикция как физический эффект была открыта в 1842 г. Дж. П. Джоулем. Название было дано от латинского слов strictio, что означает сжатие, натягивание. В настоящее время для магнитострикционных преобразователей используют материалы на основе ферромагнитных сплавов.

Переменный электрический ток создает в магнитострикционном материале преобразователя переменное магнитное поле. Изменения размеров магнитострикционного материала происходят при каждом полупериоде тока, т. е. упругие колебания генерируются с двойной частотой относительно частоты переменного тока. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, Поэтому для передачи к месту сварки механических колебаний, увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний используют волноводы. В большинстве случаев они имеют сужающуюся форму.

В зависимости от конструкции волновода и крепления инструмента в зоне сварки можно получить продольные, поперечные и крутильные колебания инструмента. Их амплитуда обычно бывает в пределах 10–30 мкм.

Мощность генераторов для сварки ультразвуком при рабочей частоте 18–25 кГц составляет от 0,4 кВт и до 5 кВт. Применяются также генераторы с частотами: 44, 66, 88 кГц.

На рисунке 25 показаны различные виды волноводов (концентраторов) для увеличения амплитуды колебаний и передачи их в зону сварки.

Рис. 25. Виды волноводов (концентраторов):

1 – ступенчатый; 2 – конический; 3 – сложной геометрической формы

Стержневой магнитострикционный преобразователь показан на рисунке 26а, он состоит из сердечника 1 и катушки 2. Переменный ток возбуждает в катушке переменное магнитное поле, которое за счет магнитострикционного эффекта в направлении оси сердечника создает упругие напряжения и деформации, т. е. сердечник совершает продольные механические колебания.

Продольные механические колебания, возбуждаемые в преобразователе, подаются на инструмент или преобразуются в другие типы колебаний, обусловленные технологией. Это реализуется изменением конструкции волновода и инструмента.

Устройства для преобразования колебаний показаны на рисунке 26б.

Изгибные колебания получают при помощи волновода продольных колебаний, если к нему присоединить стержень 3, имеющий резонансные размеры по отношению к изгибным колебаниям заданной частоты. Крутильные колебания передаются в зону сварки, например способом, показанным на рисунке 26б.