Пластическое деформирование: сущность, особенности

Для осуществления процесса требуется незначительное количество порошковых материалов и электроэнергии вследствие малой толщины получаемого слоя и кратковременности прохождения электрического импульса. Оптимальное температурное воздействие, регулируемое мощностью и длительностью импульса электрического тока установки электроконтактной приварки, наряду с высокими механическими свойствами обеспечивает минимальный уровень внутренних напряжений в поверхности детали, что позволяет избежать появления трещин и деформаций. Простота формы электрода снижает его износ и подготовку к процессу (рис. 21).²⁹

Рис. 21. Схема электроконтактной  металлизации: (по положительному решению ВНИИГПЭ № 96100121): 1 - деталь; 2 - порошковый материал; 3 - верхний специальный электрод; 4 - нижний электрод; 5 - машина для точечной сварки

Деталь (1) устанавливается  на нижний электрод (4) машины точечной сварки МТ-1216 (5). На упрочняемую поверхность наносится слой порошкового материала (2) толщиной до 100 мкм (диаметр частицы), например, Пр-Бр.ОН8,5-3 (8,5 % Sn; 3 % Ni; остальное -Си). Верхний электрод (3) с нагрузкой Р - 30 МПа прижимает порошковый сплав к упрочняемой поверхности детали. Производится впекание (вплавление) порошка в материал детали при прохождении кратковременного импульса электрического тока высокой плотности. В результате, на поверхности детали получается структура спекания. Температура процесса 800...1000 °С.

Метод применяется при ремонте  режущих кромок ножей уборочной техники, восстановлении изношенных кулачковых валов, втулок гусеничного движителя и других деталей автотракторной техники.

3.2. Сварка деталей трением

Развитие промышленности и транспорта, создание сложнейших инженерных конструкций для различных отраслей машиностроения требует создание и применения композитных конструкций и неразъемных соединений, обладающих уникальными прочностными и триботехническими свойствами, поэтому сварка разнородных металлов относится к одной из наиболее важных задач современной техники. Одним из прогрессивных способов, позволяющих получать такие соединения различных классов сталей и цветных металлов в разнообразном сочетании, является сварка трением.

Сварка трением - технология, при  которой сварное соединение образуется путем совместного действия деформирования и трения, нагретых до пластического состояния свариваемых поверхностей, благодаря непосредственному преобразованию механической энергии, выделяемой на поверхности контакта деталей, прижатых друг к другу и участвующих в относительном перемещении.

Давно известно, что при механической обработке деталей точением происходит интенсивный нагрев как резца и стружки, так и заготовки, приводящего иногда к привариванию стружки к резцу, резца к детали и образованию нароста конструкционного материала детали на резце.³⁰

Нагрев является следствием трения инструмента о деталь и стружку, причем до 99 % теплоты, выделяемой при резании, расходуется на разогрев стружки. При скоростном точении температура в зоне резания может достигать более 800 °С. При этом, чем выше скорость резания или усилие подачи (подводимая мощность), тем интенсивнее разогрев и выше температура нагрева, что соответственно увеличивает износ режущего инструмента. Несомненно, нагрев инструмента зависит и от ряда других причин, например, от марки обрабатываемого материала (изделия) и инструмента, использования смазочно-охлаждающих технологических сред и т.д. Чем выше их теплопроводность, тем интенсивнее отводится теплота от места контакта и схватывания не происходит.

В конце XIX в. были сделаны первые удачные опыты по сварке трением металлических прутков. Однако практическое применение этот способ сварки получил только в 60-х годах прошлого столетия, когда токарь-новатор А. И. Чудиков показал возможность получения высококачественного сварного соединения стальных стержней с помощью нагрева трением. На основании принципов, предложенных А. Чудиковым, были разработаны и построены специальные станки для проведения сварки трением.³¹

Технологический процесс сварки трением  наиболее просто может быть описан следующим образом (рис. 22).

Рис. 22. Сварка деталей  трением: 1 - свариваемые детали (трубы); 2 - зажимы; 3 - шпиндель станка

В шпиндель станка 3, аналогичного токарно-винторезному, устанавливается металлическая деталь, например, труба 1. Другая металлическая труба крепится в зажимах 2 станка. Включается механизм, и детали вращения с угловой скоростью с усилием F торцевыми частями прижимаются друг к другу. В результате трения между поверхностями детали выделяется большое количество теплоты, температура в контакте быстро повышается и в месте стыковки деталей возникает огненное кольцо. На трущихся поверхностях образуются тонкие слои расплавленного металла, которые перемешиваются и при приостановке станка, образуют неразъемное соединение, состоящее из сплава конструкционных материалов двух деталей.

Для сварных соединений, имеющих или допускающих использование кругового поперечного сечения, применение сварки трением вместо сварки плавлением или контактной сварки (ручной, полуавтоматический или полностью автоматизированный процесс) наиболее эффективно. Сварка трением потребует минимальной подготовки соединения под сварку, в т.ч. без необходимости предварительного нагрева и расходных материалов. Автоматизированный и достаточно быстрый цикл сварки не требует высокой квалификации оператора, а контроль над ходом процесса также осуществляется автоматически, что позволяет упростить дорогостоящие операции контроля качества сварного соединения. Тепло выделяется равномерно по всему периметру сварного шва, вследствие чего не возникает деформаций и дополнительных внутренних напряжений.

Сварку трением целесообразно  применять для следующих деталей и конструкций: фланец с болтовым креплением, вал со шпоночным пазом, либо соединение типа «вал-втулка», осевые шестерни, шарниры, ведущие мосты для грузовых машин, рулевые колонки, оси, полуоси, распределительные и карданные валы, универсальные шарниры равных угловых скоростей, клапана для двигателей, блоки зубчатых колес, буровые трубы, буровые штанги для ударного бурения, гидравлические цилиндры, цилиндрические штоки поршней, гусеничные ролики, режущие инструменты и ряд других.

В основном это определяется необходимостью применять в узлах детали из различных конструкционных материалов (металлов) или исключить изготовление детали из цельной заготовки посредством достаточно дорогостоящей механической обработки.

Однако существует одно важное ограничение: поперечное сечение  свариваемой детали в период сварки трением должно быть круговым. В тоже время в окончательном виде деталь может и не иметь кругового сечения. В конструкциях сложных сборных изделий могут быть включены цельные детали, которые дешевле изготовлять методом сварки трением. Так, в трансмиссионном валу типовой конструкции напряжения сосредоточены на концах вала, поэтому широко распространены конструкции с напряженным фланцем, шарниром или аналогичным элементом. В этом случае концевой элемент целесообразно выполнять из более прочного материала, чем вал, например, выковать его из легированной стали. При выполнении данных рекомендаций сварка трением позволяет получить сварные соединения высокого качества при использовании дешевых заготовок для поковки, привариваемых к валам из также недорогого пруткового конструкционного материала.

Главная опасность сварки трением разнородных металлов и  сплавов равновеликого сечения  и тавровых соединений таится в имеющей  место асимметрии температурного и  деформационного полей. Причина  такой асимметрии - различие в интенсивности отвода теплоты в детали из-за разных теплофизических характеристик и механических свойств свариваемых материалов. Особые трудности возникают при сварке материалов, вступающих в процессе совместного нагрева в химическое взаимодействие и образующих переходный слой интерметаллов, резко снижающих механические свойства сварных соединений или вообще делающих невозможной непосредственную сварку трением таких конструкционных материалов. Однако при необходимости применение промежуточной (например, медной) вставки позволяет сваривать трением и такие материалы.

Как уже указывалось, известно несколько разновидностей сварки трением, такие как ротационная, инерционная, конвенционная и ряд других.

Особенностью, так называемой, ротационной сварки трением является тот факт, что свариваемые детали не имеют круговое сечение. Это могут быть не только полосы, листы, но и сложные профили корабельной, самолетной или ракетной обшивки и т.д. при этом сварка происходит не за счет вращения одной из заготовок (что естественно не реально), а вследствие разогрева сварного соединения одной или несколькими ротационными головками (рис. 23).

Рис. 23. Ротационная сварка трением алюминиевого профиля

Одним из основных достоинств изделий, сваренных ротационной  сваркой трением, является их готовность к применению. Отсутствует необходимость в трудоемкой механической обработке после сварки: зачистке, шлифовке или правке. Правильно спроектированные и качественно сваренные элементы практически полностью готовы к дальнейшему применению сразу после сварки. Лимитирующим фактором часто является необходимость в сравнительно высоком вертикальном усилии прижатия свариваемых деталей при РСТ. Часто в конструкциях необходимо предусматривать возможность применения соответствующего поддерживающего элемента. Иногда приходится несколько изменять саму конструкцию.

После того, как это  сделано, повторяемость процесса достигает  уровня, недоступного при обычных  методах сварки. При изготовлении панелей большой площади, например стеновых или половых панелей, кроме требований плоскостности предъявляются еще важные требования к отражательной способности поверхности готовой панели. Выполнение этих «архитектурных» требований связано с трудоемкими и дорогостоящими операциями полировки и специальной обработки. При сварке панелей ротационной сваркой трением отражательная способность поверхностей панелей остается такой же, как в состоянии поставки, и не изменяется из-за нагрева при обычных методах сварки.

Достоинствами ротационной  сварки являются:

• изготовление конструкций с высокой степенью готовности
• высокий уровень повторяемости, обеспечивающий стабильность качества изделий с узкими допусками размеров;
• универсальность используемого оборудования; что позволяет его в короткое время перенастраивать для изготовления специальных заказов;
• значительная экономия средств на дополнительные работы, такие как рихтовка, правка и другие ручные работы.³²

В соответствии с задачами производства и особенностями вида сварки трением разрабатывается  специальное сварочное оборудование: станки, автоматы и полуавтоматы.

В настоящее время  оборудование для сварки трением разрабатывается и производится ИЭС им. Е.О. Патона (Украина), «НАСА» (Германия), «КУКА» (Германия), «ТОМПСОН» (Великобритания) и рядом других известных фирм. Так в ИЭС им. Е.О. Патока созданы новые машины СТ-109А и СТ-120, предназначенные для сварки трением различных сталей, цветных металлов и их сплавов. Они отличаются простотой конструкции, надежностью, высокой степенью автоматизации процесса сварки, производительностью и экономичностью.

Машина СТ-109А для инерционной сварки трением снабжена гратоснимателем резцового типа, обеспечивающим удаление грата со сваренных заготовок непосредственно сразу после сварки.

В машине СТ-120 для конвенционной  сварки трением в качестве привода вращения шпинделя применен двигатель постоянного тока с регулируемой частотой вращения. Управление исполнительными механизмами машины и программирование цикла сварки осуществляется микроконтроллером. Применение в конструкции машины СТ-120 привода постоянного тока и фрикционного многодискового тормоза дает возможность управлять процессом торможения шпинделя при нагреве и проковке. Программирование ускорения при торможении и момента приложения усилия проковки позволяет реализовать режимы комбинированной сварки трением и значительно расширяет технологические возможности машины.

Фирма «Thompson» («ТОМПСОН», Великобритания) выпускает целую линейку оборудовании (моделей) для сварки трением, например, модель 50/60, обладающую следующими возможностями и характеристиками:

• высокая производительность;
• компьютерное управление параметрами и процессом сварки;
• встроенный мониторинг качества сварки;
• регулировка скорости шпинделя;
• легкость автоматизации;
• быстрая перенастройка оборудования;
• встроенное внутреннее и внешнее удаление вспышки;
• возможность сваривания различных материалов;
• возможность односторонней и двусторонней сварки.

Станок имеет возможность  сваривания небольших стержней гидравлических цилиндров, осей карданного вала, полуосей, деталей рулевого управления, буровых штанг, коробок передач и т.д., а также имеет возможность сварки трением разнородных материалов таких как: углеродистая сталь, нержавеющая сталь, медь и алюминий.

Модель может комплектоваться, как ручным, так и автоматическим снятием подачей детали, фиксаторами для обработки деталей различной длины, дополнительным оборудованием для настройки и удаления грата, углового выравнивания частей деталей, а также компьютерным интерфейсом для управления процессом сварки.