Трение сварка: процесс, преимущества и применение

Что такое сварка трением?

Сварка трением — твердофазный метод сварки, соединяющий детали за счет тепла, возникающего при механическом трении между деталями в относительном движении, с приложением поперечной силы («upset») для пластического смешения и слияния материалов.

Так как плавления не происходит, сварка трением — не плавленная сварка, а твердофазный метод, ближе к кузнечной сварке. Применяется к металлам и термопластикам в авиации и автопроме.

Казалось бы гладкая поверхность на микроуровне имеет множество микровыступов — асперитетов. При относительном движении асперитеты взаимодействуют, создавая трение — силу, сопротивляющуюся движению.

Взаимодействие через упругую и пластическую деформацию генерирует тепло. Сварка трением использует это явление для соединения. Индуцированное механическое движение генерирует тепло, материалы размягчаются и становятся вязкими. В размягченном состоянии механическое движение смешивает материалы, создавая связь.

Способ возникновения трения и смешения зависит от процесса, из четырех основных: сварка трением с мешанием (FSW), точечная сварка трением с мешанием (FSSW), линейная сварка трением (LFW) и вращательная сварка трением (RFW).

Как работает сварка трением?

FSW: нерасходный инструмент вращается и входит в стык двух деталей. Инструмент движется по стыку, трение нагревает и размягчает материал. Вращающийся инструмент механически смешивает размягченный материал, образуя шов.

FSSW — вариант FSW: вращение, ввод и отвод инструмента в двух деталях в перекрывном стыке для «точечного» шва. Инструмент не перемещается по деталям.

LFW и RFW не требуют нерасходного инструмента — сами детали генерируют тепло и смешение. LFW: линейная осцилляция одной детали относительно другой под сжимающей силой. Трение дает тепло, материал размягчается и механически смешивается. RFW похоже, но детали часто круглые и вращаются относительно друг друга. При LFW и RFW детали обычно укорачиваются («burn-off») в направлении сжимающей силы, образуя заусенец.

При burn-off загрязнения (оксиды, инородные частицы) выталкиваются в заусенец. После очищения происходит чистое металл-металл смешение — интегральная связь. Несмотря на высокие температуры, материал остается в твердом состоянии (нет плавления).

Применение

Сварка трением позволяет создавать лучшие промышленные ролики, трубы, валы. Процесс используется для изготовления подсборок для промышленных принтеров, транспортеров, авто, авиа, морепродуктов, нефти.

Примеры: шестерни, осевые трубы, карданные валы, клапаны, поршневые штанги гидроцилиндров, кусты роликов грузовиков, валы насосов, буры, шатуны.

Преимущества сварки трением

• Соединение разнородных материалов, несовместимых другими методами.
• Узкая зона термического влияния.
• Стабильный и повторяемый процесс полного металлического слияния.
• Минимальная подготовка стыка — обычно пильное сечение.
• Быстрые сроки — сравнительно с 6+ месяцами на ковку.
• Гибкость дизайна — подбор материала для каждой зоны заготовки.
• Подходит для любых объемов — от прототипов до массового производства.
• Нет флюсов, наполнительного материала, газов.
• Экологично — нет дыма, газов, копоти.
• Твердофазный процесс — нет пористости или шлаковых включений.
• Создает кованые/литые заготовки без дорогой оснастки и мин. партии.
• Снижает трудозатраты на обработку, расходы на расходники, повышает мощность.
• Поверхностный шов дает высокую прочность в критических зонах.
• Снижает стоимость сырья в биметалле — дорогой металл только где нужен.

Недостатки сварки трением

• Только для круглых прутков одинакового сечения.
• Ограничена угловыми и плоскими стыками наглухо.
• Высокая стоимость оснастки.
• Сложная подготовка деталей.
• Некуемые материалы не сварщиваются.
• Только для мелких деталей; крупные несовместимы.

Видео о сварке трением