Сварка трением: принцип работы и ключевые применения

Что такое сварка трением?

Сварка трением — твердофазный сварной метод, соединяющий заготовки генерацией тепла через механическое трение между заготовками в относительном движении друг к другу с добавлением боковой силы ("апсета"), пластически смещающей и сплавляющей материалы.

Поскольку плавления не происходит, сварка трением не является плавленческой сваркой, а твердофазным методом, ближе к ковковой сварке. Используется с металлами и термопластами в авиации и автопроме.

На практике, кажуще гладкая поверхность состоит из множества микроскопических выступов — асперити. При относительном движении одной поверхности к другой эти асперити взаимодействуют, генерируя трение — силу, сопротивляющую движению взаимодействующих поверхностей.

Взаимодействие асперити через упругую и пластическую деформацию генерирует тепло. Сварка трением использует это явление для соединения. Индуцированное механическое движение генерирует тепло, заставляя материалы размолвляться и становиться вязкими. В размоленном состоянии механическое движение процесса перемешивает материалы, создавая связь.

Способ генерации трения тепла и перемешивания материала сильно зависит от используемого процесса сварки трением, из которых четыре основных: FSW (сварка трением с перемешиванием), FSSW (точечная сварка трением с перемешиванием), LFW (линейная сварка трением) и RFW (вращательная сварка трением).

Как работает сварка трением?

FSW работает нерасходным инструментом, вращающимся и вверяющимся в интерфейс двух заготовок. Инструмент движется через интерфейс, трение тепло нагревает и размолвляет материал.

Вращающийся инструмент механически перемешивает размоленный материал для образования связи. FSSW — вариант FSW: вращение, вверение и отвод нерасходного инструмента в две заготовки в накладной конфигурации для "точечного" шва. При FSSW нет продольного движения инструмента через заготовки.

LFW и RFW не требуют нерасходного инструмента — сами заготовки генерируют трение тепло и механическое перемешивание. LFW работает линейными колебаниями одной заготовки относительно другой под давлением.

Трение между колеблющимися поверхностями производит тепло, вызывая размолвление и механическое перемешивание интерфейсного материала. RFW похож на LFW, но заготовки часто круглые и вращаются относительно друг друга. При LFW и RFW заготовки обычно укорачиваются ("сгорание") в направлении давления, образуя бейвку.

Во время сгорания загрязнения интерфейса — оксиды, посторонние частицы — выбрасываются в бейвку. Очищенные от загрязнений, чистый металл-металл контакт дает интегральную связь. Хотя температуры очень высоки, материал остается в твердом состоянии (плавления нет).

Применение

Сварка трением позволяет изготавливать лучшие промышленные валы, трубы и валы. Процесс часто используется для изготовления этих подсборок для промышленных принтеров, оборудования материалооборота, авто, авиа, морской и нефтегазовой отраслей.

Другие примеры компонентов: шестерни, осевые трубы, карданные валы, клапаны, гидравлические поршневые стержни, втулки роликов грузовиков, насосные валы, буры, шатуны и др.

Преимущества сварки трением

• Соединение разнородных материалов, обычно несовместимых другими методами.
• Узкая термически затронутая зона.
• Стабильный и повторяемый процесс полного металлического сплавления.
• Минимальная подготовка стыка — чаще всего пилочный срез.
• Быстрые сроки — по сравнению с длительным лид-таймом ковок (6+ месяцев).
• Гибкость проектирования — выбор подходящего материала для каждой зоны заготовки.
• Подходит для разного объема — от единичных прототипов до серийного производства.
• Не требуются флюсы, наплавные материалы или газы.
• Экологичный процесс — без дыма, газов, задымления.
• Твердофазный процесс — нет пористости или шлаковых включений.
• Создает кованые/литые заготовки без дорогой оснастки и минимальных объемов.
• Снижает трудозатраты на механическую обработку, уменьшает расход расходного инструмента, повышает мощность.
• Поверхностный шов дает высокую прочность в критических зонах.
• Снижает затраты на сырье в биметаллических применениях. Дорогие материалы только где нужны.

Недостатки сварки трением

• Процесс только для круглых прутков одинакового поперечного сечения.
• Ограничен угловыми и плоскими стыками впритык.
• Высокая стоимость наладки.
• Сложная подготовка заготовки.
• Нековуемые материалы не сварюются.
• Только для мелких деталей; крупные несовместимы.

Видео сварки трением