МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ) Кафедра «Технология машиностроения» КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА по дисциплине: «Технология заготовительного производства» Тема: «Сварка трением» Разработал студент А.Ю. Соломатин Подпись, дата Инициалы, фамилия Подпись, дата Инициалы, фамилия Руководитель А.В. Норман Защищена ____________________ Оценка ____________________________ дата ВОРОНЕЖ 2023 1 Содержание 1. Введение …………………..…………………………….....…... 3 2. Принцип действия …………………………………………….. 4 3. Особенности……………………...……………………………. 6 4. Преимущества ………………………………...………………. 7 5. Недостатки ……………………………..……………………... 9 6. Виды ……………………………..……………………………. 10 7. Заключение ………………………….………………………… 14 8. Список литературы ………………………………………….... 15 2 Введение Сварка трением, или фрикционная сварка, была изобретена в 1956 году в СССР. Для нагрева металла используется тепло, выделяемое при интенсивном трении прижатых друг к другу деталей. Метод отличается простотой, экологичностью и малой энергоемкостью. Так можно сваривать даже разнородные металлы и сплавы, не соединяемые другими способами. Получение неразъёмных соединений посредством установления межатомных связей между соединяемыми частями при их нагревании и (или) пластическом деформировании - называется сваркой. Такое определение сварки даёт ГОСТ 2601-84. Получения монолитного соединения при сварке плавлением и давлением имеет существенные различия, что и определяет их выбор при изготовлении сварных конструкций. Методы сварки давлением (термомеханические и механические) имеют определённые преимущества по сравнению с методами сварки плавлением. При различных методах сварки давлением возможно получение неразъёмного соединения металлов, металлов с неметаллическими материалами и неметаллов друг с другом. При этом соединение материалов осуществляется в холодном состоянии в результате деформационного или термодеформационного воздействия в зоне контакта. При механических методах сварки соединение заготовок происходит путём совместной пластической деформации соединяемых деталей за счёт приложения внешних сил. К ним относят сварку трением, взрывом, холодную, ультразвуковую и др. В зависимости от материала сварной конструкции, её габаритов, толщины свариваемого металла и других особенностей свариваемого изделия предпочтительное применение находит тот или иной метод сварки давлением, одним из которых является сварка трением. Существует несколько видов и подвидов сварки трением, каждый из которых находит применение в современном производстве. 3 Принцип действия Технология сварки с помощью трения стоит особняком среди прочих методов сварки. Для нагрева свариваемых деталей используется тепло, выделяемое при трении заготовок друг о друга. Наиболее распространено использование трения вращения, при этом вращается одна из свариваемых заготовок либо вкладка (или накладка) между ними. Заготовки сильно прижимают друг к другу, постепенно увеличивая силу прижима. В точке контакта деталей и происходит нагрев. За счет трения и высокой температуры разрушаются окисные пленки и следы посторонних загрязнений. Поверхности заготовок притираются одна к другой, разрушаются микро выступы, поверхность выравнивается, и атомы металлов получают возможность вступать в близкое взаимодействие. Кристаллические связи возникают на короткое время и быстро разрываются за счет движения заготовок друг относительно друга. Процесс разделяется на следующие этапы: 1) снятие оксидных пленок. 2) нагрев поверхностей до температуры пластичности, создание и разрушение фрагментов кристаллических решеток 4 3) останов вращения, кристаллизация зоны контакта, образование сварного шва. После того, как температура плавления достигнута, вращение останавливают и увеличивают силу прижима. Технологическая схема сварки трением намного проще, чем электродуговая или газовая сварка. 5 Особенности К особенностям сварки трением относят: 1) способность к свариванию разнородных материалов, например, сварить сталь алюминий. При этом не требуются присадочные материалы и сложное оборудование. 2) применимость для неразъемного соединения деталей из меди, свинца, титана без деформации заготовок. 3) максимальная эффективность достигается при работе с заготовками от 6 до 100 миллиметров диаметром. 4) незаменимость в создании сложных технологий и выпуске кованосварных, штампованно-сварных и сварочно — литых изделий. 5) способность соединять материалы с низко свариваемостью. Этим методом можно сварить заготовки, не свариваемые никакими другими методами, например, алюминиевые и стальные. Схема производства сварки трением Нагревание при сварке трением широко используется и для сваривания деталей из термопластичных пластиков. 6 Преимущества К важным преимуществам технологии сварки трением относят: 1) Производительность. Весь сварочный процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существенно меньше времени занимают также и подготовительно — завершающие операции. По этому параметру технология превосходит контактную электросварку. 2) Эффективность использования энергии. Нагрев происходит очень быстро и в весьма ограниченной закрытой области, потери энергии на обогрев окружающего пространства ничтожны по сравнению с другими сварочными технологиями. Преимущество по энергозатратам может быть десятикратным. 3) Отличное качество шва. При корректно подобранном технологическом режиме зона сварного шва и околошовные области станут практически идентичны по своему строению и характеристикам основному металлу. Кроме того, в шовном материале практически отсутствуют дефекты: пористость, каверны, трещины, посторонние включения. 4) Высокая стабильность характеристик швов внутри партии деталей. Если точно выдерживать режим, параметры деталей будут отличаться на доли процента. Это позволяет контролировать качество выборочно и позволяет сэкономить много времени и средств. Если одна деталь из партии прошла разрушающий контроль, то можно принимать технически обоснованное решение о годности всей партии. 5) Нет необходимости в предварительной механической зачистке поверхности зоны шва и околошовной области. Она выполняется на первом этапе технологического процесса. Поскольку на подготовительно — завершающие операции времени уходит больше, чем на собственно сварку, это преимущество дает возможность для весьма заметной экономии. 6) Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Успешно свариваются такие пары металлов, которые просто невозможно сварить 7 другими методами: стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и т.д. 7) Экологичность технологии. Сведены к минимуму как загрязнение окружающей среды, так и вредные факторы воздействия на здоровье людей: высокое напряжение, брызги расплавленного металла, ультрафиолетовое излучение, пожароопасность и другие. 8) Кроме того, сварка трением легко поддается механизации и автоматизации. Это особенно важно при крупносерийном и массовом производстве. Несколько несложных повторяющихся операций легко алгоритмизируются и могут выполняться по программе без участия человека. 8 Недостатки Как и у любой реально действующей технологии, фрикционному свариванию присущ и ряд недостатков: 1) Применимость к ограниченному набору форм заготовок. Хотя бы одна из них должна иметь форму тела вращения. Способ не подходит для сваривания протяженных прямых и криволинейных швов, оболочек сложной формы, монтажа строительных конструкций, корпусов механизмов и транспортных средств. Однако в машиностроении более 75% деталей имеют круглое сечение или более сложную форму тел вращения. 2) Громоздкое оборудование. Универсальный или специализированный станок требует стационарной установки, подведения электропитания. Это делает невозможным применение метода в полевых условиях. 3) Ограниченный размер детали. Длина привариваемой детали ограничена вылетом бабки станка, диаметр — вылетом кулачков патрона. 4) Радиальная деформация текстуры в зоне шва и в околошовных областях. При сильных динамических нагрузках возможна концентрация усталостных напряжений и возникновение микротрещин и других дефектов. Снижается также и коррозионная стойкость. Чтобы избежать ‘этих явлений, на заготовке оставляют грат. Дополнительная трудоемкость затрачивается на снятие грата по конструктивным требованиям. Недостатки, ограничивающие использование метода, не позволяют считать фрикционную сварку универсальной технологией. Однако в сфере своей применимости она обладает значительными преимуществами перед другими методами. 9 Виды сварки За полвека были разработаны и активно применяются несколько разновидностей фрикционного сваривания деталей. Они обладают своими особенностями, делающими их эффективными в своей области использования. 1. Сварка с перемешиванием. Технология была разработана и начала применяться в конце ХХ века. Суть метода заключается в использовании вращающегося штыря с заплечиками. Штырь изготавливают из тугоплавкого сплава высокой прочности. Вращаясь и нагревая металл, он проникает в него по линии контакта заготовок. За счет вращательного движения, в которое вовлекаются поверхностные слои размягченного нагревом металла заготовок, происходит 10 перемешивание этих слоев. Так обеспечивается равномерность структуры и характеристик шовного материала. 2. Радиальная сварка. Применяется для соединения труб. В месте стыка на трубы с минимальным зазором надевают металлическое кольцо, которое вращается вокруг них. За счет трения вращения происходит нагрев торцов соединяемых труб. Кольцо обычно изготавливают из того же сплава, что и свариваемые трубы. 3. Штифтовая сварка. Технология разработана для проведения ремонтов. В ремонтируемой детали сверлят отверстие, в него вводят стержень 11 из такого же сплава, что и сама деталь. В ходе вращения штифта выделяется большое количество тепла, нагревающего металл. Это один из немногих мобильных способов сварки трением. 4. Линейная сварка. В отличие от остальных технологий, использующих трение, в этой вращение не применяется. Детали двигаются друг относительно друга прямолинейно, возвратно – поступательно и нагреваются до необходимой температуры. В этот момент движение прекращают и сильно прижимают заготовки друг к другу. Излишки металла в состоянии пластичности частично выдавливается из зоны сварки, образуется сварочный шов. Существует вариант технологии, при котором обе свариваемые детали неподвижны, а зоне шва о них трется инструмент специальной формы. 12 13 Заключение Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей. Сравнительно недавно фрикционная сварка стала использоваться в кораблестроении и пищевом машиностроении. Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как: - для замены паяных и клепаных соединений; - для замены контактной электросварки; - для восстановления изделий и сложного инструмента; - для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям. Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным. 14 Список литературы 1. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А., Кузнецов В.А., Шлыкова А.В., Пыжов В.В., Технология конструкционных материалов. Профессиональное образование, 2008 г. 2. Конюшков Г.В., Мусин Р.А. Специальные методы сварки давлением. Учебное пособие.- Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. – 632 с. 3. Ольшанский Н.А., Николаев Г.А. «Специальные методы сварки». М., “Машиностроение ” , 1999. 232 с. 4. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; под ред. В.М. Неровного. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2007. – 752 с. 15