Заваряване чрез триене

Фрикционното заваряване е метод за заваряване под налягане, който използва топлината, генерирана от взаимното триене по време на относителното движение на контактните крайни повърхности на заваръчните елементи, за да се постигне надеждно свързване на материалите. Процесът на заваряване включва прилагане на налягане, предизвикващо триене между заваряваните материали, което води до повишаване на температурата на интерфейса и близките зони, като в крайна сметка се достига до термопластично състояние. Под въздействието на силата на разклащане, оксидният филм на интерфейса се разрушава и материалът претърпява пластична деформация и поток, образувайки фуги чрез дифузия на елементите на интерфейса и металургични реакции на рекристализация. Важно е, че този процес на заваряване не изисква добавъчен метал, флюс или защитен газ и цялата процедура може да бъде завършена само за няколко секунди.

Относителното триене, предизвикано от високо налягане между повърхностите на двата заварени компонента при високи скорости, води до два ефекта:

• Той елиминира оксидния филм или всякакви други замърсяващи слоеве върху повърхността на фугата, разкривайки чист метал.
• Той генерира топлина и бързо образува термопластичен слой върху повърхността на ставата. При последващия въртящ момент на триене и аксиален натиск, тези счупени оксиди и част от пластмасовия слой се екструдират от повърхността на съединението, за да образуват пламък, а останалият пластично деформиран метал съставлява заваръчния метал. Окончателното уплътняване позволява заваръчният метал да бъде допълнително изкован, което води до заварено съединение с добро качество.

От процеса на заваряване може да се види, че фрикционната заваръчна връзка се формира под точката на топене на метала, който ще се заварява, така че фрикционното заваряване е метод за заваряване в твърдо състояние.

Фрикционното заваряване може да се категоризира в различни видове въз основа на различните режими на движение на заварените компоненти.

• Заварката се върти около оста и може да бъде разделена на заваряване с триене с директно задвижване и заваряване с инерционно триене
• Заварката не се движи и може да бъде разделена на радиално заваряване с триене и заваряване с триене с разбъркване
• Други движения и могат да бъдат разделени на фрикционно напластяване, линейно фрикционно заваряване и орбитално фрикционно заваряване

Фрикционно заваряване с директно задвижване

Това е често срещан тип заваряване чрез триене. По време на процеса на заваряване детайлът се задвижва непрекъснато от двигателя на шпиндела и се върти с постоянна скорост. Докато се достигне определеното време на триене или деформация на триене, детайлът незабавно спира да се върти и се обръща за заваряване.

Инерционно фрикционно заваряване

Въртящият се край на детайла е захванат в маховика. В началото на процеса на заваряване маховикът и въртящият се край на детайла първо се ускоряват до определена скорост и след това маховикът се изключва от главния двигател. В същото време движещият се край на детайла се движи напред и нагряването чрез триене започва след като детайлът влезе в контакт. По време на процеса на нагряване при заваряване с триене маховикът се спира от въртящия момент на триене и скоростта му на въртене постепенно намалява. Когато скоростта на въртене достигне нула, процесът на заваряване приключва.

Радиално фрикционно заваряване

Скосен пръстен е прикрепен към крайните повърхности на две тръби с противоположни скоси. В процеса на фрикционно заваряване пръстенът се върти и върху двата края на тръбата се упражнява радиално триене. След завършване на фазата на триене, въртенето на пръстена се спира и се прилага натиск за разклащане.

Заваряване чрез триене и разбъркване

Принципът на работа на заваряването чрез триене с разбъркване е следният: въртящ се FSW инструмент с определена форма, изработен от устойчив на висока температура твърд материал, се завърта дълбоко в ръба, където са свързани двата материала, които трябва да бъдат заварени, и разбъркващата глава се регулира и завъртян.Голямо количество топлина от триене се генерира в съединителния ръб на двете заварки, което води до металопластична зона на омекотяване на връзката. Тази пластмасова зона за омекотяване се разбърква и изстисква под действието на бъркалката.Докато щифтовият инструмент се върти, той тече назад по заваръчния шев, за да образува пластичен метален поток и се екструдира по време на процеса на охлаждане, след като разбъркващата глава напусне, за да образува твърдофазно заварено съединение.

Фрикционна настилка

Фрикционното напластяване е метод за заваряване в твърдо състояние, при който покритие или слой от материал се отлага върху субстрат чрез използване на топлина и налягане, генерирани чрез триене. Този процес се използва за подобряване на повърхностните свойства на материала или за създаване на защитен слой с желани характеристики. Обикновено това включва използването на въртяща се консумативна пръчка или тел, която влиза в контакт с материала на субстрата, което води до генериране на значителна топлина при триене.

Линейно фрикционно заваряване

Едната от двете заготовки, предназначени за заваряване, остава неподвижна, докато другата се движи реципрочно с определена скорост или и двете заготовки се движат възвратно-постъпателно една спрямо друга. Чрез прилагане на натиск, триенето на границата между двата детайла генерира топлина, като по този начин улеснява процеса на заваряване.

Линейно фрикционно заваряване

Едната от двете заготовки, предназначени за заваряване, остава неподвижна, докато другата се движи реципрочно с определена скорост или и двете заготовки се движат възвратно-постъпателно една спрямо друга. Чрез прилагане на натиск, триенето на границата между двата детайла генерира топлина, като по този начин улеснява процеса на заваряване.

Орбитално фрикционно заваряване

Орбиталното заваряване с триене е новоразработен метод за заваряване, използван главно за заваряване на детайли с некръгло напречно сечение

При линейно орбитално заваряване с триене детайлът следва специфична линейна орбита с определена амплитуда и честота. Това гарантира, че скоростта на вибрациите достига необходимата стойност, което позволява на заваръчната повърхност да претърпи повтарящи се и относителни вибрации и триене.

Всяка частица от детайла при заваряване с триене в кръгова орбита се движи по отношение на заваръчната повърхност по кръгова орбита с постоянен радиус и скорост на въртене. След като съединението достигне температурата на заваряване, фрикционното движение на детайла спира и процесът на заваряване започва.

В обобщение, по време на целия процес на заваряване чрез триене, металната повърхност, предназначена за заваряване, претърпява постепенно нагряване чрез триене от ниски до високи температури. Той претърпява непрекъснати трансформации, включващи пластична деформация, механично изкопаване, адхезия и молекулярна връзка. Това води до образуването на пластична деформация с висока скорост на триене, където се концентрират явленията на генериране на топлина, деформация и дифузия по време на заваряване с триене. В етапите на паркиране и процеса на заваръчно заваряване, деформираният слой върху повърхността на триене и металът във високотемпературната зона са частично смачкани и изхвърлени. След това заваръчният метал се подлага на коване, което води до създаването на висококачествена заварена връзка.

• Кратко време за заваряване и висока производствена ефективност
• Деформацията при заваряване, причинена от термичния цикъл на заваряване, е малка, точността на размерите след заваряване е висока и няма нужда от корекция на деформацията след заваряване и облекчаване на напрежението.
• Висока степен на механизация и автоматизация, стабилно качество на заваряване. Когато са дадени условията на заваряване, операцията е проста и не изисква специални техници за заваряване.
• Подходящ за заваряване на различни разнородни материали. Може да заварява алуминий-стомана, алуминий-мед, титан-мед, интерметална комбинирана стомана и др., които не могат да бъдат заварени при конвенционално топене.
• Може да постигне заваряване на пръти и тръби с еднакъв или различен диаметър
• По време на заваряването не се отделят дим, дъгова светлина, вредни газове и т.н. и околната среда не се замърсява. В същото време, в сравнение със светкавичното заваряване, електрическата енергия се спестява 5-10 пъти.

Заваряването с триене обаче има и следните недостатъци и ограничения:

• Трудно е да се заваряват некръгли напречни сечения и изисква сложно оборудване; също така е трудно да се заваряват дисковидни тънки части и тънкостенни фитинги за тръби, тъй като те трудно се затягат.
• Трудно е да се постигне заваряване чрез триене за компоненти, чиято форма и позиция на сглобяване са определени.
• Съединенията са податливи на пламване и трябва да бъдат обработени след заваряване.
• Затягащата част е податлива на драскотини или следи от затягане

Фрикционното заваряване, характеризиращо се с високото си качество, ефективност, енергоспестяване и екологосъобразност, постепенно набира широко разпространение както в новите, така и в традиционните индустриални сектори. Те включват авиация, космонавтика, ядрена енергия, оръжия, автомобили, производство на електроенергия, развитие на океаните и производство на машини.

Космонавтика: авиационни двигатели, части на коляновия вал на двигателя с вътрешно горене

Производство на автомобили: джанти, щанги, изпускателни клапани, ротори