В простейшем случае трением сваривают по торцу круглые детали сплошного или трубчатого сечения. В процессе сварки их вращают относительно друг друга и сжимают осевой силой. Обычно вращается только одна деталь, причем число ее оборотов в про­цессе сварки, как правило, остается постоянным (до момента ос­тановки системы, т. е. фактического осуществления сварки). Осе­вое усилие может в ходе сварки изменяться. Часто при ее окон­чании прикладывается увеличенное ковочное усилие. Иногда уси­лие изменяют и в процессе трения; сварку начинают при малом усилии, которое затем плавно или ступенчато увеличивают.

Нагрев при сварке трением осуществляется теплом, генерируе­мым за счет работы сил трения. Это тепло выделяется (см. § 2) в плоскости стыка или в случае, когда трение идет в режиме глу­бинного выравнивания, в слое некоторой конечной толщины (по данным работ [155, 156], при сварке стержней диаметром до 14 мм из стали 45 с быстрорежущей сталью в слое толщиной 0,3— 0,7 мм).

Интенсивность тепловыделения определяется мощностью, рас­ходуемой на преодоление крутящего момента сил трения. Даже при неизменных значениях числа оборотов п и осевого усилия Р момент сил трения М и, как следствие, потребляемая мощность W не остаются в ходе сварки постоянными. Типичный график изме­нения момента сил трения и числа оборотов с периодами разгона и торможения двигателя показан на рис. 179 [231. В. И. Билль

Рис. 179. Изменение момента Цсил
трения М и числа оборотов вра-
щающейся детали п в процессе
сварки трением [231

различает три стадии процесса: приработку торцов в течение вре­мени tlt когда крутящий момент падает от значения, соответствую­щего трению покоя, до некоторой минимальной величины 7Vlmin; переход к режиму глубинного вырывания в течение t2 с повыше­нием крутящего момента до Мтах (в этой стадии в результате раз­рушения поверхностных пленок и нагрера интенсивно образуются узлы схватывания) и, наконец, переход к режиму полирования вследствие нагрева до высоких температур, сопровождаемого по­степенным снижением крутящего момента от Мпих до установив­шегося значения Муст (отрезок ts). Продолжительность отдель­ных стадий процесса зависит от его параметров. Увеличение удельного давления ускоряет нагрев и сокращает tL и t2. Напри­мер, при сварке трением труб из стали 45 размером 160x20 мм Л1тах достигался за 10 сек при р0 = 1,1 кПмм2 и за 20 сек при р0 = 0,6 кПмм2 (рис. 180, а) [41 ]. С увеличением р„ растет и пик потребляемой мощности, причем в большей степени, чем значение установившейся мощности (табл. 42) [24].

Таблица 42 Удельная мощность и время достижения ее пика при сварке трением прутков диаметром 20 мм из низкоуглеродистой стали Ро в кГ/лш2 *1 в сек ^тах в ет/мм2 Nycm в вт/ммг N Jvmax N уст 1 1 62 21 2,9 4 0,4 130 30 4,3 8 0,3 180 42 4,3

Увеличение момента сил трения и соответственно потребляемой МОЩНОСТИ С ростом ро приводит к повышению интенсивности ис­точника тепла, действующего в зоне соединения. Как следствие, увеличивается скорость нагрева этой зоны и должна повышаться ее предельная установившаяся температура Туст. Однако, как по­казал В. П. Воинов, фактическая зависимость Туст от р0 имеет экстремальный характер [241. Например, для стержней из низко­углеродистой стали диаметром 20 мм при л = 2800 обімин (v

2,8 м/сек) и увеличении р0 от I до 4 кГ/ммг Туст растет, а за­тем снова падает (рис. 180, в). Это связано с вытеснением горячего металла из зоны соединения.

Резкое повышение осевого усилия (удельного давления) при трении ведет к росту потребляемой мощности (рис. 180, б) тем более заметному, чем ниже температура на торцах в момент повы­шения р о (увеличение р0 от 0,7 до 4,4 кГ/мм2 при Т = 900° С повышало W на 35 кет, в то время как такое же изменение давления при Т — 1100° С повышало W всего на 27 кет). Через 224 281 некоторое время после увеличения давления вновь достигается установившееся значение W, не зависящее от температуры, при которой увеличивали р0.

Для более эффективного использования мощности двигателя, особенно при сварке трением деталей большого сечения, стремятся уменьшить пик мощности и начинают процесс при малом р 0, а затем по мере нагрева трущихся торцов, т. е. после прохождения пика Мтах (см. рис. 179), плавно или ступенями увеличивают осевое усилие.

При сварке трением, как и при любом другом способе сварки давлением в твердом состоянии, важнейшим условием получения соединения высокого качества является равномерный нагрев по всей поверхности соединения. По своей природе нагрев трением должен быть неравномерным. Действительно, если в первом при­ближении принять, что осевое усилие распределяется по торцу равномерно (р о = const) и коэффициент трения не зависит от р, v и Т (/ = const), то по мере увеличения расстоянии г от оси вра­щения до нагреваемой точки удельная работа сил трения, т. е. интенсивность источника тепла, будет увеличиваться пропорцио­нально г. Как следствие, если пренебречь теплопередачей, темпе­ратура торца будет изменяться от Ттах на поверхности сваривае­мых деталей до Т — Т0 на их оси. При таком распределении тем­пературы сварка трением без дефектов, во всяком случае сварка деталей компактного сечения, была бы практически невозможна. В действительности при сварке трением достигается относительно равномерный нагрев. Этому способствуют два фактора: выравни­вание температуры за счет теплопередачи в плоскости нагревае­мых торцов и, что, по-видимому, имеет главное значение, выравни­вание интенсивности источника тепла в результате саморегулиро­вания процесса тепловыделения при трении.

Саморегулирование связано с уменьшением коэффициента тре­ния при увеличении скорости скольжения и температуры, во вся­ком случае выше некоторой критической (рис. 181); в результате более интенсивного нагрева и большей скорости на периферии на­грев здесь автоматически замедляется. Кроме того, в наиболее на­гретой зоне падает удельное давление в связи с более высоким со­противлением деформированию центральной, относительно холод­ной части сечения. Это также ведет к замедлению нагрева на пе­риферии сечения. Из анализа приведенных графиков, в частности, следует, что коэффициент трения даже в условиях сварки металлов, очень близких по своим свойствам (сталь 20 и 45), может изме­няться в чрезвычайно широких пределах от f = l-f-2 при низкой температуре и малой скорости (при D = 20 мм и п = 700 об/мин максимальная окружная скорость v = 0,7 м/сек), а также малом удельном давлении до / = 0,02 при v = 7-^8 м/сек, Т = 1000° С и р0 = 4,3 кГ/мм2.

Высокие значения /, очевидно, соответствуют режиму трения с глубинным вырыванием, а низкие — режиму полирования. Пр - 282

следнее указывает на вероятность достижения в отдельных точках на трущихся поверхностях температуры плавления металла и пе­рехода к полужидкостному трению.

Для того чтобы процесс саморегулирования нагрева при тре­нии шел с практически необходимой быстротой, следует приме­нять достаточно большое удельное давление. На рис. 182 пока­зано изменение в процессе нагрева трением труб из стали 45 раз­мером 160 x 20 мм отношения минимальной температуры к макси­мальной для двух точек, расположенных на наружной и внутрен­ней поверхностях невращающейся трубы на расстоянии 2 мм от ее торца. В начальный момент, естественно, Тт1п — Тгазк як 20° С т

и у1711” = 1. В силу неизбежной непареллельности торцов и не­постоянной интенсивности источников тепла в начальной стадии процесса появляется значительная неравномерность нагрева, тем большая и тем более длительная, чем меньше удельное давление.

трением труб из стали 45 размером 160X 20 мм [42 J на их
наружной и внутренней поверхностях

Так, при р0 — 0,2 кГ/мм2 даже через 100 сек не достигается вырав­нивания температуры. Однако при переменном давлении (р0 = = 0,6 кГ/мм2; рк — 1,4 -=-2,4 кГ/мм2) уже через 40—50 сек тем­пература практически полностью выравнивается f Imln = IV

Явно выраженное влияние удельного давления на условия вы­равнивания температуры подтверждает большую роль саморегули­рования при сварке трением. Если бы главное значение имела

т

теплопередача по торцу, то характер кривой п - = f (t) не зави-

* max

сел бы от удельного давления.

Полученные результаты дают основание рассматривать нагрев при сварке трением как линейный процесс распространения тепла плоского источника одинаковой интенсивности по всему сечению. Во всяком случае, для трубчатых деталей ошибка, вызываемая таким допущением, невелика.

По обычной расчетной схеме (р = р = const; о — cor и / =

= const), не учитывающей явления саморегулирования, суммар­ная мощность теплового источника определяется по формуле

где P — осевое усилие; со — угловая скорость; гг и г2 — наруж­ный и внутренний радиус сечения трубы (для стержня г2 = 0) И k-t — коэффициент.

При таком расчете удельная интенсивность источника пропор­циональна расстоянию рассматриваемой точки от оси вращения. Постоянная удельная интенсивность источника при f = const обе­спечивается в случае pv = const. При этом суммарная его интен­сивность

W, = fPa Si+r* = kJPiо. (68)

Для относительно тонкостенной трубы ^приу - >-0,8^ k2 ki-

При ~ = 0 (для стержня) 4і - = 0,78.

Г1

Хотя, как отмечалось выше, при трении в режиме глубинного вырывания тепловыделение идет 'в слое конечной толщины, без большой погрешности можно рассматривать процесс нагрева как распространение тепла плоского источника. В общем случае этот источник является подвижным, так как нагрев при трении всегда сопровождается некоторым укорочением свариваемых деталей (на 2—10 мм в зависимости от длительности процесса, рода материала и удельного давления). Однако скорость перемещения источника, при сварке трением редко превышающая 0,5—1 мм/сек, по сравне - 284

нию, например, со сваркой оплавлением невелика (скорость оп­лавления перед осадкой может достигать 5—10 ммісек).

Хотя в отдельных точках на трущихся поверхностях темпера­тура может повышаться до солидуса, средняя температура тор­цов ограничивается условиями вытеснения горячего металла при­ложенной осевой силой. Изменение схемы деформирования, на­пример применение формирующих оправок, затрудняющих сво­бодную деформацию металла в зоне соединения, позволяет суще­ственно повысить (на 100—150°) предельную температуру на тру­щихся торцах. Это в ряде случаев используется для получения бездефектного соединения, в частности, при сварке деталей из металлов с резко отличающимися механическими свойст­вами.

Нагрев при сварке трением имеет еще одну особенность. Так как обычно только одна из свариваемых деталей вращается, со­здаются неодинаковые условия их охлаждения за счет теплоот­дачи с наружной поверхности. Опыты на трубах из стали 45 раз­меров 146x9 мм показали, что через 40—50 сек температура вра­щающейся трубы на расстоянии около 10 мм от торца была ниже, чем неподвижной при окружной скорости v = 4,75 м/сек, на 20— 30° С, а при v = 15 м/сек — даже на 100—120° С [42]. Однако в практически применяемом диапазоне скоростей (v ^ 5 м/сек) влиянием конвективных потерь на нагрев можно пренебречь.

Предельная температура в стыке при трении разноименных металлов, очевидно, ограничивается температурой плавления бо­лее легкоплавкого из них. Если учесть вытеснения наиболее на­гретого металла из зоны соединения, то средняя максимальная температура в этой зоне будет еще ниже. Применение оправок, ограничивающих свободную деформацию, позволяет повысить эту температуру, однако не выше точки плавления более легкоплав­кого металла.

Итак, несмотря на казалось бы особенно неблагоприятные ус­ловия для равномерного нагрева при сварке трением, благодаря саморегулированию интенсивности источника тепла температура на трущихся поверхностях автоматически выравнивается. В связи с этим степень равномерности нагрева при сварке трением не только не ниже, а, как правило, выше, чем в ряде других способов сварки давлением (в частности, при контактной сварке сопротивле­нием и др.). Условия нагрева при сварке трением сильно зависят от применяемого давления: при малом давлении затрудняется са­морегулирование; при чрезмерно большом снижается средняя тем­пература в зоне соединения (и очень велико укорочение деталей). Оптимальное давление обеспечивает равномерный и интенсивный нагрев без большого укорочения деталей.

Нагрев соединяемых торцов трением сопровождается разруше­нием окисных пленок и непрерывным износом материала. Все это должно приводить к созданию большого количества активных
центров и способствовать формированию соединения. Тем не менее соединения с высокими прочностными и в особенности пластиче­скими свойствами могут быть получены только в том случае, если прекращение трения (остановка системы) сопровождается доста­точной пластической деформацией. По-видимому, это объясняется тем, что при трении физический контакт достигается только в от­дельных дискретных точках, положение которых при взаимном скольжении непрерывно изменяется. Если в момент остановки системы пластическая деформация не идет или протекает медленно, физический контакт по всей поверхности не достигается или он создается после значительного остывания торцов. Все это ведет к понижению качества соединения.

Из опыта по резанию металлов, при котором существенную роль играет трение, известно, что окружающая атмосфера (юз - дух, инертный газ) существенно влияет на ход процесса, несмотря на ее затрудненное взаимодействие с трущимися поверхностями при очень высоком давлении в контакте резец — обрабатываемый металл. При сварке трением удельное давление значительно ниже, что должно облегчить проникновение в зону стыка окружающего газа. Этим можно объяснить появление окислов в стыках, сварен­ных трением при неудовлетворительном режиме, и положительный эффект применения защитной атмосферы при сварке некоторых металлов.

Хотя иногда, как это уже отмечалось можно получить хоро­шие соединения и без проковки (т. е. при Р = const), такой про­цесс имеет ряд "недостатков, и, в частности, большое давление, требующееся для получения соединения необходимого качества (рис. 183, а), вызывает в значительной мере бесполезную деформа-

с — предел прочности соединеиия стержней диаметром 10 мм
(Ст. З + PI8) при р ==const [1Б5]; б — угол загиба стыка труб разме-
ном 146X9 мм, сваренных при рв 0.6-г2р4 кГ/лш9 н разлцчцом
давлении проковки р0^ [41J

при Сварке с проковкой, когда нагрев проводится при Низком дав­лении. Например, при сварке труб из стали 45 удовлетворительная пластичность соединения и отсутствие в нем дефектов достигались только при рос 12 кГ/ммг (рис. 183, б). Большое значение имеет момент приложения ковочного давления. Необходимо, чтобы вся или большая часть пластической деформации при проковке проте­кала после прекращения взаимного перемещения свариваемых де­талей. Если из-за преждевременного начала проковки или медлен­ного торможения системы в конце сварочного нагрева деформация идет в основном до остановки системы, то положительный эффект проковки снижается. Например, если при сварке труб из стали 45 размером 146x9 мм (о = 4,7-И5 місек, р0 — 0,6-НЗ,9 кПмм2, рос — 12,4 кГ/мм2, / = 21 - н24 сек) из общей деформации осадки (Д0с = 9-=-10 мм) не менее 50—60% проходило после полной ос­тановки системы, то в соединении отсутствовали дефекты и средний угол загиба термически необработанных стыков был близок к 60°. Если же только 25% общей осадки осуществля­лось после останова системы, то в соединении наблюдались де­фекты [41].

Существенное значение может иметь и то, что при трении дефор­мация приповерхностного слоя идет с очень большой скоростью, при которой релаксация не успевает протекать. В связи с этим удельное давление, необходимое для смятия выступов и достиже­ния физического контакта, растет в несколько раз по сравнению с давлением, достаточным для этой цели в условиях статического приложения нагрузки к неподвижным поверхностям. Как следст­вие, практически применяемое ковочное давление, вызывающее большую пластическую деформацию в макрообъемах, может ока­заться совершенно недостаточным для выравнивания резко упроч­ненного поверхностного слоя до тех пор, пока система полностью не остановится и процесс упрочнения этого слоя, связанный со скольжением при трении, не будет исключен.

Роль деформации проковки в формировании соединения иллю­стрируется опытом, поставленным П. М. Сутовским совместно с ав­тором, по сварке стержня с дном полой детали (сталь 45). Опыт провели в трех вариантах (рис. 184): а) стержень входил в гладкое цилиндрическое отверстие — ни при нагреве, ни в момент прило­жения ковочного усилия существенной пластической деформации не было; б) стержень входил в постепенно расширяющееся отвер­стие; режим сварки выбрали таким, чтобы все это отверстие было заполнено деформирующимся металлом стержня во время нагрева трением, а при проковке деформация практически отсутствовала и

в) сварка производилась также, как во втором случае, но часть деформации осуществлялась в момент проковки. Торцы во всех случаях нагревали примерно до одинаковой температуры.

При сварке без макродеформации (табл. 43) в момент проковки (А ОС = 0) качество соединений понизилось.

Рис. 184. Макроструктура соединений, сваренных трением без де­формации в зоне соединения (А); с деформацией только во время нагрева (Б) и с деформацией как при нагреве, так и при проковке (В)

Известно, что при сухом трении образование узлов схватыва­ния, приводящих к задирам поверхности, возможно при относи­тельно низкой температуре. Однако для получения бездефектного сварного соединения по всей поверхности трения, как правило, необходим нагрев до достаточно высокой температуры. Например, в опытах по сварке труб из стали 45, выполненных совместно с М. П. Сандером, соединения без дефектов в изломах были полу­чены только при Т > 1100-^-1200° С (рис. 185) во всем диапазоне обследованных скоростей скольжения (3,9—7,5 м/сек). Можно было ожидать, что при сварке трением минимальная температура обра­зования прочного соединения для стали должна быть значительно ниже, если учесть, с одной стороны, опыт сварки в вакууме, когда

.Таблица 43 Режимы сварки трением с различными условиями осадки и механические свойства соединений Параметры режима Механические Характер деформацин Нагрев Проковка свойства Место Р 0 В кГ/мм1 Лк В ММ Рк в кГ/мм‘ ЛОС в мм °в в кГ/мм2 6 В % разру­ шения Деформация при на­греве и проковке 4-5 8 14—16 4 62-65 14,0 Вне Деформация только при нагреве. . . 4-5 8 14—16 0 60—63 9,5— шва Вне Без макродеформации 3-5 1 13—15 0 58—63 13,0 2,6—4,5 шва и по шву По шву

удается получить безде­фектное соединение неле­гированной стали уже при ПВО 700 —800° С и, с другой, непрерывный процесс очи­стки трущихся поверхно­стей от окислов. По-види­мому, полезность высоко­температурного нагрева и значительной деформации проковки связана с одной и той же причиной — необ­ходимостью быстрого до­стижения физического кон­такта по всей поверхности трения.

При сварке трением ме­таллов, очень пластичных при высокой температуре (например, сталей), сво­бодное течение в зоне стыка при нагреве и проковке приводит к характерной деформации с об­разованием кольцевых «воротников» (рис. 186). Сварка трением малопластичных металлов завершается без образования «ворот­ников»; при этом из стыка при проковке часто выдавливается рас­плавленный металл. Образование «воротников» приводит к искри­влению волокон, часто понижающему пластичность и ударную вязкость соединения. Например, при сварке труб из стали 45 даже после высокотемпературной термической обработки ударная

19 Д. С. Гельман

вязкость соединения (на образцах с надрезом в плоскости стыка) была значительно ниже, чем у основного металла (соответственно 4,4 и 7,4 кГм/см2) [41 ]. Существенно, что низкая ударная вязкость связана не с какими-либо дефектами самого соединения, а с отме­ченным выше искривлением волокон, так как при смещении над­реза из плоскости стыка на 1,5—2 мм еще наблюдается заметное понижение показателей ударной вязкости как до, так и после термической обработки стыка, полностью снимающей эффект ох­рупчивания, возможный в результате подкалки во время сварки.

Большое значение имеет вопрос о влиянии параметров процесса трения на условия формирования и качество соединения. Про­стейшее представление о сварке трением как о процессе, состоя­щем из двух этапов — собственно трения, в задачу которого вхо­дит только нагрев свариваемых деталей с получением требуемого температурного поля, и проковки, обеспечивающей образование соединения, противоречит ряду экспериментально установлен­ных факторов. Роль трения в формировании соединения особенно резко выявляется при сварке разноименных металлов, например, алюминия со сталью. Получение соединения в этом случае воз­можно только при относительно небольшой скорости скольжения, когда процесс идет с глубинным вырыванием и сопровождается «намазыванием» алюминия на относительно твердую сталь практи­чески без образования хрупкой интерметаллидной прослойки. При проковке, по существу, происходит сварка алюминия с алю­минием. При большой скорости скольжения процесс, по-видимому, переходит в режим полирования с нагревом поверхностного слоя алюминия до температуры плавления. Это сопровождается раство­рением алюминия в стали и образованием интерметаллидной про­слойки, препятствующей формированию прочного соединения.

При сварке трением разноименных металлов с резко отличаю­щимися механическими свойствами большая скорость скольжения может неблагоприятно влиять на процесс еще и подругой причине. При нагреве трением таких металлов один из них будет сильно деформироваться под действием осевого усилия, а другой может практически не изменять свою форму. Вследствие неизбежного биения трущихся торцов даже после механической обработки торца детали из более твердого металла непосредственно в сварочной машине в процессе трения поверхность детали из мягкого металла должна при каждом обороте шпинделя передеформироваться. При большой скорости скольжения такое передеформирование затрудняется и возможно нарушение равномерности нагрева по периметру трущихся торцов.

Из изложенного следует, что по своей природе сварка трением среди других процессов сварки давлением наиболее близка к кон­тактной сварке оплавлением; если при трении очистка и обновле­ние соединяемых поверхностей идет за счет образования и разру­шения дискретных фрикционных связей с местными всплесками 290

температуры ДО точки ПлЯйления, то при оплавлении эти же про­цессы являются результатом возникновения и взрыва отдельных перемычек жидкого металла. В обоих случаях недостаточно быстрое доведение нагретых торцов до состояния физического контакта (медленная осадка, проковка с малой пластической деформацией) ведет к появлению в стыках окислов и непроваров (если нет за­щитной атмосферы). Однако эти процессы имеют и принципиальные отличия. Главное из них состоит в том, что сварка трением может завершаться в твердом состоянии, в то время как сварка оплавле­нием по самой своей природе обязательно требует нагрева до тем­пературы, лежащей выше Тпл обоих металлов. В частности, по­этому при сварке трением легче предупредить образование хруп­ких интерметаллидных прослоек и получить прочное соединение разноименных металлов.