г) с возвратно-поступательным движением одной детали.
В результате нагрева и сжатия происходит совместная пластическая деформация. Сварное соединение образуется вследствие возникновения металлических связей между чистыми (ювенильными) контактирующими поверхностями свариваемых заготовок. На сопряженных деталях в месте стыка происходит интенсивный нагрев контактирующих поверхностей. Например, для углеродистых сталей обыкновенного качества температура достигает 900–1350 °C. При достижении температуры сварки процесс трения должен быть резко прекращен.
Окисные пленки на соединяемых поверхностях разрушаются в результате трения и удаляются за счет пластической деформации в радиальных направлениях. Сварка заканчивается естественным охлаждением деталей при повышенном сжимающем осевом усилии.
Выделяют несколько типов сварных соединений сваркой трением, которые показаны на рисунке 24:
а) сварка стержней встык;
б) сварка труб встык;
в) сварка встык стержня с трубой;
г) приварка стержня к листу;
д) приварка трубы к листу;
е) приварка стержня к массивной детали.
Основные технологические параметры сварки трением:
• скорость относительного перемещения (вращения) свариваемых поверхностей;
• продолжительность нагрева;
• удельное усилие сжатия заготовок;
• пластическая деформация, т. е. величина осадки;
• площадь сечения и конфигурация заготовки.
Рис. 23.
Схемы сварки трением
Преимущества стыковой сварки:
• высокая производительность;
• высокое и стабильное качество сварного соединения;
• возможность сварки разнородных металлов и сплавов;
• отсутствие вредных выделений;
• высокие энергетические показатели (например, при сварке трением углеродистой стали удельная электрическая мощность равна 15–20 Вт/мм2, а при электрической контактной сварке – 120–150 Вт/мм2);
• высокая скорость соединения деталей (машинное время в пределах 2–40 секунд);
• высокая степень механизации и автоматизации процесса;
• возможность использовать для сварки трением различные типы общепромышленных токарных и сверлильных станков.
Недостатки сварки трением:
• для каждого металла необходимо разрабатывать технологические режимы в зависимости от состава материала и геометрических параметров;
• необходимость контроля момента сварки с последующим прекращением процесса;
• необходим механизм давления для создания осевых усилий сжатия.
Волны, распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях, твердых телах), называются в физике волнами малой интенсивности. Эти волны вызывают слабые механические возмущения. Звуковые волны, воздействуя на органы слуха, способны вызывать звуковые ощущения, если частоты звуковых колебаний лежат в пределах 16–20 000 Гц. Эта область называется областью слышимых звуков. Упругие волны с частотами 20–100 кГц называются ультразвуковыми.
Рис. 24.
Типы соединений сварки трением
Ультразвук («ультра» означает «сверх») – волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц твердых тел, жидкостей и газов, происходящее с частотами более 16 000 колебаний в секунду. В физике принято измерять частоты колебаний в герцах (1 Гц = 1 колебанию в 1 секунду). Ультразвук назван так потому, что основная часть людей не слышит колебания свыше 16 кГц.
Сущность процесса ультразвуковой сварки состоит в том, что при приложении колебаний высокой (ультразвуковой) частоты к свариваемым деталям в них возникают касательные напряжения, вызывающие пластические деформации материала свариваемых поверхностей. В результате механических колебаний в месте соединения металлов развивается повышенная температура, зависящая от свойств материала. Эта температура способствует возникновению пластического состояния материалов и их соединению. В местах сварки образуются совместные кристаллы, обеспечивающие прочность сварного соединения. Таким образом, сварка с применением ультразвука относится к процессам, в которых используют давление, нагрев и взаимное трение свариваемых поверхностей. В этом способе сварки тепловая энергия не подводится извне, а образуется в результате действия сил трения, поэтому ультразвуковая сварка относится к механическому классу. Силы трения возникают в результате действия механических колебаний с ультразвуковой частотой на заготовки, сжатые осевой силой Р.
Механические колебания создаются в специальных преобразователях, которые преобразуют высокочастотные колебания электрического тока в механические колебания рабочего инструмента.
Для этих целей используют магнитострикционный эффект, основанный на изменении размеров некоторых материалов при воздействии на них переменного магнитного поля. Магнитострикция как физический эффект была открыта в 1842 г. Дж. П. Джоулем. Название было дано от латинского слов strictio, что означает сжатие, натягивание. В настоящее время для магнитострикционных преобразователей используют материалы на основе ферромагнитных сплавов.
Переменный электрический ток создает в магнитострикционном материале преобразователя переменное магнитное поле. Изменения размеров магнитострикционного материала происходят при каждом полупериоде тока, т. е. упругие колебания генерируются с двойной частотой относительно частоты переменного тока. Изменения размеров магнитострикционных материалов очень незначительны, Поэтому для передачи к месту сварки механических колебаний, увеличения амплитуды и концентрации энергии колебаний используют волноводы. В большинстве случаев они имеют сужающуюся форму.
В зависимости от конструкции волновода и крепления инструмента в зоне сварки можно получить продольные, поперечные и крутильные колебания инструмента. Их амплитуда обычно бывает в пределах 10–30 мкм.
Мощность генераторов для сварки ультразвуком при рабочей частоте 18–25 кГц составляет от 0,4 кВт и до 5 кВт. Применяются также генераторы с частотами: 44, 66, 88 кГц.
На рисунке 25 показаны различные виды волноводов (концентраторов) для увеличения амплитуды колебаний и передачи их в зону сварки.
Рис. 25. Виды волноводов (концентраторов):
1 – ступенчатый; 2 – конический; 3 – сложной геометрической формы
Стержневой магнитострикционный преобразователь показан на рисунке 26а, он состоит из сердечника 1 и катушки 2. Переменный ток возбуждает в катушке переменное магнитное поле, которое за счет магнитострикционного эффекта в направлении оси сердечника создает упругие напряжения и деформации, т. е. сердечник совершает продольные механические колебания.
Продольные механические колебания, возбуждаемые в преобразователе, подаются на инструмент или преобразуются в другие типы колебаний, обусловленные технологией. Это реализуется изменением конструкции волновода и инструмента.
Устройства для преобразования колебаний показаны на рисунке 26б.
Изгибные колебания получают при помощи волновода продольных колебаний, если к нему присоединить стержень 3, имеющий резонансные размеры по отношению к изгибным колебаниям заданной частоты. Крутильные колебания передаются в зону сварки, например способом, показанным на рисунке 26б.
Рис. 26.
Устройства для преобразования колебаний:
а – с помощью волновода продольных колебаний; б – с помощью волновода крутильных колебаний
На рисунке 27 показана принципиальная схема ультразвуковой сварки. При сварке ультразвуком свариваемые заготовки размещают на опоре 6. Наконечник рабочего инструмента 2 соединен с магнитострикционным преобразователем 4 через трансформатор продольных колебаний, представляющий собой вместе с рабочим инструментом 2 волноотвод 3. Нормальная сжимающая сила Р создается моментом М в узле колебаний.
Рис. 27.
Принципиальная схема ультразвуковой сварки:
1 – свариваемые детали; 2 – инструмент; 3 – волновод; 4 – преобразователь; 5 – генератор ультразвуковых колебаний; 6 – опора
