Zgrzewanie tarciowe

Zgrzewanie tarciowe to metoda zgrzewania ciśnieniowego, która wykorzystuje ciepło powstające w wyniku wzajemnego tarcia podczas względnego ruchu powierzchni stykowych złączy w celu uzyskania niezawodnego połączenia materiałów. Proces spawania polega na przyłożeniu ciśnienia, wywołującego tarcie pomiędzy spawanymi materiałami, co prowadzi do wzrostu temperatury na styku i w pobliskich obszarach, ostatecznie osiągając stan termoplastyczny. Pod wpływem siły spęczającej warstwa tlenku powierzchni styku ulega rozerwaniu, a materiał ulega odkształceniu plastycznemu i płynięciu, tworząc złącza poprzez dyfuzję elementów styku oraz metalurgiczne reakcje rekrystalizacji. Co ważne, proces spawania nie wymaga stosowania spoiwa, topnika ani gazu ochronnego, a cały proces można przeprowadzić w ciągu zaledwie kilku sekund.

Wywołane wysokim ciśnieniem tarcie względne pomiędzy powierzchniami dwóch spawanych elementów przy dużych prędkościach powoduje dwa efekty:

Eliminuje warstwę tlenku lub inne warstwy zanieczyszczeń na powierzchni złącza, odsłaniając czysty metal.
Wytwarza ciepło i szybko tworzy termoplastyczną warstwę na powierzchni złącza. Pod wpływem powstałego momentu tarcia i nacisku osiowego te rozdrobnione tlenki i część warstwy tworzywa sztucznego są wyciskane z powierzchni złącza, tworząc wypływkę, a pozostały metal odkształcony plastycznie stanowi metal spoiny. Końcowe spęczanie umożliwia dalsze kucie metalu spoiny, co skutkuje uzyskaniem dobrej jakości złącza spawanego.

Z procesu spawania widać, że złącze zgrzewane tarciowo powstaje poniżej temperatury topnienia spawanego metalu, zatem zgrzewanie tarciowe jest metodą spawania w stanie stałym.

Zgrzewanie tarciowe można podzielić na różne typy w oparciu o różne tryby ruchu spawanych elementów.

Konstrukcja spawana obraca się wokół osi i można ją podzielić na spawanie tarciowe z napędem bezpośrednim i spawanie tarciowe bezwładnościowe
Konstrukcja spawana nie porusza się i można ją podzielić na promieniowe zgrzewanie tarciowe i zgrzewanie tarciowe z przemieszaniem
Inne ruchy można podzielić na napawanie cierne, liniowe zgrzewanie tarciowe i orbitalne zgrzewanie tarciowe

Spawanie tarciowe z napędem bezpośrednim

Jest to powszechny rodzaj zgrzewania tarciowego. Podczas procesu spawania przedmiot obrabiany jest w sposób ciągły napędzany przez silnik wrzeciona i obraca się ze stałą prędkością. Dopóki nie zostanie osiągnięty określony czas tarcia lub odkształcenie tarcia, przedmiot obrabiany natychmiast przestaje się obracać i jest odwracany do góry w celu spawania.

info-784-209

Spawanie tarciowe bezwładnościowe

Obrotowy koniec przedmiotu obrabianego jest zaciśnięty w kole zamachowym. Na początku procesu spawania koło zamachowe i obracający się koniec przedmiotu obrabianego są najpierw przyspieszane do określonej prędkości, a następnie koło zamachowe odłączane jest od silnika głównego. Jednocześnie ruchomy koniec przedmiotu obrabianego przesuwa się do przodu, a po zetknięciu przedmiotu obrabianego rozpoczyna się nagrzewanie cierne. Podczas nagrzewania zgrzewania tarciowego koło zamachowe jest hamowane momentem tarcia, a jego prędkość obrotowa stopniowo maleje. Gdy prędkość obrotowa osiągnie zero, proces spawania kończy się.

Spawanie promieniowe

Ukośny pierścień mocuje się do końcowych powierzchni dwóch rur z przeciwległymi skosami. W procesie zgrzewania tarciowego pierścień ulega obrotowi, a na obu końcach rury wywierane jest tarcie promieniowe. Po zakończeniu fazy tarcia następuje zatrzymanie obrotu pierścienia i przyłożenie nacisku spęczającego.

Zgrzewanie tarciowe z mieszaniem

Zasada działania zgrzewania tarciowego z przemieszaniem jest następująca: obrotowe narzędzie FSW o określonym kształcie, wykonane z twardego materiału odpornego na wysokie temperatury, jest obracane głęboko w krawędź, gdzie łączone są dwa materiały, a głowica mieszająca jest regulowana i obrócony.Na krawędzi łączącej obu spawów powstaje duża ilość ciepła tarcia, w wyniku czego na połączeniu powstaje strefa mięknienia metalu i tworzywa sztucznego. Ta plastikowa strefa zmiękczania jest mieszana i ściskana pod działaniem głowicy mieszającej.Gdy narzędzie kołkowe się obraca, przepływa do tyłu wzdłuż spoiny, tworząc plastyczny strumień metalu i jest wytłaczany podczas procesu chłodzenia po opuszczeniu głowicy mieszającej, tworząc złącze spawane w fazie stałej.

Nawierzchnia cierna

Napawanie cierne to metoda spawania w stanie stałym, podczas której powłoka lub warstwa materiału jest osadzana na podłożu przy wykorzystaniu ciepła i ciśnienia wytwarzanego w wyniku tarcia. Proces ten ma na celu poprawę właściwości powierzchniowych materiału lub utworzenie warstwy ochronnej o pożądanych właściwościach. Zwykle obejmuje to wykorzystanie obracającego się pręta lub drutu topliwego, który styka się z materiałem podłoża, co prowadzi do wytworzenia znacznego ciepła tarcia.

Liniowe spawanie tarciowe

Jeden z dwóch przedmiotów przeznaczonych do spawania pozostaje nieruchomy, natomiast drugi porusza się ruchem postępowo-zwrotnym z określoną prędkością lub oba przedmioty poruszają się względem siebie ruchem posuwisto-zwrotnym. Poprzez przyłożenie nacisku tarcie na styku dwóch elementów wytwarza ciepło, ułatwiając w ten sposób proces spawania.

Liniowe spawanie tarciowe

Spawanie orbitalne

Zgrzewanie tarciowe orbitalne jest nowo opracowaną metodą spawania, stosowaną głównie do spawania elementów o przekroju niekołowym

Podczas spawania tarciowego po orbicie liniowej przedmiot obrabiany porusza się po określonej orbicie liniowej o określonej amplitudzie i częstotliwości. Dzięki temu prędkość drgań osiąga wymaganą wartość, dzięki czemu powierzchnia spawania podlega powtarzalnym i względnym wibracjom i tarciu.

Każda cząstka przedmiotu obrabianego podczas spawania tarciowego po orbicie kołowej porusza się względem powierzchni spawania po orbicie kołowej ze stałym promieniem i prędkością obrotową. Gdy złącze osiągnie temperaturę spawania, ruch tarcia przedmiotu obrabianego ustanie i rozpocznie się proces spawania.

Podsumowując, w trakcie całego procesu zgrzewania tarciowego powierzchnia metalu przeznaczona do spawania ulega progresji nagrzewania tarciowego od niskich do wysokich temperatur. Podlega ciągłym przemianom obejmującym odkształcenie plastyczne, mechaniczne wykopy, adhezję i połączenia molekularne. W wyniku tego powstaje warstwa odkształcenia plastycznego o dużej prędkości tarcia, w której skupiają się zjawiska wytwarzania ciepła, odkształcenia i dyfuzji podczas zgrzewania tarciowego. Na etapach parkowania i procesu spęczania odkształcona warstwa na powierzchni ciernej oraz metal w strefie wysokiej temperatury ulegają częściowemu rozdrobnieniu i wyrzuceniu. Następnie metal spoiny poddawany jest kuciu, co prowadzi do powstania złącza spawanego o wysokiej jakości.

Charakterystyka procesu zgrzewania tarciowego

Krótki czas konstrukcji spawalniczej i wysoka wydajność produkcji
Odkształcenie spawalnicze spowodowane cyklem termicznym spawania jest niewielkie, dokładność wymiarowa po spawaniu jest wysoka i nie ma potrzeby korekcji odkształceń po spawaniu i odprężania.
Wysoki stopień mechanizacji i automatyzacji, stabilna jakość spawania. Gdy podane są warunki spawania, operacja jest prosta i nie wymaga specjalnych techników spawalniczych.
Nadaje się do spawania różnych materiałów. Może spawać stal aluminiową, aluminiowo-miedzianą, tytanowo-miedzianą, stal międzymetaliczną itp., których nie można spawać w konwencjonalnym procesie topienia.
Można osiągnąć spawanie prętów i rur o tej samej średnicy lub różnych średnicach
Podczas spawania nie wytwarza się dym, światło łuku, szkodliwe gazy itp., a środowisko nie jest zanieczyszczone. Jednocześnie w porównaniu ze spawaniem zawiesinowym energia elektryczna jest oszczędzana 5-10 razy.

Jednak zgrzewanie tarciowe ma również następujące wady i ograniczenia:

Spawanie przekrojów nieokrągłych jest trudne i wymaga skomplikowanego sprzętu; trudno jest także spawać cienkie części w kształcie krążków i cienkościenne łączniki rurowe, ponieważ trudno je zacisnąć.
Trudno jest uzyskać zgrzewanie tarciowe w przypadku elementów, których kształt i położenie montażowe zostały określone.
Połączenia są podatne na odpryski i należy je poddać obróbce mechanicznej po spawaniu.
Część zaciskowa jest podatna na zarysowania lub ślady mocowania

Zgrzewanie tarciowe, charakteryzujące się wysoką jakością, wydajnością, oszczędnością energii i przyjaznością dla środowiska, stopniowo zyskuje szerokie zastosowanie zarówno w nowych, jak i tradycyjnych sektorach przemysłu. Należą do nich lotnictwo, kosmonautyka, energia jądrowa, broń, motoryzacja, wytwarzanie energii, rozwój oceanów i produkcja maszyn.

Przemysł lotniczy: silniki lotnicze, części wałów korbowych silników spalinowych

Produkcja samochodów: koła, drążki kierownicze, zawory wydechowe, wirniki