СПОСОБ СВАРКИ ТРЕНИЕМ
FRICTION WELDING METHOD

Способ относится к области сварочного производства энергетического оборудования, а именно к сварке трением штуцеров и патрубков малого диаметра.
Повышение технологической прочности при сварке и эксплуатационной надежности сварных соединений штуцеров и патрубков малого диаметра является актуальной задачей современного энергетического машиностроения.
Известен способ сварки трением штуцеров и патрубков без предварительной подготовки свариваемой поверхности (Билль, В.И. Сварка металлов трением. Ленинград: Машиностроение, 1970, стр. 86). Способ отличается большой энергоемкостью и тепловложением вследствие увеличения основных параметров сварки и нестабильным качеством.
Известен способ сварки трением штуцеров и патрубков с предварительной проточкой кольцевой канавки на корпусе (Билль, В.И. Сварка металлов трением. Ленинград: Машиностроение, 1970, стр. 88). Недостатком данного способа является нестабильное качество сварного соединения, обусловленное непроваром в месте выточки кольца после окончания процесса сварки.
Наиболее близким к предлагаемому является способ сварки трением тонкостенных штуцеров и патрубков с принудительным формированием соединения через коническую оправку, устанавливаемую на резьбовую шпильку, вкрученную в массивную деталь (патент РФ 806322, В23К 20/12). Недостатком данного способа является низкая технологичность получения сварного соединения, а именно: ограничение по толщине стенки трубчатых деталей, сложность процесса подготовки поверхности под сварку, заключающаяся в необходимости проточки глухого отверстия в массивной детали, нарезке резьбы, вкручивания шпильки, установки и центрирования конической оправки.
Задачей предлагаемого способа является повышение технологичности изготовления, а именно: упрощается технология подготовки поверхностей под сварку и повышается качество сборки сварного узла. Это достигается за счет снижения трудозатрат при подготовке поверхностей под сварку и обеспечения условий самоцентрирования соединяемых поверхностей; Сварка выполняется с оптимальным тепловложением, которое достигается за счет последовательного включения в стадию нагрева кольцевых участков конической поверхности соединяемых деталей, обеспечивающим надежное соединение и минимальный рост зерна, требуемую структуру и механические характеристики сварного соединения штуцеров и патрубков малого диаметра, в состоянии без последующей термической обработки.
Согласно предлагаемому способу, решение поставленной задачи достигается следующим образом.
В массивной и на трубчатой деталях вытачиваются конусы с заданным углами развертки, при этом на массивной детали угол развертки конуса несколько больший, чем у трубчатой детали (фиг. 1). Далее свариваемые детали устанавливают и закрепляют в неподвижном и подвижном зажимных устройствах сварочной машины. С целью обеспечения оптимального тепловложения устанавливаются требуемые параметры процесса сварки (давление нагрева, давление осадки, время нагрева, скорость вращения). Далее детали предварительно сжимают для обеспечения соосности и устранения люфтов на начальном этапе сварки: включают привод подвижного зажимного устройства; начинают процесс трения и нагрева поверхностей свариваемых деталей; процесс завершают осадкой и выдавливанием наружу пластичного металла (грата).
Более подробно процесс сварки заключается в следующем:
Первая фаза - происходит начальная притирка нижней части конусных поверхностей. В контакт вступают отдельные микровыступы, начинается их деформация и обнажение ювенильных участков поверхности трения.
Вторая фаза - заметное увеличение числа взаимодействующих микровыступов, увеличение фактической площади контакта и быстрый рост температуры в стыке. С ростом температуры наблюдается быстрое снижение предела текучести металла и его сопротивление деформации. На поверхности контакта появляется тонкий слой пластифицированного металла, выполняющего роль смазочного материала.
Третья фаза отличается постепенным подъемом температуры металла и как следствие начинается процесс вытеснения из стыка пластифицированного металла (образования грата) к концу третьей фазы температура в стыке достигает максимального значения и наступает состояние близкое к квазистационарному.
Четвертая фаза - фаза квазистационарного процесса трения, которая характерна установившемся состояниям основных параметров процесса: момента трения, мощности тепловыделения, температуры в стыке и скорости осадки.
Пятая фаза - торможение. В конце фазы частота вращения падает до нуля, мощность почти мгновенно снижается, начинается уменьшение температуры в стыке, наступает момент полной остановки с немедленным образованием металлических связей образующих неразъемное сварное соединение.
Шестая фаза - стадия проковки. Образовавшееся соединение подвергается деформации сжатия осевыми усилием. Эту стадию можно рассматривать как своеобразную высокотемпературную обработку сварного соединения, способствующую измельчению зерна, а также повышению прочности и вязкости металла.
В предлагаемом способе фазы 1, 2, 3, 4 могут повторяться в зависимости от размера контактирующих конусных поверхностей, так как в процессе сварки последовательно включаются новые кольцевые участки соединяемых конусных поверхностей.
Исследование микроструктуры (Фиг. 2, Фиг. 3, Фиг. 4) и проведенные механические испытания деталей показали, что данный способ позволяет получать качественные соединения без после сварочной термической обработки.
Таким образом, предлагаемый способ сварки позволяет повысить качество сварных соединений на основе повышения технологичности и точности сборочно-сварочных работ, а также снизить технологическую себестоимость изготовления сварного узла.
На Фиг. 1 представлен имитатор штуцера и корпуса модели штуцерного узла.
На Фиг. 2 представлена микроструктура различных зон сварного соединения из стали 15Х2НМФА, выполненного сваркой трением: а - основной металл; (б-д) - зона термического влияния; е - линия сплавления.
На Фиг. 3 представлена микроструктура различных зон сварного соединения из стали 10ГН2МФА, выполненного сваркой трением: а - основной металл; б - зона термического влияния; в - линия сплавления
На Фиг. 4 представлена микроструктура различных зон сварного соединения из стали 22К, выполненного сваркой трением: а - основной металл; б и д - зона термического влияния; в и г - линия сплавления.