Исследования показали, что при сварке трением максимальное выделение теплоты происходит на периферии поверхности трения, на оси вращения выделение теплоты равно нулю.
Получены выражения для момента сил трения, действующих на всей поверхности трения:
для мощности тепловыделения
для средней удельной мощности, отнесенной к единице поверхности трения (вт/мм2),
где М — полный момент сил, кгс/мм; N — полная мощность, кВт; р — давление, кгс/мм2; п — относительная частота вращения, об/мин; f — коэффициент трения.
На рис. 50 изображена характерная кривая момента сил М (t) и совмещенная с ней кривая частоты вращения п (t). Момент сил изменяется в процессе сварки, проходя сначала через минимальное, затем через максимальное значения, устремляясь к некоторому установившемуся значению в конце процесса. Анализ кривых позволяет получить некоторое представление о явлениях, происходящих на поверхностях трения при сварке.
Вначале процесс протекает при незначительных температурах и характеризуется сухим или граничным трением (коэффициент трения при этом f = 0,1 -0,12). Небольшой пик на кривой моментов в самом начале процесса (f 0,25) соответствует трению покоя. Переход от состояния покоя к движению соответствует сначала быстрому, а затем более медленному спаду кривой моментов (интервал времени t1). Следующее затем быстрое нарастание этой кривой в интервале времени можно рассматривать как признаки начала перехода от сухого (граничного) трения к чистому.
Средняя температура поверхностей трения в начале отрезка времени составляет 100—120° С (373—393 К).
Вследствие обнажения участков чистого металла на поверхностях трения появляется возможность образования очагов схватывания. В процессе продолжающегося относительного движения поверхностей эти мостики вслед за их образованием разрушаются.
Рис.50. Изменение во времени момента сил М и частоты вращения n при сварке трением
Энергия, затраченная на их деформацию, проявляясь в форме теплоты, способствует повышению температуры поверхности, что, в свою очередь, облегчает образование новых очагов схватывания, которые вновь разрушаются. Процесс схватывания быстро нарастает. Однако беспредельному росту числа очагов схватывания препятствуют ограниченные размеры поверхности трения. Поэтому с течением времени этот процесс, достигнув некоторого уровня, устанавливается.
При рассмотрении зависимостей изменения тепловыделения во времени весь процесс нагрева при сварке трением можно условно разделить на три фазы (рис. 50): первая (начальная), характеризующаяся преобладанием явлений внешнего (сухого или граничного) трения — t1; вторая, начинающаяся с появления очагов схватываний и характеризующаяся процессом бурного их увеличения t2; третья, отличающаяся высокими температурами и тенденцией процесса к установлению — t3.
В первой и второй фазах процесса тепловыделение незначительно, основное количество теплоты выделяется в третьей фазе. Количество теплоты, выделенной в первой фазе, 1%, во второй— 12%, в третьей — 87%. Нагрев деталей до состояния повышенной пластичности, необходимой для образования прочного сварного соединения, происходит в третьей фазе процесса.
Сварное соединение образуется лишь после прекращения тепловыделения (вращения). В конце процесса сварки проводят проковку — взаимно неподвижные и охлаждающиеся детали подвергают действию внешнего, сжимающего усилия; при этом в ряде случаев величину давления при проковке, по сравнению с давлением при вращении, выбирают более высокой.
В процессе образования сварного соединения при температурах ниже температуры плавления большое значение имеет и деформация приповерхностных слоев металла в макромасштабах. Разрушение окисных пленок, покрывающих контактирующие поверхности, и удаление обломков этих пленок из стыка в грат связано с пластическим течением металла в плоскости стыка, т. е. деформациями, развивающимися в относительно толстых слоях металла, измеряемыми десятыми долями миллиметра. При сварке трением подводимая извне энергия, необходимая для сварки, преобразуется в теплоту в процессе и в результате деформирования и разрушения приповерхностных объемов металла.