Деформация смятия в энергетическом балансе процесса сварки трением играет лишь второстепенную роль; механическая работа, затраченная на чистое смятие микровыступов и выдавливание из стыка металла, ставшего в результате нагрева пластичным, не превышает 2— 3% общей энергии, затраченной на сварку. Доминирующую роль играет деформация среза микровыступов и разрыва атомных металлических связей, возникающих в результате трения поверхностей.
Деформация среза микровыступов помогает сближению поверхностей и умножению числа единичных контактов и этим облегчается образование связей.
Микро- и макродеформации следует различать потому, что процессы образования связей между поверхностями присущи субмикрообъемам металла и вовлечения в этот процесс относительно толстого подслоя теоретически не требуется, тепловыделение при сварке трением может (в зависимости от режима процесса) происходит в микро- и макрообъемах металла. Режим процесса определяет характер взаимодействия трущихся поверхностей. При малых скоростях трения в процессе износа поверхностей имеет место глубинное вырывание частиц металла; при больших скоростях глубинное вырывание отсутствует, оно уступает место процессу полирования поверхностей, когда отрываются лишь мельчайшие частицы металла.
В первом случае в процессе теплогенерирования участвуют значительные по толщине (до нескольких десятых долей миллиметра) приповерхностные слои металла; во втором — процесс генерирования теплоты вызывается преимущественным разрушением поверхностных связей и толщина теплогенерирующего слоя при этом минимальна.
С увеличением скорости вращения температура поверхностей трения несколько возрастает, несмотря на заметное уменьшение при этом мощности, расходуемой на сварку (рис. 51). Это явление объясняется тем, что при малых скоростях вращения в процесс генерирования теплоты оказываются вовлеченными значительно большие объемы металла, а следовательно, увеличиваются расходы энергии и мощности. Относительно толстый слой металла легко выдавливается и уносит с собой из стыка в грат значительную часть теплоты. В результате температура на поверхностях трения, к которым в процессе деформирования подходит более холодный металл, оказывается ниже, чем при повышенных скоростях вращения.
Рис. 51. Мощность тепловыделения в зависимости от частоты вращения; низкоуглеродистая сталь: диам. 20 мм, ри — 5 кгс/мм2, осадка при сварке 5 мм
Пластическое деформирование металла при сварке трением является необходимым условием образования качественного соединения. Мерой пластической деформации принята величина сближения в осевом направлении свариваемых деталей — осадка.
Параметры режима сварки трением (частота вращения, давление и др.) зависят от свойств свариваемого металла и конфигурации изделия. Накоплен большой экспериментальный материал по сварке трением различных металлов.
При сварке низкоуглеродистой стали скорость вращения назначается из условия окружной скорости на поверхности детали, равной 1 м/с; давление в начале сварки при нагреве 4 кгс/мм2 (392 х 105 Н/м2); давление при проковке 8—10 кгс/мм2 (784 х 105 - 980,6 х 105 Н/м2).
Детали перед сваркой следует очищать от жира и загрязнений, например, протиркой их торцовых поверхностей чистой тряпкой; в большинстве случаев этого вполне достаточно, и лишь иногда приходится прибегать к обезжириванию этих поверхностей химическими средствами.
Тонкие окисные пленки на соединяемых поверхностях при сварке деталей из одноименных металлов почти не влияют на течение процесса нагрева: они быстро разрушаются при трении и их обломки выносятся из стыка вытесняемым в радиальных направлениях металлом. На поверхностях трения недопустимо присутствие окалины. На деталях, подвергавшихся до сварки ковке, штамповке или некоторым видам термообработки, эти поверхности должны быть очищены от окалины любым доступным способом.
Подготовка торцовых поверхностей под сварку трением может быть выполнена самыми различными способами: подрезкой на токарном станке, рубкой на ножницах и под прессом, разрезкой пилой или наждачным кругом и т. п.
При соединении встык двух деталей одинакового диаметра, металлы которых обладают различной степенью пластичности при температурах сварки, требования к подготовке торцов несколько усложняются: для деталей из более твердого и плохо деформирующегося металла требуются более жесткие допуски на обработку торца. Если одна из деталей в процессе сварки практически не деформируется вовсе (например, сталь при сварке с алюминием), требуется очень тщательная подготовка поверхности торца такой детали.
К боковым поверхностям деталей при сварке трением никаких требований не предъявляется; они могут быть покрыты маслом, окалиной или ржавчиной; это не отражается на свойства получаемого сварного соединения. Этим сварка трением выгодно отличается от других видов сварки.
Исследования механических свойств сварного соединения, полученного с помощью сварки трением, и свойств металла в нем показали, что при правильно выбранных режимах сварки металл обладает сплошностью структуры, инородные включения, поры и другие макродефекты отсутствуют. Разрушение сварных образцов при испытании на растяжение статической нагрузкой всегда происходило вдали от стыка и вне зоны изменения зерна. Ударная вязкость зоны сварного соединения близка к ударной вязкости основного металла.
Высокая прочность сварного соединения при сварке трением объясняется специфическими условиями образования сварного соединения. Сварка трением происходит под действием интенсивного локализованного и кратковременного воздействия теплоты, выделяющейся на свариваемых поверхностях, высокой степени пластической деформации и при очень хорошей защите места сварки от действия кислорода и азота воздуха. Пластическая Деформация металла сопровождается непрерывным удалением части металла из зоны сварки; при этом происходит своеобразная термомеханическая обработка металла в этой зоне. Металл сварного соединения обладает весьма мелкокристаллическим строением и сохраняет остаточный наклеп.
Сваркой трением можно соединять разноименные металлы, обладающие резко различными теплофизическими характеристиками, и такие, при сварке которых обычными методами получаются недоброкачественные швы: меди со сталью, меди со сплавом «ковар», меди с алюминием и некоторыми его сплавами, алюминия с титаном и т. п.
Рис.52. Сварка трубчатых деталей с предварительно вставленными пробками
Рис.53. Взаимная центровка трубчатых деталей
Для улучшения процесса сварки деталей, имеющих различное сечение, на более массивной детали необходимо делать выступы (см. рис. 47). Вследствие высокой интенсивности процесса сварки высоту выступов можно принимать из расчета h = (0,25 - 0,5) d. Во многих случаях рекомендуется соединение, показанное на рис. 47, б.
Сварка деталей с одинаковыми размерами сечений, как правило, не представляет большого труда и обеспечивает высокие механические показатели: временное сопротивление, угол изгиба, ударную вязкость и др. Для закаливающихся металлов это достигается после соответствующей термообработки.