TEHNOLOGIA SUDĂRII PRIN FRECARE 13.1 Principiul procedeului Sudarea prin frecare este un procedeu de sudare prin presiune, neelectric, la care… [310237]

CAPITOLUL 13

TEHNOLOGIA SUDĂRII PRIN FRECARE

13.1 [anonimizat], [anonimizat].

Schema de principiu și câteva moduri în care se poate produce frecarea dintre componentele de sudat sunt prezentate în figura 13.1.

Fig 13.1 [anonimizat], următoarele faze:

antrenarea componentelor de sundat într-o mișcare relativă sub acțiunea unei forțe axiale de presare între ele. [anonimizat], a uneia dintre componente(fig 13.1 a,b) și păstrarea fixă a [anonimizat] a ambelor componente cu viteze diferite si de sens contrar(fig 13.1 c), și rotirea unei piese intermediare introdusă între componente(fig 13.1 d), rotirea sau vibrarea componentelor(fig 13.1 e,f).

[anonimizat], componentele sunt mențiunute în mișcare relativă sub acțiunea presiunii axiale până la stingerea temperaturii deformării plastice refulării componentelor în contact.

[anonimizat]. Refularea se realizează menținând valoarea forței axiale de la încălzire sau cu o forță axiala mai mare decât aceasta.

13.1.1 [anonimizat], ci prezintă rugozități ( proeminențe ) [anonimizat], contactul nu se stabilește pe întreaga suprafață ci numai în puncte izolate. Din cauza rugozităților totdeauna suprafața fizică de contact va fi mai mică decât supafața nominală de contact.

La realizarea sudării prin frecare se impun o [anonimizat] a suprafețelor în contact și asigurarea contactului a [anonimizat], [anonimizat] a materialului

– asigurarea unei deformații plastice comune a microsuprafețelor în contact.

La baza procesului de sudare stă proprietatea metalelor de a i se scadea limita de curgere odată cu creșterea temperaturii.

La sudarea prin frecare apar atât fenomenele de formare a sudării în stare solidă cât și fenomenele ce apar la frecare și uzură; uzura suprafețelor de contact: formarea neîntreruptă și distrugerea imediată a unor legături metalice între suprafețele conjugate; încălziri rapide și răciri bruște ale microvolumelor în condițiile presiunilor mari; deformații plastice în microvolumele proeminențelor și a straturilor de metal din imediata vecinătate; ecruisarea, recristalizarea și difuzia reciprocă a materialelor care se dudează; întrepatrunderea reciprocă a [anonimizat].

Mecanismul formării sudurii prin frecare se poate explica prin împărțirea procesului de încalzire în cinci faze:

faza I. [anonimizat] o forță axială. Suprafețele în contact nelubrifiate încep să se frece pe întreaga suprafață fizică de contact. Viteza relativă de rotație variază liniar de la zero în axul componenteim la un maxim la periferia ei. În zonele de contact se realizează punți metalice ( joncțiuni ) care încep să se dezvolte. Prin continuarea mișcării relative, punțile metalice formate pe axe inelare se rup și prin ruperea lor are loc un transfer continuu de metal de la o componentă la alta. Punțile și particulele de metal transferate fac ca în zona inelară să crească momentul de frecare și temperatura componentelor. Cu creșterea temperaturii, suprafețele în frecare se înmoaie și se mărește suprafața individuală a punților metalice. Procesul continuă și temperatura crește până când atinge valori la care metalul se plastifiează. Metalul plastificat dintre cele două componente se amestecă existând practic două piese în mișcare relativă una față de cealaltă, separate între ele cu un stratt de metal vâscos.

faza II. Este o fază de tranziție, în timpul ei metalul plastifiat și localizat într-o zonă inelară se extinde cuprinzând treptat intreaga suprafață de contact. Acestă extindere atrage o scădere a momentului de frecare. Datorită vitezei de rotație apar două componente, una tangențială și una radială în metalul plastificat după o traiectorie elicoidală ducând la formarea unei bavuri. Datorită acestei eliminări de metal plastificat sub acțiunea forțelor axiale cele două componente se apropie, deplasarea lor fiind denumită „sucrtare axială”;

faza III. Este de echilibru întrucât momentul de frecare și viteza de deplasare axială rămân aproximativ constante. Forța de frecare pe întreaga secțiune de contact nu este uniform distribuită. În funcție de valoarea vitezei de rotație și a presiunii axiale distribuția forței de drecare are un aspect inelar (fig 13.2) raza inelului crescâand cu scăderea vitezei de rotație. În zona inelară densitatea punților metalice este minimă, forța de frecare este maximă și se preia cea mai mare parte din sarcina axială. În acestă fază particulele metalice din ambele componente sunt trasferate în metalul plastificat și amestecate cu acesta până când se plastifiează și ele; este zona în care se genereză cea mai mare parte a căldurii.

Fig 13.2. Distribuția forței de frecare în lungul razei unei bare în timpul fazei de echilibru (la o presiune axială de 86 N/mm ).

1-viteză de rotație mică: 1000 rot/min;

2-viteză de rotație mareȘ 4000 rot/min.

faza IV. Este faza de frânare, viteza de rotație scăzând la zero. Dacă accelerația la frânare are o valoare ridicată ( de ex. 2500 radieni/secundă ) scăderea rapidă a vitezei în timpul frânării face ca deplasarea metalului plastificat spre bavură să nu aibă timp să se stabilizeze, momentul final de frecare rămânând la o valoare scăzuta. Dacă accelerația la frânare are valori mici ( de ex. 10 radieni/secundă ) deplasarea metalului plastificat devine excesivă, producâandu-se o bavură mare, iar momentul de frecare atinge o valoare ridicată, care poate forfeca sudarea. Cu toate acestea deplasarea radială comună a celor două materiale spre bavură în timpul refulării este dorită deoarece tinde să umple crestătura dintre inelele bavurii aparținând celor două componente, formate în timpul frecării și prin acesta rezistența cudurii. Acestă umplere a crestăturii se produce în prima parte a frecării, urmată neapărat de o frânare puternică pentru a opri brusc piesa rotitoare. Faza de frânare durează mai puțin de o secundă.

Deplasarea materialului spre bavură începe întotdeanua cu componenta cu care se rotește, deoarece acesta se încălzește cel mai repede. Implicit si zona influențată termic apare mai repede în componenta care se rotește, având la început o formă concavă urmând ca apoi să se uniformizeze în ambele componente având în final marginile aproape paralele, fapt ilustrat în figura 13.3.

faza V. Este de refulare. Refularea materialului plastificat se poate face rece cu păstrarea aceleași valori a presiunii axiale ( după oprirea rotirii componentei ) sau printr-o creștere a valorii acesteia. Cantitatea de metal deformat și gradul de deformare depinde de mărimea presiunii de refulare și de condițiile termice existente la sfârsitul etapei de frânare. Refularea determină obținerea unor moduri cu caracteristici mecanice ridicate cu condișia ca în etapele premergătoare deformația plastică să fie suficirntă încât să permită eliminarea la refulare a eventualelor impurități de pe suprafețele inițiale ale capetelor componentelor.

O imagine de ansamblu a fenomenelor care se produc în decursul procesului de sudare prin frecare continuă se obține prin înregistrarea turației presiuni axiale, scurtări axiale și a momentului de frecare în funcție de timp. O astfel de diagramă se prezintă în figura 13.4.

Ciclul de sudare reprezentat în fig. 13.4 conține trei etape de fecare și încălzire, etapa de frânare și etapa de refulare. Etapa de frecare și încălzire cuprinde fazele I, II și III și include atingerea condițiilor termice si mecanice necesare formării stratului intermediar de metal plastifiat dintre cele două componente de sudat. Temperatura componentelor în zona sudării se apropie de punctul de topire al materialelor acestora.

Fig 13.3. Extinderea zonei plastifiate și a formării bavurii în diverse faze a procesului de sudare

Fig 13.4. Variația în timp a turației (n), presiunii axiale (Pa), momentului de frecare (Mf) și a scurtării axiale(Al).

Formarea stratului intermediar plastificat este determinată de momentul de frecare, respectiv de deformație plastică datorată încălzirii prin frecare. Din acest motiv, pentru un anumit material având o anumită secțiune și la o viteză relativă dată, există un anumit nivel al momentului de frecare care trebuie atins în timpul acestei etape. Variația vitezei relative sau a presiunii axiale implică schimbarea momentului de frecare.

Deformația plastică trebuie să se încadreze într-un domeniu optim, influențând direct asupra proprietăților mecano-metalurgice ale îmbinării sudate. Sub limita inferioară a acestui domeniu oprim deformația plastică este insuficientă conducâand la defect de “lipsă de legatură” ca urmare a eliminării incomplete a eventualelor impuritați de pe suprafețele inițiale în contact a componentelor. Peste domeniul optim, deformația plastică fiind mare temperatura în zona de contact șî în zonele adiacente este mărită ducând al formarea de structuri de supraîncălzire, grosolane care slăbesc rezistența sudurii.

13.1.2 Variantele procedeelor de sudare prin frecare.

După modul cum este furnizată energia de sudare se deosebesc următoarele variante:

13.1.2.1. Sudarea prin frecare continuă ( convențională )

Componentele de sudat sunt presate una față de alta cu o rotație axială, una dintre ele fiind rotită cu o viteză constantă o perioadă de timp, pentru a asigura condițiile de plasticitate necesare formării sudurii ( fig 13.1.a și b ). Rotația este apoi oprită cu o frânare bruscă menținându-se constantă sau mărindu-se presiunea de apăsare a componentelor. Sudarea se realizează prin deformarea plastică a lor. Acest procedeu s-a dezvoltat în mod special în Europa.

13.1.2.2. Sudarea prin frecare cu energie înmagazinată sub formă cinetică, se poate realiza în două moduri:

– sudarea prin frecare cu volant;

– sudarea folosind inerția sistemului de antrenare.

În cazul sudării cu volant, energia cinetică se înmagazinează într-um volant și este eliberată în cantități determinate de un dispozitiv de cuplare a arborelui principal ( fig. 13.5 ). Valoarea energiei cedate de volant este determinată de valaorea vitezei inițiale a acestuia și a vitezei la care cuplajul eliberează arborele principal de volant. Procedeul are avantajul că permite sudarea componentelor cu secțiuni mari și durate scurte ale ciclului de sudare ( energia volantului se acumulează în timp ce piesele sunt încărcate în mașina de sudat ). Procedeul are dezavantajele că limitează secțiunile mici ce pot fi sudate și dispozitivul de cuplare, datorită complexități sale, este greu de realizat.

Fig 13.5. Schema sudării prin frecare cu energie înmagazinată în volant.

1-volant, 2-componente de sudat, FS-forța de strângere a componentelor, Fa-forța axială

La sudarea prin inerție se utilizează energia cinetică înmagazinată în arborele principal și dispozitivul de prindere al componentelor de sudat în mișcare de rotație. Acestă variantă diferă de sudarea prin frecare cu volant prin aceea că toată energia înmagazinată se conumă la un ciclu de sudare, neexistând cuplajul între arborele principal și dispozitivul de prindere al uneia dintre componentele de sudat.

Dacă procedeul de sudare prin inerție se combină cu sudarea prin frecare continuă se obține un consum de energie mai mic putându-se utiliza motoare de putere mai mică. În figura 13.6 se prezintă schematic fazele procesului de sudare obținut din combinarea celor două procedee.

13.1.2.3. Sudarea prin frecare cu impulsuri. Energia necesară este introdusă în componentele de sudat sub formă de impulsuri determinate de forțele centrifugale ale unor mese rotitioare neechilibrate. Schema de principiu a unui asemenea mecanism se prezintă în figura 13.7. Motorul antrenează pârghia 1 cu viteza de rotație ω. Satelitul neechilibrat 2, cu centrul de greutate la distanța r față de axă, execută o mișcare planetară în jurul diferențialului 3 fixat pe axul principal al mașinii de sudat. Datorită forței centrifugale Fc a satelitului, la diferențialul 3 apare un moment alternativ al forței de inerțir Mi. Sub acțiunea momentului Mi axul de antrenare împreună cu componente de sudat se rotesc cu viteza ± ψ. Prin acestă metodă se reduce timpul de sudare și se îmbunătățesc caracteristicile mecanice și structura sudurii.

Fig. 13.6. Fazele procesului de sudare prin frecare combinată.

Fig. 13.7. Schema de principiu a unui impulsator dinamic.
13.1.2.4. Sudarea prin frecare cu încălzire suplimentară prin inducție a componentelor de sudat, constă în aplicarea unui inductor de înaltă frecvență în zona îmbinării ( tim manșon ) care încălzește suplimentar piesele în timpul rotirii lor, scurtând timpul de sudare și micșorând presiunile de frecare. Se pot suda astfel componente cu secțiune mai are decât capacitatea normală a mașinii de sudat de care se dispune.

13.1.2.5. Sudarea prin frecare orbitală.

Componentele de sudat execută mișcări de rotație în jurul axelor proprii, iar axele, distanțele între ele și reciproc paralele execută o mișcare de rotație pe o orbită radială una față de cealaltă. Componentele în mișcare sunt presate una de cealaltă. Se asigură astfel ca vitezele relative ale diferitelor puncte aparținând suprafețelor în contact sî fie egale producându-se o încăjzire uniformă a lor. Când temperatura capetelor a atins valoarea necesară sudării, distanța dintre axele celor două componente de sudat ( exocentricitatea ) se reduce la zero. Prin această variantă se pot suda piese cu secțiuni având forme diferite de cea circulară, intr-un timp mai scurt decât la celelalte variante. Instalația în schimb este mai complicată, trebuind să se determine cu precizie momentul înlăturării exocentricitații și a frânării pieselor astfel ca piesele să fie sudate în poziția dorită.

13.1.2.6. Sudarea prin frecare cu material de adaos ( piesă intermediară ) fig 13.1.a. Încălzirea se realizează prin rotirea unei piese intermediare din același material sau material diferit de cel al componentelor de sudat. Astfel se extinde domeniul de aplicare a procedeului de sudare prin frecare la țevi și bare de orice lungime, având secțiune rotundă sau profilată ( pătrat, hexagon, etc ) respectiv la sudarea unor piese de legatură între două flanșe sau plăci.

13.1.2.7. Sudarea prin frecare indirectă constă în rotirea unui disc între componentele de sudat, până când se atinge temperatura necesară sudării, după care este îndepărtat iar componentele sunt refulate împreună. Metoda se aplică la metale de sudat până când atinge o temperatură de 220-250oC, după care se îndepărtează și urmează refularea.

13.2. Parametrii regimului de sudare.

Parametrii regimului de sudare prin frecare sunt:

viteza de mișcare relativă a componentelor de sudat;

preiunea axială;

timpul de sudare;

scurtarea axială.

13.2.1. viteza relativă este une parametru care influențează productivitatea procedeului și extinderea câmpului termic în componentele de sudat. Pentru fiecare combinație de metale care se sudează există un interval optim al vitezelor relative recomandate. Creșterea vitezei relative conduce la stabilizarea rapidă a momentului de frecare necesitând o presiune de frecare mai mică, durata ciclului de sudare se reduce iar cantitatea de metal încălzit și expulat în bavură este mai mic. Cu toate acestea mărimea exagerată a vitezei relative este nedorită întrucât repartiția încălzirii pe direcția radială se reduce o dată cu creșterea vitezei peste anumite limite.

Vitezele relative mici conduc la supraîncălzirea în material mărimea stratului intermediar de metal plasrifiat fiind destul de mare. Shematic extinderea zonei influențate termic în funcție de vitezele relative sunt prezentate în figura 13.8.

Fig 13.8. Influența vitezei de rotație asupra formei Z.I.T

Alegerea vitezei relative se recomandtă să se facă în domeniul 0,6…3 m/secundă.

În practică se folosește adeseori produsul dintre diametrul nominal al piesei dn și turația a ( roatiții/minut ). Acest produs se recomandă să se situeze în general în intervalul:

n x dn = ( 1,2…10 ) x 104;

Pentru oțelurile obișnuite, n x dn = 3 x 104; ( viteză relativă de aproximativ 1 m/secundă).

Pentru cupru, n x dn = ( 4…4,5 ) x 104;

Pentru titan, n x dn = ( 8…10 ) x 104;

13.2.2. Presiunea axială este un parametru care influențează direct procesul de sudare. În cadrul unui ciclu de sudare presiunea axială aplicată are, în general, la frecarea continuă, valori distincte în două etape ale procesului de frecare și o presiune de refulare.

13.2.2.1. Presiunea de frecare influențează direct momentul de frecare, respectiv cantitatea de căldură generată, determinând temperatura maximă în zona de sudare. Presiunea de frecare influențează mărimea deformației plastice în etapa de încălzire prin frecare care are un rol important în asigurarea unei calități corespunzătoare sudurii.

O presiune de frecare mică produce o încălzire uniformă ( pentru o viteză relativă constantă ) pe direcția radială. În schimb o presiune mare produce o încălzire neuniformă cu tendintă de supaîncălzire spre zonele periferice și de expulzare a metalului plastificat spre exterior. Influența presiunii de frecare asupra formei ZIT este prezentată în fig 13.9.

Fig 13.9. Influența presiunii de frecare asupra formei Z.I.T.

Valoarea presiunii de frecare crește cu creșterea conținutului în carbon și în elemente de aliere a componentelor de sudat. La sudarea oțelurilor carbon presiunea de frecare se recomandă a avea valori cuprinse între 30…60N/mm2. Pentru sudarea oțelurilor austenitice presiunea de frecare trebuie să aibă o valoare cuprinsă între 60…120N/mm2.

Presiunea de frecare la o anumită viteză relativă este în strânsă corelație cu timpul de frecare. Cu cât crește presiunea de frecare scade timpul de frecare necesar pentru a asigura o anumită deformație plastică.

13.2.2.2. Presiunea de refulare. Majoritatea ciclurilor de sudare utilizate prevăd o creștere a presiunii axiale în faza finală de forjare necesară pentru apropierea maximă a suprafețelor componentelor. De faptul, cât de puternic ca fi forjat metalul după ce în stadiul de încălzire el a fost adus până la starea de plasticitate crescută, depinde într-o mare măsură calitatea îmbinării sudate. Presiunea de refulare are un efect favorabil asupra granulației materialelor din zona sudurii în sensul finisării acesteia.

Presiunea de refulare nu trebuie să depășească o anumită valoare. Deformarea excesivă în timpul refulării poate fi în detrimentul integrității mecanice a sudurii. La o refulare excesivă materialul încălzit este împins în bavură și vor veni în contact zone de metal mai reci, rezultând îmbinări cu caracteristici mecanice slabe.

Momentul măririi presiunii la valoarea presiunii de refulare trebuie să coincidă cu întreruperea rotirii. Practic el uneori devansează sau uneori întârzie dupa oprirea componentei în rotație. A doua variantă este mai favorabilă deoarece la câteva fracțiuni de secundă după oprire metalul din îmbinare nu se răcește și efectul refulării nu se schimbă pe când în cazul primei variante, creșterea presiunii în timpul rotirii produce un surplus de creștere a căldurii și crește consumul de metal.

În practică, raportul dintre presiunea de refulare și cea de frecare se alege între limitele:

13.2.3. Timpul de sudare este un parametru care împreună cu viteza relativă și presiunea axială determină procesul de sudare prin frecare. În timpul unui ciclu de sudare continuă timpul de sudare poate fi defaluat în cele trei etape: timpul de frecare. Timpul de oprire și timpul de refulare.

13.3.1. Timpul de frecare trebuie să fie astfel ales încât el să asigure o distribuție uniformă a temperaturii pe suprafețele frontale de sudat și o expulzare a impurităților prezente inițial pe suprafețele respective. În general timpii de frecare sunt cuprinși între 2-20 secunde. Timpii de sudare scurți sunt folosiți la sudarea oțelurilor nealiate ( 0< 0,25 % ). Timpii mai lungi ( cu toate că duc la formarea unei structuri mai grosolane ) se recomandă la sudarea oțelurilor susceptibile la călire, pentru reducerea vitezei de răcire. In cazul sudării prin frecare a două piese din același oțel sau de calități apropiate, timpul de frecare poate varia în limite destul de largi, fără a afecta calitatea sudurii.

13.2.3.2. Timpul de oprire trebuie să se aleagă cât mai scurt posibil ( mai mic de o secundă ) pentru a evita creșterea momentului de frecare fapt ce ar putea duce la forfecarea îmbinării. De asemenea un timp de oprire mai lung ar conduce la răcirea metalului înainitea aplicării refulării.

13.2.3.3. Timpul de refulare are valori mai mici decât cel de frecare, are valori mai mici decât cel de frecare, alegându-se între 1,5-6 secunde, deoarece la oprirea rotirii pieselor, sudarea se răcește cu viteză mare, materialul pierzându-și platicitatea într-un timp mai scurt de o secundă.

13.2.4.Scurtarea axială este un parametru important care de multe ori devine un criteriu de control al ciclului de sudare mai ales în cazul sudării pieselor ale căror capete nu sunt suficient de curate, sau se rotesc cu viteză mai mică de 1500 rot/min. în aceste cazuri o parte din timpul de frecare se consumă pentru îndepărtarea ruginei și ( sau ) a murdăriilor, restul de timp fiind insuficient pentru încălzirea materialului de bază. Modul de control al ciclului de sudare prin urmărirea scurtării axiale nu se recomandă pieselor care au în capete bavuri sau sunt debitate oblic sau prezintă proeminențe locale pe suprafețele de contact de înălțime considerabilă.

13.3. Stabilirea procesului tehnologic de sudare prin frecare

Procesul tehnologic de sudare prin frecare comortă cunoașterea următorilor factori: natura materialelor, forma și dimensiunile componentelor de sudat, pregătirea componentelor în vederea sudării, alegerea regimului de sudare în funcție de instalația de care se dispune, caracteristicile sudurilor, defecte posibile și metode de control a calitații.

13.3.1. Materiale ce se sudează prin frecare

În comparație cu procedele convenționale, sudarea prin frecare are avantajul că se pot suda materiale diferite din punct de vedere al compoziției chimice ( cupru cu aluminiu, aluminiu cu oțel inxodiabil, etc ) cât și cu puncte de topire diferite ( tantal cu oțel, aluminiu cu oțel, etc).

Oțelurile cu conținut scăzut și mediu în carbon pot fi sudate într-o gamă largă de condiții de sudare. Oțelurile cu conținut ridicat în carbon și oțelurile aliate se sudează sșor prin frecare dar condițiile de frecare trebuie controlate în game mai înguste. Materialele ce rezistență mărită sau cu punct de topire ridicat, sau piesele turnate sau forjate impun condiții de sudare mai severe și aproape întodeauna ciclul de încălzire și refulare este mai lung, pentru realizarea unor îmbinări cu caracteristici satisfăcătoare. Fonta nu se poate suda prin frecare datorito grafitului liber care la frecare joacă rol de lubrifiant.

Aliajele neferoase, aluminiu, cuprul și aliajele lor se sudează foarte bine prin frecare între ele. De asemenea se pot suda în condiții bune și aliaje de aluminiu cu aliaje de cupru sau chiar de oțel și în mod special cu oțel inoxidabil. Sudarea aluminiului de oțel este posibilă întrucât în timpul procesului de sudare aluminiul nu ajunge la temperatura de topire. Se evită depășirea temperaturii de 4000C ( în cazul sudării aluminiului cu oțeluri obișnuite ) și 550-6000C ( în cazul sudării aluminiului cu oțeluri inoxidabile ) deoarece se pot activa fenomenele de difuzie în zona îmbinării, provocând fragilizarea acesteia.

Titanul, aliajele titanului, aliajele zirconiului și aliajele de magneziu pot fi sudate prin frecare de ele însele.

Majoritatea aliajelor pe bază de nichel și pe bază de cobalt, inclusiv aliajele termorezistente se sudează ușor cu ele însele și cu oțelurile aliate.

Metalele refractare: wolframul, molibdul, tautalul se pot suda numai cu ele însele.

În fig, 13.10 se prezintă materialele și combinațiile de materiale ce au fost sudate prin frecare până în prezent.

13.3.2. Forma și dimensiunile componentelor de sudat.

În general forma componentelor ce pot fi sudate prin frecare este circulară, determinată de faptul că una din ele trebuie antrenată în mișcare de rotație. În tabelul 13.1 se prezintă forme avantajoase din punct de vedere tehnic și economic pentru piesele ce se sudează prin frecare, pornind de la variantele care nu impun condiții de limitare a bavurii până la cele care limitează mărimea bavurii sau împiedică formarea ei. Se pot suda prin frecare și piese cu secțiune pătrată sau hexagonală, sau chiar unele tipuri de profile, dar numai cu instalații perfecționate cu sistem de comandă-control prin calculator electroni, pentru a asigura frânarea în poziția dorită.

Din punct de vedere al dimensiunilor componentelor de sudat procedeul nu limitează domeniul de aplicare. Astfel s-au sudat pe plăci metalice fire de numai 0,75 mm diamentru, sudarea barelor din oțel până la 150 mm diametru și sudarea țevilor având diametrul de 1200 mm.

Fig. 13.10. Materiale care s-au sudat prin frecare.

13.3.3. Pregătirea componentelor în vederea sudării.

Componentele care se sudează prin frecare se debitează în vederea sudării prin mijloace mecanice: strung, ferăstrău mecanic, disc abaziv, nefiind necesară finisarea suprafețelor întruncât rugozitatea suprafețelor prezintă o importanță mai mică asura desfășurării procesului de sudare prin frecare. În schimb, curățirea suprafețelor în contact de murdărie, grăsimi, rugină, etc, este necesară întrucât prezența acestora necesită mărirea duratei fazei de încălzire prin frecare, deoarece o parte din timpul afectat acestei etape se consumă pentru îndepărtarea acestora. De acees se recomandă ca suprafețele capetelor pieselor de sudat să fie curățate de grăsimi și murdării sau să fie degresate, iar stratul de rugină îndepartat prin polizare. Peliculele subțiri de oxizi de pe suprafața componentelor de sudat, în cazul sudării materialelor identic e, nu împiedică formarea sudurii deoarece ele se distrug repede în timpul frecării și se elimină prin bavură. În cazul componentelor care anterior au fost tratate termicsau prelucrarea la cald, trebuie îndepartat stratul de zgură de pe suprafețele frontale, deoarece acesta împiedică începerea procesului de sudare prin frecare.

Debitarea capetelor componenetelor de sudat trebuie să se facă astfel ca unghiul de înclinare a suprafetelor capetelor să nu fie mai mare de 5 – 7 față de planul normal la axa componenetelor. Deasemenea la piese cu secțiune mai mare se recomandă prelucrarea conică a uneia din componente cu un unghi cuprins intre 3 – 5⁰ sau teșirea partială cu un unghi până la 30⁰

13.3.4 Alegerea regimului de sudare.

Odată cunoscute materialele, forma si dimensiunile componente care se sudează, in funcție de instalalatia de sudare prin frecare de care se dispune se aleg parametrii de sudare. In cadrul instalației de sudare este strict necesar sa se cunoască caracteristicile si aptitudinile acesteia: tipul masinii, puterea, turația maximă posibilă, forța axială maximă, gradul de automatizare, diametrul si lungimea pieselor ce pot fi sudate.

Pentru alegerea instalației de sudare prin frecare in tabelul 13.2 sunt prezentate

caracteristicile instalațiilor de sudare prin frecare realizate până in prezent in R.S.R la catedra de mecanică din Academia Militară București si la institutul de sudură si incercări de material ISIM din Timișoara.

Parametrii de sudare nu se pot stabilii pe cale analitică cu toate că există o serie de recomandări in acest sens, dar nici una nu e universal valabilă, ci numai pentru un

număr foarte restrâns de cazuri. De aceea, alegerea parametrilor se face pe baza unor nomograme, diagrame sau tabele construite pe baza unor minuțioase cercetări si experimentări. Parametrii odată stabiliți trebuiesc verificați experimental si apoi, după eventuale corecturi, se stabilesc definitiv, si urmărite in timpul exploatării pentru respectarea lor.

In tabelul 13.3 sunt date câteva oțeluri care se pot suda cu parametrii regimului determinați din diagramele prezentate in figurile 13.11 si 13.12.

Fig.13.11. Parametric regimului de sudare pentru bare pline.

Ff = 30 N/mm2 ; Pref= 2 Pf; tref = 1,5s;

Nf= 1000 rot/min.

Fig. 13.12. Parametrii regimului de sudare pentru bare pline din oțel austenitic sau oțel austenitic de imbunătățire (combinația 6.1+6.1 si tabelul 13)

Pf= 30 N/mm2; Pref= 2 Pf; tref= 1,5 s; n= 1000 rot/min

Pf= 100 N/mm2; Pref= 2 Pf; tref= 3 s; n= 400 rot/min

Modul de lucru cu aceste diagrame este următorul: trebuiesc stabiliți parametrii tehnologici pentru sudarea unei bare de 30 mm diametru, din oțel OLC 45, cu o bară de 30 mm diametru, din oțel 35C10, In tabelul 13.3. oțelul OLC 45 corespunde grupei 3.2, iar oțelul 35C10 grupei 5.1. Din tabelul din figura 13.11 se constată că combinației de oțeluri 3.2+5.1 îi corespunde curba 2. Pentru curba 2 din graficul din figura 13.11.b în dreptul diametrului de 30 mm va corespunde timpul de frecare de 10 secunde. Regimul de sudare pentru cazul dat va fi deci urmatorul: viteza de rotație = 1000 rot/min; timp de frecare = 10 s; timp de refulare = 1,5 s; presiunea de frecare = 30N/mm2; presiunea de refulare = 60 N/mm2.

Aceste diagrame au fost construite păstrându-se constant o serie de parametric si anume: turația, presiunea de frecare, presiunea de refulare, timpul de refulare, variind doar un parametru: timpul de frecare in funcție de material si diametru componentelor de sudat.

Daca dorim sa sudam doua bare din oțeluri eustenitice sau o bara din oțel austenitic cu o bara din oțel de imbunatațire, se vor utiliza datele din figura 13.12.

In tabelul 13.4. sunt prezentate cateva regimuri folosite la sudarea unor componente din oțel de construcție de mașini, iar in tabelul 13.5 regimuri de sudare prin frecare a unor componente de aluminiu si aliaje, cupru su aliaje si combinații ale acestora.

Compoziția chimică sau corespondența STAS a materialelor din tabel este următoarea ( in %).

SAE 1141-C = 0.37 – 0.45; Si = 0.20; Mn = 1.35 – 1.65; P<0.04; S = 0.08 – 0.13

SAE 1020-OLC20

SAE 1010-C = 0.32 – 0.39; Si = 0.10; Mn = 0.3 – 0.6; P<0.04; S <0.05

SAE 1137-C = 0.32 – 0.38; Si= 0.20; Mn = 1.35 – 1.65; P<0.04; S = 0.08 – 0.13

SAE 1037-C = 0.32 – 0.38; Si = 0.10 – 0.20; Mn = 0.7 – 1.0; S<0.05; P = 0.7 – 1

Pentru sudarea prin frecare a semifabricatelor de scule se pot utiliza regimurile prezentate in tabelul 13.6. Pentru împiedicarea formării unei bavuri excesive pe materialul din care este formată coada sculei (cu propriețăți de deformare plastic mai bune decât partea activă a sculei) acesta se introduce intr-o matrița de formare de

forma celei prezentate in figura 13.13. Imediat dupa sudare semifabricatele se introduc intr-un cuptor incălzit la 450…500 C⁰.

Fig. 13.13. Matrița de formare

Dupa terminarea sudării pieselor dintr-un lot, temperature cuptorului se ridica la 840-850 C, care se menține 240 de minute după care semifabricatele se răcesc odată cu cuptorul. După acest tratament semifabricatele sunt prelucrate pentru obtinerea formei finale a sculei ( burghiu, freză, taroși, etc.)

13.3.5. Caracteristicile sudurilor realizate prin frecare

13.3.5.1. Caracteristicile metalurgice. Structurile metalografice care apar la sudarea prin frecare sunt determinate de ciclul temperature – timp, fiind influențat si de prezența presiunii axiale.

In cazul sudarii prin frecare a doua bare din otel cu conținut mediu de carbon (0.20 – 0.30)% din punct de vedere metalografic in ZIT apar următoarele zone ( fig. 13.13).

Zona A – zona deformațiilor plastic înseminate. În aceasta zonă s-a produs amestecul de particule de metal aparținand ambelor componente sub acțiunea deformației plastice, temperatura fiind inferioara temperaturii de topire (1300 C⁰). Structura metalografica este de granulație fină.

Zona B – zona de granulație foarte fină – platoidul din această zonă a fost supus unor puternice deformații plastice dar nu a participat la frecarea si nici la procesul de transfer. Structura in această zona este de tip bainitic.

Zona C – zona de trecere. Temperatura in această zona este cuprinsă intre

punctele de transformare AC 3 si AC 1, interval in care perlita se transforma in austenite, ferita rămânând netransformată.

Zona D – zona de globularizare. Temperatura fiind in aceasta zona sub AC 1, la metale de cementite ale perlitei se globulizează.

Zona E – zona de recristalizare a feritei. Temperatura in zona fiind cuprinsă intre 650 – 550 C⁰, cristalele deformate de ferită au recristalizat, crescand o parte din grăunți.

Zona F – temperature fiind sub 550 C⁰ nu se produc modificări structurale in structura materialului de bază.

13.3.5.2. Caracteristicile mecanice. Întrucat structura metalografică obținută la sudurile prin frecare este foarte fină rezistenta îmbinării este, in condițiile alegerii corecte a parametrilor de sudare, egală cu cea a materialului de bază. Acest lucru este valabil la sudarea între ele a materialelor de același fel.

În cazul sudării între ele a metalelor diferite rezistența îmbinării este în general apropiată de rezistenta metalului cel mai slab sau chiar o depăseste pe aceasta. De exemplu în cazul sudării prin frecare a oțelului cu aliaje de aluminiu se produc îmbinări la care rezistența static si la oboseală depăseste rezistenta aluminiului, intrucât prin acest procedeu nu apar constituent, cum ar fi compusi intermetalici Fe-Al care apar la sudarea prin alte procedee.

S-a constatat ca rezistența la oboseală si rezistenta îmbinărilor sudate prin frecare creste cu viteza de rotație iar rezistența la rupere prin tracțiune este independent de viteza de rotatie.

13.3.5.3. Tratamentul termic aplicat îmbinărilor sudate prin frecare. Oțeluri cu continut de carbon sub 0.20% nu necesită tratament termic dupa sudare. Oțelurile slab aliate sau bogat aliate au conținut ridicat in C necesită tratament termic după sudare pentru a coborâ duritatea bavurii in vederea prelucrării eu pentru a detensiona îmbinarea.

Oțelurile de scule după sudare prin frecare necesită un tratament termic de recoacere, deoarece duritatea in zona sudurii atinge pana la 800 HV.

În cazul sudării oțelurilor, care diferă din punct de vedere al compoziției chimice, structura metalografica si proprietăți mecanice stabilirea tratamentului termic al îmbinării sudate este dificil, recomandându-se intercalarea procesului de sudare cu tratamentul termic, stabilit de la caz la caz.

13.3.6. Defectele îmbinărilor sudate prin frecare.

Defectele îmbinărilor sudate prin frecare pot fi de natură geometrică sau macro si micro sructurale.

Defectele privind geometria îmbinării cuprind:

-deplasarea capetelor datorată alinierii incorecte a becurilor instalației, formei necorespunzătoare a capetelor, lungimea liberă prea mare.

-frângerea axei componentelor, datorită alinierii incorecte a pieselor in bancurile instalației de sudare, lungimea liberă prea mare a capetelor componentelor, presiunea axială prea mare.

Defectele macro si microstrucurale cele mai frecvente sunt:

-discontinuitați de legatură pe suprafata de îmbinat, datorată alegerii necorespunzătoare a regimului de sudare (aplicarea presiunii de refulare înainte de atingerea stării plastice pe întreaga suprafată frontală.

-pori datorată curătării necorespunzătoare a capetelor componentelor si alegerea unui regim de sudare insuficient pentru eliminarea impurităților (in mod special a grăsimilor)

-fisuri superficiale sau in secțiune, apar datorită supraîncălzirii metalului si vitezelor de răcire prea mari, lipsa unui tratament termic corespunzator.

13.3.7. Controlul calității îmbinărilor sudate prin frecare

Metodele de control applicate pentru controlul calitatii imbinarilor sudate prin frecare applicate sunt de natura: distructiva si nedistructiva.

Metodele distructive: constau in testarea unui anumit număr de piese, dintr-un lot, sudate in condiții similar si supunerea acestora la încercări mecanice de: tractiune îndoire la oboseală, la torsiune, reziliență, o duritate macro si micro si microstructurală. Interpretarea statistică a valorilor încercărilor pot da informații suficiente despre calitatea unui lot de piese.

Metodele nedistructive. Spre deosebire de îmbinările realizate prin procedee de sudare convenționale, sudurile prin procedee de sudare convenționale, sudurile prin, sudurile prin frecare nu pot fi controlate prin Roentgen si gama defectoscopie si metode magnetice ci numai prin control ultrasonic folosind tehnica ecoului longitudinal, dar si aceasta numai pentru suduri realizate din material de acelasi fel (la suduri realizate din material diferite metoda nu se poate folosi din cauza reflexiei create de schimbarea bruscă permeabilității).

Cel mai eficient control este a urmării in timp variația lui în curs de desfașurare, cu grafice etalon. Un asemenea control se poate face in două variante:

-controlul tuturor parametrilor

-controlul selectiv a unui număr de parametrii si la limita a unuia singur

Controlul poate fi active sau pasiv. Controlul pasiv se mărgineste la urmarirea parametrilor procesului. Controlul active presupune un sistem de control care se poate integra într-un sistem de automatizare, care operează corectarea parametrilor in timpul procesului, prin compararea lor permanentă cu valorile programate. Un sistem de control activ se bazează pe posibilitatea traducerii variatiei unor parametrii si procesului, variație care aplicată unui sistem de automatizare operează oprirea mașinii sau corecția parametrilor in timpul procesului. Acești parametrii pot fi temperature in zona îmbinării sau scurtarea axială si variația lor în timp.

Soluția cea mai completă de asigurare a unei calități constantă a sudurilor constă în aplicarea unui sistem de control prin calculator electronic pentru procesul de sudare. Pentru controlul prin calculator este necesar ca sincronizarea si stabilizarea parametrilor instalației, precum si cotrolul si comanda funcțiilor instalațiilor să fie asigurarea de calculator.

13.4. Domeniul de aplicare a procesului

Procedeul de sudare prin frecare are un domeniu de aplicare larg datorită avantajelor tehnice si economice pe care le prezintă:

-permite sudarea directă a materialelor, de acelasi fel sau diferite, fără material de adaos sau atmosfera protectoare.

-energia consumată este mult mai mică decât în cazul utilizării altor procedee de sudare (de exemplu sudare prin topire intermediară), iar timpii de sudare sunt foarte scurți.

-zona influentață termic este foarte îngustă si ca urmare structura metalografică este mai fină conferind îmbinării proprietăți mecanice similar cu a metalului de bază.

-operația de sudare este complet automatizată, este relativă curate si necesită

protecții sau măsuri deosebite de protecția muncii a spațiului înconjurător instalației.

Cu toate acestea procedeul are anumite limitări in utilizare datorită următoarelor dezavantaje:

-una din piesele de sudat trebuie să fie de forma si dimensiuni care să-i permit fixarea si rotirea în jurul propriei axe de rotație.

-dispozitivele de prindere si rotire a pieselor sunt destul de complicate si necesită o acționare si comandă foarte precisă.

-procedeul se limitează la îmbinări cap la cap, plane si unghiulare, care sunt concentrice cu axa de rotație.

Procedeul de sudare prin frecare îsi gaseste aplicabilitate in următorarele ramuri industriale:

-confecționarea sculelor aschietoare de tipul: burgie, freze, tarozi, etc. prin îmbinarea celor două părti ale sculei, aparte active si coada de material diferite ca structură si proprietăți (oțel rapid cu oțel de calitate).

-în industria electrotehnică, la confecționarea arborilor, motor, arbori de turbine, diverse elemente mecanice compuse

-în industria de motoarea, la fabricarea supapelor, elementelor de arbori cotiți, axele pompelor de injecție

-în industria de automobile, la fabricarea barelor de transmisie si directive, pinioane de arbori, angrenajele cutiilor de viteză, etc.

În canalizare, la alimentarea cu apa sau gaze, la sudarea diferitelor țevi si conducte “in teren”

-în industria electrotehnica, la sudarea conductorilor de diametru cu energie electrică, din cupru sau din aluminiu

-în industria maselor plastice

În tabelul 13.7 sunt reprezentate schematic câteva din piesele care pot fi obținute prin sudarea prin frecare.

In țara noastra procedeul de sudare prin frecare s-a dezvoltat industrial începând din anul 1971 prin înlocuirea sudării electrice prin presiune a cozilor din OLC la scule aschietoare din RP (burgie, freze, tarozi). Paralel cu concepția, proiectarea si realizarea masinilor de sudat prin frecarea (prezentate in tabelul 13.2) s-au intocmit si introdus in fabricatie de serie si tehnologii pentru realizarea unei game largi de piese.

Realizări deosebite in aceasta privința am obtinut la Institutul de Cercetare si Incercari de material ISIM din Timisoara care la ora actuala sudeaza parti componenete

ale cutiei de viteze de la diverse autovehicule, turbine, role de benzi, rulmenti, scule aschietoare, etc.

Datorita avantajelor sale economice si tehnologie, sudarea prin frecare se considera un procedeu modern si productive cu posibilitati de aplicare dat mai mari.

Informații noi asupra proceedeului de sudare prin frecare

Avantaje pentru sudarea prin frecare

Principalul avantaj oferit de acest procedeu de sudare prin frecare se refera la un nivel ridicat de productivitate, avand in vedere ca timpul de sudare este foarte redus. De asemenea, mai trebuie mentionate avantaje precum calitatea foarte buna a sudurilor, consum redus de material, tensiuni sau deformatii putine, lipsa materialelor de adaos sau mecanizare si automatizare buna.

Alte avantaje oferite de sudarea prin frecare se refera la o precizie inalta de asamblare, dar si la flexibilitate in ceea ce priveste materialele de sudat. Astfel ca, acest procedeu de sudare este aplicabil la imbinarea materialelor ce sunt dificil de sudat, dar si a imbinarilor eterogene intre materiale ce au un comportament de sudare dificil.

Nu trebuie uitat si faptul ca un aparat de sudura folosit pentru sudarea prin frecare nu emite fum, noxe sau emisii, fiind ecologic si ajutand la protectia mediului inconjurator.

Sudare prin frecare

Dezavantaje aparat de sudura folosit pentru sudare prin frecare

Realizarea unei suduri cu ajutorul procesului de sudare prin frecare prezinta insa si cateva dezavantaje ce trebuie luate in considerare atunci cand este aplicat acest proces.

Utilizarea acestui procedeu prezinta dezavantajul ca poate fi aplicat intr-un mod eficient doar la sectiunile cu simetrie de rotatie.

De asemenea, necesita utilizarea unor forte de frecare, dar si a unor energii mari ce duc la solicitarea puternica a materialelor, dar si a aparatului de sudura. Acest aparat de sudura folosit pentru proces duce la producerea unei bavuri ce trebuie indepartat dupa sudare, dar prezinta si dificultati cand sunt examinate nedistructiv sudurile.

Bibliografie

https://blog.tools.store.ro/aparat-de-sudura-sudarea-prin-frecare/?fbclid=IwAR0rMlYYUyPA37QS9lpsYaV72RJFeTpd_zcHt53UEuQE-olzdIhB7UI14_4