1

Třecí svařování - 42

Třecí svařování je svařování tlakem za tepla, při němž se k ohřevu materiálu

využívá tepla, vznikajícího třením stykových ploch svařovaných dílů; z těchto dílů se

v nejjednodušším případě jeden otáčí a druhý stojí (obr. 1). Svařování se děje tlakem

po zastavení otáčejícího se dílu, před čímž bylo dosaženo plastického stavu

materiálu a potřebné teploty svařování.

∑ Při svařování třením se ohřívá velmi malá část materiálu přímou a rychlou

přeměnou mechanické energie v tepelnou. Tím je zapotřebí podstatně menší

množství energie než při jiných způsobech svařování.

∑ Svařování probíhá za nepřístupu vzduchu k stykovým plochám svaru, které

jsou vlivem otáčení naprosto čisté. Dosahuje se tak dokonalého přiblížení

hraničních ploch krystalů materiálů a působení meziatomárních sil,

podmiňujících dobrou jakost svaru

∑ Strojní zařízení je velmi jednoduché a průběh svařování lze snadno

automatizovat, neboť ze základních parametrů je nutno řídit při svařování jen

průběh tlaku, spěchování a brzdění vřetena.

∑ Dolní hranice svařitelných průměrů je asi 3 mm. Možnou horní hranici je nutno

posuzovat z ekonomického hlediska a strojního zařízení. Velké průřezy lze

svařovat velmi hospodárně poměrně jednoduchým zařízením

Obr. 1. Princip svařování třením

- 2 -

Svařování třením je vlastně vzájemně spojených procesů. Je to vznik tepla,

opotřebení troucích se součástí, plastická deformace a rekrystalizace kovu ohřátého

na vysoké teploty, difúze, pevnost materiálu za vyšších teplot, tepelná vodivost a

další.

Třecí plochy

Povrch každého tuhého tělesa má určité mikronerovnosti. Proto s tělesa

nestýkají celými plochami, nýbrž výstupky na jejich povrchu (Obr. 2). Velikost plochy

skutečného styku závisí na vlastnostech materiál a na jakosti opracování povrchu.

Velikost skutečných stykových ploší se může pohybovat v mezích od čtverečního

mikronu do několika tis

Obr. 2

Tření při tepelném opotřebení

Teplota povrchových vrstev závisí hlavně na velikosti tlaku mezi plochami tření a

na rychlosti pohybu třecích ploch.

Při tepelném opotřebení malých činných objemů kovů vzniká velká koncentrace

tepla. Teplota v povrchových vrstvách troucích se kovů závisí hlavně na kluzné

rychlosti a může mít různé hodnoty. Nízké teploty mají velmi malý vliv na strukturu

povrchových vrstev kovu, kdežto teploty kritické vyvolávají změny struktury, jako je

kalení, popouštění, rekrystalizace, překrystalizace apod. V mnoha případech teplota

na třecích plochách dosahuje bodu tavení kovů.

Hloubka povrchových vrstev, na něž působí vysoké teploty, závisí hlavně na

velikosti měrného tlaku.

- 3 -

Průběh třecí síly v různých stádiích opotřebení

Úsek křivky AB na diagramu odpovídá podmínkám tření v počátečním stadiu

vzniku tepelného opotřebení. Další úsek křivky BC odpovídá podmínkám tření při

postupně vzrůstajících jevech dotykového sochytu kovu u troucích se povrchů, při

čemž pevnost kovu zůstává dostatečně velká. V tomto stadiu tepelného opotřebení

síla třen. se zvyšující se teplotou postupně roste. Úsek křivky CD odpovídá prací

tření při prudkém zvětšení plochy dotykového souchytu. Tento činitel je vedoucím pro

třecí sílu v této etapě a přes značný pokles pevnost kovu třecí síla prudce vzroste.

V dalším svém průběhu se křivka změny třecí síly po průchodu maximem začne

plynule snižovat. Úsek křivky DE odpovídá tření při plném dotyku povrchů se stále

více rostoucí plastičnosti a tání jednoho z povrchů troucích se kovů. Při dotyku

tekutého a tuhého kovu se tření zmenšuje. Viz Obr.3.

Obr. 3

Změny koeficientu tření Radou experimentálních prací bylo dokázáno, že během procesu tření dochází ke

změně koeficientu tření. Ten se mění nejen v závislostí na normálním tlaku a

rychlosti pohybu troucích se ploch, ale také v závislosti na řadě dalších činitelů.

Například:

∑ stav materiálu a přítomnost povrchových vrstviček (mazivo)

∑ délka trvání nepohyblivého styku;

∑ rychlost zvýšení zatížení;

- 4 -

∑ tuhost a pružnost styku;

∑ rychlost relativního pohybu třecích ploch;

∑ teplotní režim; velikost normálního tlaku

Závislost intenzity tepla na parametrech svařování

Vliv obvodové rychlosti

Z teoretických předpokladů vyplývá, že intenzita vzniku tepla svařování třením by

měla vzrůstat se zvětšováním obvodové rychle (otáček).

Avšak experimentálně zjištěná závislost trvání procesu svařování na rychlosti

otáčí (Obr. 4) ukazuje obrácenou tendenci. Se vzrůstem rychlosti se strojní čas

procesu svařování prodlužuje. Jak vyplývá z Obr. 4, je možno předpokládat, že tato

velikost je v určité oblasti rychlosti prakticky lineární.

Obr. 4

Vliv předehřívacího tlaku

Uvedené pokusy umožnily také I sestrojit křivku závislosti výkonu na specifickém

předehřívacím tlaku, i V sledované oblasti tlaků se intenzita vzniku tepla měnila

téměř úměrně se specifickým tlakem; z toho tedy vyplývá, že koeficient tření

prakticky nezávisí na specifickém tlaku.

Obecně lze říci, že intenzita a hloubka tepelných polí odpovídá podmínkám

zatížení povrchů při tření. Kluzná rychlost a normální tlak působí různým způsobem

na intenzitu a hloubku tepelného pole. Při velké kluzné rychlosti se tepelné pole

- 5 -

vyznačuje velkým soustředěním tepli v povrchových vrstvách kovu a příkrými

změnami mikrostruktury.

Zvětší-li se měrný tlak (při stálé kluzné rychlosti), vzrůstá teplot v tepelném poli

pomaleji než hloubka tepelného pole. Při malé kluzný rychlosti se tepelné pole

vyznačuje malým soustředěním tepla v povrchových vrstvách a plynulými přechody v

mikrostrlikturních změnách.

Rozložení teploty v průběhu svařování

Obr. 5

Technologie svařování

Svařování třením patří do skupiny svařování tlakem za tepla, a proto je velmi

podobné technologii starších způsobů svařování tlakem za tepla, svařování

kovářskému, plamenem a odporem. Částečně se podobá li elektrickému

odtavovacímu svařování na tupo, při kterém sice nastává tavení materiálu v průběhu

předehřevu, ten je však při pěchování vytlačen, takže nastává spojení v plastickém

stavu materiálu, podobně jako při svařování třením, avšak za vyšších teplot. I

struktura svarů provedených třením je velmi podobná struktuře svarů provedených

od tavením.

- 6 -

Technologií svařování třením, která je jednoduchá, lze dosáhnout podstatně lepší

jakosti svarů ve srovnání s uvedenými staršími způsoby nebo svarů stejné jakosti

jako při odtavovacím svařování na tupo. Třením lze svařovat i kovy, které

odtavovacím způsobem svařovat nelze.

Proces svařování je programově řízen. A proto svařování třením automatické

s velmi jednoduchým řízením.

Základního principu svařování může být různě použito (obr. což vyplývá např. z tvaru

svařovaných součástí, ze snahy o zvýšení produktivity, popřípadě z řešení

konstrukce strojního zařízení. Lze například svařit tři součásti při současném

provedení dvou svarů, a to tak, že j součást je pevně upnutá a dvě součásti rotují. Je

to způsob jednoúčelový, vhodný pro sériovou výrobu součástí. Současného vytvoření

dvou svarů lze použít i při svařování dlouhých součástí, např. trubek které nelze

uvést do rotace. Zde jsou naopak pevně upnuty dvě součásti a jejich spojení vytvoří

rotující mezikus. Nutné relativní rychlosti styčných ploch svarů lze dosáhnout tak, že

součásti, které se mají svařit, se otáčejí protisměrné. Výhodou tohoto způsobu je

příznivější dynamické vyvážen! strojí a poloviční otáčky vřeten.

d) e) f)

Obr.6 Základní spoje:

a) plný průřez, b) mezikruží, c) mezikruží s plným profilem, d) čep k desce s osazením na desce, e)

čep k desce bez osazení na desce, f) mezikruží k desce s osazením

Základní způsoby spojení součástí třením jsou svaření plného kruhového profilu (obr.

6a), profilu tvaru mezikruží (obr. 6b), mezikruží plným profilem (obr. 6c), čepu k

desce s osazením na desce (obr. 6d), bez osazení na desce (obr. 6e) a mezikruží k

desce s osazením (obr. 6f).

- 7 -

Průběh procesu svařování Cyklus svařování tlakem za tepla má dvě základní fáze průběhu: ohřev materiálu a

spojení předehřátého materiálu v plastickém stavu. Lze proto i proces svařování

třením rozdělit na tyto dvě základní fáze, a to na periodu předehřívací a periodu

pěchovací. Průběh základních parametrů svařovacího procesu je znázorněn na obr.

27. Intenzita proudu (A) a třecí moment (B) byly sejmuty smyčkovým oscilografem.

Třecí moment byl měřen metodou torzní deformace magnetického pole přímého

vodiče, v našem případě trubky. K oscilografickému záznamu je schematicky

dokreslen průběh zbývajících parametrů (n, p, S). Pěchovací tlak působí i po

zastavení rotace, prakticky do ukončení plastické deformace materiálu, čímž je

pěchovací perioda ukončena.

Jak je z diagramu patrno, je časový průběh procesu svařování dán trváním

předehřívací periody. Průběh pěchovací periody tvoří jenom zlomek času trvání

předehřívací periody.

V obou periodách svařovacího procesu nastává pěchování materiálu; velikost

spěchování se měří v axiálním směru, tj. ve směru působení laku.

Obr. 7

- 8 -

Pěchovací tlak působí i po zastavení rotace, prakticky do ukončení plastické

deformace materiálu, čímž je pěchovací perioda ukončena.

Jak je z diagramu patrno, je časový průběh procesu svařování dán trváním

předehřívací periody. Průběh pěchovací periody tvoří jenom zlomek času trvání

předehřívací periody.

V obou periodách svařovacího procesu nastává pěchování materiálu; velikost

spěchování se měří v axiálním směru, tj. ve směru působení tlaku.

Parametry svařování

Z popisu průběhu svařovacího procesu vyplývají parametry svařování třením. Lze

je rozdělit na parametry hlavní, které mají největší vliv na jakost svaru, a na

parametry vedlejší.

Hlavní parametry svařování třením jsou tyto:

∑ obvodová rychlost (otáčky) [m/s (ot/min)]

∑ měrný předehřívací tlak [kg/mm2]

∑ měrný pěchovací tlak [kg/mm2]

∑ spěchování v předehřívací periodě [mm]

∑ spěchování v pěchovací periodě [mm]

∑ celkové spěchování (součet dílčích spěchování) [mm]

Vedlejší parametry jsou tyto:

∑ předstih zapnutí pěchovacího tlaku před zabrzděním vřetena

(udává se v časové jednotce) [s]

∑ (nebo v délce spěchování vzniklého působením pěchovacího tlaku před

zabrzděním vřetena) [mm]

.

- 9 -

Tab.1 Parametry svařování třením

Svařovaný materiál

Průměr Otáčky Předehřívací tlak

Pěchovací tlak

Celkové spěchování

Čistý svař. čas

ČSN [mm] [ot/min] [kg/mm2] [kg/mm2] [mm] [s]

11370

25-50

1400-1800

2-4

4-8

12-16

15-45 11373

11420

11350 60/2 1800 3 7.5 10 4

12050 25-40 1400-1800 2.5-4 6-8 14-16 20-35

14220 32 1800 4 8 16 25

15123 32/4 1800 4 11 10 5

15331 25 1800 4.5 10 10 20

16320 25 1800 5 12 10 8

17102 32/4 1800 4 15 10 5

17103 17 1800 5 17 10 8

17242 32 1800 4 9 16 100

17023 25 1800 6 11 15 25

15260 50/6.5 1800 5 10 15 25

17242 32 1800 4 9 13 44

17022 27 1800 6 12 14 30

19824 15-45 1800 6 10 6-12 15-35

Svařitelnost materiálů ∑ Výzkum technologie tlakového svařování třením a praktické zkušenosti již

prokázaly svařitelnost mnoha kovů a slitin a také některých umělých hmot.

∑ Svařitelné třením budou pravděpodobně, až na některé výjimky, všechny druhy

ocelí, a to legované i nelegované.

∑ Překvapením je velmi dobrá svařitelnost i některých vysoce legovaných

slitinových ocelí, které jsou jinými způsoby velmi obtížně svařitelné. Svařitelné

třením jsou i kovy jako měď, hliník, dural, titan, silumin, mosaz, bronz atd.

- 10 -

∑ Mechanické vlastnosti spojů stejných materiálů byly ověřeny mnoha zkouškami a

jejich výsledky plně odpovídají provozním podmínkám

Technologické podmínky

Svařování stejných materiálů není obtížné a není k tomu třeba zvláštních

opatření. Ohřev materiálu a plastická deformace probíhají symetricky vzhledem ke

stykové ploše svaru, a jsou tak vytvořeny předpoklady pro dosažení jakostního spoje.

Nepravidelnosti ve svarová procesu mohou např. vzniknout vlivem tlusté vrstvy rzi

nebo okují stykových plochách svaru, nerovnoběžností stykových ploch, popřípadě

dynamickou charakteristikou stroje.

Stroje pro svařování třením

Vyvíjí-li se teplo potřebné pro popisovaný způsob svařování tře otáčející se

součásti o přitlačovanou druhou neotáčející se součást, být k tomu použito strojního

zařízení, které umožňuje pohyby, ji vzniká tření. Protože na soustruhu lze tyto

požadavky splnit, je přirozené že se svařování třením zrodilo na tomto stroji.

Soustruh však není jediným strojem, kterým lze svařovat třen K tomuto účelu by

se mohlo použít i vertikálních frézek, vrtaček a jiných strojů, které konají otáčivý

pohyb a osový posuv. Nejvíce se však v p osvědčily soustruhy jednoduché tuhé

konstrukce.

Požadavky na stroje

Technologické požadavky

A. Charakteristiky stroje musí vyhovovat základním parametr procesu svařování,

tj. otáčkám, osové síle a výkonu elektromotoru. Z výzkumu technologie jsou

dnes známy optimální hodnoty měrného pěchovacího tlaku, obvod rychlosti a

měrného výkonu elektromotoru. Podle požadovaného rozsahu průměrů

svařovaných součástí vypočteme snadno maximální pěchovací sílu a otáčky.

- 11 -

B. Při svařování třením je možno provést svary uplatněním různých typů

tlakových programů. Vidíme, že většinou není možno pracovat jen s jedním

konstantním tlakem, ale pro dosažení kvalitních svarů musí být stroj vybaven

alespoň dvěma tlaky, a to předehřívacím a pěchovacím. Při svařování velkých

průřezů je někdy třeba na začátku ohřevu snížit hodnotu předehřívacího tlaku

tak, aby rozběh byl měkký a bez rázů, které ničí stroj.

C. Stroj musí zajišťovat předepsaný časový průběh celého procesu.

Konstrukční požadavky

A. Části stroje, které jsou namáhány během procesu svařování! musí být

dostatečně tuhé, aby nedošlo k nežádoucímu posunu svářených, součástí v

místě svaru a aby bylo tlumeno radiální chvění vznikajíc! hlavně při počátku

ohřevu.

B. Pro zajištění rychlého zastavení otáčejících se součástí musí

být jejich moment setrvačnosti co nejmenší. Zde se jedná prakticky

jen o uplatnění zásad stanovených v bodu 4 při vlastní konstrukci vřetena,

upínacího zařízení a náhonu.

C. Upnutí svařovaných součástí v upínacích čelistech musí spolehlivě

zajistit součásti proti protočení působením třecího momentu i proti

posunutí vlivem pěchovací síly. Také je třeba tuto otázku řešit z hlediska

obsluhy stroje. Pro malé stroje můžeme použít ručně ovládaných sklíčidel

nebo kleštin, kdežto u větších průměrů by ruční upínání kladlo na

obsluhu značné fyzické nároky.

- 12 -

Příklady univerzální strojů pro svařování tření

Automatická třecí svářečka ATS 20 (Obr. 8)

Obr. 8

Tabulka parametrů stroje ATS 20 (Tab. 2)

Veličina Jednotka Hodnota Svařovací výkon (nízkouhlíkové oceli) max. [mm3] 2000Rozsah svařovaných průměrů (plný průřez) [mm] 20 + 50Počet svarů pro max. průřez [ks/hod] 20Pěchovací sila [kg] 15 000Upínací sila [kg] 30 000Otáčky vřetene: počet stupňů [-] 6

rozsah otáček [ot/min] 800-1600Hlavní elektromotor: výkon [kW] 20

otáčky [ot/min] 1460Elektromotor čerpadla: výkon [kW] 3,14

otáčky [ot/min] 1460Průřez přívodního kabelu [mm2] 10 CuPojistka [A] 60Hlavní rozměry stroje: půdorysná plocha [mm] 2700 x 900

výška [mm] 1450Váha stroje [kg] 4000

Tab. 2

Třecí svářečka MST – 2 (Obr. 9)

Základem stroje je kostra, svařená z válcovaných profilů. Tvoří rám, na který

jsou ostatní skupiny přišroubovány.

Ve vřeteníku je uloženo vřeteno nesoucí otočné sklíčidlo s upínacím válcem,

brzdu a spojku. Brzda je dvoučelisťová ovládaná hydraulicky. Spojka je mokrá,

několikalamelová, ovládaná přes pákový převod hydraulickým válcem. Náhon

vřetena od elektromotoru je klínovými řemeny a ozubenými koly.

- 13 -

Obr. 9

Třecí svářečka MST – 3 (Obr.10) Tento stroj je určen pro svařování součástí z nízkouhlíkových ocelí průměru od 20

do 40 mm nebo součástí z jiných materiálů a jiných průměrů, jejichž svaření je možné

v mezích daných základními parametry stroje. Proces svařování je řízen hodnotou

pěchovací síly.

Obr. 10

Použití svařování třením v praxi ∑ Kromě kovů se dá třecí svařování využít i pro spojování keramiky a skla s kovy.

∑ V oblasti strojírenské výroby tvoří největší podíl rotační součásti typu hřídelí,

čepů, trubek, válců atd. Lze spojovat i profily např. čtvercového nebo

šestihranného tvaru, a součásti s přesně definovaným tvarem, protože

- 14 -

mikroprocesorem řízené svařovací zařízení kontroluje a nastavuje požadovaný

úhel natočení.

∑ Aplikací třecího svařování je velmi mnoho např. v automobilovém průmyslu –

kardanové hřídele, řídící tyče, pastorky, ventily spalovacích motorů, hnací

hřídele, tlumičů, hřídelí turbodmychadel, vačkových hřídelí, komplety náprav

atd.

∑ V oblasti těžebního průmyslu svařování vrtných tyčí, uzavíracích ventilů a

trubkových systémů.

Literatura: ∑ Mandou J.,Svítil A., Vybořil J., Svařování třením, SNTL, 1961, Praha

∑ http://www.welding.cz/vyvoj/svar_02/02_2-5.htm

∑ http://www.designtech.cz/c/fem/airbus-rozviji-technologii-svarovani-trenim-

aplikaci-fem-technologii.htm

∑ http://www.svarak.cz/f/svarak/p/PDF%20%C4%8Dl%C3%A1nky/PDF_%C4%8Cesky/Technologie-svarovani-Kubicek.pdf