Сварка трением — разновидность сварки давлением (часто упоминается как «сварка без расплавления»), при которой нагрев осуществляется трением, вызванным — в базовом варианте данного метода — перемещением (вращением) одной из соединяемых частей свариваемого изделия. Сварка трением используется для соединенияразличных металлов и термопластиков в авиастроении и автомобилестроени.Следует отметить, что окончательное соединение формируется на завершающей стадии процесса, когда к уже неподвижным образцам прикладывается проковочное усилие.
Процесс образования сварного соединения включает такие этапы:
разрушение и удаление оксидных плёнок под действием сил трения;
разогрев кромок свариваемого металла до пластичного состояния, возникает временный контакт, происходит его разрушение и наиболее пластичные объёмы металла выдавливаются из стыка;
прекращение вращения с образованием сварного соединения.
Сварка трением сопровождается процессом, при котором механическая энергия, подводимая к одной из свариваемых деталей, преобразуется в теплоту; при этом генерирование теплоты происходит непосредственно в месте будущего соединения. Теплота может выделяться при вращении одной детали относительно другой или вставки между деталями. Детали при этом прижимаются постоянным или возрастающим во времени давлением. Сварка завершается осадкой и быстрым прекращением вращения. В зоне стыка при сварке протекают следующие процессы: по мере увеличения частоты вращения свариваемых заготовок при наличии сжимающего давления происходит притирка контактных поверхностей и разрушение жировых и оксидных плёнок, присутствующих на них в исходном состоянии; граничное трение уступает место сухому, в контакт вступают отдельные микровыступы, происходит их деформация и образование ювенильных участков с ненасыщенными связями поверхностных атомов, между которыми мгновенно формируются металлические связи, немедленно разрушающиеся вследствие относительного движения поверхностей.
Процесс сварки трением может быть представлен в виде нескольких последовательных стадий:
а) Свариваемые элементы устанавливаются в патрон шпинделя и стационарный зажим. Если у свариваемых деталей нет общей оси симметрии, используются специальные приспособления.
б) Устанавливаются требуемые частота вращения шпинделя, величина осевой силы и производится сближение свариваемых элементов. Начинается процесс сварки. С ростом температуры снижается сопротивление металла деформации, а под действием сжимающей силы происходит вытеснение металла из стыка.
в) Эти условия поддерживаются определенное время, пока не будет достигнута требуемая температура для сварки данных материалов. Вращение шпинделя прекращается и увеличивается осевая сила, действующая до окончания процесса сварки.
г) Если машина для сварки оснащена дополнительным токарным суппортом, выполняется точение зоны сварного шва.
д) Сваренное изделие снимается со станка.
В данной статье рассмотрим данные в процессе измерения параметров сварки трением в программе ANSYS и строим график давления на выбранную область.
Для начала работы в программе ANSYS мы вставляем специальные коды.
/NOPR ! Көлемді есепке шығу блогы
/PMETH,OFF,0
KEYW,PR_SET,1
KEYW,PR_STRUC,1
KEYW,PR_THERM,0
KEYW,PR_FLUID,0
KEYW,PR_ELMAG,0
KEYW,MAGNOD,0
KEYW,MAGEDG,0
KEYW,MAGHFE,0
KEYW,MAGELC,0
KEYW,PR_MULTI,0
KEYW,PR_CFD,0
/GO
/prep7 !выход на препроцессор
/UNITS,SI!вход в систему Си
ET,1,SOLID92 !выбор конечных элементов
MPTEMP,,,,,,,,
MPTEMP,1,0 !не учитывать температуру
Для выбора материалов мы вводим следующие команды (для каждого материала отдельный свой код):
!сталь1
MPDATA,EX,1,,3e11 !Модуль упругости
MPDATA,PRXY,1,,0.3!коэф. Пуассона
MPDATA,DENS,1,,7000 !Плотность
!сталь2
MPDATA,EX,1,,3e10 !Модуль упругости
MPDATA,PRXY,1,,0.25! коэф. Пуассона
MPDATA,DENS,1,,7000 ! Плотность
!сталь3
MPDATA,EX,2,,3e10 !Модуль упругости
MPDATA,PRXY,2,,0.25!коэф. Пуассона
MPDATA,DENS,2,,7000 !Плотность
Для построение отдельной детали вводим следующие команды (для каждой детали отдельный свой код):
! Сборка деталей1
R1=0.25
R2=0.3
Z1=1
Z2=2
Y1=0
Y2=360
CYLIND,R1,R2,Z1,Z2,Y1,Y2
! Сборка деталей2
R1=0.25
R2=0.3
Z1=2
Z2=2.1
Y1=0
Y2=360
CYLIND,R1,R2,Z1,Z2,Y1,Y2
Для соеденения деталей используем следующий код:
Vglue, all
Для посторения сетки используем следующие команды:
! Для мелкой сетки1
R1=0.25
R2=0.3
Z1=2.1
Z2=2.2
Y1=0
Y2=360
CYLIND,R1,R2,Z1,Z2,Y1,Y2
! Для мелкой сетки2
R1=0.25
R2=0.3
Z1=2.2
Z2=3.2
Y1=0
Y2=360
CYLIND,R1,R2,Z1,Z2,Y1,Y2
Здесь мы выбираем ту область, которую будем делить на мелкие сетки и задаем значение.
Для управления сеткой вводим следующие коды:
!Управление сеткой
FLST,5,32,4,ORDE,8
FITEM,5,9
FITEM,5,-16
FITEM,5,29
FITEM,5,-36
FITEM,5,49
FITEM,5,-56
FITEM,5,81
FITEM,5,-88
CM,_Y,LINE
LSEL, , , ,P51X
CM,_Y1,LINE
CMSEL,,_Y
!*
LESIZE,_Y1,0.01, , , , , , ,1
В следующей картинке показано, что выделенная область неподвижно закреплена.
В этой же картинке показано, что в выделенную область дается давление. Давление мы взяли условно. Мы даем давление равной 300000Ра.
Vmesh, all
После этих операций, мы измерям давление в указанной области. Для измерения давления вставляем следующие коды:
!Расчёт напряжений
/POST1
!Деформированная форма
SET,FIRST
PLDISP,1
!Поля напряжений
AVPRIN,0,0,
PLNSOL,S,X,0,1!Напряжения сигма х
AVPRIN,0,0,
*VWRITE, s,x
A4, E10.3, 2X, D8.2
PLNSOL,S,Y,0,1!Напряжения сигма у
AVPRIN,0,0,
PLNSOL,S,XY,0,1!Напряжения сигма тау ху
AVPRIN,0,0,
!PLNSOL,S,EQV,0,1!Интенсивность !напряжений сигма i
!Графики напряжений вдоль АС
!Определить путь АС по двум точкам, !число разбиений 100
PATH,A1C1,2,30,100! а 30!?
PPATH,1,0,0.3,0,2.3,0,!Первая координата над крепью выше 0,3 по кровле
PPATH,2,0,0.3,0,1.9,0,!Вторая !координата точки,
!определяющая путь
!отобразить на путь напряжения сигма х !переменная эс х
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
PDEF,Sx,S,X,AVG!
!отобразить на путь напряжения сигма у, !переменная эс у
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
PDEF,Sy,S,Y,AVG
!отобразить на путь напряжения ТАУ xу, !переменная Txy
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
!PDEF,Txy,S,XY,AVG
!отобразить на путь ИНТЕНСИВНОСТЬ напряжения сигма i,
! переменная Si
/PBC,PATH,,0
AVPRIN,0,0,
!PDEF,Si,S,EQV,AVG
!ПОСТРОИТЬ ГРАФИЧЕСКИ
/PBC,PATH,,0
PLPATH,SX,SY,TXY,SI
!Перемещения вдоль оси OY
В этих кодах мы можем изменять значение на координатах x, y, z. После каждого изменения значения нам будет показан график давления.
В этом графике я использовал следующие значения для x, y, z:
PPATH,1,0,0.3,0,2.3,0,!Первая координата над крепью выше 0,3 по кровле
PPATH,2,0,0.3,0,1.9,0,!Вторая !координата точки,
В следующем графике я использовал следующие знчения для x, y, z:
PPATH,1,0,0.28,0,2.3,0,!Первая координата над крепью выше 0,3 по кровле
PPATH,2,0,0.28,0,1.9,0,!Вторая !координата точки,
В последнем же графике я использовал следующие знчения для x, y, z:
PPATH,1,0,0.,0.3,2.1,0,!Первая координата над крепью выше 0,3 по кровле
PPATH,2,0,0.,-0.3,2.1,0,!Вторая !координата точки,
В этой статье я хотел воссоздать параметры сварки трением и показать на схемах. К этим параметрам относятся: температура, давление и момент вращения.
Качество сварки =f(P,M,t)
Заключение
Программа ANSYS универсальная программная система конечно-элементного (МКЭ) анализа, существующая и развивающаяся на протяжении последних 30 лет, является довольно популярной у специалистов в сфере автоматизированных инженерных расчётов (САПР, или CAE) и КЭ решения линейных и нелинейных, стационарных и нестационарных пространственных задач механики деформируемого твёрдого тела и механики конструкций (включая нестационарные геометрически и физически нелинейные задачи контактного взаимодействия элементов конструкций), задач механики жидкости и газа, теплопередачи и теплообмена, электродинамики, акустики, а также механики связанных полей.
Сварка трением разновидность сварки давлением и имеет высокий КПД, так как тепло выделяется строго в месте сварки и не теряется как в других сварочных процессах для его подведении к свариваемой детали.