Как направить трение в нужное русло?

Человечество, развивая машиностроение, идет по пути наибольшего избавления от такого неприятного и мешающего работать механизмам фактора, как трение. Придумывает различные смазки, полирует поверхности и т.д. Кстати, коллеги уже сделали отличный и веселый пост про смазки.

Как мы знаем, в процессе трения выделяется большое количество тепла. Тормозные диски автомобиля, например, могут разогреваться выше 600 градусов, а когда мы сверлим дырку в стене, то потом не можем прикоснуться к сверлу. Но что если это выделяющееся тепло направить туда, где оно нужно, например, на локальное расплавление металла?

Как вы уже поняли, сегодня мы поговорим об интересном способе соединять детали — о сварке трением. О том, что такое обычная дуговая сварка и обо всех ее физических принципах, я рассказывал в двух частях (раз и два).

Самый простой способ соединить две детали сваркой трением — это раскрутить одну и во время вращения плотно прижать к другой. Чем сильнее раскрутим и прижмем, тем больше будет возникать сила трения. Ведь она зависит от силы давления одной детали на другую, а количество выделяющегося тепла — от того, как долго и с какой силой детали трутся. Таким образом, проще всего использовать сварку трением для соосных цилиндрических деталей — труб, валов, дисков, колец и др.
На первом этапе соприкосновения вращающихся деталей происходит разрушение силой трения оксидных и жировых пленок на металле. Затем происходит сглаживание шероховатостей и образование идеально гладких поверхностей — наилучших условий для их соединения. После этого происходит многократное разрушение межатомных связей и образование новых, тем самым заставляя атомы быстро двигаться, а усиление колебаний атомов приводит к нагреву материала.

Таким образом, при большой силе трения металл может нагреваться в месте контакта до высоких температур, вплоть до температуры, когда он становится очень текучим, но еще не жидким.

Продолжающееся вращение перемешивает металл нагретых поверхностей в зоне контакта, а после образования соединения происходит резкая остановка вращения и увеличение сдавливания. Резкая остановка прекращает разогрев, и зона контакта быстро остывает за счет теплопроводности в холодные части деталей, а увеличенное сдавливание «дожимает» и проковывает остатки несваренных поверхностей, чтобы соединение было без несплошностей. При большом сдавливании излишки очень пластичного горячего металла выходят наружу, образуя его наплыв (на профессиональном жаргоне — грат), который потом срезается.

Помимо вращательных движений есть и другие способы сварки трением. Можно просто тереть друг о друга плоские поверхности вибрирующими движениями или в стык двух плоских деталей ввести специальное вращающееся сверло, которое будет бегать вдоль стыка, задевая обе поверхности, нагревать и перемешивать между ними металл, образуя сварной шов, похожий на традиционный. Такой метод называется сварка трением с перемешиванием.

Сварка трением имеет ряд преимуществ перед дуговой сваркой. Во-первых, из-за того, что металл все-таки не плавится, микроструктура у шва получается лучше, чем у дуговой сварки с локальным расплавлением и кристаллизацией, а значит, такой шов при прочих равных будет прочнее. Хотя сейчас нормальные сварщики уже научились получать высокую прочность шва традиционным способом. Во-вторых, сварка трением позволяет сваривать разнородные металлы и металлы, которые обычной сваркой сварить сложно. Например, алюминий: у него мгновенно на поверхности возникает оксидная пленка, мешающая нормально свариться. Сила трения срывает эту оксидную пленку, а в условиях высокого давления и температуры она просто не успевает вырасти заново.

Если у вас возникла идея варить детали на своем токарном станке в гараже, спешу вас расстроить — он вряд ли сможет обеспечить то сильное сдавливание, которое нужно для сварки трением, не сломавшись. Для этого нужны машины помощнее. Хотя, можете попробовать.

На ютубе много видео, как выглядит сварка трением, поэтому добавлять сюда не буду. Советую вбить в поиске, выглядит круто.