Трение как источник тепла при нагреве.

При трении одного тела о другое в поверхностном слое на границе их раздела выделяется тепло. Это тепло при некоторых условиях может быть достаточным для значительного нагрева и сварки.

Пусть верхнее тело 1 прижато к телу 2 силой N и перемещается со скоростью V (рис.11). Для перемещения тела на величину S необходимо затратить работу , где – коэффициент трения, а – время перемещения.

Рис. 2.11. Схема, иллюстрирующая выделение тепловой мощности при трении.

Эта работа превращается в тепло Q. Тепловая мощность, развиваемая при движении:

; (4)

При трении практически все тепло идет в металл, поэтому:

, а .

Плотность теплового потока:

, (5)

где: – удельное давление (нормальное) на поверхности трения.

Наиболее легко реализовать сварку трением, используя вращение. В этом случае на скорость перемещения и выделение тепла в каждой точке влияет удаление точки от оси вращения. Вследствие теплопроводности выделившееся тепло распространяется по детали.

Если предположить, что тепло распределяется равномерно по стыку, то:

, (6)

где: B– постоянный коэффициент;

n– число оборотов одной детали относительно другой.

При реально применяемых Р_о, n, f плотность теплового потока q_F достигает примерно 400 Вт/см². Такой концентрации энергии достаточно для высокопроизводительного нагрева металла до температуры (0,7…0,8)Т_ПЛ, при которой происходит сваривание.

Следует отметить, что при воздействии на детали ультразвуковых колебаний в результате микроперемещений и трения также выделяется тепло и происходит нагрев соприкасающихся поверхностей. Однако при этом наблюдается более сложное взаимодействие соседних кристаллов (их дробление, появление микротоков и др.). При достаточной мощности ультразвуковых колебаний можно сварить некоторые металлы. Температура нагрева, удельный тепловой поток здесь меньше, чем при сварке трением.