ГОСТ ISO 25239-1-2020 Сварка трением с перемешиванием. Алюминий. Часть 1. Словарь

Подготовка к сварке

Резку и подготовку кромок деталей из алюминия и его сплавов следует вести механическими способами
Стыковое соединение металла разной толщины

Конструктивные элементы подготовки кромок (размеры приведены в мм)

Конструктивные элементы подготовки кромок при сварке со сквозным проплавлсннем н формированием шва на весу

При сварке за один проход может возникнуть надрез корня шва

При снятии фаски с обратной стороны стыкуемых кромок надрез не возникает. Для снятия фасок можно использовать напильник

Свариваемые поверхности тщательно очищают от смазки, на ширине 100-150 мм от кромок обезжиривают ацетоном, уайт-спиритом или другим растворителем.

Пленку окиси алюминия удаляют механически или химическим травлением.

При механической обработке (непосредственно перед сваркой) кромки зачищают на ширину 25-30 мм абразивной бумагой, шабером или щеткой из нержавеющей проволоки диаметром не более 0,15 мм.

Химическое травление проводят в течение 0,5-1 мин в растворе, состоящем из 50г едкого натра и 45г фтористого натрия на 1 л воды. После травления поверхность промывают проточной водой, а затем осветляют в 30-35%-ном растворе азотной кислоты (для алюминия и сплавов типа АМц) или в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты (для сплавов типа АМг и В95). После повторной промывки поверхность сушат до полного испарения влаги.

Алюминиевую сварочную проволоку перед сваркой тоже обрабатывают. Сначала ее обезжиривают, а затем подвергают травлению в 15%-ном растворе едкого натра в течение 5-10 мин при 60-70°С. после чего следует промывка в холодной воде и сушка при температуре 300°С в течение 10-30 мин.

Подготовленные к сварке материалы сохраняют свои свойства 3-4 дня. Позже на поверхности вновь образуется окисная пленка.

Детали из алюминия и его сплавов собирают в приспособлениях или на прихватках, выполняемых аргонодуговой сваркой W-электродом. Расстояние между прихватками должно быть не более 150-180 мм.

Поверхности прихваток непосредственно перед сваркой зачищают металлическими щетками. Обнаруженные дефектные прихватки удаляют, и стыки прихватывают повторно. При сварке прихватки полностью переплавляют.

Оснащение

В оснащение могут входить различные компоненты, это зависит от цены набора и сферы внедрения. В обычный набор входит: сварочная машинка, станка, снимающего грат, а еще бота или манипулятора, с его помощью можно смещать заготовки имеющие большие размеры.

Для настройки оснащения необходимо устанавливать такие параметры: величина болванки, скорость сварки трением и мощность привода шпинделя.

У опытных сварщиков не возникнет проблем с настройкой большей части этих опций, но при расчете силы привода возникают трудности. Поэтому советуем применять последующую формулу:

Формула расчета

Подготовка

В ходе проектирования заготовок для последующей сварки важно учитывать ряд факторов:

• возможности сварочного оборудования;
• степень свариваемости материалов;
• закрепление заготовок в сварочной машине;
• стоимость подготовительных мероприятий к сварке заготовок и последующей обработки сварных швов;
• соблюдение необходимой степени соосности и углового размещения заготовок;
• формирование равномерного температурного режима и одинаковых условий деформации;
• правильный выбор припусков по длине и диаметрам заготовок.

Обеспечение требуемой соосности зависит от степени надёжности закрепления деталей в зажимных устройствах агрегата. В этом контексте актуальным параметром становится уровень жёсткости свариваемых элементов по длине их выхода из зажимов. Если длина выхода меньше необходимого размера, то это приводит к температурному отпуску зажимных устройств.

При фрикционной сварке состояние соединяемых поверхностей в наименьшей степени влияет на качество сварных соединений, чем при иных методах сварки давлением. Поверхности для соединения могут быть получены в процессе резки на гильотине, дисковой пилой. Неровности можно устранить, используя притирку, или увеличением времени нагрева.

Технология сварки трением

Рассматривая технологию с точки зрения физико-химических процессов, можно выделить несколько последовательных процессов:

• происходит истирание оксидного слоя в процессе соприкосновения деталей во время движения;
• область шва нагревается до температуры пластичности металла, он способен деформироваться под давлением;
• возникает единый диффузный слой в процессе проникновения молекул одной детали в другую, за счет этого образуются швы на разнородных и однородных металлах;
• формирование шовного валика вызвано выдавливанием пластичного металла за зону стыка;
• фиксация свариваемых деталей до затвердевания диффузного слоя;
• образование монолитной структуры в месте шва, проходит процесс кристаллизации, формирования металлической решетки.

При трении контактируют отдельные выступы, металл в зоне трения прогревается равномерно на небольшую глубину. После осадки деталь остывает медленно, образуя соединение по всей площади стыка.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими видами соединения металлов, у использования силы трения хорошие перспективы. У метода много преимуществ:

• технология отличается высокой производительностью, шов образуется за несколько секунд благодаря скоростному движению деталей, непродолжительному сжатию заготовок;
• удается получать прочные соединения, процент брака невысокий;
• стабильно хорошее качество швов: на них нет окалины, пережогов, непроваров, пористости;
• не требуется предварительной зачистки оксидного слоя;
• перечень свариваемых сплавов широк;
• технология безопасна, не требуется обычной экипировки сварщика;
• процесс автоматизирован, только крупногабаритные детали приходится устанавливать вручную.

Основные недостатки:

• невысокая универсальность, геометрия свариваемого проката ограничена: прутки, трубы, листовой прокат, лента, полоса;
• габаритное оборудование, оно устанавливается стационарно, мобильных аналогов нет;
• нарушается микроструктура сплава в области пластической деформации, искривление структурных волокон при сварке приводит к усталостной деформации, со временем металл теряет былую прочность.

Недостатки

У проводимой процедуры также есть несколько недостатков, которые нужно учитывать. Примером можно назвать возможность нарушения сплошности шва. Кроме этого, некоторые сплавы в меньшей степени подвержены воздействию силы трения.

Совершенствование рассматриваемого способа определило то, что на поверхности шва образуются дефекты в самых крайних случаях. Чаще всего это случается при нарушении технологии и использовании низкокачественного инструмента.

Технологические возможности у рассматриваемой процедуры довольно обширны. Примером назовем следующие моменты:

1. Автоматизация процесса.
2. Получение качественных изделий при несущественных финансовых затратах.
3. Получение шва без сильного наплыва металла.

Сварка меди и стали

Как ранее было отмечено, сварка трением с перемешиванием сегодня активно развивается. Именно поэтому в будущем может появится оборудование с более высоким показателем производительности.

Область применения

Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей.

Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как:

• для замены паяных и клепаных соединений;
• для замены контактной электросварки;
• для восстановления изделий и сложного инструмента;
• для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям.

Сварка трением в декоре

Оборудование для линейной сварки

Оборудование для сварки перемешиванием

Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным.

Выбор режима сварки

Каждый из описанных видов сварки имеет несколько режимов, различающихся по скорости вращения подвижных деталей, силе сдавливания заготовок и толщины сварного кольца (для радиальной сварки). Физические параметры режимов определяются технологией конкретного производства и условно все режимы сварки трением можно разделить на три:

• низкоскоростной;
• стандартный;
• ускоренный.

Сварка трением на низких скоростях вращения или трения деталей применяется при большой вязкости свариваемых материалов (например, заготовок из меди), а также при риске нарушения структуры волокон детали. Высокие скорости трения применяются при сваривании легкоплавких металлов и сплавов методом перемешивания, а высокое давление вдоль оси вращения – при сварке с помощью непрерывного привода деталей без полостей (сплошных).

Машина для сварки трением

Специализированное устройство используется для создания надежных сварных соединений методом пластической деформации материалов, которые находятся в твердом состоянии. Высокопроизводительная машина обладает массой положительных характеристик:

1. Производительность высокого класса.
2. Качество конечных результатов сварки отменное.
3. При использовании машинной сварки создается возможность контролировать качество всей партии продукции.
4. Обеспечивается сварка материалов разнородной природы.
5. Безопасность при работе: отсутствует УФ-излучение, исключаются опасные выделения газов и нагретые металлические брызги.

При относительных требованиях к заготовкам любая машина подобного типа может собираться, учитывая особенности конкретного заказчика. Такой подход решает проблему создания нового производства, основанного на этой уникальной технологии.

Сварка труб трением

Сварочные работы по технологии трения позволяют не использовать присадочные материалы либо свойства защитных газов при создании прочного шва. Соединение металлических труб происходит без образования пустот при 3 см. толщине. Хорошие качественные соединения получаются даже при сварке алюминиевых сплавов, которые при использовании альтернативных технологий не показывают гарантированного качественного результата. Подобная технология сварки доказывает свою эффективность при работе со сплавами других металлов: медных, магниевых даже титановых.

Радиальная разновидность сварки трением широко применяется при создании герметичных швов на трубопроводах и отдельных цилиндрических конструкций. Соединение труб на неповоротных участках предполагает неподвижное расположение двух концов трубопровода. Непосредственно в зазор вставляется дополнительная нагреваемая вставка, которая перед операцией проковки будет автоматически удаляться. Соединение труб этим методом сварных работ позволяет создать цельную поверхность с одинаковыми показателями толщины сварного шва и его прочности. Этим способом выполняются работы на значимых участках трубопроводов, от которых требуются стандарты прочности и безопасности.

svarka-24.info

Новый метод получения сварных соединений, получивший название «сварка трением с перемешиванием» (СТП) был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991 г. [1]. Интенсивное изучение данного процесса, направленное на совершенствование технологии и оборудования, позволило внедрить данный способ за рубежом в производство высокотехнологичных изделий в таких отраслях как вагоно-, судо-, авиастроение и многих других. Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла. Исследователи данного процесса считают, что если 10% общего объема сварных соединений в США заменить СТП, то будет достигнуто на 500 млн. фунтов/год меньше выделений парникового газа. Расчетная экономическая выгода промышленности США от внедрения СТП в промышленное производство составляет $4,9 млрд./год [2].

Сущность процесса заключается в следующем (рис. 1). Для сварки используют инструмент в форме стержня, состоящий из двух основных частей, а именно: заплечика или бурта (утолщенная часть) и наконечника (выступающая часть). Размеры этих конструктивных элементов выбирают в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей.

Длину наконечника устанавливают приблизительно равной толщине детали, подлежащей сварке. Диаметр заплечика может изменяться от 1,2 до 25 мм. Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы наконечник внедрился в заготовки на глубину, примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности. После этого инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки. В результате работы сил трения происходит нагрев металла до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху заплечиком инструмента. По окончании сварки вращающийся инструмент выводят из стыка за пределы заготовки. В связи с асимметрией структуры швов в поперечном сечении сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, принято различать сторону набегания, где направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону – отхода.

Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием.

СТП применяют в основном для соединения материалов со сравнительно низкой температурой плавления, прежде всего алюминиевых [3] и магниевых сплавов [4]. Выполнена успешная сварка данным способом медных [5], никелевых и титановых сплавов [2], а также сталей [6]. С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной до 75 мм за один проход [7]. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать нахлесточные соединения алюминиевых листов толщиной от 0,2 мм [8]. Скорость сварки сплава 6082 толщиной 5мм может достигать 6 м/мин [9]. Основными параметрами процесса СТП являются: скорость сварки, частота вращения инструмента, усилия прижатия и перемещения инструмента, угол наклона инструмента, его размеры. Усилия прижатия и перемещения зависят от типа свариваемого материала, его толщины и скорости сварки. Сварка образцов из сплава 7010 – Т7651 толщиной 6,35 мм при изменении скорости сварки в диапазоне от 59 до 159 мм/мин и скорости вращения инструмента от 180 до 660 об/мин показала, что при увеличении скорости вращения увеличивается тепловложение в металл и в сварном соединении формируется микроструктура с более однородными зернами [10]. При этом также повышаются прочностные и пластические свойства до определенного предела. При увеличении скорости сварки необходимо увеличивать скорость вращения инструмента для достижения оптимальных условий. Однако для полного отсутствия дефектов, а также для обеспечения всех необходимых свойств, надежности и технологичности необходимо строго выбирать режимы, оптимально подходящие для определенной продукции.

Большинство исследователей указывают на следующие преимущества сварки трением с перемешиванием по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений [11, 12]:

– в зоне сварки лучше сохраняются свойства основного металла по сравнению со способами сварки плавлением;

– отсутствие вредных испарений и ультрафиолетового излучения в процессе сварки;

– возможность получения бездефектных швов на сплавах, которые при сварке плавлением склонны к образованию горячих трещин и пористости в швах;

– не требуется использование присадочного материала и защитного газа, удаление поверхностных оксидов на кромках перед сваркой, а также шлака и брызг после сварки;

– отсутствуют потери легирующих элементов металла при его сварке.

Уровни выделений Cr, Cu, Mn, Cr+6 при СТП сталей по сообщению RockwellScientific (США) значительно ниже (<0,03, <0,03, <0,02 и <0,01 мг/мм3 соответственно), чем при аргонодуговой сварке (0,25, 0,11, 1,88 и 0,02 мг/мм3 соответственно) [2]. Сравнение затрат на производство при использовании сварки трением с перемешиванием и сварки плавящимся электродом (СПЭ) показало, что начальные капиталовложения при СТП более высокие, но с увеличением объемов производства сварка трением с перемешиванием становится экономически выгоднее, чем дуговая сварка [11].

Рис. 2. Распределение температур в продольном сечении образца.

Судя по экспериментальным результатам TWI, максимальная температура при сварке трением с перемешиванием составляет около 70% значения температуры плавления и для алюминия не превышает 550°С. Тепловложение при СТП меньше, чем при аргонодуговой сварке примерно в 2 раза и для сплава 6N01 – Т5 толщиной 4 мм равно соответственно 190 и 390 Дж/мм (скорость сварки 500 мм/мин) [13]. С помощью математического моделирования тепловых процессов при СТП в работе [14] построено распределение температур в свариваемой пластине (рис. 2). Более низкая температура зоны соединения при сварке трением с перемешиванием по сравнению со сваркой плавящимся электродом объясняет меньший уровень угловых деформаций в сварном соединении. При СТП угловая деформация равна 1/5÷1/7 значений при СПЭ [12] (рис. 3).

Рис. 3. Сравнение угловой деформации при сварке трением с перемешиванием и сварке плавящимся электродом (алюминиевый сплав серии 6000, толщина 2 мм).

Предполагается, что из-за невысокого уровня температур процесса, остаточные напряжения низкие. Но жесткое закрепление налагает большие ограничения на деформацию пластин. Это препятствует сокращению металла при охлаждении зоны динамической рекристаллизации и зоны термического влияния (ЗТВ) в продольном и в поперечном направлении, приводя к поперечным и продольным остаточным напряжениям. При СТП сплавов 2024 – Т3 і 6013 – Т6 обнаружено, что продольные остаточные напряжения выше поперечных (скорость сварки составляла 300 ÷ 1000 мм/мин, скорость вращения инструмента – 1000 ÷ 2500 об/мин). Высокие растягивающие напряжения преобладают в ЗТВ. Величина остаточных напряжений уменьшается при снижении скорости сварки и скорости вращения инструмента. Максимальные значения продольных растягивающих напряжений достигают значений 30 ÷ 60% предела текучести сварного соединения и 20 ÷ 50% предела текучести основного металла [15].

Рис. 4. Схема зон стыкового соединения, выполненного СТП: А – основной металл, В – зона термического влияния (ЗТВ), С – зона термомеханического влияния, D – зона динамической рекристаллизации (сторона набегания слева).

Макроструктура сварных соединений при сварке трением с перемешиванием характеризуется особенностями, не свойственными швам, полученным способами сварки плавлением. Типичным для СТП является образование в центре соединения ядра, которое содержит овальные концентричные кольца, различающиеся структурой [16]. К ядру примыкает сложный профиль, который образует верхнюю часть шва. Образование овальных колец связывается с особенностями перемешивания металла наконечником инструмента. В сварном соединении при СТП выделяют четыре зоны, которые схематически представлены на рисунке 4. Непосредственно к зоне А (основной металл) примыкает зона В, где металл заготовок остается недеформированным и изменяет свою структуру только под воздействием нагрева (зона термического влияния). Зона С, где металл подвергается значительным пластическим деформациям и нагреву, названа зоной термомеханического влияния (ЗТМВ). Зона D – это ядро соединения, где происходит динамическая рекристаллизация. Твердость металла уменьшается в направлении от основного металла к центру шва, и минимальное значение достигается в ЗТВ (рис. 5). Снижение твердости в ЗТВ происходит за счет перестаривания, уменьшения плотности дислокаций либо за счет обоих этих механизмов.

Рис. 5. Распределение твердости в зоне сварного соединения сплава 7075 – Т7351 [17].

О высоком уровне механических свойств сварных соединений сообщают многие исследователи. При СТП сварное соединение сплава 6082 –Т6 имеет предел прочности σв=245 МПа, тогда как основной металл имеет σв=317 МПа. Для 6082 –Т4, состаренного после сварки, σв=308 ÷ 310 МПа. Испытания на усталость свидетельствуют о более высоком уровне механических свойств соединений при СТП по сравнению с аналогичными при аргонодуговой сварке [18].

Авторы [19] проводили исследования механических свойств соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием сплава 5083 при криогенных температурах, что имело целью подготовить производство емкостей для сжиженного водорода. Образцы толщиной 30 мм были сварены со скоростью 40 мм/мин. Исследования при 77К в жидком азоте, 20К в жидком водороде и 4К в жидком гелии показали, что уровень свойств соединений при СТП выше, чем при аргонодуговой сварке.

Рис. 6. Механические свойства сварного соединения, выполненного различными способами сварки.

Проблемами СТП литейных алюминиевых сплавов занимались авторы работы [20]. В промышленном производстве литейные сплавы часто приходится сваривать с получаемыми экструдированием. Использовали сплавы ADC1 и А6061 – Т6 толщиной 4мм. Результаты, полученные при СТП, сравнивались с аналогичными при аргонодуговой и лазерной сварке. Как видно из рисунка 6, СТП обеспечивает лучшие свойства соединений. Предел прочности составляет 80% прочности А6061 – Т6. При испытании на изгиб разрушение при сварке трением с перемешиванием происходит по основному металлу. О положительных результатах сварки трением с перемешиванием разнородных сплавов, а также алюминиевых сплавов со сталями сообщается в публикации [21]. При СТП стали SS400 и сплава А5083 толщиной 2 мм предел прочности был равен 240 МПа, что составляет 86% прочности алюминиевого сплава.

Рис. 7. Установка для точечной сварки трением с перемешиванием (слева), поперечное сечение (вверху справа) и внешний вид образцов (внизу справа).

В качестве недостатка способа СТП авторы [2, 12] отмечают образование в конце шва отверстия, равного диаметру наконечника, что требует выведения шва за пределы рабочего сечения заготовки или заполнения отверстия после сварки с помощью других методов, таких как вварка трением специальных пробок.

Происходящее совершенствование технологии и оборудования позволяет преодолеть существующие недостатки, а также расширить области применения способа. Хотя сварка трением с перемешиванием применяется в основном для стыковых и нахлесточных швов, возможно также получение угловых, тавровых, точечных швов. Точечную сварку трением с перемешиванием можно реализовать двумя способами. Первый способ – это точечная сварка погружением (PFSW), который был запатентован фирмой Mazda (Япония) в 2003 году. При этом вращающийся инструмент погружается в деталь, доводя до пластического состояния и перемешивая металл под заплечиком. После этого инструмент поднимается, оставляя характерное углубление в детали. Второй способ – точечная сварка трением с заполнением шва (RFSW), который запатентован GKSS– GmbH в 2002 году [2]. Для этого способа используют инструмент, у которого наконечник и заплечик имеют раздельные системы привода. Вращающийся инструмент опускается в деталь, при этом наконечник выдавливает и перемешивает находящийся под ним металл, а после он убирается, и металл под заплечиком заполняет углубление, и, таким образом, получается шов без отверстия (рис. 7).

Рис. 8. Внешний вид инструмента из поликристаллического кубического нитрида бора [2].

Сварочный инструмент обычно изготавливается из инструментальных сталей Н13 (AISI), SKD61, SKD 11, SKH 57 (JIS), нержавеющей мартенситной стали SUS440C(JIS). При этом возможно использование составных инструментов, у которых наконечник изготовлен из кобальтового сплава МР159, а заплечик – из Н13 [22]. Для сварки методом СТП сталей толщиной до 0,5″ MegaStir разработала инструмент из поликристаллического кубического нитрида бора. Его стойкость против разрушения выше и позволяет придать наконечнику форму необходимую для благоприятного течения металла в зоне сварки (рис. 8). Инструмент по отношению к поверхности детали располагают под небольшим углом 2 ÷ 3° [16, 23]. При таком расположении инструмента под небольшим углом к поверхности детали достигаются наиболее высокие показатели качества.

Рис. 9. Конструкция инструмента Bobbin Tool.

Инструмент, одновременно выполняющий также роль подкладки соединяемых заготовок, приведен на рисунке 9 [24]. В NASA разрабатывается саморегулирующийся инструмент, длина наконечника которого определяется силами, действующими на него. При отклонении нагрузки на наконечник от заданного значения, происходит автоматическая корректировка его длины. Это позволяет сваривать заготовки переменного сечения и избегать образования отверстия при выполнении кольцевых швов.

Рис. 10. Варианты конструкции рабочего инструмента WhorlTM.

Для сварки алюминиевых сплавов значительной толщины разработаны семейства инструментов WhorlTM(рис. 10) и TrifluteTM[25], которые позволяют выполнять сварку за один проход алюминиевых сплавов толщиной 50 мм. Новыми вариантами СТП являются технологии Re– StirTM, Skew– StirTM, Com– StirTM[26]. Технология Re– StirTM с переменным вращением инструмента по часовой и против часовой стрелки позволяет исключить асимметрию шва, присущую традиционной СТП. По технологии Skew– StirTM инструмент немного наклонен по отношению к шпинделю машины так, что точка пересечения осей шпинделя и инструмента, получившая название фокусной точки, может располагаться над, под или в свариваемой заготовке в зависимости от свойств материала и параметров режима. Это позволяет получить при вращении инструмента в процессе сварки более широкий шов. Инструменты A – SkewTMи Flare – TrifluteTMобеспечивают формирование более прочных нахлесточных соединений. Технология Com– StirTM состоит в совмещении в процессе сварки вращательного и орбитального движений инструмента. В результате получают более широкие швы и в основном применяют для соединения разнородных материалов. Разработана система с двумя параллельными инструментами Twin – StirTM [27].

Рис. 11. Соединения, выполненные на автомобиле Mazda RX – 8 с помощью точечной сварки трением с перемешиванием [2].

Развитие новых технологий сварки трением с перемешиванием продолжается. В Университете Миссури – Колумбия (США) занимаются разработкой СТП с сопутствующим дополнительным нагревом при пропускании тока через наконечник инструмента. Центр обработки и соединения передовых материалов (США) разрабатывает СТП с индукционным предварительным подогревом материала, что позволит увеличить скорость сварки, уменьшить силы, действующие на инструмент, и уменьшить его износ [2]. В работе [28] изучается возможность использования лазера для предварительного подогрева металла при СТП магниевых сплавов.

Рис. 12. Оборудование для сварки трением с перемешиванием в вертикальном положении.

Благодаря небольшому количеству факторов, влияющих на процесс СТП, и достаточно простой конструкции оборудования, способ идеально подходит для автоматизации и роботизации [29]. Установка Tricept805 позволяет выполнять сварку алюминия толщиной до 10 мм.

Сварка трением с перемешиванием уже используется многими производителями различных высокотехнологичных изделий. Фирмы GDLS (GeneralDynamicsLandSystems) и EWI (EdisonWeldingInstitute) провели совместные работы, целью которых было обеспечить требуемые баллистические характеристики соединений броневых плит из алюминиевого сплава 2195 – Т87 для морских бронированных транспортеров. Сварка методом СТП вместо аргонодуговой плит толщиной 31,8 мм позволила получить приемлемые прочностные свойства соединений и более пластичные (в 2 – 3 раза) швы. В итоге сварные соединения (в том числе угловые) успешно прошли баллистические испытания [22].

Рис. 13. Установка для сварки трением с перемешиванием топливного бака ракеты «Delta» на предприятии «Boeing».

Для предотвращения ухудшения свойств сверхпроводящей Nb – Ti проволоки её необходимо соединять с жестким элементом из чистого Al при температуре ниже 400°С. Раньше для этого использовали низкотемпературную пайку, но паяные швы имели низкую прочность. СТП обеспечила требуемые свойства сварного соединения в жидком гелии [12].

В течение трех лет с 2003 года компания FordMotorCo. (США) изготовила несколько тысяч автомобилей FordGT, применяя СТП для сварки центрального отсека, который вмещает и изолирует топливный бак от внутреннего отделения и обеспечивает пространственную жесткость каркаса [2]. СТП повышает точность размеров и на 30% увеличивает прочность по сравнению со сходными узлами при дуговой сварке в защитном газе. В другой работе [30] описывается процесс изготовления точечной сваркой трением кузова автомобиля MazdaRX – 8 (рис. 11). С 2003 года было произведено свыше 100 тыс. автомобилей, двери которых изготовлены точечной сваркой трением [7]. На основании успешного применения данного способа сварки сообщается о планах фирмы выполнить подобные соединения на новом поколении автомобилей модели MX – 5.

Рис. 14. Самолет Eclipse 500 с узлами, изготовленными сваркой трением с перемешиванием.

Активно занимаются изучением процесса СТП в аэрокосмической сфере (рис. 12) [24]. В 2001 году процесс внедрен в производство внешнего бака ракеты носителя для возвращаемых космических кораблей. Технология предусматривает сварку 8 продольных швов на резервуаре из сплава 2195 для жидкого водорода и 4 продольных шва на резервуаре для жидкого кислорода. Это приблизительно ½ мили швов на каждом баке. Разрабатывается оборудование для ремонтной сварки трением с перемешиванием в условиях космического вакуума. Концепция основана на том, что высокая скорость вращения инструмента (30000 об/мин) при СТП позволит уменьшить усилия, необходимые для выполнения сварки.

начала использовать сварку трением с перемешиванием при производстве ракеты «Delta» II и III (рис. 13) [31]. Сварка выполняется на топливном баке длиной 8,4 м, на баке для жидкого кислорода длиной 12 м и на других конструкциях. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает повышение качества (один дефект на 76,2 м шва) по сравнению с аргонодуговой сваркой (один дефект на 8,4 м шва). При СТП уменьшается время изготовления сварной конструкции. Производство ракет «Delta» II выросло с 8 до 17 единиц в год.

О работах по СТП оребренных панелей для крыла самолета из сплавов 2024, 7475, 7050 толщиной 4 мм сообщается в статье [32]. Высокое качество соединений обеспечено при использовании СТП на самолете Airbus А350 и двух новых версиях А340 (А340 – 500 и А340 – 600) [2]. Компания EclipseAviation завершает сертификацию реактивного самолета бизнес класса Eclipse 500 с узлами, изготовленными методом СТП (рис. 14).

Рис. 15. Внешний вид экспериментальной установки для СТП тонколистовых (1,8 ÷ 2,5 мм) алюминиевых сплавов.

Приведенный анализ опубликованной информации свидетельствует о том, что сварка трением с перемешиванием успешно развивается и находит применение в различных отраслях промышленного производства. Большинство публикаций касаются сварки алюминиевых сплавов средней и сравнительно большой толщины. Следует иметь в виду, что затруднения обычно возникают при соединении заготовок толщиной 0,5 – 3 мм, а также более 40 мм. В связи с этим, а также с возникающими осложнениями при обеспечении точности сборки тонкостенных заготовок под сварку в ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования процесса СТП на специальной экспериментальной установке (рис. 15). Работы выполнены на алюминиевых сплавах АМг6, 1201, 1460 толщиной 1,8 … 2,5 мм. На рис. 16 приведен внешний вид сварного соединения сплава АМг6, полученного методом СТП. Одновременно проверена эффективность сварочных инструментов с различными профилями рабочей части.

Рис. 16. Внешний вид шва, полученного сваркой трением с перемешиванием (алюминиевый сплав АМг6 толщиной 2 мм).

Установлено, что соединения при данном способе сварки обладают высоким уровнем механических свойств (коэффициент прочности сварных соединений составляет 0,7 ÷ 0,9 от уровня прочности основного металла (табл.)) и подтверждена актуальность работ по усовершенствованию способа сварки трением с перемешиванием конструкций с применением тонколистовых материалов.

Таблица

Механические свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием

Литература

1. US Pat. No 5460317. Friction stir butt welding/ W.M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham et al.; Опубл. 1995.
2. Arbegast W.J. Friction stir welding. After a decade of development// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 28 – 35.
3. Ito T., Motohashi Y., Goloborodko A. et al. Microstructures and room temperature mechanical properties in friction-stir-welded joints of 7075 aluminum alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 9 – 13.
4. Aritoshi M. Friction stir welding of magnesium alloys sheets// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 18 – 23.
5. Nakata K. Friction stir welding of copper and copper alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 14 – 17.
6. Klingensmith S., Dupont J.N., Marder A.R. Microstructural characterization of a double-sided friction stir weld on a superaustenitic stainless steel// Welding J. – 2005. – May. – P. 77 – 85.
7. Martin J. Pushing the boundaries – friction stir goes deeper than before// TWI Connect. – 2006. – January/February. – P. 1.
8. Teh N.J. Small joints make a big difference// TWI Connect. – 2006. – 143, №4. – Р. 1.
9. Эрикссон Л.Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трением – научные исследования и новые области применения// Технология машиностроения. – 2003. – №6. – Р. 81 – 84.
10. Hassan A.A., Prangnell P.B., Norman A.F. et al. Effect of welding parameters on nugget zone microstructure and properties in high strength aluminium alloy friction stir welds// Sci. Technol. Weld. Joining. – 2003. – 8, №4. – Р. 257 – 268.
11. Defalco J. Friction stir welding vs. fusion welding// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 42 – 44.
12. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of aluminum alloy and application to structure// J. of Jap. Institute of Light Metals. – 2000. – 50, №4. – P. 166 – 172.
13. Aota K., Okamura H., Masakuni E. et al. Heat inputs and mechanical properties friction stir welding// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
14. Lambrakos S.G., Fonda R.W., Milewski J.O. et al. Analysis of friction stir welds using thermocouple measurements// Sci. Technol. Weld. Joining. – 2003. – 8, №5. – Р. 385 – 390.
15. Dalle Donne C., Lima E., Wegener J. et al. Investigation on residual stresses in friction stir welds// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
16. Volpone M., Mueller S.M. Friction stir welding (FSW): le ragioni di un successo// Rivista Italiana della Saldatura. – 2005. – №1. – Р. 23 – 30.
17. Chao Y.P., Wang Y., Miller K.W. Effect of friction stir welding on dynamical properties of AA 2024-T3 and AA 7075-T7351// Welding J. – 2001. – №8. – Р. 196 – 200.
18. Ericsson M., Sandstorm R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG// International Journal of Fatigue. – 2003. – №25. – P. 1379 – 1387.
19. Hayashi M., Oyama K., Eguchi H. et al. Mechanical properties of friction stir welded 5083 aluminum alloy at cryogenic temperatures// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
20. Nagano Y., Jogan S., Hashimoto T. Mechanical properties of aluminum die casting joined by FSW// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
21. Kimapong K., Watanabe T. Friction stir welding of aluminum alloy to steel// Welding J. – 2004. – October. – P. 277 – 282.
22. Colligan K.J., Konkol P.J., Fisher J.J. et al. Friction stir welding demonstrated for combat vehicle construction// Welding J. – 2003. – March. – P. 34 – 40.
23. Shibayanagi T., Maeda M. Characteristics of microstructure and hardness in friction stir welded 7075 aluminum alloy joints// Trans. JWRI. – 2004. – 33, №1. – P. 17 – 23.
24. Ding J., Carter R., Lawless K. et al. Friction stir welding flies high at NASA// Welding J. – 2006. – March. – P. 54 – 59.
25. Dolby R.E., Johnson K.J., Thomas W.M. The joining of aluminium extrusions// La metallurgia italiana. – 2004. – №3. – P. 25 – 30.
26. Pekkari B. The future of welding and joining// Svetsaren. – 2004. – №1. – Р. 53 – 59.
27. Thomas W., Staines D. Better joints using two contra – rotating FSW tools// TWI Connect. – 2006. – May/June. – P. 7.
28. Kohn G., Greenberg Y., Makover I. et al. Laser – assisted friction stir welding// Welding J. – 2002. – February. – P. 46 – 48.
29. Cook G.E., Smartt H.B., Mitchell J.E. et al .Controlling robotic friction stir welding//Welding J. – 2003. – June. – P. 28 – 34.
30. Kato K., Sakano R. Development of spot friction welding and application for automobile body// J. of Light Metal Welding & Construction. – 2004. – 42, №11. – P. 8 – 13.
31. Imuta M., Kamimuki K. Development and Application of Friction Stir Welding for Aerospace Industry// Proc. of the IIW International Conference on Technical Trends and Future Prospectives of Welding Technology for Transportation, Land, Sea, Air and Space, Osaka, Japan, 15 – 16 July, 2004. – P. 53 – 64.
32. Kumagai M. Application of FSW for aircraft// Welding Technology. – 2003. – 51, №5. – P. 74 – 78.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам данного метода относятся:

• высокая производительность;
• энерго/эффективность;
• стабильность и качество соединения на высоком уровне;
• лояльные требования к чистоте поверхности;
• возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
• Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.

Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла

Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:

• универсальность процесса на низком уровне;
• тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
• искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.

Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.

Режимы и процесс сварки

Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.

Технология сварки методом трения

На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.

К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.

Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.

Способы

Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.

Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.

Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.

Основные параметры которые влияют на свойства шва

Стоит учитывать, что некоторые параметры оказывают влияние на основные качества образующегося шва. К основным можно отнести:

1. Скорость перемещения инструмента определяет силу трения, возникающую между режущей поверхностью и заготовкой. От этого зависит также температура.
2. Частот вращения инструмента также оказывает влияние на температуру в зоне обработке.
3. Угол наклона инструмента также оказывает влияние на особенности проведения сварки трение с перемешиванием.
4. Геометрические размеры применяемого прибора выбираются в зависимости от того, какой нужно получить соединение.
5. Усилие прижатия и перемещения также можно считать наиболее важными параметрами.

Сварочный шов

При рассмотрении способа сварки трением отметим, что подобная технология сегодня активно развивается. Это связано с тем, что естественный процесс нагрева не приводит к появлению внутренних деформаций и иных дефектов.

Принцип сварки

Сварка металла трением – технологический процесс изготовления сварного соединения, который осуществляется за счет применения тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых элементов. Во время этого процесса элементы с усилием прижимаются друг к другу, и одна из заготовок движется относительно другой.

Обычно применяется трение вращения, во время этого процесса вращается одна из свариваемых заготовок или вкладка между элементами. В точке, в которой происходит усиленное прижатие элементов, происходит выделение тепла и осуществляется нагревание.

Благодаря высокой температуре и трению происходит активное разрушение оксидных пленок и следов посторонних загрязнений. Поверхности свариваемых элементов плотно притираются друг к другу, во время этого начинается разрушение микро выступов. Поверхность становится ровной, и за счет этого атомы металлов могут вступать в полноценное взаимодействие друг с другом.

Фрикционная сварка осуществляется в несколько этапов:

• снятие оксидных пленок;
• нагревание поверхностей для состояния пластичности. Во время этого этапа также создаются и разрушаются фрагменты кристаллических решеток;
• на третьем этапе останавливается вращение, возникает кристаллизация зоны контакта и образуется сварное соединение.

После того как достигается необходимый показатель температуры плавления происходит остановка вращения с одновременным увеличением силы прижима.

Разновидности сварки СТП

Эта технология появилась в конце минувшего столетия. На настоящий момент существуют следующие ее подвиды:

1. Линейная методика. При этом варианте обрабатываемые элементы трутся своими поверхностями до той поры, пока не сформируются условия для крепкого соединения. Движения при линейной сварке являются возвратно-поступательными.
2. Радиальная методика. Данный вид сварки часто применяется для обработки трубных конструкций. На стыковых участках труб есть особое колечко, вращение которого позволяет создать необходимую температуру для стыковки поверхностей.
3. Сварка штифтового типа зачастую используется при ремонтах. Для этого сначала создается отверстие, в которое загоняется специальный штифт. После этого деталь начинают вращать, образуется тепловая энергия, и происходит пластификация покрытия.

Сварка трением с перемешиванием

Этот метод был разработан и внедрен в 1991 году.

Первоначально этот метод был разработан для алюминия и алюминиевых сплавов, так как при сварке плавлением большая часть материала уходило на оформление сварочного шва, так же при оплавлении терялись пластические свойства алюминия.

После внедрения метода и высоких результатов выяснилось, что метод сварки вращением с перемешиванием подходит для широкого диапазона металлов.

Основные сферы применения:

• судостроение, особенно подводный флот, где необходимы полностью герметичные сварные соединения;
• строительство космических объектов и шатлов;
• хранилища и баки для хранения криогенных газов и жидкостей, которые обладают повышенной летучестью.

Самыми уникальными изделиями, которые производятся с элементами вращательной сварки, являются медные контейнеры, предназначенные для хранения отходов ядерной промышленности.

Эффективность способа

Вначале фрикционная сварка дается достаточно туго, но постепенно, по мере того, как алюминий и насадка приобретают подходящую рабочую температуру, процесс начинает идти гораздо легче. И если первое время насадка будет гулять по сторонам, то потом она пойдет ровно, образуя ровный и красивый шов. По завершению работ видно, что внешне металл сварился, хотя с внутренней стороны шов не достаточно качественный.

На разрыве сварочное соединение весьма прочное, а вот в обратную сторону его очень просто порвать руками. Металл не проваривается глубоко и поэтому внутренний слой не плавится и не перемешивается должным образом.

Так можно сделать выводы о том, что сварка алюминия дрелью вполне возможна, но результат при этом оставляет желать лучшего. Поэтому при необходимости создания прочного и качественного результата лучше воспользоваться классическим методом, который точно обеспечит надежный шов и крепкую конструкцию на выходе.

Особенности и сферы применения

СТП широко используется во многих сферах производства. В авиаракетостроении её применяют для формирования конструкций фюзеляжа или панелей с различными назначениями. Если говорить о судостроении, она служит для сварки корпуса небольших кораблей. И это далеко не все, такая популярность объясняется высоким качеством образующегося соединения.

Межатомные связи при сварке могут обеспечить прочность, которая будет равна или быть на более высоком уровне, чем основной материал. Качество таких швов обычно выдерживает большие нагрузки и надёжно служит на протяжении долгого времени.

Сварка трением соединяет металлы, находящиеся в твердом состоянии. В этом случае используется специальный вращающийся инструмент, он состоит из бурта, профилированного основания и наконечника с профилем, он перемещается вдоль стыка заготовок, подвергающихся соединению. Далее происходит тепловыделение с последующим соединением материала. Давление бурта на стыке, способствует пластической деформации и течению свариваемого металла, который перемешивается профилированным наконечником.

Принцип процесса

Сварка трением с перемешиванием проводится при применении специального инструмента, который напоминает форму стержня. Среди особенностей сварки трением с перемешиванием можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Применяемое оборудование для сварки трением с перемешиванием состоит из двух основных частей: заплечика и бурта, а также наконечника.
2. Инструмент выбирается в зависимости от толщины материала и его типа. Некоторые сплавы характеризуются низкой степенью обрабатываемостью.
3. Длина наконечника устанавливается в зависимости от толщины детали.
4. Этот метод сварки может выполняться с присадочным материалом. На момент сварки инструмент вращается с высокой скоростью в месте плавления. Оказываемое давление приводит к тому, что наконечника внедряется в заготовку на требуемую толщину. При этом заплечник должен коснуться обрабатываемой поверхности.
5. Следующий шаг заключается в перемещении инструмента по линии шва с определенной скоростью. При сильном трении поверхность материалов начинает сильно нагреваться, за счет чего он начинает становится пластичным. Деформация проходит равномерно.

Процесс сварки

При помощи специальной установки можно создать прочное соединение, которое характеризуется довольно высоким качеством.