+375 (17) 2417399

+375 (17) 2413699

Сварка трением с перемешиванием

Сварка трением с перемешиванием – СТП (или FSW - Friction Stir Welding) относится к твердофазным способам образования соединений материалов с использованием трения. Процесс, в котором не используются ни сварочные материалы, ни защитный газ, позволяет получать отличное качество швов. Сегодня способ широко используется для высококачественной сварки алюминия и сплавов.

СТП: ПРИНЦИП ПРОЦЕССА

Сварка производится вращающимся инструментом 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.

Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте соединения под давлением внедряется в свариваемый материал так, чтобы наконечник внедрился в заготовки на глубину, примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности.

После этого инструмент перемещается по линии шва со скоростью сварки. В результате работы сил трения происходит нагрев металла - он становится пластичным и равномерно деформируется. Происходит его перемешивание вращающимся инструментом, образуя прочное соединение между двумя деталями. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху заплечиком инструмента.

Сварка трением с перемешиванием

Основные параметры, которые влияют на свойства шва при применении СТП:

  • скорость перемещения инструмента,
  • частота вращения инструмента,
  • усилие прижатия и усилия перемещения инструмента,
  • угол наклона инструмента,
  • геометрические размеры инструмента.

 

Сварка трением с перемешиваниемМирoвoй oпыт применения СТП пoзвoляет cделать вывoд, чтo данный вид cварки — нтенcивнo развивающийcя технoлoгичеcкий прoцеcc.

Эффективно использование сварки трением с перемешиваниемдля для изготовления режущего инструмента при производстве составных сварно-кованых, сварно-литых или сварно-штампованных деталей. Она оказывается незаменимой при соединении трудносвариваемых или вовсе не сваривающихся другими способами разнородных материалов, например, стали с алюминием, аустенитных сталей с перлитными.

Данный метод сварки применяется для алюминий-литиевых сплавов, сварка которых невозможна другими методами.

Алюминий-литиевые сплавы занимают особое положение среди других стареющих алюминиевых систем, что обусловлено их более высоким модулем упругости и меньшей плотностью, свойствами, открывающими новые возможности применения металлических легких материалов.

Создание данных сплавов основывается на использовании в качестве легирующих наиболее лёгкого металла - лития, плотность которого (0,534 г/см3) в пять раз меньше плотности алюминия.

Из алюмиминий-литиевых сплавов изготавливают практически все виды полуфабрикатов – штамповки, плиты, листы и разнообразной формы прессованные изделия (прутки, трубы и профили).

Такие характеристики, как повышение весовой эффективности техники, ее прочности и ресурса, позволяют использовать СТП при изготовлении самолетов, военных воздушных судов и ракетной техники.

СТП: ПРИМЕНЕНИЕ

В 2012 году инженеры Honda использовали комбинированный подрамник из алюминия и стали, для изготовления которого применили сварку трением: поверх алюминиевой заготовки, лежащей на стальном листе, по заданной линии непрерывно перемещается по давлением быстро вращающийся цилиндр. Под торцом цилиндра алюминий плавится, и его поток устремляется вниз к стали. В результате два металла проникают друг в друга и формируют связь, которая оказывается даже более прочной, чем при сварке в инертном газе.

Сегодня СТП всё чаще пользуются в автомобилестроении. Так, сварка плавлением может перфорировать тонкие листы алюминия, но при СТП выделяется меньше тепла и такие повреждения маловероятны. Кроме того, по сравнению со сваркой плавлением, при сварке трением с перемешиванием потребляется в два раза меньше электроэнергии.

В отличие от обычной сварки кузова автомобиля, которая добавляет вес в виде швов из сварочной проволоки присадочного металла, сварка трением ничего не добавляет. А это в свою очередь уменьшает вес готовой продукции, что особенно важно в современных условиях, когда идет борьба за высокую эффективность расхода топлива.

 

Основные области применения

  • судостроение (палубные надстройки, переборки, элементы корпуса);
  • аэрокосмическая промышленность (элементы фюзеляжа, крыльев, топливные и баки криогенных жидкостей);
  • железнодорожный транспорт и метро (корпуса вагонов, рамы и тележки поездов);
  • автомобильная промышленность (узлы крепления двигателя, диски колес, рамы и кузов автомобилей);
  • электротехническая промышленность (корпуса электромоторов, токоподвода, параболические антенны, шины питания);
  • строительная индустрия (алюминиевые мосты, алюминиевые трубопроводы, теплообменники и кондиционеры);
  • пищевая промышленность (емкости для пива, вина, молока и др.).

Метод СТП также используют для соединений медных сплавов, например, в медных контейнерах для хранения ядерных отходов, а также медных подложек (разновидность теплоотводов) в оборудовании для напыления и др.

Результаты исследований процесса сварки трением с перемешиванием и свойств соединений алюминиевых сплавов разных групп легирования подтверждают необходимость разработки для каждого из сплавов параметров режима сварки, соответствующих его термомеханическим характеристикам.

СТП применяют в основном для соединения материалов со сравнительно низкой температурой плавления (алюминиевых и магниевых). Выполнена успешная сварка данным способом медных, никелевых и титановых сплавов, а также сталей.

С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной до 75 мм за один проход. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать нахлесточные соединения алюминиевых листов толщиной от 0,2 мм.

Сварка трением с перемешиванием

Высокие механические характеристики соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием — главные условия промышленного применения процесса. Исследователи отмечают преимущества сварки трением с перемешиванием по сравнению с другими процессами сварки по показателям статической и усталостной прочности соединения, коррозионной стойкости, уровню сварочной деформации, трудоемкости, энергоемкости, экологической безопасности.

СТП: ПРЕИМУЩЕСТВА

При правильно выбранных режимах статическая прочность при растяжении и изгибе, относительное удлинение, ударная вязкость, усталостная прочность, т.е. почти все основные механические показатели металла стыка находятся на уровне соответствующих показателей основного металла деталей или близки к ним.

  • минимальная подготовка свариваемых поверхностей (обычно требуется только обезжиривание);
  • отсутствие необходимости в подготовке кромок под сварку, обработке шва после нее и механической обработке после сварки;
  • возможность сварки материалов, недоступных для традиционных способов сварки;
  • высокая прочность сварного шва;
  • отсутствие необходимости в присадочной проволоке;
  • мелкий размер зерна сварного шва;
  • отсутствие пористости; отсутствие особых требований к процессу сварки;
  • практически полное отсутствие коробления и термических деформаций благодаря ограниченному пространству деформации в сочетании с ограниченным нагревом зоны сварки;
  • поверхность готова к использованию, так как нет необходимости ни удалять брызги, ни выполнять какую-либо подготовку после сварки. Сторона вершины шва является идеальной копией подложки, а верхняя сторона уже имеет отфрезерованную структуру, образованную буртом;
  • исследования и испытания сварного соединения СТП показали их значительное преимущество перед болтовыми и заклепочными соединениями за счет увеличения прочности и жесткости конструкции, снижения массы и стоимости изготовления;
  • результаты испытания соединений сплавов: общая коррозия, межкристаллическая коррозия и коррозия под напряжением в агрессивной среде, в том числе в контакте с компонентами топлива, - показывают значительное преимущество сварки трением с перемешиванием перед сваркой плавлением;
  • не выделяется никаких испарений или токсичных газов, опасных для операторов. Операторы и другой персонал не подвергаются воздействию излучения от дуги. Безопасность для окружающей среды;
  • уменьшение производственного цикла на 50-75 % по сравнению с обычными способами сварки;
  • экономно по энергопотреблению: только 20% затрат тепла по сравнению с процессом сварки электродом в инертном газе.

КОНТРОЛЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Сварка трением с перемешиванием

Основными видами неразрушающего контроля соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, являются визуальный (оптический) контроль и ультразвуковой контроль, в том числе автоматический.

Благодаря методу акустического контроля также можно получать полезную информацию о дефектах в шве, поскольку дефекты разных типов дают разные сигналы, которые по-разному отражаются на частотных диаграммах.

***

Сварка трением с перемешиванием является сравнительно новым видом сварки. Способ был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991г. Промышленное внедрение процесса началось несколько лет спустя, благодаря успешному использованию установок ESAB в компаниях Marine Aluminium (Хагезунд, Норвегия) в 1996 г. и Боинг (Уичито, Канзас, США) в 1998 г. 

Компания ESAB и другие компании, имеющие свои научные центры, стала участником группового проекта, направленного на дальнейшую разработку процесса. Так, в ESAB провели широкие исследования по сварке алюминиевых сплавов серии 6000. Эти сплавы широко применяются при строительстве железнодорожных вагонов, в судостроении, автомобилестроении и самолетостроение.

Сварка трением с перемешиванием
Обычная скорость сварки этих сплавов в промышленности — 0,8-2,0 м/мин (при толщине изделий 5 мм). Лаборатория ESAB в г. Лаксо провела множество испытаний, направленных на увеличение скорости сварки. Последние исследования показали, что листы толщиной 5 мм из сплава 6082 можно сваривать со скоростью 6 м/мин, и эта скорость не является пределом.

Многообещающие результаты еще больше увеличат область выгодного применения сварки трением в промышленности. Однако высокая производительность данного метода сварки по сравнению с другими видами ручной и автоматической сварки требует во многих случаях значительных капиталовложений, которые оправдываются только при большом объеме производства. В тех случаях, когда уровень производства компании не может оправдать капиталовложения на установку СТП, целесообразно совместно использовать ее несколькими компаниями.

Количество просмотров: 1308

Фотогалерея

Заполните все
необходимые поля

Спасибо за заявку! Мы свяжемся с Вами в ближайшее время