Зварювання тертям з перемішуванням: види, технологія, обладнання

Існує велике різноманіття зварювальних методів. Серед них є такий екзотичний процес, як зварювання тертям з перемішуванням. Його відмінною рисою є відсутність витратних матеріалів, таких як електроди, зварювальний дріт, захисні гази. Нещодавно розроблений метод знаходить широке поширення.

Історія появи

Історія зварювання тертям з перемішуванням (СТП) розпочалася у 1991 році. Це була інноваційна розробка Британського Інституту Зварювання (TWI). Через кілька років технологія була використана в будівництві літаків і морських судів.

Першими компаніями, запустившими нову технологію у виробництво, були норвезька Marine Aluminium і американська Boeing. На своїх підприємствах вони використовували зварювальне обладнання концерну ESAB, що спеціалізується на розробках в області ротаційної зварювання тертям (РСТ).

З 2003 року компанія безперервно веде дослідження можливостей зварювання тертям з перемішуванням. Наприклад, були розроблені способи зварювання алюмінієвих сплавів та їх модифікацій, які застосовуються в областях будівництва літаків, морських суден і залізничних контейнерів.

В авіабудуванні була знайдена можливість замінити заклепувальні з’єднання зварними. Причому швидкість зварювання методом СТП значно перевищує швидкість зварки. Зварний шов довжиною 6 метрів може бути сформований за одну хвилину, тоді як швидкість зварювання звичайним способом досягає всього 0,8-2 м/хв при товщині деталі 0,5 див.

Суть процесу

З’єднання металів відбувається за рахунок розігріву в зоні зварювання методом тертя. Основним зварювальним інструментом зварювання тертям з перемішуванням є металевий стрижень, що складається з двох половинок: бурту і заплечика.

Своєю виступаючою частиною, що обертається стрижень занурюється в матеріал, викликаючи сильний нагрів. Його подачу обмежує заплечик, не дозволяючи пройти наскрізь зварювану деталь. В зоні нагріву матеріал значно збільшує свою пластичність і, придавливаемый заплечиком, формує єдину масу.

Наступним етапом відбувається переміщення стрижня уздовж зварюваної зони. Рухаючись вперед, бурт перемішує розігріту металеву масу, яка після охолодження утворює міцне з’єднання.

Що впливає на якість СТП

Зварювання тертям з перемішуванням – це процес, що постійно розвивається. Але вже зараз можна виділити кілька параметрів, що впливають на якість з’єднання:

Зусилля, створюване інструментом.

Швидкість подачі зварювального головки.

Величина бурту.

Окружна швидкість обертання стержня.

Кут нахилу.

Зусилля подачі стержня.

Маніпулювання характеристиками зварювання дозволяє досягати з’єднання різнорідних металів. Наприклад, алюмінію і літію. Літій завдяки своїй малій щільності і високої міцності може виступати як легирующий компонент деталей з алюмінієвих сплавів, що дозволяє застосовувати цю технологію в аерокосмічній галузі.

Зварювання тертям з перемішуванням може з легкістю замінити кування, штампування, лиття, коли вони застосовуються для виробництва деталей з важко поєднуються металів. Наприклад, сталей із структурою аустеніту і перліту, сталі, алюмінію або бронзи.

У яких сферах застосовується

Такі сфери виробництва, як автомобілебудування, постійно працюють над тим, як збільшити міцнісні якості виробу при зменшенні його маси. У зв’язку з цим постійно йде впровадження нових матеріалів, які були раніше не властиві зважаючи на складність обробки. Все частіше силові елементи, такі як підрамники, а іноді і кузова цілком роблять з алюмінію або його поєднання з іншими матеріалами.

Так, у 2012 році компанія “Хонда” застосувала адитивні технології зварювання тертям з перемішуванням для виробництва підрамників для своїх автомобілів. Вони впровадили поєднання сталі і алюмінію.

При виробництві зварних елементів кузова з алюмінію може виникати пропалення листів металу. Цього недоліку позбавлена СТП. Крім того, що споживання електрики знижується в 1,5-2 рази, знижуються витрати на витратні матеріали, такі як зварювальний дріт, захисні гази.

Крім виробництва автомобілів СТП застосовується в наступних областях:

Будівельне виробництво: алюмінієві опорні ферми, прогони мостів.

Залізничний транспорт: рами, колісні візки, вагони.

Суднобудування: перегородки, елементи конструкції.

Авіабудування: паливні баки, частини фюзеляжу.

Харчопром: різні ємності для рідких продуктів (молоко, пиво).

Виробництво електротехніки: корпуси електродвигунів, параболічні антени.

Крім алюмінієвих сплавів зварювання тертям з перемішуванням застосовується для отримання сполук міді, наприклад, при виробництві мідних контейнерів для захоронення відпрацьованого радіоактивного палива.

Переваги СТП

Дослідження СТП дозволило підібрати режими зварювання при з’єднанні різних груп сплавів. Незважаючи на те, що спочатку СТП розроблялася для роботи з металами з низькою температурою плавлення, такими як алюміній (660 °C), згодом стала застосовуватися для з’єднання нікелю (1455 °С), титану (1670 °C), заліза (1538 °C).

Дослідження показують, що шов, отриманий таким способом, повністю відповідає по своїй структурі металу зварюваних деталей і має більш високі показники міцності, менші витрати трудомісткості і низьку залишкову деформацію.

Правильно підібраний режим зварювання гарантує відповідність матеріалу шва і металу, що зварюється за наступними показниками:

втомна міцність:
міцність на вигин і розтягування;
ударна в’язкість.

Переваги перед іншими видами зварювання

СТП має безліч переваг. Серед них:

Нетоксична. На відміну від інших різновидів, тут немає горіння електричної дуги, завдяки якій розплавлений метал випаровується у зоні зварювання.

Збільшення швидкості формування шва, завдяки чому знижується час виробничого циклу.

Зниження витрат на електроенергію в два рази.

Відсутність необхідності в подальшій обробці зварного шва. Інструмент для зварювання тертям з перемішуванням у процесі роботи формує ідеальний шов, не вимагає зачистки.

Немає необхідності в додаткових витратних матеріалах (зварювального дроту, технічних газів, флюсів).

Можливість отримання сполук металів, недоступних для інших видів зварювання.

Немає необхідності особливої підготовки зварювальних кромок, за винятком очищення і знежирення.

Одержання однорідної структури шва без часу, в результаті чого стає простіше контроль якості, який регламентований для зварювання тертям з перемішуванням ГОСТ Р ІСО 857-1-2009.

Як перевіряється якість зварного шва

Якість зварювання перевіряється двома різновидами контролю. Перший передбачає руйнування досвідченого зразка, отриманого в результаті з’єднання двох деталей. Другий допускає перевірку без руйнування. Застосовуються такі методи, як оптичний контроль, аудіометричні дослідження. Воно допомагає визначити наявність пор і неоднорідних включень, що погіршують характеристики шва. Результати звукового контролю являють собою діаграми, що наочно показує місця відхилення акустичного відлуння від норми.

Недоліки методу

При численних достоїнствах метод зварювання тертям має супутні мінуси:

Відсутність мобільності. СТП припускає з’єднання нерухомих деталей, жорстко закріплених в просторі. Це накладає на устаткування для зварювання тертям з перемішуванням певні властивості, такі як нерухомість.

Низька універсальність. Громіздке обладнання налаштовується на виконання однотипних операцій. У зв’язку з цим пристосування для зварювання проектуються під конкретні завдання. Наприклад, для зварювання автомобільних боковин на конвеєрі, і ні для чого іншого.

Зварювальний шов має радіальну структуру. У зв’язку з цим при певних видах деформації або при роботі деталі в агресивному середовищі може накопичуватися втома зварного шва.

Різновиди СТП за принципом дії

Зварювальні процеси, що використовують в основі тертя, можна розділити на кілька типів:

Лінійне тертя. Суть методу зводиться до отримання нероз’ємного з’єднання не в результаті дії обертового наконечника, а з причини руху деталей відносно один одного. Впливаючи на поверхню в точці дотику, вони створюють тертя і, як наслідок, високу температуру. Під тиском відбувається розплавлення примикають частин, і виникає зварне з’єднання.

Радіальна зварювання. Цей метод застосовується для виробництва ємностей великого діаметру, залізничних цистерн. Він зводиться до того, що стики деталей розігріваються обертовим кільцем, одягненим зовні. Силою тертя воно викликає температуру, близьку до температури плавлення. Прикладом підприємства, що використовує цю технологію, може служити чебоксарская фірма з виробництва цистерн “Сеспель”. Зварювання тертям з перемішуванням займає основну частку зварювальних робіт.

Штифтові зварювання. Дана різновид замінює собою заклепувальне з’єднання. Цей вид застосовується при з’єднаннях внапуск. Обертовий штифт в місці зіткнення розігріває зварювані деталі. Від високої температури відбувається розплавлення і штифт проникає всередину. Охолонувши, він створює міцне нероз’ємне з’єднання.

Різновиди СТП за рівнем складності

Зварювальні операції, виконувані за допомогою тертя, можна умовно розділити на площинні й об’ємні. Головна відмінність цих різновидів в тому, що в першому випадку зварювальний шов формується в двомірному просторі, а в другому в тривимірному.

Так, для площинних з’єднань підприємство з випуску зварювального обладнання ESAB розробило 2D-встановлення LEGIO. Вона являє собою настроюється систему для зварювання тертям з перемішуванням різних кольорових металів. Різні розмірні групи устаткування дозволяють зварювати деталі малих і великих розмірів. Відповідно до маркування обладнання LEGIO має кілька компоновок, які відрізняються кількістю зварювальних головок, можливістю зварювання з кількох осьовим напрямами.

Для зварювальних робіт зі складним положенням в просторі існують 3D-роботів. Такі апарати встановлюються на автомобільних конвеєрах, де потрібні зварні шви непростий конфігурації. Одним із прикладів таких роботів може служити установка Rosio виробництва ESAB.

Висновок

СТП вигідно відрізняється від традиційних видів зварювання. Її повсюдне застосування не тільки обіцяє економічну вигоду, але і збереження здоров’я людей, зайнятих у виробництві.