Инструмент для сварки трением с перемешиванием

Сварка трением с перемешиванием

Среди огромного количества различных технологий сварки следует отметить сварку трением с перемешиванием. Подобный процесс не предусматривает использование защитных газов и расходных сварочных материалов. При этом можно получить соединение высокого качества. Технология в большинстве случаев применяется при обработке алюминия и некоторых других сплавов. Рассмотрим принцип процесса и некоторые другие моменты подробнее.

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.

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

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.

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.

Основные области применения

На сегодняшний день рассматриваемая технология применяется в большинстве случаев при выпуске транспортных средств. Это связано с нижеприведенными моментами:

1. При применении технологии, которая предусматривает плавление металла, может появится перфорация тонких листов стали. Примером можно назвать обработку алюминия.
2. Рассматриваемая технология СТП определяет выделение меньшего количества тепла. Именно поэтому вероятность появления подобных дефектов незначительна.
3. Сварки трением с перемешиванием характеризуется высокой эффективностью, так как ее использование приводит к уменьшению степени энергопотребления в два раза.
4. Применение технологии позволяет снизить вес получаемой конструкции.

Все приведенные выше моменты определяют то, что рассматриваемая технология получила следующее распространение:

1. Судостроение.
2. Аэрокосмическая промышленность.
3. Электротехническая промышленность.
4. Строительство.
5. Пищевая промышленность.
6. Железнодорожный транспорт.

Оборудование для сварки трением с перемешиванием

Чаще всего сварки трением с перемешиванием применяется при соединении медных сплавов. Примером можно назвать получение контейнеров, которые можно использовать для хранения ядерных отходов и ответственных деталей.

Преимущества

Рассматриваемый метод характеризуется довольно большим количеством достоинств. Перемешивая заготовки трением можно получить качественный шов. Качество сварки трением перемешиванием повышается при использовании различных инструментов. Преимуществами можно назвать следующие моменты:

1. Заготовки не нужно тщательно подготавливать. Если рассматривать контактную и другую технологию, то перед непосредственной обработкой поверхность должна быть тщательно очищена от различных загрязнений и быть ровной. В противном случае качество шва будет низким, достигнуть требуемой герметичности не получится. В рассматриваемом случае достаточно очистить поверхность от крупных и сильно проявляющихся загрязнений.
2. Не возникает необходимости в особой подготовке кромок. Некоторые технологии предусматривают снятие поверхностного слоя металла и проведение некоторых технологических операций, которые позволят существенно повысить прочность соединения.
3. Есть возможность провести соединение металла, который нельзя обработать обычным способом. Примером можно назвать материалы, не подающиеся обычным методам сварки. При этом необходимость в предварительном подогреве зоны обработки практически не возникает.
4. Прочность получаемого соединения достаточно высока. Именно поэтому технология может применяться для получения ответственных изделий с различной областью применения.
5. Нет необходимости в использовании присадочной проволоки. Этот момент существенно снижает себестоимость проводимой работы.
6. В месте соединения зернистость мелкая. За счет этого повышается плотность сварочного шва и его устойчивость к различного рода воздействия.
7. Отсутствие пор также благоприятно сказывается на качестве полученного соединения. Это свойство можно связать с тем, что при сильном нагреве проводится выделение различных газов и веществ, которые и становятся причиной образования пористости.
8. Практически полное отсутствие признаков коробления и термической деформации определяет то, что финишная обработка требуется крайне редко.
9. После проведения сварочных работ при сварке трением с перемешивание изделие практически сразу готово к применению. При этом нет необходимости в проведении каких-либо подготовительных действий.
10. Не повышается степень реакции поверхности на воздействие окружающей среды. Другими словами, материал не покрывается коррозией.
11. При проведении процедуры на момент сварки трением с перемешиванием не образуется токсичных газов или других выделений. Кроме этого, более распространенные методы, основанные на воздействии тока, приводят к образованию электрической дуги, которая оказывает негативное воздействие на оператора и окружающих при условии отсутствия специальных средств индивидуальной защиты.
12. Уменьшается продолжительность производственного цикла примерно на 50% в сравнении с другими распространенными способами.
13. Экономия на количестве потребляемой энергии составляет 20%.

Как ранее было отмечено, получение бездефектных швов на сплавах определило широкое распространение сварки трением с перемешиванием. Примером можно назвать получение кузовных деталей.

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.

Особенности формирования соединений при применении СТП

Как ранее уже было отмечено, сварка трением с перемешиванием характеризуется достаточно большим количеством особенностей. Среди ключевых моментов, касающихся формирования соединения, можно отметить нижеприведенную информацию:

1. Нагрев металла проводится постепенно до температуры, которая не приводит к изменению основных свойств.
2. Температура повышается только в одном локальном месте. За счет этого обеспечивается высокое качество получаемого соединения.
3. При соблюдении рекомендаций по проведению рассматриваемой процедуры дефекты возникают крайне редко. Именно поэтому в большинстве случаев достаточно провести визуальный осмотр места соединения для контроля качества.

Современное оборудование позволяет получать минимальный шов, которые после финишной обработки практически незаметен. Обширное распространение рассматриваемого метода также можно связать с тем, что она подходит для работы с труднообрабатываемыми металлами.

Сварка трением с перемешиванием – активно развивающаяся технология, которая сегодня все чаще внедряется в различное производство.

Сварка трением перемешиванием

New method of Friction Stir Welding (FSW) is by the effective method of receipt of high-quality connections of constructions of different geometry. In the article advantages of the method and influence of basic parameters of process on quality of the weld-fabricated guy-sutures are shown, examples of the executed works are made.

Сварка трением перемешиванием (СТП) является относительно новым методом получения неразъемных соединений материалов (запатентована The Welding Institute in UK (TWI), (Великобритания)) в 1991 году [1]. На этот способ сварки имеется более раннее отечественное авторское свидетельство СССР [2].

Выполненные в последние годы исследования показали, что СТП является эффективным способом получения высококачественных соединений конструкций различной геометрии, включая листовые материалы, пространственные профильные конструкции, трубы, восстановления изношенных деталей, модифицирования и улучшения структуры материалов, залечивания трещин и литейных дефектов. Обладая широкими технологическими возможностями по получению неразъемных соединений деталей узлов, она может быть использована в качестве альтернативы заклепочным соединениям, контактной, шовной электродуговой, электроннолучевой и лазерной сваркам, сваривания разнородных материалов. Таким образом, СТП становится универсальной технологией, имеющей большие перспективы в различных отраслях производства [3]. По мнению ведущих мировых экспертов, данный процесс является революционным в области сварки листовых материалов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых). Эту технологию считают ключевой для создания авиационной техники пятого поколения. Толщины свариваемых СТП листовых материалов достигли для алюминиевых сплавов 110 мм, а для сталей и никелевых сплавов 45 мм.

Необходимо отметить следующие ключевые преимущества СТП

• Металлургические и производственные:
  • сварка в твердой фазе;
  • низкие деформации свариваемых изделий;
  • высокая размерная стабильность и повторяемость процесса;
  • отсутствует «выгорание» легирующих элементов;
  • высокие прочностные свойства сварного шва;
  • мелкозернистая рекристаллизованная структура сварного шва;
  • отсутствие усадочных трещин;
  • высокая скорость сварки;
  • не требуется дополнительная термическая обработка шва;
  • широкая номенклатура свариваемых материалов.
• Экологические:
  • не требуются защитные газовые среды;
  • минимальные требования к очистке свариваемых поверхностей;
  • не требуется флюсов;
  • отсутствует выделение вредных веществ.
• Энергетические и экономические:
  • низкое потребление энергии (2,5% от энергии, потребляемой при лазерной сварке, 10% от энергии, потребляемой при дуговой сварке);
  • снижение веса конструкций;
  • не требуется присадочных материалов;
  • быстрая окупаемость, обусловленная низким потреблением энергии и отсутствием расходных материалов;
  • уменьшение производственного цикла на 50. 75% по сравнению с обычными способами сварки, например, дуговой;
  • не требуется специальной разделки кромок под сварку и обработки шва после нее.

СТП получает широкое применение во многих отраслях производства. В авиаракетостроении для сварки ответственных конструкций фюзеляжа, баков, панелей различного назначения (NASA, Lockheed-Martin Corp., Boeing, Airbus Integrated Company, Wisconsin Center for Space Automation & Robotics, Oak Ridge National Laboratory, MTS Systems, ГКНПЦ им. M. В. Хруничева и др.). В судостроении СТП используется для сварки корпусов маломерных судов, например, военный катер Littoral Combat Ship сваривается по технологии фирмы Friction Stir Link, Inc.. СТП является базовой технологией фирмы Hitachi Rail Systems в производстве железнодорожных вагонов A-train и японского высокоскоростного поезда (Shinkansen). Имеется опыт сварки трубопроводов. Специализированное оборудование для СТП выпускается фирмами MTS Systems Corporation, Nova-tech engineering inc.. Friction Stir Link, Inc. (США), Danish Stir Welding Technology (DanStir) (Дания), ESAB (Швеция), Osaka East Urban Area, Osaka Cast и Hitachi (Япония), TWI (Англия) и др.

Работы по СТП выполняются и курируются The Welding Institute in UK (TWI) (Великобритания), NASA, Lockheed-Martin Corp., Boeing, Wisconsin Center for Space Automation & Robotics, Oak Ridge National Laboratory MTS Systems Corporation, Thompson Friction Welding (США), Imhof Hartchrom GmbH и Klaus Raiser GmbH (Германия), Hidetoshi Fujii и исследовательским центром JWPI при Osaka University (Япония), Shanghai puda friction welder со., ltd. (Китай) и другими корпорациями и компаниями.

Расширяющееся применение сварки трением обусловлено высоким качеством получаемых сварных соединений. Перемешивание металла в твердой фазе в условиях «теплой» деформации иногда создает микроструктуры более прочные, чем основной материал. Обычно прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90% от характеристик основного материала на уровне, обеспечиваемом применением дорогостоящих электронно-лучевой, диффузионной и лазерной сварок. Сварка трением может выполняться в различных позициях (вертикальной, горизонтальной, под наклоном, снизу вверх и т.д.), поскольку силы гравитации в данном случае не играют роли. Обеспечивается возможность сваривания разнородных материалов, термопластичных пластиков и композиционных материалов. При выполнении сварочных операций не требуется предварительной очистки рабочих поверхностей, отсутствует разбрызгивание расплавленного металла, нет необходимости в присадочных материалах. Немаловажен тот факт, что при наличии специальной оснастки и инструмента сварка трением может выполняться на обычном металлорежущем оборудовании универсальных фрезерных станках и станках с ЧПУ, а также с использованием робототехнических систем. При прочих равных условиях, по сравнению с традиционными процессами дуговой и контактной сварки, СТП имеет энергопотребление в 2. 5 раз меньшее. Эти факторы обуславливают то, что применение СТП ежегодно возрастает на 15. 20%.

В настоящее время в российских организациях накоплен опыт перемешивающей сварки трением различных алюминиевых сплавов. Такие исследования в лабораторных условиях выполнялись в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ВИ-АМ», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ГКНПЦ имени М. В. Хруничева. ФГУП «НПО Техномаш», ОАО «ВНИИАЛМАЗ», ЗАО «Сеспель» и др. Они подтвердили высокую эффективность СТП. На данном этапе главной задачей является создание и организация производства универсализированного и специального оборудования и инструмента. К сожалению, в нашей стране промышленное оборудование для СТП не производится.

Сварка трением перемешиванием является процессом соединения материалов в твердом состоянии, при котором специальный вращающийся инструмент, конструктивно состоящий из плоского или профилированного основания (бурта) и расположенного на нем наконечника с различным профилем (пина), перемещается вдоль поверхностей стыка свариваемых деталей (рис.1). Трение бурта и пина в контакте со свариваемым материалом вызывает тепловыделение, за счет которого происходит размягчение материала. Процесс трения при СТП сопровождается пластической деформации тонких приконтактных слоев, в которых реализуется внутреннее трение. Основными функциями пина являются перемешивание и перенос материала путем его экструзии между поверхностью инструмента и не размягченным материалом, а бурта – создание избыточного давления в зоне сварки. Давление бурта инструмента в зоне стыка вызывает пластическую деформацию и течение пластифицированного металла, перемешиваемого профилированным наконечником. Таким образом, соединение осуществляется в условиях экструзии с проковкой материала при высоких скоростях относительной деформации.

Рис.1 Схема сварки трением перемешиванием

Силы трения и напряженное состояние деформируемого объема материала зависят от закономерностей изменения физико-механических свойств свариваемых материалов в процессе СТП, обусловленных такими факторами как температура, степень и скорость деформации, геометрия инструмента и технологические режимы.

Основными параметрами процесса СТП являются

1. Сила, действующая на инструмент в процессе сварки

Ее принято раскладывать на составляющие (рис.1) в декартовой системе координат:

Сварка трением с перемешиванием: виды, технология, оборудование

Существует большое многообразие сварочных методов. Среди них есть такой экзотический процесс, как сварка трением с перемешиванием. Его отличительной чертой является отсутствие расходных материалов, таких как электроды, сварочная проволока, защитные газы. Недавно разработанный метод обретает широкое распространение.

История появления

История сварки трением с перемешиванием (СТП) началась в 1991 году. Это была инновационная разработка Британского Института Сварки (TWI). Спустя несколько лет технология была использована в строительстве самолетов и морских судов.

Первыми компаниями, запустившими новую технологию в производство, были норвежская Marine Aluminium и американская Boeing. На своих предприятиях они использовали сварочное оборудование концерна ESAB, специализирующегося на разработках в области ротационной сварки трением (РСТ).

С 2003 года компания непрерывно ведет исследования возможностей сварки трением с перемешиванием. Например, были разработаны способы сваривания алюминиевых сплавов и их модификаций, применяющихся в областях строительства самолетов, морских судов и железнодорожных контейнеров.

В авиастроении была найдена возможность заменить заклепочные соединения сварными. Причем скорость сварки методом СТП значительно превышает скорость электродуговой. Сварной шов длинной 6 метров может быть сформирован за одну минуту, тогда как скорость сварки обычным способом достигает всего 0,8-2 м/мин при толщине детали 0,5 см.

Суть процесса

Соединение металлов происходит за счет разогрева в зоне сварки методом трения. Основным сварочным инструментом сварки трением с перемешиванием является металлический стержень, состоящий из двух половинок: бурта и заплечика.

Своей выступающей частью вращающийся стержень погружается в материал, вызывая сильный нагрев. Его подачу ограничивает заплечик, не позволяя пройти насквозь свариваемую деталь. В зоне нагрева материал значительно увеличивает свою пластичность и, придавливаемый заплечиком, формирует единую массу.

Следующим этапом происходит перемещение стержня вдоль свариваемой зоны. Двигаясь вперед, бурт перемешивает разогретую металлическую массу, которая после остывания образует прочное соединение.

Что влияет на качество СТП

Сварка трением с перемешиванием — это процесс постоянно развивающийся. Но уже сейчас можно выделить несколько параметров, влияющих на качество соединения:

1. Усилие, создаваемое инструментом.
2. Скорость подачи сварочной головки.
3. Величина бурта.
4. Окружная скорость вращения стержня.
5. Угол наклона.
6. Усилие подачи стержня.

Манипулирование характеристиками сварки позволяет достигать соединения разнородных металлов. Например, алюминия и лития. Литий благодаря своей малой плотности и высокой прочности может выступать как легирующий компонент деталей из алюминиевых сплавов, что позволяет применять эту технологию в аэрокосмической отрасли.

Сварка трением с перемешиванием может с легкостью заменить ковку, штамповку, литье, когда они применяются для производства деталей из трудно сочетающихся металлов. Например, сталей со структурой аустенита и перлита, стали из алюминия или бронзы.

В каких сферах применяется

Такие сферы производства, как автомобилестроение, постоянно работают над тем, как увеличить прочностные качества изделия при уменьшении его массы. В связи с этим непрерывно идет внедрение новых материалов, которые были ранее не свойственны ввиду сложности обработки. Все чаще силовые элементы, такие как подрамники, а иногда и кузова целиком, делают из алюминия или его сочетания с другими материалами.

Так, в 2012 году компания “Хонда” применила аддитивные технологии и сварку трением с перемешиванием для производства подрамников для своих автомобилей. Они внедрили сочетание стали и алюминия.

При производстве сварных элементов кузова из алюминия может возникать прожиг листов металла. Этого недостатка лишена СТП. Кроме того, что потребление электричества снижается в 1,5-2 раза, снижаются затраты на расходные материалы, такие как сварочная проволока, защитные газы.

Кроме производства автомобилей СТП применяется в следующих областях:

1. Строительное производство: алюминиевые опорные фермы, пролеты мостов.
2. Железнодорожный транспорт: рамы, колесные тележки, вагоны.
3. Судостроение: переборки, элементы конструкции.
4. Авиастроение: топливные баки, части фюзеляжа.
5. Пищепром: различные емкости для жидких продуктов (молоко, пиво).
6. Производство электротехники: корпуса электродвигателей, параболические антенны.

Кроме алюминиевых сплавов сварка трением с перемешиванием применяется для получения соединений меди, например, при производстве медных контейнеров для захоронения отработанного радиоактивного топлива.

Достоинства СТП

Исследование СТП позволило подобрать режимы сварки при соединении различных групп сплавов. Несмотря на то, что изначально СТП разрабатывалась для работы с металлами с низкой температурой плавления, такими как алюминий (660 °C), впоследствии стала применяться для соединения никеля (1455 °С), титана (1670 °C), железа (1538 °C).

Исследования показывают, что шов, полученный таким способом, полностью соответствует по своей структуре металлу свариваемых деталей и имеет более высокие показатели прочности, меньшие затраты трудоемкости и низкую остаточную деформацию.

Правильно подобранный режим сварки гарантирует соответствие материала шва и свариваемого металла по следующим показателям:

• усталостная прочность:
• прочность на изгиб и растяжение;
• ударная вязкость.

Преимущества перед другими видами сварки

СТП имеет множество достоинств. Среди них:

1. Нетоксична. В отличие от других разновидностей, здесь нет горения электрической дуги, благодаря которой расплавленный металл испаряется в зоне сварки.
2. Увеличение скорости формирования шва, благодаря чему снижается время производственного цикла.
3. Снижение затрат на электроэнергию в два раза.
4. Отсутствие необходимости в дальнейшей обработке сварного шва. Инструмент для сварки трением с перемешиванием в процессе работы формирует идеальный шов, не требующий зачистки.
5. Нет необходимости в дополнительных расходных материалах (сварочной проволоки, технических газов, флюсов).
6. Возможность получения соединений металлов, недоступных для остальных видов сварки.
7. Нет необходимости в особой подготовке сварочных кромок, за исключением очистки и обезжиривания.
8. Получение однородной структуры шва без пор, в результате чего становится проще контроль качества, который регламентирован для сварки трением с перемешиванием ГОСТ Р ИСО 857-1-2009.

Как проверяется качество сварного шва

Качество сварки проверяется двумя разновидностями контроля. Первый подразумевает разрушение опытного образца, полученного в результате соединения двух деталей. Второй допускает проверку без разрушения. Применяются такие методы, как оптический контроль, аудиометрическое исследование. Оно помогает определить наличие пор и неоднородных включений, ухудшающих характеристики шва. Результаты звукового контроля представляют собой диаграмму, наглядно показывающую места отклонения акустического эха от нормы.

Недостатки метода

При многочисленных достоинствах метод сварки трением имеет сопутствующие минусы:

1. Отсутствие мобильности. СТП предполагает соединение неподвижных деталей, жестко закрепленных в пространстве. Это накладывает на оборудование для сварки трением с перемешиванием определенные свойства, такие как неподвижность.
2. Низкая универсальность. Громоздкое оборудование настраивается на выполнение однотипных операций. В связи с этим приспособления для сварки проектируются под конкретные задачи. Например, для сваривания автомобильных боковин на конвейере, и ни для чего другого.
3. Сварочный шов имеет радиальную структуру. В связи с этим при определенных видах деформации или при работе детали в агрессивной среде может накапливаться усталость сварного шва.

Разновидности СТП по принципу действия

Сварочные процессы, использующие в основе трение, можно разделить на несколько типов:

1. Линейное трение. Суть метода сводится к получению неразъемного соединения не в результате действия вращающегося наконечника, а по причине движения деталей друг относительно друга. Воздействуя на поверхность в точке соприкосновения, они создают трение и, как следствие, высокую температуру. Под давлением происходит расплавление примыкающих частей, и возникает сварное соединение.
2. Радиальная сварка. Этот метод применяется для производства емкостей большого диаметра, железнодорожных цистерн. Он сводится к тому, что стыки деталей разогреваются вращающимся кольцом, одетым снаружи. Силой трения оно вызывает температуру, близкую к температуре плавления. Примером предприятия, использующего данную технологию, может служить чебоксарская фирма по производству цистерн “Сеспель”. Сварка трением с перемешиванием занимает основную долю сварочных работ.
3. Штифтовая сварка. Данная разновидность заменяет собой заклепочное соединение. Этот вид применяется при соединениях внахлест. Вращающийся штифт в месте соприкосновения разогревает свариваемые детали. От высокой температуры происходит расплавление, и штифт проникает внутрь. Остыв, он создает прочное неразъемное соединение.

Разновидности СТП по уровню сложности

Сварочные операции, выполняемые при помощи трения, можно условно разделить на плоскостные и объемные. Главное отличие этих разновидностей в том, что в первом случае сварочный шов формируется в двухмерном пространстве, а во втором в трехмерном.

Так, для плоскостных соединений предприятие по выпуску сварочного оборудования ESAB разработало 2D-установку LEGIO. Она представляет собой настраиваемую систему для сварки трением с перемешиванием различных цветных металлов. Разные размерные группы оборудования позволяют сваривать детали малых и больших размеров. Согласно маркировке оборудование LEGIO имеет несколько компоновок, которые отличаются количеством сварочных головок, возможностью сварки по нескольким осевым направлениям.

Для сварочных работ со сложным положением в пространстве существуют 3D-роботы. Такие аппараты устанавливаются на автомобильных конвейерах, где требуются сварные швы непростой конфигурации. Одним из примеров таких роботов может служить установка Rosio производства ESAB.

Заключение

СТП выгодно отличается от традиционных видов сварки. Ее повсеместное применение не только сулит экономическую выгоду, но и сохранение здоровья людей, занятых в производстве.

Сущность сварки трением

Фрикционная технология или сварка трением основана на способности металла преобразовывать энергию силы трения в тепловую. Метод разработан в России более 60 лет назад для соединения разнородных металлов. Экологически безопасная технология постоянно совершенствуется, расширяется спектр производимых сварных работ.

Что такое сварка трением

Сварка трением, по сути, это способ соединения металлов под давлением при нагреве до точки пластичности за счет фрикционных сил во время взаимного движения заготовок. Детали подвергают трению под большой нагрузкой. Благодаря происходящим в металле внутренним структурным процессам, удается получать прочные соединения без больших энергозатрат. Движение бывает:

• вращательным;
• поступательным;
• возвратно-поступательным (колебательным).

Двигаются обе заготовки одновременно или только одна, вторая жестко закреплена. В отличие от других видов сварки, технология с использованием силы трения применима для сплавов с разными температурами плавления. В процессе соединения металл не расплавляется, а вдавливается, образуя прочный шов.

Область применения

Фрикционная сварка изначально разрабатывалась для оборонной промышленности, атомного комплекса. Затем метод стали использовать в машиностроении, электротехнике. Радиальным методом сваривают трубы для добывающей отрасли. Подходит для соединения плохо свариваемых металлов, магниевых, алюминиевых сплавов, цветных металлов, углеродистой, легированной стали, разнородных пластичных сплавов. Технология заменяет клепку, контактную электросварку. Используется для наплавки режущего инструмента, восстановления деталей.

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.

• 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.

Виды сварки трением

Разработаны различные технологии, в результате которых в месте стыка образуется сцепляющий молекулярный слой, надежно удерживающий свариваемые заготовки вместе. Методика предусматривает различные способы преобразования силы трения в тепловую. Каждую технологию сварки стоит рассмотреть подробно.

Сварка трением с перемешиванием

Молодая технология запатентована в конце прошлого века, разработана в Британии. При сварке трением с перемешиванием обе свариваемые детали закрепляются неподвижно. Кромки подготавливают так, чтобы между ними мог пройти вращающийся инструмент, создающий силу трения. Он представляет собой цилиндр со штырем и заплечиками. Кромки для сварки трением с перемешиванием нагреваются от вращения центрального штыря между сдавливаемыми деталями. Размягченный металл смешивается движущимся стержнем, центробежной силой вытесняется назад, полностью заполняет зазор между заготовками. Формируется сварочный шов, валик корректируют заплечики. После одной или нескольких проходок стыка инструмент, используемый при сварке, выходит за область деталей. При сжатии жидкий металл шва уплотняется.

Линейная сварка

Для нагрева металла используется поступательное движение. Для линейной сварки трением кромки соприкасаются за счет колебательных движений, одна заготовка зажимается, другая подвижна. Когда металл разогрет до точки пластичности, детали сжимают. Размягченный сплав в процессе сварки взаимно вжимается, образуется общий слой молекул. Технология применяется для соединения элементов из различных металлов, схожих по показателям пластичности. Образуется прочное соединение по всей площади стыка.

Орбитальная сварка

Сжатые заготовки соприкасаются, вращаясь по разным орбитам в одной плоскости. Орбитальную сварку трением обычно используют для деталей с большой площадью соприкосновения. Регулируется относительное смещение осей (эксцентриситет), скорость движения. Когда за счет силы трения поверхности заготовок разогреваются до необходимой температуры, заготовки устанавливают соосно, сильно сдавливают. После формирования шва производится проковка для упрочнения структуры диффузного слоя.

Инерционная сварка трением

По технологии одна свариваемая часть плотно фиксируется, другая крепится к маховику. Разгоняется, скорость достигает 11 м/с, угловое ускорение – от 150 до 300 рад/с 2 . Разогрев происходит во время сближения раскрученной заготовки с неподвижной. Разогрев происходит за счет сил инерции, накопленной маховиком. Двигатель в этот момент уже отключен, а подвижную заготовку вдавливают в неподвижную с усилием до 4740 кг/см 2 в зависимости от толщины свариваемых элементов, вида и марки сплава. Когда маховик останавливается (заканчивается накопленная энергия), разогретые прижимаемые друг к другу поверхности сцепляются, образуя общий диффузный слой.

Сварка трением с непрерывным ходом

Технология была разработана в середине прошлого века. Одну из свариваемых деталей жестко закрепляют, другая непрерывно вращается на этой же оси. От осевого усилия нагрева детали разогреваются. При достижении точки пластичности вращение прекращается. Когда заготовки с усилием сдавливают, образуется диффузный слой, поверхности спекаются. Стык для уплотнения проковывают. Процесс регулируют по времени разогрева поверхностей, степени сдавливания.

Радиальная сварка

Этот метод создан для заделки трубных стыков, роль присадки выполняет разжимное кольцо. Существует два способа установки присадочного обода:

• наружный, кольцо вращается поверх трубы, внутрь устанавливается оправка, которая не дает трубе деформироваться при сжатии разогретого кольца;
• внутренний, кольцо вращается внутри трубы, оправка надевается сверху.

При вращательном движении кольца возникает сила трения. Кромки разогреваются, поверхность присадочного обода тоже. При сжатии наружного или расширении внутреннего кольца формируется сварной шов, образуется герметичное соединение, рассчитанное на большую нагрузку.

Штифтовая сварка

Метод используют для укрепления деталей в месте дефекта. Под размер штифта, выполняющего роль наплавки, высверливается отверстие. Штифт вводится вращением с большой скоростью. За счет силы трения металл в области соединения разогревается, размягчается. Между штифтом и деталью формируется прочный сварочный шов. Мобильный метод часто применяется при проведении ремонтных работ. Надежно установленный штифт повышает срок службы упрочняемой детали.

Колебательная сварка

Технология вибротрения предусматривает движение одной или обеих заготовок относительно друг друга с высокой частотой. При возвратно-поступательном движении поверхности становятся пластичными, быстро схватываются при сжатии. Метод применяется для соединения материалов с высоким коэффициентом пластичности.

Роликовая сварка

Метод разработан для листовой тонкостенной стали. Вращающийся ролик движется по шву со скоростью до 2м/с, прижимные пластины в это время оказывают давление до 5 кг/см2. За счет вращения ролика создается необходимое для разогрева металла трение в области стыка или наложения тонких листов внахлест.

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.

Применяемое оборудование

Для сваривания используют металлорежущие станки, но они не подходят для длительного применения, быстро выходят из строя. Специальные машины с блоком управления созданы по одному принципу: силовой привод подводится к двигающимся механизмам. Для фиксации свариваемых заготовок предусмотрены зажимные устройства, двигающие механизмы. Работает оборудование в автоматическом или полуавтоматическом режиме (укладка заготовок, выемка готовых изделий производится в ручном режиме). Машины бывают универсальными и под определенную технологию. На некоторых устройствах предусмотрена предварительная подготовка свариваемых поверхностей, заточка и выравнивание кромок.

Контроль качества

При визуальном методе контроля швов выявляют подрезы, наплывы, трещины. Внутренние дефекты выявляют методами разрушающего или неразрушающего контроля.

• металлографический анализ шва;
• исследование химического состава диффузного слоя;
• механические испытания (определяют предел выносливости соединения на растяжение, кручение, изгиб под ударной нагрузкой, сжатие; проверяют усталостную стойкость шва, герметичность соединения).

Разрушающие методы контроля применяются в исключительных случаях:

• на образцах при разработке технологии;
• готовых деталях при выборочном контроле, регламентированном стандартом.

К неразрушающим методам относятся исследования с применением приборов, делается:

• просвечивание соединения рентгеновскими или гамма-лучами;
• ультразвуковой основан на способности луча отклоняться при различной плотности материала;
• магнитные фиксируют изменение потока.

Исследования проводятся выборочно, где на шов оказывается разнонаправленная нагрузка. Фрикционная технология надежная: образуются прочные швы, если обеспечена достаточная скорость движения, на разогретый металл оказывается необходимое давление.