преимущества и недостатки, необходимое оборудование, технология процесса

Классическая сварка трением, распространенная в тяжелом машиностроении с 1960-х годов прошлого века, не могла обеспечить достаточную равномерность швов, что с развитием техники потребовало создания новых, более эффективных методик. Одной из них стала сварка трением с перемешиванием, которая начала разрабатываться еще в 70-х годах, но широкую известность и одноименный патент получила после исследования британского Технологического института сварки в 1991 году.

Понятие и суть процесса сварки трением с перемешиванием

В общем случае метод предполагает выполнение следующего алгоритма действий:

• разрушение поверхностных пленок, выброс их остатков и загрязняющих частиц;
• заглубление инструмента в материал, начало формирования ванны с пластично-деформированным металлом;
• движение инструмента по ванне, перемешивание частиц материала;
• извлечение инструмента и застывание ванны.

Шов, полученный методом трения с перемешиванием, несимметричен, так как имеет сторону наплыва, которая соответствует направлению вращения инструмента. Противоположная сторона называется стороной отхода. В остальном соединение получается качественней и аккуратней, чем у других сварочных методик.

Схема сварки трением с перемешиванием

Преимущества и недостатки методики

Сварка трением с перемешиванием практически лишена недостатков, касающихся непосредственно качества шва. Основная проблема, связанная с ней – необходимость закрепления соединяемых заготовок на опорном столе, что существенно ограничивает возможность работы с деталями сложной конфигурации, крупногабаритными и тяжеловесными изделиями.

Оборудование, используемое для сварки трением с перемешиванием, отличается сложностью и дороговизной, а для его управления, как правило, используется специфичное ПО.

Методика сварки трением с перемешиванием обеспечивает неоспоримые преимущества как в сравнении с классическими видами сварки (электродуговой, плазменной и др.), так и в сравнении с обычной сваркой трением. К ним относится следующее:

1. Возможность работы с любыми металлами без их предварительной подготовки и дополнительных защитных операций. Например, разрушение оксидных пленок происходит механическими силами, а, значит, не требуется использование газовых сред и присадочных материалов.
2. Соединение происходит без плавления вещества, что исключает разбрызгивание металла, выброс опасных газов, дымление и прочие неблагоприятные факторы.
3. Обеспечивается однородность и мелкозернистость шва, что гарантирует высокие показатели прочности и низкий уровень остаточных напряжений, а также коррозионную стойкость соединений.
4. Энергопотребление снижается на 50-80% в сравнении с электродуговой и контактной сваркой.

В каждом конкретном случае качества шва задается рядом показателей, к которым, помимо типа инструмента и материала его изготовления, относят скорость вращения и линейного перемещения наконечника, силу давления бурта на металл, угол заглубления, глубину проработки стыка и другие.

Область применения

Чаще всего сварку трением с перемешиванием используют для соединения заготовок из алюминия и его сплавов, что легко объяснить сложностями проработки этих металлов классическими методами, в первую очередь – их склонностью к образованию тугоплавких оксидных пленок. Основными сферами применения технологии стали промышленность, энергетика и транспорт, в частности:

• изготовление автомобилей и их комплектующих;
• производство железнодорожного подвижного состава и элементов инфраструктуры;
• изготовление и ремонт деталей, узлов и агрегатов морских судов;
• авиационная и космическая промышленность;
• тепловая и атомная электроэнергетика.

Этот перечень постоянно пополняется новыми пунктами. Постепенно оборудование для сварки трением с перемешиванием становится доступнее, входит в производственные фонды относительно малых промышленных предприятий.

Необходимое оборудование

Установка для сварки трением с перемешиванием представляет собой, по сути, станок с ЧПУ, ориентированный на массовое производство деталей из заготовок по заданной программе. Она состоит из таких компонентов:

• корпус со станиной, оборудованной механизмами фиксации заготовок;
• электродвигатель высокой мощности, передающий крутящий момент подвижным частям установки;
• система привода шпинделя, обеспечивающая его осевое, продольное и поперечное движение;
• рабочий орган, представленный головкой с режущим наконечником и опорным буртом;
• система электронного управления.

Обычно при изменении конфигурации или типа заготовок достаточно перепрограммировать установку. Сложности возникают при необходимости последовательной проварки детали в различных плоскостях. В таком случае используют дополнительные поворотные механизмы стола или шпинделя.

Как происходит процесс сварки

Соединение заготовок трением с перемешиванием не требует выполнения каких-либо предварительных операций, в том числе кромкования. Даже очистка и удаление поверхностных пленок осуществляются непосредственно рабочим органом установки. После закрепления заготовок на опорном столе выполняется следующая последовательность действий:

1. Вращающийся стержень, играющий роль сварочного инструмента, погружается наконечником в стык свариваемых заготовок. Силы трения, вызванные высокой скоростью вращения, раскаляют металл до пластичного состояния.
2. Утолщенная часть вращающегося стержня, называемая буртом или заплечником, упирается в металл, ограничивая заглубление и предотвращая растекание сварочной ванны. Продолжая вращаться, наконечник перемешивает частицы металла.
3. Одновременно с вращением инструмент начинает линейное движение, продвигаясь вдоль шва и формируя единую сварочную ванну с равномерно распределенным веществом. Бурт давит на ванну, уплотняя материал и придавая зоне пластичного течения направленную форму.
4. По мере отдаления наконечника ванна начинает остывать. Проработав шов, то есть завершив линейное движение, инструмент извлекается. В конечной точке обычно остается небольшое отверстие от наконечника.

Обычно ось инструмента слегка наклонена вперед по ходу движения, что облегчает процесс. Стандартный угол уклона – 1,5-4,5°.

Если угол избыточен, бурт не будет полностью касаться поверхности металла, что, в свою очередь, способно вызвать тоннельный дефект.

Сущность процесса сварки трением с перемешиванием

В 1991 г. Британским институтом сварки (TWI) был разработан новый метод получения сварных соединений, получивший общепринятое название «сварка трением с перемешиванием» (СТП) [1 – 5]. В работе [6] предлагалось использовать другое название – «способ соединения с использованием активации на поверхности раздела фаз». В последующие годы проходило интенсивное изучение данного процесса, направленное на совершенствование технологии и оборудования, результатом чего стало внедрение данного способа за рубежом в производство высокотехнологичных изделий в таких отраслях как вагоно-, судо-, авиастроение и других. Исследователи данного процесса считают, что если 10% общего объема формирования соединений в США заменить СТП, то будет достигнуто 1,28 · 10

13 БТЕ/год сбережений энергии и на 500 фунтов/год меньше выделений парникового газа. Расчетная ежегодная экономическая выгода промышленности США от внедрения СТП $4,9 млрд/год [7].

Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе.

Сущность процесса заключается в следующем

Для сварки используют инструмент, состоящий из двух основных частей, а именно: заплечика (утолщенная часть) и штыря (выступающая часть). Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы штырь внедрился в заготовки на глубину примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности. После чего инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки. Нагретый в результате работы сил трения  до пластического состояния и перемешанный вращающимся инструментом материал вытесняется в освобождающийся позади движущегося по линии стыка инструмента и ограниченный сверху заплечиком объем, в котором и формируется шов. По окончании сварки вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка.

Рисунок 1 – Схема процесса сварки трением с перемешиванием

СТП применяют в основном для соединения материалов со сравнительно низкой температурой плавления, прежде всего алюминиевых и магниевых сплавов.

Первые эксперименты были проведены на алюминиевых сплавах системы Al – Mg – Si (серия 6000), которые показали высокое качество полученных соединений [8 – 11]. Дальнейшее развитие СТП позволило сваривать алюминиевые сплавы систем Al – Cu (серия 2000) [12 – 15], Al – Mg (серия 5000) [16 – 18], Al – Zn – Mg – Cu (серия 7000) [19 – 22], Al – Li (серия 8000) [23]. Также выполнена сварка сплавов серии 1000 [24, 25]. О результатах по сварке трением с перемешиванием магниевых сплавов сообщается в работах [26 – 28]. Также предприняты успешные попытки сварки данным способом медных [29 – 31], цинковых [32], никелевых [7] и титановых сплавов [6, 33], а также сталей [34 – 38]. С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной от 0,2 мм [25] до 75 мм за один проход [39]. Скорость сварки при СТП достигает 2 – 3 м/мин на сплаве 6082 толщиной 5мм [40]. В [7] сообщается о проведенных в 2005 году в GKSS – GmbH (США) работах по сварке методом СТП тонких алюминиевых пластин со скоростью 780″/мин.

Особенности сварки трением с перемешиванием: принцип и сферы применения

Сварка с помощью трения и перемешивания (СТП) представляет собой процедуру, при котором используется давление. То есть скрепляемые элементы нагреваются посредством силы трения друг об друга. При этом одна из частей остается в неподвижном состоянии, а вторая крутится, что и обуславливает их взаимодействие. Эта методика является достаточно новой, и, наверное, еще не каждый сварщик или специалист в данной области успел ее изучить.

Принцип применения

Эта процедура предполагает то, что одна из деталей при вращении будет вырабатывать большое количество тепла, в результате чего материалы соединятся друг с другом. Однако крутиться может и специальное приспособление, выполненное в виде небольшой вставки, которое повышает качество скрепления. Поверхности при этом крепко сдавливаются друг с другом.

После окончания работы производится осадка, а вращение заготовки резко останавливается.

Процесс «стыковки» можно поделить на несколько стадий:

1. Посредством трения происходит ликвидация окисленных пленок.
2. Нагревание обрабатываемой заготовки до расплавления.
3. Возникновение и нарушение временного контакта.
4. Из места стыковки удаляются наиболее пластичные элементы обрабатываемого материала.
5. Окончание процедуры и формирование монолитной стыковки.

Преимущества методики

У СТП существует достаточно большое количество преимуществ, которые касаются экологии, экономики и энергетики и т. д. На этом стоит остановиться подробнее:

1. При использовании сварки трением с перемешиванием можно достичь высококачественного соединения элементов. Однако это зависит напрямую от навыков исполнителя и режима работы. В результате в швах не будет раковин, пор и других дефектов, а сам материал на месте стыковки будет обладать совершенно однородной структурой.
2. Высочайший уровень производительности. При трении нагревается не очень толстый слой, поэтому процедура не требует большого количества времени. Этот интервал варьируется от 5−10 секунд до минуты. Тут все зависит от сечения деталей и материала, из которого они изготовлены.
3. В процессе трения не происходит выделения УФ-излучения, что благоприятно влияет на безопасность работы. Также нет никаких газовых выделений и металлических брызг.
4. С помощью СТП можно обрабатывать самые разные материалы.

Что касается недостатков, то к ним можно отнести следующие:

• громоздкое и неудобное оборудование;
• текстуры в месте сварки иногда деформируются;
• процесс характеризуется низкой универсальностью.

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.

Сферы использования

СТП часто применяют во многих производственных областях. В ракетном и авиационном строительстве эта технология применяется для изготовления различных панелей и фюзеляжа. Что касается судостроения, то СТП в этой сфере применяется для сварки конструкций малых судов. Она позволяет делать очень прочные соединения. Сварные швы после методики СТП могут выдерживать существенные нагрузки и отличаются долговечностью.

Сварка с помощью трения соединяет металлические сплавы, которые при этом находятся не в расплавленном, а в твердом состоянии. Для этого применяется специальное оборудование, состоящее из профилированного основания, бурта и наконечника с металлическим профилем, который передвигается по стыку обрабатываемой детали. Затем происходит выделение большого количества тепловой энергии и последующая стыковка поверхностей.

Конечно, увидеть этот процесс своими глазами нужно всем. Эта методика обладает массой достоинств, отличающих ее от множества других сварочных технологий.

Специалистам многих сфер деятельности СТП полюбилась за то, что она очень удобна и проста в применении. Кроме того, этот способ позволяет сэкономить время на подготовительных мероприятиях.

Сварка трением с перемешиванием — технология

Сварка СТП, трением с перемешиванием — это разновидность соединения с использованием давления. Она обозначает, что свариваемые части будут нагреваться в результате трения друг об друга. Одна часть остаётся неподвижной, а другая вращается, что и позволяет деталям соединяться между собой.

Такой способ довольно новый, и, возможно, не все специалисты или сварщики любители успели познакомиться с такой технологией сварки. Поэтому далее будут подробнее рассмотрены принципы её работы, преимущества, недостатки, параметры, особенности и разновидности этого способа.

Принципы использования трения для соединений

Этот процесс означает, что одна делать во время своего вращения, будет создавать тепловую энергию, в результате чего и произойдет соединение материалов друг с другом. Но вращаться может не только одна из деталей, а и специальный инструмент для сварки трением с перемешиванием в виде вставки, который также способствует качественному соединению деталей. Поверхности придавливаются одна к другой постепенно или с помощью постоянного давления.

Когда сварка завершена, происходит осадка, а деталь быстро перестаёт вращаться. Зоне стыковки характерны такие процессы, как притирание друг к другу контактных поверхностей в результате увеличения давления на детали и увеличения частоты вращения материала. Жировые пленки, которые находятся на заготовках в исходном состоянии будут разрушаться, после чего граничное трение сменится на сухое. Определённые небольшие выступы будут входить в контакт, и начинать деформироваться.

Весь процесс соединения можно разделить на несколько этапов:

1. С помощью трения удаляются окисленные плёнки;
2. Нагрев свариваемой поверхности до состояния плавления;
3. Появление и разрушение временного контакта;
4. Из стыка убираются самые пластичные части материала;
5. Завершение процесса и образование монолитной сварной стыковки.

Преимущества соединения трением

Преимуществ у СТП достаточно много как со стороны производства и металлургии, так и со стороны энергетики, экономики и экологии, рассмотрим подробнее каждые из них:

1. При сварке трением всегда можно добиться высокого качества сварочной зоны соединения. Но это всегда зависит от опыта специалиста и правильности выбора режима для сварки. В полученном шве всегда будут отсутствовать поры, раковины другой брак, а сам металл в зоне соединения будет иметь однородную структуру;
2. Производительность находится на высоком уровне. Толщина слоя, который нагревается в результате трения, невелик, поэтому вся процедура сваривания не занимает много времени, обычно это промежуток от нескольких секунд до одной минуты. Это будет зависеть от материала деталей и их сечения. Таким образом, соединение может составить конкуренцию по производительности даже электрической стыковой сварке;
3. Сварка трением с перемешиванием подразумевает повышенные характеристики качества шва на постоянной основе. Если используется одинаковый режим соединения для всех металлов, он будет иметь аналогичные друг другу свойства. Это угол изгиба, временные показатели сопротивления, ударная вязкость, а также иные показатели, которые будут отличаться один от другого всего на 7-10%. В итоге есть возможность применить выборочный контроль финального качества, он будет играть очень важную роль, так как более дешевые и простые способы контроля соединения, которые не будут нарушать их целостность, в среде цехов по сварке в основном отсутствуют;
4. Повышенная энергоэффективность. Высокий уровень КПД обеспечивает тепло, которое образуется локально, в ограниченных объемах, это позволяет сократить расходы энергии почти в 10 раз, если сравнивать со стыковой контактной сваркой;
5. При сварке трением не выдвигаются особые требования по подготовке и чистке свариваемой поверхности. Это позволит сэкономить время на процессе сварки в целом;
6. При полностью автоматическом режиме сварки результат будет таким же качественным, а сам процесс не создаст никаких сложностей специалисту;
7. Всегда есть возможность провести сварку различного рода металлов. Это касается как однородных сплавов, так и разноименных металлов, что выгодно отличает СТП от других способов соединения, которые в подобной ситуации не принесут положительного результата;
8. При трении не выделяются ультрафиолетовые излучения, что позитивно сказывается на гигиеничности процесса. Также отсутствуют брызги и выделение других вредных газов.

Недостатки

Несмотря на все вышеперечисленные плюсы, сварка может иметь и обратную сторону, которая имеет определённые недостатки:

1. Оборудование может быть неудобным и громоздким. Такой процесс не является довольно гибким и заключается в использовании стационарных машин. Если речь пойдёт о приварке небольшой заготовке к массивной части, осуществить такую операцию с помощью переносного устройства станет невозможным;
2. Процесс имеет низкую универсальность. Это обозначает, что нужно всегда учитывать особенность такого соединения, при котором одна из деталей должна обязательно вращаться. А вторая должна иметь соответствующую плоскость и быть устойчивой. Но назвать это недостатком в полной мере не приходится, это лишь конкретный принцип, который характерен данному способу соединения;
3. Текстурные волокна детали в зоне сварки могут подвергаться деформации. В зоне стыковки волокна располагаются радиально и выходят на наружную часть материала. Поэтому если деталь используется в агрессивной среде или с постоянными нагрузками, есть вероятность образования коррозии или усталостные разрушения.

Виды

Этот способ сварки с трением и перемешиванием был изобретен ещё в 1991 году. После чего появились и его подвиды. К ним относят:

• Линейная сварка трением. При данном способе для соединения не используется вращение деталей. Это и есть главное отличие способа от остальных. Соединяемые детали трутся друг об друга до тех пор, пока не образуется требуемая среда для прочного соединения. Одна из заготовок будет производить возвратно-поступательные движения, а давление позволить добиться требуемого соединения.
• Радиальная сварка. Эта разновидность уместна при соединениях трубных конструкций. На стыках труб находится специальное кольцо, которое при вращении образует требуемый показатель тепла для соединения поверхностей.
• Штифтовая сварка. Её в основном используют при ремонтных работах. Для начала нужно просверлить отверстие и направить в него штифт из соответствующего материала. Затем он вращается, образуя тепло и пластификацию поверхности, что дает возможность получить прочное соединение заготовок.

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.

Вывод

Ознакомиться с данным процессом более близко, несомненно, стоит каждому, ведь он всегда обладает высокой производительностью и качеством соединения. Также способ имеет большое количество преимуществ, которые выгодно отличают его среди прочих технологий сварки. Особое значение нужно уделить простоте и удобности использования СТП, при которой всегда можно сэкономить уйму времени, не тратя его на тщательные подготовительные работы при установке сварки трением.