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 набуває широкого поширення.

Історія появи

Історія зварювання тертям з перемішуванням (СТП) почалася в 1991 році. Це була інноваційна розробка Британського інституту зварювання (TWI). Через кілька років технологія була використана в будівництві літаків і морських суден.

Першими компаніями, що запустили 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 ротаційного зварювання тертям (РСТ).

З 2003 року компанія безперервно веде дослідження можливостей зварювання тертям з перемішуванням. Наприклад, були розроблені способи зварювання алюмінієвих сплавів і їх модифікацій, що 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 електродугового. 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 см.

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: бурта і заплечика.

Своєю виступаючою частиною обертовий стрижень занурюється в матеріал, викликаючи сильне нагрівання. Його подачу обмежує заплечик, не дозволяючи пройти наскрізь зварювану деталь. У зоні нагріву матеріал значно збільшує свою пластичність і, придавлюється 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 постійно розвивається. Але вже зараз можна виділити кілька параметрів, що впливають на якість з'єднання:

1. Зусилля, створюване інструментом.
2. Швидкість подачі зварювальної головки.
3. Величина бурту.
4. Окружна швидкість обертання стрижня.
5. Кут нахилу.
6. 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 легуючий 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 зі структурою аустеніту і перліту, сталі з алюмінію або бронзи.

В 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 безперервно йде впровадження нових матеріалів, які були раніше не властиві через складність обробки. Все частіше силові елементи, такі як підрамники, а іноді і кузова цілком, роблять з алюмінію або його поєднання з іншими матеріалами.

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

При виробництві зварних елементів кузова з алюмінію може виникати пропал 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, захисний газ.

Крім виробництва автомобілів СТП застосовується в наступних областях:

1. Будівельне виробництво: алюмінієві опорні ферми, прольоти мостів.
2. Залізничний транспорт: рами, колісні візки, вагони.
3. Суднобудування: перебирання, елементи конструкції.
4. Авіабудування: паливні баки, частини фюзеляжу.
5. Харчопром: різні ємності для рідких продуктів (молоко, пиво) .
6. Виробництво електротехніки: Корпуси електродвигунів, параболічні антени.

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

Гідності 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 °C), титану (1670 °C), заліза (1538 °c).

Дослідження показують, що шов, отриманий таким способом, повністю відповідає за своєю структурою металу деталей, що зварюються і має більш високі показники міцності, менші витрати трудомісткості і низьку залишкову деформацію.

Правильно підібраний режим зварювання гарантує відповідність матеріалу шва і зварюваного металу за наступними показниками:

• втомна міцність:
• міцність на вигин і розтягнення;
• ударна в'язкість.

Переваги перед іншими видами зварювання

СТП має безліч достоїнств. Серед них:

1. Нетоксична. На відміну від інших різновидів, тут немає Gorenje електричної дуги, завдяки якій розплавлений метал випаровується в зоні зварювання.
2. Збільшення швидкості формування шва, завдяки чому знижується час виробничого циклу.
3. Зниження витрат на електроенергію в два рази.
4. Відсутність необхідності в подальшій обробці зварного шва. Інструмент для зварювання тертям з перемішуванням в процесі роботи формує ідеальний шов, що не вимагає зачистки.
5. Немає необхідності в додаткових витратних матеріалах (зварювального дроту, технічних газів, флюсів).
6. Можливість отримання з'єднань металів, недоступних для інших видів зварювання.
7. Немає необхідності в особливій підготовці зварювальних кромок, за винятком очищення і знежирення.
8. Отримання однорідної структури шва без пір, 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 має на увазі руйнування дослідного зразка, отриманого в результаті з'єднання двох деталей. Другий допускає перевірку без руйнування. Застосовуються такі методи, як оптичний контроль, аудіометричне дослідження. Воно допомагає визначити наявність пір і неоднорідних включень, що погіршують характеристики шва. Результати звукового контролю являють собою діаграму, наочно показує місця відхилення акустичного луни від норми.

Недоліки методу

При численних перевагах метод зварювання тертям має супутні мінуси:

1. Відсутність мобільності. СТП передбачає з'єднання нерухомих деталей, жорстко закріплених в просторі. Це накладає на обладнання для зварювання тертям з перемішуванням певні властивості, такі як Нерухомість.
2. 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.
3. 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:

1. Лінійне тертя. Суть методу зводиться до отримання нероз'ємного з'єднання не в результаті дії обертового наконечника, а через рух деталей один щодо 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.
2. Радіальне 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 дану технологію, може служити Чебоксарська фірма з виробництва цистерн "Сеспель". Зварювання тертям з перемішуванням займає основну частку зварювальних робіт.
3. Штифтове зварювання. Цей різновид замінює собою заклепувальне з'єднання. Цей вид застосовується при з'єднаннях внахлест. Обертовий штифт в місці зіткнення розігріває зварювані деталі. Від високої температури відбувається розплавлення, і штифт проникає всередину. Остигнувши, він створює міцне нероз'ємне з'єднання.

Різновиди СТП за рівнем складності

Зварювальні операції, що виконуються за допомогою тертя, можна умовно розділити на площинні і 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-установку LEGIO. Вона являє собою настроюється систему для зварювання тертям з перемішуванням різних кольорових металів. Різні розмірні групи обладнання дозволяють зварювати деталі малих і великих розмірів. Згідно маркування Обладнання LEGIO має кілька компоновок, які відрізняються кількістю зварювальних головок, можливістю зварювання за кількома осьовими напрямками.

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

Укладення

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