Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов

Основным требованием, предъявляемым к любой конструкции, применяемой в различных отраслях промышленности, является обеспечение высокого уровня работоспособности в течение определенного срока при заданных условиях эксплуатации. В настоящее время одним из эффективных способов выполнения указанных требований получения высококачественных соединений является сварка трением с перемешиванием (СТП).

Метод сварки трением с перемешиванием был разработан в Британском институте сварки в 1991 году. Он относится к твердофазным способам образования соединений материалов с использованием трения.

Этот способ соединения разрабатывался для алюминиевых сплавов с целью решения многих проблем, связанных со сваркой плавлением.

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.

СТП может быть признан универсальной технологией, имеющей большие перспективы в различных отраслях производства.

По мнению ведущих мировых экспертов, технология СТП является революционной в области сварки листовых материалов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых), она оценивается как ключевая 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 [2].

Процесс сварки трением с перемешиванием заключается в том, что для сварки используют инструмент в форме стержня, состоящий из двух основных частей: заплечика или бурта (утолщенная часть) и наконечника (выступающая часть). Размеры этих конструктивных элементов выбирают в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей.

Так, длину наконечника устанавливают приблизительно равной толщине детали, подлежащей сварке, диаметр заплечика может изменяться от 1,2 до 25 мм.

Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы наконечник внедрился в заготовки на глубину, примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности. После этого инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки.

По окончании сварки вращающийся инструмент выводят из стыка за пределы заготовки. В связи с асимметрией структуры швов в поперечном сечении сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, принято различать сторону набегания, где направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону – отхода [3].

Применение СТП связано с высоким качеством получаемых сварных соединений. Перемешивание металла в твердой фазе в условиях «теплой» деформации делает эффект более прочной микроструктуры чем основной материал.

Прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90% от характеристик основного материала на уровне, обеспечиваемом применением дорогостоящих сварок. СТП может выполняться в различных позициях вертикальной, горизонтальной, под наклоном, и т.д.

Обеспечивается возможность сваривания разнородных материалов, термопластичных пластиков и композиционных материалов [4].

Целью работы является  исследование микроструктуры и механических свойств неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием.

В качестве материала исследования выбрано неразъемное биметаллическое СТП соединение из алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1.Физико-химические свойства алюминия и меди представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-химические свойства алюминия и меди.

Свойство вещества	Значение
Алюминий	Медь
Плотность, г/см3	2.7	8.92
Температура плавления, ºС	660	1083
Тепловодность, Вт/(м·К)	203.5	401
Электропроводность, см/м	37·106	58.1·106
Временное сопротивление разрыву, кг/мм2	Литой 10-12, деформируемый 18-25	25-29
Модуль Юнга, 105 кгс/см2	7.1	12.5
Температурный коэффициент линейного расширения 1/ºС	16·10-6	24·10-6

Схема СТП сплава АД0 и меди М1 представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема СТП сплава АД0 и меди М1

Для подготовки образца к исследованию использовалась шлифовальная бумага различной зернистости (P400-P2000). Для полирования использовалась алмазная паста. Далее происходило травление в два этапа. Сначала сторона Al – реактивом Келлера (HCl , HF, HNO3, H2O), затем вторая сторона Cu – FeCl3, HCl, H2O.

Для исследования поверхности сварного соединения использовался оптический микроскоп АЛЬТАМИ МЕТ-1С. С помощью оптического микроскопа были получены изображения алюминиевой и медной поверхностей образца, которые затем объединены в одно изображение всей поверхности.

Замеры микротвердости проводились микротвердометром ПМТ3 по методу Виккерса по всей длине образца с нагрузкой P=50 г., шагом 1мм и временем выдержки 12 секунд.

На рисунке 2 показано составное макроскопическое изображение неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием. Красными пунктирными линиями показаны характерные структурные зоны СТП соединения.

1) Зона перемешивания (ЗП) – зона, в которой происходит деформация и образуется ядро шва.

2) Зона термомеханического влияния или ЗТМВ – зона вблизи сварочного шва. Характерна небольшая деформация. В данной зоне происходит передача тепла с зоны перемешивания.

4) Основной металл (ОМ) – зона, которая не подвергается никаким воздействиям.

Рисунок 2. Составное макроскопическое изображение неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД 0 и меди марки М1 полученного сваркой трением с перемешиванием.

1 – зона перемешивания (ЗП), 2 – зона термомеханического влияния (ЗТМВ), 3 – зона термического влияния (ЗТВ), 4 – основной металл (ОМ).

Микротвердость измерялась вдоль белой пунктирной линии

Микротвердость измерялась вдоль белой пунктирной линии (см. рис.3) равноудаленно от поверхностей с шагом 1 мм. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты измерений микротвердости образца.

x, мм	HV, кгс/м2	x, мм	HV, кгс/м2
-12	39,688	1	43,08
-11	41,352	2	43,08
-10	48	3	31,704
-9	37,22	4	96,26
-8	37,7	5	62,66
-7	41,928	6	61,824
-6	40,776	7	69,26
-5	30,936	8	49,66
-4	35,34	9	60,78
-3	29,248	10	51,2
-2	34,924	11	62,88
-1	32,472	12	57,004
0	44,28

На рисунке 3 показан график распределения микротвердости, из которого следует, что в пластине меди ЗТВ и ЗТМВ она существенно меньше, чем в аналогичных зонах в алюминиевой пластине.

Это связано с тем, что температура плавления и теплопроводность у меди выше, чем у алюминия, а метод СТП подразумевает асимметрию при соединении пластин.

Инструмент периферийно захватывает медь, вследствие чего разогрев меди происходит в меньшей степени, а скорость теплоотдачи увеличивается.

Рисунок 3. Распределение микротвердости в неразъемном биметаллическом СТП соединении сплава АД0 и меди М1

На рисунке 4а показано увеличенное изображение ОМ меди марки М1. Средний размер зерна d=34.75±25.19 мкм. На рисунке 4б виден резкий переход от ЗТМВ к ОМ, что подтверждает ранее описанные предположения о теплопроводности меди.

Рисунок 4. Увеличенное в 200 крат изображение микроструктуры меди марки М1 в биметаллическом СТП соединении: а) ОМ, б) ЗТМВ и ЗТВ

В пластине алюминия размер зерна значительно уменьшается от ОМ к ЗП. Средний размер зерна в ОМ составляет d=211.36±67.019 мкм, что в 84.5 раз превышает средний размер зерна в ЗП (1,5-2,5 мкм), это можно заметить на рисунке 5.

Рисунок 5. Увеличенное в 50 крат изображение микроструктуры алюминия АД0 в биметаллическом СТП соединении в зоне ОМ

В ходе эксперимента было выявлено, что микротвердость материала в зоне перемешивания выше, чем в зоне термического влияния и в зоне основного металла. В медной пластине пик микротвердости наблюдается в ЗТВ.

Микроструктура исследуемого образца изменяется от ОМ к ЗП как для алюминиевой пластины, так и для меди. Средний размер зерна в ЗП существенно ниже, чем в ОМ.

Список литературы:

1. Всесоюзный конструкторско-технологический Институт Сварочного Производства [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.visp-ltd.com, свободный. – Загл. с экрана;
2. Сварка трением с перемешиванием – Мир Сварки [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://weldworld.ru, свободный. – Загл. с экрана
3. Сварка трением с перемешиванием конструкционных материалов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://svarka-24.info, свободный. – Загл. с экрана.
4. Промышленный интернет-портал Мир Пром. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://mirprom.ru, свободный. – Загл. с экрана.

Источник: https://sibac.info/studconf/tech/lix/88508

Сварка трением перемешиванием

А.Г. Бойцов, В.В. Качко

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.

), 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.

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:

Fx	—	сила, действующая в направлении сварки (вдоль шва);
Fy	—	сила, действующая перпендикулярно направлению сварки в плоскости параллельной или касательной (при сварке криволинейных поверхностей) поверхностям стыкуемых элементов (плоскость сварки);
Fz	—	сила, действующая в направлении перпендикулярном плоскости сварки.

Очевидно, что величины действующих сил зависят от материалов свариваемых заготовок, температур в зоне сварки, скорости сварки, геометрии сварочного инструмента и его ориентации (наклона) относительно плоскости сварки. При прочих равных условиях значения силы растут с уменьшением температуры и увеличением скорости сварки. Высокие значения сил могут привести к разрушению инструмента.

2. Скорость сварки, Vсв

Определяется скоростью перемещения инструмента в направлении сварки. Малые скорости сварки могут привести к перегреву материала, изменению условий термомеханического воздействия, увеличению зоны термического влияния и, как следствие, снижению прочностных характеристик сварного соединения.

3. Частота вращения инструмента

Вращение инструмента обеспечивает нагрев материала тепловыделением при трении и его перенос в процессе движения инструмента вдоль шва от фронтальной к тыловой части зоны сварки. Увеличение частоты вращения инструмента повышает тепловыделение, интенсифицирует перенос материала и его перемешивание.

Если материал недостаточно прогрет, то за пином могут образовываться свободные пространства, приводящие к несплошности шва, кроме того, на инструмент действуют большие силы, способные привести к его разрушению.

С другой стороны, увеличение температуры выше определенного предела приводит к дефектам, обусловленным перегревом материала (рис. 2).

Рис.2 Зоны режимов СТП:1 – высокие нагрузки на инструмент, дефекты в виде и непроваров из-за недостаточного разогрева;2 – область оптимальных условий сварки;3 – сложность поддержание условий сварки, перспективная область режимов сварки, обеспечивающая высокую производительность (высокоскоростная СТП);

4 – перегрев металла и ухудшение его структуры, образование задиров и схватывание с инструментом, заглубление инструмента

4. Угол наклона инструмента, α

Для улучшения условий формирования сварного соединения инструмент может быть наклонен относительно перпендикуляра к плоскости сварки. Обычно такой наклон производится на угол 1,5…4,5° в направлении сварки с обеспечением более низкого положения края бурта за ее зоной.

Наклон инструмента способствует улучшению условий проковки шва буртом.

Если угол наклона слишком мал, то это может привести к образованию дефектов в виде непроваров на наружной поверхности шва, а если угол наклона слишком велик, – возможно нарушение сплошности шва у корня с образованием тоннельного дефекта.

5. Глубина погружения бурта инструмента

Определяется как расстояние от поверхности заготовки до нижнего положения торца бурта. Практически важными являются глубина заглубления бурта и положение конца пина в корне сварного шва.

Глубина погружения должна обеспечивать условия проковки шва на всю толщину свариваемого материала и исключение образования дефектов.

Недостаточное заглубление бурта инструмента в свариваемый материал приводит к увеличению объема, который должен заполняться пластифицированным металлом при формировании шва, и, как следствие, к снижению избыточного давления и образованию несплошностей в швах.

6. Геометрия инструмента

Качество сварки трением перемешиванием и ее производительность во многом определяется геометрией сварочного инструмента.

Параметры геометрии инструмента, состоящего из пина и бурта, должны не только обеспечивать качество сварного соединения, создавая требуемые условия термопластической деформации и массопереноса, но и его стойкость, прочность, минимальную силу внедрения инструмента при его введении в свариваемый стык.

Материал инструмента должен иметь высокую жаростойкость, твердость и жаропрочность, сопротивление изнашиванию, низкую теплопроводность. В особой мере это относится к материалам инструмента, предназначенного для сваривания сталей, титановых и никелевых сплавов и др. Для повышения качественных характеристик инструмента иногда используют технологии поверхностного упрочнения и нанесения покрытий.

На поверхностях пина и бурта выполняют специальные профильные нарезки, обеспечивающие управление течением пластифицированного материала. Форма бурта может быть плоской, вогнутой или конической. Для СТП могут применяться сварочные инструменты с вращающимся буртом, со стационарным буртом, катушечные (рис.3), с конусным пином, с изменяемой длиной пина, без пина.

Рис.3 Схема «катушечной» СТП:1 – заготовка; 2 – верхний бурт; 3 – устройство регулирования силы Fz; 4 – пин; 5 – нижний бурт

Некоторые характерные конструкции сварочных инструментов приведены на рис.4.

Рис.4 Рабочие части инструментов для СТП

При перемешивающей сварке трением сварочный инструмент испытывает интенсивное тепловое и силовое воздействие, которые лимитируют его срок службы, изменение формы рабочей части инструмента приводит к нарушению стабильности сварочного процесса. Следует отметить также, что попадание частиц износа инструмента в свариваемый материал может неблагоприятно сказываться на качестве сварного соединения.

Для сварки используют инструменты из материалов, приведенных в табл.1.

Таблица 1

Свариваемый материал
Толщина, мм
Материал инструмента

Алюминиевые сплавы	12	Сплавы на кобальто-никелевой основах (MP 159)*
Медь и медные сплавы

Источник: http://weldworld.ru/articles/svarka-treniem-peremeshivaniem/5684-svarka-treniem-peremeshivaniem.html

Технология и области применения сварки трением на токарном станке

Чтобы соединить две детали требуется сдвинуть атомы вещества настолько, чтобы между ними начали работать силы межатомного сцепления.

Для достижения контакта используют температуры, размягчающие металл:  вольтову дугу, кислородно-ацетиленовую горелку, луч лазера и т.д.

Но есть способ, при котором дополнительный источник тепла не используется. Это сварка металла трением.

Понятие и определение

Процесс перехода кинетической (двигательной) энергии в тепловую известен с незапамятных времен. Заключается он в том, что при трении предметов друг о друга их температура повышается и может достичь точки плавления.

На этом принципе и основан способ соединения двух металлических или пластиковых изделий с помощью трения. Способ этот считается одной из разновидности сварки давлением.

Область применения

Сварка трением быстро приобрела популярность. С ее помощью оказалось возможным быстро и точно соединять детали. Причем из металлов, которые другим способом соединить сложно. К примеру, сталь с титаном, медь с алюминием и т.п.

Нагрев только поверхностных слоев дал возможность сваривать изделия, не допуская  температурных деформаций. Соединять изделия, прошедшие чистовую обработку без порчи  поверхности.

• Такой способ соединения используют для редких, дорогостоящих металлов, уменьшая их расход за счет отсутствия шва, выгорания и разбрызгивания.
• Преимущества и недостатки
• Из минусов, точнее — ограничений метода можно назвать следующие:

• необходимость громоздкого оборудования;
• низкая универсальность процесса: невозможно либо невыгодно сваривать тяжелые, крупные изделия, ограничена конфигурация свариваемых элементов;
• требование точного соблюдения технологических регламентов;

Вместе с тем, методика:

• позволяет выполнять сварное соединение металлов, плохо или совсем не поддающихся другим способам, скажем, соединить алюминиевый брусок с титановой пластиной;
• дает экономию энергозатрат, особенно при поточном изготовлении типовых деталей;
• точно выдерживает характеристики соединений;
• чтобы подготовить поверхность заготовок не требуется особых мероприятий, от большинства загрязнений она очиститься в процессе соединения;
• не требует специфических расходных и вспомогательных материалов;
• качество соединения не уступает основному металлу не только по прочности, но по пластичности и упругости;
• обладает высокими экологическими качествами: отсутствует УФ излучение, нет разбрызгивания горячего металла, пыли, вредных газов.

Высокую экономичность метода подтверждает скорость окупаемости оборудования. Она редко превышает год. При активном использовании составляет несколько месяцев.

Виды и схемы

При относительной единообрáзности принципов,  методик и схем  насчитывается более десятка.

1. Сварка трением с непрерывным приводом. Самый первый способ, с которого методика  началась. Две детали, одна из которых неподвижна, вторая прижимается к ней одновременно вращаясь. Как только металл размягчится, вращение останавливают, детали сжимают.
2. Инерционная сварка. Развитие предыдущего метода. Вращающаяся заготовка раскручивается до определенной скорости, а затем продолжает вращаться по инерции.
3. Комбинированный вид сварки  сочетает два предыдущих.  До определенного  момента вращение обеспечивает привод. Затем его отключают, а заготовку по достижению точно определенной скорости и усилия резко останавливают.
4. Колебательная сварка трением. Или как ее еще называют вибрационная. Отличием является не вращательное, а возвратно поступательное движение с высокой частотой.
5. Сварка трением с перемешиванием. Специфический вид позволяющий получить уникальные результаты.  Сварка перемешиванием производится вращением особого валика, при неподвижных соединяемых деталях. Размягчая металл, такой наконечник погружается на определенную глубину, а затем перемещается по  стыку свариваемых деталей, продолжая вращение. При этом метал  перемешивается, образуя цельный стык.
6. Орбитальная сварка трением. Отличается перемещением изделия по определенной орбите (обычно по окружности). При этом сама деталь не вращается.
7. Радиальная сварка трением. Способ используют для соединения трубчатых заготовок. Сами детали при этом обычно неподвижны, а относительно них (внутри или снаружи) вращается еще одна — кольцеобразная.
8. Роликовая сварка. С успехом используется для соединения тонких плоских элементов. Нагрев создает вращающийся ролик. Он перемещается по наложенным внахлест листам, оставляя за собой шов.
9. Штифтовая сварка. Служит для создания точечных соединений, ремонта каверн и раковин. Температура создается вращающимся штифтом.
10. Линейная сварка. Принцип схож с колебательной, при большей траектории перемещения. Иногда для соединения достаточно переместить деталь лишь в одном направлении.
11. Ротационная сварка. Нередко встречающееся понятие — обобщенное название всех типов,  при которых заготовки вращаются относительно своей оси. Сюда входит радиальная, инерционная, сварка трением с перемешиванием и пр.
12. Наплавка с помощью сварки трением. Служит для образования слоя покрытия одного металла другим. Деталь вращается, одновременно перемещаясь, при этом ее металл словно намазывается на основу. Таким образом возможно получить толстый нержавеющий защитный слой, либо поверхностный сплав двух металлов.

Кроме перечисленных основных типов существуют и другие разновидности,  отличающиеся незначительными нюансами.

Технология

При движении свариваемых трением деталей происходит ряд последовательных процессов:

• под воздействием механических нагрузок разрушаются пленки окислов и загрязнения;
• заготовки разогреваются, металл выдавливается из стыка, одновременно вынося все загрязнения;
• вращение резко прекращается, при этом давление на детали не убирается, а часто увеличивается.

Опыт показал, что оптимальное значение размеров свариваемых элементов лежит в пределах от нескольких миллиметров, до 100-150 см. Бoльшие размеры требуют резкого увеличения мощности привода, переставая быть рентабельными.

Наилучший эффект получается при использовании деталей с одинаковыми свариваемыми поверхностями. Исходя из этой особенности, в процессе подготовки, заготовки специально подрезают, выравнивая их торцы.

Сварочный процесс, выполняемый за счет трения, включает две переменных:

Скорость вращения и давление. Подбор этих параметров зависит от сочетания металлов, составляя наиболее сложную составляющую процесса. На 80% расчеты основаны  на экспериментальных данных.

Динамические нагрузки возникающие при этом способе  в ряде случаев требует дополнительной термической обработки. При этом она не требуется для низколегированных и некоторых классов высоколегированных сталей.

Оборудование

Машины для соединения таким способом, как правило имеют схожее устройство. Это привод с клиноременной передачей, вращающаяся бабка для крепления одной детали, неподвижная для другой.

Отличает их мощность, осевое усилие вращения, проковки, размер и форма деталей которые с их помощью удается сварить и пр.

Некоторые модели оборудованы дополнительными фрезерными устройствами для снятия, выдавливаемого из зоны стыка металла.

Контроль качества соединений

В качестве руководства по контролю соединений, выполненных методом трения, используют ГОСТ 3242-79 «Соединения сварные. Методы контроля качества».

Основная методика проверки — обследование ультразвуковыми приборами. Кроме того, применяются выборочные разрушающие испытания образцов на изгиб, разрыв, поперечную деформацию.

В завершение разговора

Подводя итоги, можно сделать вывод: методика сваривания трением является  инструментом инженерного арсенала промышленности. Дает эффективна при правильном использовании.

Учитывая, что с момента изобретения сварки с помощью трения не прошло еще и ста лет,  велика вероятность что потенциал ее далеко не исчерпан.

Источник: https://svarka.guru/vidy/mehan/treniem.html

Способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов

Изобретение относится к области сварки трением с перемешиванием (СТП) и может быть использовано в различных отраслях машиностроения и авиастроения для выполнения стыковых соединений алюминиевых жаропрочных сплавов толщиной 2…6 мм.

Специфический дефект соединений, выполненных СТП, называют «kissing bonds» («несплавление» в корне шва). Дефект устраняется подбором режима сварки. Разрушение образцов в процессе испытаний происходит по данному дефекту, что является причиной снижения предела прочности сварного соединения.

Известен способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов, включающий предварительное выполнение в стыке деталей сквозного отверстия, погружение в него вращающегося инструмента, состоящего из наконечника в виде тела вращения с заплечником, до контакта заплечника с поверхностью деталей и перемещение инструмента вдоль стыка. В процессе сварки пропускают через инструмент и соединяемые детали импульс тока плотностью 30-50 А/мм2 при длительности протекания тока (2,0-3,5)/n, где n — частота вращения инструмента (патент РФ №2350443 от 27.03.2009).

Известный способ обеспечивает полное проплавление деталей и формирование корня шва более равномерной формы при минимальном технологическом припуске.

Подобранное соотношение длительности импульса тока, его плотности и частоты вращения инструмента способствует качественному формированию соединения деталей и мелкодисперсному распределению фрагментов оксидных пленок и выделений вторичных фаз.

Недостатком известного способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений алюминиевых сплавов является отсутствие постоянного усилия, действующего на материал со стороны инструмента.

В совокупности с отсутствием наклона инструмента это ведет к недостаточному уплотнению и измельчению зерен материала сварного шва. Сварка без постоянного усилия при большой длине сварного шва обязательно приведет к образованию дефектов из-за неровностей станины станка или деформации самих заготовок.

Другим существенным недостатком данного способа является плавление металла благодаря пропускаемому току. В результате локального плавления, а также быстрого остывания и кристаллизации, ровно, как и усадки материала будут возникать большие остаточные напряжения.

Третьим недостатком является меньшая экономическая эффективность из-за наличия технологического припуска на сварной шов и большие энергозатраты.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (патент Великобритании №91259788), при котором сварку осуществляют в три этапа.

На третьем этапе (по окончании сварки) вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка. Данный способ принят за прототип.

• Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого способа — погружение вращающегося с высокой скоростью инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до контакта опорного бурта инструмента с поверхностью деталей; перемещение инструмента вдоль линии соединения; подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка.
• Недостатком известного способа, принятого за прототип, является повышенный износ инструмента при его введении в стык деталей, а также его поломка в процессе сварки листов толщиной 5-6 мм из-за недостаточного разогрева корневой части соединения.
• Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, — разработка способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из жаропрочных алюминиевых сплавов, позволяющего предотвратить износ инструмента, устранить внутренние дефекты и обеспечить прочность сварного соединения до 90% от предела прочности основного материала.
• Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из алюминиевых сплавов, включающем погружение вращающегося с высокой скоростью инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до контакта опорного бурта инструмента с поверхностью деталей, перемещение инструмента вдоль линии соединения, подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка, согласно изобретению используют сварочный инструмент с пином, выполненным в форме усеченного конуса длиной 1,8…5,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками, и опорным буртом диаметром 8…18 мм со спиральной канавкой, до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 2…6 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости, погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 7…12 мм/мин и высокой скоростью вращения 350…500 об/мин до достижения заданной глубины, равной 90…95% толщины свариваемых деталей, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5°, затем, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 220…300 мм/мин при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН, управляемом датчиками обратной связи.
• Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа — используют сварочный инструмент с пином, выполненным в форме усеченного конуса длиной 1,8…5,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками, и опорным буртом диаметром 8…18 мм со спиральной канавкой; до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 2…6 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости; погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют с минимальной скоростью вертикального перемещения 7…12 мм/мин и высокой скоростью вращения 350…500 об/мин до достижения заданной глубины, равной 90…95% толщины свариваемых деталей, при этом угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5°; сохраняя угол и скорость вращения, инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 220…300 мм/мин при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН, управляемом датчиками обратной связи.

Отличительные признаки в совокупности с известными позволят устранить пористость в корне шва, предотвратить коагуляции зерен различных зон сварного шва и благодаря этому обеспечить прочность соединения до 90% от предела прочности основного материала. Кроме того, предотвращается износ инструмента.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1, 2.

На фиг. 1 показана схема закрепления листовых заготовок перед сваркой трением перемешиванием. На схеме показаны:

1. 1 — опорный бурт инструмента для СТП;
2. 2 — пин инструмента для СТП;
3. 3 — подложка;
4. 4 — сварной шов;
5. 5 — свариваемые детали;
6. 6 — пример установки станочных прижимов;
7. 7 — линия стыка;
8. 8 — ось вращения инструмента;
9. 9 — нормаль к поверхности деталей;
10. 10 — оси установки боковых прижимов;
11. 11 — направление сварки;
12. 12 — направление вращения инструмента;
13. 13 — угол наклона инструмента.

На фиг. 2 показано поперечное сечение сварного шва после испытаний на определение кратковременных свойств.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед процессом сварки трением с перемешиванием подготавливают кромки свариваемых деталей 5. Для этого детали 5 зажимаются в тисках свариваемыми кромками вверх и фрезеруются по плоскости без скоса кромок.

В процессе сварки инструменту придается вращение 350…500 об/мин, заглубление в материал деталей производится со скоростью 7…12 мм/мин, при этом меняется угол инструмента относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5°, при достижении заданной глубины, равной 90…95% от толщины материала, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент начинает перемещаться вдоль линии стыка со скоростью 220…300 мм/мин, сварка осуществляется при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН. При таком режиме заглубление инструмента непостоянно и регулируется в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка.

Листовые заготовки (детали) 5 обрабатываются в паре, чтобы не допустить появления зазора между ними. Прижим боковых поверхностей деталей 5 осуществляется в плоскости станины перпендикулярно стыку 7 для обеспечения максимально полного контакта сварочных кромок.

Прижим деталей 5 в вертикальной плоскости станочными прижимами 6 предотвращает движение деталей 5 относительно станины во время процесса сварки и возникновение высоких циклических нагрузок и изгиба инструмента (фиг. 1), а также обеспечивает плотный контакт деталей 5 с подложкой 3.

Подложка 3 используется в виде пластины из нержавеющей стали без внешних дефектов и отполированной до зеркального блеска для предотвращения проникновения расплава алюминия в материал подложки 3 и, как следствие, прилипания к ней свариваемых деталей 5.

Подложка 3 должна быть таких размеров, чтобы полностью перекрывать сварной шов 4 и места установки прижимов 6.

Экспериментально установлено, что выполнение пина 2 в форме усеченного конуса длиной 1,8…5,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками и опорного бурта диаметром 8…18 мм со спиральной канавкой позволяет при положительном вращении инструмента направлять пластифицированный металл к центру и вниз к корню сварного шва и предотвратить повышенный износ инструмента (фиг. 2).

Для качественного формирования соединения без дефектов в виде пор в корневой части шва (фиг. 2) необходимо обеспечить пребывание металла соединяемых деталей в этой зоне в пластичном состоянии некоторый промежуток времени.

В этом случае обеспечивается перемешивание металла деталей в корне шва.

Вращение инструмента на стадии заглубления пина в материал детали со скоростью 350…500 об/мин способствует прогреву материала деталей до пластифицированного состояния и позволяет избежать крайних состояний: фрезерования канавки либо плавления материала деталей.

Заглубление пина 2 (фиг.

1) в материал деталей со скоростью 7…12 мм/мин при скорости вращения инструмента 350…500 об/мин и достижение заданной глубины пина, обеспечивающее полный контакт поверхности деталей с опорным буртом 1 инструмента, позволяет прогреть материал деталей в месте контакта с пином и предотвратить появление стружки или излишнего облоя, прогреть корневую зону сварного соединения и сохранить некоторый промежуток времени ее материал в пластичном состоянии, а также предотвратить нагрев и вероятность разрушения инструмента.

Отклонение инструмента относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5° необходимо для уплотнения сварного шва позади инструмента и снижения вероятности возникновения дефектов сварного шва.

Скорость вращения инструмента 350…500 об/мин в процессе сварки трением с перемешиванием остается постоянной для поддержания твердофазного процесса сварки.

Сохранение угла и скорости вращения инструмента в процессе его перемещения вдоль линии стыка позволяет получать плотную мелкозернистую структура сварного шва и достигать прочности сварного соединения более 90% от прочности основного материала.

Сварка при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН, позволяет обеспечить равномерную структуру сварного шва без дефектов и пористости в корне шва.

При этом сварка с постоянным усилием и управлением по обратной связи, в отличие от сварки с постоянным уровнем заглубления, позволяет ликвидировать дефекты, возникающие при отклонении от плоскостности подложки, станины станка и самих деталей.

При уменьшении усилия возникает риск непровара в корне шва и возникновения дефектов в виде «червоточины» (тоннельный дефект).

При увеличении усилия инструмент будет сильнее заглубляться в материал деталей, тем самым приводя к утонению сварного шва, появлению концентраторов напряжений на границах перемещения опорного бурта, а также подмешиванию материала подложки в сварочной шов, деформации подложки и риску разрушения инструмента.

По предлагаемому способу выполняли опытную сварку образцов из жаропрочного алюминиевого сплава 1151 AT толщиной 3 мм и 4 мм.

Для сварки применяли инструмент с пином в форме усеченного конуса длиной 2,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками и опорным буртом диаметром 12 мм со спиральной канавкой.

При сварке инструменту придается вращение 500 об/мин, заглубление в материал заготовок производится со скоростью 10 мм/мин, при этом меняется угол инструмента относительно вертикальной оси с 0 до -1,5°, по достижении заданной глубины 2,7 мм, сохраняя угол и скорость вращения, инструмент начинает перемещаться вдоль линии стыка со скоростью 280 мм/мин, сварка осуществляется при постоянном осевом усилии, равном 14 кН. При таком режиме заглубление инструмента непостоянно и регулируется в соответствии со значениями осевого усилия, получаемыми с датчиков обратной связи станка.

Предлагаемый способ позволяет получать сварные соединения с прочностью 90% от прочности основного материала без усадки шва и образования внутренних дефектов. Кроме того, предотвращается износ инструмента.

Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений листовых деталей из алюминиевых сплавов, включающий погружение вращающегося инструмента, состоящего из пина и опорного бурта, в стык соединяемых деталей до контакта опорного бурта инструмента с поверхностью деталей, перемещение инструмента вдоль линии соединения, подъем вращающегося инструмента и выведение его из стыка, отличающийся тем, что используют сварочный инструмент с пином, выполненным в форме усеченного конуса длиной 1,8…5,7 мм с тремя «левыми» резьбовыми канавками, и опорным буртом диаметром 8…18 мм со спиральной канавкой, при этом до введения пина в стык деталей производят закрепление листовых деталей толщиной 2…6 мм в тисках и фрезерование свариваемых кромок по плоскости, погружение инструмента в стык соединяемых деталей осуществляют со скоростью вертикального перемещения 7…12 мм/мин и скоростью вращения 350…500 об/мин до достижения заданной глубины, равной 90…95% толщины свариваемых деталей, причем угол инструмента изменяют относительно вертикальной оси с 0 до -1,5…-2,5°, затем при сохранении угла и скорости вращения инструмент перемещают вдоль линии стыка со скоростью 220…300 мм/мин при постоянном осевом усилии, равном 12…15 кН, управляемом датчиками обратной связи.

Источник: https://findpatent.ru/patent/263/2634389.html