Сущность процесса сварки трением с перемешиванием и его преимущества по сравнению с другими способами сварки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сущность процесса сварки трением с перемешиванием и его преимущества по сравнению с другими способами сварки

Зинзер Александр

Новый метод получения сварных соединений, получивший название «сварка трением с перемешиванием» (СТП) был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991 г. Интенсивное изучение данного процесса, направленное на совершенствование технологии и оборудования, позволило внедрить данный способ за рубежом в производство высокотехнологичных изделий в таких отраслях как вагоно-, судо-, авиастроение и многих других. Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла.

Принципиальная схема процесса сварки трением с перемешиванием (СТП) показана на рисунке 1. Сущность процесса состоит в следующем. Сварка ведется вращающимся нерасходуемым инструментом. Инструмент в общем случае представляет собой цилиндр с плоским торцом диаметромD, данный элемент называется заплечиком. Из заплечика выступает цилиндр меньшего диаметраd -- пин. При сварке ось инструмента наклонена на угол б относительно нормали. Вначале инструмент, вращаясь со скоростью щ, погружается в свариваемый металл на определенную глубинуl и перемещается вдоль стыка (сварка углом «вперед») со скоростью сварки V_св. В результате нагрева от трения и приложенного давления от силы P_z металл под заплечиком находится в пластифицированном состоянии. За счёт перемешивания пластифицированного металла и приложения к нему давления за инструментом образуется сварной шов. После сварки в соединении (в месте выхода инструмента) остается характерное глухое отверстие, повторяющее форму пина инструмента. Процесс сварки ведётся на подкладке. Система инструмент-деталь-подкладка должна обладать достаточной жесткостью. сварка трение деформация электрод

Рисунок 1 - Сущность процесса сварки трением с перемешиванием: а-схема СТП; б-поперечное сечение сварного шва; в-схема скоростей движения при СТП; г-инструмент для СТП

К параметрам процесса СТП относят:

- скорость вращения инструмента, щ;

- скорость сварки, V_св;

- угол наклона инструмента, б;

- глубина погружения инструмента, l, или осевое усилие, Р_z;

- конструкция инструмента.

Исходя из результатов экспериментов, максимальная температура при сварке трением с перемешиванием составляет около 70% от значения температуры плавления и для алюминия не превышает 550°С. Тепловложение при сварке трением с перемешиванием меньше, чем при аргонодуговой сварке примерно в 2 раза и для сплава 6N01 - Т5 толщиной 4 мм равно соответственно 190 и 390 Дж/мм (скорость сварки 500 мм/мин) [1]. С помощью математического моделирования тепловых процессов при СТП в работе [2] построено распределение температур в свариваемой пластине (рисунок 2). Более низкая температура зоны соединения при сварке трением с перемешиванием в сравнении со сваркой плавящимся электродом объясняет меньший уровень угловых деформаций в сварном соединении. При СТП угловая деформация равна 1/5ч1/7 значений при сварке плавящимся электродом [3] (рисунок 3).

Рисунок 2 - Распределение температур в продольном сечении образца

Рисунок 3 - Сравнение угловой деформации при сварке трением с перемешиванием и сварке плавящимся электродом (алюминиевый сплав серии 6000, толщина 2 мм).

О высоких значениях механических свойств сварных соединений сообщают результаты многих исследований. При СТП сварное соединение сплава 6082 -Т6 имеет предел прочности ув=245 МПа, тогда как основной металл имеет ув=317 МПа. Для 6082 -Т4, состаренного после сварки, ув=308 ч 310 МПа. Испытания на усталость свидетельствуют о более высоком уровне механических свойств соединений при СТП по сравнению с аналогичными при аргонодуговой сварке [4].

Авторы [5] проводили исследования механических свойств соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием сплава 5083 при криогенных температурах, что имело целью подготовить производство емкостей для сжиженного водорода. Образцы толщиной 30 мм были сварены со скоростью 40 мм/мин. Исследования при 77К в жидком азоте, 20К в жидком водороде и 4К в жидком гелии показали, что уровень свойств соединений при СТП выше, чем при аргонодуговой сварке.

На рисунке 6 представлены механические свойства сварного соединения, выполненного различными способами сварки.

Рисунок 6 - Механические свойства сварного соединения, выполненного различными способами сварки

Сварка трением с перемешиванием уже используется многими производителями различных высокотехнологичных изделий.

Компания «Boeing» начала применять сварку трением с перемешиванием при производстве ракеты «Delta» II и III (рисунок 7). Сварка выполняется на топливном баке длиной 8,4 м, на баке для жидкого кислорода длиной 12 м и на других конструкциях. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает повышение качества (один дефект на 76,2 м шва) по сравнению с аргонодуговой сваркой (один дефект на 8,4 м шва). При СТП уменьшается время изготовления сварной конструкции. Производство ракет «Delta» II выросло с 8 до 17 единиц в год.

Рисунок 7 - Установка для сварки трением с перемешиванием топливного бака ракеты «Delta» на предприятии «Boeing»

О работах по сварке трением с перемешиваниеморебренных панелей для крыла, изготовленного из сплавов 2024, 7475, 7050 толщиной 4 мм сообщается в статье [6]. Высокое качество соединений обеспечено при использовании сварки трением с перемешиванием на самолете Airbus А350 и двух новых версиях А340 (А340 - 500 и А340 - 600) . Компания EclipseAviation завершает сертификацию реактивного самолета бизнес класса Eclipse 500 с узлами, изготовленными методом СТП (рисунок 8).

Рисунок 8 - Самолет Eclipse 500 с узлами, изготовленными сваркой трением с перемешиванием

Приведенный анализ представленной выше информации свидетельствует о том, что сварка трением с перемешиванием успешно развивается и находит применение в различных сферах промышленного производства. Большинство публикаций касаются сварки алюминиевых сплавов средней и сравнительно большой толщины. Стоит отметить, что трудности обычно возникают при соединении заготовок толщиной 0,5 - 3 мм, а также более 40 мм. В связи с этим, а также с возникающими осложнениями при обеспечении точности сборки тонкостенных заготовок под сварку в ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования процесса СТП на специальной экспериментальной установке. Работы выполнены на алюминиевых сплавах АМг6, 1201, 1460 толщиной 1,8 … 2,5 мм. На рис. 16 приведен внешний вид сварного соединения сплава АМг6, полученного методом СТП. Одновременно проверена эффективность сварочных инструментов с различными профилями рабочей части.

Список литературы

1.AotaK., OkamuraH., MasakuniE. etal. Heat inputs and mechanical properties friction stir welding// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 - 28 September, 2001.

2.Lambrakos S.G., Fonda R.W., Milewski J.O. et al. Analysis of friction stir welds using thermocouple measurements// Sci. Technol. Weld. Joining. - 2003. - 8, №5. - Р. 385 - 390.

3.Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of aluminum alloy and application to structure// J. of Jap. Institute of Light Metals. - 2000. - 50, №4. - P. 166 - 172.

4.Ericsson M., Sandstorm R. Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG// International Journal of Fatigue. - 2003. - №25. - P. 1379 - 1387.

5.Hayashi M., Oyama K., Eguchi H. et al. Mechanical properties of friction stir welded 5083 aluminum alloy at cryogenic temperatures// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 - 28 September, 2001.

6.Kumagai M. Application of FSW for aircraft// Welding Technology. - 2003. - 51, №5. - P. 74 - 78.

7.Сайт «svarka-24.info» - Сварка трением с перемешиванием конструкционных материалов- Режимдоступа: http://svarka-24.info/svarka-treniem-s-peremeshivaniem-konstrukcionnyx-materialov/. - Проверено : 16.12.2018

Размещено на Allbest.ru