Ротационная сварка трением

Сварка трением

Сварка трением, или фрикционная сварка, была изобретена в 1956 году в СССР. Для нагрева металла используется тепло, выделяемое при интенсивном трении прижатых друг к другу деталей. Метод отличается простотой, экологичностью и малой энергоемкостью. Так можно сваривать даже разнородные металлы и сплавы, не соединяемые другими способами.

Принцип действия

Технология сварки с помощью трения стоит особняком среди прочих методов сварки. Для нагрева свариваемых деталей используется тепло, выделяемое при трении заготовок друг о друга.

Наиболее распространено использование трения вращения, при этом вращается одна из свариваемых заготовок либо вкладка (или накладка) между ними.

Заготовки сильно прижимают друг к другу, постепенно увеличивая силу прижима. В точке контакта деталей и происходит нагрев.

За счет трения и высокой температуры разрушаются окисные пленки и следы посторонних загрязнений. Поверхности заготовок притираются одна к другой, разрушаются микро выступы, поверхность выравнивается, и атомы металлов получают возможность вступать в близкое взаимодействие. Кристаллические связи возникают на короткое время и быстро разрываются за счет движения заготовок друг относительно друга.

Схема сварки трением

Процесс разделяется на следующие этапы:

Снятие оксидных пленок.
Нагрев поверхностей до температуры пластичности, создание и разрушение фрагментов кристаллических решеток
Останов вращения, кристаллизация зоны контакта, образование сварного шва.

После того, как температура плавления достигнута, вращение останавливают и увеличивают силу прижима.

Технологическая схема сварки трением намного проще, чем электродуговая или газовая сварка.

Особенности процесса сварки

К особенностям сварки трением относят:

Способность к свариванию разнородных материалов, например, сварить сталь алюминий. При этом не требуются присадочные материалы и сложное оборудование.
Применимость для неразъемного соединения деталей из меди, свинца, титана без деформации заготовок.
Максимальная эффективность достигается при работе с заготовками от 6 до 100 миллиметров диаметром.
Незаменимость в создании сложных технологий и выпуске ковано-сварных, штампованно-сварных и сварочно — литых изделий.
Способность соединять материалы с низко свариваемостью. Этим методом можно сварить заготовки, не свариваемые никакими другими методами, например, алюминиевые и стальные.

Схема производства сварки трением

Нагревание при сварке трением широко используется и для сваривания деталей из термопластичных пластиков.

Преимущества сварки трением

К важным преимуществам технологии сварки трением относят:

Производительность. Весь сварочный процесс занимает от нескольких секунд до нескольких минут. Существенно меньше времени занимают также и подготовительно — завершающие операции. По этому параметру технология превосходит контактную электросварку.
Эффективность использования энергии. Нагрев происходит очень быстро и в весьма ограниченной закрытой области, потери энергии на обогрев окружающего пространства ничтожны по сравнению с другими сварочными технологиями. Преимущество по энергозатратам может быть десятикратным.
Отличное качество шва. При корректно подобранном технологическом режиме зона сварного шва и околошовные области станут практически идентичны по своему строению и характеристикам основному металлу. Кроме того, в шовном материале практически отсутствуют дефекты: пористость, каверны, трещины, посторонние включения.
Высокая стабильность характеристик швов внутри партии деталей. Если точно выдерживать режим, параметры деталей будут отличаться на доли процента. Это позволяет контролировать качество выборочно и позволяет сэкономить много времени и средств. Если одна деталь из партии прошла разрушающий контроль, то можно принимать технически обоснованное решение о годности всей партии.
Нет необходимости в предварительной механической зачистке поверхности зоны шва и околошовной области. Она выполняется на первом этапе технологического процесса. Поскольку на подготовительно — завершающие операции времени уходит больше, чем на собственно сварку, это преимущество дает возможность для весьма заметной экономии.
Способность к свариванию разнородных металлов и сплавов. Успешно свариваются такие пары металлов, которые просто невозможно сварить другими методами: стальные сплавы с алюминиевыми, алюминиевые с медными, сталь с титаном и т.д.
Экологичность технологии. Сведены к минимуму как загрязнение окружающей среды, так и вредные факторы воздействия на здоровье людей: высокое напряжение, брызги расплавленного металла, ультрафиолетовое излучение, пожароопасность и другие.

Кроме того, сварка трением легко поддается механизации и автоматизации. Это особенно важно при крупносерийном и массовом производстве. Несколько несложных повторяющихся операций легко алгоритмизируются и могут выполняться по программе без участия человека.

Недостатки сварки трением

Как и у любой реально действующей технологии, фрикционному свариванию присущ и ряд недостатков:

Применимость к ограниченному набору форм заготовок. Хотя бы одна из них должна иметь форму тела вращения. Способ не подходит для сваривания протяженных прямых и криволинейных швов, оболочек сложной формы, монтажа строительных конструкций, корпусов механизмов и транспортных средств. Однако в машиностроении более 75% деталей имеют круглое сечение или более сложную форму тел вращения.
Громоздкое оборудование. Универсальный или специализированный станок требует стационарной установки, подведения электропитания. Это делает невозможным применение метода в полевых условиях.
Ограниченный размер детали. Длина привариваемой детали ограничена вылетом бабки станка, диаметр — вылетом кулачков патрона.
Радиальная деформация текстуры в зоне шва и в околошовных областях. При сильных динамических нагрузках возможна концентрация усталостных напряжений и возникновение микротрещин и других дефектов. Снижается также и коррозионная стойкость. Чтобы избежать ‘этих явлений, на заготовке оставляют грат. Дополнительная трудоемкость затрачивается на снятие грата по конструктивным требованиям.

Недостатки, ограничивающие использование метода, не позволяют считать фрикционную сварку универсальной технологией. Однако в сфере своей применимости она обладает значительными преимуществами перед другими методами.

Виды сварки трением

За полвека были разработаны и активно применяются несколько разновидностей фрикционного сваривания деталей. Они обладают своими особенностями, делающими их эффективными в своей области использования.

Сварка с перемешиванием

Технология была разработана и начала применяться в конце ХХ века. Суть метода заключается в использовании вращающегося штыря с заплечиками. Штырь изготавливают из тугоплавкого сплава высокой прочности. Вращаясь и нагревая металл, он проникает в него по линии контакта заготовок. За счет вращательного движения, в которое вовлекаются поверхностные слои размягченного нагревом металла заготовок, происходит перемешивание этих слоев. Так обеспечивается равномерность структуры и характеристик шовного материала.

Сварка трением с перемешиванием

Радиальная сварка

Применяется для соединения труб. В месте стыка на трубы с минимальным зазором надевают металлическое кольцо, которое вращается вокруг них. За счет трения вращения происходит нагрев торцов соединяемых труб. Кольцо обычно изготавливают из того же сплава, что и свариваемые трубы.

Радиальная сварка трением

Штифтовая сварка

Технология разработана для проведения ремонтов. В ремонтируемой детали сверлят отверстие, в него вводят стержень из такого же сплава, что и сама деталь. В ходе вращения штифта выделяется большое количество тепла, нагревающего металл. Это один из немногих мобильных способов сварки трением.

Штифтовая сварка трением

Линейная сварка

В отличие от остальных технологий, использующих трение, в этой вращение не применяется. Детали двигаются друг относительно друга прямолинейно, возвратно – поступательно и нагреваются до необходимой температуры. В этот момент движение прекращают и сильно прижимают заготовки друг к другу. Излишки металла в состоянии пластичности частично выдавливается из зоны сварки, образуется сварочный шов. Существует вариант технологии, при котором обе свариваемые детали неподвижны, а зоне шва о них трется инструмент специальной формы.

Линейная сварка трением

Область применения

Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей.

Сравнительно недавно фрикционная сварка стала использоваться в кораблестроении и пищевом машиностроении.

Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как:

для замены паяных и клепаных соединений;
для замены контактной электросварки;
для восстановления изделий и сложного инструмента;
для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям.

Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным.

Применение ротационной сварки трением для изготовления переходников с трубной стали на нержавеющую сталь аустенитного класса

Ротационная сварка трением нашла широкое применение при приварке замков к бурильным трубам. Несомненным достоинством этого метода является возможность сварки разнородных трудносвариваемых дуговыми методами сталей, высочайшее качество и производительность сварки /1/. Однако, в полной мере возможности этого способа не используются в газовой отрасли.

При сварке технологических трубопроводов часто возникает необходимость сварки разнородных соединений. Например, при приварке к запорной арматуре из коррозионностойкой стали аустенитного класса труб из перлитной стали. Для этой цели удобно использовать переходники заводского изготовления, с тем, чтобы в монтажных условиях производить сварку только однородных соединений.

Существует также проблема коррозионной стойкости сварных соединений промысловых труб, особенно в серосодержащих средах. Решить эту проблему представляется возможным за счет конструкция трубы с внутренним покрытием и концевыми участками из нержавеющей аустенитной стали. Производительным и надежным методом реализации такой конструкции труб является наращивание торцов труб катушками из аустенитной стали в заводских условиях с применением ротационной сварки трением. Принципиальная конструкция такой трубы представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пример конструкции биметаллической трубы

Целью работы явилось исследование возможности качественной высокопроизводительной ротационной сварки трением биметаллических соединений труб по типу «низкоуглеродистая сталь – аустенитная сталь».

В качестве оборудования для ротационной сварки была применена впервые созданная ООО «КТИАМ» г. Челябинск машина ротационной сварки трением с усилием осадки до 150 тонн. Отличительной особенностью этой современной установки является возможность быстрого программирования цикла автоматической сварки в широком диапазоне параметров сварки. Внешний вид установки со стороны шпинделя представлен на рисунке 2. Регистрируемая установкой диаграмма режима сварки представлена на рисунке 3.

Эксперименты по сварке проводили с использование катушек труб диаметром 159х8 из низкоуглеродистой стали 20 и катушек труб диаметром 159х8 из аустенитной стали 08Х18Н10Т. Площадь свариваемого сечения составила 3600 мм2.

Рисунок 2 – Шпиндель установки ротационной сварки трением

Рисунок 3 — Регистрируемая установкой ротационной сварки трением диаграмма режима сварки (фото с экрана дисплея)

По результатам подбора режима, сварка образцов проводилась при значениях удельных давлений в свариваемом сечении 6 кГ/мм2 при нагреве и 12 кГ/мм2 при проковке. Внешний вид образцов после сварки и удаления грата представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Внешний вид биметаллических образцов после сварки (катушка – аустенитная сталь, труба низкоуглеродистая сталь)

В качестве промежуточного вывода можно отметить, что поскольку максимальное давление в цикле составило 43,2 тонны, использованная нами установка с усилием 150 тонн принципиально позволяет выполнить сварку биметаллических труб размером 325х15 мм.

Образцы биметаллических сварных соединений подвергались ультразвуковому контролю и разрушающим исследованиям.

Разрушающие исследования проводились путем испытаний на статическое растяжение, статический изгиб, проводились так же металлографические исследования и замеры твердости всех участков сварного соединения.

Испытания на статическое растяжение показали, что все образцы разрушились по основному металлу низкоуглеродистой стали, рисунок 5.

Рисунок 5 – Внешний вид образцов после испытаний на растяжение

Испытания на статический изгиб показали, что все образцы не разрушились при угле загиба более 150°, рисунок 6.

Рисунок 6 – Внешний вид образцов после испытаний на статический изгиб

Металлографические исследования микроструктуры показали отсутствие каких либо переходных структур, включая карбидные прослойки по линии соединения разнородных сталей, рисунок 7.

Рисунок 7 – Микроструктура по линии соединения разнородных сталей, где а) травление на низкоуглеродистую сталь, б) травление на аустенитную сталь

Исследования микроструктуры аустенитной стали показали наличие строчечных включений феррита вдоль направления проката в основном металле (рисунок 8 а) и вдоль линии соединения в околошовной зоне соединения (рисунок 8 б).

Рисунок 8 – Микроструктура аустенитной стали, где а) основной металл, б) околошовная зона

Исследования микроструктуры низкоуглеродистой стали показали, что в зоне термического влияния произошли процессы рекристаллизации, приведшие к измельчению зерна по сравнению с основным металлом, а в околошовной зоне существуют участки структуры близкие к видманштетовой и указывающие на то, что металл на этом участке претерпел изменения, характерные для распада аустенита, рисунок 9.

Для установления факта возможного образования хрупких структур в сварном соединении были проведены исследования твердости по Викерсу по маршруту от основного металла одной стали до основного металла другой стали с измерением твердости всех участков сварного соединения, которые показали полное отсутствие каких либо закалочных структур в сварном соединении, рисунок 10.

Рисунок 9 – Микроструктура низкоуглеродистой стали, где а) основной металл, б) зона термического влияния, в) околошовная зона

Рисунок 10 – Значения твердости HV10 с привязкой к структуре сварного соединения

Поскольку, как и в других методах прессовой сварки, при сварке трением могут возникать только плоскостные дефекты без раскрытия, не обнаруживаемые при радиографическом контроле, была проведена работа по определению возможности ультразвукового контроля для обнаружения дефектов в сварных швах. Исследование возможностей ультразвукового контроля проводился на дефектоскопе Isonic 2009 с использованием секторного сканирования 16 элементной фазированной решеткой и TOFD метода /2,3/. Эксперименты проводили как на образцах без дефектов, сваренных на оптимальных режимах сварки и проверенных в дальнейшем разрушающими методами исследований, так и на специально изготовленных образцах с дефектами. На специально изготовленных дефектных образцах усилие осадки соответствовало усилию при нагреве и не увеличивалось после прекращения вращения, наличие дефектов в них было в дальнейшем подтверждено разрушающими исследованиями.

Сканирование показало, что с поверхности катушки из аустенитной стали генерируется огромное количество сигналов препятствующих обнаружению сигналов, отраженных от дефектов. Расположение датчика фазированной решётки на низкоуглеродистой стали значительно уменьшает количество ложных сигналов, однако не исключает их негативное влияние на результат контроля. Результаты контроля в виде сканов представлены на рисунке 11 и 12.

Рисунок 11 – Результаты секторного сканирования образца без дефекта, где а) сканирование со стороны низкоуглеродистой стали, б) сканирование со стороны аустенитной стали

Рисунок 12 – Результаты секторного сканирования образца с дефектами, где а) сканирование со стороны низкоуглеродистой стали, б) сканирование со стороны аустенитной стали

В отличии от эхо-импульсного метода TOFD метод позволил о идентифицировать образец с возможным наличием дефекта типа несплавление, рисунок 13.

Рисунок 13 — Результаты TOFD метода, где а) скан образца без дефекта б) скан образца с дефектом

Дифракционная картина на образце с дефектом свидетельствует об резком снижении амплитуды сигнала прошедшего от излучателя к приемнику. На рисунке 14 представлен излом образца на участке с дефектом типа несплавление.

Рисунок 14 – Излом образца (участки сплавления имеют темный цвет, а участки несплавлении светлый цвет)

Выводы

1. Разнородное сварное соединение «низкоуглеродистая сталь – аустенитная сталь» труб размером 159х8 мм, сваренное ротационной сваркой трением обладает комплексом высоких механических свойств, обеспечивающих прочность и пластичность не ниже уровня низкоуглеродистой стали.

2. На всех участках сварного соединения отсутствует дефекты структуры характерные для сварки плавлением (укрупненное зерно, карбидные прослойки и т.д.).

3. Среди распространённых методов неразрушающего контроля наиболее эффективным для выявления возможных плоскостных дефектов ротационной сварки трением типа несплавление является TOFD метод ультразвукового контроля.

Авторы: Бровко В.В., Кусый А.Г. (ФГАУ «НУЦСК при МГТУ им. Н.Э. Баумана»); Павлов Л.А. (ООО «КТИАМ»), Хоменко В.И.(ЗАО «Ультракрафт»)

1. Сварка металлов трением. Вилль В.И., Ленинград, «Машиностроение», 1970, с. 176.

2. Щербинский В.Г. Технология ультразвукового контроля сварных соединений. – Изд. 3-е, перераб. и доп. – Санкт-Петербург: СВЕН, 2014. – 495с.

3. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник/ В.В.Клюев, Ф.Р. Соснин, А.В.Ковалев и др.; Под ред. В.В.Клюева. – 3-е изд. Испр. И доп.-М.: Машиностроение, 2003, – 656 с., ил.

Презентация оборудования КТИАМ

Интертехприбор

Ротационная сварка трением Райский В. Г.

Ротационная сварка трением

I. Сущность метода ротационной сварки трением.

Физические основы процесса:
Ротационная сварка трением (РСТ) = Сварка трением с перемешиванием (СТП) = Friction Stirring Welding (FSW).

Ротационная сварка трением — сравнительно новый сварочный процесс, предложенный в 1991 году в Технологическом институте сварки (TWI — Technological Welding Institute) в Великобритании. Впервые этот вид сварки был применен в промышленности для сварки алюминиевых сплавов (серия 6000) на предприятии SAPA (Швеция) и на судоверфи Marine Aluminium (Норвегия). Позже РСТ стала применяться в автомобильной промышленности в Австралии, Швеции и Норвегии также для сварки алюминиевых сплавов серии 6000.
Высокопрочные алюминиевые сплавы серии 7000 стали впервые свариваться методом ротационной сварки трением в аэрокосмической промышленности. Этот метод сварки находит все большее применение и для других алюминиевых сплавов. РСТ разработана в лабораторных условиях для медных и магниевых сплавов и скоро будет применена и в промышленности. Сварка стали и разнородных металлов, таких как медь и алюминий, также уже разработана в лабораторных условиях и готова к применению в промышленности. Пока в стадии лабораторных разработок находится ротационная сварка трением титана и коррозионно-стойких сталей. Основная задача этих разработок — испытание материалов вращающегося инструмента, способных выдержать высокие температуры.
Ротационная сварка трением — процесс сварки в твердой фазе без расплавления металла. Вращающийся инструмент (шпиндель), специально разработанный для РСТ, прижат с усилием к поверхности стыка и перемещается вдоль него, выделяя тепло и деформируя материал, переводя его в сверхпластичное состояние. На рабочем торце инструмента цилиндрической формы имеется выступающая центральная цилиндрическая часть меньшего диаметра. Этот выступ (шип), внедряясь при вращении инструмента в стык, создает вокруг себя тонкий слой металла в сверхпластичном состоянии. Этот слой смыкается за шипом по мере продвижения инструмента вдоль стыка и образует прочное соединение торцов стыка. Таким образом, процесс соединения происходит за счет деформации и сверхпластичности материала, образующихся у вращающегося инструмента.
Термический цикл, создаваемый вращением инструмента при различных скоростях, является фактором управления микроструктурой места стыка и зоной термического влияния. Перепад температур на поверхности стыка и у его корня влияет на процесс деформации сверхпластичного металла. При увеличении частоты вращения (и, следовательно, при увеличении энерговложения) твердость по сечению ядра сварной точки более однородна, что влечет увеличение размеров зерен. При очень высокой частоте вращения инструмента ядра сварной точки начинают разрушаться благодаря кристаллизации вокруг крупных зерен. Для каждого материала и его толщины имеется оптимальное соотношение частоты вращения инструмента и скорости перемещения по стыку. Исследования начались с односторонней сварки, в которой расстояние между торцом инструмента и корнем стыка имеет важное влияние на результаты сварки. Далее исследовалась двусторонняя сварка: с двумя головками и бобинным инструментом на сплошном основании и с двумя головками на плоских профилях.

II. Оценка качества

Лучшим способом оценки качества РСТ является сравнение ее с другими методами сварки. Деформация очень ограниченного пространства при малом тепловложении и при твердом состоянии материала определяет качество сварки РСТ выше качества других методов сварки, таких как MIG/MAG сварка. Область применения РСТ: конструкции, к которым предъявляются высочайшие требования, например ракеты и самолеты. В состоянии непосредственно после сварки РСТ демонстрирует характеристики, опережающие соответствующие характеристики сварки другими методами. Скорость сварки и высокое качество, получаемое без дополнительной предварительной или последующей обработки шва, способствуют постоянному расширению области применения РСТ. Большинство стандартов и требования, касающихся сварки, допускают применение РСТ благодаря высокому качеству этого вида сварки, показанному в различных областях производства.
При сварке кольцевого шва с помощью РСТ в конце шва, на месте выхода инструмента, остается отверстие. Это отверстие можно заварить после завершения сварки. Более простым и надежным способом закончить шов является окончание шва на дополнительном блоке материала вне шва. Методы контроля качества сварки, разработанные в лаборатории SKB совместно с Университетом г. Упсала, включают цифровую рентгенографию, ультразвуковой и индуктивный метод проверки. Другой важной частью разработки технологии сварки и методов проверки качества являлось определение критериев размера и формы допустимых дефектов сварки.

III. Увеличение скорости сварки алюминиевых сплавов.

ESAB и другие компании и научно-исследовательские центры провели широкие исследования по сварке алюминиевых сплавов серии 6000. Эти сплавы широко применяются при строительстве железнодорожных вагонов, в судостроении и автомобилестроении. В настоящее время к ним проявляет интерес самолетостроение. Обычная скорость сварки этих сплавов в промышленности — 0,8-2,0 м/мин (при толщине изделий 5 мм). Поскольку сплав 6082 часто применяется после соответствующей термообработки, проводимой после сварки для получения более высоких показателей механической прочности (состояние Т6), то целью исследований является уменьшение падения твердости для того, чтобы сохранить эффект термообработки состояния Т6. одним из решений является увеличение скорости сварки. Увеличение скорости сварки не всегда приводит к улучшению качества. однако в данном случае именно так и происходит.
Лаборатория ESAB в г. Лаксо провела множество испытаний, направленных на увеличение скорости сварки. В 2001 г. была достигнута скорость сварки 3 м/мин. Последние исследования показали, что листы толщиной 5 мм из сплава 6082 можно сваривать со скоростью 6 м/мин, и эта достигнутая скорость не является пределом. Эти многообещающие результаты еще увеличат область выгодного применения ротационной сварки трением в промышленности.

IV. Сварка изделий большой толщины из меди.

Ротационная сварка трением меди получила новое применение: шведская компания Nuclear Fuel and Waste Management Co. (SKB) приобрела для своей лаборатории в г. Оскаршамн (Oskarshamn) полномасштабную установку РСТ для сварки толстостенных медных контейнеров. Основой этой закупки было решение Швеции хранить использованные радиоактивные отходы в медных контейнерах в шахтах, прорубленных в коренных скальных породах на глубине 500 м. герметизация медных контейнеров должна быть очень высокого качества, поскольку эти контейнеры должны храниться в течение 100 тыс. лет. SKB совместно с TWI (Великобритания) изучала различные сварочные методы для герметизации контейнеров. Были проведены полномасштабные испытания сварки электронным лучом. В 1998-1999 гг. была построены установка для РСТ моделей контейнеров в натуральную величину. Контейнер закрепляется в приспособлении и вращается во время процесса сварки (Рис. 6). Крышка контейнера впрессовывается при помощи четырех гидроцилиндров. Скорость сварки достигает 150 мм/мин.вначале пробные сварки проводились на отдельных сегментах контейнеров. После отработки процесса сварки в ноябре 2000 года была освоена полная кольцевая сварка контейнера. Результаты сварки удовлетворили SKB и фирма решила установить полномасштабную установку РСТ в своей лаборатории для доработки ее для промышленного изготовления контейнеров (Рис. 7). SKB поручило проектирование, изготовление, испытание и проведение приемо-сдаточных испытаний ESAB Welding Automation, Лаксо. Пробные сварки были проведены в начале 2003 года на заводе SKB в Оскаршамн. Здесь SKB займется окончательной доработкой параметров сварки контейнеров. На экспериментальной установке в TWI это сделать было невозможно.

V. Применение РСТ

Исследовательские центры, использующие установки РСТ ESAB SuperStir®:
— Процесс ротационной сварки трением (РСТ) был изобретен и разработан в TWI (Технологическом институте сварки), Великобритания. TWI оборудован новой установкой РСТ и является ведущей организацией по разработке новых областей применения этого вида сварки;
— Авиакосмическая промышленность заинтересовалось РСТ сразу после почвления этого метода сварки. Компания Boeing в Хантингтоне (Калифорния, США) разработала этот процесс совмесино с TWI для применения в авиакосмической промышленности. Компания постоянно работает в своих лабораториях над новыми областями применения РСТ в космической технике, самолетостроении и других областях авиакосмической промышленности;
— Компания Boeing в Сент-Луисе проводит интенсивные исследования по изготовлению деталей с помощью РСТ, в частности — изготовление полых панелей настила совместно со шведской фирмой SAPA;
— Вслед за успешными разработками фирмы Boeing другие научно-исследовательские институты авиакосмической и самолетостроительной отрасли промышленности инвестировали большие средства в оборудование для исследований и экспериментов в области РСТ. Примером таких организаций являются: EADS во Франции совместно с Institute Soudure, Alenia Spacio в Италии и EADS в Германии. Другие компании решили проводить свои исследования в ESAB, TWI и других исследовательских центрах;
— Автомобилестроение. Компания Automotive (США) имеет хорошо оборудованный центр для исследований и испытаний, а также опытного производства деталей с помощью РСТ;
— Компания DanStir (Дания) является одной из группы компаний, сосредоточивших свое внимание на проведении опытных сварок, производстве опытных серий деталей и промышленном выпуске малыми сериями деталей, изготовленных с помощью РСТ. DanStir оборудована мощной универсальной лабораторной сварки трением, хорошо приспособленной для проведения различных исследований.

VI. Новая серия установок ESAB модульной конструкции.

Для помощи промышленности в освоении техники РСТ ESAB разработал и может поставлять экономичные установки РСТ модульной конструкции серии LEGIO TM , являющейся дополнением к серии ESAB SuperStir TM . Новая серия установок может сваривать методом РСТ материалы толщиной от 1,4 до 100 мм. Мощность привода шпинделя инструмента — от 1,5 до 100 кВт. Серия состоит из двух основных типов: установки типа S для прямолинейных швов и установки типа U для прямолинейных швов по осям X и Y, а также швов в форме окружности, прямоугольника и т.п. Каждый тип установок изготавливается двух видов: напольная установка с вертикальной стойкой для крепления крупногабаритных приспособлений, устройством сварки кольцевого шва или с низко расположенной шпиндельной головкой для двусторонней сварки и со столом для монтажа небольших приспособлений.
Установка для сварки РСТ FSW 3 UT (универсальная установка со столом, приводом шпинделя мощностью 11 кВт и максимальной толщиной сварки алюминиевых сплавов серии 6000 10 мм) была представлена на выставке «Essen Alu Fair» в Германии в 2002 году.

VII. Заключение.

Приведенные в статье примеры новых областей применения РСТ и разработка новых установок РСТ подтверждают наши предположения, что РСТ получит широкое распространение в промышленности. Это подтверждается большим интересом к этому виду сварки автомобилестроителей и представителей других отраслей промышленности. Высокая производительность сварки методом РСТ по сравнению с другими видами ручной и автоматической сварки требует во многих случаях значительных капиталовложений, которые оправдываются только при большом объеме производства. В тех случаях, когда уровень производства компании не может оправдать капиталовложения на установку РСТ, целесообразно совместно использовать ее несколькими компаниями. Однако новая серия установок РСТ, разработанная ESAB Welding Automation, существенно уменьшает капиталовложения и может быть использована многими предприятиями, выпускающими конструкции из алюминиевых сплавов.

Сварка трением

Сварка трением – это разновидность сварки давлением входящей в один из семидесяти способов обработки металла и относится к механическому классу известной классификации.

Технология сварки трением подразумевает нагрев рабочих деталей, происходящий за счёт сил трения, которые возникают при вращении заготовок относительно друг друга.

Процесс сварки трением

Сдавливание деталей происходит одновременно.»

Существуют технологические схемы процесса, которые распределяются следующим образом: инерционный процесс, орбитальная технология и радиальная сварка трением.

Область применения

Она нашла распространение в инструментальном производстве. Она широко используется в машиностроительной области, ядерной энергетике.

Сварка алюминия трением распространена в электротехнической промышленности и производстве сельхоз/техники. Она распространена в автомобильной отрасли, производстве авиационной и космической техники. Перемешивающая сварка трением эффективна в нефтяной и химической отрасли.

Методика расширяет свои границы. Теперь стало возможным использование сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в судостроении, вагоностроении и пищевой отрасли.

Практика показывает, что сварка методом трения наиболее эффективна в следующих случаях:

При её замене плавлением (электродуговым способом) и другими.
Вместо контактного метода.
При замене пайки и клёпки, а также разъёмных соединений деталей.
При необходимости реставрации деталей и инструмента.
Когда необходимо создать новые рациональные конструкции деталей.
Метод как нельзя лучше подходит для соединения отдельных деталей с уже готовыми (обработанными) поверхностями.
Область применения сварки трением включает в себя изготовление деталей из сложных поковок. А также штамповок. Происходит расчленение на простые заготовки для дальнейшего рабочего процесса.

что применение сварки трением исключает мелкие брызги горячего металла.»

При этом на выходе достигается высокая точность соединения, которая даёт возможность использовать описываемый метод для производства деталей, прошедших участие в механической обработке.

Это, в том числе, касается шлифовки и полировки. Как и в других видах работ есть определённые преимущества и отрицательные моменты, которые необходимо осветить.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам данного метода относятся:

высокая производительность;
энерго/эффективность;
стабильность и качество соединения на высоком уровне;
лояльные требования к чистоте поверхности;
возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.

Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла.

В рабочем процессе не выделяются вредные газы, отрицательно влияющих на здоровье рабочих.»

Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:

универсальность процесса на низком уровне;
тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.

Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.

Режимы и процесс сварки

Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.

Технология сварки методом трения

На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.

К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.

Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.

Способы

Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.

Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.

Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.

Дополнительно он формируется заплечниками. С помощью выдавливания и перемешивания происходит формирование сварного шва.

Линейная сварка трением

Ротационная сварка трением сегодня считается разработанным и распространенным способом. Она активно используется при выпуске холодильного оборудования, производстве паромов, тепловых обменников и электрических силовых агрегатов.

Техника задействована в научных и исследовательских целях, а также в автомобильной отрасли.

Какое оборудование необходимо?

К процессу подключаются специальные машины. Например, автоматическая установка СТ 110, предназначенная для производства автомобильных выпускных автомобилей.

Машины комплектуются рабочими узлами. Это: вращающийся привод, фрикционная муфта, шпинделя с ремённой передачей тормоз.

Большая часть машин оборудована приводом вращения, в который входит асинхронный электрический силовой агрегат, клиномерная передача с зубчатым ремнём.

Оборудование для сварки трением

Этот способ сварки подразумевает использование и других конструкций. К примеру, машин для микро и прецизионной сварки. «Малыши» не отстают от «взрослых». В маленьких конструкциях шпиндель должен разогнаться и развить частоту вращения 80-650 с -1 . Сварки трением по ГОСТ 260184 регламентирует термины и определения основных понятий.

Техника безопасности

В процессе работ необходимо соблюдать противопожарную и личную безопасность.

Процесс безопасности включает подготовительный этап и рабочие моменты.

Это проверка рабочей формы и защитных принадлежностей. Освобождение рабочей зоны от посторонних предметов.

Проверка рабочего инструмента и электрических соединений.

Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.

В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видео сварки трением, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.

Важно, чтобы каждый сотрудник перед началом работы прошёл технический и личный инструктаж. Для этого предусмотрен специальный журнал.

Заключение

Существующие процессы и технологии не стоят на месте. Специалисты изучают методы работы и стараются усовершенствовать конечный результат.

Хотя сварка трением считается изученной и понятной, но всё равно научные работники и исследовательские центры хотят расширить её возможности для получения более качественной продукции. Использовать метод, расширив его географию.

Ротационная сварка трением (FSW-РСТ) — возможности в судостроении Кари Лахти (Kari Lahti), ESAB AB Automation, Швеция

Ротационная сварка трением расширяет применение алюминия, обеспечивая точность сварки элементов при минимальных сборочных операциях.

Машина ротационной сварки ESAB LEG IO модульной конструкции позволяет использовать новый сварочный процесс при приемлемых размерах капиталовложений. В этой статье приводятся основные достоинства сварки методом РСТ алюминиевых конструкций, применяемых в судостроении.

Рис1 Проверка плоских панелей, сваренных методом РСТ, в ESAB FSW центре, Швеция. Никогда еще сборочные работы не были такими легкими.

Представьте, что крупный катер-катамаран собирается из отдельных элементов, как игрушечная лодка. Все отдельные полностью взаимозаменяемые и точно выполненные по размерам сборочные элементы прекрасно подходят друг другу.

Ротационная сварка трением — это первый шаг к такой сборке судов. Благодаря малому тепловложению и, следовательно, малым остаточным напряжениям, конструкции, сваренные с высокой точностью методом РСТ, требуют минимальных затрат на последующие сборочные операции.

В результате — экономия времени и средств. Но т.к. это дает конкурентные преимущества фирмам, использующим элементы, предварительно сваренные методом РСТ, информация о реальной экономии не часто появляется в открытой печати.

Однако Мидлинг (Midling) и другие авторы приводят в 2000 г. некоторые данные о возможностях РСТ при производстве предварительно собранных панелей, высказываемые производителями таких панелей:

Возможность изготовления элементов с высокой степенью завершенности.

Высокий уровень повторяемости, обеспечивающий постоянное высокое качество изделий с узкими допусками размеров.

Универсальность оборудования, позволяющая производителям вовремя изготовлять и поставлять специальные заказы клиентов.

Изготовленные панели инспектируются и регистрируются классификационными организациями, такими как DNV, RINA и Германский Ллойд.

Высокая степень плоскостности панелей гарантирует легкость сборки на верфи, что уменьшает долю ручной сварки.

Значительная экономия средств на изготовление панелей методом РСТ, осуществляется за счет уменьшения затрат на дополнительные работы, такие как выравнивание полов и подготовка под напольные покрытия.

Выгоды после сварки

Одним из основных достоинств изделий, сваренных ротационной сваркой трением, является их готовность к применению. Нет необходимости в трудоемких после сварочных работах, таких как зачистка, шлифовка или правка.

Корректно спроектированные элементы готовы к дальнейшему применению сразу после сварки. Надо иметь в виду, однако, что конструкции, спроектированные под МИГ/МАГ или ТИГ сварку, не обязательно подойдут для сварки методом ротационной сварки трением.

Лимитирующим фактором часто является необходимость в сравнительно высоком вертикальном усилии прижатия свариваемых деталей при РСТ. Часто в конструкциях необходимо предусматривать возможность применения соответствующего поддерживающего элемента (рис. 2).

Иногда приходится несколько изменять саму конструкцию. Но после того как это сделано, повторяемость процесса достигает уровня, недоступного при обычных методах сварки. При изготовлении панелей большой площади, например стеновых или половых панелей, кроме требований плоскостности предъявляются еще важные требования к отражательной способности поверхности готовой панели.

Выполнение этих «архитектурных» требований связано с трудоемкими и дорогостоящими операциями полировки и специальной обработки. При сварке панелей ротационной сваркой трением отражательная способность поверхностей панелей остается такой же, как в состоянии поставки, и не изменяется из-за нагрева при обычных методах сварки.

Почему алюминий вместо стали?

Первым ответом на этот вопрос о причине неиспользования алюминия вместо стали был: «потому что алюминий менее прочный металл, чем сталь». Это и так, и не так.

Алюминиевые сплавы могут обладать такой же, а иногда и большей прочностью, чем сталь. Например, сплав «ALUSTAR» имеет величины временного сопротивления и предела текучести, сравнимые с соответствующими величинами низколегированной стали S235. AlCu4SiMg (AA2014) — типичный сплав, применяемый в аэрокосмической промышленности.

Он имеет прочность существенно выше сплавов серий 5ххх и 6ххх, применяемых в судостроении. Некоторые их этих сплавов не применяются в судостроении только из-за плохой свариваемости! Ротационная сварка трением позволяет преодолеть эту преграду.

Представьте только, на сколько половые панели, выполненные, например, из прочного сплава АА7021, будут тоньше и легче стальных! На рис. 3 представлена диаграмма свариваемости различных алюминиевых сплавов. Типичными сплавами, применяемыми в судостроении, являются сплавы серии 5ххх из-за их хорошей коррозионной стойкости и серии 6ххх благодаря их высокой прочности.

Возможны, конечно, и конструкции из различных комбинаций этих сплавов (Ларсcон/Larsson/и др.). Простой способ изготовить небольшую партию предварительно сваренных панелей или изделий На РИС. 4 показан пример достаточно легко осуществимой установки РСТ в судостроительном производстве.

Новая машина ЭСАБ LEGIO™ является идеальным решением вопроса изготовления методом ротационной сварки небольших партий панелей. Машина установлена в цеху рядом с линией сборки корабельного корпуса. Фотография сделана на верфи Estaleiros Navais do Mondego S.A., Португалия. На месте можно сварить даже небольшие партии изделий. LEGIO™ — машина для ротационной сварки трением современной модульной конструкции.

Серия стандартизованных сварочных машин делает ротационную сварку трением доступной каждому производителю. Сварка наивысшего качества выполняется даже на маленьких партиях изделий. В таблице 1 представлены основные характеристики машин серии LEGIO™. Машина размера «3» удовлетворит требования большинства судоверфей.

Рис 2 Конструкции панелей двухстороннего профиля, пригодные для ротационной сварки трением. Иллюстрация: ЭСАБ

Рис 3 Свариваемость различных алюминиевых сплавов, (TWI)

Рис 4 Машина ротационной сварки трением LEGIO ™3 UT, установленная рядом с линией по производству судовых корпусов на судоверфи Estaleiros Navais do Mondego S.A., Португалия

Как начать?

Внедрить на предприятии процесс ротационной сварки трением гораздо легче, чем внедрить другие сварочные процессы. Оператор машины РСТ не должен обладать какими-либо специальными навыками, поскольку параметры процесса повторяются, обеспечивая постоянное, легко достижимое качество.

Для инвестирования в новый процесс РСТ не обязательно быть мощным и богатым производителем — можно сделать это постепенно модуль за модулем. Сокращения производственного цикла и улучшение качества продукции сделает ваше производство мощным и богатым. Попробуйте сделать это!