Этот способ может также использоваться для соединения деталей с неплоской геометрией, таких, например, как внутренний или наружный диаметры трубы, элементы, соединенные под углом или встык, или даже ступенчатые элементы. В этих случаях должен быть выполнен такой буртик, например, в форме невращающегося скользящего элемента, который будет повторять форму компонента или форму образуемого сварного шва. Более того, способ можно использовать для соединения более чем двух деталей.

Для того чтобы дополнительно улучшить качество соединения, один или большее количество буртиков и зонд могут быть снабжены поверхностным покрытием или иметь поверхностную обработку. Такое покрытие и обработка могут придать поверхности такие свойства, как уменьшенное трение, износостойкость, термостойкость, диффузионное сопротивление, низкая реакционная способность, а также свойства твердой смазки. Примеры обработки поверхности включают в себя азотирование, цементацию, нитроцементацию. Среди покрытий можно назвать керамические материалы, такие как оксид алюминия, диоксид циркония, нитрид кремния и сиалон, а также тугоплавкие металлы, такие как молибден, литейный чугун, и поликристаллический КНБ.

Для предотвращения окисления и содействия охлаждению через буртик и через пространство вокруг скользящего элемента может подаваться инертный защитный газ, например аргон или гелий.

Для того чтобы размягчить материал перед сваркой, можно применять предварительный нагрев.

Буртик (буртики) можно охлаждать с помощью воды, газа, теплопоглощающего устройства.

Для того чтобы контролировать тепловой цикл, испытываемый материалом детали позади инструмента, можно применять последующий нагрев/охлаждение.

Для того чтобы уменьшить возникающие боковые усилия и улучшить качество сварного шва, а также продлить срок службы инструмента, можно использовать конструкцию с двойным зондом. В этом случае можно предусмотреть два вращающихся зонда, выходящих из соответствующих отверстий в единственном буртике, при этом зонды могут располагаться на одной линии с направлением движения зонда или могут быть слегка смещены. Зонды могут иметь различный размер (длину и/или ширину) и могут вращаться в противоположных направлениях.

Для обработки различных участков материала детали можно использовать несколько зондов.

Во время прохода при выполнении сварного шва зонд может постепенно втягиваться для того, чтобы свести сварной шов на нет, или может выдвигаться/втягиваться для обработки более толстых/более тонких участков компонента, во время как буртик (буртики) остается в контакте с деталями.

Буртик или каждый из буртиков обычно выполняется в виде неподвижного скользящего элемента, но может быть выполнен и таким образом, чтобы во время выполнения соединения он медленно вращался или перемещался с малой скоростью. Как правило, зонд вращается по меньшей мере в 10 раз быстрее, чем буртик (буртики), скорость вращения буртика (буртиков) обычно составляет не более 50 об/мин.

Предпочтительно, чтобы буртик или каждый из буртиков был выполнен из боле чем одного типа материала, или из более чем одной части, а также чтобы для удержания материала вблизи вращающегося зонда использовалась жаропрочная вставка или вставка со специальным покрытием. Например, буртик может быть выполнен главным образом из сплава на основе никеля, но иметь вставку вокруг отверстия, через которое выходит зонд, изготовленную из керамического материала, или из тугоплавкого металла, таких, что упоминались выше.

Зонд может соединяться с буртиком или с каждым из буртиков через неразъемный подшипник, или между ними может быть предусмотрен небольшой зазор.

Может быть использована конструкция с двумя буртиками, где помимо буртика, предусмотренного на верхней поверхности, предполагается установка подходящего крепления для закрепления буртика под деталью, или с помощью подшипника, или с помощью штифта на зонде, или иным способом. Таким образом, второй буртик может быть неподвижным или может медленно вращаться относительно зонда.

Во время использования буртики обычно подвергаются действию активной нагрузки, составляющей, как правило, 500-5000 кг, обычно порядка 3000 кг.

Таким образом могут соединяться или обрабатываться различные типы материалов или их сочетания, в том числе:

Ti и его сплавы;

Fe, стали, и другие сплавы;

Ni и его сплавы;

V и его сплавы;

Cr и его сплавы;

Mn и его сплавы;

Co и его сплавы;

Zr и его сплавы;

Pd и его сплавы;

Hf и его сплавы;

Pt и его сплавы.

Могут соединяться разнородные комбинации материалов. Благодаря тому что зона нагревания и перемешивания, создаваемая одним только зондом, очень узка, область соединения может располагаться так, чтобы осуществлялось избирательное нагревание и перемешивание одного материала по отношению к другому. Это может быть особенно выгодно в том случае, когда свойства соединения ограничиваются образованием интерметаллических соединений. Уменьшение поверхностного нагревания способно ограничивать образование интерметаллических соединений и позволяет соединить многие ранее не поддававшиеся сварке разнородные материалы в различных сочетаниях. В действительности, многие разнородные материалы, отличные от жаропрочных металлов и металлических сплавов с низкой теплопроводностью, могут быть соединены с помощью инструментов для сварки трением с перемешиванием, описанных в настоящем документе.

Помимо содействия успешному соединению жаропрочных материалов, описанный способ обеспечивает также преимущества при выполнении соединений с поддержанием баланса тепла, подводимого в зону соединения. Способ может быть специально адаптирован таким образом, чтобы придать соединению конкретные свойства и сформировать нужную микроструктуру. Качество поверхности соединений, выполненных с помощью скользящего элемента, как правило, значительно выше по сравнению с тем, что можно получить с применением других технологий, как путем сварки трением с перемешиванием, так и сварки сплавлением.

Среди других преимуществ данного подхода можно назвать следующее.

Возможность получать сварные соединения высокого качества в устойчивом процессе FSW, применительно к жаропрочным материалам с низкой теплопроводностью.

Повышенная скорость сварки применительно к жаропрочным материалам с низкой теплопроводностью по сравнению с традиционным способом FSW (где ограничивающим фактором является перегревание сварного шва).

Улучшенное качество корня сварного шва по сравнению с традиционным способом FSW, так как, когда вращается только зонд, обеспечивается более точный баланс тепла через сварной шов.

Возможность уменьшения износа инструмента FSW и увеличение срока службы инструмента, благодаря более сбалансированному распределению тепла в сварном шве.

Использование вращающегося зонда в качестве отдельной детали уменьшает объем жаропрочного материала, необходимого для инструмента FSW, что позволяет использовать для инструмента улучшенные/более качественные материалы, в результате чего улучшаются рабочие характеристики инструмента.

Использование невращающегося скользящего буртика и уменьшение подвода тепла к поверхности снижают вероятность загрязнения сварного шва, особенно при соединении таких металлов, как титан, так как буртик не допускает внешнюю среду к соединению или обрабатываемой области.

Краткое описание чертежей

Некоторые примеры способа и устройства для осуществления способа согласно изобретению описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 и 2 представляют собой фотографии, иллюстрирующие внешний вид соединений жаропрочных материалов, полученных с помощью обычного способа FSW.

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение первого варианта осуществления устройства FSW для реализации способа согласно изобретению.

Фиг.4 представляет собой поперечный разрез второго варианта осуществления устройства для реализации способа согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 представляет собой фотографию стыкового соединения, образованного посредством способа согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 представляет собой поперечный разрез сварного шва, изображенного на фиг.5.

Осуществление изобретения

Фиг.1 и 2 иллюстрируют проблемы, связанные с использованием обычных способов FSW для сварки жаропрочных материалов, в данном случае двух деталей, изготовленных из Ti-6Al-4V. Как видно на обеих фигурах, имеет место сильный перегрев поверхности соединения, что ведет к чрезмерному размягчению материала, недостаточному сдерживанию материала и плохому качеству поверхности. На фиг.1 использовался буртик диаметром 25 мм с зондом диаметром 15 мм, при этом скорость вращения зонда составляла 200 об/мин, а скорость его перемещения составляла 100 мм/мин. На фиг.2 использовался буртик диаметром 15 мм с зондом или штырем диаметром 6 мм, вращавшимся со скоростью 250 об/мин и перемещавшимся со скоростью в диапазоне от 60 до 90 мм/мин.

На фиг.3 показан пример простого устройства для реализации способа согласно изобретению. В данном случае удлиненный зонд 1 под действием нагрузки выходит из шпинделя 2 в зону 7 соединения между двумя деталями 8 и 9 из жаропрочного металла, соединяемыми встык. Шпиндель опирается на коренной подшипник 3 инструмента, который в свою очередь удерживается невращающимся скользящим элементом 4, определяющим буртик, также находящийся под нагрузкой. Зонд может быть выполнен из тугоплавкого сплава, например, на основе вольфрама или молибдена. В качестве альтернативы зонд может иметь керамическую основу и изготавливаться из оксида алюминия, двуокиси циркония и подобных соединений. Скользящий элемент 4 обычно изготавливается из сплава на основе никеля или других жаропрочных материалов, и снабжен вставкой, описанной выше, расположенной вблизи зонда 1.

При использовании шпиндель 2 и, следовательно, зонд 1 вращаются с высокой скоростью, например, 10-1000 об/мин, обычно порядка 500 об/мин, при этом зонд вставляется между деталями 8, 9. Затем зонд и скользящий элемент 4, который находится в контакте с верхними поверхностями деталей 8, 9, перемещается под действием нагрузки, приложенной в направлении стрелки 10, так, чтобы детали подвергались сварке друг с другом вдоль зоны 5 соединения посредством трения с перемешиванием. Область, проходимая скользящим элементом 4, который при этом не вращается, обозначена как 6.

Устройство, которое схематически изображено на фиг.3, показано в виде более приближенного к реальности варианта осуществления на фиг.4. На фиг.4 показан инструмент FSW, содержащий основной корпус 20, который с помощью подшипников 11 шпинделя удерживает с возможностью вращения шпиндель 13, верхний конец которого присоединяется к приводному двигателю, приводящему шпиндель во вращение. Нижний конец шпинделя удерживается коренным подшипником 14 инструмента, закрепленным в корпусе 20.

Зонд 17 FSW в держателе соединяется с концом главного шпинделя 13 и выступает наружу через отверстие 21, выполненное в нижней части 15 корпуса 20.

Нижняя часть 15 корпуса 20 поддерживает невращающийся скользящий элемент 18, аналогичный буртику в обычном инструменте FSW, при этом скользящий элемент снабжен центральной жаропрочной втулкой 22, которая вставляется в отверстие 21 и определяет окно, через которое выходит зонд 17.

Через впускное отверстие 12 может подаваться инертный защитный газ, который выходит через выпускные отверстия 16.

На фиг.5 представлена фотография стыкового сварного соединения деталей из Ti-6Al-4V, полученного с помощью устройства, изображенного на фиг.4. В данном случае, диаметр зонда составлял 8 мм, скорость его вращения составляла 300 об/мин, а скорость перемещения равнялась 80 мм/мин. Следует отметить, что какая-либо послесварочная обработка поверхности не производилась, однако можно видеть, что полученное соединение имеет значительно более высокое качество. То же самое соединение показано в поперечном разрезе на фиг.6.

1. Способ сварки трением с перемешиванием деталей, выполненных из металла или металлического сплава, имеющего температуру плавления выше температуры плавления алюминия и теплопроводность ниже теплопроводности алюминия, состоящий во введении вращающегося зонда инструмента для сварки трением с перемешиванием в деталь или в зону соединения между двумя деталями, при этом зонд выходит из одного буртика, находящегося в контакте с деталью или деталями, и вращается относительно буртика.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что он служит для соединения двух деталей и дополнительно включает перемещение инструмента вдоль линии соединения деталей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что он служит для обработки детали и дополнительно включает перемещение инструмента по линии, проходящей вдоль детали.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что отсутствует вращение буртика относительно детали или деталей.

5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что отсутствует вращение буртика относительно детали или деталей.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что буртик представляет собой скользящий элемент.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что буртик медленно вращается относительно зонда.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что форма буртика соответствует поверхности или поверхностям детали или деталей, к которым примыкает указанный буртик.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что или зонд, или буртик, или и тот, и другой имеет поверхностное покрытие или поверхностную обработку, обеспечивающую одно или большее количество свойств из следующих: уменьшенное трение, износостойкость, термостойкость, диффузионное сопротивление, низкая реакционная способность, а также свойства твердой смазки.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает подачу защитного газа в зону между буртиком и деталью или деталями.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно включает подачу охлаждающей среды и/или смазки в зону между буртиком и деталью или деталями.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что буртик изготовлен из более чем одной части, при этом та часть, которая расположена ближе всего к зонду, имеет высокую температуру плавления.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что деталь или каждая из деталей выбраны из следующей группы материалов: Ti и его сплавы; Fe и его сплавы; Ni и его сплавы; V и его сплавы; Cr и его сплавы; Mn и его сплавы; Co и его сплавы; Zr и его сплавы; Pd и его сплавы; Hf и его сплавы; Pt и ее сплавы.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что он служит для соединения двух деталей, при этом детали выполнены из разных материалов.

15. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что выполняют втягивание зонда во время вращения при приближении инструмента к концу линии, при этом буртик остается в контакте с деталью или деталями.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура плавления металла или металлического сплава составляет более 700°С.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что теплопроводность металла или металлического сплава составляет менее 250 Вт/м·K.

18. Способ сварки трением с перемешиванием деталей, выполненных из металла или металлического сплава, имеющего температуру плавления выше температуры плавления алюминия и теплопроводность ниже теплопроводности алюминия, состоящий во введении вращающегося зонда инструмента для сварки трением с перемешиванием в деталь или в зону соединения между двумя деталями, при этом зонд проходит между первым буртиком и вторым буртиком, находящимися в контакте с противоположными сторонами детали или деталей, и вращается относительно обоих буртиков.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что один буртик или оба буртика не вращаются относительно детали или деталей или медленно вращаются относительно зонда.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что деталь или каждая из деталей выбраны из следующей группы материалов: Ti и его сплавы; Fe и его сплавы; Ni и его сплавы; V и его сплавы; Cr и его сплавы; Mn и его сплавы; Co и его сплавы; Zr и его сплавы; Pd и его сплавы; Hf и его сплавы; Pt и ее сплавы.

21. Способ по п.18, отличающийся тем, что он служит для соединения двух деталей, при этом детали выполнены из разных материалов.

22. Способ по п.18, отличающийся тем, что температура плавления металла или металлического сплава составляет более 700°С.

23. Способ по п.18, отличающийся тем, что теплопроводность металла или металлического сплава составляет менее 250 Вт/м·K.

24. Соединение двух деталей, выполненных металла или металлического сплава, имеющего температуру плавления выше температуры плавления алюминия и теплопроводность ниже теплопроводности алюминия, полученное посредством способа по любому из пп.1-17 или пп.18-23.

www.findpatent.ru

Сварка трением с перемешиванием конструкционных материалов и свойства соединений

Новый метод получения сварных соединений, получивший название «сварка трением с перемешиванием» (СТП) был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991 г. [1]. 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. Исследователи данного процесса считают, что если 10% общего объема сварных соединений в США заменить СТП, то будет достигнуто на 500 млн. фунтов/год меньше выделений парникового газа. Расчетная экономическая выгода промышленности США от внедрения СТП в промышленное производство составляет $4,9 млрд./год [2].

Сущность процесса заключается в следующем (рис. 1). Для сварки используют инструмент в форме стержня, состоящий из двух основных частей, а именно: заплечика или бурта (утолщенная часть) и наконечника (выступающая часть). Размеры этих конструктивных элементов выбирают в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей.

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. В результате работы сил трения происходит нагрев металла до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху заплечиком инструмента. 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.

Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием.

СТП применяют в основном для соединения материалов со сравнительно низкой температурой плавления, прежде всего алюминиевых [3] и магниевых сплавов [4]. Выполнена успешная сварка данным способом медных [5], никелевых и титановых сплавов [2], а также сталей [6]. С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной до 75 мм за один проход [7]. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать нахлесточные соединения алюминиевых листов толщиной от 0,2 мм [8]. Скорость сварки сплава 6082 толщиной 5мм может достигать 6 м/мин [9]. Основными параметрами процесса СТП являются: скорость сварки, частота вращения инструмента, усилия прижатия и перемещения инструмента, угол наклона инструмента, его размеры. Усилия прижатия и перемещения зависят от типа свариваемого материала, его толщины и скорости сварки. Сварка образцов из сплава 7010 – Т7651 толщиной 6,35 мм при изменении скорости сварки в диапазоне от 59 до 159 мм/мин и скорости вращения инструмента от 180 до 660 об/мин показала, что при увеличении скорости вращения увеличивается тепловложение в металл и в сварном соединении формируется микроструктура с более однородными зернами [10]. При этом также повышаются прочностные и пластические свойства до определенного предела. При увеличении скорости сварки необходимо увеличивать скорость вращения инструмента для достижения оптимальных условий. Однако для полного отсутствия дефектов, а также для обеспечения всех необходимых свойств, надежности и технологичности необходимо строго выбирать режимы, оптимально подходящие для определенной продукции.

Большинство исследователей указывают на следующие преимущества сварки трением с перемешиванием по сравнению с другими способами получения неразъемных соединений [11, 12]:

– в зоне сварки лучше сохраняются свойства основного металла по сравнению со способами сварки плавлением;

– отсутствие вредных испарений и ультрафиолетового излучения в процессе сварки;

– возможность получения бездефектных швов на сплавах, которые при сварке плавлением склонны к образованию горячих трещин и пористости в швах;

– не требуется использование присадочного материала и защитного газа, удаление поверхностных оксидов на кромках перед сваркой, а также шлака и брызг после сварки;

– отсутствуют потери легирующих элементов металла при его сварке.

Уровни выделений Cr, Cu, Mn, Cr⁺⁶ при СТП сталей по сообщению RockwellScientific (США) значительно ниже (<0,03, <0,03, <0,02 и <0,01 мг/мм³ соответственно), чем при аргонодуговой сварке (0,25, 0,11, 1,88 и 0,02 мг/мм³ соответственно) [2]. Сравнение затрат на производство при использовании сварки трением с перемешиванием и сварки плавящимся электродом (СПЭ) показало, что начальные капиталовложения при СТП более высокие, но с увеличением объемов производства сварка трением с перемешиванием становится экономически выгоднее, чем дуговая сварка [11].

Рис. 2. Распределение температур в продольном сечении образца.

Судя по экспериментальным результатам TWI, максимальная температура при сварке трением с перемешиванием составляет около 70% значения температуры плавления и для алюминия не превышает 550°С. Тепловложение при СТП 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) [13]. С помощью математического моделирования тепловых процессов при СТП в работе [14] построено распределение температур в свариваемой пластине (рис. 2). Более низкая температура зоны соединения при сварке трением с перемешиванием по сравнению со сваркой плавящимся электродом объясняет меньший уровень угловых деформаций в сварном соединении. При СТП угловая деформация равна 1/5÷1/7 значений при СПЭ [12] (рис. 3).

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

Предполагается, что из-за невысокого уровня температур процесса, остаточные напряжения низкие. Но жесткое закрепление налагает большие ограничения на деформацию пластин. Это препятствует сокращению металла при охлаждении зоны динамической рекристаллизации и зоны термического влияния (ЗТВ) в продольном и в поперечном направлении, приводя к поперечным и продольным остаточным напряжениям. При СТП сплавов 2024 – Т3 і 6013 – Т6 обнаружено, что продольные остаточные напряжения выше поперечных (скорость сварки составляла 300 ÷ 1000 мм/мин, скорость вращения инструмента – 1000 ÷ 2500 об/мин). Высокие растягивающие напряжения преобладают в ЗТВ. Величина остаточных напряжений уменьшается при снижении скорости сварки и скорости вращения инструмента. Максимальные значения продольных растягивающих напряжений достигают значений 30 ÷ 60% предела текучести сварного соединения и 20 ÷ 50% предела текучести основного металла [15].

Рис. 4. Схема зон стыкового соединения, выполненного СТП: А – основной металл, В – зона термического влияния (ЗТВ), С – зона термомеханического влияния, D – зона динамической рекристаллизации (сторона набегания слева).

Макроструктура сварных соединений при сварке трением с перемешиванием характеризуется особенностями, не свойственными швам, полученным способами сварки плавлением. Типичным для СТП является образование в центре соединения ядра, которое содержит овальные концентричные кольца, различающиеся структурой [16]. К ядру примыкает сложный профиль, который образует верхнюю часть шва. Образование овальных колец связывается с особенностями перемешивания металла наконечником инструмента. В сварном соединении при СТП выделяют четыре зоны, которые схематически представлены на рисунке 4. Непосредственно к зоне А (основной металл) примыкает зона В, где металл заготовок остается недеформированным и изменяет свою структуру только под воздействием нагрева (зона термического влияния). Зона С, где металл подвергается значительным пластическим деформациям и нагреву, названа зоной термомеханического влияния (ЗТМВ). Зона D – это ядро соединения, где происходит динамическая рекристаллизация. Твердость металла уменьшается в направлении от основного металла к центру шва, и минимальное значение достигается в ЗТВ (рис. 5). Снижение твердости в ЗТВ происходит за счет перестаривания, уменьшения плотности дислокаций либо за счет обоих этих механизмов.

Рис. 5. Распределение твердости в зоне сварного соединения сплава 7075 – Т7351 [17].

О высоком уровне механических свойств сварных соединений сообщают многие исследователи. При СТП сварное соединение сплава 6082 –Т6 имеет предел прочности σ_в=245 МПа, тогда как основной металл имеет σ_в=317 МПа. Для 6082 –Т4, состаренного после сварки, σ_в=308 ÷ 310 МПа. Испытания на усталость свидетельствуют о более высоком уровне механических свойств соединений при СТП по сравнению с аналогичными при аргонодуговой сварке [18].

Авторы [19] 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.

Рис. 6. Механические свойства сварного соединения, выполненного различными способами сварки.

Проблемами СТП литейных алюминиевых сплавов занимались авторы работы [20]. В промышленном производстве литейные сплавы часто приходится сваривать с получаемыми экструдированием. Использовали сплавы ADC1 и А6061 – Т6 толщиной 4мм. Результаты, полученные при СТП, сравнивались с аналогичными при аргонодуговой и лазерной сварке. Как видно из рисунка 6, СТП обеспечивает лучшие свойства соединений. Предел прочности составляет 80% прочности А6061 – Т6. При испытании на изгиб разрушение при сварке трением с перемешиванием происходит по основному металлу. О положительных результатах сварки трением с перемешиванием разнородных сплавов, а также алюминиевых сплавов со сталями сообщается в публикации [21]. При СТП стали SS400 и сплава А5083 толщиной 2 мм предел прочности был равен 240 МПа, что составляет 86% прочности алюминиевого сплава.

Рис. 7. Установка для точечной сварки трением с перемешиванием (слева), поперечное сечение (вверху справа) и внешний вид образцов (внизу справа).

В качестве недостатка способа СТП авторы [2, 12] отмечают образование в конце шва отверстия, равного диаметру наконечника, что требует выведения шва за пределы рабочего сечения заготовки или заполнения отверстия после сварки с помощью других методов, таких как вварка трением специальных пробок.

Происходящее совершенствование технологии и оборудования позволяет преодолеть существующие недостатки, а также расширить области применения способа. Хотя сварка трением с перемешиванием применяется в основном для стыковых и нахлесточных швов, возможно также получение угловых, тавровых, точечных швов. Точечную сварку трением с перемешиванием можно реализовать двумя способами. Первый способ – это точечная сварка погружением (PFSW), который был запатентован фирмой Mazda (Япония) в 2003 году. При этом вращающийся инструмент погружается в деталь, доводя до пластического состояния и перемешивая металл под заплечиком. После этого инструмент поднимается, оставляя характерное углубление в детали. Второй способ – точечная сварка трением с заполнением шва (RFSW), который запатентован GKSS– GmbH в 2002 году [2]. Для этого способа используют инструмент, у которого наконечник и заплечик имеют раздельные системы привода. Вращающийся инструмент опускается в деталь, при этом наконечник выдавливает и перемешивает находящийся под ним металл, а после он убирается, и металл под заплечиком заполняет углубление, и, таким образом, получается шов без отверстия (рис. 7).

Рис. 8. Внешний вид инструмента из поликристаллического кубического нитрида бора [2].

Сварочный инструмент обычно изготавливается из инструментальных сталей Н13 (AISI), SKD61, SKD 11, SKH 57 (JIS), нержавеющей мартенситной стали SUS440C(JIS). При этом возможно использование составных инструментов, у которых наконечник изготовлен из кобальтового сплава МР159, а заплечик – из Н13 [22]. Для сварки методом СТП сталей толщиной до 0,5″ MegaStir разработала инструмент из поликристаллического кубического нитрида бора. Его стойкость против разрушения выше и позволяет придать наконечнику форму необходимую для благоприятного течения металла в зоне сварки (рис. 8). Инструмент по отношению к поверхности детали располагают под небольшим углом 2 ÷ 3° [16, 23]. При таком расположении инструмента под небольшим углом к поверхности детали достигаются наиболее высокие показатели качества.

Рис. 9. Конструкция инструмента Bobbin Tool.

Инструмент, одновременно выполняющий также роль подкладки соединяемых заготовок, приведен на рисунке 9 [24]. В NASA разрабатывается саморегулирующийся инструмент, длина наконечника которого определяется силами, действующими на него. При отклонении нагрузки на наконечник от заданного значения, происходит автоматическая корректировка его длины. Это позволяет сваривать заготовки переменного сечения и избегать образования отверстия при выполнении кольцевых швов.

Рис. 10. Варианты конструкции рабочего инструмента WhorlTM.

Для сварки алюминиевых сплавов значительной толщины разработаны семейства инструментов Whorl^TM(рис. 10) и Triflute^TM[25], которые позволяют выполнять сварку за один проход алюминиевых сплавов толщиной 50 мм. Новыми вариантами СТП являются технологии Re– Stir^TM, Skew– Stir^TM, Com– Stir^TM[26]. Технология Re– Stir^TM с переменным вращением инструмента по часовой и против часовой стрелки позволяет исключить асимметрию шва, присущую традиционной СТП. По технологии Skew– Stir^TM инструмент немного наклонен по отношению к шпинделю машины так, что точка пересечения осей шпинделя и инструмента, получившая название фокусной точки, может располагаться над, под или в свариваемой заготовке в зависимости от свойств материала и параметров режима. Это позволяет получить при вращении инструмента в процессе сварки более широкий шов. Инструменты A – Skew^TMи Flare – Triflute^TMобеспечивают формирование более прочных нахлесточных соединений. Технология Com– Stir^TM состоит в совмещении в процессе сварки вращательного и орбитального движений инструмента. В результате получают более широкие швы и в основном применяют для соединения разнородных материалов. Разработана система с двумя параллельными инструментами Twin – Stir^TM [27].

Рис. 11. Соединения, выполненные на автомобиле Mazda RX – 8 с помощью точечной сварки трением с перемешиванием [2].

Развитие новых технологий сварки трением с перемешиванием продолжается. В Университете Миссури – Колумбия (США) занимаются разработкой СТП с сопутствующим дополнительным нагревом при пропускании тока через наконечник инструмента. Центр обработки и соединения передовых материалов (США) разрабатывает СТП с индукционным предварительным подогревом материала, что позволит увеличить скорость сварки, уменьшить силы, действующие на инструмент, и уменьшить его износ [2]. В работе [28] изучается возможность использования лазера для предварительного подогрева металла при СТП магниевых сплавов.

Рис. 12. Оборудование для сварки трением с перемешиванием в вертикальном положении.

Благодаря небольшому количеству факторов, влияющих на процесс СТП, и достаточно простой конструкции оборудования, способ идеально подходит для автоматизации и роботизации [29]. Установка Tricept805 позволяет выполнять сварку алюминия толщиной до 10 мм.

Сварка трением с перемешиванием уже используется многими производителями различных высокотехнологичных изделий. Фирмы GDLS (GeneralDynamicsLandSystems) и EWI (EdisonWeldingInstitute) провели совместные работы, целью которых было обеспечить требуемые баллистические характеристики соединений броневых плит из алюминиевого сплава 2195 – Т87 для морских бронированных транспортеров. Сварка методом СТП вместо аргонодуговой плит толщиной 31,8 мм позволила получить приемлемые прочностные свойства соединений и более пластичные (в 2 – 3 раза) швы. В итоге сварные соединения (в том числе угловые) успешно прошли баллистические испытания [22].

Рис. 13. Установка для сварки трением с перемешиванием топливного бака ракеты «Delta» на предприятии «Boeing».

Для предотвращения ухудшения свойств сверхпроводящей Nb – Ti проволоки её необходимо соединять с жестким элементом из чистого Al при температуре ниже 400°С. Раньше для этого использовали низкотемпературную пайку, но паяные швы имели низкую прочность. СТП обеспечила требуемые свойства сварного соединения в жидком гелии [12].

В течение трех лет с 2003 года компания FordMotorCo. (США) изготовила несколько тысяч автомобилей FordGT, применяя СТП для сварки центрального отсека, который вмещает и изолирует топливный бак от внутреннего отделения и обеспечивает пространственную жесткость каркаса [2]. СТП повышает точность размеров и на 30% увеличивает прочность по сравнению со сходными узлами при дуговой сварке в защитном газе. В другой работе [30] описывается процесс изготовления точечной сваркой трением кузова автомобиля MazdaRX – 8 (рис. 11). С 2003 года было произведено свыше 100 тыс. автомобилей, двери которых изготовлены точечной сваркой трением [7]. На основании успешного применения данного способа сварки сообщается о планах фирмы выполнить подобные соединения на новом поколении автомобилей модели MX – 5.

Рис. 14. Самолет Eclipse 500 с узлами, изготовленными сваркой трением с перемешиванием.

Активно занимаются изучением процесса СТП в аэрокосмической сфере (рис. 12) [24]. В 2001 году процесс внедрен в производство внешнего бака ракеты носителя для возвращаемых космических кораблей. Технология предусматривает сварку 8 продольных швов на резервуаре из сплава 2195 для жидкого водорода и 4 продольных шва на резервуаре для жидкого кислорода. Это приблизительно ½ мили швов на каждом баке. Разрабатывается оборудование для ремонтной сварки трением с перемешиванием в условиях космического вакуума. Концепция основана на том, что высокая скорость вращения инструмента (30000 об/мин) при СТП позволит уменьшить усилия, необходимые для выполнения сварки.

Компания «Boeing» начала использовать сварку трением с перемешиванием при производстве ракеты «Delta» II и III (рис. 13) [31]. 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.

О работах по СТП оребренных панелей для крыла самолета из сплавов 2024, 7475, 7050 толщиной 4 мм сообщается в статье [32]. Высокое качество соединений обеспечено при использовании СТП на самолете Airbus А350 и двух новых версиях А340 (А340 – 500 и А340 – 600) [2]. Компания EclipseAviation завершает сертификацию реактивного самолета бизнес класса Eclipse 500 с узлами, изготовленными методом СТП (рис. 14).

Рис. 15. Внешний вид экспериментальной установки для СТП тонколистовых (1,8 ÷ 2,5 мм) алюминиевых сплавов.

Приведенный анализ опубликованной информации свидетельствует о том, что сварка трением с перемешиванием успешно развивается и находит применение в различных отраслях промышленного производства. Большинство публикаций касаются сварки алюминиевых сплавов средней и сравнительно большой толщины. Следует иметь в виду, что затруднения 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 (рис. 15). 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.

Рис. 16. Внешний вид шва, полученного сваркой трением с перемешиванием (алюминиевый сплав АМг6 толщиной 2 мм).

Установлено, что соединения при данном способе сварки обладают высоким уровнем механических свойств (коэффициент прочности сварных соединений составляет 0,7 ÷ 0,9 от уровня прочности основного металла (табл.)) и подтверждена актуальность работ по усовершенствованию способа сварки трением с перемешиванием конструкций с применением тонколистовых материалов.

Таблица

Механические свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием

Литература

1. US Pat. No 5460317. Friction stir butt welding/ W.M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham et al.; Опубл. 1995.
2. Arbegast W.J. Friction stir welding. After a decade of development// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 28 – 35.
3. Ito T., Motohashi Y., Goloborodko A. et al. Microstructures and room temperature mechanical properties in friction-stir-welded joints of 7075 aluminum alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 9 – 13.
4. Aritoshi M. Friction stir welding of magnesium alloys sheets// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 18 – 23.
5. Nakata K. Friction stir welding of copper and copper alloys// Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – P. 14 – 17.
6. Klingensmith S., Dupont J.N., Marder A.R. Microstructural characterization of a double-sided friction stir weld on a superaustenitic stainless steel// Welding J. – 2005. – May. – P. 77 – 85.
7. Martin J. Pushing the boundaries – friction stir goes deeper than before// TWI Connect. – 2006. – January/February. – P. 1.
8. Teh N.J. Small joints make a big difference// TWI Connect. – 2006. – 143, №4. – Р. 1.
9. Эрикссон Л.Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трением – научные исследования и новые области применения// Технология машиностроения. – 2003. – №6. – Р. 81 – 84.
10. Hassan A.A., Prangnell P.B., Norman A.F. et al. Effect of welding parameters on nugget zone microstructure and properties in high strength aluminium alloy friction stir welds// Sci. Technol. Weld. Joining. – 2003. – 8, №4. – Р. 257 – 268.
11. Defalco J. Friction stir welding vs. fusion welding// Welding J. – 2006. – 85, №3. – P. 42 – 44.
12. 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.
13. Aota K., Okamura H., Masakuni E. et al. Heat inputs and mechanical properties friction stir welding// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
14. 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.
15. Dalle Donne C., Lima E., Wegener J. et al. Investigation on residual stresses in friction stir welds// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
16. Volpone M., Mueller S.M. Friction stir welding (FSW): le ragioni di un successo// Rivista Italiana della Saldatura. – 2005. – №1. – Р. 23 – 30.
17. Chao Y.P., Wang Y., Miller K.W. Effect of friction stir welding on dynamical properties of AA 2024-T3 and AA 7075-T7351// Welding J. – 2001. – №8. – Р. 196 – 200.
18. 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.
19. 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.
20. Nagano Y., Jogan S., Hashimoto T. Mechanical properties of aluminum die casting joined by FSW// Proc. of the 3rd International Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27 – 28 September, 2001.
21. Kimapong K., Watanabe T. Friction stir welding of aluminum alloy to steel// Welding J. – 2004. – October. – P. 277 – 282.
22. Colligan K.J., Konkol P.J., Fisher J.J. et al. Friction stir welding demonstrated for combat vehicle construction// Welding J. – 2003. – March. – P. 34 – 40.
23. Shibayanagi T., Maeda M. Characteristics of microstructure and hardness in friction stir welded 7075 aluminum alloy joints// Trans. JWRI. – 2004. – 33, №1. – P. 17 – 23.
24. Ding J., Carter R., Lawless K. et al. Friction stir welding flies high at NASA// Welding J. – 2006. – March. – P. 54 – 59.
25. Dolby R.E., Johnson K.J., Thomas W.M. The joining of aluminium extrusions// La metallurgia italiana. – 2004. – №3. – P. 25 – 30.
26. Pekkari B. The future of welding and joining// Svetsaren. – 2004. – №1. – Р. 53 – 59.
27. Thomas W., Staines D. Better joints using two contra – rotating FSW tools// TWI Connect. – 2006. – May/June. – P. 7.
28. Kohn G., Greenberg Y., Makover I. et al. Laser – assisted friction stir welding// Welding J. – 2002. – February. – P. 46 – 48.
29. Cook G.E., Smartt H.B., Mitchell J.E. et al .Controlling robotic friction stir welding//Welding J. – 2003. – June. – P. 28 – 34.
30. Kato K., Sakano R. Development of spot friction welding and application for automobile body// J. of Light Metal Welding & Construction. – 2004. – 42, №11. – P. 8 – 13.
31. Imuta M., Kamimuki K. Development and Application of Friction Stir Welding for Aerospace Industry// Proc. of the IIW International Conference on Technical Trends and Future Prospectives of Welding Technology for Transportation, Land, Sea, Air and Space, Osaka, Japan, 15 – 16 July, 2004. – P. 53 – 64.
32. Kumagai M. Application of FSW for aircraft// Welding Technology. – 2003. – 51, №5. – P. 74 – 78.

svarka-24.info