07.07.2017
Аннотация
Сварка трением с перемешиванием (СТП) - это запатентованный процесс, который был изобретен в TWI. Износостойкий инструмент используется для соединения листовых и плитных материалов, таких как алюминий, медь. В лабораторных экспериментах использовалась сварка трением с перемешиванием для материалов: композиты, сплавы магния, цинка, титановых сплавов и сталей. Сварные швы сделаны ниже точки плавления в твердой фазе, имеют отличные механические свойства и низкий уровень корабления, это обусловлено низким тепловложением и отсутствие плавления.
В аэрокосмической отрасли, большие баки для ракет-носителей производятся СТП из высокопрочных алюминиевых сплавов, и ракета Дельта II так же была изготовлена с помощью СТП. Сварной модуль успешно запущен в августе 1999 года.
В отраслях судостроения и производства подвижного состава несколько компаний теперь так же используют данный процесс, например, для изготовления крупноразмерных сборных алюминиевых панелей, которые изготавливаются из алюминиевых профилей. Автомобильная промышленность использует сейчас СТП в крупносерийном производстве компонентов (например литые диски и пустотелые алюминиевые профиля).
Введение
Сварка трением с перемешиванием (СТП) был изобретен и запатентован в 1991 году в TWI в Кембридже (Великобритания) и был разработан до стадии, где она применяется в серийном производстве. В настоящее время 51 организация имеют лицензии на использование данного процесса. Большинство из них являются промышленные предприятия, а некоторые из них использоют процесс в промышленном производстве, например, в Скандинавии, США, Японии и Австралии. Они подали более 285 патентных заявок, связанных с СТП.
Детали должны быть жестко закреплены в оснастке и защищены от вертикальных, продольных и боковых напряжений, которые будут пытаться их сместить.
Рис. 1. Принцип сварки трением с перемешиванием и микроструктура
Рис. 2. Поперечный макрошлиф кованого алюминия толщиной 6мм, приваренный к литому алюминию
Инструмент для сварки трением с перемешиванием
При СТП расходный элемент это инструмент, который перемещаясь вдоль шва перемешивает материал. Для соединения встык длина штыря равна толщине заготовки. Инструмент имеет специальную спиралевидную форму.
Инструменты для СТП изготовлены из износостойкого материала с хорошими статическими и динамическими свойствами при повышенных температурах. Они сделаны таким образом, что бы произвести до 1000 метра шва, толщиной 5 мм без смены
Материал заготовок
СТП является процессом который происходит в твердой фазе, он работает ниже температуры плавления материала заготовки. СТП может сварить все алюминиевые сплавы, в том числе те, которые обычно не могут быть соединены с помощью обычных методов сварки плавлением, таких как алюминий-литиевых сплавов. Разнородных алюминиевых сплавов также могут быть объединены (например, серия 5000 до 6000 или даже 2000 до 7000 серии). Защитный газ и присадочная проволока не требуется.
СТП процесс может быть применен для магниевых сплавов, а также для цинка и свинца. Можно было соединить магний и алюминий, путем сварки трением с перемешиванием, как показано (рис. 3).
Прежде чем черные и нержавеющие стали могут быть сварены трением с перемешиванием в производственной среде, необходимо произвести эксперименты, чтобы определить наиболее подходящий материал для инструмента. Как только подходящий материал будет выявлен, работы по разработке конструкции инструмента и оптимизированные процедуры для ряда сталей будут начаты. Эта работа должна также исследовать механические и металлургические свойства сварных швов и предоставить сведения из которого потенциальные пользователи могут реально оценить затраты на использование в процессе производства. Преимущества процесса для промышленной эксплуатации будут исследованы в TWI в ближайшее время, сделав несколько прототипов с СТП. Когда стыковые соединения алюминия со сталью, механическая Блокировка может быть обеспечено путем механической обработки ласточкин хвост на стальную плиту, а затем траверсировать инструмент-центр через мягкий алюминиевый сплав (Рис. 4).
Рис. 3. Сварное соединение алюминиевых профилей (AA2219) и 3мм литого магниевого сплава AZ91
Рис. 4. Экспериментальный проект по сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов со сталью, включающего механические блокировки
Предварительные исследования установили, что технику СТП могут быть применены для титана и его сплавов, а это открывает возможности для быстрого, экономически эффективного и технически простой способ получения высокого качества сварных соединений титановых сплавов. В настоящее время проект направлен на развитие TWI процесс до точки, где это можно считаться для промышленного использования. Первоначальные исследования были на Ti-6Al-4В, а призваны расследовать в установленном порядке другие сплавы. Основной интерес в этих сплавах происходит из аэрокосмической отрасли, но производители нефтепроводов и морских платформ так же хотят использовать СТП для титановых сплавов, когда требуется экстремальная устойчивость к коррозии.
Алюминиевые панелей в судостроении сваренные с помощью СТП
Первым коммерческим применением СТП является изготовления полых алюминиевых панелей для глубокой заморозки рыбы на рыболовецких судах ( рис. 5). Эти панели изготавливаются из сваренных трением с перемешиванием алюминиевых профилей. Минимальное корабление и высокая производительность делает процесс СТП как технически, так и экономически очень привлекательным способом получения этих жестких панелей.
Новые СТП заявки были зарегистрированы в Японии, где процесс использования для того чтобы произвести «сотовые» алюминиевые панели ( рис. 6).
Рис. 5. Алюминиевые панели
Рис. 6. Алюминиевая панель для корпуса корабля
Быстровозводимые широкие алюминиевые панели для скоростных паромов могут быть произведено СТП и выпускаться серийно. Панели изготавливаются путем соединения стандартных профилей, которые могут быть произведены в стандартный размер. По сравнению с стандартной сваркой, подвод тепла является очень низким, и это приводит к низкому уровню корабления и снижение термических напряжений. Ежегодно более 70 км бездефектной сварки трением с перемешиванием произведятсяя в течение последних трех лет для судостроительных панелей ( рис. 7). После сварки панели могут быть свернуты для транспортировки, так как они являются жесткими только в продольном направлении ( рис. 8).
Рис. 7. Производство судостроительных панелей
Рис. 8. Полуфабрикат панель для боковых стенок катамаран, перед транспортировкой
Сваренные трением с перемешиванием полые алюминиевые панели подвижного состава
Используемые профили и т-ребра жесткости вертикальные направляющие, в настоящее время свариваются с помощью СТП для железнодорожной отрасли, они применяются для изготовления пригородных и скоростных поездов.
Сваренные трением с перемешиванием алюминиевые компоненты в автомобильной промышленности
СТП сейчас используется в крупносерийном производстве автокомпонентов из алюминия. Они установили машины, которая имеет две сварочные головки для сварки полых профилей с обеих сторон одновременно ( рис. 9). Автомобильные компоненты имеют очень жесткие допуски, которые трудно достичь с помощью обычной сварки плавлением. Теперь они производятся с помощью СТП, этот процесс уменьшает время цикла на 60 сек.
В Норвегии, инновационная технология соединения двух частей колеса автомобиля с СТП было изобретено и успешно продемонстрировано ( рис. 10) .Дополнительный дизайн-концепции были разработаны либо встык или внахлест сварка литых или кованых частей дисков, которые изготавливаются из деформируемых сплавов.
Рис. 9. Машина с двумя сварочными головками для сварки пустотелых алюминиевых профилей одновременно с обеих сторон
Рис. 10. Автомобильное колесо из облегченного сплава.
Выводы
· Ротационная сварка трением используется в судостроительной, автомобильной и железнодорожной отрасли по производству алюминиевых панелей.
· Аэрокосмической промышленности успешно применяется в процессе изготовления космических аппаратов из высокопрочных алюминиевых сплавов.
СТП также может быть использован для меди, свинца, магния, цинка и титановых сплавов, а также для серной и нержавеющей стали.