CC BY
39
УДК 621.791.14.
РОТАЦИОННАЯ СВАРКА
*
М. В. Цыпаев , Ф. М. Мурин Научный руководитель - В. В. Богданов
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: maximts24@gmail.com
Рассмотрены основные способы и особенности ротационной сварки.
Ключевые слова: контактная сварка, сварка трением.
FRICTION STIR WELDING
*
M. V. Tsypaev , F. M. Murin Scientific Supervisor - V. V. Bogdanov
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: maximts24@gmail.com
The main methods and features of friction stir welding.
Keywords: contact welding, friction welding.
Ротационная сварка или сварка трением с перемешиванием (СТП) является одним из новейших способов сварки. Запатентована и разработана для промышленного применения в Кембриджском Институте Сварки (TWI, Великобритания) в1991 г.
СТП. СТП - процесс сварки в твердой фазе без расплавления металла. Вращающийся инструмент (шпиндель), специально разработанный для СТП, 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 свариваемый 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 [1].
Термический цикл. 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.
Материалы. СТП целесообразно использовать для сварки материалов толщиной 1,6.. .30 мм. Согласно данным компании TWI этот способ сварки трением позволяет за два прохода с разных сторон сваривать алюминиевый лист толщиной 75 мм. Технология СТП наиболее широко используется для сварки алюминиевых сплавов. К другим материалам, свариваемым СТП, относят-
Секция «Сварка летательньш аппаратов и родственнее технологии»
ся: медь и ее сплавы, свинец, магниевые сплавы, стали, сплавы на титановой и никелевой основах, термопластичные полимеры.
Инструменты. Инструменты для СТП изготавливают из инструментальных сталей (сварка пластиков и легкоплавких металлов), быстрорежущих сталей (сварка алюминиевых и магниевых сплавов), металлокерамических твердых сплавов и минералокерамик, специальных композиционных материалов (сварка алюминиевых сплавов, сталей, сплавов на никелевой и титановой основах). При выборе инструментального материала стремятся избежать «намазывания» оттесняемого металла на поверхность инструмента. Для этих целей могут быть использованы специальные покрытия [2].
Основными преимуществами СТП являются:
- высокая прочность сварного шва;
- отсутствие необходимости в присадочной проволоке;
- малый расход энергии;
- отсутствие пористость;
- отсутствие особых требования к процессу сварки;
- отсутствие необходимости в механической обработке после сварки;
- практически полное отсутствие коробления и термических деформаций;
- уменьшение производственного цикла на 50.. .75 % по сравнению с обычными способами сварки;
- не требуется подготовка кромок под сварку и обработки шва после нее.
При СТП достигается высокое качество сварки. Деформация и перемешивание металла в твердой фазе иногда создает микроструктуры более прочные, чем основной материал. Обычно, прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90 % от этих характеристик для основного материала. Сварка может выполняться в различных позициях (вертикальной, горизонтальной, под наклоном, снизу вверх и т. д.), поскольку силы гравитации, в данном случае, не играют никакой роли. Перемещение инструмента или детали может производиться в различных направлениях и по программе.
Основными параметрами режима СТП являются:
- скорость вращения инструмента;
- характер вращения инструмента (вращательный, возвратно-вращательный, направление и скорости вращения наружных и внутренних частей инструмента);
- скорость сварки;
- конструкция, форма и геометрические характеристики рабочей части инструмента;
- угол наклона инструмента к поверхности детали.
При СТП формируется шов, в структуре которого можно выделить несколько основных зон: «ядро» сварки, состоящее из термопластически деформированного материала перенесенного выступом инструмента, зону термопластической деформации и зону термического влияния.
При традиционной схеме СТП наблюдается асимметричная структура «ядра» связанная с однонаправленным перемещением материала. Для того чтобы избежать такой асимметрии сварку выполняют с возвратно-вращательным движением инструмента. В этом случае реверс производится через один или несколько, например, пять оборотов инструмента [3].
Для управления структурой шва могут использоваться специальные инструменты, имеющие наружную и внутреннюю части. Вращение этих частей может выполняться с различными скоростями в одном или противоположных направлениях. Наружная часть может выполняться, например, из материала свариваемых деталей. В этом случае в процессе сварки она играет роль присадочного материала, переносимого на поверхность свариваемого изделия.
Ограничения. Основными факторами, ограничивающими применение СТП, в настоящее время являются:
- необходимость жесткого закрепления свариваемых деталей,
- возникновение отверстий в начале и конце шва,
- необходимость проектирования и изготовления специальных инструментов,
- невозможность формирования швов требующих нанесения дополнительного металла,
- невозможность сварки материалов имеющих низкую пластичность даже при высоких температурах или теряющих требуемые механические свойства в результате термопластической деформации.
Некоторые из этих ограничений могут быть устранены использованием специальных приемов сварки. Например, образующееся при сварке кольцевого шва отверстие может быть выведено за пределы шва использованием специальной клиновой вставки. В дальнейшем эта вставка удаляется механической обработкой.
Лучшим способом оценки качества ПСТ является сравнение ее с другими методами сварки. Деформация очень ограниченного пространства при малом тепловложении и при твердом состоянии материала определяет качество сварных соединений, выполненных ПСТ выше, чем качество сварных швов выполненных другими способами сварки, таких как MIG/MAG.
Область применения СТП. Область применения СТП: изготовление сварных конструкций, к которым предъявляются высочайшие требования, например ракетно-космическая техника. Скорость сварки и высокое качество, получаемое без дополнительной предварительной или последующей обработки шва, способствуют постоянному расширению области применения ПСТ.
Библиографические ссылки
1. Enomoto M. FSW: research and industrial applications // Journal of light metal welding construction. 2002. Vol. 40, Ко. 10. P. 59-63.
2. Служебные характеристики соединений алюминиевых сплавов 1201 и АМг6, выполненных фрикционной сваркой / В. А. Половцев, М. М. Штрикман, Г. В. Шилло и др. // Технология машиностроения. 2006. № 4. С. 30-34.
3. Штрикман М. М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соединений (обзор) // Сварочное производство. 2007. № 10. С. 25-32.
© Цыпаев М. В., Мурин Ф. М., 2018
