Классическая сварка трением, распространенная в тяжелом машиностроении с 1960-х годов прошлого века, не могла обеспечить достаточную равномерность швов, что с развитием техники потребовало создания новых, более эффективных методик. Одной из них стала сварка трением с перемешиванием, которая начала разрабатываться еще в 70-х годах, но широкую известность и одноименный патент получила после исследования британского Технологического института сварки в 1991 году.
Содержание
Понятие и суть процесса сварки трением с перемешиванием
В общем случае метод предполагает выполнение следующего алгоритма действий:
- разрушение поверхностных пленок, выброс их остатков и загрязняющих частиц;
- заглубление инструмента в материал, начало формирования ванны с пластично-деформированным металлом;
- движение инструмента по ванне, перемешивание частиц материала;
- извлечение инструмента и застывание ванны.
Шов, полученный методом трения с перемешиванием, несимметричен, так как имеет сторону наплыва, которая соответствует направлению вращения инструмента. Противоположная сторона называется стороной отхода. В остальном соединение получается качественней и аккуратней, чем у других сварочных методик.
Преимущества и недостатки методики
Сварка трением с перемешиванием практически лишена недостатков, касающихся непосредственно качества шва. Основная проблема, связанная с ней – необходимость закрепления соединяемых заготовок на опорном столе, что существенно ограничивает возможность работы с деталями сложной конфигурации, крупногабаритными и тяжеловесными изделиями.
Оборудование, используемое для сварки трением с перемешиванием, отличается сложностью и дороговизной, а для его управления, как правило, используется специфичное ПО.
Методика сварки трением с перемешиванием обеспечивает неоспоримые преимущества как в сравнении с классическими видами сварки (электродуговой, плазменной и др.), так и в сравнении с обычной сваркой трением. К ним относится следующее:
- Возможность работы с любыми металлами без их предварительной подготовки и дополнительных защитных операций. Например, разрушение оксидных пленок происходит механическими силами, а, значит, не требуется использование газовых сред и присадочных материалов.
- Соединение происходит без плавления вещества, что исключает разбрызгивание металла, выброс опасных газов, дымление и прочие неблагоприятные факторы.
- Обеспечивается однородность и мелкозернистость шва, что гарантирует высокие показатели прочности и низкий уровень остаточных напряжений, а также коррозионную стойкость соединений.
- Энергопотребление снижается на 50-80% в сравнении с электродуговой и контактной сваркой.
В каждом конкретном случае качества шва задается рядом показателей, к которым, помимо типа инструмента и материала его изготовления, относят скорость вращения и линейного перемещения наконечника, силу давления бурта на металл, угол заглубления, глубину проработки стыка и другие.
Область применения
Чаще всего сварку трением с перемешиванием используют для соединения заготовок из алюминия и его сплавов, что легко объяснить сложностями проработки этих металлов классическими методами, в первую очередь – их склонностью к образованию тугоплавких оксидных пленок. Основными сферами применения технологии стали промышленность, энергетика и транспорт, в частности:
- изготовление автомобилей и их комплектующих;
- производство железнодорожного подвижного состава и элементов инфраструктуры;
- изготовление и ремонт деталей, узлов и агрегатов морских судов;
- авиационная и космическая промышленность;
- тепловая и атомная электроэнергетика.
Этот перечень постоянно пополняется новыми пунктами. Постепенно оборудование для сварки трением с перемешиванием становится доступнее, входит в производственные фонды относительно малых промышленных предприятий.
Необходимое оборудование
Установка для сварки трением с перемешиванием представляет собой, по сути, станок с ЧПУ, ориентированный на массовое производство деталей из заготовок по заданной программе. Она состоит из таких компонентов:
- корпус со станиной, оборудованной механизмами фиксации заготовок;
- электродвигатель высокой мощности, передающий крутящий момент подвижным частям установки;
- система привода шпинделя, обеспечивающая его осевое, продольное и поперечное движение;
- рабочий орган, представленный головкой с режущим наконечником и опорным буртом;
- система электронного управления.
Обычно при изменении конфигурации или типа заготовок достаточно перепрограммировать установку. Сложности возникают при необходимости последовательной проварки детали в различных плоскостях. В таком случае используют дополнительные поворотные механизмы стола или шпинделя.
Как происходит процесс сварки
Соединение заготовок трением с перемешиванием не требует выполнения каких-либо предварительных операций, в том числе кромкования. Даже очистка и удаление поверхностных пленок осуществляются непосредственно рабочим органом установки. После закрепления заготовок на опорном столе выполняется следующая последовательность действий:
- Вращающийся стержень, играющий роль сварочного инструмента, погружается наконечником в стык свариваемых заготовок. Силы трения, вызванные высокой скоростью вращения, раскаляют металл до пластичного состояния.
- Утолщенная часть вращающегося стержня, называемая буртом или заплечником, упирается в металл, ограничивая заглубление и предотвращая растекание сварочной ванны. Продолжая вращаться, наконечник перемешивает частицы металла.
- Одновременно с вращением инструмент начинает линейное движение, продвигаясь вдоль шва и формируя единую сварочную ванну с равномерно распределенным веществом. Бурт давит на ванну, уплотняя материал и придавая зоне пластичного течения направленную форму.
- По мере отдаления наконечника ванна начинает остывать. Проработав шов, то есть завершив линейное движение, инструмент извлекается. В конечной точке обычно остается небольшое отверстие от наконечника.
Обычно ось инструмента слегка наклонена вперед по ходу движения, что облегчает процесс. Стандартный угол уклона – 1,5-4,5°.
Если угол избыточен, бурт не будет полностью касаться поверхности металла, что, в свою очередь, способно вызвать тоннельный дефект.
