Сварка перемешиванием. О целесообразности внедрения и технологических аспектах технологии ПСТ

Инженерно-консалтинговая компания «Солвер» продолжает знакомить читателей «Умного производства» с инновационными технологиями. В одиннадцатом номере журнала мы начали знакомить читателей с современным направлением в сварке металлов – перемешивающей сваркой трением (ПСТ), рассказав о ее преимуществах и мировом опыте применения. В этой статье коснемся вопросов целесообразности внедрения ПСТ и технологических аспектов этого перспективного метода сварки.
 
ОСОБЕННОСТИ
 
Отличительной особенностью технологии ПСТ от других методов сварки металлов является тот факт, что соединение материалов осуществляется без их плавления. Тепло, генерируемое трением вращающегося рабочего стержня инструмента со свариваемыми поверхностями, размягчает материал заготовок. Вследствие дополнительного к вращению осевого давления и поступательного движения инструмента, материал заготовок, находясь в пластичном состоянии, смешивается, переходя с фронтальной стороны инструмента к задней, где, охлаждаясь, затвердевает.
Хотя по технологии ПСТ не происходит расплавления материала, благодаря тепловому воздействию, шов, сформированный деформацией материала в горячем состоянии, обладает мелкозернистой структурой без оксидирования и пористости. Отсутствие фазы плавления материала в самой заготовке позволяет тем самым избежать множества проблем, возникающих из-за таких изменений состояния, как объемные изменения и растворимость газа, которые часто мешают процессу сварки плавлением. Кроме того, снижение температуры сварки позволяет значительно уменьшить деформацию материала и снизить остаточные напряжения и улучшить усталостные характеристики. Усовершенствованные технологические приемы ПСТ позволяют осуществлять сварку как тонких – от 1 мм толщиной, так и толстых – до 75 мм свариваемых элементов.
Из-за характерно высоких усилий, участвующих в процессе, сварка перемешиванием используется как полностью механизированный процесс, что по сравнению с дуговой сваркой, с одной стороны повышает стоимость оборудования, с другой – принципиально снижает требования к квалификации персонала. Другими особенностями сварки перемешиванием является то, что она позволяет полностью или в значительно степени избежать образования опасных испарений, а также снизить потребление энергии в процессе сварки. Кроме того, технология ПСТ позволяет осуществлять сварку с любым пространственным положением шва вне зависимости от сил гравитации. Эти особенности ПСТ и ее отличия от традиционной дуговой сварки делают сварку перемешиванием важным и современным производственным процессом с неоспоримыми техническими, экономическими и природоохранными преимуществами.

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ
 
Сравнение сварки перемешиванием с другими процессами сварки обычно осуществляется в контексте целесообразности использования данного процесса вместо традиционных технологий. Успешное применение ПСТ зависит от четкого понимания характеристик процесса, поэтому для каждого случая необходимо разрабатывать свои критерии технической и экономической целесообразности внедрения процесса. В связи с этим модель внедрения технологии и оборудования ПСТ в производство заказчика выглядит, как это представлено на рисунке.
Основу технической целесообразности применения ПСТ создают уникальные технические преимущества этой технологии по сравнению с традиционными методами дуговой сварки, а также требования, предъявляемые к процессу. Основные факторы технической целесообразности ПСТ по сравнению с дуговой сваркой следующие:
- лучшая свариваемость;
- меньшая деформация;
- снижение остаточных напряжений, повышение усталостных характеристик, устойчивости к коррозии и характеристик коррозионного растрескивания под напряжением;
- улучшение внешнего вида сварного шва;
- отсутствие необходимости в присадочных материалах;
- улучшение статической прочности и пластичности;
- механизация процесса;
- высокая надежность, небольшое количество технологических параметров процесса.
Каждый из этих пунктов технического обоснования должен быть приведен в равновесие с уникальными техническими требованиями к процессу, такими как:
- высокая механизация процесса;
- особые требования к крепежным приспособлениям;
- ограничения по конструкции соединения;
- наличие отверстия для выхода инструмента в конце сварного шва (за исключением сварки ПСТ с регулируемым рабочим стержнем).
Коснемся некоторых из перечисленных аспектов.
 
Лучшая свариваемость
Некоторые формы алюминиевых сплавов и других материалов, например, отливки, трудно или невозможно сварить с помощью традиционной дуговой сварки из-за проблем с образованием хрупкой фазы и трещин. Для этих сплавов одна только свариваемость уже может явиться решающим критерием в пользу применения ПСТ вместо традиционной дуговой сварки или других технологий соединения, например, механического скрепления. Кроме того, ПСТ делает возможным соединение некоторых разнородных сплавов, использование которых в определенных областях применения может дать значительные преимущества.
 
Меньшая деформация
При сварке перемешиванием достигается меньшая пиковая температура, чем при дуговой сварке, что ведет, в свою очередь, к уменьшению продольной и поперечной деформации. Тем не менее, сами сварные швы, полученные методом ПСТ, не свободны от остаточных напряжений. Баланс остаточных напряжений при ПСТ может дать в результате почти плоские швы в материалах практически любой поддающейся сварке толщины, хотя здесь оказывают влияние также конструкция сварочного инструмента, конструкция соединения, параметры сварки и конструкция крепежных приспособлений. Данная характеристика ПСТ делает возможными новые технологические приемы, и может значительно снизить общие производственные затраты, в том числе благодаря сокращению времени на подгонку и вторичную механическую обработку.
Одно из промышленных применений ПСТ состоялось при производстве изделий из экструдированных алюминиевых профилей – очень плоских, жестких узлов из относительно узких алюминиевых профилей. Применение ПСТ было оправдано тем, что при использовании дуговой сварки сварные швы получались настолько деформированными, что изделие становилось абсолютно непригодным к использованию.
Снижение максимальной температуры и уменьшение остаточных напряжений также приводит к улучшению эксплуатационных характеристик в условиях циклической нагрузки. Обычно у соединений, получаемых методом сварки перемешиванием, значение усталостной прочности выше значения, получаемого при дуговой сварке, но ниже значения усталостной прочности для исходного металла. Однако в соединениях ПСТ, которые после сварки подвергались механической обработке, значение усталостной прочности достигает значения этого параметра для исходного металла. Применение ПСТ целесообразно, если учитывать усталостные характеристики для соединений ПСТ (наряду с экономическими факторами) по сравнению с использованием механических креплений, как, например, в авиационно-космической отрасли. Снижение остаточного напряжения и пиковой температуры может также решить проблемы с общим окислением и коррозионным растрескиванием под напряжением в алюминиевых сплавах. И хотя этих условий бывает недостаточно для принятия решения о преимущественном использовании процесса, они могут оказаться решающими в тех случаях, когда речь идет о его применении для деталей в изделиях длительного пользования.

Улучшенный внешний вид
Лицевая сторона сварных швов, полученных традиционным методом ПСТ, неизменно оказывается в высшей степени ровной и плоской для различных материалов с различной толщиной. После покраски лицевая сторона такого сварного шва становится практически невидимой. Это сыграло не последнюю роль при предпочтении сварки перемешиванием по отношению к другим видам соединений в коммерческом кораблестроении, авиастроении и производстве железнодорожных вагонов.
 
Отсутствие необходимости в присадочных материалах
Для некоторых металлов и сплавов составляет огромную проблему подобрать присадочный материал для осуществления дуговой сварки, который соответствовал бы или превосходил по прочности свариваемый металл. Для сварки перемешиванием, являющейся автогенным процессом, отсутствует необходимость в присадочных материалах. В свою очередь это ведет к экономии затрат за счет устранения потребности в системе подачи проволоки и за счет улучшения целостности сварного соединения, возникающих при дуговой сварке с использованием подачи проволоки.
 
Повышение статической прочности и пластичности
Даже в случае доступности подходящего присадочного металла, дуговая сварка сопровождается более высокой температурой и ограниченной скоростью создания сварного шва, что может изменить зону термического влияния и тем самым снизить прочность соединения по сравнению со сваркой перемешиванием. И если для тонких деталей из алюминиевых сплавов прочности соединения дуговой сваркой и ПСТ часто вполне сравнимы, то для толстых материалов до 75 мм толщиной тот факт, что сварку перемешиванием можно выполнить за один проход, приводит к значительному увеличению прочности и пластичности соединения. В некоторых областях это может служить приоритетным условием, влияющим на принятие решения в пользу сварки ПСТ вместо дуговой сварки и механического крепления.
 
Механизированный процесс
ПСТ обычно осуществляется как полностью механизированный процесс. Хотя это и приводит к увеличению капитальных затрат по сравнению с дуговой сваркой и механическим креплением, механизированный характер процесса дает в результате более точный контроль за траекторией сварного шва и более однородное качество, чем в процессах с ручным управлением. Уже одно только повышение качества соединения может быть достаточным аргументом в пользу ПСТ, особенно в тех областях применения, где требуется очень высокое качество соединения, например, при строительстве ракет-носителей или других авиационно-космических конструкций.
То, что ПСТ является практически полностью механизированным процессом, уже отмечалось в качестве позитивного фактора для обоснования использования данного процесса в производстве продукции. В то же время, усилия, применяемые в ПСТ, обычно слишком высоки, чтобы прикладывать их вручную. В случае с очень тонкими материалами усилия могут быть достаточно низкими, что позволяют выполнить операцию вручную. При этом сварочный инструмент настолько мал, что необходимо прибегать к механическим средствам для управления точной траекторией движения инструмента по стыку. Что касается толстых материалов, то там, безусловно, сварка перемешиванием может работать только как механизированный процесс. Например, для плиты из алюминия марки 5083 толщиной 25 мм необходимо прикладывать прижимное усилие 44 кН вдоль оси вращения инструмента, чтобы он оставался погруженным в заготовку. Одновременно с этим нужно продвигать инструмент вдоль стыка с усилием 15 кН, а также применять крутящий момент около 360 Нм. Усилия для более тонких сечений, разумеется, ниже. Например, для алюминия марки 2198 толщиной 2,8 мм необходимы следующие усилия: вдоль оси инструмента – около 8 кН, в направлении сварки – 650 Н и около 500 Н перпендикулярно к направлению сварки. Хотя для тонких алюминиевых заготовок усилия могут быть достаточно низкими, малые размеры сварочных инструментов требуют точного следования линии соединения. В результате, для использования ПСТ в производстве часто требуется относительно дорогое, выполняемое на заказ оборудование. И хотя в настоящее время для некоторых областей применения разрабатывается новое, более дешевое оборудование, высокие капиталовложения часто становятся большим препятствием для разработки экономической модели по использованию сварки перемешиванием. В итоге, производители вынуждены делать ПСТ практически непрерывным производственным процессом, что в результате приводит к резкому росту экономической стоимости товаров, полученных с применением данного процесса.
 
Особые требования к креплениям
Необходимое условие при сварке перемешиванием – чтобы свариваемые заготовки жестко удерживались в нужном положении. Во-первых, заготовки во время сварки не должны расходиться по стыку под действием сварочного инструмента, а во-вторых, они должны оставаться плотно прижатыми к опорной вставке, обеспечивая тем самым ровный шов. Особые требования к фиксаторам заготовок при ПСТ накладывают некоторое экономическое бремя на использования этого процесса. И хотя эти препятствия вполне преодолимы, их обязательно нужно учитывать при оценке целесообразности применения сварки перемешиванием.
 
Ограничения по конструкции соединения
Так как сварка перемешиванием является автогенным процессом, этим методом невозможно осуществить традиционный паяный угловой шов, при котором требуется значительное количество дополнительного материала для заполнения перехода между двумя заготовками. Хотя есть возможность сформировать небольшой валик при сварке перемешиванием плит под некоторым углом, это обычно достигается за счет материала самого соединения. Обычно сварку перемешиванием используют для получения сварных соединений встык, внахлест и для угловых соединений.

 
ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО
 
Перемешивающая сварка трением, бесспорно, является эффективной и перспективной технологией. Но как отмечалось ранее, необходимость и целесообразность ее применения должна рассматриваться в контексте конкретного применения. Ввиду сложности самостоятельного внедрения процессов перемешивающей сварки трением, адаптацию технологии и оборудования ПСТ к задачам клиентов рекомендуется осуществлять в рамках инжинирингового проекта, выполняемого специалистами инженерно-консалтинговой компании «Солвер» и MTS – ведущего производителя установок для осуществления ПСТ. Специалисты компаний имеют обширнейший многолетний опыт в разработке процессов и оборудования для перемешивающей сварки трением, а также внедрения под ключ комплексных производственных систем. Специалисты заказчика предоставляют необходимую конструкторско-технологическую документацию на изделие, для которого внедряется ПСТ, а компании «Солвер» и MTS обеспечивают разработку и производство установки, управление и адаптацию технологии к решению задачи заказчика.

Литература:
 
1. Kumagai, M. and Tanaka, S., «Properties of aluminum wide panels by friction stir welding,» 1st International Symposium on Friction Stir Welding, Thousand Oaks, CA, USA, June 14-16, 1999.
2. Talwar, R., Bolser, D., Lederich, RJ. and Baumann, J., «Friction stir welding of airframe structures,» 2nd International FSW Symposium, Gothenburg, Sweden, June 26-28, 2000.
3. Christner, В., McCoury, J. and Higgins, S., «Development and testing of friction stir welding as a joining method for primary aircraft structure,» 4th International FSW Symposium, Park City, UT, USA, May 14-16, 2003.
4. Lohwasser, D., «Friction Stir Welding in A350», EADS Research Workshop, AIRBUS, November 2005.

Версия для печати
Авторы: Сергей ВЫСТАВКИН, инженерно-консалтинговая компания «Солвер»
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: