Сварка трением: Твердотельный процесс соединения металлов

 Он применяется для использования в качестве сварки в твердом состоянии, основанной на трении с целью нагрева и сваривания металлов и их сплавов. В этой статье рассказывается о том, как он работает, почему он предпочтительнее сварки плавлением, основные области его применения, такие как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, краткая информация о современных разработках в области FSW, а также о различных побочных процессах, таких как точечная сварка трением (Friction Stir Spot Welding). Цель статьи - охватить всю необходимую информацию об этом важном процессе соединения металлов.

Сварка трением: Процесс соединения металлов в твердом состоянии

Оглавление

Введение

Принципы сварки трением

Преимущества сварки трением

Дизайн инструмента и параметры процесса

Области применения сварки трением

Проблемы соединения металлов и последние достижения

Инновационные производные сварки трением

Будущие разработки в области сварки трением

Заключение

Вопросы и ответы

Сварка трением с перемешиванием (FSW) - это новый процесс соединения в твердом состоянии, изобретенный в 1991 году в Институте сварки, Великобритания. С момента своего появления она значительно преобразила множество отраслей металлообрабатывающей промышленности, в которых используются другие технологии соединения металлов, отличные от процессов соединения плавлением. При FSW для создания тепла трения ниже температуры плавления соединяемых материалов используется нерасходуемый вращающийся инструмент. Это нагревает и размягчает металлы, позволяя им свариваться вместе, создавая высококачественные бездефектные соединения.

Благодаря отсутствию таких проблем, как растрескивание при затвердевании и пористость, FSW производит более прочные и стабильные сварные швы, чем альтернативные варианты плавления. Ее применение не ограничивается только аэрокосмическими алюминиевыми сплавами, она также используется в автомобильной, морской, железнодорожной промышленности и т.д. Таковы основные положения этой статьи, включающие принципы сварки трением с перемешиванием, преимущества сварки трением с перемешиванием, применение сварки трением с перемешиванием и новые разработки в области сварки трением с перемешиванием. Статья охватывает все аспекты этого важного процесса соединения металлов.

Принцип работы

FSW - это новый процесс соединения материалов с меньшими затратами тепла и без расплавления основного материала. В ходе этого процесса нагретый электричеством неплавящийся электрод, имеющий цилиндрическую форму и цилиндрический заплечик, помещается на две соседние поверхности соприкасающихся элементов и перемещается от конца к концу рабочего соединения.

Выделение тепла за счет трения

Когда штифт инструмента FSW вращается и проходит через материал, между поверхностями заплечиков и штифта, соприкасающимися с заготовками, выделяется тепло от трения. Под действием этого тепла материалы соединяемых заготовок размягчаются, не достигая своих точек плавления. Затем штифт механически смешивает размягченные материалы, разрушая первоначальную структуру соединения и скрепляя их вместе.

Формирование равномерного сварного шва

За штифтом материал охлаждается и быстро рекристаллизуется, в результате чего образуется твердое соединение между двумя исходными деталями. В результате образуется однородный сварочный самородок, лишенный каких-либо дефектов, связанных с плавлением или застыванием, которые обычно наблюдаются в Сварка плавлением.

Преимущества по сравнению с обычной сваркой

Превосходные механические свойства

Отсутствие дефектов, связанных с плавлением и затвердеванием, обеспечивает сварным швам FSW превосходные механические свойства, эквивалентные или превосходящие основной материал в сваренном состоянии.

Улучшенная безопасность

По сравнению с процессами сварки плавлением, такими как газовая дуговая сварка, при FSW нет дыма, брызг и ультрафиолетового излучения. Это делает его более безопасным процессом сварки.

Заполнитель не требуется

Поскольку FSW - это твердотельный процесс, он не требует никаких присадочных материалов, таких как проволока или флюс, что упрощает процесс.

Легкая автоматизация

Автоматизированный последовательный характер FSW очень хорошо подходит для роботизированного и автоматизированного применения в крупносерийном производстве в различных отраслях промышленности.

Работает во всех положениях

В отличие от некоторых процессов сварки плавлением, FSW можно выполнять на материалах в плоском, горизонтальном, вертикальном или верхнем положении с одинаковой эффективностью.

Хороший внешний вид сварного шва

Как правило, сварные швы, выполненные трением, имеют ровный, однородный вид с минимальными искажениями по сравнению со швами плавления.

Дизайн инструмента и параметры процесса

Важность дизайна инструментов

Конструкция инструмента играет решающую роль в определении глубины проплавления, характеристик теплообразования и, в конечном счете, качества сварного шва. Усовершенствованные конструкции инструментов помогают достичь большей глубины и толщины сварных швов.

Вариации геометрии инструмента

Конструкция инструмента может варьировать профиль зонда или штифта (профили варьируются от простых цилиндрических форм до резьбовых или ступенчатых штифтов), диаметр плеча и особенности, чтобы повлиять на поток материала.

Влияние параметров процесса

Такие параметры процесса, как скорость вращения и перемещения инструмента, глубина погружения и т.д., существенно влияют на выделение тепла и поток материала во время сварки. Сварка с меньшими затратами энергии и крутящего момента предпочтительна на низких скоростях для более толстых секций, чтобы проникать глубоко, в то время как высокая скорость применима для тонких материалов. Тем не менее, сварка трением с перемешиванием является одной из перспективных технологий соединения в твердом состоянии, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с другими процессами сварки плавлением для различных отраслей промышленности... Постоянное совершенствование конструкций инструментов и параметров процесса еще больше расширяет ее возможности.

Области применения сварки трением

Металлические матричные композиты

Соединение алюминиевых матричных композитов

Процесс Fsw был успешно использован для сварки металломатричных композитов (MMC), армированных твердыми керамическими частицами, такими как карбид кремния (SiC) и карбид бора (B4C). Метод позволяет получить прочные соединения в Al-матрице, армированной частицами SiC и B4C, с механическими характеристиками, сравнимыми или превосходящими характеристики основных металлов.

Улучшенная микроструктура и прочность

MXY Соединения, полученные с помощью FSW, имеют более тонкое и равномерное распределение армирующих элементов в сварочном "самородке" по сравнению с технологиями сварки плавлением. Это приводит к повышению прочности соединения, приближающейся к прочности базового композита. Отсутствие ликвации и дефектов рассасывания при FSW предотвращает появление трещин и пористости, которые часто наблюдаются при сварке MMC плавлением.

Автомобильная и аэрокосмическая промышленность

Панели крыла и фюзеляжа самолетов

Ведущие производители самолетов широко используют FSW для соединения панелей из алюминиевых сплавов для крыльев, фюзеляжей и хвостовых секций. Embraer использует эту технологию для изготовления обшивки крыльев и лонжеронов для своих самолетов E-Jets. Boeing использует FSW для панелей 747-8, изготавливая более 33 километров сварных швов.

Автомобильные детали кузова и шасси

Конструктивные автокомпоненты, такие как капоты, двери, задние панели кузова, элементы подвески, соединяются с помощью FSW ведущими производителями. Mazda использует этот процесс в нескольких моделях, включая свой большой грузовик Bongo. Компания Ford использует FSW в алюминиевых кузовах пикапа F-150 и внедорожника Expedition.

Морские и транспортные перевозки

Судостроение и морские суда

Итальянская судостроительная компания Fincantieri строит надстройки, палубы и переборки паромов и круизных судов исключительно из алюминиевых пластин, склеенных методом FSW. Компания Dockwise использует стыковые сварные швы с трением для соединения понтонных рукавов тяжелых транспортных судов.

Метро и высокоскоростные поезда

Поезда метро в таких городах, как Дели, Мумбаи и Сидней, имеют алюминиевые панели кузова и подрамники, соединенные методом FSW. В японских поездах-пулях Shinkansen структурные элементы и внешняя обшивка сделаны из алюминиевых сплавов, сваренных методом сварки трением.

В целом, сварка трением с перемешиванием позволяет эффективно и без дефектов соединять различные металлы и сплавы в самых разных отраслях промышленности - от аэрокосмической и автомобильной до морской, транспортной и электронной. Ее применение продолжает расширяться, охватывая все новые области благодаря постоянному совершенствованию процессов.

Проблемы соединения металлов и последние достижения

Трудносвариваемые материалы

Технологии сварки трением с перемешиванием изучаются для соединения материалов, которые традиционно считались трудносвариваемыми.

Соединение сталей и титановых сплавов

Значительное количество исследований изучает возможность использования FSW для соединения высокопрочных сталей и титановых сплавов, которые трудно сваривать плавлением из-за образования трещин. Предварительные исследования показывают, что желаемая прочность может быть достигнута в сварных швах разнородных сталей и титаново-алюминиевых сплавов.

Соединения из разнородных металлов

FSW также исследуется для соединения разнородных компонентов, таких как алюминий с медью, магнием и пластиком, армированным углеродным волокном. Успешные сварные швы между циркониевым сплавом и сталью демонстрируют универсальность процесса в твердом состоянии.

Исследования по оптимизации процессов

Улучшение дизайна инструментов

Конструкции инструментов с резьбой, вентиляцией и усовершенствованными заплечиками изучаются для улучшения проплавления шва, теплового потока и смешивания материалов. Контурные штифты помогают уменьшить дефекты при сварке толстых участков.

Оптимизация параметров

Исследования оптимизируют такие взаимозависимые параметры, как сила погружения, скорость вращения, скорость перемещения и геометрия инструмента. Тепловые модели в сочетании с экспериментами дают представление о предотвращении дефектов.

Эволюция микроструктуры

Исследования изучают факторы, определяющие размер и структуру зерен в зоне перемешивания. Регулирование скорости охлаждения и характеристик инструмента улучшает микроструктуру и механические свойства сложных комбинаций сплавов.

Инновационные производные

Точечная сварка трением

Эта разработка позволяет точечно соединять листовые узлы. Она находит применение в автомобильных крышках и кузовных панелях, имея преимущества перед контактной точечной сваркой.

Обработка трением

Эта техника изменяет свойства материала путем тщательно контролируемого перемешивания. Области применения включают улучшение свойств металломатричных композитов и изготовление градиентных наноструктур.

Обработка фрикционных гидростоек

Гибрид FSW и экструзии расширяет возможности изготовления трубчатых и полых деталей из таких материалов, как алюминий, титан и нержавеющая сталь.

Непрерывное совершенствование расширяет сферу применения сварки трением с перемешиванием до новых границ материалов, конструкций и крупносерийного производства в различных отраслях промышленности.

Заключение

В заключение хочу сказать, что сварка трением с перемешиванием произвела революцию в соединении металлов с момента своего изобретения в 1991 году. Изначально разработанная как альтернатива сварке плавлением алюминиевых сплавов, сегодня она является зрелой технологией, используемой в различных отраслях промышленности для выполнения задач, которые ранее считались сложными при использовании традиционных методов. Уникальные преимущества сварки трением с перемешиванием, такие как превосходные механические свойства, уменьшение количества дефектов, безопасность, возможность автоматизации и способность соединять широкий спектр металлических сплавов, сделали ее предпочтительным методом изготовления. Непрерывные исследования, направленные на понимание поведения материала, оптимизацию параметров процесса и разработку передовых инструментов, способствуют дальнейшему расширению сферы применения и повышению производительности сварки трением. Инновационные производные, такие как точечная сварка трением с перемешиванием и обработка трением с перемешиванием, также расширяют возможности применения этого метода в новых областях производства. Благодаря постоянным усилиям по развитию, сварка трением с перемешиванием и ее разновидности, вероятно, продолжат нарушать традиционные производственные подходы и позволят изготавливать передовые комбинации сплавов и компоненты в различных отраслях промышленности в будущем.

Вопросы и ответы

Каковы основные преимущества FSW перед сваркой плавлением?

Он производит более прочные и качественные сварные швы без таких дефектов, как пористость или трещины. Он также более безопасен, автоматизирован, работает во всех положениях и вызывает меньше искажений.

Ограничивается ли FSW соединением плоских листов или пластин?

Нет, прогресс позволяет выполнять FSW сложных 3D-форм, трубчатых/полых деталей, а также разнородных/многослойных материалов. Инструменты точечной сварки позволяют собирать панели.

Какие факторы влияют на качество сварки?

Основными факторами являются конструкция инструмента (профиль штифта/плеча), скорость вращения/перемещения, глубина погружения и усилие на штифте, подобранное с учетом материала и толщины. Оптимизируются тепло, поток материала и прочность соединения.

Могут ли другие технологии соединения заменить FSW?

Для многих применений никакие альтернативы не обеспечивают такой же степени согласованности и механической целостности. Однако некоторые специализированные крепежные элементы могут применяться там, где доступ к инструментам FSW ограничен.