info@svartek.ru
I. Сущность метода ротационной сварки трением.
Физические основы процесса:
Ротационная сварка трением (РСТ) = Сварка трением с перемешиванием (СТП) = Friction Stirring Welding (FSW).
Ротационная сварка трением — сравнительно новый сварочный процесс, предложенный в 1991 году в Технологическом институте сварки (TWI — Technological Welding Institute) в Великобритании. Впервые этот вид сварки был применен в промышленности для сварки алюминиевых сплавов (серия 6000) на предприятии SAPA (Швеция) и на судоверфи Marine Aluminium (Норвегия). Позже РСТ стала применяться в автомобильной промышленности в Австралии, Швеции и Норвегии также для сварки алюминиевых сплавов серии 6000.
Высокопрочные алюминиевые сплавы серии 7000 стали впервые свариваться методом ротационной сварки трением в аэрокосмической промышленности. Этот метод сварки находит все большее применение и для других алюминиевых сплавов. РСТ разработана в лабораторных условиях для медных и магниевых сплавов и скоро будет применена и в промышленности. Сварка стали и разнородных металлов, таких как медь и алюминий, также уже разработана в лабораторных условиях и готова к применению в промышленности. Пока в стадии лабораторных разработок находится ротационная сварка трением титана и коррозионно-стойких сталей. Основная задача этих разработок — испытание материалов вращающегося инструмента, способных выдержать высокие температуры.
Ротационная сварка трением — процесс сварки в твердой фазе без расплавления металла. Вращающийся инструмент (шпиндель), специально разработанный для РСТ, 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 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.
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. Исследования начались с односторонней сварки, в которой расстояние между торцом инструмента и корнем стыка имеет важное влияние на результаты сварки. Далее исследовалась двусторонняя сварка: с двумя головками и бобинным инструментом на сплошном основании и с двумя головками на плоских профилях.
II. Оценка качества
Лучшим способом оценки качества РСТ является сравнение ее с другими методами сварки. Деформация очень ограниченного пространства при малом тепловложении и при твердом состоянии материала определяет качество сварки РСТ выше качества других методов сварки, таких как MIG/MAG сварка. Область применения РСТ: конструкции, к которым предъявляются высочайшие требования, например ракеты и самолеты. В состоянии непосредственно после сварки РСТ демонстрирует характеристики, опережающие соответствующие характеристики сварки другими методами. Скорость сварки и высокое качество, получаемое без дополнительной предварительной или последующей обработки шва, способствуют постоянному расширению области применения РСТ. Большинство стандартов и требования, касающихся сварки, допускают применение РСТ благодаря высокому качеству этого вида сварки, показанному в различных областях производства.
При сварке кольцевого шва с помощью РСТ в конце шва, на месте выхода инструмента, остается отверстие. Это отверстие можно заварить после завершения сварки. Более простым и надежным способом закончить шов является окончание шва на дополнительном блоке материала вне шва. Методы контроля качества сварки, разработанные в лаборатории SKB совместно с Университетом г. Упсала, включают цифровую рентгенографию, ультразвуковой и индуктивный метод проверки. Другой важной частью разработки технологии сварки и методов проверки качества являлось определение критериев размера и формы допустимых дефектов сварки.
III. Увеличение скорости сварки алюминиевых сплавов.
ESAB и другие компании и научно-исследовательские центры провели широкие исследования по сварке алюминиевых сплавов серии 6000. Эти сплавы широко применяются при строительстве железнодорожных вагонов, в судостроении и автомобилестроении. В настоящее время к ним проявляет интерес самолетостроение. Обычная скорость сварки этих сплавов в промышленности — 0,8-2,0 м/мин (при толщине изделий 5 мм). Поскольку сплав 6082 часто применяется после соответствующей термообработки, проводимой после сварки для получения более высоких показателей механической прочности (состояние Т6), то целью исследований является уменьшение падения твердости для того, чтобы сохранить эффект термообработки состояния Т6. одним из решений является увеличение скорости сварки. Увеличение скорости сварки не всегда приводит к улучшению качества. однако в данном случае именно так и происходит.
Лаборатория ESAB в г. Лаксо провела множество испытаний, направленных на увеличение скорости сварки. В 2001 г. была достигнута скорость сварки 3 м/мин. Последние исследования показали, что листы толщиной 5 мм из сплава 6082 можно сваривать со скоростью 6 м/мин, и эта достигнутая скорость не является пределом. Эти многообещающие результаты еще увеличат область выгодного применения ротационной сварки трением в промышленности.
IV. Сварка изделий большой толщины из меди.
Ротационная сварка трением меди получила новое применение: шведская компания Nuclear Fuel and Waste Management Co. (SKB) приобрела для своей лаборатории в г. Оскаршамн (Oskarshamn) полномасштабную установку РСТ для сварки толстостенных медных контейнеров. Основой этой закупки было решение Швеции хранить использованные радиоактивные отходы в медных контейнерах в шахтах, прорубленных в коренных скальных породах на глубине 500 м. герметизация медных контейнеров должна быть очень высокого качества, поскольку эти контейнеры должны храниться в течение 100 тыс. лет. SKB совместно с TWI (Великобритания) изучала различные сварочные методы для герметизации контейнеров. Были проведены полномасштабные испытания сварки электронным лучом. В 1998-1999 гг. была построены установка для РСТ моделей контейнеров в натуральную величину. Контейнер закрепляется в приспособлении и вращается во время процесса сварки (Рис. 6). Крышка контейнера впрессовывается при помощи четырех гидроцилиндров. Скорость сварки достигает 150 мм/мин.вначале пробные сварки проводились на отдельных сегментах контейнеров. После отработки процесса сварки в ноябре 2000 года была освоена полная кольцевая сварка контейнера. Результаты сварки удовлетворили SKB и фирма решила установить полномасштабную установку РСТ в своей лаборатории для доработки ее для промышленного изготовления контейнеров (Рис. 7). SKB поручило проектирование, изготовление, испытание и проведение приемо-сдаточных испытаний ESAB Welding Automation, Лаксо. Пробные сварки были проведены в начале 2003 года на заводе SKB в Оскаршамн. Здесь SKB займется окончательной доработкой параметров сварки контейнеров. На экспериментальной установке в TWI это сделать было невозможно.
V. Применение РСТ
Исследовательские центры, использующие установки РСТ ESAB SuperStir®:
— Процесс ротационной сварки трением (РСТ) был изобретен и разработан в TWI (Технологическом институте сварки), Великобритания. TWI оборудован новой установкой РСТ и является ведущей организацией по разработке новых областей применения этого вида сварки;
— Авиакосмическая промышленность заинтересовалось РСТ сразу после почвления этого метода сварки. Компания Boeing в Хантингтоне (Калифорния, США) разработала этот процесс совмесино с TWI для применения в авиакосмической промышленности. Компания постоянно работает в своих лабораториях над новыми областями применения РСТ в космической технике, самолетостроении и других областях авиакосмической промышленности;
— Компания Boeing в Сент-Луисе проводит интенсивные исследования по изготовлению деталей с помощью РСТ, в частности — изготовление полых панелей настила совместно со шведской фирмой SAPA;
— Вслед за успешными разработками фирмы Boeing другие научно-исследовательские институты авиакосмической и самолетостроительной отрасли промышленности инвестировали большие средства в оборудование для исследований и экспериментов в области РСТ. Примером таких организаций являются: EADS во Франции совместно с Institute Soudure, Alenia Spacio в Италии и EADS в Германии. Другие компании решили проводить свои исследования в ESAB, TWI и других исследовательских центрах;
— Автомобилестроение. Компания Automotive (США) имеет хорошо оборудованный центр для исследований и испытаний, а также опытного производства деталей с помощью РСТ;
— Компания DanStir (Дания) является одной из группы компаний, сосредоточивших свое внимание на проведении опытных сварок, производстве опытных серий деталей и промышленном выпуске малыми сериями деталей, изготовленных с помощью РСТ. DanStir оборудована мощной универсальной лабораторной сварки трением, хорошо приспособленной для проведения различных исследований.
VI. Новая серия установок ESAB модульной конструкции.
Для помощи промышленности в освоении техники РСТ ESAB разработал и может поставлять экономичные установки РСТ модульной конструкции серии LEGIO TM , являющейся дополнением к серии ESAB SuperStir TM . Новая серия установок может сваривать методом РСТ материалы толщиной от 1,4 до 100 мм. Мощность привода шпинделя инструмента — от 1,5 до 100 кВт. Серия состоит из двух основных типов: установки типа S для прямолинейных швов и установки типа U для прямолинейных швов по осям X и Y, а также швов в форме окружности, прямоугольника и т.п. Каждый тип установок изготавливается двух видов: напольная установка с вертикальной стойкой для крепления крупногабаритных приспособлений, устройством сварки кольцевого шва или с низко расположенной шпиндельной головкой для двусторонней сварки и со столом для монтажа небольших приспособлений.
Установка для сварки РСТ FSW 3 UT (универсальная установка со столом, приводом шпинделя мощностью 11 кВт и максимальной толщиной сварки алюминиевых сплавов серии 6000 10 мм) была представлена на выставке «Essen Alu Fair» в Германии в 2002 году.
VII. Заключение.
Приведенные в статье примеры новых областей применения РСТ и разработка новых установок РСТ подтверждают наши предположения, что РСТ получит широкое распространение в промышленности. Это подтверждается большим интересом к этому виду сварки автомобилестроителей и представителей других отраслей промышленности. Высокая производительность сварки методом РСТ по сравнению с другими видами ручной и автоматической сварки требует во многих случаях значительных капиталовложений, которые оправдываются только при большом объеме производства. В тех случаях, когда уровень производства компании не может оправдать капиталовложения на установку РСТ, целесообразно совместно использовать ее несколькими компаниями. Однако новая серия установок РСТ, разработанная ESAB Welding Automation, существенно уменьшает капиталовложения и может быть использована многими предприятиями, выпускающими конструкции из алюминиевых сплавов.