Сварка трением с перемешиванием

Подготовка к сварке

Резку и подготовку кромок деталей из алюминия и его сплавов следует вести механическими способами

Стыковое соединение металла разной толщины

Конструктивные элементы подготовки кромок (размеры приведены в мм)

Конструктивные элементы подготовки кромок при сварке со сквозным проплавлсннем н формированием шва на весу

При сварке за один проход может возникнуть надрез корня шва

При снятии фаски с обратной стороны стыкуемых кромок надрез не возникает. Для снятия фасок можно использовать напильник

Свариваемые поверхности тщательно очищают от смазки, на ширине 100-150 мм от кромок обезжиривают ацетоном, уайт-спиритом или другим растворителем.

Пленку окиси алюминия удаляют механически или химическим травлением.

При механической обработке (непосредственно перед сваркой) кромки зачищают на ширину 25-30 мм абразивной бумагой, шабером или щеткой из нержавеющей проволоки диаметром не более 0,15 мм.

Химическое травление проводят в течение 0,5-1 мин в растворе, состоящем из 50г едкого натра и 45г фтористого натрия на 1 л воды. После травления поверхность промывают проточной водой, а затем осветляют в 30-35%-ном растворе азотной кислоты (для алюминия и сплавов типа АМц) или в 25%-ном растворе ортофосфорной кислоты (для сплавов типа АМг и В95). После повторной промывки поверхность сушат до полного испарения влаги.

Алюминиевую сварочную проволоку перед сваркой тоже обрабатывают. Сначала ее обезжиривают, а затем подвергают травлению в 15%-ном растворе едкого натра в течение 5-10 мин при 60-70°С. после чего следует промывка в холодной воде и сушка при температуре 300°С в течение 10-30 мин.

Подготовленные к сварке материалы сохраняют свои свойства 3-4 дня. Позже на поверхности вновь образуется окисная пленка.

Детали из алюминия и его сплавов собирают в приспособлениях или на прихватках, выполняемых аргонодуговой сваркой W-электродом. Расстояние между прихватками должно быть не более 150-180 мм.

Поверхности прихваток непосредственно перед сваркой зачищают металлическими щетками. Обнаруженные дефектные прихватки удаляют, и стыки прихватывают повторно. При сварке прихватки полностью переплавляют.

Оснащение

В оснащение могут входить различные компоненты, это зависит от цены набора и сферы внедрения. В обычный набор входит: сварочная машинка, станка, снимающего грат, а еще бота или манипулятора, с его помощью можно смещать заготовки имеющие большие размеры.

Для настройки оснащения необходимо устанавливать такие параметры: величина болванки, скорость сварки трением и мощность привода шпинделя.

У опытных сварщиков не возникнет проблем с настройкой большей части этих опций, но при расчете силы привода возникают трудности. Поэтому советуем применять последующую формулу:

Формула расчета

Подготовка

В ходе проектирования заготовок для последующей сварки важно учитывать ряд факторов:

• возможности сварочного оборудования;
• степень свариваемости материалов;
• закрепление заготовок в сварочной машине;
• стоимость подготовительных мероприятий к сварке заготовок и последующей обработки сварных швов;
• соблюдение необходимой степени соосности и углового размещения заготовок;
• формирование равномерного температурного режима и одинаковых условий деформации;
• правильный выбор припусков по длине и диаметрам заготовок.

Обеспечение требуемой соосности зависит от степени надёжности закрепления деталей в зажимных устройствах агрегата. В этом контексте актуальным параметром становится уровень жёсткости свариваемых элементов по длине их выхода из зажимов. Если длина выхода меньше необходимого размера, то это приводит к температурному отпуску зажимных устройств.

При фрикционной сварке состояние соединяемых поверхностей в наименьшей степени влияет на качество сварных соединений, чем при иных методах сварки давлением. Поверхности для соединения могут быть получены в процессе резки на гильотине, дисковой пилой. Неровности можно устранить, используя притирку, или увеличением времени нагрева.

Технология сварки трением

Рассматривая технологию с точки зрения физико-химических процессов, можно выделить несколько последовательных процессов:

• происходит истирание оксидного слоя в процессе соприкосновения деталей во время движения;
• область шва нагревается до температуры пластичности металла, он способен деформироваться под давлением;
• возникает единый диффузный слой в процессе проникновения молекул одной детали в другую, за счет этого образуются швы на разнородных и однородных металлах;
• формирование шовного валика вызвано выдавливанием пластичного металла за зону стыка;
• фиксация свариваемых деталей до затвердевания диффузного слоя;
• образование монолитной структуры в месте шва, проходит процесс кристаллизации, формирования металлической решетки.

При трении контактируют отдельные выступы, металл в зоне трения прогревается равномерно на небольшую глубину. После осадки деталь остывает медленно, образуя соединение по всей площади стыка.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими видами соединения металлов, у использования силы трения хорошие перспективы. У метода много преимуществ:

• технология отличается высокой производительностью, шов образуется за несколько секунд благодаря скоростному движению деталей, непродолжительному сжатию заготовок;
• удается получать прочные соединения, процент брака невысокий;
• стабильно хорошее качество швов: на них нет окалины, пережогов, непроваров, пористости;
• не требуется предварительной зачистки оксидного слоя;
• перечень свариваемых сплавов широк;
• технология безопасна, не требуется обычной экипировки сварщика;
• процесс автоматизирован, только крупногабаритные детали приходится устанавливать вручную.

Основные недостатки:

• невысокая универсальность, геометрия свариваемого проката ограничена: прутки, трубы, листовой прокат, лента, полоса;
• габаритное оборудование, оно устанавливается стационарно, мобильных аналогов нет;
• нарушается микроструктура сплава в области пластической деформации, искривление структурных волокон при сварке приводит к усталостной деформации, со временем металл теряет былую прочность.

Область применения

Технология находит наиболее широкое применение в машиностроении, прежде всего — в инструментальном производстве. Используется она и при сборке внутрикорпусных изделий атомных реакторов. Соединение трением заготовок из алюминиевых и магниевых сплавов популярно в электротехнике, электронике и аэрокосмической отрасли. Используется технология и в транспортном машиностроении. Радиальный метод применяется в производстве техники для добывающих и перерабатывающих отраслей.

Технология демонстрирует эффективность и тенденцию к вытеснению традиционных методов сваривания в таких областях, как:

• для замены паяных и клепаных соединений;
• для замены контактной электросварки;
• для восстановления изделий и сложного инструмента;
• для приваривания заготовок к подготовленным поверхностям.

Сварка трением в декоре

Оборудование для линейной сварки

Оборудование для сварки перемешиванием

Отдельно следует отметить, что использование технологии дает особые преимущества там, где выдвинуты высокие требования к экологичность производственного процесса. Высокая энергоэффективность, отсутствие брызг расплавленного металла, вредных испарений и продуктов сгорания, ультрафиолетового излучения и минимальная пожароопасность делают метод особенно выгодным.

Машина для сварки трением

Специализированное устройство используется для создания надежных сварных соединений методом пластической деформации материалов, которые находятся в твердом состоянии. Высокопроизводительная машина обладает массой положительных характеристик:

1. Производительность высокого класса.
2. Качество конечных результатов сварки отменное.
3. При использовании машинной сварки создается возможность контролировать качество всей партии продукции.
4. Обеспечивается сварка материалов разнородной природы.
5. Безопасность при работе: отсутствует УФ-излучение, исключаются опасные выделения газов и нагретые металлические брызги.

При относительных требованиях к заготовкам любая машина подобного типа может собираться, учитывая особенности конкретного заказчика. Такой подход решает проблему создания нового производства, основанного на этой уникальной технологии.

Сварка труб трением

Сварочные работы по технологии трения позволяют не использовать присадочные материалы либо свойства защитных газов при создании прочного шва. Соединение металлических труб происходит без образования пустот при 3 см. толщине. Хорошие качественные соединения получаются даже при сварке алюминиевых сплавов, которые при использовании альтернативных технологий не показывают гарантированного качественного результата. Подобная технология сварки доказывает свою эффективность при работе со сплавами других металлов: медных, магниевых даже титановых.

Радиальная разновидность сварки трением широко применяется при создании герметичных швов на трубопроводах и отдельных цилиндрических конструкций. Соединение труб на неповоротных участках предполагает неподвижное расположение двух концов трубопровода. Непосредственно в зазор вставляется дополнительная нагреваемая вставка, которая перед операцией проковки будет автоматически удаляться. Соединение труб этим методом сварных работ позволяет создать цельную поверхность с одинаковыми показателями толщины сварного шва и его прочности. Этим способом выполняются работы на значимых участках трубопроводов, от которых требуются стандарты прочности и безопасности.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам данного метода относятся:

• высокая производительность;
• энерго/эффективность;
• стабильность и качество соединения на высоком уровне;
• лояльные требования к чистоте поверхности;
• возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
• Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.

Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла

Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:

• универсальность процесса на низком уровне;
• тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
• искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.

Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.

Режимы и процесс сварки

Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.

Технология сварки методом трения

На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.

К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.

Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.

Способы

Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.

Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.

Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.

Принцип сварки

Сварка металла трением – технологический процесс изготовления сварного соединения, который осуществляется за счет применения тепловой энергии, возникающей на контактных поверхностях соединяемых элементов. Во время этого процесса элементы с усилием прижимаются друг к другу, и одна  из заготовок движется относительно другой.

Обычно применяется трение вращения, во время этого процесса вращается одна из свариваемых заготовок или вкладка между элементами. В точке, в которой происходит усиленное прижатие элементов, происходит выделение тепла и осуществляется нагревание.

Благодаря высокой температуре и трению происходит активное разрушение оксидных пленок и следов посторонних загрязнений. Поверхности свариваемых элементов плотно притираются друг к другу, во время этого начинается разрушение микро выступов. Поверхность становится ровной, и за счет этого атомы металлов могут вступать в полноценное взаимодействие друг с другом.

Фрикционная сварка осуществляется в несколько этапов:

• снятие оксидных пленок;
• нагревание поверхностей для состояния пластичности. Во время этого этапа также создаются и разрушаются фрагменты кристаллических решеток;
• на третьем этапе останавливается вращение, возникает кристаллизация зоны контакта и образуется сварное соединение.

После того как достигается необходимый показатель температуры плавления происходит остановка вращения с одновременным увеличением силы прижима.

Сварка трением с перемешиванием

Этот метод был разработан и внедрен в 1991 году.

Первоначально этот метод был разработан для алюминия и алюминиевых сплавов, так как при сварке плавлением большая часть материала уходило на оформление сварочного шва, так же при оплавлении терялись пластические свойства алюминия.

После внедрения метода и высоких результатов выяснилось, что метод сварки вращением с перемешиванием подходит для широкого диапазона металлов.

Основные сферы применения:

• судостроение, особенно подводный флот, где необходимы полностью герметичные сварные соединения;
• строительство космических объектов и шатлов;
• хранилища и баки для хранения криогенных газов и жидкостей, которые обладают повышенной летучестью.

Самыми уникальными изделиями, которые производятся с элементами вращательной сварки, являются медные контейнеры, предназначенные для хранения отходов ядерной промышленности.

Особенности и сферы применения

СТП широко используется во многих сферах производства. В авиаракетостроении её применяют для формирования конструкций фюзеляжа или панелей с различными назначениями. Если говорить о судостроении, она служит для сварки корпуса небольших кораблей. И это далеко не все, такая популярность объясняется высоким качеством образующегося соединения.

Межатомные связи при сварке могут обеспечить прочность, которая будет равна или быть на более высоком уровне, чем основной материал. Качество таких швов обычно выдерживает большие нагрузки и надёжно служит на протяжении долгого времени.

Сварка трением соединяет металлы, находящиеся в твердом состоянии. В этом случае используется специальный вращающийся инструмент, он состоит из бурта, профилированного основания и наконечника с профилем, он перемещается вдоль стыка заготовок, подвергающихся соединению. Далее происходит тепловыделение с последующим соединением материала. Давление бурта на стыке, способствует пластической деформации и течению свариваемого металла, который перемешивается профилированным наконечником.

РАЗРАБОТКА технологии сварки трением с перемешиванием АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Амг5

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGY OF WELDING BY
FRICTION WITH HASHING OF ALUMINIUM AMG 5 ALLOY

БратушинД.А.,
ЖевалёвО.Ю., КуцЛ.Е.

Bratushin D.A., Zhevalyov O.Yu., Kuts L.E.

Рассмотрены вопросы по применению
сварки трением с перемешиванием для алюминиевого сплава АМг 5 и результаты
исследования процесса.

Questions on welding application
by friction with hashing for the AMG 5 aluminum alloy and results of a research
of process are considered.

Ключевые слова: сварка, трением, перемешиванием, шва,

Key words:  welding, friction, hashing, seam.

Для решения проблем свариваемости различных деталей из таких материалов
как алюминиевые сплавы, сплавы на основе титана , фторопласты и других
материалов используется сварка трением с перемешиванием.

 Необходимая пластичность материалов, обеспечивающая формирование
сварного соединения в твёрдой фазе, достигается при помощи процессов трения в
системе деталь + деталь + инструмент. При этом в зоне трения возникают
температуры порядка 0,7÷0,9 температуры плавления соединяемых материалов,
а также происходит перемешивание свариваемых кромок соединяемых материалов и
формирование сварного шва.

От других видов сварки давлением сварка трением с перемешиванием
отличается следующими преимуществами:

– отсутствием процесса плавления свариваемых кромок, что исключает
целый ряд связанных с данным процессом дефектов;

– отсутствие отрицательных воздействий на окружающую среду связанных с
использованием дуговых способов сварки;

– решение проблем связанных с наличием окисных пленок на алюминиевых
сплавах ;

– возможность формирования сварных швов имеющих хороший внешний вид не
содержащих наплывов, чешуйчатости, подрезов;

– возможность использования широко распространенного станочного
оборудования – фрезерных станков.

Качество сварных швов выполненных сваркой трением с перемешиванием во
многом зависти от использования специального инструмента, различные варианты которого
представлены в литературе .

В настоящей работе приводятся результаты разработки
технологического процесса сварки трением с перемешиванием  деталей из
алюминиевого сплава АМг5. Для этого была разработана простая конструкция
инструмента, представленная на рисунке 1, который мог крепиться в шпинделе на
фрезерных станках 1Р34, 6Т83Ш-29. Инструмент изготавливался из стали марки Р6М5
с твёрдостью HRC 55-58. В качестве контрольных образцов использовались пластины толщиной
4 мм.

Рисунок 1 – Конструкция инструмента для сварки перемешиванием

Свариваемые пластины крепились встык на рабочем столе
фрезерного станка, инструмент подводился к торцу свариваемого стыка
закрепленных деталей, включалось вращение инструмента, производилось его
внедрение в сварной стык и через 20÷30 с. после начала внедрения,
включалась продольная подача стола фрезерного станка. Использовались следующие
режимы вращения шпинделя и подачи стола:

– на фрезерном станке 1Р34- 600 об/мин, 40 мм/мин
(рис.2);

– на фрезерном станке  6Т83-29- 800 об/мин, 50 мм/мин
(рис. 3).

В обоих случаях было получено хорошее качество
сварного шва.

Рисунок
2 – Сварной шов, выполненный  на фрезерном станке 1Р34

Рисунок
3 – Сварной шов, выполненный  на фрезерном станке 6Т83-29

Структура поперечного шлифа сварного
шва представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 –  Структура поперечного шлифа сварного
шва (увеличение Х 100)

На шлифе наблюдается зона сплавления (сварной шов)
обладающая мелкозернистой структурой. Анализ микрошлифов показывает, что для
сплава Амг5 при назначенных режимах скорости вращения шпинделя и подачи стола
структура зерна металла шва остаётся неизменной, что говорит о возможности увеличения
скорости подачи стола – скорости сварки. В любом случае управление
микроструктурой зоны сварного шва, следовательно, и прочностью сварного соединения,
определяется оптимальным соотношением частоты вращения инструмента и скорости
перемещения по стыку.

Список использованных
источников

1. Колубаев Е.А. Особенности
формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с
перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6. – С.
1–2.

2. Покляцкий А.Г. Прочность соединений
тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием 
/ А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, М.Р. Яворская // Автоматическая сварка. – 2007.
– N 9. – С. . 50-53. – Библиогр.: с. 53

3. Pekkari
B. The future of welding and joining // Svetsaren. — 2004. — № 1. — P. 53–59.