Метод сварки трением с перемешиванием был разработан в Британском институте сварки в 1991 году. Он относится к твердофазным способам образования соединений материалов с использованием трения. Этот способ соединения разрабатывался для алюминиевых сплавов с целью решения многих проблем, связанных со сваркой плавлением. Дальнейшее развитие метода показал возможность его применения для широкого круга материалов.

Основные области применения сварки трением с перемешиванием (СТП): судостроение (палубные надстройки, переборки, элементы корпуса) аэрокосмическая промышленность (элементы фюзеляжа, крыльев, топливные и баки криогенных жидкостей); железнодорожный транспорт и метро (корпуса вагонов, рамы и тележки поездов) ; автомобильная промышленность (узлы крепления двигателя, диски колес, рамы автомобилей); электротехническая промышленность (корпуса электромоторов, токоподвода, параболические антенны, шины питания) строительная индустрия (алюминиевые мосты, алюминиевые трубопроводы, теплообменники и кондиционеры); пищевая промышленность (емкости для пива, вина, молока и др.). Метод СТП также используют для соединений медных сплавов, например, в медных контейнерах для хранения ядерных отходов, а также медных подложек (разновидность теплоотводом) в оборудовании для напыления и др. Этот перечень применения очень широк. Особенно эффективным применение методов СТП и нанесения покрытия трением с перемешиванием (НПТП) является при производстве массивных деталей.

Примером успешного применения СТП также сварки железнодорожных вагонов из алюминиевых прессованных панелей фирмой "Нitachi", которых уже произведено более 200 шт.

Указанный метод позволяет решать проблемы, которые не могут быть решены сваркой плавлением. Например, в работе, отмечается, что при сварке латуни плавлением происходит испарение цинка. Это не только существенно меняет химический состав шва, его структуру и механические свойства, ограничивая применения изделий при больших градиентах температур, но может привести к образованию в шве большого количества пор, негативно влияя на его термостойкость и механические свойства. Исходя из этого, можно предположить, что СТП латуни и других материалов будет эффективным по сравнению со сваркой плавлением и обеспечит однородную и бездефектную структуру с высоким уровнем технологических свойств.

Описание метода сварки трением с перемешиванием (СТП)

Процесс сварки (рис.1) по методу СТП происходит следующим образом: специальный инструмент, который вращается и состоит из утолщенной части - заплечника (shoulder) и выступающей части - штыря (pin), вводится в месте соприкосновения с поверхностями в зафиксированных на массивной подложке заготовках соединяемых элементов. При этом штырь входит в заготовки, а заплечник касается их поверхности. В результате трения штыря и заплечника об заготовки выделяется тепло, которое доводит металл вокруг инструмента до пластичного состояния. Затем инструменту дают поступательное движение со скоростью сварки и материал заготовок, перемещаясь из зоны нагрева в зону охлаждения, огибает штырь и создает соединение.

Основными параметрами влияющими на свойства шва при применении процесса СТП есть: скорость перемещения инструмента, частота вращения инструмента, усилие прижатия и усилия перемещения инструмента, угол наклона инструмента, геометрические размеры инструмента. Кроме того, учитываются условия трения в зависимости от применяемого материала инструмента и материалов, свариваемых а также напряжение течения материала заготовок при температурах близких к точкам пластической деформации.

Рис. 1 Схема процесса сварки трением с перемешиванием, где P - усилие прижатия инструмента; Vсв - скорость перемещения инструмента; Vоб - частота вращения инструмента.

Типы соединений, выполняемых СТП, характеризуются большим разнообразием: это и традиционные для дуговой сварки стыковые, угловые, тавровые и нахлестные (рис.3), а также разного рода замковые и прорезные швы.

Рис. 2 Типы соединений, выполненных СТП: а - стыковое б - нахлестно-стыковое; в – нахлестное; г - многослойное нахлестное; д - двухпроходное тавровое, е - тавровое прорезное; ж, з – угловое.

Основными преимуществами процесса СТП, является:

  • отсутствие в процессе сварки дыма, шума и ультрафиолетового излучения;
  • возможность получения беспористые швов;
  • отсутствие присадочного металла и защитного газа в процессе соединения;
  • нет необходимости придания специального профиля кромкам и удаление оксидной пленки перед сваркой;
  • возможность получения соединений во всех пространственных положениях;
  • процесс сварки может быть легко автоматизированным;
  • благодаря относительной простоте оборудования достигается высокая эффективность использования энергии по сравнению с методами плавлением, так для выполнения однопроходной сварки алюминиевого сплава толщиной 12,5 ммнужно всего 3 кВт энергии в целом;

Низкий уровень деформаций, высокая воспроизводимость качества швов, полученных методом СТП, обеспечивает улучшение характеристик существующих сварных конструкций, в частности из алюминиевых сплавов.

Рис. 3 Разница изменения формы СТП и дуговой сварк.

При этом обеспечиваются следующие технологические возможности:

  • Швы могут быть получены на сплавах, которые не могут быть реализованы при сварке зплавленням из-за чувствительности к образованию горячих трещин, пор и других дефектов;
  • Формирование шва в твердой фазе позволяет сохранить комплекс свойств для метастабильных сплавов, таких, как добыча или сплавы, полученные быстрой кристаллизацией образующихся при применении методов СТП и НПТП;
  • Можно получать сварные узлы стыковыми нахльостнимы швами из заготовок, изготавливаемых с помощью различных технологий (литье, прессование и др..);
  • Стыки не требуют очень точной подборки кромок, так для полотен толщиной1,6 ммзазор может быть до 0,2 мм, для плит толщиной 12,7 мм- до 1,25 мм.

К недостаткам способа СТП можно отнести следующие:

  • Необходимость прочных подложек, на которых должны надежно закрепляться заготовки свариваемых материалов;
  • Образование в конце шва отверстия, равного размеру штыря, которое необходимо заполнять с помощью других методов, таких как сварка трением специальных пробок;
  • Применение вводных и выводных планок для получения протяженных швов на всю длину заготовок;
  • Ограничения в применении способа сварки в портативном варианте через закрепление заготовок на подкладке;
  • Более низкий уровень скорости сварки по сравнению с автоматическим дуговой сваркой для ряда сплавов;
  • Нестабильность свойств образованного при СТП шва в результате одновременного воздействия многофакторных технологических параметров СТП, что не позволяет получать заранее заданную структуру шва и прогнозировать свойства полученного соединения.

Оборудование для СТП состоит из приводов вращения инструмента и его вертикального перемещения, привод перемещения в направлении сварки, а также устройства для закрепления в собранном состоянии свариваемых деталей. Как правило, установки для СТП имеют специализированный характер и создаются специально к определенных размеров и формы конструкции.

Особое внимание при создании СТП было уделено разработке конструкции вращающегося инструмента, от которого зависит формирование соединений, что подтверждается большим количеством патентов и публикаций. Так в предложенном инструменте, в котором по длине штыря выполнено несколько плоскостей, так, что он может иметь сечение в виде многоугольника, плоскость может быть свернута в спиральную полоску на поверхности штыря. Другие варианты предусматривают на штыре радиальные выступы, поперечные и продольные надрезы, выступы различной длины и формы на торце штыря и др. Некоторые авторы предложили разборной инструмент, в котором штырь вкладывается в тело заплечника и может легко заменяться другим. Для усиления перемешивания пластифицированного металла заплечник изготавливают с изогнутой поверхностью и штырем, имеющим резьбовую поверхность, или, что более существенно, два или несколько выступающих ребера.

Особенности формирования соединений при применении СТП

Свойства соединений алюминиевых сплавов, полученных с помощью СТП, находятся на достаточно высоком уровне.

Для различных толщин и условий сварки прочность, для сплава АА 6082, Т6 в состоянии после сварки составляет 70% прочности основного металла. Искусственное старение после сварки восстанавливает прочность до 90% исходной. При этом показатели пластичности находятся на уровне основного металла. Авторы отмечают, что для сплава АА 6082, в состоянии к сварке Т6 относительное удлинение соединений в состоянии после сварки и после искусственного старения почти в 2 раза ниже, чем основного металла. С этих позиций рекомендуется использовать режим термообработки основного металла Т4.

Для сплава АА 7108 характеристики прочности соединений металла толщиной 2 ...7 ммпосле сварки и после естественного старения составляют, соответственно, примерно 86 и 94% прочности основного металла. Коэффициент прочности сварных соединений для сплава 2014 Т6 составляет 80%, для 7075 Т7351 - 70%.

Характеристики прочности соединений сплавов серии 5000 в диапазоне толщин 6 ...15 мми скоростей сварки 0,76 ...2,2 мм/ с составляют от 303 до 344 МПа, что значительно выше, чем для Сплавы 6000 .

Авторы исследовали механические свойства соединений сплава 7075 Т651, полученных СТП. Установлено, что характеристики прочности соединений ниже, чем основного металла, но превышают аналогичные характеристики, полученные другими способами. Закалка с последующим старением не позволяет восстановить прочность, и при этом снижаются показатели пластичности. Разрушение соединений происходит по зоне термического влияния в месте существенного огрубения структуры. Пластические свойства после сварки находятся на уровне основного металла, а показатели прочности ниже, чем основного металла, но выше, чем для соединений. Падение прочности в зоне ядра связывают с уменьшением размера зерен упрочняющей фазы и количества дислокаций.

Анализ данных при исследованиях на усталость соединений алюминиевых сплавов, полученных СТП, показали, что их работоспособность во многих случаях выше, чем соединений, полученных сваркой плавлением, и при этом наблюдается меньший разброс значений.

Особенности микроструктуры в соединениях, как известно, зависят от термического цикла сварки. Для этого были проведены измерения температурных полей при СТП с помощью термопар. СТП характеризуется достаточно высокими градиентами температур, максимальная температура нагрева, близкая к 500ºС, существует очень короткое время. Температурный интервал 200 ... 300ºС, что определяет размеры зоны термического влияния (ЗТВ), также не превышает нескольких секунд. Это подтверждает тот факт, что уровень свойств соединений за счет уменьшения степени послабления при СТП выше традиционных методов сварки.

Макроструктура швов, полученных СТП, характеризуется особенностями, не свойственными швам, полученные способами сварки плавлением, в частности электродуговыми методами. Основным отличием является образование в центре соединения ядра, что независимо от сплава содержит так называемые годовые кольца, т.е. концентрические овальные кольца, различающихся макроструктурой. Форма ядра шва незначительно отличается в зависимости от сплава. К ядру примыкает сложный профиль, образующий верхнюю часть шва и по ширине немного превышает диаметр бурта инструмента. Диаметр ядра намного больше, чем диаметр штыря инструмента и располагается, как правило, в нижней части соединения. Существенные изменения макроструктуры наблюдаются непосредственно у ядра, вызванных значительной пластической деформацией металла и разворотом зерен до 90о, что в дальнейшем сказывается на снижении твердости и механических свойств.

На основании исследования микроструктуры большого массива соединений различных алюминиевых сплавов авторы работы выделяют в соединении четыре зоны рис.4. Непосредственно в зону А (основного металла) примыкает зона В, где металл заготовок остается недеформированной и изменяет свою структуру только под воздействием нагрева. Эта зона по аналогии с дуговыми способами сварки названа зоной термического влияния (ЗТВ). Зона С, где металл подвергается значительным пластическим деформациям и нагреванию, названа зоной термомеханического воздействия. И, наконец, зона D - это ядро соединения, где происходит динамическая рекристаллизация. Исследования, выполненные на сплавах серии 2000, 5000, 7000, показали, что в ЗТВ металл отличается от основного металла повышенной травимостью, снижением твердости за счет перестарения или уменьшения плотности дислокаций, либо за счет обоих этих механизмов. В зоне термомеханического воздействия происходит изгиб вытянутых зерен основного металла и их частичная рекристаллизация. Под действием термического цикла в этой зоне происходят процессы старения и отжига и, в результате, наблюдается минимальный уровень жесткости. Следует отметить, что некоторые участки зоны С могут нагреваться до сравнительно высоких температур при которых возможно растворения упрочняющих фаз.

Рис. 4 Схема зон стыков соединения, выполненного СТП: А - основной металл, В - зона термического влияния; С - зона термомеханического воздействия; D - зона динамической рекристаллизации.

По мнению большинства исследователей основным специфическим дефектом соединений, выполненных СТП, является не сплавка в корне шва, ее называют "kissing bonds". Основными причинами возникновения этого дефекта является или локальное увеличение толщины свариваемого или нарушения переноса металла в корневую часть соединения. Как правило, этот дефект имеет очень малый размер по толщине, поэтому обнаружить его с помощью рентгеновского контроля очень трудно.