Сварка трением с перемешиванием (FSW): процесс, преимущества и применение

Что такое сварка трением с перемешиванием?

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — это процесс твердофазного соединения, который использует трение тепло, генерируемое вращающимся инструментом, для соединения двух противолежащих заготовок без плавления материала заготовки. Тепло генерируется за счет трения между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к образованию размягченной зоны рядом с инструментом FSW.

Пока инструмент движется вдоль линии стыка, он механически перемешивает два куска металла и кует горячий и размягченный металл механическим давлением, приложенным инструментом, подобно соединению глины или теста.

В основном используется для кованых или прессованных алюминиевых сплавов, особенно для конструкций, требующих очень высокой прочности шва. FSW способна соединять алюминиевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы, мягкую сталь, нержавеющую сталь и магниевые сплавы.

Недавно она была успешно использована для сварки полимеров. Кроме того, соединение разнородных металлов, таких как алюминий с магниевыми сплавами, недавно было достигнуто с помощью FSW. Применение FSW можно найти в современном судостроении, поездах и авиационных применениях.

Принцип работы

Прогресс инструмента через стык, также показывающий зону сварки и область, затронутую опорой инструмента.

FSW выполняется с вращающимся цилиндрическим инструментом, имеющим профилированный штифт с диаметром меньшим, чем диаметр опоры. Во время сварки инструмент вводится в край-к-край стык между двумя закрепленными заготовками до того, как шток пронзит заготовку, и опора коснется поверхности заготовок.

Шток слегка короче требуемой глубины сварки, с опорой инструмента, скользящей поверх рабочей поверхности. После короткого времени выдержки инструмент движется вперед вдоль линии стыка за заданной скоростью сварки.

Триботехническое тепло генерируется между износостойким инструментом и заготовками. Это тепло, вместе с теплом, генерируемым процессом механического перемешивания и адиабатическим теплом внутри материала, вызывает размягчение перемешиваемых материалов без плавления.

По мере движения инструмента вперед, специальный профиль на штоке заставляет пластифицированный материал перемещаться от передней грани к задней, где высокие силы способствуют кукованной консолидации шва.

Этот процесс прохождения инструмента вдоль линии сварки в пластифицированном трубчастом валу металла приводит к тяжелой твердофазной деформации, включающей динамическую рекристаллизацию базового материала.

Процесс сварки трением с перемешиванием

Сварка трением с перемешиванием использует специально разработанный инструмент, который вращается с высокой скоростью над швами, которые нужно соединить. По мере вращения инструмента над металлом между ними генерируется тепло. Это тепло заставляет металлы стать пластичными и сливаться друг в друга. Сварка трением с перемешиванием способна сваривать два типа соединений:

• Накладные стыки (Lap Joints)
• Край-к-край стыки (Butt joints)

Инструмент, используемый для сварки трением с перемешиванием, состоит из двух частей. Цилиндрическая часть, называемая опорой, вращается на стыке, и профилированный шток выходит из опоры.

Шток сначала вваривается в стык. Затем опора вращается поверх заготовки в течение определенного времени до достижения оптимальной температуры и ее поглощения материалами.

Затем инструмент движется через стык, создавая непрерывный шов. Это возможно благодаря объемному нагреванию, производимому инструментом, и перемешиванию частиц металла профилированным штоком. Именно от профилированного штока, входящего в рабочую зону, где он буквально перемешивает размягченные частицы для их сращивания, происходит название «Stir» (перемешивание).

Применение сварки трением с перемешиванием

Процесс FSW изначально был запатентован TWI в большинстве индустриально развитых стран и лицензирован более чем для 183 пользователей. Сварка трением с перемешиванием и ее варианты — точечная сварка трением с перемешиванием и обработка трением с перемешиванием — используются для следующих промышленных применений: судостроение и морское оборудование, авиация, автомобилестроение, подвижной состав для железных дорог, общее производство, робототехника и компьютеры.

Сварка трением с перемешиванием находит применение в широкой отрасли промышленностей, использующих алюминий.

Судостроение: FSW впервые использовалась для сварки полых алюминиевых панелей для рыболовных лодок. Сегодня эта сварочная техника распространена в сварке алюминиевых морозильных панелей, используемых в корпусе и обшивке кораблей. Поскольку FSW создает минимальные деформации, алюминиевые панели сохраняют свою форму даже при длительных швах.

Авиация: Алюминиевые топливные баки, используемые в космических аппаратах для хранения криогенического кислорода, используют FSW. Техника соединения сварки куполов с цилиндрической структурой, составляющей эти топливные баки. Boeing использовал FSW в промежуточном модуле ракеты Delta II, которая успешно стартовала в августе 1999 года.

FSW также используется для соединения легких алюминиевых рамок, видимых в фюзеляже самолетов. Это потому, что техника предлагает гораздо более легкую альтернативу болтованию или риветованию.

Железнодорожный транспорт: Сварка трением с перемешиванием находит применение на полых профилях и Т-образных усиловых прессоватых изделиях для производства высокоскоростных поездов.

Автомобильная промышленность: Автомобильная промышленность обратилась к алюминию как к оптимальному материалу для подготовки кузовов автомобилей. Следовательно, она является одним из главных внедрителей технологии FSW. Конвенциональные методы сварки не могут воспроизвести детали с высокой точностью, как FSW. Быстрое время сварки FSW также делает ее более привлекательной, чем другие формы сварки для алюминия.

Сварка трением с перемешиванием против сварки трением — разница

Несколько сварочных техник используют трение для генерации тепла, и среди них самая распространенная — сварка трением. В типичном методе сварки трением тепло генерируется между двумя заготовками за счет движения одной заготовки относительно другой на стыках.

Трение между двумя поверхностями заставляет их плавиться и сливаться.

Однако это накладывает ограничение на сварку трением когда речь идет об установке заготовок, так как она должна быть способна двигать заготовку с высокой скоростью через линейное возвратно-поступательное движение.

Сварка трением с перемешиванием преодолевает это ограничение, фиксируя заготовки на месте, а затем перемещая инструмент вдоль стыка, создавая шов в процессе.

Преимущества сварки трением с перемешиванием

Преимущества сварки трением с перемешиванием вытекают из ее уникального шва, где нет расходников или техник защиты. Это придает следующим характеристикам шву:

• Готовый шов бесшовный и эстетичный.
• Может сваривать иначе несвариваемые сплавы, как алюминий 2xxx и 7xxx серии.
• Полностью автоматизированный процесс.
• Никакой формы флюса или защитного агента не требуется.
• Низкие пиковые температуры предотвращают усадку и пористость трещин.

Недостатки сварки трением с перемешиванием

• Требуется сложная или специальная приспособленческая компоновка.
• Создает видимую дырку в свариваемых плитах.
• Высокая начальная или наладочная стоимость.
• Менее гибкая по сравнению с дуговой сваркой.
• FSW не может делать наполнительные стыки.
• Некуемые материалы не могут быть свариваны.