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

Что такое сварка трением с перемешиванием?

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — твердофазный процесс соединения, использующий трение тепло от вращающегося инструмента для соединения двух противолежащих заготовок без плавления материала. Тепло генерируется трением между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к размолвлению области рядом с инструментом FSW.

Пока инструмент движется вдоль линии стыка, он механически перемешивает два куска металла и кует размоленный и разогретый металл механическим давлением, приложенным инструментом — как соединение глины или теста.

Преимущественно используется для деформированных или экструдированных алюминиевых сплавов, особенно для конструкций, требующих очень высокой прочности шва. FSW способна соединять алюминиевые, медные, титановые сплавы, мягкую сталь, нержавейку и магниевые сплавы.

Недавно успешно применялась для сварки полимеров. Также достигнуто соединение разнородных металлов, например алюминия с магниевыми сплавами. Применение FSW в современном судостроении, ж/д транспорте и авиакосмической отрасли.

Принцип работы

Ход инструмента по стыку, также показана зона сварки и область, затронутая плечом инструмента.

FSW выполняется вращающимся цилиндрическим инструментом с профилированным штифтом, диаметр которого меньше диаметра плеча. При сварке инструмент вводится в стык "впритык" между двумя закрепленными заготовками до пробивания штифта в заготовку и касания плечом поверхности заготовок.

Штифт немного короче требуемой глубины шва, плечо скользит по поверхности. После короткой выдержки инструмент движется вперед вдоль линии стыка заданной скоростью сварки.

Трение тепло генерируется между износостойким инструментом и заготовками. Это тепло, вместе с теплом от механического перемешивания и адиабатическим теплом в материале, заставляет перемешиваемые материалы размолвливаться без плавления.

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

Этот процесс движения инструмента вдоль линии сварки в пластифицированном трубчатом стержне металла приводит к интенсивной твердофазной деформации с динамической рекристаллизацией базового материала.

Процесс сварки трением с перемешиванием

FSW использует специально спроектированный инструмент, вращающийся на высоких скоростях над стыками, подлежащими сварке. При вращении инструмента над металлом тепло генерируется между ними. Это тепло заставляет металлы стать пластичными и сливаться в единое целое. FSW способна сваривать два типа стыков:

• Накладные стыки (Lap Joints)
• Стыки впритык (Butt joints)

Инструмент для FSW имеет две части. Цилиндрическая часть — плечо — вращается на стыке, а профилированный штифт выходит из плеча.

Штифт сначала вверяется в стык. Затем плечо вращается на верху заготовки определенное время до достижения оптимальной температуры и ее поглощения материалами.

Затем инструмент движется по стыку, создавая непрерывный шов. Это возможно благодаря объемному нагреву инструментом и перемешиванию частиц металла профилированным штифтом. Именно от профилированного штифта, входящего в рабочую зону и буквально перемешивающего размоленные частицы для их сплавления, происходит название "Stir" (перемешивание).

Применение сварки трением с перемешиванием

Процесс FSW изначально запатентован TWI в большинстве индастриальных стран и лицензирован более чем 183 пользователям. FSW и его варианты — точечная сварка трением с перемешиванием и обработка трением с перемешиванием — используются в промышленности: судостроение и оффшор, авиакосмическая, автопром, ж/д подвижной состав, общее машиностроение, робототехника, компьютеры.

FSW находит применение в широких отраслях, использующих алюминий.

Судостроение: FSW впервые использовали для сварки полых алюминиевых панелей для рыболовных лодок. Сейчас метод обычен для сварки алюминиевых морозильных панелей в корпусе и обшивке судов. Поскольку FSW создает минимальную деформацию, алюминиевые панели сохраняют форму даже при длинных швах.

Авиакосмическая: Алюминиевые топливные баки космических аппаратов для хранения криогенного кислорода используют FSW. Метод сварки куполов с цилиндрической структурой этих баков. Boeing применил FSW в межстадийном модуле ракеты Delta II, успешно стартовавшей в августе 1999 г.

FSW также используется для соединения легких алюминиевых рам в фюзеляже самолета. Метод предлагает гораздо более легкую альтернативу болтованию или Nietованию.

Железные дороги: FSW применяется на полых профилях и Т-профилях-укрепителях для производства высокоскоростных поездов.

Автопром: Автопром обратился к алюминию как оптимальному материалу для шасси. Один из главных пользователей FSW. Конвенциональные методы сварки не воспроизводят высокоточные детали как FSW. Быстрое время сварки FSW делает её привлекательнее других методов для алюминия.

Сварка трением с перемешиванием против сварки трением — отличие

Несколько сварочных техник используют трение для генерации тепла, наиболее распространенная — сварка трением. В типичном методе сварки трением тепло генерируется между двумя заготовками движением одной заготовки относительно другой по стыку.

Трение между поверхностями заставляет их плавиться и сливаться.

Однако это накладывает ограничение на наладку заготовок: они должны двигаться с высокой скоростью линейным возвратно-поступательным движением.

FSW преодолевает это ограничение, фиксируя заготовки на месте и двигая инструмент вдоль стыка, создавая шов.

Преимущества сварки трением с перемешиванием

Преимущества вытекают из уникального шва без расходников или защитных техник. Характеристики шва:

• Готовый шов бесшовный и эстетичный
• Может сваривать иначе не свариваемые сплавы, как алюминий 2xxx и 7xxx
• Полностью автоматизированный процесс
• Не требуется флюс или защитный газ
• Низкие пиковые температуры предотвращают усадку и пористость трещин

Недостатки сварки трением с перемешиванием

• Требуется сложная или специальная оснастка.
• Создает видимое отверстие в свариваемых плитах (от штифта).
• Высокая начальная/наладка стоимость.
• Менее гибка по сравнению с дуговой сваркой.
• FSW не может делать наплавные стыки.
• Нековуемые материалы не сварюются.