Зварювання тертям із перемішуванням (FSW) — це техніка твердотільного зварювання, яка формує зварний шов шляхом ручного перемішування металу для створення тепла тертя та подачі обертового інструменту вздовж лінії з’єднання двох заготовок. Це перемішування або змішування призводить до назви процесу. Звичайний FRW генерує тепло тертя від самих деталей, тоді як FSW генерує його від окремого зносостійкого інструменту.
Як працює зварювання тертям
У FSW обертовий інструмент ступінчастий; він має менший зонд, який простягається під його циліндричним плечем. Плече створює багато тепла від тертя, коли воно треться об верхні поверхні двох частин під час зварювання. Водночас зонд, який призначений для полегшення механічного змішування, виділяє більше тепла, перемішуючи метал уздовж з’єднання. Замість плавлення металу цей процес тертя та змішування розм’якшує його до дуже пластичного стану.
Провідна поверхня обертового зонда штовхає розм’якшений метал у простір позаду нього та навколо себе, коли інструмент просувається вздовж з’єднання. За допомогою цього процесу метал виковується в безшовне зварювання. Для того, щоб пластифікований метал правильно обтікав зонд, плече має важливе значення для обмеження матеріалу.
Дрібні рівновісні рекристалізовані зерна утворюються шляхом інтенсивної пластичної деформації при високих температурах під час процесу FSW. Зварні шви, виготовлені з цією точно налаштованою мікроструктурою, мають виняткові механічні якості. Міцність зварного шва підвищується завдяки складному переміщенню матеріалу навколо штифта, що стає можливим завдяки спеціальній геометрії інструменту та поєднанню трансляції та обертання.
Геометрія та дизайн інструменту
Геометрія інструменту є важливою для розробки процесу зварювання тертям з перемішуванням (FSW). Конструкція інструменту FSW, який складається зі штифта та буртика, має важливе значення для швидкості зварювання та потоку матеріалу. Основні цілі інструменту – полегшити потік матеріалу та забезпечити локальне нагрівання, як показано на малюнку нижче.
Тепло виділяється під час першого занурення через тертя між штифтом і деталлю, а також через деформацію матеріалу. Тертя між плечем і деталлю створює більшу частину нагріву компонента. Інші елементи конструкції менш важливі для ефективності нагрівання, ніж відносні розміри штифта та плеча. Крім того, плече допомагає з локальним нагріванням, обмежуючи нагрітий матеріал.
Здатність інструменту рухати та перемішувати матеріал є його другою важливою роллю. Конструкція інструменту впливає як на технологічні навантаження, так і на мікроструктуру та однорідність властивостей зварного шва. Зазвичай для таких робіт використовуються циліндричні штифти з різьбленням і увігнуте плече.
Геометрія інструменту була розроблена для включення складних функцій, які покращують потік матеріалу, змішування та знижують навантаження на процес, оскільки наше розуміння потоку матеріалу зростало. Наприклад, компанія TWI розробила інструменти Whorl і MX Triflute, які зображені на рис. Порівняно з циліндричними штифтами з таким самим діаметром кореня, ці конструкції переміщують набагато менше матеріалу; приблизно на 60% і 70% менше відповідно. Переваги цих інструментів включають знижену зварювальну потужність, полегшення потоку пластифікованого матеріалу та більше тепловиділення завдяки покращеному інтерфейсу матеріалу та шпильки. Вони з успіхом зварювали алюмінієві пластини товщиною до 50 мм за один прохід, а в наступні проходи зварювали ще більш товсті шви.
Традиційні циліндричні різьбові шпильки для зварювання внахлест часто призводять до надмірного потоншення верхнього листа, що знижує характеристики вигину. Коли втома є основною проблемою в застосуванні, ширина зварного шва та кут надрізу мають вирішальне значення. Щоб підвищити якість зварювання внахлест, були створені новіші геометрії штифтів, такі як A-skew і Flared-Trifute. Ці конструкції покращують процеси кування та змішування на межі зварювання, розширюють зону зварювання та підвищують відношення об’єму згортання до статичного об’єму. Вони значно розширюють зони зварювання, зменшують утончення верхньої пластини більш ніж у чотири рази та покращують швидкість зварювання більш ніж на 100% порівняно з традиційними штифтами, і все це зі зменшенням осьової сили на 20%.
Розкльошені інструменти
Ці розробки підкреслюють важливість геометрії інструменту в Fluid Simulation. Зокрема, штифти A-skew і Flared-Trifute підвищують якість зварного шва шляхом зменшення кута надрізу на межі зварювання, зміни шляху потоку та покращення змішування.
Параметри зварювання при зварюванні тертям з перемішуванням
У зварюванні тертям з перемішуванням (FSW) особливо важливі два фактори: швидкість переміщення інструменту (v, мм/хв) і швидкість обертання інструменту (ω, об/хв). Щоб завершити процес зварювання, трансмісія інструменту переносить матеріал, який був перемішаний уздовж лінії з’єднання після того, як його обертання перемішало та змішало матеріал навколо обертового штифта.
Інтенсивне перемішування та змішування матеріалу відбувається завдяки вищим швидкостям обертання інструменту через вищі температури, що виникають внаслідок більшого нагрівання тертям. Таким чином, слід зазначити, що фрикційна взаємодія між поверхнею інструменту та деталлю контролює процес нагрівання. Тому не обов’язково очікувати, що нагрівання зростатиме лінійно зі швидкістю обертання інструменту, оскільки коефіцієнт тертя на межі розділу може змінюватися.
Іншою важливою змінною є кут, під яким інструмент або шпиндель нахиляються відносно поверхні заготовки. Різьбовий штифт допомагає плечу інструменту ефективно переміщувати перемішуваний матеріал, коли він знаходиться під відповідним кутом у напрямку слідуючого матеріалу. Для гладких плечей інструменту та надійних зварних швів також важлива глибина введення штифта, яку іноді називають цільовою глибиною, у заготовки.
Для ефективного переміщення матеріалу від передньої до задньої частини штифта ідеальна глибина введення гарантує правильний контакт плеча інструменту з оригінальною поверхнею заготовки. У зварному шві можуть утворитися поверхневі канавки або внутрішні канали, якщо глибина введення надто мала. З іншого боку, якщо він занадто глибокий, може виникнути багато спалахів, що призведе до того, що зварний шов стане помітно увігнутим, а зварні пластини локально стоншаться.
Нові розробки, включаючи «прокручені» буртики інструменту, дозволяють FSW без будь-якого нахилу інструменту, що дуже корисно для з’єднань із кривими.
Для деяких процесів FSW попереднє нагрівання або охолодження також може бути важливим. Цілком можливо, що лише тертя та перемішування не призведуть до того, що матеріали з високими температурами плавлення, як-от сталь і титан, або високою провідністю, як-от мідь, розм’якшаться й пластифікуються навколо обертового інструменту до необхідної міри. Попереднє нагрівання або додавання додаткових зовнішніх джерел нагріву може покращити потік матеріалу та подовжити вікно процесу за таких обставин. Навпаки, охолодження може бути корисним для матеріалів з нижчими температурами плавлення, таких як магній і алюміній, щоб зупинити розчинення осадів, що посилюються, і значне зростання рекристалізованих зерен у зоні перемішування та навколо неї.
Спільні конструкції
Стикові та нахлесткові з’єднання є найбільш практичними конструкціями з’єднань для зварювання тертям з перемішуванням (FSW). Завдяки своїй універсальності та простоті використання ці конструкції є незамінними.
Для основного квадратного стикового з’єднання дві пластини або листи однакового розміру міцно закріплюються на підкладці. Це запобігає роз’єднанню поверхонь суміжних з’єднань під час зварювання. Коли прядильний інструмент занурюється в лінію з’єднання, застосовуються значні сили; тому дуже важливо приділяти особливу увагу тому, щоб пластини були вирівняні. Міцний зварний шов утворюється, коли буртик інструменту проходить уздовж лінії з’єднання після контакту з поверхнею пластини. Стикові з’єднання є поширеним варіантом для багатьох зварювальних робіт через їхню простоту.
(a) квадратний торець, (b) крайовий торець, (c) T торець
Іншою типовою конфігурацією є з’єднання внахлест, яке є підкладкою, закріпленою на двох плитах або листах, що перекриваються. Обертовий інструмент з’єднує дві пластини, проколюючи верхню пластину вертикально в нижню пластину, а потім рухаючись у правильному напрямку. Застосунки, де матеріали, що перекриваються, повинні бути надійно пов’язані, мають значну користь від цієї техніки.
FSW дозволяє ряд альтернативних конструкцій з’єднань, включаючи галтельні з’єднання, на додаток до основних стикових і нахлесткових з’єднань. Ці комбінації, які поєднують аспекти стикових з’єднань і з’єднань внахлест, розроблені відповідно до особливих інженерних вимог. Наприклад, кутові з’єднання (див. малюнок нижче) використовуються, коли під час процесу зварювання необхідно дотримуватися певних структурних критеріїв.
філе шва
Переваги ЖКС
Для застосувань, де безпека та структурна цілісність є найважливішими, зварювання тертям з перемішуванням (FSW) забезпечує безліч переваг, включаючи створення неймовірно міцних зварних швів, які можуть витримувати підвищений механічний тиск. Цей процес гарантує чудову стабільність розмірів з мінімальними викривленнями та створює з’єднання, герметичні до середовища та тиску з невеликими викривленнями. FSW створює акуратну мікроструктуру без тріщин і зберігає характеристики сплаву, оскільки виділяє дуже мало тепла.
Коли мова заходить про навколишнє середовище, FSW є надзвичайно дружнім, тому що він не потребує витратних матеріалів, таких як дроти та гази, і не потребує очищення поверхні, відходів шліфування чи захисного газу. Він використовує значно менше матеріалу та важить менше, оскільки його споживання енергії становить лише 2.5 відсотка від лазерного зварювання. В автомобільній, морській та легкій авіаційній промисловості така ефективність призводить до меншого споживання палива.
FSW також створює більш міцний і гладкий зварний шов, ніж інші методи зварювання, і зменшує кількість фіксованих деталей, які потрібно замінити під час проектування та процесу виробництва. Це досягається легким обертанням заготовки без застосування зовнішніх сил.
Виклики та обмеження
Існують різні недоліки методу зварювання тертям з перемішуванням (FSW). Одним з головних недоліків є те, що коли інструмент виймається, він залишає вихідний отвір, який може бути проблемним для деяких застосувань.
Деталі, що зварюються, також потрібно щільно затиснути, що ускладнює операцію.
Програми, які залежать від традиційного обладнання, не можуть використовувати FSW через високі початкові інвестиції та потребу в спеціалізованому обладнанні. Крім того, FSW потребує значної кількості простоїв між зварюванням і повільніше, ніж інші методи зварювання.
Застосування зварювання тертям із перемішуванням (FSW)
У багатьох галузях промисловості використовується зварювання тертям із перемішуванням (FSW), здебільшого для комбінування алюмінієвих сплавів усіх марок, які були відлиті, прокатовані або екструдовані. Залежно від якості сплаву та потужності машини, ця техніка може зварювати стикові з’єднання алюмінієвого сплаву товщиною від 0.3 мм до 75 мм за один прохід. FSW корисний для комбінування сплавів, таких як магній, титан, мідь, нікель і сталь на додаток до алюмінію. Його також можна використовувати для з’єднання пластикових і металевих матричних композитів (MMC). Він навіть може поєднувати несумісні матеріали, наприклад сталь і алюміній.
В аерокосмічній промисловості FSW ідеально підходить для виробництва тонких сплавів, паливних баків і планерів завдяки високій якості зварювання та геометричній правильності. Він використовується в автомобільній промисловості для полегшених конструкцій, що покращує паливну ефективність. FSW використовується в суднобудівній та залізничній промисловості для будівництва важких цистерн, міжміських і залізничних вагонів. FSW також використовується в електроніці, як-от акумуляторні лотки для електромобілів, що демонструє його адаптивність до різноманітних цілей.
Посилання
Groover, MP, 2010. Основи сучасного виробництва: матеріали, процеси та системи. 4-е вид. Гобокен, Нью-Джерсі: John Wiley & Sons, Inc.
