Заваряване чрез триене: видове, технология, оборудване

Съществува голямо разнообразие от методи за заваряване. Те включват екзотични процеси като заваряване с разбъркване и заваряване с триене. Неговата отличителна черта е липсата на консумативи като електроди, заваръчна тел, защитни газове. Новоразработеният процес става все по-широко разпространен.

История

Историята на заваряването чрез триене (FSW) започва през 1991 г. Това е иновативна разработка на Британския институт по заваряване (TWI). Няколко години по-късно процесът е приложен при конструирането на самолети и кораби.

Първите компании, които стартираха новата технология, бяха норвежката Marine Aluminium и американската Boeing. В своите фабрики те използват заваръчни апарати на ESAB, специалист в областта на заваряването чрез триене (FSW).

От 2003 г. насам компанията непрекъснато изследва потенциала на заваряването чрез триене. Например, разработени са процеси за заваряване на алуминиеви сплави и техни модификации, които се използват в конструкцията на самолети, кораби и железопътни контейнери.

В самолетостроенето е установено, че заваряването е Възможността за замяна на занитвани съединения със заварени съединения. Скоростите на заваряване са много по-високи от тези на електродъговото заваряване. Заваръчен шев с дължина 6 метра може да се образува само за една минута, докато скоростта на заваряване по конвенционалния метод е само 0,8 до 2 м/мин при дебелина на детайла 0,5 см.

Същност на процеса

Свързването на метали чрез заваряване с триене става чрез нагряване в зоната на заваряване. Основният заваръчен инструмент при заваряването чрез триене е метален прът, състоящ се от две половини - рамо и клин.

Въртящият се шип се врязва в материала с изпъкналата си част, което води до интензивно нагряване. Подаването му е ограничено от рамо, което не му позволява да проникне в заварявания детайл. Материалът значително увеличава пластичността си в зоната на нагряване и образува хомогенна маса при натискане с рамо.

Следващата стъпка от процеса е движението на пръчката по заваряваната зона. Движейки се напред, рамото раздвижва нагорещената метална маса, за да се образува стабилен синтез, след като тя се охлади.

Какво влияе на качеството на STP

Заваряването чрез триене е постоянно развиващ се процес. Въпреки това вече има някои параметри, които влияят върху качеството на съединението:

1. Силата, упражнявана от инструмента.
2. Скорост на подаване на заваръчната глава.
3. Размерът на рамото.
4. Скорост на въртене на ядрото.
5. Ъгъл на наклона.
6. Сила на подаване на пръчката.

Манипулирането на заваръчните характеристики позволява да се постигнат съединения между разнородни метали. Например, алуминий и литий. Поради ниската си плътност и високата си якост литият може да действа като легиращ агент за алуминиеви сплави, което го прави подходящ материал за приложение в космическата индустрия.

Заваряването чрез триене може лесно да замени коването, щамповането, леенето, когато те се използват в за производство на части от трудни за комбиниране метали. Например стомани с аустенитна и перлитна структура, алуминий или бронз.

В кои области на приложение

Производствените сектори, като например автомобилната индустрия, непрекъснато търсят начини за подобряване на якостните свойства на продуктите, като същевременно намаляват теглото им. В резултат на това непрекъснато се въвеждат нови материали, които преди това са били рядкост поради сложната обработка. Все по-често компонентите за задвижване, като например подрамите, а понякога и целите каросерии, се изработват от алуминий или от комбинация от алуминий и други материали.

Например през 2012 г. Honda приложи адитивни производствени процеси и заваряване чрез триене, за да произведе подрама за своите автомобили. Те са въвели комбинация от стомана и алуминий.

При производството на заварени части на каросерията, изработени от алуминий, може да възникне изгаряне на ламарина. Този дефект се предотвратява чрез STP. В допълнение към икономията на енергия от 1,5 до 2 пъти се намаляват разходите за консумативи, като например заваръчна тел, екраниращи газове.

Освен в автомобилостроенето, STP се използва и в следните области

1. Строителна индустрия: алуминиеви носещи ферми, мостови прозорци.
2. Железопътни превозни средства: рами, талиги, вагони.
3. Корабостроене: прегради, структурни компоненти.
4. Конструкция на самолета: резервоари за гориво, части на фюзелажа.
5. Хранително-вкусова промишленост: различни съдове за течни продукти (мляко, бира).
6. Електротехника: корпуси на двигатели, параболични антени.

В допълнение към алуминиевите сплави заваряването чрез триене се използва за производство на медни съединения, например при производството на медни контейнери за погребване на отработено радиоактивно гориво.

Предимства на CCT

Проучването на процеса STP позволява да се съединяват различни групи сплави. Въпреки че първоначално STP е разработен за работа с метали с ниска температура на топене, като алуминий (660 °C), впоследствие се прилага за съединяване на никел (1455 °C), титан (1670 °C), желязо (1538 °C).

Проучванията показват, че заварките, получени по този метод, напълно съответстват на металната структура на заваряваните части и имат по-високи стойности на якост, по-ниски разходи за труд и ниски остатъчни деформации.

Правилно избраната процедура за заваряване гарантира, че заваръчният материал и металът на заварката са съвместими помежду си в следните аспекти:

• якост на умора:
• якост на огъване и опън;
• издръжливост.

Предимства пред други процеси на заваряване

CCT има редица предимства. Те включват:

1. Нетоксичен. За разлика от други варианти, при тях няма изгаряне на електрическата дъга, благодарение на което разтопеният метал се изпарява в зоната на заваряване.
2. По-висока скорост на заваряване, което води до по-кратки времена на цикъла.
3. Намаляване на разходите за енергия наполовина.
4. Няма нужда от допълнителна обработка на заваръчния шев. Инструментът за заваряване чрез триене създава перфектна заварка, която не се нуждае от почистване по време на работа.
5. Няма нужда от допълнителни консумативи (заваръчна тел, промишлени газове, флюси).
6. Възможност за получаване на метални съединения, които са недостъпни за други заваръчни процеси.
7. Няма нужда от специална подготовка на заваръчните ръбове, освен почистване и обезмасляване.
8. Хомогенна структура на заваръчния шев без дефекти, което улеснява контрола на качеството, регламентиран за заваряване чрез триене с разбъркване GOST R ISO 857-1-2009.

Как се проверява качеството на заварката

Качеството на заваряване може да се провери чрез два различни вида проверки. Първата включва счупване на прототипа, което е резултат от счупване на ставата две части. Втората позволява проверка без унищожаване на. Използват се техники като оптична инспекция, аудиометрични тестове. Той помага да се установи наличието на пори и включвания, които могат да влошат заваръчния процес. Резултатите от звуковата проверка са представени като диаграма, която ясно показва къде акустичното ехо се отклонява от нормата.

Недостатъци на метода

Въпреки че има много предимства, процесът на заваряване чрез триене има и своите недостатъци

1. Липса на мобилност. STP включва съединяването на неподвижни части, които са неподвижно закрепени в пространството. Това налага определени свойства на оборудването за заваряване чрез триене, като например неподвижност.
2. Ниска гъвкавост. Обемистото оборудване е предназначено за извършване на един вид операция. Поради тази причина заваръчните приспособления са предназначени за специфични задачи. Например за заваряване на странични панели на автомобили на поточна линия и нищо друго.
3. Заваръчният шев има радиална структура. Поради тази причина в случай на определени видове деформации или на работа В корозионна среда в заваръчния шев може да се натрупа умора.

Принцип на работа на заваряване

Процесите на заваряване, основани на триене, могат да бъдат разделени на няколко вида:

1. Линейно триене. Същността на процеса е да се получи постоянна връзка не чрез действието на въртящия се накрайник, а чрез движението на частите една спрямо друга. Действайки върху повърхността в точката на контакт, те предизвикват триене и съответно висока температура. Под налягане съседните части се разтопяват и се образува заварено съединение.
2. Радиално заваряване. Този метод се използва за производството на цистерни с голям диаметър, железопътни цистерни. Става дума за това, че съединенията на компонентите се нагряват от въртящ се пръстен, поставен от външната страна. То предизвиква триене и води до температура, близка до точката на топене. Пример за компания, която използва тази технология, е производителят на цистерни Sespel в Чебоксари. Заваряването чрез триене заема основна част от заваръчните работи.
3. заваряване на щифтове. Този тип замества нитованото съединение. Този тип се прилага за застъпващи се фуги. Въртящ се щифт в точката на контакт нагрява заваряваните части. Високата температура води до разтопяване и щифтът прониква. След като се охлади, се създава здрава, постоянна връзка.

Разнообразие по отношение на трудността

Заваръчните операции, извършвани чрез триене, могат да бъдат разделени на плоско и обемно заваряване. Основната разлика между тези две версии е, че в първия случай заварката се формира в двуизмерно пространство, а във втория - в триизмерно пространство.

Например, производителят на заваръчни машини ESAB е разработил 2D модула LEGIO за равнинни съединения. Това е конфигурируема система за заваряване чрез триене на различни цветни метали. Различните по размер групи оборудване позволяват заваряване на малки и големи части. В съответствие с маркировката LEGIO има няколко схеми, които се различават по броя на заваръчните глави, възможността за заваряване в няколко аксиални посоки.

За заваръчни работи с трудни позиции има 3D роботи. Тези машини се монтират на автомобилни конвейерни ленти, където се изисква заваряване на шевове със сложна конфигурация. Един пример за такъв робот е Rosio на ESAB.

Заключение

STP е предимство в сравнение с традиционните процеси на заваряване. Широкото му използване обещава не само икономически ползи, но и опазване на околната среда здраве Заваряване на заваръчните глави в няколко осеви посоки.