Современные возможности сварки трением

Классическая технология сварки трением

Принцип работы и области применения

Традиционный метод сварки трением работает по простому принципу: одна деталь вращается, вторая прижимается к её торцу осевым усилием. Эта технология давно освоена на российских предприятиях и в странах СНГ. Основное применение — сварка ступенчатых деталей, приварка кованых или литых элементов к стержням, наконечников к бурильным трубам.
Рис. 1 Приварка поковки к стержню
Рис. 2 Труба 90х10 ммБеда в том, что большинство предприятий до сих пор используют устаревшее отечественное оборудование. Оно работает, но эффективность оставляет желать лучшего.

Двухстадийный процесс образования соединения

Сварка — это топохимическая реакция, которая протекает в две стадии. Сначала образуется физический контакт: материалы сближаются на расстояние, достаточное для межатомного взаимодействия. Затем начинается химическое взаимодействие, которое и создаёт прочное соединение.Вторая стадия требует энергии для активации поверхности. При сварке в твёрдом состоянии атомы сближаются за счёт пластической деформации металлов в зоне контакта. Часто применяют дополнительный нагрев. Длительность обеих стадий зависит от теплофизических свойств металлов, способа приложения давления и других факторов активации.

Как сваривать разнородные металлы

Проблемы при соединении разных сплавов

Когда свариваешь разнородные металлы, сразу сказывается разница в их теплофизических свойствах. Чем больше эта разница, тем сложнее получить соединение с хорошими техническими характеристиками.Существуют методы приближённой оценки параметров режима сварки статическим давлением. Длительность образования физического контакта оценивают по скорости ползучести более мягкого металла (или обоих, если свойства одинаковы). Длительность химического взаимодействия рассчитывают по уравнению Больцмана — как период активации поверхности более твёрдого металла.Эти принципы с определённым приближением применимы и к сварке трением, хотя условия деформации в зоне соединения существенно отличаются.

Температурный режим и саморегулирование

Огромное влияние на процесс оказывает температурный режим. При сварке трением тепловыделение саморегулируется: за короткое время устанавливается температура контактного сечения. Она определяется свойствами менее тугоплавкого металла и находится чуть ниже его температуры плавления.Получается интересная ситуация. При сварке металлов с резко отличающимися теплофизическими свойствами процесс идёт при температуре, когда менее жаропрочный металл быстро деформируется, а активация поверхности более жаропрочного замедлена.Единственный выход — интенсифицировать пластическую деформацию. Для этого меняют схему напряжённого состояния приконтактной зоны при проковке. Устанавливают формующую оправку на менее жаропрочный металл, которая препятствует свободной деформации и создаёт объёмное напряженное состояние в зоне стыка. В результате микрообъёмы более жаропрочного металла достаточно деформируются для активации — реализуется вторая стадия образования соединения.

Формирование прочного соединения

Интерметаллические прослойки и их влияние

Прочное сварное соединение образуется только тогда, когда процессы релаксации не успевают снизить его прочность. Реактивная диффузия может привести к образованию хрупких интерметаллических прослоек.Например, при сварке трением алюминия со сталью, медью или титаном в зоне стыка образуется интерметаллид. Несмотря на отсутствие расплавленного металла, толщина этой прослойки достигает 6-8 мкм при определённых условиях. От толщины и свойств этой прослойки зависит пластичность всего соединения.Часто удаётся ограничить образование интерметаллида применением жёстких режимов сварки и больших давлений при проковке. Но с промышленными многокомпонентными сплавами всё сложнее. Влияние каждого легирующего элемента и их суммы на скорость реактивной диффузии бывает настолько существенным, что никакие меры не помогают получить соединения с высокими механическими характеристиками.

Подготовка деталей из жаропрочных металлов

При сварке металлов с резко отличными теплофизическими свойствами (алюминий и сталь) макродеформация более жаропрочного металла практически отсутствует. Косина торцов заготовки создаёт осевое биение, которое сохраняется весь процесс сварки. Это препятствует полному контактированию металлов и равномерному нагреву торца.Вывод простой: необходима предварительная торцовка детали из более жаропрочного металла прямо в зажимах машины сварки трением. Без этого никак.
Рис. 3 Турбина наддува дизеляСегодня эта технология применяется для соединения:✔️ быстрорежущих сталей с конструкционными✔️ аустенитных сталей с перлитными✔️ жаропрочных сталей с конструкционнымиТехнология позволила получить прочные, пластичные, вакуумноплотные и долговечно надёжные соединения АМг6 с титаном и сталью 12Х18Н10Т. Предприятия Роскосмоса используют такие переходники для соединения трубопроводов из алюминиевого сплава с титаном или нержавеющей сталью.

Модернизация оборудования

От устаревших машин к новому поколению

Ещё в середине прошлого века ВНИИЭСО отработал технологию сварки трением этих соединений через прослойку из технически чистого алюминия АД1. На её основе создали машину МСТ-31. На некоторых предприятиях это оборудование работает до сих пор, но оно давно физически и морально устарело.В начале 2008 года ВНИИЭСО начал разработку машин сварки трением нового поколения. Ключевые особенности:→ гидропривод всех рабочих перемещений→ жёсткие направляющие для гарантии соосности→ микропроцессорная система управления

Роль ЗАО «Завод «Ленремточстанок»

К работам подключился ЗАО «Завод «Ленремточстанок». Провели существенную доработку механических узлов машины и гидростанции. Создали систему управления, которая обеспечивает:✓ загрузку основных параметров процесса с сенсорной панели✓ стабилизацию параметров✓ запись регистрограмм каждого цикла✓ передачу данных на ПК для распечатки и архивированияЗа три года разработали, изготовили и поставили заказчику четыре единицы оборудования трёх типоразмеров для сварки сталеалюминиевых и титаноалюминиевых переходников.

Рис. 4 Машина МСТ-3001Скорость вращения шпинделя составляет 900 об/мин.Эти машины успешно применяются не только для сталеалюминиевых соединений. Они подходят для сварки других сочетаний металлов, если диаметры, поперечные сечения и длина соединений не превышают приведённых величин. ЗАО «Завод «Ленремточстанок» готов модернизировать оборудование: создать правый зажим для деталей неограниченной длины, повысить мощность и осевое усилие для сварки больших сечений.

Контроль качества сварных швов

Технология сварки на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия»

Сегодня процесс активно используется на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева». Здесь сваркой трением изготавливают широкий ассортимент деталей диаметром от 15 до 50 мм.Основные изделия:☑️ биметаллические переходники☑️ триметаллические переходники☑️ корпуса электропневмоклапанов
Рис. 5 Биметаллический фланец топливного бака
Рис. 6 Триметаллический (сталь – алюминий – титан) переходник
Рис. 7 Биметаллический фланец большого диаметраОсновные свариваемые сочетания:→ АМг6+АД1+12Х18Н10Т→ титановые сплавы+АД1+12Х18Н10Т→ 12Х18Н10Т+1088Ш

Последовательность сварки через прослойку

Сочетания нержавеющая сталь — алюминиевый сплав и нержавеющая сталь — титановый сплав сваривают через прослойку из технически чистого алюминия АД1 последовательно.Сначала сваривают заготовки из АД1 и АМг6. Перед этим заготовку из АМГ6 торцуют в зажиме машины. Затем проводят механическую обработку: удаляют грат и подрезают приваренный АД1 до размера, необходимого для второй сварки с заготовкой из нержавеющей стали.Торец заготовки из нержавеющей стали делают коническим (угол 45°). Перед сваркой его протачивают в зажимах машины по конической поверхности — это устраняет радиальное и осевое биение. Для ограничения пластической деформации алюминия АД1 на него устанавливают обжимное стальное кольцо с внутренним диаметром на 1-2 мм больше диаметра заготовки.

Испытания и контроль качества

Перед сваркой каждой партии обязательно сваривают два образца для испытаний на изгиб. Сварка считается качественной, если угол загиба АД1 составляет не менее 120° без разрушения по сварному стыку.
Рис. 8 Образец после испытаний на изгиб диаметром более 25 ммКроме того, от партии полностью механически обработанных переходников не менее двух штук доводят до разрушения внутренним гидравлическим давлением с предварительным вибрационным нагружением. Разрушение по сварным стыкам — браковочный признак.На одном из предприятий Красноярского края отрабатывают технологию сварки биметаллических переходников диаметром 87,5х63 мм на машине МСТ-3001.
Рис. 9 Соединение АМг6+АД1+ВТ14 ? 87,5х63 после испытания на изгиб

Пример: сварка электротехнической стали с бронзой

ЗАО «Завод «Ленремточстанок» выполнило работу по заказу ЦНИИМС для создания ярма электромагнита с постоянной величиной тяги. Сваривали заготовки трубчатой конструкции (наружный и внутренний диаметры 29х16 и 25х20 мм) из отожженной электротехнической стали 10880 ГОСТ 11036-75 с проставкой из бронзы БрАМц9-2 ГОСТ 18175-78. Длина бронзовой проставки — 7-8 мм.
Рис. 10 Электротехническая сталь с бронзойСварку проводили на машине МСТ-31 с контролем процесса по величине осадки при нагреве. Качество проверяли испытаниями на загиб вырезанных лепестков. При угле загиба 135° разрушения не наблюдалось.Контроль герметичности: подача жидкости во внутреннюю полость на 5 минут под давлением 30 МПа (300 атм) для первого типа ярма и 7 МПа (70 атм) для второго типа — течи нет. При подаче в полость ярма первого типа давления 80 МПа (800 атм) разрушения не произошло. Соединения установлены в опытные изделия.

Практическое применение на производстве

Используемое оборудование

На ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева» эксплуатируется три типа машин:✓ МСТ-31 (работает с 60-х годов прошлого века)✓ МСТ-2001-ГД88 (с 80-х)✓ МСТ-2202 нового поколения (с 2011 г.)Все машины снабжены суппортом для подрезки торца заготовок. Это критически важно для качества сварки.

Инновационные методы сварки трением

Сварка трением-перемешиванием (stir friction welding)

За рубежом появились новые виды сварки трением. Первый — сварка трением-перемешиванием. Она предназначена для стыковой сварки изделий из листов алюминия и его сплавов толщиной 2-30 мм при температурах ниже температуры плавления.Исследования показывают преимущества метода:→ более высокая стабильность качества соединений→ повышенная производительность→ экономичность по сравнению с аргонодуговой сваркой→ возможность сварки алюминиевых сплавов, склонных к трещинообразованиюПрименение: ракетостроение (сварка корпусов), судо- и автомобилестроение, изготовление пассажирских железнодорожных вагонов.Процесс заключается в нагреве кромок листа до пластичного состояния за счёт трения вращающегося инструмента. Происходит интенсивное перемешивание металла и формирование поверхности в зоне стыка.Инструмент представляет собой охлаждаемый цилиндр со штырем специальной формы. Длина штыря чуть меньше толщины листа. Он вращается внутри свариваемого металла. Заплечик формирует внешнюю поверхность зоны стыка. Нижняя поверхность шва формируется подкладкой.Параметры инструмента:• Диаметр штыря: 5-10 мм• Диаметр заплечика: около 30 ммПроцесс реализуется при перемещении вращающегося инструмента вдоль стыка надёжно закреплённых листов.Основные проблемы:✖️ создание износостойкого штыря✖️ разработка индивидуального оборудования для каждого изделияОсновные параметры процесса: скорость вращения, усилие поджатия заплечика, скорость перемещения инструмента, геометрия штыря.

Точечная сварка и робототехника

Появились сообщения о широком применении точечной stir friction welding и использовании робототехники. Роботы применяются как для точечной сварки, так и для сварки листов.Это очень интересно: закрепление рабочей головки на роботе создаёт универсальное оборудование. Оно может применяться для сварки любых изделий, закреплённых в индивидуальных зажимных устройствах. В этом случае процесс получает широкое промышленное применение. Ряд отечественных предприятий уже начал работы в этом направлении.

Линейная сварка трением (ЛСТ)

За рубежом предлагают машины для ещё одной новой разновидности — линейной сварки трением. Процесс применяется для соединения стали, алюминия, титана и других материалов.ЛСТ используют ведущие мировые компании, выпускающие авиационные двигатели. Они сваривают турбинные лопатки к дискам. Лопатки сделаны из титана и никелевых сплавов.Области применения:☑️ авиадвигателестроение☑️ машиностроение☑️ энергетика☑️ металлургическая индустрияПервые изделия изготовили для авиакосмической индустрии. Информация об использовании линейной сварки трением в РФ отсутствует.

к.т.н. Л.А.Штернин, инж. М.П. Жидков, инж. А.Р. Лаптев

ЗАО «Завод «Ленремточстанок»

инж. И.Д. Махин, инж. П.С. Петровичев

ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева»

Тел. 812-528-61-72, моб. 8-911-913-85-97

e-mail: lev.schternin@gmail.com