Сварка трением

Эту статью необходимо обновить . Пожалуйста , помогите обновить эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Март 2023 )

Сварка трением (FWR) — это процесс сварки и склеивания в твердом состоянии , при котором тепло генерируется посредством механического трения между заготовками, находящимися в относительном движении друг относительно друга. Процесс используется с добавлением боковой силы, называемой «upset», для пластического смещения и сплавления материалов. ^[1] Сварка трением — это метод сварки в твердом состоянии, аналогичный кузнечной сварке . Вместо процесса сварки плавлением сварка трением используется с металлами и термопластами в самых разных авиационных и автомобильных приложениях.

Стандартом ИСО по сварке трением является EN ISO 15620:2019 ^[2] , который содержит информацию об основных терминах, определениях и таблицах свариваемости металлов и сплавов .

Некоторые заявки и патенты, связанные со сваркой трением, относятся к началу 20-го века, ^[3] и вращательная сварка трением является старейшим из методов. ^[4] В. Рихтер запатентовал метод линейной сварки трением (LFW) в 1924 году ^[5] в Англии и в 1929 году ^[5] в Веймарской республике . Описание процесса было расплывчатым ^[4], и Х. Клопшток запатентовал процесс в Советском Союзе в 1924 году. ^[5] Первое описание и эксперименты, связанные с вращательной сваркой трением, состоялись в Советском Союзе в 1956 году, ^{[3] [5],} когда машинист по имени А. Дж. Чдиков исследовал научные исследования и предложил использовать метод сварки в качестве коммерческого процесса. ^[5] Процесс был представлен в Соединенных Штатах в 1960 году. ^[3] Американские компании Caterpillar Tractor Company (Caterpillar - CAT), Rockwell International и American Manufacturing Foundry разработали машины для этого процесса. Патенты также были выданы по всей Европе и Советскому Союзу. Первые исследования сварки трением в Англии были проведены Институтом сварки в 1961 году. ^[5]

В Соединенных Штатах компании Caterpillar Inc. и Manufacturing Technology Inc. (MTI) разработали инерционный процесс в 1962 году. ^{[3] [5]} В Европе компании KUKA AG и Thompson запустили ротационную сварку трением для промышленного применения в 1966 году, ^[6] разработали процесс с прямым приводом и в 1974 году ^[6] построили двухшпиндельный станок rRS6 для осей тяжелых грузовиков . ^[6] Другой метод был изобретен в Советском Союзе Ю. Клименко в середине 1960-х годов и запатентован в 1967 году, ^[7] экспериментально проверен и превращен в коммерческую технологию в Институте сварки (TWI) в Великобритании и снова запатентован в 1991 году: процесс сварки трением с перемешиванием (FSW) ^[8] представляет собой процесс твердотельного соединения, в котором используется нерасходуемый инструмент для соединения двух обращенных друг к другу заготовок без расплавления материала заготовки.

Улучшенной модификацией стандартной техники сварки трением является сварка трением с малым усилием, гибридная технология, разработанная EWI и MTI, которая «использует внешний источник энергии для повышения температуры интерфейса двух соединяемых деталей, тем самым уменьшая усилия процесса, необходимые для создания твердотельного сварного шва по сравнению с традиционной сваркой трением». ^[9] Процесс применим как к линейной, так и к вращательной сварке трением. ^[10]

Сварка трением имеет много форм, но наиболее популярными являются следующие методы. ^[11]

Ротационная сварка трением (RFW) является одним из основных методов сварки трением. Один свариваемый элемент вращается относительно другого и прижимается. Нагрев материала происходит за счет работы трения и создает неразрывный сварной шов. ^[12]

Линейная сварка трением (ЛСТ) представляет собой процесс перемещения отдельного компонента в линейном возвратно-поступательном движении по поверхности неподвижного компонента. ^{[13] [14]}

Сварка трением с перемешиванием (FSW) — это процесс соединения в твердом состоянии, при котором для соединения двух обращенных друг к другу заготовок используется неплавящийся инструмент без расплавления материала заготовки. Тепло вырабатывается трением между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к образованию размягченной области вблизи инструмента FSW. Пока инструмент перемещается вдоль линии соединения, он механически перемешивает два куска металла и кует горячий и размягченный металл с помощью механического давления, которое прикладывается инструментом.

Фрикционная наплавка — это процесс, происходящий от сварки трением, при котором материал покрытия наносится на подложку. Стержень, состоящий из материала покрытия (называемый мехтродом), вращается под давлением, создавая пластифицированный слой в стержне на границе с подложкой.

При линейной вибрационной сварке материалы приводятся в соприкосновение и подвергаются давлению. Затем прикладывается внешняя вибрационная сила, которая сдвигает детали относительно друг друга перпендикулярно прилагаемому давлению.

Орбитальная сварка трением похожа на сварку трением , но использует более сложную машину для создания орбитального движения, при котором движущаяся часть вращается по небольшой окружности, намного меньшей, чем размер соединения в целом.

• Кузнечная сварка
• Сварка трением с перемешиванием (СТП) ^[8]
• Точечная сварка трением с перемешиванием (FSSW) ^[15]
• Линейная сварка трением (ЛСТ) ^{[16] [17]}
• Сварка трением кольцевых швов трубопроводов (FRIEX) ^[18]
• Обработка перекрытия фрикционных гидроколонн (FHPPOW) ^[19]
• Обработка фрикционной гидроколонны (FHHP) ^[20]
• Линейная вибрационная сварка
• Сварка полимеров трением
• Сварка трением с малым усилием ^[9]

Требования к качеству сварных соединений зависят от формы применения, например, в космической или летной промышленности ошибки сварки не допускаются. ^[21] Проводится контроль качества сварных соединений с помощью измерений и численных методов.

Например, желательна сверхтонкая структура зерен сплава или металла, полученная такими методами, как интенсивная пластическая деформация ^[22] , и не изменяемая под воздействием высокой температуры, большая зона термического влияния не нужна. ^{[23] [17]}

В дополнение к изменению структуры зерна во время циклов соединения металлов, методами, где зона термического влияния высокой температуры возникает, происходят фазовые превращения структуры. Например, в стали между аустенитом , ферритом , перлитом , бейнитом , ^[24] цементитом и мартенситом , (См.: Диаграмма фаз железо-углерод ). ^{[ требуется ссылка ]} Чтобы избежать изменений, может быть желательна сварка в твердом состоянии, и большая зона термического влияния не нужна, если она ослабляет свойства материала.

Отдельные термомеханические зоны можно описать, приведя в пример статью:

Энтони Р. МакЭндрю, Пол А. Коулгроув, Клемент Бюр, Бертран К.Д., Флипо Ахиллеас Вайрис, «Обзор литературы по линейной сварке трением Ti-6Al-4V», 2018 г. ^[16]

Технически, WCZ и TMAZ являются «зонами термомеханического воздействия»; из-за различных микроструктур, которыми они обладают, их часто рассматривают отдельно. WCZ испытывает значительную динамическую рекристаллизацию (DRX), TMAZ — нет. Материал в HAZ не деформируется механически, но подвергается воздействию тепла. Область от одной границы TMAZ/HAZ до другой часто называют «толщиной TMAZ» или зоной пластического воздействия (PAZ). ^[25]

Зоны:

• WCZ– зона центра сварного шва
• HAZ – зона термического влияния
• TMAZ – Зона термомеханического воздействия
• BM – базовый материал, исходный материал
• Вспышка

Аналогичные термины используются в сварке .

Сварка трением может непреднамеренно происходить на поверхностях скольжения, таких как подшипники. Это происходит, в частности, если пленка смазочного масла между поверхностями скольжения становится тоньше, чем шероховатость поверхности, что может быть вызвано низкой скоростью, низкой температурой, масляным голоданием, чрезмерным зазором, низкой вязкостью масла, высокой шероховатостью поверхностей или их комбинацией. ^[26]

Сопротивление заеданию — это способность материала противостоять сварке трением. Это фундаментальное свойство поверхностей подшипников и вообще поверхностей скольжения под нагрузкой.

• Фрикционная сварка (микросварка трением с перемешиванием ) также выполнялась с использованием станка с ЧПУ ^[27] , что не означает, что она безопасна и рекомендуется для фрезерного станка.
• Было также показано, что сварка трением эффективна при работе с древесиной. ^{[28] [29] [30]}

Из ISO ( Международная организация по стандартизации ) - ISO 15620:2019(ru) Сварка. Сварка трением металлических материалов:

осевая сила - сила в осевом направлении между свариваемыми компонентами,

Длина выгорания - потеря длины во время фазы трения,

скорость выгорания - скорость укорочения деталей в процессе сварки трением,

компонент - отдельная деталь перед сваркой,

торможение, вызванное компонентом - снижение скорости вращения в результате трения между интерфейсами,

внешнее торможение - торможение, расположенное снаружи и уменьшающее скорость вращения,

прилегающая поверхность - поверхность одного компонента, которая должна соприкасаться с поверхностью другого компонента для образования соединения,

кузнечное усилие - усилие, приложенное по нормали к прилегающим поверхностям в момент, когда относительное движение между компонентами прекращается или прекратилось,

Длина выгорания кузнечного изделия - величина, на которую уменьшается общая длина деталей при приложении усилия ковки,

фаза ковки - интервал времени в цикле сварки трением между началом и окончанием приложения усилия ковки,

кузнечное давление - давление (сила на единицу площади) на прилегающие поверхности, возникающее в результате осевого кузнечного усилия,

время ковки - время, в течение которого к деталям прикладывается усилие ковки,

сила трения - сила, приложенная перпендикулярно к соприкасающимся поверхностям в течение времени, когда между компонентами происходит относительное движение,

фаза трения - интервал времени в цикле сварки трением, в течение которого тепло, необходимое для выполнения сварки, генерируется за счет относительного движения и сил трения между компонентами, т.е. от соприкосновения компонентов до начала замедления,

давление трения - давление (сила на единицу площади) на соприкасающиеся поверхности, возникающее в результате осевой силы трения,

время трения - время, в течение которого происходит относительное движение между компонентами с вращательной скоростью и под действием сил трения,

интерфейс - контактная зона, образовавшаяся между прилегающими поверхностями после завершения сварочной операции,

скорость вращения - число оборотов в минуту вращающегося компонента

вылет - расстояние, на которое компонент выступает из приспособления или патрона в направлении сопряженного компонента,

фаза замедления - интервал в цикле сварки трением, в котором относительное движение компонентов замедляется до нуля,

время замедления - время, необходимое движущемуся компоненту для замедления от скорости трения до нулевой скорости,

общая потеря длины (осадка) - потеря длины, возникающая в результате сварки трением, т.е. сумма длины оплавления и длины кузнечного оплавления,

общее время сварки - время, прошедшее между контактом компонентов и окончанием фазы ковки,

цикл сварки - последовательность операций, выполняемых машиной для изготовления сварного изделия и возврата его в исходное положение, за исключением операций по перемещению деталей,

Сварная деталь — два или более компонента, соединенных сваркой. ^[2]