Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Прихватка для сварки трением с перемешиванием крупным планом.
Переборка и носовая часть космического корабля Орион соединены сваркой трением с перемешиванием.
Совместные конструкции

Сварка трением с перемешиванием ( FSW ) - это процесс соединения в твердом состоянии, в котором используется неплавящийся инструмент для соединения двух торцевых деталей без плавления материала детали. [1] [2] Тепло генерируется трением между вращающимся инструментом и материалом заготовки, что приводит к размягчению области около инструмента FSW. Пока инструмент перемещается вдоль линии соединения, он механически перемешивает два куска металла и выковывает горячий и размягченный металл под действием механического давления, которое прикладывается инструментом, подобно соединению глины или теста. [2] Он в основном используется для обработки кованого или экструдированного алюминия.и особенно для конструкций, которым требуется очень высокая прочность сварного шва. FSW может соединять алюминиевые сплавы, медные сплавы, титановые сплавы, низкоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь и магниевые сплавы. Совсем недавно его успешно использовали при сварке полимеров. [3] Кроме того, соединение разнородных металлов, таких как алюминий, и магниевые сплавы, недавно было достигнуто с помощью FSW. [4] Применение FSW можно найти в современном судостроении, поездах и аэрокосмической отрасли. [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Он был изобретен и экспериментально подтвержден в Институте сварки (TWI) в Великобритании в декабре 1991 года. TWI владеет патентами на этот процесс, первый из которых является наиболее описательным. [11]

Принцип работы [ править ]

Две отдельные металлические детали стыкуются вместе с инструментом (с зондом)
Ход инструмента через соединение, также показывая зону сварного шва и область, затронутую буртиком инструмента.

Вращающийся цилиндрический инструмент с профилированным щупом вводится в стык между двумя зажатыми заготовками до тех пор, пока буртик, имеющий больший диаметр, чем штифт, не коснется поверхности заготовок. Зонд немного короче требуемой глубины сварного шва, при этом уступ инструмента находится на рабочей поверхности. [12] После короткого времени ожидания инструмент перемещается вперед по линии стыка с предварительно установленной скоростью сварки. [13]

Между износостойким инструментом и деталями возникает тепло от трения . Это тепло, наряду с теплом, генерируемым в процессе механического перемешивания, и адиабатическим теплом внутри материала, заставляет перемешиваемые материалы размягчаться без плавления . По мере того, как инструмент перемещается вперед, специальный профиль на зонде перемещает пластифицированный материал от передней поверхности к задней, где высокие силы способствуют кованому уплотнению сварного шва.

Этот процесс перемещения инструмента вдоль линии сварки в пластифицированном трубчатом стержне из металла приводит к серьезной твердотельной деформации, связанной с динамической рекристаллизацией основного материала. [14]

Микроструктурные особенности [ править ]

Твердотельный характер процесса FSW в сочетании с его необычной формой инструмента и асимметричным профилем скорости приводит к очень характерной микроструктуре . Микроструктуру можно разбить на следующие зоны:

  • Зона перемешивания (также известная как зона динамической рекристаллизации) представляет собой область сильно деформированного материала, которая примерно соответствует положению штифта во время сварки. В зернах в пределах зоны перемешивающей грубо равноосные и часто на порядок меньше , чем зерна в исходном материале. [15] Уникальной особенностью зоны перемешивания является частое наличие нескольких концентрических колец, которые получили название структуры «луковичное кольцо». [16] Точное происхождение этих колец точно не установлено, хотя предполагались вариации в числовой плотности частиц, размере зерен и текстуре.
  • Зона проточного рукава находится на верхней поверхности сварного шва и состоит из материала, который захватывается плечом с отходящей стороны сварного шва вокруг задней части инструмента и осаждается на продвигающейся стороне. [ необходима цитата ]
  • Зона термомеханического воздействия (TMAZ) находится по обе стороны от зоны перемешивания. В этой области деформация и температура ниже, и соответственно меньше влияние сварки на микроструктуру. В отличие от зоны перемешивания, микроструктура явно повторяет структуру исходного материала, хотя и значительно деформирована и повернута. Хотя термин TMAZ технически относится ко всей деформированной области, он часто используется для описания любой области, еще не охваченной терминами зона перемешивания и плечо потока. [ необходима цитата ]
  • Зона термического влияния (HAZ) является общей для всех сварочных процессов. Как видно из названия, эта область подвергается термическому циклу, но не деформируется во время сварки. Температуры ниже, чем в TMAZ, но все же могут иметь значительное влияние, если микроструктура термически нестабильна. Фактически, в алюминиевых сплавах, подвергнутых старению, эта область обычно демонстрирует самые плохие механические свойства. [17]

Преимущества и ограничения [ править ]

Твердотельный характер сварки плавлением дает ряд преимуществ по сравнению с методами сварки плавлением, поскольку устраняются проблемы, связанные с охлаждением из жидкой фазы. Во время FSW не возникают такие проблемы, как пористость , перераспределение растворенных веществ , растрескивание при затвердевании и ликвационное растрескивание . В целом, было обнаружено, что FSW создает низкую концентрацию дефектов и очень устойчив к изменениям параметров и материалов.

Тем не менее, при неправильном выполнении FSW ассоциируется с рядом уникальных дефектов. Недостаточная температура сварного шва, например, из-за низких скоростей вращения или высоких скоростей перемещения означает, что сварочный материал не может выдержать значительную деформацию во время сварки. Это может привести к длинным туннельным дефектам, идущим вдоль сварного шва, которые могут возникать на поверхности или под поверхностью. Низкие температуры также могут ограничивать ковочное действие инструмента и, таким образом, уменьшать непрерывность связи между материалом с каждой стороны сварного шва. Легкий контакт между материалами дал начало названию «целующаяся связь». Этот дефект вызывает особое беспокойство, так как его очень сложно обнаружить неразрушающими методами, такими как рентгеновский или ультразвуковой контроль.. Если штифт недостаточно длинный или инструмент поднимается из пластины, то поверхность раздела в нижней части сварного шва не может быть нарушена и подкована инструментом, что приведет к дефекту непровара. По сути, это выемка в материале, которая может быть потенциальным источником усталостных трещин .

Выявлен ряд потенциальных преимуществ FSW перед обычными процессами сварки плавлением: [18] [13]

  • Хорошие механические свойства в состоянии после сварки.
  • Повышенная безопасность благодаря отсутствию токсичных паров или брызг расплавленного материала.
  • Отсутствие расходных материалов - резьбовой штифт, изготовленный из обычной инструментальной стали , например, закаленной H13, может сваривать более 1 км (0,62 мили) алюминия, и для алюминия не требуется присадочный материал или газовая защита.
  • Легко автоматизируется на простых фрезерных станках - меньше затрат на настройку и меньше обучения.
  • Может работать во всех положениях (горизонтальном, вертикальном и т. Д.), Так как нет сварочной ванны.
  • В целом хороший внешний вид сварного шва и минимальная толщина недостаточного / избыточного соответствия, что снижает необходимость в дорогостоящей механической обработке после сварки.
  • Можно использовать более тонкие материалы с такой же прочностью соединения.
  • Низкое воздействие на окружающую среду.
  • Общие характеристики и экономическая выгода от перехода от плавления к трению.

Однако были выявлены некоторые недостатки процесса:

  • Выходное отверстие слева, когда инструмент извлечен.
  • При усиленном зажиме, необходимом для удержания пластин вместе, требуются большие прижимные усилия.
  • Менее гибкие, чем ручные и дуговые процессы (трудности с изменением толщины и нелинейными сварными швами).
  • Часто более низкая скорость перемещения, чем при некоторых методах сварки плавлением, хотя это можно компенсировать, если требуется меньше сварочных проходов.

Важные параметры сварки [ править ]

Дизайн инструмента [ править ]

Усовершенствованные инструменты для сварки трением и обработки с перемешиванием от MegaStir показаны в перевернутом виде

Конструкция инструмента [19] является решающим фактором, поскольку хороший инструмент может улучшить как качество сварного шва, так и максимально возможную скорость сварки.

Желательно, чтобы инструментальный материал был достаточно прочным, жестким и износостойким при температуре сварки. Кроме того, он должен иметь хорошую стойкость к окислению и низкую теплопроводность, чтобы свести к минимуму потери тепла и термическое повреждение оборудования, расположенного далее по трансмиссии. Горячеобработанная инструментальная сталь, такая как AISI H13, оказалась совершенно приемлемой для сварки алюминиевых сплавов в диапазоне толщин 0,5–50 мм [20], но для более сложных областей применения, таких как высокоабразивные композиты с металлической матрицей [21] или материалы с более высокой температурой плавления, такие как сталь или титан.

Было показано, что улучшения в конструкции инструмента приводят к значительному повышению производительности и качества. TWI разработала инструменты, специально предназначенные для увеличения глубины проплавления и, таким образом, увеличения толщины листа, который можно успешно сваривать. Примером может служить конструкция «завиток», в которой используется конический штифт с входящими элементами или резьба с переменным шагом для улучшения нисходящего потока материала. Дополнительные конструкции включают серии Triflute и Trivex. Конструкция Triflute имеет сложную систему из трех сужающихся резьбовых входных канавок, которые, кажется, увеличивают движение материала вокруг инструмента. В инструментах Trivex используется более простой нецилиндрический штифт, и было обнаружено, что они уменьшают силы, действующие на инструмент во время сварки.

Большинство инструментов имеют вогнутый профиль заплечика, который действует как выходное пространство для материала, вытесняемого штифтом, предотвращает выдавливание материала по сторонам заплечика и поддерживает давление вниз и, следовательно, хорошую ковку материала за инструментом. Инструмент Triflute использует альтернативную систему с серией концентрических канавок, вырезанных на поверхности, которые предназначены для дополнительного перемещения материала в верхних слоях сварного шва.

Широкое коммерческое использование процесса сварки трением с перемешиванием для сталей и других твердых сплавов, таких как титановые сплавы , потребует разработки экономичных и долговечных инструментов. [22] Выбор материала, конструкция и стоимость являются важными факторами при поиске коммерчески полезных инструментов для сварки твердых материалов. Работа продолжается, чтобы лучше понять влияние состава, структуры, свойств и геометрии материала инструмента на его производительность, долговечность и стоимость. [23]

Скорость вращения и перемещения инструмента [ править ]

При сварке трением с перемешиванием следует учитывать две скорости инструмента; [24]как быстро вращается инструмент и как быстро он перемещается по интерфейсу. Эти два параметра имеют большое значение и должны выбираться с осторожностью, чтобы обеспечить успешный и эффективный сварочный цикл. Взаимосвязь между скоростью вращения, скоростью сварки и тепловложением во время сварки является сложной, но в целом можно сказать, что увеличение скорости вращения или уменьшение скорости перемещения приведет к более горячему сварному шву. Чтобы произвести успешную сварку, необходимо, чтобы материал, окружающий инструмент, был достаточно горячим, чтобы обеспечить требуемый обширный пластический поток и минимизировать силы, действующие на инструмент. Если материал слишком холодный, в зоне перемешивания могут быть пустоты или другие дефекты, а в крайних случаях инструмент может сломаться.

С другой стороны, чрезмерно высокая погонная энергия может отрицательно сказаться на окончательных свойствах сварного шва. Теоретически это может даже привести к дефектам из-за ликвации низкоплавких фаз (аналогично ликвационному растрескиванию в сварных швах плавлением). Эти конкурирующие требования приводят к концепции «окна обработки»: диапазон параметров обработки, а именно. скорость вращения и перемещения инструмента, обеспечивающая получение сварного шва хорошего качества. [25] В пределах этого окна полученный сварной шов будет иметь достаточно высокий подвод тепла, чтобы обеспечить соответствующую пластичность материала, но не настолько высокий, чтобы свойства сварного шва чрезмерно ухудшились.

Наклон инструмента и глубина погружения [ править ]

Чертеж, показывающий глубину врезания и наклон инструмента. Инструмент перемещается влево.

Глубина врезания определяется как глубина самой нижней точки уступа ниже поверхности сварной пластины и считается критическим параметром для обеспечения качества сварки. [26]Погружение уступа ниже поверхности пластины увеличивает давление под инструментом и помогает обеспечить адекватную ковку материала в задней части инструмента. Было обнаружено, что наклон инструмента на 2–4 градуса таким образом, чтобы задняя часть инструмента была ниже передней, помогает процессу ковки. Глубина врезания должна быть правильно настроена как для обеспечения необходимого давления, направленного вниз, так и для обеспечения полного проникновения инструмента в сварной шов. Из-за требуемых высоких нагрузок сварочный аппарат может прогнуться и, таким образом, уменьшить глубину врезания по сравнению с номинальной настройкой, что может привести к дефектам сварного шва. С другой стороны, избыточная глубина погружения может привести к штифту растирания на поверхности опорной пластины или значительного undermatch толщины сварного шва по сравнению с материалом основы.Сварочные аппараты с переменной нагрузкой были разработаны для автоматической компенсации изменений смещения инструмента, в то время как TWI продемонстрировала роликовую систему, которая поддерживает положение инструмента над сварной пластиной.

Сварочные силы [ править ]

Во время сварки на инструмент будет действовать ряд сил: [27]

  • Сила, направленная вниз, необходима для сохранения положения инструмента на поверхности материала или под ней. Некоторые аппараты для сварки трением с перемешиванием работают под контролем нагрузки, но во многих случаях вертикальное положение инструмента задается заранее, поэтому нагрузка во время сварки будет изменяться.
  • Поперечная сила действует параллельно движению инструмента и положительна в поперечном направлении. Поскольку эта сила возникает в результате сопротивления материала движению инструмента, можно ожидать, что эта сила будет уменьшаться по мере увеличения температуры материала вокруг инструмента.
  • Боковое усилие может действовать перпендикулярно направлению перемещения инструмента и определяется здесь как положительное по отношению к продвигающейся стороне сварного шва.
  • Для вращения инструмента требуется крутящий момент, величина которого будет зависеть от прижимной силы и коэффициента трения (трение скольжения) и / или силы потока материала в окружающей области ( трения ).

Чтобы предотвратить поломку инструмента и свести к минимуму чрезмерный износ инструмента и связанного с ним оборудования, цикл сварки модифицируется так, чтобы силы, действующие на инструмент, были как можно более низкими и избегались резкие изменения. Чтобы найти наилучшее сочетание параметров сварки, вероятно, необходимо достичь компромисса, поскольку условия, благоприятствующие низким усилиям (например, высокая погонная энергия, низкая скорость перемещения), могут быть нежелательными с точки зрения производительности и сварочного шва. характеристики.

Поток материала [ править ]

В ранних работах по режиму обтекания инструмента использовались вставки из другого сплава, который отличался от обычного материала при просмотре под микроскопом, чтобы определить, куда перемещался материал при прохождении инструмента. [28] [29] Данные были интерпретированы как представляющие форму экструзии на месте, где инструмент, опорная пластина и холодный основной материал образуют «экструзионную камеру», через которую проталкивается горячий пластифицированный материал. В этой модели вращение инструмента приводит к небольшому или отсутствию материала вокруг передней части зонда; вместо этого материал проходит перед штифтом и проходит вниз с обеих сторон. После того, как материал прошел через зонд, боковое давление, оказываемое «фильерой», заставляет материал снова соединиться, и происходит уплотнение соединения, поскольку задняя часть уступа инструмента проходит над головой, и большая прижимная сила выковывает материал.

Совсем недавно была выдвинута альтернативная теория, которая поддерживает значительное перемещение материалов в определенных местах. [30] Эта теория утверждает, что некоторый материал действительно вращается вокруг зонда, по крайней мере, на один оборот, и именно это движение материала создает структуру «луковичное кольцо» в зоне перемешивания. Исследователи использовали комбинацию тонких вставок из медных полос и технику «замороженного штифта», при которой инструмент быстро останавливается на месте. Они предположили, что движение материала происходит за счет двух процессов:

  1. Материал на продвигающейся стороне сварного шва попадает в зону, которая вращается и продвигается вместе с профилированным датчиком. Этот материал был очень сильно деформирован и отслаивался за штифтом, образуя дугообразные детали, если смотреть сверху (то есть вниз по оси инструмента). Было отмечено, что медь попала в зону вращения вокруг штифта, где распалась на осколки. Эти фрагменты были обнаружены только в дугообразных элементах материала за инструментом.
  2. Более легкий материал поступал с отступающей стороны перед штифтом, тянулся к задней части инструмента и заполнял промежутки между дугами продвигающегося бокового материала. Этот материал не вращался вокруг штифта, и более низкий уровень деформации приводил к большему размеру зерна.

Основное преимущество этого объяснения состоит в том, что оно дает правдоподобное объяснение образования структуры луковичного кольца.

Маркерная техника для сварки трением с перемешиванием позволяет получить данные о начальном и конечном положении маркера в свариваемом материале. Затем с этих позиций реконструируется поток материала. Подробное поле течения материала при сварке трением с перемешиванием также можно рассчитать из теоретических соображений, основанных на фундаментальных научных принципах. Расчеты материальных потоков обычно используются во многих инженерных приложениях. Расчет полей течения материала при сварке трением с перемешиванием может быть выполнен как с использованием комплексного численного моделирования [31], [32] [33], так и простых, но содержательных аналитических уравнений. [34]Комплексные модели для расчета полей потока материала также предоставляют важную информацию, такую ​​как геометрия зоны перемешивания и крутящий момент на инструменте. [35] [36] Численное моделирование показало способность правильно предсказать результаты маркерных экспериментов [33] и геометрию зоны перемешивания, наблюдаемую в экспериментах по сварке трением с перемешиванием. [35] [37]

Генерация и поток тепла [ править ]

Для любого процесса сварки, как правило, желательно увеличить скорость перемещения и свести к минимуму подвод тепла, поскольку это повысит производительность и, возможно, снизит влияние сварки на механические свойства сварного шва. В то же время необходимо убедиться, что температура вокруг инструмента достаточно высока, чтобы обеспечить адекватный поток материала и предотвратить дефекты или повреждение инструмента.

Когда скорость перемещения увеличивается, для заданного подводимого тепла остается меньше времени для теплопередачи перед инструментом, и температурные градиенты больше. В какой-то момент скорость будет настолько высокой, что материал перед инструментом будет слишком холодным, а напряжение течения будет слишком высоким, чтобы обеспечить адекватное движение материала, что приведет к появлению трещин или поломке инструмента. Если «горячая зона» слишком велика, можно увеличить скорость перемещения и, следовательно, производительность.

Цикл сварки можно разделить на несколько этапов, во время которых тепловой поток и тепловой профиль будут разными: [38]

  • Останься . Материал предварительно нагревается неподвижным вращающимся инструментом для достижения достаточной температуры перед инструментом, чтобы обеспечить возможность перемещения. В этот период также может входить врезание инструмента в заготовку.
  • Переходный нагрев . Когда инструмент начинает двигаться, наступает переходный период, когда тепловыделение и температура вокруг инструмента будут изменяться сложным образом, пока не будет достигнуто практически устойчивое состояние.
  • Псевдоустойчивое состояние . Хотя будут происходить колебания тепловыделения, тепловое поле вокруг инструмента остается практически постоянным, по крайней мере, в макроскопическом масштабе.
  • Пост стабильное состояние . Ближе к концу сварного шва тепло может «отражаться» от конца пластины, что приводит к дополнительному нагреву вокруг инструмента.

Выделение тепла при сварке трением с перемешиванием возникает из двух основных источников: трения о поверхность инструмента и деформации материала вокруг инструмента. [39] Часто предполагается, что тепловыделение происходит преимущественно под заплечиком из-за его большей площади поверхности и равно мощности, необходимой для преодоления контактных сил между инструментом и заготовкой. Состояние контакта под заплечиком можно описать трением скольжения с использованием коэффициента трения μ и межфазного давления P или трением прилипания на основе прочности на межфазный сдвиг при соответствующей температуре и скорости деформации. Математические приближения для общего тепла, выделяемого уступом инструмента Q totalбыли разработаны с использованием моделей трения скольжения и прилипания: [38]

  (скольжение)
  (прилипание)

где ω угловая скорость инструмента, R плечо радиуса плеча инструмента, а R контактный является то , что штифт. Было предложено несколько других уравнений для учета таких факторов, как штифт, но общий подход остается тем же.

Основная трудность при применении этих уравнений заключается в определении подходящих значений коэффициента трения или межфазного напряжения сдвига. Условия под инструментом экстремальные, и их очень трудно измерить. На сегодняшний день эти параметры используются в качестве «подгоночных параметров», когда модель опирается на измеренные тепловые данные для получения разумного смоделированного теплового поля. Хотя этот подход полезен для создания моделей процесса для прогнозирования, например, остаточных напряжений, он менее полезен для понимания самого процесса.

Приложения [ править ]

Процесс FSW изначально был запатентован TWI в большинстве промышленно развитых стран и лицензирован для более чем 183 пользователей. Сварка трением с перемешиванием и ее варианты - точечная сварка трением и обработка трением с перемешиванием  - используются для следующих промышленных применений: [40] судостроение и шельф, [41] авиакосмическая промышленность, [42] [43] автомобилестроение, [44] подвижной состав для железные дороги, [45] [46] общее производство, [47] робототехника и компьютеры.

Судостроение и шельф [ править ]

Сварка трением с перемешиванием использовалась для изготовления алюминиевых панелей Super Liner Ogasawara на заводе Mitsui Engineering and Shipbuilding.

Две скандинавские компании, занимающиеся экструзией алюминия, были первыми, кто в 1996 году применил FSW в коммерческих целях для производства панелей для замораживания рыбы в Сапе , а также для палубных панелей и посадочных площадок для вертолетов в Marine Aluminium Aanensen. Компания Marine Aluminium Aanensen впоследствии объединилась с Hydro Aluminium Maritime и стала Hydro Marine Aluminium . Некоторые из этих морозильных панелей сейчас производятся компаниями Riftec и Bayards. В 1997 году в Научно-исследовательском институте были изготовлены двумерные сварные швы трением с перемешиванием в гидродинамически развальцованной носовой части корпуса океанского наблюдательного судна The Boss с помощью первой переносной машины FSW. Супер лайнер Огасавара в Mitsui Engineering и кораблестроенияна сегодняшний день является крупнейшим судном, сваренным трением с перемешиванием. [ Править ] Sea Fighter из Nichols Bros и в СВОБОДЫ -класса Прибрежные Боевые корабли содержат сборные панели со стороны ЖСБ переработчиков Advanced Technology и Friction Stir Link, Inc. соответственно. [6] В Houbei -класса ракетный катер имеет трением с перемешиванием сварная запуск ракеты контейнеров Китай Friction Stir центра. HMNZS Rotoiti в Новой Зеландии имеет панели FSW, изготовленные Donovans на переделанном фрезерном станке. [48] [49] Различные компании применяют FSW для брони длядесантно-штурмовые корабли [50] [51]

Аэрокосмическая промышленность [ править ]

Продольные и кольцевые сварные швы трением с перемешиванием используются для бака ускорителя ракеты Falcon 9 на заводе SpaceX.

United Launch Alliance применяет FSW к одноразовым ракетам-носителям Delta II , Delta IV и Atlas V , и первая из них с межкаскадным модулем, сваренным трением с перемешиванием, была запущена в 1999 году. Этот процесс также использовался для внешнего бака Space Shuttle , для Ареса I и статьи об испытании Orion Crew Vehicle в НАСА [ требуется обновление ] , а также о ракетах Falcon 1 и Falcon 9 в SpaceX . Гвозди для трапа грузового самолета Boeing C-17 Globemaster III от Advanced Joining Technologies [7]и грузовые барьерные балки для большого грузового корабля Boeing 747 [7] были первыми серийно производимыми частями самолета. Утвержденные Федеральным управлением гражданской авиации крылья и панели фюзеляжа самолетов Eclipse 500 были изготовлены на предприятии Eclipse Aviation , и эта компания поставила 259 самолетов бизнес-класса, сваренных трением с перемешиванием, прежде чем они были вынуждены ликвидироваться в соответствии с Главой 7. Панели пола для военных самолетов Airbus A400M теперь производятся Pfalz Flugzeugwerke, а Embraer использовала FSW для самолетов Legacy 450 и 500 [8] Сварка трением с перемешиванием также применяется для панелей фюзеляжа на Airbus A380 . [52]BRÖTJE-Automation использует сварку трением с перемешиванием для портальных производственных машин, разработанных для аэрокосмического сектора, а также для других промышленных применений. [53]

Автомобильная промышленность [ править ]

Центральный туннель Ford GT изготовлен из двух алюминиевых профилей, сваренных трением с перемешиванием, с изогнутым алюминиевым листом, и в нем находится топливный бак.

Алюминиевые опоры двигателя и стойки подвески для растянутых автомобилей Lincoln Town Cars были первыми автомобильными деталями, сваренными трением с перемешиванием в Tower Automotive , которые используют этот процесс также для туннеля двигателя Ford GT . Отделение этой компании, получившее название Friction Stir Link, Inc., успешно использует процесс FSW, например, для бортового трейлера "Revolution" компании Fontaine Trailers. [54] В Японии FSW применяется для стоек подвески на Showa Denko и для соединения алюминиевых листов с оцинкованными стальными кронштейнами для крышки багажника (багажника) Mazda MX-5 . Точечная сварка трением успешно применяется для капота и задних дверей Mazda RX-8.и крышка багажника Toyota Prius . Колеса свариваются трением с перемешиванием на предприятиях Simmons Wheels, UT Alloy Works и Fundo. [55] Задние сиденья Volvo V70 сварены трением с перемешиванием в Sapa, поршни HVAC в Halla Climate Control и охладители рециркуляции выхлопных газов в Pierburg. Заготовки, сваренные на заказ [56] , для Audi R8 свариваются трением с перемешиванием на заводе Riftec. [57] Стойка B Audi R8 Spider сварена трением с перемешиванием из двух профилей на Hammerer Aluminium Industries в Австрии.

Железные дороги [ править ]

Высокопрочный кузов Hitachi A-train British Rail Class 395 с низким уровнем деформации сварен трением с перемешиванием из продольных алюминиевых профилей.

С 1997 года панели крыши производятся из алюминиевых профилей на Hydro Marine Aluminium с помощью специальной машины FSW длиной 25 м, например, для поездов класса DSB SA-SD компании Alstom LHB . [9] Изогнутые боковые панели и панели крыши для поездов линии Victoria в лондонском метро , боковые панели для поездов Bombardier Electrostar [10] в Sapa Group и боковые панели для поездов Alstom British Rail Class 390 Pendolino производятся в Sapa Group. [ неудавшаяся проверка ] [58] Японские пригородные и экспресс -поезда A , [59] иBritish Rail Класс 395 поезда трением с перемешиванием сваривается Hitachi , [60] в то время как Кавасаки применяется трением с перемешиванием точечной сваркой к панели крыши и Sumitomo Light Metal производит Синкансэн панелей пола. Инновационные напольные панели FSW производятся Hammerer Aluminium Industries в Австрии для двухэтажных железнодорожных вагонов Stadler Kiss с внутренней высотой 2 м на обоих этажах и для новых кузовов вагонов Вуппертальской подвесной железной дороги . [61]

Радиаторы для охлаждения мощной электроники локомотивов производятся в Sykatek, EBG, Austerlitz Electronics, EuroComposite, Sapa [62] и Rapid Technic и являются наиболее распространенным применением FSW из-за отличной теплопередачи.

Изготовление [ править ]

Крышки медных контейнеров для ядерных отходов толщиной 50 мм прикреплены к баллону сваркой трением с перемешиванием на СКБ.
Обработанные трением ножи MegaStir

Фасадные панели и катодные листы свариваются трением с перемешиванием на предприятиях AMAG и Hammerer Aluminium Industries, в том числе свариваются трением с перемешиванием меди с алюминием. Мясорезки Bizerba , аппараты Ökolüfter HVAC и рентгеновские вакуумные камеры Siemens сварены трением с перемешиванием на заводе Riftec. Вакуумные клапаны и сосуды производятся FSW на японских и швейцарских предприятиях. ЖСБ также используется для герметизации ядерных отходов на СКБ в медных контейнерах толщиной 50 мм. [63] [64] Сосуды под давлением из полусферических поковок диаметром 1 м из алюминиевого сплава 2219 толщиной 38,1 мм в Advanced Joining Technologies и Lawrence Livermore Nat Lab. [65] Обработка трением с перемешиваниемприменяется для гребных винтов на Friction Stir Link, Inc. и для охотничьих ножей DiamondBlade. Bosch использует его в Вустере для производства теплообменников. [66]

Робототехника [ править ]

KUKA Robot Group адаптировала своего сверхмощного робота KR500-3MT для сварки трением с перемешиванием с помощью инструмента DeltaN FS. Система впервые появилась на публике на выставке EuroBLECH в ноябре 2012 года. [67]

Персональные компьютеры [ править ]

Apple применила сварку трением с перемешиванием на iMac 2012 года, чтобы эффективно соединить нижнюю часть устройства с задней частью. [68]

Соединение алюминиевого материала для 3D-печати [ править ]

Доказано, что FSW можно использовать в качестве одного из методов соединения металлических материалов для 3D-печати. Используя соответствующие инструменты FSW и правильную настройку параметров, можно получить прочный и бездефектный сварной шов для соединения металлических материалов для 3D-печати. Кроме того, инструменты FSW должны быть тверже материалов, которые необходимо сваривать. Наиболее важными параметрами в FSW являются вращение датчика, скорость перемещения, угол наклона шпинделя и заданная глубина. Эффективность сварного соединения FSW на металле для 3D-печати может достигать 83,3% по сравнению с прочностью основных материалов. [69]

См. Также [ править ]

  • Сварка трением
  • Сварка разнородным трением с перемешиванием
  • Обработка трением с перемешиванием
  • Категория: Специалисты по сварке трением с перемешиванием
  • Обработка фрикционных гидростанций [70] [71]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ли, Кун; Джаррар, Фирас; Шейх-Ахмад, Джамал; Озтюрк, Фахреттин (2017). «Использование связанных формулировок Эйлера с лагранжианом для точного моделирования процесса сварки трением с перемешиванием» . Разработка процедур . 207 : 574–579. DOI : 10.1016 / j.proeng.2017.10.1023 .
  2. ^ a b «Процесс сварки и его параметры - Сварка трением с перемешиванием» . www.fswelding.com . Проверено 22 апреля 2017 .
  3. ^ Шейх-Ахмад, JY; Али, Дима С .; Девечи, Сулейман; Альмаскари, Фахад; Джаррар, Фирас (февраль 2019 г.). «Сварка трением с перемешиванием полиэтилена высокой плотности - композит технического углерода». Журнал технологий обработки материалов . 264 : 402–413. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2018.09.033 .
  4. ^ Hou, Z .; Шейх-Ахмад, Дж .; Jarrar, F .; Озтюрк, Ф. (2018-05-01). «Остаточные напряжения при сварке разнородным трением с перемешиванием AA2024 и AZ31: экспериментальное и численное исследование». Журнал производственной науки и техники . 140 (5). DOI : 10.1115 / 1.4039074 . ISSN 1087-1357 . 
  5. ^ «Практическое использование FSW - Сварка трением с перемешиванием» . www.fswelding.com . Проверено 22 апреля 2017 .
  6. ^ a b Билл Арбегаст , Тони Рейнольдс, Раджив С. Мишра, Трейси Нельсон, Дуайт Берфорд: Прибрежная боевая система с улучшенными сварочными технологиями. Архивировано 2012-10-08 в Wayback Machine , Центр обработки трением STIR (CFSP).
  7. ^ a b c Вальтер Полт "Небольшое трение в Боинге" , Boeing Frontiers Online, сентябрь 2004 г., Vol. 3, Выпуск 5.
  8. ^ a b Embraer выполняет первую резку металла для Legacy 500 Jet. Архивировано 7 июля 2011 г. в Wayback Machine , BART International.
  9. ^ а б С. Калли, Дж. Давенпорт и Э. Д. Николас: «Производители железных дорог внедряют сварку трением с перемешиванием». Архивировано 18 октября 2009 г. в Wayback Machine , Welding Journal, октябрь 2002 г.
  10. ^ a b Видео: «Сварка трением с перемешиванием поездов Bombardier» , архивировано с оригинала 27 сентября 2011 г. Twi.co.uk.
  11. ^ Томас, WM; Николай, ED; Needham, JC; Марч, М.Г.; Темпл-Смит, П.; Дауэс, С.Дж. Стыковая сварка трением с перемешиванием , патент Великобритании № 9125978.8, международная заявка на патент № PCT / GB92 / 02203, (1991).
  12. ^ Kallee, SW (2006-09-06). «Сварка трением с перемешиванием в TWI» . Институт сварки (TWI) . Проверено 14 апреля 2009 .
  13. ^ a b "Технология - StirWeld" . StirWeld (на французском языке) . Проверено 22 января 2018 .
  14. ^ Динг, Джефф; Боб Картер; Кирби Лоулесс; Доктор Артур Нуньес; Кэролайн Рассел; Майкл Сьютс; Доктор Джуди Шнайдер (14 февраля 2008 г.). «Десятилетие исследований и разработок в области сварки трением с перемешиванием в Центре космических полетов им. Маршалла НАСА и взгляд в будущее» (PDF) . НАСА . Проверено 14 апреля 2009 .
  15. ^ Мурр, LE; Лю, G .; МакКлюр, Дж. К. (1997). «Динамическая перекристаллизация при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 1100». Журнал материаловедения писем . 16 (22): 1801–1803. DOI : 10,1023 / A: 1018556332357 .
  16. ^ Кришнан, KN (2002). «Об образовании луковых колец при сварке трением с перемешиванием». Материаловедение и инжиниринг . 327 (2): 246–251. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (01) 01474-5 .
  17. ^ Махони, штат Массачусетс; Родос, CG; Флинтофф, JG; Бингель, WH; Сперлинг, РА (1998). «Свойства алюминия 7075 T651, полученного сваркой трением с перемешиванием». Металлургическая и Транзакции материалов A . 29 (7): 1955–1964. DOI : 10.1007 / s11661-998-0021-5 .
  18. ^ Николас, ED (1998). «Разработки в области сварки металлов трением с перемешиванием». ICAA-6: 6-я Международная конференция по алюминиевым сплавам . Тоёхаси, Япония.
  19. ^ Раджив С. Мишра, Мюррей В. Махони: сварка трением с перемешиванием и обработка , ASM International ISBN 978-0-87170-848-9 . 
  20. ^ Прадо, РА; Murr, LE; Шиндо, диджей; Сото, HF (2001). «Износ инструмента при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 6061 + 20% Al2O3: предварительное исследование». Scripta Materialia . 45 : 75–80. DOI : 10.1016 / S1359-6462 (01) 00994-0 .
  21. ^ Нельсон, Т .; Zhang, H .; Хейнс, Т. (2000). «Сварка трением с перемешиванием Al MMC 6061-B4C». 2-й Международный симпозиум по ЖКС (CD-ROM) . Гётеборг, Швеция.
  22. ^ Bhadeshia HKDH; Деброй Т. (2009). «Критическая оценка: сварка сталей трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения . 14 (3): 193–196. DOI : 10.1179 / 136217109X421300 .
  23. ^ Rai R .; ДЭА.; Bhadeshia HKDH; Деброй Т. (2011). «Обзор: инструменты для сварки трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения . 16 (4): 325–342. DOI : 10.1179 / 1362171811Y.0000000023 .
  24. ^ V Buchibabu .; GM Reddy .; Д. В. Кулькарни .; A De. (2016). «Сварка трением с перемешиванием толстой пластины из сплава Al-Zn-Mg». Журнал материаловедения и производительности . 25 (3): 1163–1171. DOI : 10.1007 / s11665-016-1924-8 .
  25. ^ Arbegast, William J. (март 2008). «Модель зоны деформации с разделением по потоку для образования дефектов при сварке трением с перемешиванием» . Scripta Materialia . 58 (5): 372–376. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2007.10.031 .
  26. ^ Леонард, AJ (2000). «Микроструктура и поведение при старении СТП в сплавах Al 2014A-T651 и 7075-T651». 2-й Международный симпозиум по ЖКС (CD-ROM) . Гётеборг, Швеция.
  27. ^ V Buchibabu .; GM Reddy .; A De. (Март 2017 г.). «Крутящий момент, поперечное усилие и долговечность инструмента при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов». Журнал технологий обработки материалов . 241 (1): 86–92. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2016.11.008 .
  28. Перейти ↑ Reynolds, AP (2000). «Визуализация течения материала в автогенных швах трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения . 5 (2): 120–124. DOI : 10.1179 / 136217100101538119 . S2CID 137563036 . 
  29. ^ Seidel, TU; Рейнольдс, AP (2001). «Визуализация потока материала в сварных швах трением AA2195 с перемешиванием с использованием техники маркерных вставок». Металлургическая и Транзакции материалов A . 32 (11): 2879–2884. DOI : 10.1007 / s11661-001-1038-1 . S2CID 135836036 . 
  30. ^ Guerra, M .; Schmidt, C .; McClure, JC; Murr, LE; Нуньес, AC (2003). «Структуры течения при сварке трением с перемешиванием». Характеристика материалов . 49 (2): 95–101. DOI : 10.1016 / S1044-5803 (02) 00362-5 . hdl : 2060/20020092188 .
  31. ^ Nandan R .; Деброй Т .; Bhadeshia HKDH (2008). «Последние достижения в сварке трением с перемешиванием - процесс, структура и свойства сварных деталей». Прогресс в материаловедении . 53 (6): 980–1023. CiteSeerX 10.1.1.160.7596 . DOI : 10.1016 / j.pmatsci.2008.05.001 . 
  32. ^ Nandan Р., Рой Г., Lienert TJ, Дебра Т. (2007). «Трехмерный поток тепла и материала при сварке трением с перемешиванием мягкой стали». Acta Materialia . 55 (3): 883–895. DOI : 10.1016 / j.actamat.2006.09.009 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  33. ^ a b Зайдель Т.У., Рейнольдс А.П. (2003). «Двумерная модель процесса сварки трением с перемешиванием на основе гидромеханики». Наука и технология сварки и соединения . 8 (3): 175–183. DOI : 10.1179 / 136217103225010952 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  34. ^ Arora A .; Деброй Т .; Bhadeshia HKDH (2011). «Скрытые расчеты при сварке трением с перемешиванием - Скорости, пиковая температура, крутящий момент и твердость». Acta Materialia . 59 (5): 2020–2028. DOI : 10.1016 / j.actamat.2010.12.001 .
  35. ^ а б Арора А., Нандан Р., Рейнольдс А.П., Деброй Т. (2009). «Крутящий момент, требуемая мощность и геометрия зоны перемешивания при сварке трением с перемешиванием посредством моделирования и экспериментов». Scripta Materialia . 60 (1): 13–16. DOI : 10.1016 / j.scriptamat.2008.08.015 .CS1 maint: uses authors parameter (link)
  36. ^ Мехт М., Арора А., De А., Дебра Т. (2011). «Геометрия инструмента для сварки трением с перемешиванием - оптимальный диаметр плеча». Металлургическая и Транзакции материалов A . 42 (9): 2716–2722. Bibcode : 2011MMTA ... 42.2716M . DOI : 10.1007 / s11661-011-0672-5 . S2CID 39468694 . CS1 maint: uses authors parameter (link)
  37. ^ Nandan Р., Рой Г., Дебра Т. (2011). «Численное моделирование трехмерной теплопередачи и пластического течения при сварке трением с перемешиванием». Металлургическая и Транзакции материалов A . 37 (4): 1247–1259. DOI : 10.1007 / s11661-006-1076-9 . S2CID 85507345 . CS1 maint: uses authors parameter (link)
  38. ^ a b Frigaard, O .; Grong, O .; Мидлинг, ОТ (2001). «Модель процесса сварки трением с перемешиванием твердеющих алюминиевых сплавов». Металлургическая и Транзакции материалов A . 32 (5): 1189–1200. DOI : 10.1007 / s11661-001-0128-4 .
  39. Перейти ↑ Qi, X., Chao, YJ (1999). «Теплообмен и термомеханический анализ стыковки СТС плит 6061-Т6». 1-й Международный симпозиум по ЖКС (CD-ROM) . Таузенд-Оукс, США: TWI.
  40. ^ Д. Лохвассер и З. Чен: «Сварка трением с перемешиванием - от основ до приложений» Woodhead Publishing 2010 г. Архивировано 18 июля 2011 г.в Wayback Machine , глава 5, страницы 118–163, ISBN 978-1-84569-450- 0 . 
  41. ^ Фред Делани, Стефан В. Калли, Майк Дж. Рассел: «Сварка трением с перемешиванием алюминиевых судов» Архивировано 11 ноября 2010 г. в Wayback Machine , доклад, представленный на Международном форуме 2007 г. по сварочным технологиям в судоходной отрасли (IFWT). Проводится совместно с Пекинской выставкой сварки и резки в Эссене в Шанхае 16–19 июня 2007 г.
  42. ↑ Видео: «FSW в British Aerospace» . Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  43. ^ Видео: СТП аэрокосмических фюзеляжей . Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  44. ^ SW Kallee, JM Kell, WM Thomas und CS Wiesner: «Разработка и внедрение инновационных процессов соединения в автомобильной промышленности» , доклад, представленный на Ежегодной конференции DVS по сварке «Große Schweißtechnische Tagung», Эссен, Германия, 12–14 сентября 2005 г.
  45. ^ SW Kallee и J. Davenport: «Тенденции в проектировании и производстве подвижного состава» , документ, опубликованный в European Railway Review, том 13, выпуск 1, 2007.
  46. ^ "Приложения - StirWeld" . StirWeld (на французском языке) . Проверено 22 января 2018 .
  47. ↑ Майк Пейдж: «Сварка трением с перемешиванием расширяет область применения». Архивировано 22 ноября 2008 г.на Wayback Machine , Отчет о встрече EuroStir, 3 сентября 2003 г.
  48. ^ Ричард Уорролл: "Welded Bliss" Архивировано 2 июня 2010 г.в Wayback Machine , журнал e.nz, март / апрель 2008 г.
  49. ^ Стефан Калли: «Производители из Новой Зеландии начинают использовать сварку трением с перемешиванием для производства алюминиевых компонентов и панелей». Архивировано 16 марта 2010 г.в Wayback Machine , New Zealand Engineering News, август 2006 г.
  50. ^ Сварка трением с перемешиванием, продемонстрированная для конструкции боевой машины ... для алюминиевой брони 2519 для усовершенствованной ударной амфибии корпуса морской пехоты США , Welding Journal 03 2003.
  51. ^ Г. Кэмпбелл, Т. Стотлер: Сварка трением с перемешиванием алюминиевых пластин бронированного класса Архивировано 16 июля 2011 г.в Wayback Machine , Welding Journal, декабрь 1999 г.
  52. ^ «Как Airbus использует сварку трением с перемешиванием» . Надежный завод . Проверено 7 августа 2013 года .
  53. ^ "Выставка композитов JEC - День 3: EADS лицензирует BRÖTJE-Automation свою запатентованную технологию сварки трением с перемешиванием DeltaN" . EADS . Проверено 30 июля 2013 года .
  54. ^ Революция имеет большое значение . fontainetrailer.com.
  55. ^ Колеса FSW от Fundo обеспечивают улучшенную производительность и снижение эксплуатационных расходов . twi.co.uk.
  56. ^ FSW используется в автомобильных сварных заготовках . Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  57. ^ Приложения FSW в Riftec Архивировано 19 июля 2011 г.в Wayback Machine , riftec.de.
  58. ^ Возможности Сапы , длинная длина FSW - макс. длина 26 м - Макс. ширина 3,5 м - Двусторонняя сварка, брошюра компании Sapa.
  59. ^ История, принципы и преимущество FSW на Hitachi Transportation Systems Сайт Архивированных 2011-07-19 на Wayback Machine . Hitachi-rail.com. Проверено 3 января 2012.
  60. ^ Hitachi Class 395 Railway Strategies Live 2010 Архивировано 28 марта 2012 г. в Wayback Machine . 23 июня 2010 г., стр. 12–13. (PDF). Проверено 3 января 2012.
  61. ^ Ф. Эллерманн, С. Поммер, Г. Барт: Einsatz des Rührreibschweißens bei der Fertigung der Wagenkästen für die Schwebebahn Wuppertal. Конгресс DVS: Große Schweißtechnische Tagung , 15./16. Сентябрь, отель Pullman Berlin Schweizerhof, Берлин.
  62. ^ FSW: повышенная прочность, улучшенная герметичность, улучшенная повторяемость. Снижение тепловых искажений , брошюра компании Sapa.
  63. ^ Видео: «Электронно-лучевая сварка и сварка трением медных контейнеров» . Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  64. Перейти ↑ Nielsen, Isak (2012). Моделирование и контроль сварки трением с перемешиванием в медных канистрах толщиной 5 см (2 дюйма) (докторская диссертация). Линчёпингский университет.
  65. ^ Е. Dalder, JW Пастернак, Дж Engel, Р. Форрест, Е. Кокко, К. McTernan, D Вальдрон. Сварка трением с перемешиванием толстостенных алюминиевых сосудов под давлением , Welding Journal, апрель 2008 г., стр. 40–44.
  66. ^ CDi инновационная сварка трением с перемешиванием на YouTube .
  67. ^ «Успешное партнерство с технологией сварки трением DeltaN FS® с перемешиванием трением для промышленных роботов компании EADS» . EADS . Проверено 30 июля 2013 года .
  68. ^ «Apple представляет полностью переработанный IMAC 27 и 21,5» . TechCrunch.
  69. ^ «Оценка сварки трением с перемешиванием на алюминиевых материалах для 3D-печати» (PDF) . IJRTE . Дата обращения 18 декабря 2019 .
  70. ^ B Vicharapu .; LF Kanan .; Т. Кларк .; A De. (2017). «Исследование по обработке гидростолбиков трением». Наука и технология сварки и соединения . 22 (7): 555–561. DOI : 10.1080 / 13621718.2016.1274849 .
  71. ^ LF Kanan .; B Vicharapu .; AFB Bueno .; Т. Кларк .; A De. (2018). «Обработка фрикционных гидроустройств высокоуглеродистой стали: структура и свойства соединений». Металлургические и Транзакция материалов B . 49 (2): 699–708. DOI : 10.1007 / s11663-018-1171-5 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Сварка трением с перемешиванием в TWI
  • Исследования сварки трением с перемешиванием в Кембриджском университете
  • Сварка трением алюминиевого сплава со сталью; научная статья из журнала Welding Journal 2004 г.
  • Исследования сварки трением с перемешиванием в лаборатории автоматизации сварки Университета Вандербильта
  • Обратные расчеты при сварке трением с перемешиванием
  • Исследовательская группа по теории обработки материалов / сварке в Пенсильванском государственном университете
  • Сварочные аппараты трением с перемешиванием: области применения и основные характеристики
  • Исследования сварки трением с перемешиванием в IIT Gandhinagar, Индия