Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор)
Рассмотрены современное состояние сварки трением с перемешиванием, конструкции рабочего инструмента, типы соединений при использовании данного способа сварки, особенности формирования соединений различных алюминиевых сплавов и их свойства. Описаны основные области применения сварки трением с перемеш...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102073 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) / А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников, А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 32-38. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102073 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1020732016-06-11T03:01:37Z Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. Покляцкий, А.Г. Научно-технический раздел Рассмотрены современное состояние сварки трением с перемешиванием, конструкции рабочего инструмента, типы соединений при использовании данного способа сварки, особенности формирования соединений различных алюминиевых сплавов и их свойства. Описаны основные области применения сварки трением с перемешиванием. The main directions of investigations conducted at the E.O.Paton Electric Welding Institute over half a century in the field of arc welding of aluminium alloys are outlined. Examples of an effective application of technologies of arc welding of aluminium alloys in fabrication of various structures are given. 2007 Article Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) / А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников, А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 32-38. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102073 621.791.14 ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел |
| spellingShingle |
Научно-технический раздел Научно-технический раздел Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. Покляцкий, А.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены современное состояние сварки трением с перемешиванием, конструкции рабочего инструмента, типы соединений при использовании данного способа сварки, особенности формирования соединений различных алюминиевых сплавов и их свойства. Описаны основные области применения сварки трением с перемешиванием. |
| format |
Article |
| author |
Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. Покляцкий, А.Г. |
| author_facet |
Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. Покляцкий, А.Г. |
| author_sort |
Ищенко, А.Я. |
| title |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) |
| title_short |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) |
| title_full |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) |
| title_fullStr |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) |
| title_sort |
сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102073 |
| citation_txt |
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (Обзор) / А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников, А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2007. — № 11 (655). — С. 32-38. — Бібліогр.: 32 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT iŝenkoaâ svarkatreniemsperemešivaniemalûminievyhsplavovobzor AT podʺelʹnikovsv svarkatreniemsperemešivaniemalûminievyhsplavovobzor AT poklâckijag svarkatreniemsperemešivaniemalûminievyhsplavovobzor |
| first_indexed |
2025-07-07T11:47:25Z |
| last_indexed |
2025-07-07T11:47:25Z |
| _version_ |
1836988599137992704 |
| fulltext |
УДК 621.791.14
СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ (Обзор)
Чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО, С. В. ПОДЪЕЛЬНИКОВ, инж., А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены современное состояние сварки трением с перемешиванием, конструкции рабочего инструмента, типы
соединений при использовании данного способа сварки, особенности формирования соединений различных
алюминиевых сплавов и их свойства. Описаны основные области применения сварки трением с перемешиванием.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием,
алюминиевые сплавы, сварочный инструмент, структура
сварных соединений, свойства швов, области применения,
сварные конструкции
Способ сварки трением с перемешиванием (СТП)
был разработан Британским институтом сварки
(TWI) в 1991 г. [1]. Интенсивное изучение этого
процесса с целью совершенствования технологии
и создания нового оборудования позволило найти
его эффективное применение при производстве
высокотехнологичных изделий в таких отраслях,
как вагоно-, судо-, авиастроение и многих других.
СТП, относящийся к процессам соединения ма-
териалов в твердой фазе, лишен недостатков,
присущих процессам сварки с расплавлением ме-
талла. Исследователи данного процесса считают,
что если 10 % общего объема сварных соединений
в США заменить СТП, то будет достигнуто на
500 млн фунтов/год меньше выделений парнико-
вого газа. Расчетная экономическая выгода про-
мышленности США от внедрения СТП в промыш-
ленное производство составляет 4,9 млрд дол. в
год [2].
Сущность процесса заключается в следующем
(рис. 1). Для сварки используют инструмент в
форме стержня, состоящий из двух основных час-
тей: заплечика или бурта (утолщенная) и нако-
нечника (выступающая часть). Размеры этих кон-
структивных элементов выбирают в зависимости
от толщины и материала свариваемых деталей.
Длину наконечника устанавливают приблизитель-
но равной толщине детали, подлежащей сварке.
Диаметр заплечика может изменяться от 1,2 до
25 мм. Вращающийся с высокой скоростью инс-
трумент в месте стыка вводится в соприкосно-
вение с поверхностью заготовок таким образом,
чтобы наконечник внедрился в заготовки на глу-
бину, примерно равную их толщине, а заплечик
коснулся их поверхности. После этого инструмент
перемещается по линии соединения со скоростью
сварки. В результате трения происходит нагрев
металла вплоть до пластического состояния, пе-
ремешивание его вращающимся инструментом и
вытеснение в освобождающееся пространство по-
зади движущегося по линии стыка инструмента.
Объем, в котором формируется шов, ограничи-
вается сверху заплечиком инструмента. По окон-
чании сварки вращающийся инструмент выводят
из стыка за пределы заготовки. В связи с асим-
метрией структуры швов в поперечном сечении
сварных соединений, полученных СТП, принято
различать сторону набегания, где направление
вращения инструмента совпадает с направлением
сварки, и противоположную сторону — отхода.
СТП в основном применяют для соединения
материалов со сравнительно низкой температурой
плавления, прежде всего алюминиевых [3] и маг-
ниевых сплавов [4]. Выполнена успешная сварка
данным способом медных [5], никелевых и ти-
тановых сплавов [2], а также сталей [6]. С по-
мощью СТП сваривают алюминиевые сплавы тол-
щиной до 75 мм за один проход [7]. СТП поз-
воляет получать нахлесточные соединения алю-
миниевых листов толщиной от 0,2 мм [8]. Ско-
рость сварки сплава 6082 толщиной 5 мм может
достигать 6 м/мин [9].
Основными параметрами процесса СТП явля-
ются: скорость сварки, частота вращения инстру-
мента, усилия прижатия и перемещения инстру-
мента, угол наклона инструмента, его размеры.
© А. Я. Ищенко, С. В. Подъельников, А. Г. Покляцкий, 2007 Рис. 1. Схема процесса СТП
32 11/2007
Усилия прижатия и перемещения зависят от типа
свариваемого материала, его толщины и скорости
сварки. Сварка образцов из сплава 7010-Т7651
толщиной 6,35 мм при изменении скорости свар-
ки в диапазоне от 59 до 159 мм/мин и скорости
вращения инструмента от 180 до 660 об/мин по-
казала, что при увеличении скорости вращения
возрастает тепловложение в металл и в сварном
соединении формируется микроструктура с более
однородными зернами [10]. При этом до опре-
деленного предела также повышаются прочнос-
тные и пластические свойства. При повышении
скорости сварки необходимо увеличивать ско-
рость вращения инструмента для достижения оп-
тимальных условий. Однако для полного отсут-
ствия дефектов, а также обеспечения всех необ-
ходимых свойств, надежности и технологичности
следует строго выбирать режимы, оптимально
подходящие для определенной продукции.
Большинство исследователей указывают на
следующие преимущества СТП по сравнению с
другими способами получения неразъемных со-
единений [11, 12]:
сохранение в значительной мере свойств ос-
новного металла в зоне сварки по сравнению со
способами сварки плавлением;
отсутствие вредных испарений и ультрафио-
летового излучения в процессе сварки;
возможность получения бездефектных швов на
сплавах, которые при сварке плавлением склонны
к образованию горячих трещин и пористости в
металле швов;
отсутствие необходимости в применении при-
садочного материала и защитного газа, удаления
поверхностных оксидов на кромках перед свар-
кой, а также шлака и брызг после сварки;
отсутствие потерь легирующих элементов в
металле шва.
Уровни выделений Cr, Cu, Mn, Cr+6 при СТП
сталей по сообщению Rockwell Scientific (США) зна-
чительно ниже (< 0,03, < 0,03, < 0,02 и < 0,01 мг/мм3
соответственно), чем при аргонодуговой сварке
(соответственно 0,25; 0,11; 1,88 и 0,02 мг/мм3) [2].
Сравнение затрат в производстве при использо-
вании СТП и сварки плавящимся электродом
(СПЭ) показало, что начальные капиталовложения
при СТП более высокие, но с увеличением объемов
производства применение СТП становится эконо-
мически выгоднее, чем дуговой сварки [11].
Судя по экспериментальным результатам TWI,
максимальная температура при СТП составляет
около 70 % температуры плавления и для алю-
миния не превышает 550 °С. Тепловложение при
СТП меньше, чем при аргонодуговой сварке при-
мерно в 2 раза и для сплава 6N01-Т5 толщиной
4 мм составляет соответственно 190 и 390 Дж/мм
(скорость сварки 500 мм/мин) [13]. С помощью ма-
тематического моделирования тепловых процессов
при СТП в работе [14] построено распределение
температур в свариваемой пластине (рис. 2). Более
низкая температура металла зоны соединения при
СТП по сравнению со СПЭ объясняет меньший
уровень угловых деформаций в сварном соеди-
нении. При СТП угловая деформация равна 1/5...1/7
значений при СПЭ [12] (рис. 3).
Предполагается, что при СТП из-за невысокого
уровня температур нагрева металла остаточные
напряжения в нем низкие. Жесткое закрепление
налагает большие ограничения на деформацию
пластин, что препятствует сокращению металла
при охлаждении зоны динамической рекристал-
лизации и зоны термического влияния (ЗТВ) в
продольном и поперечном направлении, приводя
к поперечным и продольным остаточным напря-
жениям. При СТП сплавов 2024-Т3 и 6013-Т6 об-
наружено, что продольные остаточные напряже-
ния выше поперечных (скорость сварки состав-
ляла 300...1000 мм/мин, скорость вращения инс-
трумента 1000...2500 об/мин). Высокие растягива-
ющие напряжения наблюдаются преимуществен-
но в металле ЗТВ. При снижении скорости сварки
и скорости вращения инструмента остаточные
напряжения уменьшаются. Максимальные значе-
ния продольных растягивающих напряжений дос-
тигают 30...60 % предела текучести сварного со-
единения и 20...50 % предела текучести основного
металла [15].
Макроструктура сварных соединений при СТП
характеризуется особенностями, не свойственны-
ми швам, полученным способами сварки плав-
лением. Типичным для СТП является образование
в центре соединения ядра с овальными концен-
тричными кольцами, различающимися структу-
рой [16]. К ядру примыкает сложный профиль,
который характерен для верхней части шва.
Наличие овальных колец обусловлено особеннос-
тями перемешивания металла наконечником ин-
струмента. В сварном соединении при СТП вы-
деляют четыре зоны, которые схематически пред-
Рис. 2. Распределение температур в продольном сечении об-
разца
Рис. 3. Сравнение угловой деформации при СТП (нижний
образец) и СПЭ (верхний) (алюминиевый сплав серии 6000,
толщина 2 мм)
11/2007 33
ставлены на рис. 4. Непосредственно к зоне A
(основной металл) примыкает зона B, где металл
заготовок остается недеформированным и изме-
няет свою структуру только под воздействием наг-
рева (ЗТВ). Зона C, где металл подвергается зна-
чительным пластическим деформациям и нагреву,
названа зоной термомеханического влияния. Зона
D — ядро соединения, где происходит динами-
ческая рекристаллизация. Твердость металла
уменьшается в направлении от основного металла
к центру шва и минимальное значение достига-
ется в металле ЗТВ (рис. 5). Снижение твердости
в металле ЗТВ происходит в результате переста-
ривания, уменьшения плотности дислокаций либо
за счет обоих этих механизмов.
О высоком уровне механических свойств свар-
ных соединений сообщают многие исследователи.
При СТП у сварного соединения сплава 6082-Т6
σв = 245 МПа, тогда как у основного металла σв =
= 317 МПа. Для 6082-Т4, состаренного после
сварки, σв = 308...310 МПа. Испытания на уста-
лость свидетельствуют о более высоком уровне
механических свойств соединений при СТП по
сравнению с аналогичными при аргонодуговой
сварке [18].
Авторы работы [19] проводили исследования
механических свойств соединений, полученных
СТП сплава 5083 при криогенных температурах,
что представляло интерес при подготовке произ-
водства емкостей для сжиженного водорода. Об-
разцы толщиной 30 мм были сварены со ско-
ростью 40 мм/мин. Исследования при 77 К в жид-
ком азоте, при 20 К в жидком водороде и при
4 К в жидком гелии показали, что уровень свойств
соединений при СТП выше, чем при аргоноду-
говой сварке.
Проблемами СТП литейных алюминиевых
сплавов занимались авторы работы [20]. В про-
мышленном производстве литейные сплавы часто
приходится сваривать с заготовками, получае-
мыми по способу экструдирования. Использовали
сплавы ADC1 и А6061-Т6 толщиной 4 мм. Ре-
зультаты, полученные при СТП, сравнивали с ана-
логичными при аргонодуговой и лазерной сварке.
Как видно из рис. 6, СТП обеспечивает лучшие
свойства соединений. Предел прочности состав-
ляет 80 % прочности А6061-Т6. При испытании
на изгиб разрушение при СТП происходит по ос-
новному металлу. О положительных результатах
СТП разнородных сплавов, а также алюминиевых
сплавов со сталями сообщается в работе [21]. При
СТП стали SS400 и сплава А5083 толщиной 2
мм предел прочности соответствовал 240 МПа,
что составляет 86 % прочности алюминиевого
сплава.
В качестве недостатка способа СТП авторы
работ [2, 12] отмечают образование в конце шва
отверстия, равного диаметру наконечника, что
требует выведения шва за пределы рабочего се-
чения заготовки или заполнения отверстия после
сварки с помощью других методов таких, как
вварка трением специальных пробок.
Совершенствование технологии и оборудова-
ния позволяет преодолеть существующие недос-
татки, а также расширить области применения
способа. Хотя СТП применяется в основном для
стыковых и нахлесточных швов, возможно также
получение угловых, тавровых, точечных швов.
Точечную СТП можно реализовать двумя спо-
собами. Первый — точечная сварка погружением,
запатентованная фирмой «Mazda» (Япония) в
2003 г. При этом вращающийся инструмент пог-
ружается в деталь, доводя металл в зоне
соединения до пластического состояния и после-
дующего перемешивания его под заплечиком.
После этого инструмент поднимается, оставляя ха-
Рис. 4. Схема зон стыкового соединения, выполненного СТП
(обозначения см. в тексте)
Рис. 5. Распределение твердости в зоне сварного соединения
сплава 7075-Т7351 [17]
Рис. 6. Механические свойства сварного соединения, выпол-
ненного различными способами сварки: 1 — предел
текучести; 2 — предел прочности; 3 — относительное
удлинение
34 11/2007
рактерное углубление в детали. Второй способ
— точечная СТП с заполнением шва, запатенто-
ванная GKSS в 2002 г. [2]. Для этого способа
используют инструмент, у которого наконечник
и заплечик имеют раздельные системы привода.
Вращающийся инструмент опускается в деталь,
при этом наконечник выдавливает и перемеши-
вает находящийся под ним металл, а после его
убирают. Металл под заплечиком заполняет уг-
лубление, и таким образом получается шов без
отверстия (рис. 7).
Сварочный инструмент обычно изготавлива-
ется из инструментальных сталей Н13 (AISI), SKD
61, SKD 11, SKH 57 (JIS) и нержавеющей мар-
тенситной стали SUS 440C (JIS). При этом воз-
можно использование составных инструментов, у
которых наконечник изготовлен из кобальтового
сплава МР159, а заплечик — из Н13 [22]. Для
сварки способом СТП сталей толщиной до 0,5′′
MegaStir разработала инструмент из поликристал-
лического кубического нитрида бора. Его стой-
кость против разрушения выше и позволяет при-
дать наконечнику форму, необходимую для бла-
гоприятного течения металла в зоне сварки
(рис. 8). Инструмент по отношению к поверхнос-
ти детали располагают под небольшим углом
2...3° [16, 23], что позволяет обеспечить наиболее
высокие показатели качества.
Инструмент, одновременно выполняющий так-
же роль подкладки соединяемых заготовок, при-
веден на рис. 9 [24]. В NASA разрабатывается
саморегулирующийся инструмент, длина нако-
нечника которого определяется силами, действу-
ющими на него. При отклонении нагрузки на на-
конечник от заданного значения происходит ав-
томатическая корректировка его длины, что поз-
воляет сваривать заготовки переменного сечения
и избегать образования отверстия при выпол-
нении кольцевых швов.
Для сварки алюминиевых сплавов значитель-
ной толщины разработаны семейства инструмен-
тов WhorlTM (рис. 10) и TrifluteTM [25], которые
позволяют выполнять сварку за один проход алю-
миниевых сплавов толщиной 50 мм. Новыми ва-
риантами СТП являются технологии Re-StirTM,
Skew-StirTM, Com-StirTM [26]. Технология Re-
StirTM с переменным вращением инструмента по
и против часовой стрелки позволяет исключить
асимметрию шва, присущую традиционной СТП.
По технологии Skew-StirTM инструмент немного
наклонен по отношению к шпинделю машины та-
ким образом, что точка пересечения осей шпин-
деля и инструмента, получившая название фокус-
ной, может располагаться над, под или в свари-
ваемой заготовке в зависимости от свойств ма-
териала и параметров режима. Такая особенность
позволяет получить при вращении инструмента
в процессе сварки более широкий шов. Инстру-
менты A-SkewTM и Flare-TrifluteTM обеспечивают
формирование более прочных нахлесточных со-
единений. Особенность технологии Com-StirTM
состоит в совмещении в процессе сварки враща-
Рис. 7. Установка для точечной СТП (а), поперечное сечение
(б) и внешний вид образцов (в)
Рис. 8. Внешний вид инструмента из поликристаллического
кубического нитрида бора [2]
Рис. 9. Конструкция инструмента Bobbin Tool
Рис. 10. Схемы вариантов конструкции рабочего инструмента
WhorlTM
11/2007 35
тельного и орбитального движений инструмента.
В результате получают более широкие швы, что
используется в основном при соединении разно-
родных материалов. Разработана система с двумя
параллельными инструментами Twin-StirTM [27].
Развитие новых технологий СТП продолжает-
ся. В Университете Миссури (Колумбия, США)
занимаются разработкой СТП с сопутствующим
дополнительным нагревом при пропускании тока
через наконечник инструмента. Центр обработки
и соединения передовых материалов (США) раз-
рабатывает СТП с индукционным предваритель-
ным подогревом материала, что позволит увели-
чить скорость сварки, уменьшить силы, действу-
ющие на инструмент, и уменьшить его износ [2].
В работе [28] изучали возможность использования
лазера для предварительного подогрева металла
при СТП магниевых сплавов.
Благодаря небольшому количеству факторов,
влияющих на процесс СТП, и достаточно простой
конструкции оборудования, способ идеально под-
ходит для автоматизации и роботизации [29]. Ус-
тановка Tricept 805 позволяет выполнять сварку
алюминия толщиной до 10 мм.
СТП уже широко используется при производ-
стве различных высокотехнологичных изделий.
Фирмы «General Dynamics Land Systems» и «Edi-
son Welding Institute» провели совместные работы,
цель которых — обеспечить требуемые баллис-
тические характеристики соединений броневых
плит из алюминиевого сплава 2195-Т87 для мор-
ских бронированных транспортеров. Сварка плит
толщиной 31,8 мм способом СТП вместо арго-
нодуговой позволила получить приемлемые проч-
ностные свойства соединений и более пластичные
(в 2…3 раза) швы. В итоге сварные соединения
(в том числе угловые) успешно прошли баллис-
тические испытания [22].
Для предотвращения ухудшения свойств
сверхпроводящей ниобий-титановой проволоки ее
необходимо соединять с жестким элементом из
чистого алюминия при температуре ниже 400 °С.
Раньше для этого использовали низкотемператур-
ную пайку, но паяные швы имели низкую проч-
ность. СТП обеспечила требуемые свойства свар-
ного соединения в жидком гелии [12].
С 2003 г. компания «Ford Motor Co.» (США)
изготовила несколько тысяч автомобилей Ford
GT, в которых СТП применена для сварки цен-
трального отсека. В нем располагается изолиро-
ванный от внутреннего отделения топливный бак
[2]. СТП повышает точность размеров и на 30 %
увеличивает прочность соединений по сравнению
со сходными узлами при дуговой сварке в за-
щитном газе. В работе [30] описан процесс из-
готовления точечной сваркой трением кузова ав-
томобиля Mazda RX-8 (рис. 11). С 2003 г. было
произведено свыше 100 тыс. автомобилей, двери
которых выполнены с использованием точечной
СТП [7]. Успешное применение данного способа
позволяет планировать фирме выполнение подоб-
ных соединений на новом поколении автомобилей
модели MX-5.
Активно занимаются изучением процесса СТП
в аэрокосмической отрасли (рис. 12) [24]. В 2001 г.
этот процесс внедрен в производство внешнего
бака ракеты-носителя для возвращаемых косми-
ческих кораблей. Технология предусматривает
сварку восьми продольных швов на резервуаре
из сплава 2195 для жидкого водорода и четырех
продольных швов на резервуаре для жидкого кис-
лорода, что составляет приблизительно 1/2 мили
швов на каждом баке. Разрабатывается оборудо-
вание для ремонтной СТП в условиях космичес-
кого вакуума. Концепция применения СТП ос-
нована на том, что высокая скорость вращения
инструмента (30000 об/мин) позволит уменьшить
усилия, необходимые для выполнения сварки.
Компания «Boeing» начала использовать СТП
при производстве ракеты «Delta» II и III (рис. 13)
Рис. 11. Соединения, выполненные на автомобиле Mazda
RX-8 с помощью точечной СТП [2]
Рис. 12. Оборудование для СТП в вертикальном положении
36 11/2007
[31]. Сварка выполняется на топливном баке дли-
ной 8,4 м, на баке для жидкого кислорода длиной
12 м и на других конструкциях. СТП обеспечи-
вает повышение качества (один дефект на 76,2 м
шва) по сравнению с аргонодуговой сваркой (один
дефект на 8,4 м шва), уменьшается время изго-
товления сварной конструкции. Производство ра-
кет «Delta II» выросло с 8 до 17 ед. в год.
В [32] сообщается о работах по СТП оребренных
панелей для крыла самолета из сплавов 2024, 7475,
7050 толщиной 4 мм. Высокое качество соединений
обеспечено при использовании СТП на самолете
«Airbus А350» и двух новых версиях А340 (А340-
500 и А340-600) [2]. Компания «Eclipse Aviation»
завершает сертификацию реактивного самолета
бизнес-класса «Eclipse 500» с узлами, изготовлен-
ными способом СТП (рис. 14).
Таким образом, представленный обзор свиде-
тельствует о том, что СТП успешно развивается
и находит применение в различных отраслях про-
мышленности. Большинство публикаций касают-
ся сварки алюминиевых сплавов средней и
сравнительно большой толщины. Следует отме-
тить, что затруднения обычно возникают при со-
единении заготовок толщиной 0,5…3 мм, а также
более 40 мм. В связи с этим, а также с возни-
кающими осложнениями при обеспечении точ-
ности сборки тонкостенных заготовок под сварку
в ИЭС им. Е. О. Патона проведены исследования
процесса СТП на специальной экспериментальной
установке (рис. 15). Работы выполнены на алю-
миниевых сплавах АМг6, 1201, 1460 толщиной
1,8…2,5 мм. На рис. 16 приведен внешний вид
сварного соединения сплава АМг6, полученного
способом СТП. Одновременно проверена эффек-
тивность сварочных инструментов с различными
профилями рабочей части. Установлено, что со-
единения при данном способе сварки отличаются
высоким уровнем механических свойств (коэф-
фициент прочности сварных соединений состав-
ляет 0,7...0,9 % уровня прочности основного
металла) (таблица).
Рис. 13. Установка для СТП топливного бака ракеты «Delta»
на предприятии «Boeing»
Рис. 14. Самолет «Eclipse 500» с узлами, изготовленными
СТП
Рис. 15. Внешний вид экспериментальной установки для СТП
тонколистовых (1,8...2,5 мм) алюминиевых сплавов
Рис. 16. Внешний вид шва, полученного СТП (алюминиевый
сплав АМг6 толщиной 2 мм)
Механические свойства соединений алюминиевых спла-
вов, полученных СТП
Алюминиевый
сплав σв, МПа α, град
АМг6 343 180
1420 362 96
1201 294 180
1460 325 180
11/2007 37
1. Pat. 5460317 US. Friction stir butt welding / W. M. Thomas,
E. D. Nicholas, J. C. Needham et al. — Publ. 1995.
2. Arbegast W. J. Friction stir welding. After a decade of deve-
lopment // Welding J. — 2006. — 85, № 3. — P. 28–35.
3. Microstructures and room temperature mechanical properti-
es in friction-stir-welded joints of 7075 aluminum alloys /
T. Ito, Y. Motohashi, A. Goloborodko et al. // J. of the Jap.
Weld. Soc. — 2005. — 74, № 3. — P. 9–13.
4. Aritoshi M. Friction stir welding of magnesium alloys sheets
// Ibid. — 2005. — 74, № 3. — P. 18–23.
5. Nakata K. Friction stir welding of copper and copper alloys
// Ibid. — 2005. — 74, № 3. — P. 14–17.
6. Klingensmith S., Dupont J.N., Marder A.R. Microstructural
characterization of a double-sided friction stir weld on a su-
peraustenitic stainless steel // Welding J. — 2005. — № 5.
— P. 77–85.
7. Martin J. Pushing the boundaries — friction stir goes deeper
than before// TWI Connect. — 2006. — Jan./Feb. — P. 1.
8. Teh N. J. Small joints make a big difference // Ibid. — 2006.
— 143, № 3. — P. 25–29.
9. Эрикссон Л. Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трени-
ем — научные исследования и новые области приме-
нения // Технология машиностроения. — 2003. — № 6.
— P. 81–84.
10. Effect of welding parameters on nugget zone microstructure
and properties in high strength aluminium alloy friction stir
welds / A. A. Hassan, P. B. Prangnell, A. F. Norman et al. //
Sci. Technol. Weld. Joining. — 2003. — 8, № 4. — P. 257–
268.
11. Defalco J. Friction stir welding vs. fusion welding // Wel-
ding J. — 2006. — 85, № 3. — P. 42–44.
12. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of alu-
minum alloy and application to structure // J. of Jap. Institute
of Light Metals. — 2000. — 50, № 4. — P. 166–172.
13. Heat inputs and mechanical properties of friction stir wel-
ding / K. Aota, H. Okamura, E. Masakuni et al. // Proc. of
the 3rd Intern. friction stir welding symp., Kobe, Japan, 27–
28 Sept., 2001.
14. Analysis of friction stir welds using thermocouple measure-
ments / S. G. Lambrakos, R. W. Fonda, J. O. Milewski et al.
// Sci. Technol. Weld. Joining. — 2003. — 8, № 5. —
P. 385–390.
15. Investigation on residual stresses in friction stir welds /
C. Dalle Donne, E. Lima, J. Wegener et al. // Proc. of the 3rd
Intern. friction stir welding symp., Kobe, Japan, 27–28 Sept.,
2001.
16. Volpone M., Mueller S. M. Friction stir welding (FSW): le
ragione di un successo // Rivista Italiana della Saldatura. —
2005. — № 1. — S. 23–30.
17. Chao Y. P., Wang Y., Miller K. W. Effect of friction stir wel-
ding on dynamical properties of AA 2024-T3 and AA 7075-
T7351 // Welding. — 2001. — № 8. — P. 196–200.
18. Ericsson M., Sandstorm R. Influence of welding speed on
the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG
and TIG // Intern. J. of Fatigue. — 2003. — № 25. —
P. 1379–1387.
19. Mechanical properties of friction stir welded 5083 aluminum
alloy at cryogenic temperatures / M. Hayashi, K. Oyama,
H. Eguchi et al. // Proc. of the 3rd Intern. friction stir weld.
symp., Kobe, Japan, 27–28 Sept., 2001.
20. Nagano Y., Jogan S., Hashimoto T. Mechanical properties of
aluminum die casting joined by FSW // Ibid.
21. Kimapong K., Watanabe T. Friction stir welding of alumi-
num alloy to steel // Welding J. — 2004. — № 10. —
P. 277–282.
22. Friction stir welding demonstrated for combat vehicle const-
ruction / K. J. Colligan, P. J. Konkol, J. J. Fisher et al. // Ibid.
— 2003. — № 3. — P. 34–40.
23. Shibayanagi T., Maeda M. Characteristics of microstructure
and hardness in friction stir welded 7075 aluminum alloy jo-
ints // Trans. JWRI. — 2004. — 33, № 1. — P. 17–23.
24. Friction stir welding flies high at NASA / J. Ding, R. Carter,
K. Lawless et al. // Ibid. — 2006. — № 3. — P. 54–59.
25. Dolby R. E., Johnson K. J., Thomas W. M. The joining of
aluminium extrusions // La Metallurgia Italiana. — 2004. —
№ 3. — S. 25–30.
26. Pekkari B. The future of welding and joining // Svetsaren. —
2004. — № 1. — P. 53–59.
27. Thomas W., Staines D. Better joints using two contra — ro-
tating FSW tools // TWI Connect. — 2006. — May/June. —
P. 7.
28. Laser — assisted friction stir welding / G. Kohn, Y. Green-
berg, I. Makover et al. // Welding J. — 2002. — № 2. —
P. 46–48.
29. Controlling robotic friction stir welding / G. E. Cook, H. B.
Smartt, J. E. Mitchell et al. // Ibid. — 2003. — № 6. —
P. 28–34.
30. Kato K., Sakano R. Development of spot friction welding
and application for automobile body // J. of Light Metal
Welding & Construction. — 2004.— 42, № 11. — P. 8–13.
31. Imuta M., Kamimuki K. Development and application of
friction stir welding for aerospase industry // Proc. of the
IIW Intern. conference on technical trends and future pros-
pectives of welding technology for transportation, land, sea,
air and space, Osaka, Japan, 15–16 July, 2004. — P. 53–64.
32. Kumagai M. Application of FSW for aircraft // Welding Tec-
hnology. — 2003. — 51, № 5. — P. 74–78.
The main directions of investigations conducted at the E.O.Paton Electric Welding Institute over half a century in the field
of arc welding of aluminium alloys are outlined. Examples of an effective application of technologies of arc welding of
aluminium alloys in fabrication of various structures are given.
Поступила в редакцию 05.04.2007
38 11/2007
|