Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор)
Сварка трением с перемешиванием (СТП) находит все более широкое применение в промышленности, особенно при производстве новой техники. В обзоре представлены примеры современного применения СТП в авиакосмической отрасли. Они дают представление о существующих сегодня возможностях процесса и основных...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102283 |
| 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 в авиакосмической промышленности (Обзор) / Е.В. Сергеева // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 58-62. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102283 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1022832016-06-12T03:01:58Z Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) Сергеева, Е.В. Производственный раздел Сварка трением с перемешиванием (СТП) находит все более широкое применение в промышленности, особенно при производстве новой техники. В обзоре представлены примеры современного применения СТП в авиакосмической отрасли. Они дают представление о существующих сегодня возможностях процесса и основных направлениях развития технологии СТП. Применение СТП в авиакосмической отрасли позволяет снизить вес летательных аппаратов, сократить на 65 % число заклепочных соединений, соединять не свариваемые известными способами материалы, автоматизировать контроль соединений. Библиогр. 10, рис. 7. 2013 Article Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) / Е.В. Сергеева // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 58-62. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102283 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 |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Сергеева, Е.В. Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) Автоматическая сварка |
| description |
Сварка трением с перемешиванием (СТП) находит все более широкое применение в промышленности, особенно
при производстве новой техники. В обзоре представлены примеры современного применения СТП в авиакосмической
отрасли. Они дают представление о существующих сегодня возможностях процесса и основных направлениях
развития технологии СТП. Применение СТП в авиакосмической отрасли позволяет снизить вес летательных аппаратов, сократить на 65 % число заклепочных соединений, соединять не свариваемые известными способами
материалы, автоматизировать контроль соединений. Библиогр. 10, рис. 7. |
| format |
Article |
| author |
Сергеева, Е.В. |
| author_facet |
Сергеева, Е.В. |
| author_sort |
Сергеева, Е.В. |
| title |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) |
| title_short |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) |
| title_full |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) |
| title_fullStr |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) |
| title_full_unstemmed |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) |
| title_sort |
сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (обзор) |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2013 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102283 |
| citation_txt |
Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (Обзор) / Е.В. Сергеева // Автоматическая сварка. — 2013. — № 05 (721). — С. 58-62. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT sergeevaev svarkatreniemsperemešivaniemvaviakosmičeskojpromyšlennostiobzor |
| first_indexed |
2025-07-07T12:05:13Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:05:13Z |
| _version_ |
1836989718512795648 |
| fulltext |
УДК 621.791.14
СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
В АВИАКОСМИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ (Обзор)
Е. В. СЕРГЕЕВА
«HSC Consulting». Ginsterweg, 1a, 21407, Deutsch Evern, Germany. E-mail: sergeev.dr@t-online.de
Сварка трением с перемешиванием (СТП) находит все более широкое применение в промышленности, особенно
при производстве новой техники. В обзоре представлены примеры современного применения СТП в авиакосмической
отрасли. Они дают представление о существующих сегодня возможностях процесса и основных направлениях
развития технологии СТП. Применение СТП в авиакосмической отрасли позволяет снизить вес летательных ап-
паратов, сократить на 65 % число заклепочных соединений, соединять не свариваемые известными способами
материалы, автоматизировать контроль соединений. Библиогр. 10, рис. 7.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием, алюминиевые сплавы, авиакосмическая отрасль, пре-
имущества применения, снижение веса, гибкость и автоматизация, повышение производительности
Говоря о применении сварки трением с переме-
шиванием (СТП) в авиакосмической промышлен-
ности, можно взять данные о любой из ведущих
мировых корпораций, связанной с производством
самолетов, ракет, космических станций, и найти
многочисленные упоминания о применении этой
технологии сварки и ее преимуществах.
Почему именно СТП находит все более ши-
рокое применение в авиакосмической промыш-
ленности? Почему мировые концерны вкладыва-
ют немалые средства в эту технологию? Напри-
мер, корпорация «Boeing» инвестировала 15 млн
дол. США в СТП только для сварки баков ра-
кет-носителей. В публикуемом обзоре автор де-
лает попытку ответить на поставленные вопросы
и систематизировать существующие на сегодняш-
ний день применения и основные направления
развития технологии СТП в авиакосмической про-
мышленности (рис. 1).
Процесс СТП. СТП была изобретена и запа-
тентована The Welding Institute (TWI) в декабре
1991 г. TWI успешно подал заявки на патенты
в Европе, США, Японии и Австралии.
Принцип СТП предельно прост (рис. 2). Ци-
линдрический вращающийся инструмент особой
формы с заплечиками и штырем в центре пог-
ружается в линию соединения подлежащих сварке
и плотно прижатых друг к другу деталей. Полу-
чаемое при этом количество тепла достаточно для
пластической сварки деталей без плавления. Наг-
ретый до пластического состояния металл пере-
мещается из зоны перед штырем в зону за ним,
формуется заплечиками и при охлаждении обра-
зует сварное соединение.
Применение СТП в авиакосмической про-
мышленности. В аэрокосмической промышлен-
ности СТП находит все большее применение для
сварки корпусных деталей, приварки поперечных
и продольных ребер жесткости, а также произ-
водства:
© Е. В. Сергеева, 2013
Рис. 1. Первый испытательный полет самолета «Eclipse 500»
(при изготовлении использовали СТП) [1] Рис. 2. Схема процесса СТП согласно DIN EN ISO 25239-1
58 5/2013
крыльев, фюзеляжей, хвостового оперения са-
молетов;
криогенных топливных баков космических ко-
раблей;
топливных авиационных баков;
внешних топливных баков одноразового ис-
пользования для военных самолетов;
деталей ракет военного и научного назначения.
Еще одна область применения СТП — исп-
равление дефектов сварных швов, полученных ду-
говой сваркой.
Производство этих конструктивных компонен-
тов с применением способа СТП является более
экономичным по сравнению с заклепочными со-
единениями и фрезерованием из цельного метал-
ла. Возможна сварка листов из доступных мате-
риалов с последующим формообразованием.
Применение СТП существенно повышает кон-
курентоспособность изделий, поэтому информа-
ция о практических приложениях этой технологии
сварки и фактических прибылях широко не афи-
шируется. Однако из материалов конференций и
симпозиумов по сварочным технологиям [2, 3]
можно получить общее представление о преиму-
ществах использования СТП, основные из кото-
рых перечислены ниже:
возможность промышленного изготовления
сборочных узлов с высокой степенью готовности;
высокий уровень повторяемости и воспроиз-
водимости, а также обеспечение качества при ми-
нимальных отклонениях;
гибкость и функциональные возможности про-
мышленного оборудования, позволяющие разра-
батывать новые решения в кратчайшие сроки.
Как правило сварные узлы и изделия в целом
могут быть проверены и утверждены такими ком-
петентами учреждения, как DNW, RINA и «Ger-
manescher Lloyds».
Причины все более широкого применения
СТП в аэрокосмической промышленности.
Снижение веса летательных аппаратов. Основ-
ным фактором, определяющим все более широкое
применение СТП в авиакосмической промышлен-
ности, является снижение веса. Чем выше скорость
летательного аппарата, тем более выгодным явля-
ется снижение его веса. Можно установить прак-
тически прямо пропорциональную зависимость
между весом летательных аппаратов и экономич-
ностью их применения (рис. 3) [4]. На графике по-
казана зависимость потенциальных сбережений за
счет экономии топлива из расчета один или два
доллара за галлон на 100 тыс. миль пути.
Экономичность самолетов повышается за счет
экономиии топлива. Расчет был сделан на 100000
— часовой срок службы фюзеляжа. Для космич-
ческих кораблей стоимость фунта полезного груза
на орбите составляет 20 тыс. дол. США. Для ко-
рабля многократного использования «Space Shut-
tle» эта стоимость уменьшается до 10 тыс. дол.
США за фунт.
Использование СТП при производстве коммер-
ческого самолета «Eclipse 500» [5, 6] позволяет
снизить его вес на 50 фунтов. Стоимость топлива
этого самолета составляет 89 дол. США на фунт
веса в час. Таким образом, минимизация средств
на каждом сэкономленном сваркой фунте из рас-
чета на 100 тыс. ч составляет 7 тыс. дол. США,
за 50 фунтов — 350 тыс. дол. США. Те же расчеты
можно провести для военных самолетов.
Рис. 3. Влияние снижения массы на экономичность эксплуатации A автомобиля и авиакосмической техники в зависимости
от скорости их полета v, [4]: 1 — автомобиль; 2 — самолет; 3 — военный самолет; 4 — ракета
5/2013 59
Использование алюминий-литиевых сплавов
при производстве топливных резервуаров ракет-
носителей «Space Shuttl» позволило снизить их
вес на 7500 фунтов, что в переводе на денежные
средства означает экономию 75 млн дол. США
за запуск. Эта цифра определяется увеличением
полезного груза [7].
СТП: сварные швы вместо заклепочных сое-
динений. К числу особо важных для авиакосми-
ческой промышленности преимуществ СТП сле-
дует отнести тот факт, что ее применение делает
ненужными миллионы заклепок.
Технология СТП была впервые применена в
2002 г. при производстве реактивного воздушного
судна «Eclipse 500» (рис. 1, 4, 5) [6].
Согласно сообщениям руководства, примене-
ние СТП позволило на 65 % сократить число зак-
лепочных соединений. При производстве каждого
самолета СТП используется для сварки 135-ти по-
гонных метров сварных швов кабины, фюзеляжа,
крыльев, мотора. СТП применяют также в местах
крепления ребер жесткости и стрингеров. Сварку
производят в автоматическом режиме. В резуль-
тате устраняют в общей сложности 30 тыс. зак-
лепок, при этом возможно конструктивное испол-
нение с более быстрым и простым монтажом. Тех-
нология СТП позволяет соединять конструктив-
ные компоненты корпуса самолета в четыре раза
быстрее, чем автоматизированная клепка, и в 20
раз быстрее, чем ручная. Внутреннее обустройс-
тво кабины и салона до состояния готовности к
полету занимает не более полутора часов, в го-
товый каркас корпуса самолета остается только
установить кресла.
Время монтажа самолета «Eclipse 500» от мо-
мента установки деталей корпуса в крепежные
приспособления оборудования СТП до момента
выезда готового изделия (с мотором, интерьером
и т. д.) из двери ангара сокращается до девяти
дней. Если добавить к этому время на производ-
ственные испытания и окрасочные работы, общее
время производственного цикла от старта первого
сварного шва до полной готовности к взлету сос-
тавляет три недели.
Еще более важное сообщение от корпорации
«Boeing»: СТП была успешно применена в 73-х
проектах. Обычные способы сварки связаны с
применением заклепок и материалов-наполните-
лей, что неизбежно связано с увеличением веса
летательных аппаратов. Корпорация «Boeing» ис-
пользует миллионы заклепок. Каждый день нужно
просверлить и заполнить 1,1 млн отверстий. Сто-
имость каждого отверстия с учетом затрат на раз-
работку конструкции, сверление, заполнение и
контроль составляет 5…10 дол. США. Экономич-
ность СТП очевидна [8].
Применение СТП при сварке двух различных
материалов, не свариваемых другими способами.
Снижение веса летательных аппаратов, в произ-
водстве которых была применена СТП, связано
не столько с отсутствием заклепок, сколько с воз-
можностью сварки сплавов алюминия, не свари-
ваемых другими способами. С помощью СТП
можно сваривать высокопрочные сплавы алюми-
ния 7XXX и 2XXX. При использовании более
прочных сплавов требованиям прочности корпу-
сов летательных аппаратов отвечают более легкие
компоненты конструкции со стенками меньшей
толщины и фланцами меньшей ширины.
Развитие технологии СТП с начала 90-х годов
является одной из причин все более широкого
распространения сплавов Al–Li в авиакосмичес-
кой промышленности, например, AA2195 и
AA2198. Литий имеет более низкий по сравнению
с алюминием удельный вес, его присутствие сни-
жает удельный вес сплава при одновременном
улучшении механических характеристик. Сплавы
Al–Li используют в производстве топливных ре-
зервуаров ракет-носителей «Space Shuttle» и «Fal-
con 9» (рис. 6), а также в производстве конструк-
тивных компонентов фюзеляжа «Airbus A350
XWB».
Рис. 4. СТП конструктивных компонентов «Eclipse 500» на
портальном станке (режим доступа: http://www.plm.automat-
ion.siemens.com/en_us/Images/Eclipse-fsw_tooling_tcm1023-2
1267.jpg)
Рис. 5. Устранение заклепочных соединения швов внахлестку
при применении СТП (режим доступа: http://www.dvs-
ev.de/lvmv/downloads/schweibote0207.pdf
60 5/2013
Исключение дорогостоящих операций контро-
ля сварных соединений. Газовая дуговая сварка
связана с плавлением металлов и возникновением
газовых пузырей внутри сварных швов. Это, в
свою очередь, требует больших затрат на устра-
нение дефектов. Поэтому, например, корпорация
«Boeing» решила заменить газовую дуговую свар-
ку СТП, использование которой полностью иск-
лючает возникновение внутри металла шва во-
дородных пузырей. Применение СТП исключило
дорогостоящий рентгенографический контроль,
так как проверка 8900 м сварных швов, получен-
ных с применением СТП, показала полное от-
сутствие дефектов [9].
Контроль параметров процесса СТП для пре-
дотвращения дефектов сварных швов. Актуаль-
ность задач снижения стоимости и веса летатель-
ных аппаратов, улучшения качества сварных швов
очевидна. Человеческий фактор при производстве
ракет и самолетов может иметь необратимые пос-
ледствия, поэтому понятно стремление автомати-
зировать процесс сварки и контролировать его па-
раметры, увеличивая при этом скорость сварки
и радикально снижая время производственного
цикла. Параметры процесса СТП аналогичны па-
раметрам процесса обработки резанием: скорость
вращения шпинделя, подача — скорость сварки,
толщина свариваемых деталей, наклон инстру-
мента к поверхности детали, геометрия инстру-
мента, а также предварительный подогрев дета-
лей, конструкция зажимных устройств.
Задача контроля параметров процесса резания
успешно решена в современном машиностроении.
Существует достаточное количество предприя-
тий, которые выпускают системы контроля пе-
речисленных выше параметров процесса резания,
их обрабатывающие центры надежно работают в
составе автоматических линий. При любом вы-
ходе параметров из поля допуска предусмотрены
эффективные действия по выяснению и устране-
нию причин сбоя. Процесс СТП можно контро-
лировать с помощью тех же методов и систем,
которые применяют для контроля параметров
процесса резания.
Так, например, на оборудовании фирмы
«HAGE Sondermaschinenbau GmbH», управление
процессом СТП проводят посредством контроля
осевой нагрузки или скорости подачи сварочной
головки (рис. 7).
При сварке с постоянной нагрузкой измери-
тельная система контролирует заданное значение
действующей осевой нагрузки. При этом ведется
наблюдение за отклонением перемещений от за-
данных значений, при превышении допуска об-
рабатывающий центр останавливается.
При сварке с постоянной подачей сварочной
головки сварку проводят с постоянной скоростью,
как при фрезеровании. Возникающие силы ме-
няются в зависимости от неравномерности свойс-
тв материала. При этом с помощью измеритель-
ной системы ведется наблюдение за отклонением
осевой нагрузки от заданных значений, при пре-
вышении допуска обрабатывающий центр оста-
навливается.
Переключение режимов контроля проводят
вручную или с помощью управляющей програм-
мы ЧПУ. Например, в начале и конце сварного
шва, когда сварку проводят с постоянной силой.
Ограничивающим фактором применения СТП яв-
ляются высокие осевые нагрузки и высокие силы
прижима свариваемых деталей. Необходимы спе-
циальные прижимные устройства и специальная
оснастка. Для решения этой проблемы идеально
подходит опыт «HAGE Sondermaschinenbau GmbH»
по разработке и производству пятиосевых порталь-
ных обрабатывающих центров для обработки де-
талей из сплавов стали и алюминия. Необходимые
устройства загрузки, зажима, подачи, разжима и
разгрузки деталей конструируют и изготавливают
«под ключ» на одном предприятии. Каждое скон-
струированное зажимное устройство обеспечивает
надежность при длительной эксплуатации.
Рис. 6. Резервуар ракеты-носителя «Falcon 9» из алюминий-
литиевого сплава (предприятие «Spacex»), продольные и кру-
говые швы которого сделаны с помощью СПТ. При этом
полностью исключается формирование водородных пузырей
(режим доступа: http://en.wikipedia.org/wiki/File:SpaceX_fac-
tory_Falcon_9_booster_tank. jpg)
Рис. 7. Отслеживание сварного шва на портальном обрабаты-
вающем центре HAGEMATIC 305 FSW для обработки реза-
нием и СТП
5/2013 61
Гибкость процесса СТП и простота монтажа
конструктивных компонентов после сварки. Оп-
тимизированная к материалу и форме деталей ге-
ометрия инструмента, параметры процесса сварки
и специальная оснастка позволяют производить
сварку швов практически любой пространствен-
ной конфигурации. Одно из наиболее убедитель-
ных преимуществ СТП — конструктивные ком-
поненты готовы к сборке сразу после сварки. Зат-
раты на шлифование, полирование, выравнивание
исключены.
Применение СТП позволило более чем напо-
ловину снизить затраты на сварочные работы при
производстве ракет «Delta II» и «Delta IV»[10].
Из материалов отчета фирмы «Boeing» для TWI
следует, что применение СТП при производстве
ракет «Delta IV» и «Delta II» позволило сократить
их стоимость на 60% и уменьшить время произ-
водственного цикла с 23-х до 6-ти дней.
СТП также применяют для сварки внешнего
бака «Шаттла», для «Ares I» и для стендового
образца «Orion Crew Vehicle» в НАСА, а также
для сварки ракет от «Falcon 1» до «Falcon 9» в
«SpaceX». В авиастроении СТП была впервые
применена для «Boeing C-17 Globemaster III» и
«Boeing 747 Large Cargo Freighter». Панели пе-
рекрытия военного самолета «Airbus A400M» так-
же сварены с применением СТП.
Federal Aviation Administration на год раньше
запланированного срока одобрила применение
СТП для сборки самолета «Eclipse 500».
По сообщениям руководства «Airbus», приме-
нение СТП позволило уменьшить вес сварных
элементов летательных аппаратов на 40 % и сни-
зить время производственного цикла на 20 %.
По сообщениям «Eclipse 500» СТП сокращает
время производственного цикла и производствен-
ные затраты. Время производственного цикла
СТП снижается на 40 % относительно времени
производственного цикла с заклепочными соеди-
нениями. Высокоавтоматизированная сварка СТП
позволяет сэкономить от 50 до 100 тыс. дол. США
на каждом самолете.
1. http://www.twi.co.uk.
2. http://www.aluplanet.com/documenti/InfoAlluminio/AlGen
Feb06Volpone.pdf.
3. http://techcon.ncms.org/Symposium2005/presentations/Tra
ck%202/0810%20Florence.pdf.
4. http://eagar.mit.edu/EagarPapers/Eagar192.pdf.
5. www.eclipseaviation.comhttp://www.avbuyer.com/PDFs/E
clipse_500_june04. pdf.
6. http://www.avbuyer.com/PDFs/Eclipse_500_june04.pdf.
7. http://eagar.mit.edu/EagarPapers/Eagar184.pdf.
8. http://www.boeing.com/news/frontiers/archive/2004/septem
ber/i_tt.htm.
9. http://www.iiwelding.org/TheIIW/Organization/Document/
ISO%20Focus%2010-11_E%20-%20SR-NoMeltMiracle2.
pdf.
10. http://en.wikipedia.org/wiki/Friction_stir_welding#Applicat
ions.
Поступила в редакцию 06.03.2013
«ЭР ЛИКИД» ЗАПУСКАЕТ НОВОЕ БЕСПЛАТНОЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ «ГАЗОВАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ» для IPAD
Это приложение позволяет пользователям быстро получать доступ к информации хост-
системы о физических и химических свойствах 64 молекул газа (кислород, азот, водород и т. д.) в
твердом, жидком и газообразном состояниях, показывает совместимость различных газов и
описывает основные виды их применения в промышленности. Информация подготовлена экспер-
тами «Эр Ликид».
Являясь ключевым ресурсом для научного сообщества, исследователей, студентов и препода-
вателей, она предназначена не только для клиентов «Эр Ликид», но и широкой общественности.
«Газовая энциклопедия» для iPad предлагает многочисленные удобные функции: инструмент срав-
нения молекул для лабораторных работ, фильтры для исследований, эквивалентный преобразо-
ватель и систему просмотра в 3D. Приложение выпущено на французском и английском языках.
«Газовая энциклопедия» для Android будет выпущена в июне этого года. Версия энциклопедии в
Интернете (encyclopedia.airliquide.com) уже давно пользуется огромной популярностью у пользо-
вателей — 1,4 млн посещений в 2012 г.
«Способность адаптироваться к новым мобильным пользователям, демонстрировать нашу
научную и техническую компетенцию, вносить вклад в обмен информацией, устанавливать кон-
такты с широкой аудиторией — это важные для нас задачи, с которыми мы успешно справляемся»,
— объясняет Оливье Делабруа, вице-президент по научно-исследовательской работе группы «Эр
Ликид», — «и именно поэтому мы сделали данный ресурс бесплатным».
62 5/2013
|