Сварка трением

Сварки трения (EN ISO 4063: Процесс 42) представляет собой сварочный процесс из группы сварки давления . Две части перемещаются друг относительно друга под давлением, при этом части соприкасаются друг с другом на контактных поверхностях. Возникающее трение приводит к нагреванию и пластификации материала. В конце процесса трения крайне важно правильно расположить детали по отношению друг к другу и оказать высокое давление. Преимущества этого процесса заключаются в том, что так называемая зона термического влияния значительно меньше, чем при других сварочных процессах, и в том, что в зоне соединения не происходит образования расплава. В результате получается очень мелкозернистая структура с очень хорошими прочностными характеристиками точки соединения. Можно сваривать различные материалы, такие как алюминий и сталь. Во многих случаях также возможно соединение металлических материалов, не образующих сплавов, друг с другом.

Сварка трением вращением

Сварка трением маховика

Роторное трение представляет собой процесс сварки под давлением. По крайней мере, одна часть, которая должна быть соединена в зоне соединения, должна иметь осесимметричную форму. Подача энергии осуществляется исключительно за счет относительного движения соединяемых частей под давлением. Одна соединяемая деталь остается неподвижной, а вторая часть вращается. Он широко применяется для приваривания к трубам соединителей из материалов различного качества (бурильных штанг). Формованные детали часто соединяют с помощью трубного или стержневого материала. Примерами этого являются приводные валы и поршневые штоки для амортизаторов или гидроцилиндров.

Этот процесс используется в Германии с 1970-х годов. Большое преимущество этого процесса - самые разнообразные комбинации материалов. Миллионы выпускных клапанов двигателей внутреннего сгорания приварены ( жаропрочная сталь к закаленной стали), время цикла составляет менее десяти секунд.

Используемые станки похожи на токарные . Они содержат вращающийся шпиндель и невращающуюся ответную часть, которая зажимается на регулируемой в осевом направлении ползуне и прижимается к вращающейся части. В зависимости от размеров осевые силы могут составлять от нескольких 100 Н до более 10 000 кН (примерно эквивалентно силе веса в 1000 т). Соответствующие машины тогда имеют размер стола или локомотива. Позиционная сварка трением является (необязательным) специальным применением и требует специального управления и специального приводного двигателя. Применяется для карданных валов, мостов прицепов, распределительных валов и стабилизаторов мостов.

Сварка трением была впервые описана в заявке на патент Джеймса Бевингтона из Чикаго в 1891 году.

Сварка трением скольжения Обычно детали привариваются друг к другу спереди. Сварка трением скольжения представляет собой более новый вариант, при котором детали притираются друг к другу как бы в радиальном нахлесте. Преимущества этого варианта - концентрический эффект и более благоприятная ориентация волокон. Недостатком является то, что возникающие технологические моменты значительно выше, что, в свою очередь, влияет на выбор зажимных устройств и машин.

Исследование и применение ротационной сварки трением

Россия

Промышленное применение сварки трением началось в контексте заявки на патент Аль Худикова. Научное исследование Владимира Вилля в России в 1970 году объяснило основные механизмы действия и до сих пор является стандартной работой по этой теме, которую часто цитируют во всем мире. В 1961 году в России уже промышленно эксплуатировалось более 30 аппаратов для сварки трением.

Германия

В ГДР разработки в области сварки трением начались в 1967 году в Техническом университете Карл-Маркс-Штадт на территории нынешнего Хемница , который начал исследования в области сварки трением от имени ZIS Halle в 1967 году . Темы исследования включали:

  • Конструктивно-технологическая рабочая документация на сварку трением.
  • Гарантия качества при сварке трением
  • Управление процессом сварки трением
  • Расчет сварных соединений трением
  • Влияние погрешностей на несущую способность соединений, сваренных трением

С 1968 года промышленное использование в ГДР заняло первое место в инструментальной промышленности для заготовок сверл (сочетание материалов быстрорежущая сталь / C60). Примерно с 1970 года в других отраслях промышленности, таких как турбиностроение, судостроение, производство сцеплений и двигателей, строительство рельсовых транспортных средств, производство карданных валов, производство сельскохозяйственных машин, производство мотоциклов и многое другое. С 1970 года в составе компании также была рабочая группа по сварке трением. рамки Технологической палаты. В эту рабочую группу вошли представители компаний, использующих сварку трением. Дважды в год происходил оживленный обмен опытом на соответствующих встречах.

В ГДР не было производителя машин, поэтому машины разрабатывались и производились в различных отраслях промышленности, например. B. В инструментальной промышленности - машины для сварки трением RSA 20 и RSA 39, а в сельскохозяйственной технике - RSM 50, работающий с вертикальным шпинделем. SR 100 был разработан в сотрудничестве с 10 компаниями и собран на заводе-изготовителе станков. В Совете экономической взаимопомощи осуществлялось сотрудничество, в частности, по технологическим разработкам в сварке трением между ВНИИЭСО Ленинград (СССР), IS Gliwice (Польша), VUZ Bratislava (Чехословакия), MTI Budapest (Венгрия), ISIM Timioara ( ro ). (Румыния) и ТУ Карл-Маркс-Штадт. В 1985 году в ГДР промышленно использовалось около 45 машин для сварки трением, помимо упомянутых самодельных машин, было еще несколько машин из Польши и Франции.

Процесс сварки трением в Германии в настоящее время изучается и развивается в следующих учреждениях: Forschungszentrum Jülich , Институт станков и управления производством Мюнхенского технического университета (iwb) и Университет прикладных наук Магдебург-Стендаль . В Германии Немецкая ассоциация сварочных технологий и SLV Munich занимаются стандартизацией и обменом опытом в этой области с 1983 года .

Наиболее важными немецкими производителями машин для сварки трением являются: H&B ​​Omega, Harms & Wende, GS-Steuerungstechnik и Kuka . Сварка трением с вращением в основном используется производителями автомобилей и их поставщиками, включая Daimler и IFA . Этот процесс используется, в частности, в гидравлических экскаваторах Liebherr и MTU Aero Engines . В нефтегазовой отрасли компания UGS Mittenwalde использует этот процесс для сварки трубопроводов. В Германии есть несколько компаний, которые специализируются на сварке трением и обслуживают различные отрасли промышленности: AluStir, ITM Zschaler, LimFox GmbH, Raiser и Schnabel.

Великобритания

В Великобритании Институт сварки разработал параметры для промышленного применения ротационной сварки трением, а также множество вариантов процесса. Наиболее важными британскими производителями машин для сварки трением являются: Blacks Equipment, British Federal, MTI и Thompson.

США

Институт сварки Эдисона значительно продвигает развитие этого процесса. Компании Caterpillar , Rockwell International и American Manufacturing and Foundry разработали первые машины для сварки трением. Сегодня MTI считается ведущим производителем оборудования.

Орбитальная сварка трением

Орбитальная сварка трением в соответствии с ISO 15620 - это сварка трением. В отличие от соответствующей сварки трением с вращением, детали здесь не обязательно должны быть симметричными относительно оси вращения. Источник энергии подается под давлением посредством кругового колебательного движения соединяемых деталей - аналогично орбитальной шлифовальной машине. Выравнивание осей остается прежним. При многоорбитальной сварке трением оба компонента вибрируют, в отличие от орбитальной сварки трением, которая поэтому называется «одноорбитальной сваркой трением».

Сварка трением с перемешиванием

Принцип сварки трением с перемешиванием:
1 Погрузите вращающийся инструмент 2 Выдержите для выделения тепла 3 Процесс 4 Остановите движение 5 Вытащите инструмент 6 Осмотрите готовый сварной шов

Сварки трением с перемешиванием ( на английском языке: сварка трением с перемешиванием , FSW, 4063 EN ISO: Process 43) во многих случаях также, сварка трением с перемешиванием под названием, была основана в 1991 году Уэйн Томас изобрел TWI ( Welding Institute ) в Великобритании защищены патентами . При сварке трением с перемешиванием энергия трения создается не за счет относительного движения двух соединяемых частей, а за счет износостойкого вращающегося инструмента.

Технологический процесс по существу разделен на шесть этапов. На первом этапе вращающийся инструмент с большой силой вдавливается в зазор соединения до тех пор, пока уступ инструмента не упрется в поверхность детали. На втором этапе вращающийся инструмент остается в точке погружения в течение нескольких секунд. Из-за трения между буртиком инструмента и соединяемым партнером материал под заплечиком нагревается до температуры чуть ниже точки плавления. Это повышение температуры приводит к падению прочности, которое пластифицирует материал и позволяет зоне соединения перемешиваться. Когда начинается движение подачи, начинается третий этап, на котором вращающийся инструмент перемещается по линии соединения с высоким давлением. Градиент давления, создаваемый движением подачи между передней и задней частью инструмента и его вращательным движением, заставляет пластифицированный материал перемещаться вокруг инструмента, который там смешивается и образует шов. На четвертом шаге движение останавливается в конце шва. На пятом этапе вращающийся инструмент снова вынимается из зоны соединения. На шестом этапе готовый сварной шов проверяется визуально или исследуется с использованием методов неразрушающего контроля .

Благодаря характерной последовательности процесса сварки трением с перемешиванием, этот процесс особенно подходит для алюминиевых сплавов. Проблемы, вызванные фазовым переходом при сварке плавлением алюминиевых сплавов, такие как горячее растрескивание и образование пор, не возникают при сварке трением с перемешиванием из-за отсутствия жидкой или паровой фазы.

Вращающийся, износостойкий, слегка наклоненный инструмент для сварки трением с перемешиванием вдавливается в зазор стыка и перемещается справа налево.
Инструмент для сварки трением с перемешиванием прихватывает бак космического шаттла

С технологической точки зрения существует связь с ковкой и экструзией, с одной стороны, материал сжимается под действием силы, направленной вертикально к поверхности заготовки с подводом тепла, а с другой стороны, частично пластичный материал прижимается вниз под действием тепла. турбулентность из-за геометрии вращающегося инструмента. Создается канал выдавливания, который простирается до корня шва (также называемый слепком сварного шва ). Соединяемые детали останутся неподвижными. Специальная обработка шва перед сваркой не требуется.

Инструмент состоит из буртика, расположенного перпендикулярно сварочному штифту и имеющего больший диаметр, чем сам сварочный штифт.Плечо можно представить как полукорпус, предназначенный для изоляции окружающего воздуха от сварного шва. Сварочный штифт отвечает за завихрение материала. Наклон инструмента к поверхности заготовки составляет от 2 ° до 3 ° при прокалывании. Сам инструмент практически не изнашивается и, в зависимости от области применения, может использоваться для обработки сварных швов на несколько километров.

Преимущества сварки трением с перемешиванием

  • Дополнительные материалы не нужны
  • высокая достижимая прочность шва
  • не требуется защитный газ
  • относительно простой процесс
  • возможен широкий спектр смешанных соединений
  • относительно низкие температуры (у алюминия около 550 ° C на поверхности сварного шва) и, следовательно, небольшая деформация

Этот процесс также используется для улучшения местных свойств и закрытия пор в литых конструкциях. Термин FSP ( обработка трением с перемешиванием ) часто используется вместо FSW ( сварка трением с перемешиванием ).

Проблема при использовании сварки трением с перемешиванием

  • Относительно высокие технологические усилия в зависимости от сплава и толщины детали от 1 кН до более 20 кН
  • ограниченные возможности 3D из-за необходимого контакта плеча с компонентом
  • Торцевое отверстие в конце сварного шва через выход инструмента. Решение было найдено с помощью автоматически выдвигающегося сварочного штифта (английский: инструмент для выдвижного штифта , RPT).

Сварка трением с перемешиванием позволяет соединять листы из различных материалов толщиной более 30 мм. Достижимая глубина сварки и скорость сварки сильно зависят от соединяемого материала и обычно уменьшаются с увеличением прочности и твердости. Технологические силы резко возрастают с увеличением прочности и твердости материала. Поэтому этот процесс в основном используется для алюминия. Смешанные соединения из нержавеющей стали, меди или магния также производятся серийно. Также возможно соединение металлической пены и смешанных стыков алюминия и стали.

FSW используется, например, для сварки крупных деталей. Примерами применения здесь являются авиастроение, космические путешествия, судостроение, рельсовый транспорт и автомобилестроение. Серийное производство более мелких компонентов осуществляется, в частности, в пищевой промышленности, в области сельскохозяйственной техники или охладителей для сменных гибридов (PHEV). В медицинской технике соединения алюминия и стали также последовательно свариваются трением с перемешиванием. RIFTEC GmbH в Гестахте - важный немецкий поставщик оборудования для сварки трением с перемешиванием в качестве контрактного производства. Среди прочих производителей машин FSW для собственного производства. компании Grenzebach, Fooke и Stirtec.

Другой пример - задние двери Mazda RX-8 . Здесь не сваривается сплошной шов, только точки. Это также называется точечной сваркой трением с перемешиванием (английский язык: точечная сварка трением с перемешиванием, FSSW ). Инструмент обычно выполняет здесь только вертикальное движение.

Обычно для FSW используются специальные машины, которые были специально спроектированы или переоборудованы для соответствия требованиям этого процесса. Иногда используются роботизированные системы Tricept. Обычные производственные инструменты теперь также используются для FSW, чтобы снизить затраты и повысить гибкость. Например, процесс FSW тем временем был реализован на станках или стандартных промышленных роботах.

Гибридным вариантом сварки трением с перемешиванием является сварка LAFSW ( лазерная сварка трением с перемешиванием ). В этом варианте дополнительная тепловая энергия вводится лазерным лучом, который проходит непосредственно перед вращающимся инструментом. Помимо прочего, это предназначено для уменьшения вертикального усилия при вставке инструмента FSW в заготовку и увеличения скорости сварки. Из-за лазера этот вариант процесса приводит к увеличению капитальных затрат на оборудование.

литература

  • Группа специалистов по обучению инженеров-сварщиков: технология соединения сварочная техника. 6., перераб. Версия. DVS Verlag, Дюссельдорф 2004, ISBN 3-87155-786-2 .
  • У. Дильтей, А. Бранденбург: Сварочные производственные процессы. Том 3: Конструкция и прочность сварных конструкций. 2-е издание. Springer Verlag, 2001, ISBN 3-540-62661-1 .
  • К.-Дж. Маттес, Э. Рихтер: Сварочная технология. Fachbuchverlag Leipzig в Carl Hanser Verlag, 2002, ISBN 3-446-40568-2 .

веб ссылки

Commons : Сварка трением  - Коллекция изображений, видео и аудио файлов
Викисловарь: Сварка трением  - объяснение значений, происхождение слов, синонимы, переводы

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Герд Витт и др.: Карманный справочник по технологии производства. Карл Хансер Верлаг, Мюнхен, 2006 г., ISBN 3-446-22540-4 ( ограниченный предварительный просмотр в поиске книг Google).
  2. ↑ Джеймс Х. Бевингтон: Режим прядения труб при сварке концов проволоки, стержней и т. Д. И режим изготовления труб. Патент США № 463134, 1891 г.
  3. ↑ А.И. Чудиков: Сварка трением . Патент РФ No RU106270 от 16 февраля 1956 г.
  4. ↑ Вилл В.И .: Сварка металлов тренировкой. УПП Ленсовнархоз, Ленинград, 25 июня 1959 года. Сварка металлов трением (перевод с русского), Американское общество сварки и издательство Reinhold Publishing, февраль 1962 года.
  5. ^ KJ Matthes и W. Schneider: Сварка - сварка металлических материалов. 6-е обновленное издание, Fachbuchverlag Leipzig in Carl Hanser Verlag Munich, 2016. ISBN 978-3-446-44561-1 , ISBN электронной книги 978-3-446-44554-3 .
  6. ↑ a b c Дитмар Шобер в сотрудничестве с Алексисом Нойманом: Сварка металлов трением: конструкция, технология, обеспечение качества. Серия справочников DVS по сварочной технике, том 107, 1991, ISBN 3-87155-124-4
  7. ↑ Марк Лотц: Повышение точности изготовления при сварке трением маховика с помощью методов управления на основе моделей Герберт Утц Верлаг, 2012 г.
  8. ↑ a b c DVS - Немецкая ассоциация сварочных и смежных процессов e. V. - Комитет по технологиям: Объединенный комитет DVS / DIN AG V 11.1 / NA 092-00-24 AA «Сварка трением».
  9. ^ Людвиг Аппель (GSI mbH, филиал SLV в Мюнхене): Актуальная информация о сварке трением. В кн . : 23. Обмен опытом сварки трением. SLV Мюнхен, 12 марта 2019 г.
  10. ↑ Стыковая сварка оплавлением и сварка трением. Лекции на одноименной специальной конференции в Брауншвейге, 8. - 9. Март 1983 г. DVS сообщает Том 77, ISBN 3-87155-382-4 .
  11. ↑ Стыковая сварка оплавлением и сварка трением с соответствующими процессами. Лекции на 3-й международной конференции DVS в Штутгарте 5–6 апреля. Декабрь 1991 г. DVS сообщает Том 139, ISBN 3-87155-444-8 .
  12. ↑ Тиль Майер (KUKA Deutschland GmbH, Аугсбург): KUKA SmartConnect.frictionwelding - решения в области Индустрии 4.0 от KUKA для машин для сварки трением. В кн . : 23. Обмен опытом сварки трением. SLV Мюнхен, 12 марта 2019 г.
  13. ↑ Дэвид Шмикер (IFA Rotorion Powertrain GmbH, Хальденслебен): Разработка продуктов компонентов карданного вала . В кн . : 23. Обмен опытом сварки трением. SLV Мюнхен, 12 марта 2019 г.
  14. ↑ Томас Фабер (UGS Geotechnologie-Systeme GmbH, Миттенвальде): Сварка трением труб для глубокого бурения. В кн . : 23. Обмен опытом сварки трением. SLV Мюнхен, 12 марта 2019 г.
  15. ↑ AluStir: ротационная сварка трением .
  16. ↑ Баварский исследовательский фонд : Орбитальная сварка трением - новая ключевая технология соединения металлических материалов
  17. ↑ Патент WO9310935 : Улучшения, касающиеся сварки трением. Зарегистрировано 27 ноября 1992 года , изобретатели: WM Thomas, ED Nicholas, JC Needham, MG Murch, CJ Dawes, P. Temple-Smith. ‌
  18. ↑ Гёттманн и др.: Свойства заготовок, сваренных трением с перемешиванием, из мягкой стали DC04 и алюминия AA6016 .
  19. ↑ Джеймс Кэрлесс: Сварка трением с перемешиванием. Понимание и исправление сварных швов трением с перемешиванием. В: AviationPros.com. 6 июля 2007, доступ к 31 января 2021 .
  20. ^ Friction Stir Welding, Национальный центр Advanced Manufacturing, штат Луизиана ( 20 января 2012 сувениром в Internet Archive ).
  21. ↑ J. Przydatek: Вид классификации судов на сварку трением с перемешиванием. В: Материалы 1-го Международного симпозиума по сварке трением с перемешиванием. Таузенд Оукс (США) 14.-16. Июнь 1999 г.
  22. ↑ Фред Делани, Стефан В. Калли, Майк Дж. Рассел: Сварка алюминиевых судов трением с перемешиванием . TWI Ltd, доступ к 1 мая 2014 .
  23. ^ Стефан В. Калли, Джон Дэвенпорт, Э. Дэйв Николас: Производители железных дорог применяют сварку трением с перемешиванием . Американское общество сварщиков, заархивировано с оригинала ; доступ на 29 января 2008 года .
  24. ↑ Роботизированная сварка трением с перемешиванием. (Описание проекта) (больше не доступны в Интернете.) Институт станков и промышленного менеджмента, Технический университет Мюнхена, Архивировано из оригинала на 30 июня 2008 года ; Проверено 29 января 2008 года .
  25. ↑ Джордж Фёлльнер: сварка трением с перемешиванием с использованием тяжелых промышленных роботов. Герберт Утц Верлаг, Мюнхен 2010, ISBN 978-3-8316-0955-0 . (В формате PDF (8,2 МБ) на сайте IWB , Технический университет Мюнхена)