Сварка трением с перемешиванием - Friction stir welding

Прихватка для сварки трением с перемешиванием крупным планом.
Переборка и носовая часть Космический корабль Орион соединяются сваркой трением с перемешиванием.
Совместные конструкции

Сварка трением с перемешиванием (ЖСБ) - это процесс соединения в твердом состоянии, при 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] В основном он использовался на кованых или экструдированных алюминий 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, недавно с помощью FSW было выполнено соединение разнородных металлов, таких как алюминий и магниевые сплавы.[4] Применение FSW можно найти в современном судостроении, поездах и авиакосмической отрасли.[5][6][7][8][9][10]

Он был изобретен и экспериментально подтвержден на Институт сварки (TWI) в Великобритания в декабре 1991 г. TWI получила патенты на этот процесс, первый из которых был наиболее описательным.[11]

Принцип действия

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

Вращающийся цилиндрический инструмент с профилированным зондом подается в стыковое соединение между двумя зажатыми деталями до тех пор, пока буртик, диаметр которого больше диаметра стержня, не коснется поверхности деталей. 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 заданной скоростью сварки.[13]

Трение Между износостойким инструментом и деталями образуется тепло. Это тепло вместе с теплом, генерируемым в процессе механического перемешивания и адиабатический тепла внутри материала, заставьте перемешанные материалы размягчиться без таяние. По мере того как инструмент перемещается вперед, специальный профиль на датчике перемещает пластифицированный материал от передней поверхности к задней, где высокие силы способствуют кованому закреплению сварного шва.

Этот процесс перемещения инструмента вдоль линии сварки в пластифицированном трубчатом металлическом валу приводит к тяжелым деформация с динамической рекристаллизацией основного материала.[14]

Микроструктурные особенности

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

  • В зона перемешивания (также известная как зона динамической рекристаллизации) - это область из сильно деформированного материала, которая примерно соответствует положению штифта во время сварки. В зерна внутри зоны перемешивания примерно равноосны и часто на порядок меньше, чем зерна исходного материала.[15] Уникальной особенностью зоны перемешивания является частое наличие нескольких концентрических колец, что было названо структурой «луковичное кольцо».[16] Точное происхождение этих колец точно не установлено, хотя предполагались вариации числовой плотности частиц, размера зерна и текстуры.
  • В зона рукава потока находится на верхней поверхности сварного шва и состоит из материала, который захватывается уступом с отходящей стороны сварного шва вокруг задней части инструмента и осаждается на продвигающейся стороне.[нужна цитата ]
  • В зона термомеханического воздействия (TMAZ) происходит 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.[нужна цитата ]
  • В зона термического влияния (HAZ) является общим 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 закаленный алюминиевые сплавы в этой области обычно демонстрируют наихудшие механические свойства.[17]

Преимущества и ограничения

Твердотельный характер сварки плавлением дает ряд преимуществ перед методами сварки плавлением, поскольку устраняются проблемы, связанные с охлаждением из жидкой фазы. Такие вопросы, как пористость, растворенное вещество перераспределение растрескивание при затвердевании и ликвационное растрескивание не возникают при СТС. В целом, было обнаружено, что FSW вызывает 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, проходящим 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 снимок или же ультразвуковой контроль. Если штифт недостаточно длинный или инструмент поднимается из пластины, то поверхность раздела в нижней части сварного шва не может быть нарушена и кована инструментом, что приведет к дефекту непровара. По сути, это выемка в материале, которая может быть потенциальным источником усталостные трещины.

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

  • Хорошие механические свойства в состоянии после сварки.
  • Повышенная безопасность благодаря отсутствию токсичных паров или брызг расплавленного материала.
  • Без расходных материалов - шпилька с резьбой из обычных инструментальная сталь Например, закаленный H13 может сваривать более 1 км (0,62 мили) алюминия, и для алюминия не требуется присадка 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 сварочная ванна отсутствует.
  • Обычно 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 медленная скорость перемещения, чем некоторые методы сварки плавлением, хотя это может быть компенсировано, если требуется меньше сварочных проходов.

Важные параметры сварки

Дизайн инструмента

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 низкий теплопроводность для сведения к минимуму потерь тепла и термического повреждения оборудования на приводной передаче. Горячая обработка инструментальная сталь такие как AISI H13, отлично зарекомендовали себя для сварки алюминиевых сплавов толщиной 0,5–50 мм. [20] но для более требовательных применений, таких как высокоабразивные, необходимы более современные инструментальные материалы. 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 разработанные 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 со сторон заплечика и поддерживает давление вниз и, следовательно, хорошую ковку материала за инструментом. В инструменте Triflute используется альтернативная система с серией концентрических канавок, вырезанных на поверхности, которые предназначены для дополнительного перемещения материала в верхних слоях сварного шва.

Широко распространенное промышленное применение сварки трением с перемешиванием сталей и других твердых сплавов, таких как титановые сплавы потребует разработки рентабельных и надежных 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

При сварке трением с перемешиванием необходимо 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 цикл сварки. 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 фаз с низкой температурой плавления (подобно ликвационному растрескиванию в сварных швах). 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 врезания

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

Глубина врезания определяется как глубина самой нижней точки заплечика 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 установлена, чтобы обеспечить необходимое давление вниз и гарантировать, что инструмент полностью проникает в сварной шов. Из-за требуемых высоких нагрузок сварочный аппарат может прогнуться, что приведет к уменьшению глубины 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, а TWI продемонстрировала роликовую систему, которая поддерживает положение инструмента над сварной пластиной.

Сварочные силы

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 управлением 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 коэффициент трения (трение скольжения) и / или предел текучести материала в окружающей области (прикол ).

Чтобы предотвратить поломку инструмента и свести к минимуму чрезмерный износ инструмента и связанного с ним оборудования, цикл сварки изменен таким образом, 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

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 на месте экструзия, где инструмент, опорная пластина и холодный основной материал образуют «экструзионную камеру», через которую проталкивается горячий пластифицированный материал. В этой модели вращение инструмента приводит к тому, что вокруг передней части зонда мало или совсем нет материала; 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 сочетание тонких вставок из медных полос и техники «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 обеспечивает данные о начальном и конечном положении маркера в свариваемом материале. Затем из этих позиций реконструируется поток материала. Подробное поле течения материала при сварке трением с перемешиванием можно также 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 выполняться как с использованием комплексных численных моделей.[31][32][33] или простые, но содержательные аналитические уравнения.[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 прогнозировать результаты маркерных экспериментов.[33] и геометрия зоны перемешивания, наблюдаемая в экспериментах по сварке трением с перемешиванием.[35][37]

Генерация и поток тепла

Для любого сварочного процесса, как правило, желательно увеличить скорость перемещения и свести к минимуму подвод тепла, так как 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 данного подводимого тепла остается меньше времени для теплопередачи перед инструментом, и тепловые 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]

  • Жить. Материал предварительно нагревается с помощью неподвижного вращающегося инструмента 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.

Тепловыделение 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 равняется мощности, необходимой для преодоления контактных сил между инструментом и заготовкой. Состояние контакта под заплечиком можно описать трением скольжения, используя коэффициент трения μ и межфазное давление. пили трение прилипания, основанное на прочности на межфазный сдвиг при соответствующей температуре и скорости деформации. Математические приближения для общего тепла, выделяемого буртиком инструмента Qобщий были разработаны с использованием моделей трения скольжения и прилипания:[38]

(скольжение)
(прилипание)

где ω - угловая скорость инструмента, рплечо - радиус уступа инструмента, а рштырь это булавка. 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 для коэффициента трения или межфазного напряжения сдвига. Условия под инструментом экстремальные, и их очень трудно измерить. На сегодняшний день эти параметры использовались 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 обеспечения понимания самого процесса.

Приложения

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 с перемешиванием и обработка трением с перемешиванием - используются для следующих промышленных применений:[40] судостроение и оффшор,[41]аэрокосмическая промышленность[42][43] автомобильная промышленность[44] подвижной состав для железных дорог,[45][46] общее изготовление,[47] робототехника и компьютеры.

Судостроение и шельф

Сварка трением с перемешиванием была использована для изготовления алюминиевых панелей корпуса. Супер Лайнер Огасавара в Mitsui Engineering and Shipbuilding

Две скандинавские компании, занимающиеся экструзией алюминия, были первыми, кто начал коммерчески применять FSW для производства панелей для морозильных камер для рыбы на Сапа в 1996 году, а также палубные панели и вертолетные площадки на предприятии 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 двумерные сварные швы трением с перемешиванием в гидродинамически развальцованной носовой части корпуса судна Ocean Viewer. Босс были изготовлены в НИИ НИИ с первой портативной машиной СТП. В Супер Лайнер Огасавара в Мицуи Инжиниринг и Судостроение на сегодняшний день является крупнейшим судном, сваренным трением с перемешиванием.[нужна цитата ] В Морской истребитель Николс Братья и Свобода-учебный класс Прибрежные боевые корабли содержат готовые панели, изготовленные производителями FSW Advanced Technology и Friction Stir Link, Inc. соответственно.[6] В Houbeiракетный катер имеет сваренные трением пусковые контейнеры для ракет Китайского центра трения. HMNZS Ротоити в Новой Зеландии есть панели FSW, сделанные Donovans на переделанном фрезерном станке.[48][49] Различные компании обращаются к ЖКС броня за десантные корабли[50][51]

Аэрокосмическая промышленность

Продольные и кольцевые сварные швы трением с перемешиванием используются для Сокол 9 ракетный бункер на заводе SpaceX

United Launch Alliance применяет FSW к Дельта II, Дельта IV, и Атлас V одноразовые ракеты-носители, и первая из них с межкаскадным модулем, сваренным трением с перемешиванием, была запущена в 1999 г. Этот процесс также использовался для Внешний бак Space Shuttle, за Арес I и для Корабль экипажа Орион тестовая статья на НАСА[нуждается в обновлении ], а также Сокол 1 и Сокол 9 ракеты на SpaceX. Ногти для пандуса Боинг C-17 Globemaster III грузовой самолет Advanced Joining Technologies[7] и грузовые перегородки для Большой грузовой самолет Boeing 747[7] были первыми серийно выпускаемыми деталями самолетов. Утвержденные FAA крылья и панели фюзеляжа Затмение 500 самолеты производились на Eclipse Aviation, и эта компания поставила 259 самолетов бизнес-класса, сваренных трением с перемешиванием, до того, как они были вынуждены ликвидироваться по главе 7. Напольные панели для Airbus A400M военные самолеты сейчас производятся Pfalz Flugzeugwerke и Embraer использовали 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

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

Алюминиевые опоры двигателя и стойки подвески для растянутых Lincoln Town Cars были первыми автомобильными деталями, сваренными трением с перемешиванием на Башня Автомобилестроения, которые используют процесс также для туннеля двигателя Ford GT. Филиал этой компании называется Friction Stir Link, Inc. и успешно использует процесс FSW, например для бортового прицепа "Revolution" компании Fontaine Trailers.[54] В Японии FSW применяется для стоек подвески на Сева Денко и для соединения алюминиевых листов с оцинкованными стальными скобами крышки багажника (багажника) Mazda MX-5. Сварка трением с перемешиванием 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 для Volvo V70 сварены трением с перемешиванием в Сапе, HVAC поршни в Halla Climate Control и рециркуляция выхлопных газов кулеры в Pierburg. Заготовки сварные на заказ[56] сварены трением с перемешиванием для Audi R8 в Riftec.[57] Стойка B Audi R8 Spider сварена трением с перемешиванием из двух профилей на Hammerer Aluminium Industries в Австрии.

Железнодорожные пути

Высокопрочный корпус с низким уровнем искажений Hitachi A-поезд Британский железнодорожный класс 395 сварен трением с перемешиванием из продольных алюминиевых профилей

С 1997 года кровельные панели производились из алюминиевых профилей на Hydro Marine Aluminium с помощью специальной машины FSW длиной 25 м, например. за DSB класса SA-SD поезда Alstom LHB.[9] Изогнутые боковые панели и панели крыши для Линия Виктория поезда Лондонское метро, боковые панели для Бомбардье Электростар поезда[10] в Sapa Group и боковые панели для Alstom's Британский железнодорожный класс 390 Пендолино поезда производятся в Sapa Group.[неудачная проверка ][58] Японский пригородный и экспресс А-поезда,[59] и Британский железнодорожный класс 395 поезда сварены трением с перемешиванием Hitachi,[60] пока Кавасаки применяет точечную сварку трением к кровельным панелям и Сумитомо Легкий Металл производит Синкансэн напольные панели. Инновационные напольные панели FSW производятся Hammerer Aluminium Industries в Австрии для Stadler Kiss двухэтажные железнодорожные вагоны, чтобы получить внутреннюю высоту 2 м на обоих этажах и для новых кузовов вагонов Вуппертальская подвесная железная дорога.[61]

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

Изготовление

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 сварены трением с перемешиванием AMAG и Hammerer Aluminium Industries, включая сварные соединения меди с алюминием с перемешиванием трением. Бизерба мясорезки, аппараты Ökolüfter HVAC и рентгеновские вакуумные аппараты Siemens сварены трением с перемешиванием на заводе Riftec. Вакуумные клапаны и сосуды производятся FSW на японских и швейцарских предприятиях. ЖСБ также используется для инкапсуляции ядерных отходов на СКБ в медных канистрах толщиной 50 мм.[63][64] Сосуды высокого давления из полусферических поковок ø1 м из алюминиевого сплава 2219 толщиной 38,1 мм в Advanced Joining Technologies и Lawrence Livermore Nat Lab.[65] Обработка трением с перемешиванием Применяется для гребных винтов на Friction Stir Link, Inc. и для охотничьих ножей DiamondBlade. Bosch использует его в Вустере для производства теплообменников.[66]

Робототехника

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

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

Доказано, что FSW можно использовать в качестве одного из методов соединения металлических материалов для 3D-печати. Используя подходящие 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]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Ли, Кун; Джаррар, Фирас; Шейх-Ахмад, Джамал; Озтюрк, Фахреттин (2017). «Использование связанной формулировки Эйлера с лагранжианом для точного моделирования процесса сварки трением с перемешиванием». Разработка процедур. 207: 574–579. Дои:10.1016 / j.proeng.2017.10.1023.
  2. ^ а б «Процесс сварки и его параметры - Сварка трением с перемешиванием». www.fswelding.com. Получено 2017-04-22.
  3. ^ Шейх-Ахмад, J.Y .; 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. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2018.09.033.
  4. ^ Hou, Z .; Шейх-Ахмад, Дж .; Jarrar, F .; Озтюрк, Ф. (2018-05-01). «Остаточные напряжения при сварке трением разнородных типов AA2024 и AZ31: экспериментальное и численное исследование». Журнал производственной науки и техники. 140 (5). Дои:10.1115/1.4039074. ISSN  1087-1357.
  5. ^ «Практическое использование FSW - Сварка трением с перемешиванием». www.fswelding.com. Получено 2017-04-22.
  6. ^ а б Билл Арбегаст, Тони Рейнольдс, Раджив С. Мишра, Трейси Нельсон, Дуайт Берфорд: Littoral Combat System с улучшенными сварочными технологиями В архиве 2012-10-08 в Wayback Machine, Центр обработки трения STIR (CFSP).
  7. ^ а б c Уолтер Полт «Небольшое трение в Боинге», Boeing Frontiers Online, сентябрь 2004 г., Vol. 3, Выпуск 5.
  8. ^ а б Embraer выполняет первую резку металла для самолета Legacy 500 Jet В архиве 2011-07-07 на Wayback Machine, BART International.
  9. ^ а б С.В. Калли, Дж. Давенпорт и Э. Николай: «Железнодорожники применяют сварку трением с перемешиванием» В архиве 2009-10-18 на Wayback Machine, Welding Journal, октябрь 2002 г.
  10. ^ а б Видео: 'Сварка трением с перемешиванием поездов Bombardier', заархивировано из оригинал 27 сентября 2011 г. Twi.co.uk.
  11. ^ Томас, ВМ; 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. ^ Калли, С. В. (06.09.2006). «Сварка трением с перемешиванием в TWI». Институт сварки (TWI). Получено 2009-04-14.
  13. ^ а б «Технология - StirWeld». StirWeld (На французском). Получено 2018-01-22.
  14. ^ Динг, Джефф; Боб Картер; Кирби Лоулесс; Доктор Артур Нуньес; Кэролайн Рассел; Майкл Сьютс; Д-р 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. Получено 2009-04-14.
  15. ^ Murr, L.E .; Лю, G .; МакКлюр, Дж. К. (1997). «Динамическая перекристаллизация при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 1100». Журнал материаловедения Letters. 16 (22): 1801–1803. Дои:10.1023 / А: 1018556332357.
  16. ^ Кришнан, К. Н. (2002). «Об образовании луковых колец при сварке трением с перемешиванием». Материаловедение и инженерия A. 327 (2): 246–251. Дои:10.1016 / S0921-5093 (01) 01474-5.
  17. ^ Mahoney, M. W .; Rhodes, C.G .; Flintoff, J.G .; Bingel, W.H .; Сперлинг, Р. А. (1998). «Свойства алюминия 7075 T651, полученного сваркой трением с перемешиванием». Металлургические операции и операции с материалами A. 29 (7): 1955–1964. Дои:10.1007 / s11661-998-0021-5.
  18. ^ Николас, Э. Д. (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. ^ Prado, R.A .; Murr, L.E .; Шиндо, Д. Дж .; Сото, Х. Ф. (2001). «Износ инструмента при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 6061 + 20% Al2O3: предварительное исследование». Scripta Materialia. 45: 75–80. Дои:10.1016 / S1359-6462 (01) 00994-0.
  21. ^ Nelson, T .; Zhang, H .; Хейнс, Т. (2000). «Сварка трением с перемешиванием Al MMC 6061-B4C». 2-й Международный симпозиум по ЖКС (CD-ROM). Гётеборг, Швеция.
  22. ^ Бхадешия Х. К. Д. Х .; Деброй Т. (2009). «Критическая оценка: сварка сталей трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения. 14 (3): 193–196. Дои:10.1179 / 136217109X421300.
  23. ^ Rai R .; ДЭА.; Бхадешия Х. К. Д. Х .; Деброй Т. (2011). «Обзор: инструменты для сварки трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения. 16 (4): 325–342. Дои:10.1179 / 1362171811Y.0000000023.
  24. ^ В Бучибабу .; G M Reddy .; D V Kulkarni .; A De. (2016). «Сварка трением с перемешиванием толстой пластины из сплава Al-Zn-Mg». Журнал материаловедения и производительности. 25 (3): 1163–1171. Дои:10.1007 / s11665-016-1924-8.
  25. ^ Арбегаст, Уильям Дж. (Март 2008 г.). «Модель зоны деформации с разделением по потоку для образования дефектов при сварке трением с перемешиванием». Scripta Materialia. 58 (5): 372–376. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2007.10.031.
  26. ^ Леонард, А. Дж. (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. ^ В Бучибабу .; G M Reddy .; A De. (Март 2017 г.). «Крутящий момент, поперечное усилие и стойкость инструмента при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов». Журнал технологий обработки материалов. 241 (1): 86–92. Дои:10.1016 / j.jmatprotec.2016.11.008.
  28. ^ Рейнольдс, А. П. (2000). «Визуализация течения материала в автогенных швах трением с перемешиванием». Наука и технология сварки и соединения. 5 (2): 120–124. Дои:10.1179/136217100101538119. S2CID  137563036.
  29. ^ Seidel, T. U .; Рейнольдс, А. П. (2001). «Визуализация потока материала в сварных швах трением AA2195 с перемешиванием с использованием метода вставки маркера». Металлургические операции и операции с материалами A. 32 (11): 2879–2884. Дои:10.1007 / s11661-001-1038-1. S2CID  135836036.
  30. ^ Guerra, M .; Schmidt, C .; McClure, J.C .; Murr, L.E .; Нуньес, А. С. (2003). «Структуры течения при сварке трением с перемешиванием». Характеристики материалов. 49 (2): 95–101. Дои:10.1016 / S1044-5803 (02) 00362-5. HDL:2060/20020092188.
  31. ^ Nandan R .; Деброй Т .; Бхадешия Х. К. Д. Х. (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. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2008.05.001.
  32. ^ Нандан Р., Рой Г. Г., Линерт Т. Дж., ДебРой Т. (2007). «Трехмерный поток тепла и материала при сварке трением с перемешиванием мягкой стали». Acta Materialia. 55 (3): 883–895. Дои:10.1016 / j.actamat.2006.09.009.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  33. ^ а б Зайдель Т. У., Рейнольдс А. П. (2003). «Двумерная модель процесса сварки трением с перемешиванием на основе механики жидкости». Наука и технология сварки и соединения. 8 (3): 175–183. Дои:10.1179/136217103225010952.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  34. ^ Arora A .; Деброй Т .; Бхадешия Х. К. Д. Х. (2011). «Скрытые расчеты при сварке трением с перемешиванием - Скорости, пиковая температура, крутящий момент и твердость». Acta Materialia. 59 (5): 2020–2028. Дои: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. Дои:10.1016 / j.scriptamat.2008.08.015.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  36. ^ Мехта М., Арора А., Де А., Деброй Т. (2011). «Геометрия инструмента для сварки трением с перемешиванием - оптимальный диаметр плеча». Металлургические операции и операции с материалами A. 42 (9): 2716–2722. Bibcode:2011MMTA ... 42,2716M. Дои:10.1007 / s11661-011-0672-5. S2CID  39468694.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  37. ^ Нандан Р., Рой Г., Деброй Т. (2011). «Численное моделирование трехмерной теплопередачи и пластического течения при сварке трением с перемешиванием». Металлургические операции и операции с материалами A. 37 (4): 1247–1259. Дои:10.1007 / s11661-006-1076-9. S2CID  85507345.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  38. ^ а б Frigaard, O .; Grong, O .; Мидлинг, О. Т. (2001). «Модель процесса сварки трением с перемешиванием твердеющих алюминиевых сплавов». Металлургические операции и операции с материалами. 32A (5): 1189–1200. Дои:10.1007 / s11661-001-0128-4.
  39. ^ Ци, X., Чао, Y.J. (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 к применению» Woodhead Publishing 2010 В архиве 2011-07-18 на Wayback Machine, Глава 5, страницы 118–163, ISBN  978-1-84569-450-0.
  41. ^ Фред Делани, Стефан В. Калли, Майк Дж. Рассел: «Сварка алюминиевых судов с перемешиванием трением» В архиве 2010-11-11 на Wayback Machine, Доклад, представленный на Международном форуме по сварочным технологиям в судоходстве (IFWT) в 2007 году. Проводится в рамках Пекинской ярмарки сварки и резки в Шанхае 16–19 июня 2007 г.
  42. ^ Видео: "ЖСБ в British Aerospace". Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  43. ^ Видео: СТП аэрокосмических фюзеляжей. Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  44. ^ С. В. Калли, Дж. М. Келл, В. М. Томас и К. С. Визнер:«Разработка и внедрение инновационных процессов соединения в автомобильной промышленности», Доклад представлен на Ежегодной сварочной конференции DVS "Große Schweißtechnische Tagung", Эссен, Германия, 12–14 сентября 2005 г.
  45. ^ С. В. Калли и Дж. Давенпорт: «Тенденции в проектировании и производстве подвижного состава», Документ, опубликованный в European Railway Review, том 13, выпуск 1, 2007 г.
  46. ^ «Применения - StirWeld». StirWeld (На французском). Получено 2018-01-22.
  47. ^ Майк Пейдж: «Сварка трением с перемешиванием расширяет область применения» В архиве 2008-11-22 на Wayback Machine, Отчет о встрече EuroStir, 3 сентября 2003 г.
  48. ^ Ричард Уорролл: «Сваренное блаженство» В архиве 2010-06-02 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» В архиве 2010-03-16 на Wayback Machine, New Zealand Engineering News, август 2006 г.
  50. ^ Демонстрация сварки трением с перемешиванием для конструкции боевой машины ... для алюминиевой брони 2519 для усовершенствованной десантно-штурмовой машины корпуса морской пехоты США, Сварочный журнал 03 2003.
  51. ^ Дж. Кэмпбелл, Т. Стотлер: Сварка трением с перемешиванием металлического листа из бронированного алюминия В архиве 2011-07-16 на Wayback Machine, Welding Journal, декабрь 1999 г.
  52. ^ «Как Airbus использует сварку трением с перемешиванием». Надежный завод. Получено 7 августа 2013.
  53. ^ «Выставка композитов JEC - День 3: EADS предоставляет BRÖTJE-Automation лицензию на свою запатентованную технологию сварки трением с перемешиванием трением DeltaN». EADS. Получено 30 июля 2013.
  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 В архиве 2011-07-19 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 преимущества FSW на веб-сайте Hitachi Transportation Systems В архиве 2011-07-19 в Wayback Machine. Hitachi-rail.com. Проверено 3 января 2012.
  60. ^ Hitachi Class 395 Railway Strategies Live 2010 В архиве 2012-03-28 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. Уменьшение теплового искажения, Брошюра компании Сапа.
  63. ^ Видео: «Электронно-лучевая сварка и сварка трением медных контейнеров». Twi.co.uk. Проверено 3 января 2012.
  64. ^ Нильсен, Исак (2012). Моделирование и контроль сварки трением с перемешиванием в медных канистрах толщиной 5 см (2 дюйма) (Кандидатская диссертация). Линчёпингский университет.
  65. ^ Э. Далдер, Дж. В. Пастернак, Дж. Энгель, Р. С. Форрест, Э. Кокко, К. МакТернан, Д., Уолдрон. 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 от EADS». EADS. Получено 30 июля 2013.
  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. Получено 18 декабря 2019.
  70. ^ B Vicharapu .; L F Kanan .; Т. Кларк .; A De. (2017). «Исследование по обработке гидростолбиков трением». Наука и технология сварки и соединения. 22 (7): 555–561. Дои:10.1080/13621718.2016.1274849.
  71. ^ L F Kanan .; B Vicharapu .; A F B Bueno .; Т. Кларк .; A De. (2018). «Обработка фрикционных гидроустройств высокоуглеродистой стали: структура и свойства соединений». Металлургические операции и операции с материалами B. 49 (2): 699–708. Дои:10.1007 / s11663-018-1171-5.

внешняя ссылка