Сварка трением с перемешиванием

В твёрдом состоянии: вращающийся инструмент перемешивает размягчённые кромки

Сварка трением с перемешиванием соединяет металлические плиты: вращающийся инструмент проталкивают вдоль стыка, трение размягчает металл, а инструмент перемешивает обе кромки в одно, ни разу их не расплавляя. Это как замешивать вместе два куска глины. Изобретённая в 1991 году в TWI в Великобритании, сегодня она производит ракетные топливные баки, кузова поездов и поддоны аккумуляторов для электромобилей.

Фото: NASA, Public domain, через Wikimedia Commons

Сварка трением с перемешиванием · вращающийся инструмент, зона перемешивания и шов, вид сбокуЦифры в кружках соответствуют шагам ниже; инструмент движется вправо, оставляя шов позади.

Как это работает

Крепко зажать. Плиты стыкуют на подкладной планке и сильно зажимают, потому что инструмент раздвигает их большими силами.
Раскрутить и погрузить. Твёрдый инструмент, обычно вращающийся от нескольких сотен до примерно 2 000 об/мин, вдавливает свой штифт в стык, пока более широкое плечо не коснётся поверхности.
Нагрев трением. Плечо, трущееся о металл, нагревает его примерно до 70–90 % температуры плавления. Металл становится мягким, как пластилин, но остаётся твёрдым.
Двигаться и перемешивать. Инструмент движется вдоль стыка. Резьбовой штифт переносит размягчённый металл спереди назад, смешивая две кромки.
Проковать и закончить. Плечо прижимает перемешанный металл вниз, пока он остывает в прочный шов с мелким зерном. В конце инструмент выходит, оставляя небольшое выходное отверстие, часто на технологической пластине.

Почему отсутствие плавления помогает. Плавление и повторное затвердевание вызывают большинство дефектов сварки: газовые пузырьки, трещины и слабые литые зёрна. Швы сварки трением с перемешиванием их избегают, поэтому трудно свариваемые плавлением алюминиевые сплавы соединяются хорошо, с малой деформацией и без дыма, искр и присадки.

Ключевые факты

Материалы: В основном алюминиевые сплавы; также магний, медь и разнородные пары; сталь и титан — с дорогими специальными инструментами
Типичные детали: Ракетные топливные баки, кузова железнодорожных вагонов, палубные панели судов, поддоны аккумуляторов, радиаторы
Размер детали: Листы около 1 мм и алюминиевые плиты толщиной несколько сантиметров; швы длиной во много метров
Точность: Малая деформация; положение шва с точностью до долей миллиметра на станках с ЧПУ
Качество поверхности: Гладкий шов с тонкой рябью в виде полумесяцев, чуть ниже поверхности; небольшой облой (заусенцы) по краям
Подходящая партия: От средних до больших серий длинных прямых или слегка изогнутых швов
Стоимость оснастки и оборудования: От десятков тысяч за переоборудование станка с ЧПУ до значительно более 1 млн долларов за большие специализированные машины
Скорость: Обычно 0,1–2 м шва в минуту, за один проход

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Нет плавления, поэтому нет пористости и горячих трещин
Соединяет алюминиевые сплавы, которые трудно сваривать плавлением
Малая деформация и прочные мелкозернистые швы
Нет присадки, нет газа, нет дыма и искр

Ограничения

Нужны тяжёлые жёсткие станки и сильный зажим
Оставляет выходное отверстие в конце каждого шва
Лучше всего подходит для простых прямых или плоских стыков
Сталь и титан быстро изнашивают инструмент

Где применяется

КосмосБаки горючего и окислителя ракет-носителей
Железная дорогаАлюминиевые кузова скоростных и пригородных поездов
СудостроениеБольшие алюминиевые палубные и бортовые панели
АвтомобилестроениеПоддоны аккумуляторов электромобилей, колёса, детали подвески
Электроника и отоплениеРадиаторы, холодные пластины, теплообменники котлов

Как узнать процесс

Гладкий плоский шов с тонкими равномерно расположенными отметками в виде полумесяцев, направленными в одну сторону.
Небольшая впадина там, где давило плечо, с тонкими завитыми заусенцами (облоем) по краям.
Круглое выходное отверстие в конце шва, если его не отрезали.

Сравните с

Дуговая сварка7.1плавит металл и добавляет присадку; проще для сложных форм, но даёт больше деформаций и дефектов на алюминии.Ультразвуковая сварка7.7тоже в твёрдом состоянии, но использует вибрацию для тонких фольг и проводов, а не для толстых плит.Сварка взрывом7.8другой метод в твёрдом состоянии, соединяет целые плиты сразу взрывом.

Смотрите

TheGrenzebachGroup · Принцип в объяснении производителя станков

RIFTEC GmbH - Videos · Погружение, движение и соединение в твёрдом состоянии — шаг за шагом

Manufacturing Technology, Inc. (MTI) · Реальный шов от погружения до выходного отверстия

ESAB · Промышленный станок в работе

Смотреть реальные фото

Википедия: сварка трением с перемешиванием — инструмент, зона перемешивания и применение на железной дороге, в космосе, на судах и автомобилях
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Трение, а не пламя или дуга, нагревает металл, и он никогда не плавится.
Штифт перемешивает две размягчённые кромки в одну, а плечо проковывает их вниз.
Особенно хороша на длинных алюминиевых швах: прочно, чисто и с малой деформацией.