Инновационный метод – сварка перемешиванием

Технологические сложности и низкая экономическая эффективность традиционных видов сварки при производстве деталей и изделий из алюминия привели к необходимости разработки принципиально нового метода. Так в 1991 году была запатентована перемешивающая сварка трением (ПСТ или сварка перемешиванием),получившая сегодня широкое применение во всем мире. Суть технологии заключается в следующем. При сварке перемешиванием происходит локальное размягчение заготовок посредством тепла, выделяемого за счет трения вращающегося инструмента (без плавящегося элемента),благодаря чему происходит пластификация свариваемых материалов, позволяющая перемешивать их в зоне стыка. Первое промышленное применение сварки перемешиванием было осуществлено в 1995 году при производстве полых алюминиевых панелей морозильных агрегатов глубокой заморозки для рыболовных судов. В настоящее время сварка перемешиванием применяется за рубежом во всех отраслях машиностроения, где используют алюминий и его сплавы.

Сварка перемешиванием в авиакосмической промышленности…

Технология сварки перемешиванием активно используется в авиастроении в производстве коммерческих и военных воздушных судов. Подразделение компании Boeing (США) применяет этот вид сварки для тонких соединений встык, внахлест и T-образных соединений, а также толстых стыковых. В производстве сложных деталей авиатехники также существует большая потребность в сварке на изогнутых участках. Компания Boeing продемонстрировала криволинейную сварку перемешиванием сложной створки шасси самолета, а также многослойных элементов со свариванием Т-образных соединений. Самолет-истребитель, на котором применялся этот вид сварки, уже прошел успешные полетные испытания.

Корпорация Eclipse Aviation Corporation (США) приняла решение использовать сварку перемешиванием вместо традиционной клепки. Это было первое применение данной технологии в производстве самолетов для коммерческой авиации и сопровождалось рекордным снижением времени и стоимости сборки воздушных судов. Применение сварки перемешиванием при изготовлении легкого пассажирского самолета Eclipse 500 позволило отказаться от 7000 единиц заклепок и крепежей. Сварка заменила все связанные с этими процессами операции и привела к значительному росту производительности – в 4 раза по сравнению с автоматизированной клепкой и в 20 раз – по сравнению с ручной. Кроме того, по сравнению с клепкой повысилась (до 3 раз) прочность соединений, а также улучшились характеристики их усталостной прочности. Тестирование полноразмерного, сваренного перемешиванием полого цилиндра, имитирующего фюзеляж самолета, показало, что усталостная стойкость такого фюзеляжа превысит срок службы самого самолета в несколько раз. Согласно руководству по эксплуатации Eclipse 500, изданному в 2006 году, самолету гарантируется минимальный срок службы 10 000 часов или 10 лет, в зависимости от того, что наступит раньше.

Авиационно-космической промышленностью США с помощью сварки перемешиванием изготавливаются из высокопрочных алюминиевых сплавов крупные отсеки для спутников. Первая ракета с отсеком-модулем, расположенным между ступенями и сваренным таким методом, была успешно запущена в августе 1999 года. В отчете компании Boeing отмечалось, что «особая конструкция спутниковых ракетоносителей Delta II и Delta IV, полученная с использованием ПСТ, позволила снизить себестоимость производства на 60% и сократить производственный цикл с 23 до 6 дней».

…в железнодорожном транспорте

В производстве железнодорожных подвижных составов все чаще использует технологию перемешивающей сварки благодаря сочетанию экономической эффективности процесса с хорошими эксплуатационным характеристикам получаемых швов. Конструкции, изготовленные сваркой перемешиванием, произвели настоящую революцию в строительстве поездов и трамваев. В Европе поставщики производителей железнодорожного подвижного состава используют этот процесс для изготовления крупных панелей, полученных сваркой алюминиевых экструдированных профилей. Компания Alstom LHB (Германия) с 1997 года применяет панели, сваренные методом перемешивания одностенного эструдированного алюминиевого профиля, для изготовления крыш железнодорожных вагонов пригородных поездов Копенгагена. В Японии целые железнодорожные составы собираются из полых экструдированных профилей, соединенных с помощью этой технологии.

Необходимость повышения безопасности транспортных средств, изготовленных из алюминия, является важным фактором, подогревающим интерес к сварке перемешиванием. Проблема заключается в склонности металла к разрушению в зонах теплового воздействия по стыкам деталей, сваренных традиционным способом. Такие разрушения наблюдались в результате ряда аварий, происшедших в Европе, например, в Германии в июне 1998 года и в Великобритании в октябре 1999 года. В докладе об аварии в Великобритании было рекомендовано рассмотреть вопрос «об использовании альтернативы сварке плавлением» и «об использовании улучшенных марок алюминия, которые были бы менее подвержены ослаблению на швах, полученных сваркой плавлением».

Сегодня конструкции поездов из алюминия характеризуются значительно более высокой сопротивляемостью ударным воздействиям. Современные железнодорожные вагоны все чаще изготавливают из алюминиевых продольно экструдированных одностенных или двустенных полых профилей. Благодаря отсутствию пересекающихся сварных швов и высокой стойкости панелей из них к продольным изгибам обеспечивается лучшая сопротивляемость вагона фронтальным ударам. Это наглядно демонстрируется случаем аварии с поездом Alstom Pendolino (частично сваренным методом сварки перемешиванием),который сошел с рельсов вблизи городка Грейригг (Великобритания) в феврале 2007 года на скорости 153 километра в час. Согласно результатам исследования железнодорожного происшествия поезд показал хорошую стойкость к ударным нагрузкам, благодаря которой число пострадавших в аварии было минимальным, а их травмы не привели к тяжелым последствиям.

Последние исследования ударопрочности алюминиевых вагонов наглядно продемонстрировали преимущества использования соединений сваркой перемешиванием, а также перспективность дальнейшего совершенствования и оптимизации этой инновационной технологии. Так пять железнодорожных компаний – Alstom, CAF, Angel Trains, HSBC Rail и «RSSB» объединились в проект EuroStir с целью развить применение сварки перемешиванием в железнодорожной отрасли, выведя эту прогрессивную технологию из лабораторий и внедрив ее в промышленные производственные цеха.

…в автомобилестроении

Преимущества сварки перемешиванием стремятся использовать и автопроизводители. Так, например, алюминиевый центральный туннель спортивного автомобиля «Ford GT» изготовлен с применением этого метода сварки. Являясь несущим элементом конструкции машины, он повышает жесткость кузова и одновременно используется как топливный бак.

Другой пример – компания Tower Automotive (США),производящая алюминиевые элементы подвески для лимузинов Lincoln Town Cars с удлиненной конструкцией. Тяги подвески изготовлены ими из двух профилей сваркой по методу ПСТ одновременно двумя шпинделями с обеих сторон шва и обладают повышенными усталостными характеристиками.

…в судостроении

В кораблестроении, помимо упомянутых в начале статьи панелей морозильников, сварка перемешиванием широко используется для производства палубных панелей паромов, круизных теплоходов, гражданских и военных и транспортных судов, включая корабли на воздушной подушке, а также боевых кораблей. Эту технологию сварки применяют также для изготовления герметичных вертолетных площадок и жилых строений для буровых платформ шельфовой нефтедобычи.

…и других отраслях

Сварка перемешиванием в настоящее время используется для изготовления широкого спектра изделий для различных сфер применения. Это катодные рубашки и радиаторы для электротехники, разнообразные корпусные детали и изделия, оборудование для нагрева, вентилирования и кондиционирования воздуха, различные резервуары, панели и компоненты для пищевой промышленности, пеналы для топливных элементов и ядерных отходов и многое другое. Технология используется не только применительно к алюминию, но также к материалам с более высокой температурой плавления: титану, меди, нержавеющей стали, различным сплавам, а также к соединениям из разнородных материалов.

Основными причинами быстрого распространения этой технологии в промышленности является снижение производственных затрат, хорошая повторяемость процесса, обеспечение высокой прочности сварного соединения, превосходные механические свойства швов, а также малая деформация свариваемых материалов.

В настоящее время продолжается научно-исследовательская работа по совершенствованию метода сварки перемешиванием, по сбору данных о механических и коррозионных свойствах, уточнению процедур по сварке стали, титана и других перспективных материалов и, наконец, по выявлению новых сфер применения.

Сварка перемешиванием является сегодня для российской промышленности инновационным методом, который технологически и экономически целесообразно широко использовать.

Поделиться в социальных сетях: