4. Процесс сварки
4.1. Общие положения
Перемешивающая сварка трением – один из самых молодых типов сварки. Он очень интенсивно изучается в наше время и уже достаточно хорошо изучен, но остается ещё много белых пятен, которые требуют все больше исследований и экспериментов. Не так важна форма инструмента сколько режимы сварки, ведь именно от них зависит сколько продержится инструмент. Ученые Британского Института Сварки создали эмпирическую формулу [10], связывающую скорость сварки, тип и толщину свариваемого материала, и геометрию инструмента.
V=Φ·β/t
Где V – это скорость продольной подачи, мм/мин;
Φ – коэффициент, зависящий от типа материала;
β – коэффициент, зависящий от геометрии инструмента;
t – толщина материала, мм;
Для простого инструмента β =1, для сложного β =2;
Φ для различных материалов:
свинец = 3700
магний = 400
медь = 300
титан = 100
сплав алюминия 6xxx = 1200
сплав алюминия 5xxx = 700
сплав алюминия 7xxx and 2xxx = 600
4.2. Особенности сварки
4.2.1. Проникновение тепла вглубь материала
Для процесса перемешивающей сварки трением важно, чтобы материал был достаточно сильно разогрет для перехода в пластичное состояние. В то же время нельзя допускать перегрева, иначе можно повредить инструмент и создать бракованную деталь. Главное это подобрать нужные режимы для сварки. В большинстве случаев их подбирают экспериментальным путем. [8]
Рис. 62. распространение тепла вглубь материала. Алюминиевый сплав 5083-H18
Усталостные характеристики
Остаточные напряжения в сварных швах полученных перемешивающей сваркой трением – одна из важнейших тем для исследования. Ведь именно усталостных характеристик шва зависит его работоспособность и долговечность. И так как ПСТ намного превосходит обычную сварку по многим показателям, в том числе и по усталостным характеристикам, она и получает все большее распространение.
Рис. 63. Продольные остаточные напряжения сваренных друг с другом пластин из разных алюминиевых сплавов
Из-за асимметрии шва усталостные характеристики распределяются неравномерно. Как правило, для ответственных конструкций применяют такие технологические схемы движения инструмента как Re-Stir или Twin-Stir для того, чтобы избавиться от асимметрии и избежать появления концентраторов напряжений на границах сварного шва.
Режимы сварки
Таблица 5. Материал инструмента и толщина для разных сплавов [1]
Сплав |
Толщина (мм) |
Материал инструмента |
Алюминиевые сплавы |
<12 |
Инструментальная сталь, WC-Co * |
<26 |
MP159 (никель-кобальтовый сплав) |
|
Магниевые сплавы |
<6 |
Инструментальная сталь, WC** |
Медь и медные сплавы |
<50 |
Никелевые сплавы, вольфрамовые сплавы, поликристаллический кубический нитрид бора (ПКНБ) |
<11 |
Инструментальная сталь |
|
Титановые сплавы |
<6 |
Вольфрамовые сплавы |
Нержавеющие стали |
<6 |
ПКНБ, вольфрамовые сплавы |
Низколегированные стали |
<10 |
WC, ПКНБ |
Никелевые сплавы |
<6 |
ПКНБ |
* WC-Co – композиционный материал, карбид вольфрама на кобальтовой матрице
** WC – карбид вольфрама
Таблица 6. Режимы сварки алюминиевых сплавов [1]
Материал |
Толщина пластины (мм) |
Скорость вращения (об/мин) |
Скорость продольной подачи (мм) |
Размер зерен |
7075 Al-T6 |
6.35 |
… |
127 |
2-4 |
6061 Al-T6 |
6.3 |
300-1000 |
90-150 |
10 |
Al-Li-Cu |
7.6 |
… |
… |
16 |
7075 Al-T651 |
6.35 |
350,400 |
102,152 |
3.8,7.5 |
6063 Al-T4,T5 |
4 |
360 |
800-2450 |
5.9-17.8 |
6013 Al-T4,T6 |
4 |
1400 |
400-450 |
10-15 |
1100 Al |
6 |
400 |
60 |
4 |
5054 Al |
6 |
… |
… |
6 |
1080 Al-O |
4 |
… |
… |
20 |
5083 Al-O |
6 |
… |
… |
4 |
2017 Al-T6 |
3 |
1250 |
60 |
9-10 |
2095 Al |
1.6 |
1000 |
126-252 |
1.6 |
Al-Cu-Mg-Ag-T6 |
4 |
850 |
75 |
5 |
2024 Al-T351 |
6 |
… |
80 |
2-3 |
7010 Al-T7651 |
6.35 |
180,450 |
95 |
1.7,6 |
7050 Al-T651 |
6.35 |
350 |
15 |
1-4 |
Al-4Mg-1Zr |
10 |
350 |
102 |
1.5 |
2024 Al |
6.35 |
200-300 |
25.4 |
2.0-3.9 |
7475 Al |
6.35 |
… |
… |
2.2 |
5083 Al |
6.35 |
400 |
25.4 |
6.0 |
2519 Al-T87 |
25.4 |
275 |
102 |
2-12 |