1.2.3. Прочность соединений, которые обеспечивает перемешивающая сварка трением

Сравнительные исследования свойств соединений перемешивающей сваркой трением высокопрочных алюминиевых термически не упрочняемых и термически упрочняемых сплавов, например, сплавов 5083 (группы Al—Mg) и 6082 (группы Al—Si—Mg), показали, что по пределу прочности соединение сплава 5083 близко к основному материалу (коэффициент прочности σ_{в соединения} / σ_{0,2 осн} ≥ 0,9). Для соединения сплава 6082 коэффициент прочности снижается до 0,65 [13] вследствие разупрочнения зоны термического воздействия, по которой при испытании идет разрушение. У сварных образцов сплава 5083 разрушение происходит в зоне ядра шва. Установлено [12,21], что σ_{в соединения} увеличивается при увеличении скорости сварки и частоты вращения инструмента до определенного значения. При дальнейшем увеличении этих параметров σ_{в соединения} сплава 5083 снижается (табл. 1), как и сплава 6082, если продолжать увеличивать скорость сварки.

Таблица 1.

Параметр	Сплав 5083					Сплав 6082
Толщина пластин, мм	15	10	10	6	6	10	10	5	5
Скорость сварки, см/мин	4,6	6,6	9,2	3,2	13,2	26,64	37,4	53	75
σв, МПа	318	344	331	312	303	226	236	254	254

Рис. 24. Механические свойства соединений, полученных фрикционной сваркой (приведены минимальные значения, испытывали 5 образцов толщиной 4,0 мм)

Уровень усталостной прочности соединений после сварки трением с перемешиванием термически не упрочняемого сплава 5083 также выше при меньшей дисперсии значений, чем термически упрочняемого сплава 6082 [21,22]. Большое количество данных по усталостным характеристикам соединений перемешивающей сваркой трением, в обобщенном виде введено в Европейские рекомендации по проектированию конструкций из алюминиевых сплавов, работающих в условиях усталости (ECCS 68.1992), а также в британский стандарт BS 8118, ч. 1 "Использование алюминия в конструкциях".

Опубликованные результаты исследований процесса перемешивающей сварки трением и свойств соединений алюминиевых сплавов разных групп легирования подтверждают необходимость разработки для каждого из сплавов параметров режима сварки, соответствующих его термомеханическим характеристикам. С этим, по-видимому, связано появление большого количества публикаций о технологии и свойствах соединений перемешивающей сваркой трением алюминиевых сплавов разных марок: 2024 [23, 24], 2095 [25], 2195 [26], 2524 [27], 7010 [28], 7050 [29], 7075 [23, 30—32], а также АМг6 с 1201 [33, 34] и Д19 с 1420 [35] и других сплавов.

Результаты испытания соединений сплавов 2014, 7075 и 1201, АМг6 на общую коррозию, межкристаллитную коррозию и коррозию под напряжением в агрессивной среде, в том числе в контакте с компонентами топлива, показывают значительное преимущество сварки трением с перемешиванием перед сваркой плавлением. Также сообщается о высоких показателях механических свойств соединений алюминиевых сплавов 5083, 1201 и АМг6 при криогенной и повышенной температурах, что обеспечило возможность использования соединений сваркой трением с перемешиванием в конструкции топливных емкостей и баков изделий авиационной и космической промышленности.

Рис. 25. Линия пересечения контактных поверхностей соединяемых деталей с границей шва (отмечена стрелкой)

В последние годы увеличилось число публикаций о результатах разработок и исследований процесса перемешивающей сварки трением разных типов соединений — нахлесточных, угловых и тавровых. Однако в этих работах при перемешивающей сварке трением тавровых и угловых соединений не обеспечено  формирование галтелей с плавным сопряжением поверхностей элементов профиля. Такое соединение имеет небольшой ресурс при циклических нагрузках и благоприятные условия для развития коррозии.

Большое внимание уделяется исследованию особенностей процесса сварки нахлесточных соединений, что связано с востребованностью их для многих изделий. Работоспособность данного соединения предлагается оценивать по критерию EST (эффективной толщине листа, определяемой расстоянием от наружной поверхности шва до линии пересечения контактных поверхностей соединяемых листов с границей шва) (рис. 25). Чем меньше изгиб контактных поверхностей вблизи шва, тем больше EST и прочность соединения. В результате эксперимента получен коэффициент прочности, равный 0,86 для нахлесточного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием сплавов 2024 (верхний лист толщиной 3 мм) и 7075 (нижний лист).

Заметно возросло число публикаций по исследованию процесса перемешивающей сварки трением материалов с более высокой, чем у алюминиевых сплавов, температурой перехода в пластическое состояние, например, сплавов магния AZ31 и AZ91, меди и медных сплавов, титановых сплавов и сталей. Во многих работах отмечается, что до практической реализации процесса ПСТ в производстве ответственных титановых и стальных конструкций должны быть проведены дополнительные исследования и разработки по совершенствованию инструмента, оборудования и технологического процесса с целью получения устойчивых результатов по формированию соединения и его рабочим характеристикам.

Сложные сварные конструкции могут содержать соединения разноименных и разнородных материалов. Судя по публикациям, процесс перемешивающей сварки трением разноименных алюминиевых сплавов широко исследовался. Отработаны технологии и получены рабочие характеристики соединений алюминиевых сплавов разных групп легирования в разноименном сочетании, превосходящие аналогичные при сварке плавлением и вполне приемлемые для практического использования в конструкциях изделий ответственного назначения.

В значительно меньшей степени готов к промышленному применению процесс перемешивающей сварки трением разнородных материалов (с большим различием термомеханических характеристик). Имеются сведения об исследованиях процесса ПСТ соединений разнородных материалов, например, в сочетаниях алюминиевый сплав с магниевым сплавом, медным сплавом и сталью. Получены некоторые представления об особенностях процесса, сформулированы требования к ориентации инструмента относительно линии стыка, определена область оптимальных скоростей вращения инструмента и другие параметры, например при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 5083 с низкоуглеродистой сталью S400. Прочность соединения при этом составила 0,86 прочности основного материала (алюминиевого сплава).

Применение сварки трением с перемешиванием разнородных материалов в промышленном производстве изделий ответственного назначения, по мнению исследователей, будет возможным после проведения дополнительных экспериментов и разработок.

В последние пять лет основными видами неразрушающего контроля соединений, полученных перемешивающей сваркой трением, остаются визуальный (оптический) контроль и ультразвуковой контроль (УЗК), в том числе автоматический (аппаратура УЗК встраивается в установку). Следует отметить попытку использовать в качестве неразрушающего метода контроля акустическую эмиссию. Этим методом можно получать полезную информацию о дефектах в шве, поскольку дефекты разных типов дают разные сигналы, которые по-разному отражаются на частотных диаграммах.

Таким образом, из анализа публикаций следует, что к промышленному применению можно считать практически подготовленным процесс сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в одноименном и разноименном сочетаниях.