УДК 621.791

Сварка трением с перемешиванием легких металлов для промышленного применения

Пятаев Дмитрий Александрович – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Кайзер Денис Сергеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Зимин Максим Алексеевич – магистрант Сибирского государственного университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева.

Аннотация: Высокий потенциал сварки трением с перемешиванием уже широко используется в промышленности. В сочетании с подходящей концепцией машины эта технология подходит для небольших компонентов и может быть расширена для применения на конструкциях длиной в несколько метров. Используя систему с поддержкой 3D, достаточно жесткую, чтобы выдерживать высокие технологические усилия, механическую обработку и сварку трением с перемешиванием сложных геометрических форм можно выполнять непосредственно за одну установку. Для обеспечения воспроизводимых высококачественных сварных швов необходимы соответствующие стратегии контроля. Кроме того, использование различных типов инструментов, таких как стандартные или бобины, может значительно расширить диапазон свариваемых геометрий.

Ключевые слова: сварка, сварка трением с перемешиванием, промышленное применение.

Сварка трением с перемешиванием – это процесс соединения сходных или разнородных материалов в твердом состоянии. Она обычно создает сильные силы во время сварки; поэтому жесткость и устойчивость к усилию являются основными факторами конструкции машины. Распространенными решениями являются жесткие, часто настраиваемые системы ЧПУ, основанные на декартовой компоновке, такие как портальные системы или системы с С-образной рамой. Поскольку эти концепции часто разрабатываются для специальных задач сварки, их сложно перенастроить для других приложений сварки. Кроме того, инвестиционные затраты выше из-за высоких требований к жесткости и необходимости настройки. Хотя такие специализированные машины являются хорошим выбором для серийного производства ограниченного ассортимента продукции, напр. алюминиевых профилей, многие пользователи ищут решения с более низкими инвестиционными затратами и большей гибкостью с точки зрения возможных применений. Здесь альтернативой являются модифицированные фрезерные станки: напр. Преимущество стандартных декартовых фрезерных станков заключается в более низких инвестиционных затратах, хотя цены по-прежнему сильно зависят от необходимого рабочего пространства. Кроме того, необходимо учитывать дополнительные затраты на внедрение. Однако, поскольку исходное применение (например, фрезерование) все еще доступно, такие системы имеют более широкую область применения.

Для более сложных контуров, даже 3D-структур, роботизированные системы использовались в нескольких исследованиях. В дополнение к широкому спектру применения эта концепция машины имеет преимущество значительно более низких инвестиционных затрат. Сообщается, что для сварки трением с перемешиванием технологические усилия составляют 9,0 кН. Благодаря их последовательной кинематической компоновке можно охватить относительно большое рабочее пространство, а в благоприятных положениях в настоящее время возможна полезная нагрузка до 13,0 кН. Улучшения основного недостатка роботизированной системы (недостаточная точность позиционирования и жесткость) - тема, которая обсуждалась в литературе. Это еще больше увеличило применимость сварки трением с перемешиванием в последовательной кинематике. Чтобы уменьшить проблемы низкой динамики и больших отклонений, были реализованы сложные системы управления для компенсации перпендикулярного и поперечного положения сварочной головки по отношению к поверхности детали и месту соединения.

Цели настоящей работы включали оценку альтернативных кинематических решений, определение подходящей концепции машины, которая может быть использована для широкого спектра применений сварки трением с перемешиванием, а также разработку и внедрение процесса сварки трением с перемешиванием на примере системы, основанной на на модифицированной стандартной машине. Это исследование может быть особенно полезным в отраслях, требующих соединения сложных и/или крупных деталей, таких как аэрокосмическая, автомобильная, железнодорожная и судостроительная отрасли. В дополнение к возможности сварки 3D-конструкций необходимо было учитывать оптимальное соотношение площади и рабочего пространства. Важны также инвестиционные затраты, а также возможность легкой перенастройки и расширения системы для широкого круга сварочных задач. Дополнительные комбинации процессов, включая интегрированную подготовку сварных швов, должны дополнять систему. Использование этих инструментов открывает новые пути промышленного внедрения сварки трением с перемешиванием, некоторые из которых будут продемонстрированы в этой работе. Это делается посредством сварки трением с перемешиванием незакрепленных и сложных компонентов, состоящих из легких сплавов. Сварные пары включали несколько алюминиевых сплавов, а также пары из смешанных материалов.

Хорошо известно, что процесс сварки трением с перемешиванием требует стратегий управления для обеспечения воспроизводимых результатов сварки высокого качества. Отклонение в толщине материала, изменение температурных условий, упругая деформация зажимной системы, износ инструмента или даже неточно установленный инструмент могут привести к различному качеству сварного шва или дефектам сварки. Поэтому следующим шагом было внедрение необходимых механизмов контроля. В литературе обсуждаются несколько возможностей для различных задач сварки. Чтобы исследовать влияние различных стратегий управления в зависимости от задачи сварки, целью было внедрить и исследовать все типичные типы управления. Для простоты по возможности избегали внешних датчиков или приводов и применялись интегрированные системы стандартной конфигурации машины. В этом проекте было реализовано управление силой, крутящим моментом и положением для управления перпендикулярным положением инструмента по отношению к поверхности детали в режиме реального времени. Как будет объяснено более подробно позже, управление силой и крутящим моментом было реализовано без дополнительного оборудования. Датчик был использован для контроля положения. Соответствующую стратегию управления можно выбрать через удобный интерфейс, в котором также устанавливаются важные граничные условия.

Таким образом, по результатам исследований можно сделать вывод, что сварка трением с перемешиванием позволяет получить качественное соединение при меньших нагрузках на конструкцию оборудования. Следовательно, данное направление открывает новые возможности в развитии перемешивающей сварки трением, особенно применительно к материалам с высокой температурой плавления.

Список литературы

1. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А., Кузнецов В.А., Шлыкова А.В., Пыжов В.В., Технология конструкционных материалов. Профессиональное образование, 2008 г.
2. Конюшков Г.В., Мусин Р.А. Специальные методы сварки давлением. Учебное пособие.- Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. – 632 с.
3. Ольшанский Н.А., Николаев Г.А. «Специальные методы сварки». М., “Машиностроение ” , 1999. 232 с.
4. Теория сварочных процессов: Учебник для вузов / А.В. Коновалов, А.С. Куркин, Э.Л. Макаров, В.М. Неровный, Б.Ф. Якушин; под ред. В.М. Неровного. – М.: Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2007. – 752 с.