Классический способ сварки трением, при котором одна из деталей приводится во вращение, а другая поджимается к торцу первой осевым усилием, применяется достаточно широко на предприятиях РФ и стран СНГ при сварке ступенчатых деталей, приварке кованых или литых деталей к стержням, наконечников к бурильным трубам (рис.1­-2) на устаревшем отечественном оборудовании.

При сварке деталей из разнородных металлов начинает сказываться отличие их теплофизических свойств, и чем оно больше, тем сложнее получить сварное соединение с удовлетворительными техническими характеристиками.

Рис. 1 Приварка поковки к стержню        Рис. 2 Труба 90х10 мм

Как известно, сварка относится к классу двухстадийных топохимических реакций. На первой стадии происходит образование физического контакта, т.е. осуществление сближения соединяемых материалов на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия. На второй  – химическое взаимодействие, приводящее к образованию прочного соединения. Эта стадия обусловлена протеканием химической адсорбции, для осуществления которой требуется затрата энергии на активацию поверхности. При сварке в твердом состоянии сближение атомов и активация достигаются за счет совместной пластической деформации соединяемых металлов в зоне контакта, обычно в сочетании с дополнительным нагревом. Длительность этих двух стадий зависит от таких факторов, как теплофизические свойства соединяемых металлов, характера приложения давления и других средств активации.

Изложенный подход позволил предложить методы приближенной оценки параметров режима сварки статическим давлением. По ним длительность процесса образования физического контакта оценивается по скорости ползучести более мягкого или обоих свариваемых металлов (если их свойства одинаковы). Длительность стадии химического взаимодействия оценивается по уравнению Больцмана, как длительность периода активации поверхности более твердого металла.

Общие положения этой концепции с известным приближением могут быть распространены и на сварку трением, хотя условия развития деформации в зоне соединения существенно отличаются.

Также большое влияние на характер протекающих процессов оказывают особенности температурного режима, определяемого спецификой источника тепла. Известно, что саморегулирование процесса тепловыделения при сварке трением приводит в короткий срок к установлению температуры контактного сечения. При этом температура определяется теплофизическими свойствами менее тугоплавкого из двух свариваемых металлов и лежит несколько ниже температуры плавления последнего. Таким образом, в случае сварки металлов с резко отличными теплофизическими свойствами процесс образования соединений протекает при температуре, когда образование физического контакта за счет деформации менее жаропрочного металла происходит сравнительно быстро, а активация контактной поверхности более жаропрочного металла замедлена. Единственный путь ускорения активационных процессов на контактной поверхности жаропрочного металла – интенсификация пластической деформации. Последнее может быть достигнуто изменением схемы напряженного состояния приконтактной зоны свариваемого металла при проковке. Этого добиваются установкой формующей оправки на менее жаропрочный металл, которая препятствует его свободной пластической деформации и создает объемное напряженное состояние в зоне стыка. Таким образом, происходит достаточная для активации пластическая деформация микрообъемов металла в более жаропрочном металле – реализуется вторая стадия образования соединения – химическое взаимодействие.

При этом прочное сварное соединение образуется только в том случае, если за то же время процессы релаксационного характера не снизят прочность соединения в результате реактивной диффузии, приводящей к образованию хрупких интерметаллических прослоек. Так, при сварке трением алюминия со сталью, медью и титаном в зоне стыка образуется интерметаллид, толщина которого, несмотря на отсутствие расплавленного металла в зоне стыка, достигает при определенных условиях 6­8 мкм. Толщина этой прослойки, ее свойства в зависимости от состава и геометрии соединения определяют в итоге пластичность сварного соединения. Во многих случаях ограничить образование интерметаллида в зоне стыка удается применением жестких режимов сварки и больших давлений при проковке. Однако зачастую при сварке промышленных многокомпонентных сплавов влияние каждого в отдельности легирующего элемента и их суммы на скорость реактивной диффузии оказывается настолько существенным, что никакие меры не приводят к получению соединений, обладающих высокими механическими характеристиками.

Как уже отмечалось ранее, при сварке трением металлов с такими резко отличными теплофизическими свойствами, как у алюминия и стали, макродеформация более жаропрочного металла практически отсутствует. При этом условии косина торцов заготовки последнего определяет наличие осевого биения, которое, сохраняясь в течение всего процесса сварки, препятствует полному контактированию свариваемых металлов и, следовательно, равномерному нагреву торца заготовки жаропрочного металла. В связи с этим необходимым условием подготовки детали из более жаропрочного металла является ее предварительная торцовка в зажимах машины сварки трением.

Рис. 3 Турбина наддува дизеля

На сегодняшний день эта технология сварки трением применяется для соединения быстрорежущих сталей с конструкционными, аустенитных с перлитными и жаропрочных сталей с конструкционными (рис. 3).

Она  позволила решить проблему получения прочных, пластичных, вакуумноплотных и долговременно надежных соединений АМг6 с титаном и сталью 12Х18Н10Т, используемых на предприятиях Роскосмоса для изготовления переходников, соединяющих между собой трубопроводы из алюминиевого сплава и титана или нержавеющей стали.

В середине прошлого века ВНИИЭСО отработал технологию сварки трением этих соединений через прослойку из технически чистого алюминия АД1 и создал на ее основе машину МСТ­31. На ряде предприятий это оборудование эксплуатируется до сих пор, однако оно уже давно физически и морально устарело.

В начале 2008 г. ВНИИЭСО приступил к разработке машин сварки трением нового поколения с гидроприводом всех рабочих перемещений, жесткими направляющими, гарантирующими соосность сварных соединений и микропроцессорной системой управления.

К работам подключился ЗАО «Завод «Ленремточстанок». Была проведена существенная доработка механических узлов машины, гидростанции, создана система управления, обеспечивающая загрузку основных параметров процесса с сенсорной панели пульта управления, стабилизацию параметров, запись регистрограмм каждого цикла и передачу их на ПК для распечатки и архивирования. За последние три года разработаны, изготовлены и поставлены заказчику для сварки сталеалюминиевых и титаноалюминиевых переходников четыре единицы трех типоразмеров машин (см. табл. 1 и рис. 4).

Рис. 4 Машина МСТ-3001

Скорость вращения шпинделя 900 об/мин.

Приведенные в таблице машины могут быть успешно использованы для сварки и других сочетаний металлов при условии, что диаметры, поперечные сечение сварных соединений и их длина не превышают приведенных в таблице величин. В то же время ЗАО «Завод «Ленремточстанок» готов модернизировать машины, например, создать правый зажим для закрепления деталей неограниченной длины и с целью сварки больших сечений повысить мощность и осевое усилие.

Сегодня процесс активно используется на ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева», где сваркой трением изготавливается широкий ассортимент деталей и узлов диаметром от 15 до 50 мм.  Это главным образом биметаллические и триметаллические переходники (рис. 5­-7), а также корпуса электропневмоклапанов. Основные свариваемые сочетания металлов: АМг6+АД1+12Х18Н10Т; титановые сплавы +АД1+12Х18Н10Т; 12Х18Н10Т+1088Ш.

Рис. 5 Биметаллический фланец топливного бака

Рис. 6 Триметаллический (сталь – алюминий – титан) переходник

Рис. 7 Биметаллический фланец большого диаметра

Используемое оборудование: МСТ­31 (работает с 60­х годов прошлого века), МСТ­2001­ГД88 (с 80­х) и машина нового поколения МСТ­2202 (с 2011 г.). Все машины снабжены суппортом для подрезки торца заготовок.

Сочетания нержавеющая сталь ­ алюминиевый сплав и нержавеющая сталь ­ титановый сплав свариваются через прослойку из технически чистого алюминия АД1 последовательно.

Вначале свариваются заготовки из АД1 и АМг6 с предварительной торцовкой в зажиме машины заготовки из АМГ6. Далее проводится механическая обработка полученного соединения с целью удаления грата и подрезки приваренного АД1 на установленный технологией размер, необходимый для проведения второй сварки с заготовкой из нержавеющей стали.

Торец заготовки из нержавеющей стали имеет коническую форму, предварительно обработанную на угол 45⁰ и протачиваемый перед сваркой в зажимах машины по конической поверхности с целью устранения радиального и осевого биения. Для ограничения пластической деформации при сварке алюминия АД1 на последний устанавливается обжимное стальное кольцо с внутренним диаметром на 1­2 мм больше диаметра заготовки.

Перед сваркой каждой партии деталей проводится обязательная сварка двух образцов для испытаний на изгиб. Сварка считается качественной, если угол загиба АД1 составил не менее 120⁰ без разрушения по сварному стыку (рис. 8)

Рис. 8 Образец после испытаний на изгиб диаметром более 25 мм

Кроме того, от партии полностью механически обработанных переходников не менее двух штук доводят до разрушения внутренним гидравлическим давлением с предварительным вибрационным нагружением. Разрушение по сварным стыкам считается браковочным признаком.

На одном из предприятий Красноярского края заканчивается отработка технологии сварки биметаллических переходников диаметром 87,5х63 мм на машине МСТ­3001. Результаты испытания этих соединений на изгиб приведены на рис. 9.

Рис. 9 Соединение АМг6+АД1+ВТ14 ∅ 87,5х63 после испытания на изгиб

В качестве примера сварки трением других пар разнородных металлов может быть приведена работа ЗАО «Завод «Ленремточстанок», выполненная по заказу ЦНИИМС для создания ярма электромагнита с постоянной величиной тяги на заданном отрезке пути. Сваривались заготовки двух типов ярма трубчатой конструкции с наружным и внутренним диаметрами 29х16 и 25х20 мм из отожженной электротехнической стали 10880 ГОСТ 11036­75  с проставкой из бронзы БрАМц9­2 ГОСТ 18175­78. Длина бронзовой проставки по заданию – в пределах 7 мм – 8 мм (рис. 10). Сварка проведена на машине МСТ­31 с контролем процесса по величине осадки при нагреве. Качество сварных соединений проверялось испытаниями на загиб вырезанных лепестков. При угле загиба 135⁰  – разрушения не наблюдалось.

Рис. 10 Электротехническая сталь с бронзой

Проведен контроль герметичности соединений подачей во внутреннюю полость жидкости в течение 5 мин. под давлением 30 МПа (300 атм) для первого типа  ярма и 7 МПа (70 атм) для второго типа ярма – течи не наблюдалось. При подаче в полость ярма первого типа давления 80 МПа (800 атм) разрушения не произошло. Соединения установлены в опытные изделия.

В завершение следует рассказать о появившихся в последние годы за рубежом новых видах сварки трением. Первый – сварка трением­перемешиванием (stir friction welding), предназначенная для стыковой сварки изделий из листов алюминия и его сплавов толщиной от 2 до 30 мм при температурах ниже температуры плавления. По данным исследований, процесс обеспечивает более высокую стабильность качества соединений, производительность и экономичность, по сравнению с  аргонодуговой сваркой, позволяет производить сварку алюминиевых сплавов, склонных к трещинообразованию. Применяется метод в ракетостроении для сварки корпусов, судо­ и автомобилестроении, при изготовлении пассажирских железнодорожных вагонов и т.п.

Процесс заключается  в нагреве  до пластичного состояния кромок листа за счет трения вращающегося инструмента, интенсивного перемешивания металла, доведенного до пластичного состояния и формирования поверхности металла в зоне стыка. Инструмент представляет собой охлаждаемый цилиндр со штырем специальной формы и длиной чуть меньшей толщины листа, вращающегося внутри свариваемого металла, и заплечиком, формирующим внешнюю поверхность металла зоны стыка. Нижняя поверхность шва формируется подкладкой. Диаметр штыря 5­10 мм, а заплечика, поджимаемого к поверхности листа определенным усилием, порядка 30 мм. Процесс сварки реализуется при перемещении вращающегося инструмента вдоль стыка надежно закрепленных листов. Серьезная проблема – создание износостойкого штыря и разработка индивидуального для каждого изделия оборудования, обеспечивающего жесткое закрепление конкретной конструкции в процессе сварки. Основные параметры процесса: скорость вращения, усилие поджатия заплечика, скорость перемещения инструмента и геометрия штыря.

Появились сообщения о широком применении точечной stir friction welding и использовании робототехники, как для точечной сварки, так и для сварки листов. Последняя информация очень интересна, т.к. закрепление рабочей головки на роботе создает универсальное оборудование, которое может применяться при сварке любых изделий, закрепленных в индивидуальных зажимных устройствах. В этом случае процесс может широко использоваться в промышленности. Ряд отечественных предприятий приступил к работам в этом направлении.  

За рубежом предлагаются машины для еще одной новой разновидности сварки трением – линейной сварки (ЛСТ). Процесс применяется для соединения таких материалов, как сталь, алюминий, титан и др. ЛСТ используется ведущими мировыми компаниями, выпускающими авиационные двигатели  и осуществляющими сварку турбинных лопаток к дискам. Они сделаны из титана и никелевых сплавов. ЛСТ может применяться также в машиностроительной, энергетической и металлургической индустриях.  Первые изделия были изготовлены для авиакосмической индустрии. Информация об использовании линейной сварки трением в РФ отсутствует.

к.т.н. Л.А.Штернин, инж. М.П. Жидков, инж. А.Р. Лаптев

ЗАО «Завод «Ленремточстанок»

инж. И.Д. Махин, инж. П.С. Петровичев 

ЗАО «ЗЭМ РКК «Энергия» им. С.П. Королева»

Тел. 812­528­61­72, моб. 8­911­913­85­97

e­mail: lev.schternin@gmail.com