Existuje široká škála metód zvárania. Medzi nimi je taký exotický proces ako zváranie trením. Jeho charakteristickým znakom je absencia spotrebného materiálu, ako sú elektródy, zvárací drôt, ochranné plyny. Novo vyvinutá metóda získava široké uznanie.
História vzhľadu
História zvárania trením s premiešaním (FSW) začala v roku 1991. Išlo o inovatívny vývoj British Welding Institute (TWI). O niekoľko rokov neskôr bola táto technológia použitá pri stavbe lietadiel a lodí.
Prvými spoločnosťami, ktoré zaviedli novú technológiu do výroby, boli Norwegian Marine Aluminium a americký Boeing. Vo svojich podnikoch použili zváracie zariadenia od koncernu ESAB, ktorý sa špecializuje na vývoj v oblasti rotačného fričného zvárania (PCT).
Od roku 2003 spoločnosť neustále skúma možnosti frikčného zvárania. Napríklad tam boliboli vyvinuté metódy zvárania hliníkových zliatin a ich modifikácií, ktoré sa používajú pri stavbe lietadiel, lodí a železničných kontajnerov.
V leteckom priemysle sa zistilo, že je možné nahradiť nitované spoje zváranými. Navyše rýchlosť zvárania metódou FSW výrazne prevyšuje rýchlosť elektrického oblúka. 6 m dlhý zvar je možné vytvoriť za jednu minútu, zatiaľ čo konvenčná rýchlosť zvárania je len 0,8-2 m/min pri hrúbke dielu 0,5 cm.
Podstata procesu
Spájanie kovov sa vyskytuje v dôsledku zahrievania v zóne zvárania metódou trenia. Hlavným zváracím nástrojom trecieho zvárania premiešavaním je kovová tyč, ktorá sa skladá z dvoch polovíc: goliera a ramena.
Otočná tyč je svojou vyčnievajúcou časťou ponorená do materiálu, čo spôsobuje silné zahrievanie. Jeho zásoba je obmedzená ramenom, ktoré neumožňuje priechod zváraného obrobku. V ohrievacej zóne materiál výrazne zvyšuje svoju plasticitu a pritlačený ramenom tvorí jednu hmotu.
Ďalším krokom je pohyb tyče pozdĺž zváranej zóny. Pri pohybe dopredu sa v ramene mieša zahriata kovová hmota, ktorá po ochladení vytvorí pevné spojenie.
Čo ovplyvňuje kvalitu STP
Zváranie trením je neustále sa vyvíjajúci proces. Ale už teraz existuje niekoľko parametrov, ktoré ovplyvňujú kvalitu pripojenia:
- Sila generovaná nástrojom.
- Rýchlosť posuvuzváracia hlava.
- Hodnota ramena.
- Obvodová rýchlosť otáčania tyče.
- Uhol naklonenia.
- Podávacia sila prúta.
Manipulácia s charakteristikami zvárania umožňuje dosiahnuť spojenie rôznych kovov. Napríklad hliník a lítium. Lítium môže vďaka svojej nízkej hustote a vysokej pevnosti pôsobiť ako legujúca zložka častí z hliníkovej zliatiny, čo umožňuje použitie tejto technológie v leteckom priemysle.
Zváranie trením môže jednoducho nahradiť kovanie, razenie, odlievanie, keď sa používajú na výrobu dielov z ťažko zlúčiteľných kovov. Napríklad ocele s austenitovou a perlitovou štruktúrou, ocele vyrobené z hliníka alebo bronzu.
V akých oblastiach sa používa
Odvetvia ako automobilový priemysel neustále pracujú na tom, ako zvýšiť pevnostné vlastnosti produktu a zároveň znížiť jeho hmotnosť. V tomto smere neustále dochádza k zavádzaniu nových materiálov, ktoré boli predtým necharakteristické z dôvodu zložitosti spracovania. Čoraz častejšie sa konštrukčné prvky, ako sú pomocné rámy a niekedy aj celé karosérie, vyrábajú z hliníka alebo z kombinácie hliníka.
V roku 2012 Honda použila aditívnu výrobu a zváranie trením s miešaním na výrobu pomocných rámov pre svoje vozidlá. Predstavili kombináciu ocele a hliníka.
Pri výrobe zvarencov karosérie z hliníka môže dôjsť k prepáleniu plechov. Tento nedostatok je zbavený STP. okrem tohospotreba elektriny sa zníži 1,5-2 krát, znížia sa náklady na spotrebný materiál ako zvárací drôt, ochranné plyny.
Okrem výroby automobilov sa STP používa v nasledujúcich oblastiach:
- Stavebný priemysel: hliníkové nosníky, mostné rozpätia.
- Koľajová doprava: rámy, kolesové podvozky, vagóny.
- Stavba lodí: priedely, konštrukčné prvky.
- Lietadlo: palivové nádrže, časti trupu.
- Potravinársky priemysel: rôzne nádoby na tekuté produkty (mlieko, pivo).
- Elektrická výroba: kryty motorov, parabolické antény.
Okrem hliníkových zliatin sa trecie zváranie premiešavaním používa na získavanie zlúčenín medi, napríklad pri výrobe medených nádob na likvidáciu vyhoreného rádioaktívneho paliva.
Výhody STP
Štúdium FSW umožnilo vybrať režimy zvárania pri spájaní rôznych skupín zliatin. Napriek tomu, že spočiatku bol FSW vyvinutý na prácu s kovmi s nízkou teplotou topenia, ako je hliník (660°C), neskôr sa začal používať na spájanie niklu (1455°C), titánu (1670°C), železa (1538 °C).
Výskum ukazuje, že takto získaný zvar plne zodpovedá svojou štruktúrou kovu zvarených dielov a má vyššie ukazovatele pevnosti, nižšie náklady na pracovnú silu a nízku zvyškovú deformáciu.
Správnezvolený režim zvárania zaručuje zhodu zvarového materiálu a zváraného kovu podľa nasledujúcich ukazovateľov:
- únavová sila:
- pevnosť v ohybe a v ťahu;
- húževnatosť.
Výhody oproti iným typom zvárania
STP má mnoho výhod. Medzi nimi:
- Netoxický. Na rozdiel od iných odrôd nedochádza k horeniu elektrického oblúka, vďaka ktorému sa roztavený kov odparuje v zóne zvárania.
- Zvýšená rýchlosť tvorby švu, výsledkom čoho sú rýchlejšie časy cyklu.
- Zníženie nákladov na energiu o polovicu.
- Nie je potrebné ďalšie spracovanie zvaru. Friction Stir Tool vytvára dokonalý zvar bez potreby odizolovania.
- Nie je potrebný ďalší spotrebný materiál (zvárací drôt, priemyselné plyny, tavivá).
- Schopnosť získať kovové spoje, ktoré nie sú dostupné pre iné typy zvárania.
- Nie je potrebná žiadna špeciálna príprava zvarových hrán, okrem čistenia a odmasťovania.
- Získanie homogénnej štruktúry zvaru bez pórov, výsledkom čoho je jednoduchšia kontrola kvality, ktorá je regulovaná pre zváranie trením s premiešavaním GOST R ISO 857-1-2009.
Ako sa kontroluje kvalita zvaru
Kvalitu zvárania kontrolujú dva typy kontroly. Prvá zahŕňa zničenie prototypu vyplývajúceho zspojenie dvoch častí. Druhý umožňuje overenie bez zničenia. Používajú sa metódy ako optická kontrola, audiometrické vyšetrenie. Pomáha určiť prítomnosť pórov a nehomogénnych inklúzií, ktoré zhoršujú vlastnosti švu. Výsledkom kontroly zvuku je diagram, ktorý jasne ukazuje miesta, kde sa akustická ozvena odchyľuje od normy.
Nevýhody metódy
S mnohými výhodami má metóda trecieho zvárania sprievodné nevýhody:
- Nedostatok mobility. STP zahŕňa spojenie pevných častí, pevne upevnených v priestore. To spôsobuje určité vlastnosti trecích zariadení na zváranie premiešavaním, ako je napríklad nehybnosť.
- Nízka všestrannosť. Objemné vybavenie je nakonfigurované na vykonávanie rovnakého typu operácií. V tomto ohľade sú zariadenia na zváranie navrhnuté pre špecifické úlohy. Napríklad na zváranie bočných stien auta na dopravníku a na nič iné.
- Zvarový šev má radiálnu štruktúru. V tomto ohľade sa pri určitých typoch deformácií alebo pri prevádzke dielu v agresívnom prostredí môže nahromadiť únava zvaru.
Odrody STP podľa princípu činnosti
Zváracie procesy založené na trení možno rozdeliť do niekoľkých typov:
- Lineárne trenie. Podstatou metódy je získať trvalé spojenie nie v dôsledku pôsobenia rotujúceho hrotu, ale v dôsledku vzájomného pohybu častí. Pôsobením na povrchu v mieste dotyku vytvárajútrenie a následne vysoké teploty. Pod tlakom sa priľahlé časti roztavia a vytvorí sa zvarový spoj.
- Radiálne zváranie. Táto metóda sa používa na výrobu veľkopriemerových kontajnerov, železničných cisterien. Zhoršuje sa to na skutočnosti, že spoje dielov sú vyhrievané otočným prstencom, ktorý je na vonkajšej strane. Trením spôsobuje teplotu blízku bodu topenia. Príkladom podniku využívajúceho túto technológiu je Sespel, výrobca tankových áut Cheboksary. Zváranie trením zaberá väčšinu zváracích prác.
- Zváranie svorníkov. Táto odroda nahrádza nitové spojenie. Tento typ sa používa na prekrývajúce sa spojenia. Otočný kolík v mieste dotyku ohrieva diely, ktoré sa majú zvárať. Pri vysokej teplote dochádza k roztaveniu a kolík preniká dovnútra. Po ochladení sa vytvorí pevné trvalé spojenie.
Odrody STP podľa úrovne obtiažnosti
Zváracie operácie vykonávané pomocou trenia možno rozdeliť na rovinné a objemové. Hlavný rozdiel medzi týmito odrodami spočíva v tom, že v prvom prípade je zvar vytvorený v dvojrozmernom priestore av druhom - v trojrozmernom priestore.
Pre rovinné spoje teda výrobca zváracej techniky ESAB vyvinul 2D stroj LEGIO. Je to prispôsobiteľný systém trecieho miešania pre rôzne neželezné kovy. Rôzne veľkostné skupinyzariadenie umožňuje zvárať diely malých a veľkých rozmerov. Zariadenie LEGIO má podľa označenia niekoľko usporiadaní, ktoré sa líšia počtom zváracích hláv, schopnosťou zvárať vo viacerých axiálnych smeroch.
Existujú 3D roboty na zváranie so zložitými pozíciami v priestore. Takéto zariadenia sú inštalované na automobilových dopravníkoch, kde sú potrebné zvary komplexnej konfigurácie. Jedným z príkladov takýchto robotov je Rosio od ESAB.
Záver
STP sa priaznivo porovnáva s tradičnými typmi zvárania. Jeho široké využitie sľubuje nielen ekonomické výhody, ale aj ochranu zdravia ľudí zamestnaných vo výrobe.
