Трэнне з перамешваннем: нізкавыдатная зварка стальных пліт і іншых матэрыялаў з высокай тэмпературай плаўлення

Дата публікацыі:

2025-06-11

Honda распрацавала тэхналогію зваркі сталі і алюмініевага сплаву метадам зваркі трэннем з перамешваннем, прыдатную для серыйнай прадукцыі, а Японскі ўніверсітэт Тахоку і Hitachi распрацавалі змешвальны інструмент з кобальтавага сплаву, які дазваляе зварваць сталь і тытан і іншыя тугаплаўкія металы. Раней на ўзроўні серыйнай вытворчасці зварка трэннем з перамешваннем (FSW: Friction Stir Welding) абмяжоўвалася такімі нізкаплаўкімі металамі, як алюмініевыя і медныя сплавы, магніевыя сплавы, а цяпер яе прымяненне пашыраецца на сталь і іншыя больш тугаплаўкія металы*1.

*1 Пры стандартным атмасферным ціску тэмпература плаўлення алюмінію складае 660℃, медзі — 1083℃, магнію — 651℃. А жалеза дасягае 1539℃, тытан — 1727℃.

Цеплыня трэння размякчае метал да вязкага стану

Трэнне з перамешваннем — гэта тэхналогія, пры якой выкарыстоўваецца змяшальная галоўка з выступам (змяшальным стрыжнем) на верхнім канцы цыліндра, якая зверху на месцы, якое трэба зварыць, дзвюх стыкаваных пліт (асноўнага матэрыялу) або дзвюх накладзеных пліт, круцячыся і адначасова націскаючы, зварвае дзве пліты разам.

Цеплыня трэння, якая ўзнікае паміж які круціцца змяшальным стрыжнем і лістом, размякчае метал вакол змяшальнага стрыжня да вязкага стану, і змяшальны стрыжань, які круціцца, уводзіцца ў ліст. Такім чынам, размякчаны метал вакол змяшальнага стрыжня змешваецца разам (адбываецца пластычнае цячэнне), і два металічныя лісты зліваюцца ў адно цэлае, або на стыкавальнай паверхні двух металічных лістоў утвараецца металічная сувязь, якая злучае іх у адно цэлае.

Раней не хапала тэрмаўстойлівай змяшальнай галоўкі

Перавагі трэння з перамешваннем наступныя чатыры: (1) паколькі зварка магчымая без расплаўлення асноўнага матэрыялу (зварка ў цвёрдай фазе), пасля зваркі вельмі мала дэфармацый і дэфектаў зваркі, таму можна павысіць якасць прадукцыі і знізіць выдаткі; (2) эканоміць энергію ў параўнанні з зваркай плаўленнем; (3) не патрабуецца ахоўны газ; (4) нізкі шум і не ўтвараецца пыл. Акрамя таго, гэтая тэхналогія вельмі эфектыўная для зваркі разнастайных матэрыялаў, таму прыцягвае вялікую ўвагу галіны, і чакаецца, што дзякуючы выбару адпаведных матэрыялаў для кожнай часткі можна дасягнуць палягчэння і іншых эфектаў*2. Але, як паказана ў пачатку артыкула, раней матэрыялы, для якіх можна было выкарыстоўваць трэнне з перамешваннем на ўзроўні масавай вытворчасці, абмяжоўваліся металамі з нізкай тэмпературай плаўлення.

*2 У параўнанні з зваркай трэннем з перамешваннем і зваркай у вадкай фазе з расплаўленнем асноўнага металу — зваркай плаўленнем, тэмпература зваркі ніжэйшая, і лёгка кіраваць цеплаўводам зваркі шляхам наладкі ўмоў зваркі. Таму можна лёгка паменшыць утварэнне інтэрметалічных злучэнняў — галоўнага віноўніка зніжэння трываласці зваркі. Памяншэннем таўшчыні слоя інтэрметалічных злучэнняў можна павысіць трываласць зварнога злучэння. Пры зварцы трэннем з перамешваннем, калі перамешваць занадта моцна, таксама ўтвараецца вялікая колькасць інтэрметалічных злучэнняў.

Прычына, па якой прымяненне трэння з перамешваннем раней абмяжоўвалася металамі з нізкай тэмпературай плаўлення, заключаецца ў адсутнасці недарагіх тэрмаўстойлівых змяшальных галоўкаў, прыдатных для масавай вытворчасці. Пры трэнні з перамешваннем алюмініевых сплаваў звычайна выкарыстоўваюць змяшальныя галоўкі з інструментальнай сталі і іншых стальных матэрыялаў. Пры зварцы такімі галоўкамі сталі, тытанавых сплаваў і іншых металаў з высокай тэмпературай плаўлення ў зоне высокай тэмпературы, якая размякчае гэтыя металы, змяшальная галоўка таксама размякчаецца, што прыводзіць да моцнага зносу галоўкі і немагчымасці яе выкарыстання. Хоць змяшальныя галоўкі з керамікі і вольфрам-рэніевых сплаваў і іншых нестальных матэрыялаў ужо распрацаваны, але яны вельмі дарагія і не падыходзяць для масавай вытворчасці.

Сталь аголеная да свежай паверхні без перамешвання

Тэхналогія зваркі сталі і алюмініевага сплаву метадам трэння з перамешваннем, распрацаваная Honda, выкарыстоўваецца для злучэння накладзеных адзін на адзін асноўных матэрыялаў са сталі і алюмініевага сплаву. Яе галоўная асаблівасць у тым, што перамешваецца толькі алюмініевы сплаў, а сталь не перамешваецца (ніжні малюнак на мал. 1). Такім чынам можна прадухіліць перагрэў змешвальнага інструмента.

Сталь і алюмініевы сплаў могуць быць звараны разам без перамешвання сталі, таму што паміж сталі і алюмініевым сплавам утвараецца металічная сувязь. Гэта значыць, гэтая тэхналогія не перамешвае сталь, а выдаляе пакрыццё і аксідную плёнку з паверхні сталі. Такім чынам, свежая паверхня сталі аголяецца і ўтварае металічную сувязь з алюмініевым сплавам, актыўнасць якога павышана перамешваннем. Наяўнасць гэтай металічнай сувязі дазваляе сталі і алюмініеваму сплаву зліцца ў адно цэлае*3.

*3 Пасля траплення вады і іншых рэчываў паміж сталью і алюмініевым сплавам узнікае біметалічная карозія (электракарозія); гэтая тэхналогія прадухіляе гэтую з'яву шляхам увядзення крэмніевай плёнкі паміж сталью і алюмініевым сплавам.

Honda выкарыстала гэтую тэхналогію ў пярэдняй падрамнай раме новай мадэлі «Accord» для рынку Паўночнай Амерыкі і атрымала розныя эфекты (мал. 2). Канкрэтна, не толькі вага паменшылася на 25 % у параўнанні з ранейшай сталёвай падрамнай рамай, але і спажыванне электраэнергіі пры зварцы скарацілася прыкладна на 50 %. Акрамя таго, з выкарыстаннем гэтай тэхналогіі была зменена канструкцыя месцаў мацавання падрамнай рамы і падвескі, што павысіла жорсткасць месцаў мацавання на 20 %, тым самым спрыяючы паляпшэнню хадавых якасцяў аўтамабіля.

Пашырэнне сфер прымянення дзякуючы новым матэрыялам

З іншага боку, Універсітэт Тахоку, кампанія Hitachi, Ltd. і кампанія Hitachi Metals Precision Instruments распрацавалі танны інструмент для перамешвання, які вытрымлівае высокія тэмпературы, што пашырыла сферу прымянення зваркі трэннем з перамешваннем (мал. 3). Матэрыял гэтага інструмента распрацаваны сумесна Універсітэтам Тахоку і кампаніяй Hitachi, Ltd., а тэхналогія масавай вытворчасці гэтага матэрыялу і інструмента (адліўкі) паспяхова распрацавана кампаніяй Hitachi, Ltd. і кампаніяй Hitachi Metals Precision. Гэты інструмент можна выкарыстоўваць для зваркі трэннем з перамешваннем такіх тугаплаўкіх металаў, як сталь, тытанавыя і цырконіевыя сплавы; продажы плануюцца з восені 2013 года. Хоць кампанія Hitachi Metals Precision Instruments заявіла, што «цана будзе абмяркоўвацца пазней», меркавана яна будзе ўсталявана ў цэнавым дыяпазоне, прыдатным для выкарыстання на ўзроўні масавай вытворчасці.

Матэрыял, распрацаваны Паўночна-ўсходнім універсітэтам і іншымі для інструмента трэння з перамешваннем, — гэта кобальтавы сплаў, унутры якога размеркаваны інтэрметалічныя злучэнні, здольныя захоўваць высокую трываласць і пры высокіх тэмпературах. Канкрэтна, у сплаве на аснове кобальту размеркаваны Co3（Al，W）. Ключ у тым, як дасягнуць раўнамернага дробнадысперснага размеркавання Co3（Al，W）, а таксама наблізіць колькасць размеркавання і форму межаў зярнят да жаданага стану. Для гэтага былі ўжыты больш рацыянальны склад і тэрмаапрацоўка.

У цяперашні час меркаванымі матэрыяламі, прыдатнымі для гэтай змяшальнай галоўкі, з'яўляюцца вугляродзістая сталь, сталь высокай трываласці, тытанавы сплаў (Ti-6-4V і іншыя), чысты тытан і медныя сплавы. Хаця некаторыя матэрыялы з-за трываласці і таўшчыні цяжка апрацоўваць гэтай змяшальнай галоўкай, але ў цэлым аб'ектам зваркі з'яўляюцца матэрыялы, тэмпература якіх пры зварцы трэннем з перамешваннем (тэмпература злучэння) складае максімум каля 1000℃.

Папярэдняя старонка

Падоўжана тэрміну службы металічных корпусаў: паспяхова распрацаваны самааднаўляльны антыкорозійны сродак «Цзюйфудунь»

FCSE | Перадавыя даследаванні: «самааднаўляльнае» антыкаразійнае пакрыццё, якое прыводзіцца ў дзеянне сонечным святлом

Наступная старонка

Папярэдняя старонка:

Падоўжана тэрміну службы металічных корпусаў: паспяхова распрацаваны самааднаўляльны антыкорозійны сродак «Цзюйфудунь»

Наступная старонка:

FCSE | Перадавыя даследаванні: «самааднаўляльнае» антыкаразійнае пакрыццё, якое прыводзіцца ў дзеянне сонечным святлом

Адпаведныя навіны

Прадстаўленне прадукцыі механічнай апрацоўкі 2026 года: прафесійныя рашэнні для аднаўлення металічных паверхняў механічнага абсталявання ад Wuhan Kaiming High-Tech

2026-08-15

Падрабязнае тлумачэнне прынцыпу працы механічнай апрацоўкі ў 2026 годзе: навукова-папулярны матэрыял аб прафесійным абсталяванні і аднаўленні металічных паверхняў

2026-07-31

Поўны разбор тыповых пытанняў механічнай апрацоўкі 2026 года: практычнае кіраўніцтва па ліквідацыі тэхналагічных непаладак і эфектыўнай аптымізацыі

2026-07-16

2026 год: поўнае кіраўніцтва па ўвазе да ўсіх працэсаў механічнай апрацоўкі — практычны дапаможнік па зніжэнні выдаткаў, павышэнні якасці і пазбяганні збояў

2026-07-01

Агляд сцэнарыяў прымянення ў цэлай галіне механічнай апрацоўкі на 2026 год: дапаможнік па зніжэнні выдаткаў і павышэнні эфектыўнасці разам з аднаўленнем металічных паверхняў

2026-06-16

Апошнія навіны і інфармацыя галіны механічнай апрацоўкі 2026 года: поўны разбор тэхнічнай мадэрнізацыі і зніжэння выдаткаў з павышэннем эфектыўнасці для вытворчых прадпрыемстваў

2026-06-01

Падзяліцца

Гэтыя пашкоджанні шырока сустракаюцца ў такіх галінах, як аэракасмічная прамысловасць, аўтамабілебудаванне, цяжкае машынабудаванне, напрыклад, аднаўленне эрозіі лопасцей паравых турбін, антыкаразійная апрацоўка нафтавых трубаправодаў, аднаўленне зношаных паверхняў прэс-формаў і г.д.; патрэба ў аднаўленні ахоплівае ўсе сцэнарыі — ад дакладных дэталяў да буйнога абсталявання.