K003565 Дипломная работа Характеристика изделия и условия эксплуатации

     1. Состояние вопроса

1.1 Характеристика изделия и условия эксплуатации

Описываемое изделие относится к ракетно-космической и авиационной технике, а точнее к силовым обечайкам для топливных баков. Используемые в этих и других областях, где изготавливаются или используются подобные изделия. Силовая обечайка топливного бака имеет внутреннюю гладкую с равномерной толщиной оболочку из алюминиевых сплавов, её наружняя оболочка из углепластика, скрепленную с гладкой оболочкой через слой пенопласта. Способ изготовления такой обечайки топливного бака из алюминиевых сплавов заключается в том, что оболочку из алюминиевого сплава изготавливают гладкой с равномерной толщиной, достаточной лишь для обеспечения герметичности оболочки. Далее напыляют пенопласт. Его поверхность обрабатывают механически, до создания ровной круглой поверхности пенопласта. Отформовывают листы углепластика и приклеивают их к подготовленной поверхности пенопласта при комнатной температуре, создавая необходимое давление прижима вакуумным мешком или бандажами. При этом напыляют пенопласт из пенополиуретана. Технический результат - уменьшение веса и объема силовой обечайки, а вместе с ней и топливного бака.

     Такого рода оболочки и способы их изготовления получаются значительными по весу и объему, т.к. выполняются или с переменной толщиной, определяемой из условия обеспечения прочности бака при работе на кольцевые напряжения от действия внутреннего давления, или вафельной конструкции.

     Задачей данных изобретений является получение силовой обечайки топливного бака и способа ее изготовления с достижением технического результата в виде уменьшения веса и объема, а также расширения арсенала технических средств.

     Решение данной задачи достигается тем, что в силовой обечайке топливного бака, содержащей оболочку из алюминиевых сплавов, в соответствии с изобретением, оболочка из алюминиевого сплава выполнена гладкой с равномерной толщиной с добавлением наружной оболочки из углепластика, скрепленного с гладкой оболочкой через слой пенопласта.

Решение данной задачи достигается также и тем, что в способе изготовления силовой обечайки топливного бака на основе панелей оболочки из алюминиевых сплавов, в соответствии с изобретением, оболочку из алюминиевого сплава изготавливают гладкой с равномерной толщиной, достаточной лишь для обеспечения герметичности оболочки, напыляют пенопласт, обрабатывают его поверхность механически до создания ровной круглой поверхности пенопласта, отформовывают листы углепластика и приклеивают их к подготовленной поверхности пенопласта при комнатной температуре, создавая необходимое давление прижима.

     При этом на оболочку из алюминиевого сплава напыляют пенопласт из пенополиуретана, а давление прижима осуществляют вакуумным мешком или бандажами.

Предлагаемая силовая обечайка топливного бака содержит оболочку из алюминиевого сплава 1 - внутреннюю обшивку минимальной толщиной порядка одного миллиметра, т.е. толщиной, достаточной и необходимой лишь для обеспечения герметичности обечайки, внутреннюю обшивку с наружной стороны покрывает наружная обшивка-оболочка из углепластика 2, выполняющая в основном теплозащитную функцию и скрепленная с гладкой оболочкой  через слой пенопласта  - наполнитель из пенополиуретана  с прочностными и жесткостными характеристиками, превышающими вышеназванные характеристики обычного теплоизоляционного пенопласта в 5-10 раз (уплотненный пенополиуретан с увеличенным объемным весом порядка 200-300 кг/см2).

     Изготавливают предлагаемую силовую обечайку следующим образом.

Изготавливают внутреннюю обшивку - панель из алюминиевого сплава минимальной толщины, достаточной для обеспечения лишь ее герметичности - порядка 1 мм и проверяют ее на герметичность. Выравнивают ее, т.е. делают ее гладкой. На гладкие панели (т.к. внутренняя обшивка выполняется, как правило, из нескольких панелей) напыляют пенопласт из пенополиуретанового наполнителя. Обрабатывают его поверхность механически для создания ровной круглой (в соответствии с диаметром бака) поверхности пенопласта. Заранее отформовывают листы углепластика и приклеивают их к подготовленной поверхности пенопласта при комнатной температуре, создавал давление прижима вакуумным мешком или бандажами. Собранную в составе бака обечайку спрессовывают и проверяют на герметичность, а, при необходимости, и на осевое сжатие.

     Предлагаемый способ радикально упрощает технологию, повышает качество и площадь приклейки обшивок к заполнителю и, обладая требуемой герметичностью, уменьшает вес и объем силовой обечайки и, естественно, и самого топливного бака, что подтверждается соответствующими расчетами и проведенными экспериментальными работами.

Формула изобретения

1. Силовая обечайка топливного бака, содержащая оболочку из алюминиевых сплавов, отличающаяся тем, что оболочка из алюминиевого сплава выполнена гладкой с равномерной толщиной с добавлением наружной оболочки из углепластика, скрепленной с гладкой оболочкой через слой пенопласта.

2. Способ изготовления силовой обечайки топливного бака на основе оболочки из алюминиевых сплавов, отличающийся тем, что оболочку из алюминиевого сплава изготавливают гладкой с равномерной толщиной, достаточной лишь для обеспечения герметичности оболочки, напыляют пенопласт, обрабатывают его поверхность механически до создания ровной круглой поверхности пенопласта, отформовывают листы углепластика и приклеивают их к подготовленной поверхности пенопласта при комнатной температуре, создавая необходимое давление прижима.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на оболочку из алюминиевого сплава напыляют пенопласт из пенополиуретана.

4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что давление прижима осуществляют вакуумным мешком.

5. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что давление прижима осуществляют бандажами.

1.2Технические особенности изготовления данной группы изделия

Обечайки различных форм находят широкое применение во многих отраслях промышленности – нефтегазовой, химической, авиа-, ракето-, судостроении, машиностроении и других. Наибольшее распространение эти изделия получили в самолетои ракетостроении.

Связано это с малым коэффициентом лобового сопротивления изделий определенной формы при их движении в воздушных или жидкостных средах. Так, корпус ракеты делится на переднюю головную (носовую), среднюю цилиндрическую и заднюю кормовую (или хвостовую) части. Наиболее распространенными формами головной части ракеты являются коническая, оживальная и параболическая. Образующей конической головной части является прямая, оживальной – дуга из частей окружностей, а параболической – дуга параболы.

В ходе исследований выяснилось, что оживальная форма имеет наилучшие из указанных форм аэродинамические характеристики, но при этом является достаточно сложной в изготовлении. Применение оживальной формы для тел, движущихся в воздушной среде, началось в XIX веке; до этого артиллерийские снаряды и пули обычно имели сферическую форму. Преимуществами оживальной формы перед другими (конической, параболической и др.) являются:

-уменьшение сопротивления воздуха для снарядов, пуль и ракет при их движении в нём и связанное с этим увеличение дальности стрельбы;

- уменьшение за счёт специфических аэродинамических свойств нагрева головных частей этих изделий, что особенно важно для ракет и космических кораблей.

 Цель настоящей работы – сопоставить существующие методы изготовления обечаек данной формы, провести их анализ с точки зрения трудоемкости технологических приёмов, качества получаемых обечаек, а так же предложение нового метода для получения изделий различных форм. Изготовление деталей типа обечайка связано с трудностями получения большой разницы диаметров по высоте изделия, получения сложной формы при обеспечении единообразия эксплуатационных характеристик изделий. Достаточно распространенными для получения подобного типа деталей малых размеров являются операции обработки резанием. Такой метод обеспечивает высокую точность готового изделия и качество поверхности, но при этом является неэффективным с точки зреия конечной стоимости изделия. Связано это с относительно низкой производительностью, малым коэффициентом использования материала и необходимостью применения дорогостоящего оборудования.

Распространенным является способ изготовления обечаек из листового материала комбинированным методом, который предусматривает следующие этапы:

- разрабатывается форма будущей обечайки. Рассчитывают основные характеристики: диаметр основания, высоту, радиус образующей дуги;

- разбивают готовое изделие на сегменты, как правило, 4 или 6. При этом уменьшение количества сегментов снижает трудоемкость из-за уменьшения количества деталей, необходимых для получения готового изделия, и количества сварных швов, но усложняет форму инструмента для получения сегмента;

- разрабатывают технологическую оснастку (вырубной и гибочный штампы) и на штамповочном оборудовании получают сегмент;

- разрабатывают приспособление для проведения сварочных работ. Устанавливают на него заготовки и обваривают будущее изделие;

- зачищают сварные швы, применяют различные методы для снятия внутренних напряжений и балансируют.

Основные недостатки метода:

- трудоемкость получения готового изделия;

- наличие большого количества сварных швов;

-неуниверсальность применяемого инструмента и оборудования (один штамп применим только для получения обечаек с одинаковыми характеристиками);

- низкая точность сварной конструкции (смещение заготовок вовремя сварки).

Еще одним методом получения обечаек является ротационная вытяжка или давильно- обкатная обработка. Стоит отметить, что детали, изготовленные ротационной вытяжкой, имеют переменную толщину стенок обработанных концов. В комбинации с ротационной вытяжкой для получения сложной формы деталей можно применять дополнительные операции: прокатку, штамповку, сварку. При ротационной вытяжке прямым способом наружный контур оправки должен повторять внутренний контур вытянутой детали с технологическими припусками, поэтому длина оправки должна быть больше длины детали, что усложняет конструкцию оправки, де- лает её тяжелой и дорогой, а наладку более трудоемкой. Способ ротационной вытяжки рекомендуется для формоизменения тонкостенных и длинномерных цилиндрических деталей, а также всех типов деталей конической и оживаль- ной форм. Существенным недостатком данного способа в изготовлении конических обечаек является возникновение определенных трудностей с изготовлением вершины изделия. Если к изделию предъявляются повышенные требования, связанные с формой, шероховатостью и прочностью, то задача получения обечайки усложняется на порядки. На сегодняшний день самым распространённым способом получения таких изделий является изготовление на трех и четырехвалковых машинах (рис. 1)

 Рис. 1. Схемы гибки на листогибочных машинах: а – с тремя валками расположенными симметрично; б – с тремя валками со смещением одного валка; в – с четырьмя валками.

Такое оборудование применяется в основном для изготовления цилиндрических обечаек, но может быть использовано и для получения обечаек конической формы. Суть метода заключается в следующем: подготовленная развертка будущего изделия устанавливается между тремя валками, зазор между которыми устанавливается в зависимости от необходимого радиуса гиба.

После формообразования заготовка снимается с установки и обваривается стыковой шов. Существенными недостатками данного метода являются:

- конечное изделие имеет усеченную форму;

- необходимость дорогостоящего оборудования;

- невозможность получения обечаек сложной (оживальной или параболической) формы.

Сокращение сроков освоения новых изделий, снижение себестоимости их изготовле-ния и металлоемкости применяемой оснастки, является важным средством интенсификации технологических процессов изготовления изделий. В связи со сказанным выше, для изготовления конических обечаек и обечаек сложной формы было предложено процесс гибки листового материала заменить процессом свертывания. Реализация данного способа предлагается на двухвалковых установках. В развитии данного вопроса для изготовления обечаек сложной формы была разработана и предложена установка. Предлагаемая технология изготовления обечаек методом свертывания включает в себя:

- определение геометрических параметров детали и разработка соответствующей раз- вертки;

- выставление элементов установки с необходимыми характеристиками;

- монтаж развертки в установке;

- формообразование;

- обваривание изделия;

- съем готовой детали.

Предлагаемая установка состоит из основания, на котором с помощью болтов закреплены стойки, между которыми установлена регулирующая прокладка для изменения величины зазора при обработке заготовок различной толщины. В стойках установлены подшипники и валы верхнего и нижнего валков. Верхний рабочий валок выполнен из набора дисков раз-ного диаметра таким образом, чтобы зазор между ними и дисками разного диаметра нижнего валка составлял величину толщины материала заготовки. При вращении верхнего рабочего валка обрабатываемый материал «наворачивается» на него и таким образом получается гото- вое изделие. При применении данного метода и установки, по сравнению с известными способами, заметно снижается трудоемкость и повышается качество получаемого изделия ввиду:

- уменьшения числа заготовок, необходимых для получения одного изделия; - универсальности применяемого оборудования;

- уменьшения количества сварных швов;

- уменьшения напряжений на поверхности изделия;

- относительной дешевизны оборудования, используемого для получения изделий;

- увеличения производительности.

Применение предлагаемого способа и разработанного оборудования при изготовлении обечаек сложной и конической форм окажет влияние на качество выпускаемой продукции и трудоемкость ее изготовления.

1.3 Способы сварки, которые можно применить к изделию. Оборудование, применяемое для сварки

     Сварка это процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. В настоящее время создано очень много видов сварки (их число приближается к 100). Все известные виды сварки принято классифицировать по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам, в зависимости от формы используемой энергии, предусматриваются три класса сварки:

-термическая сварка металлов

-термомеханическая сварка металлов

-механическая сварка металлов

Термический класс включает все виды сварки с использованием тепловой энергии (дуговая сварка, газовая сварка, плазменная сварка и т. д.).

Термомеханический класс объединяет все виды сварки, при которых используются давление и тепловая энергия (контактная сварка, диффузионная сварка)

Механический класс включает виды сварки, осуществляемые механической энергией (холодная сварка, сварка трением, ультразвуковая сварка, сварка взрывом).

Электросварка — один из способов сварки, использующий для нагрева и расплавления металла электрическую дугу.

Температура электрической дуги (до 7000 °С) превосходит температуры плавления всех существующих металлов.

К электроду и свариваемому изделию для образования и поддержания электрической дуги от сварочного трансформатора подводится электроэнергия. Под действием теплоты электрической дуги (до 7000°С) кромки свариваемых деталей и электродный металл расплавляются, образуя сварочную ванну, которая некоторое время находится в расплавленном состоянии. В сварочной ванне металл электрода смешивается с расплавленным металлом изделия (основным металлом), а расплавленный шлак всплывает на поверхность, образуя защитную плёнку. При затвердевании металла образуется сварное соединение. Энергия, необходимая для образования и поддержания электрической дуги, получается от специальных источников питания постоянного или переменного тока.

В процессе электросварки могут быть использованы плавящиеся и неплавящиеся электроды. В первом случае формирование сварного шва происходит при расплавлении самого электрода, во втором случае — при расплавлении присадочной проволоки (прутков и т. п.), которую вводят непосредственно в сварочную ванну.

Для защиты от окисления металла сварного шва применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки в процессе электросварки.

Для повышения устойчивости электрической дуги в электроды могут вводиться легко ионизируемые элементы (калий, натрий, кальций).

Различают электросварку переменным током и электросварку постоянным током. При сварке постоянным током шов получается с меньшим количеством брызг металла, поскольку нет перехода через ноль и смены полярности тока.

В аппаратах для электросварки постоянным током применяются выпрямители.

Возможно управление положением сварочной дуги при сварке постоянным током. Дуга является таким же проводником тока как и обычный проводник, и отклоняется в магнитном поле в соответствии с законом Ампера.

Классификация дуговой сварки производится в зависимости от степени механизации процесса, рода тока и полярности, типа сварочной дуги, свойствсварочного электрода, вида защиты зоны сварки от атмосферного воздуха и др.

По степени механизации различают:

-ручную дуговую сварку

-полуавтоматическую дуговую сварку

-автоматическую дуговую сварку

Отнесение процессов к тому или иному способу зависит от того, как выполняются зажигание и поддержание определённой длины дуги, манипуляция электродом для придания шву нужной формы, перемещение электрода по линии наложения шва и прекращения процесса сварки.

При ручной дуговой сварке указанные операции, необходимые для образования шва, выполняются человеком вручную без применения механизмов.

При полуавтоматической дуговой сварке плавящимся электродом механизируются операции по подаче электродной проволоки в сварочную зону, а остальные операции процесса сварки осуществляются вручную.

При автоматической дуговой сварке под флюсом механизируются операции по возбуждению дуги, поддержанию определённой длины дуги, перемещению дуги по линии наложения шва. Автоматическая сварка плавящимся электродом ведётся сварочной проволокой диаметром 1-6 мм; при этом режим сварки (ток, напряжение, скорость перемещения дуги и др.) более стабилен, что обеспечивает однородность качества шва по его длине, в то же время требуется большая точность в подготовке и сборке деталей под сварку.

По роду тока различают:

-электрическая дуга, питаемая постоянным током прямой полярности (минус на электроде);

-электрическая дуга, питаемая постоянным током обратной полярности (плюс на электроде);

-электрическая дуга, питаемая переменным током.

По типу дуги различают:

-дугу прямого действия (зависимую дугу);

-дугу косвенного действия (независимую дугу).

В первом случае дуга горит между электродом и основным металлом, который также является частью сварочной цепи, и для сварки используется теплота, выделяемая в столбе дуги и на электродах; во втором — дуга горит между двумя электродами.

По свойствам сварочного электрода различают:

-способы сварки плавящимся электродом;

-способы сварки неплавящимся электродом (угольным, графитовым и вольфрамовым).

Сварка плавящимся электродом является самым распространённым способом сварки; при этом дуга горит между основным металлом и металлическим стержнем, подаваемым в зону сварки по мере плавления. Этот вид сварки можно производить одним или несколькими электродами. Если два электрода подсоединены к одному полюсу источника питания дуги, то такой метод называют двухэлектродной сваркой, а если больше — многоэлектродной сваркой пучком электродов. Если каждый из электродов получает независимое питание — сварку называют двухдуговой (многодуговой) сваркой. При дуговой сварке плавлением КПД дуги достигает 0,7-0,9.

По условиям наблюдения за процессом горения дуги различают:

-открытую;

-закрытую;

-полуоткрытую дугу.

При открытой дуге визуальное наблюдение за процессом горения дуги производится через специальные защитные стёкла — светофильтры. Открытая дуга применяется при многих способах сварки: при ручной сварке металлическим и угольным электродом и сварке в защитных газах. Закрытая дугарасполагается полностью в расплавленном флюсе — шлаке, основном металле и под гранулированным флюсом, и она невидима. Полуоткрытая дугахарактерна тем, что одна её часть находится в основном металле и расплавленном флюсе, а другая над ним. Наблюдение за процессом производится через светофильтры. Используется при автоматической сварке алюминия по флюсу.

По роду защиты зоны сварки от окружающего воздуха различают:

-дуговая сварка без защиты (голым электродом, электродом со стабилизирующим покрытием);

-дуговая сварка со шлаковой защитой (толстопокрытыми электродами, под флюсом);

-дуговая сварка со шлакогазовой защитой (толстопокрытыми электродами);

-дуговая сварка с газовой защитой (в среде защитных газов) (MIG-MAG);

-дуговая сварка с комбинированной защитой (газовая среда и покрытие или флюс).

Стабилизирующие покрытия представляют собой материалы, содержащие элементы, легко ионизирующие сварочную дугу. Наносятся тонким слоем на стержни электродов (тонкопокрытые электроды), предназначенных для ручной дуговой сварки.

Защитные покрытия представляют собой механическую смесь различных материалов, предназначенных ограждать расплавленный металл от воздействия воздуха, стабилизировать горение дуги, легировать и рафинировать металл шва.

Наибольшее применение имеют средне — и толстопокрытые сварочные электроды, предназначенные для ручной дуговой сварки и наплавки, изготовляемые в специальных цехах или на заводах.

В последнее время получает распространение плазменная сварка, где дуга между инертными неплавящимися электродами используется для высокотемпературного нагрева промежуточного носителя, например — водяного пара. Известна также сварка атомарным водородом, получаемым в дуге между вольфрамовыми электродами, и выделяющем тепло при рекомбинации в молекулы на свариваемых деталях.

     Также можно применить сварку трением.

Существует несколько схем сварки трением, первой появилась соосная. Суть процесса состоит в следующем: на специальном оборудовании (машине сварки трением) одна из свариваемых деталей устанавливается во вращающийся патрон, вторая крепится в неподвижный суппорт, который имеет возможность перемещения вдоль оси. Деталь, установленная в патрон, начинает вращаться, а деталь, установленная в суппорте, приближается к первой и достаточно большим давлением воздействует на неё. В результате трения одного торца о другой происходит износ поверхностей и слои металла разных деталей приближаются друг к другу на расстояния, соразмерные размеру атомов. Начинают действовать атомные связи (образуются и разрушаются общие атомные облака), в результате возникает тепловая энергия, которая нагревает в локальной зоне концы заготовок до температуры ковки. По достижении необходимых параметров патрон резко останавливается, а суппорт продолжает давить ещё какое-то время, в результате образуется неразъёмное соединение. Сварка происходит в твёрдой фазе, аналогично кузнечной сковке. Способ достаточно экономичный. Автоматизированные установки для сварки трением потребляют электроэнергии в 9 раз меньше, чем установки для контактной сварки. Соединяются детали за считанные секунды, при этом практически нет газовых выделений. При прочих преимуществах получается высокое качество сварки, так как не возникает пористости, включений, раковин. При постоянстве режимов, обеспечиваемых автоматикой оборудования, обеспечивается постоянство качества сварного соединения, что, в свою очередь, позволяет исключить дорогостоящий 100%-й контроль при обеспечении качества. К недостаткам следует отнести:

-сложность необходимого оборудования;

-узкий спектр применения метода (свариваются тела вращения в стык);

-невозможность применения в непроизводственных условиях;

-диаметры свариваемых деталей от 4 до 250 мм.

Способ позволяет сваривать разнородные материалы: медь и алюминий, медь и сталь, алюминий и сталь, в том числе те, что невозможно сварить другими способами.

Сравнительные исследования свойств соединений сваркой трением с перемешиванием 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 σвсоед / σ0,2 осн ≥ 0,9). Для соединения сплава 6082 коэффициент прочности снижается до ∼0,65  вследствие разупрочнения ЗТВ, по которой при испытании идет разрушение. У сварных образцов сплава 5083 разрушение происходит в зоне ядра шва. Установлено, что

σвсоед увеличивается при увеличении скорости сварки и частоты вращения инструмента до определенного значения. При дальнейшем увеличении этих параметров σв соединения сплава 5083 снижается (табл. 1), как и сплава 6082, если продолжать увеличивать скорость сварки.

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. 1. 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.

Большое количество данных по усталостным характеристикам соединений сваркой трением с перемешиванием 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 сварки трением с перемешиванием 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 сваркой трением с перемешиванием алюминиевых сплавов разных марок: 2024 , 2095, 2195, 2524, 7010, 7050, 7075, а также АМг6 с 1201  и Д19 с 1420 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 (рис. 1), что обеспечило возможность использования соединений сваркой трением с перемешиванием в конструкции топливных емкостей и баков изделий авиакосмоса.

Рис. 2. Линия пересечения контактных поверхностей соединяемых деталей с границей шва (отмечена стрелкой)

В последние годы увеличилось число публикаций о результатах разработок и исследований процесса сварки трением с перемешиванием разных типов соединений — нахлесточных, угловых, тавровых. Однако в этих работах при сварке трением с перемешиванием 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 авторы уделяют исследованию особенностей процесса сварки нахлесточных соединений, что связано с востребованностью их для многих изделий. Работоспособность данного соединения авторы ра боты  предложили оценивать по критерию EST (эффективной толщине листа, определяемой расстоянием от наружной поверхности шва до линии пересечения контактных поверхностей соединяемых листов с границей шва) (рис. 2). Чем меньше изгиб контактных поверхностей вблизи шва, тем больше EST и прочность соединения. В работе 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 сварки трением с перемешиванием 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. В этих и других работах отмечается, что до практической реализации процесса сварки трением с перемешиванием 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 сварки трением с перемешиванием 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 сварки трением с перемешиванием разнородных материалов (с большим различием термомеханических характеристик). Имеются сведения об исследованиях процесса сварки трением с перемешиванием 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 авторов публикаций, будет возможным после проведения дополнительных исследований и разработок.

В последние пять лет основными видами неразрушающего контроля соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, остаются визуальный (оптический) контроль и 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.

Pис. 3. Модульная установка LEGIO™—"FSW 3 UT"

Оборудование для сварки трением с перемешиванием

Передовой производитель сварочного оборудования — концерн ESAB — включил в свою производственную программу установки для сварки трением с перемешиванием. Программа SuрerStir™ содержит несколько установок, разработанных на базе стандартной установки, на которой можно сваривать изделия размером от 0,5 х 1,5 до 10 х 20 м. Разные модели этих установок имеют консольную или портальную конструкцию. Установки полностью автоматизированные, с одинаковым принципом действия, смонтированы на мощной раме, рассчитанной на большие нагрузки. Сварочные головки перемещаются по сверхпрочной станине от системы реечного привода. Концерн ESAB совместно с исследовательским центром разработал серию установок, которые применяются в космической, авиастроительной,