Инжиниринг

Сварка перемешиванием. О целесообразности внедрения и технологических аспектах технологии ПСТ. Часть 2

Инженерно-консалтинговая компания «Солвер» продолжает знакомить читателей «Умного производства» с инновационными технологиями. В этой статье продолжена тема целесообразности внедрения ПСТ и технологических аспектов этого перспективного метода сварки.
7 июля 2011

СВАРОЧНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ПСТ

Множество достижений, сделанных в области перемешивающей сварки трением, были обусловлены успехами в разработке новых сварочных инструментов. Конструкция сварочного инструмента, а также материал, из которого он сделан, крайне важны для успешной реализации процесса сварки трением. Совершенствование геометрии сварочного инструмента привело к появлению первых швов без дефектов, полученных на алюминиевых сплавах, а сами исследования в результате способствовали повышению производительности сварки, увеличению толщины свариваемых заготовок, улучшению свойств соединения, возможности использования новых материалов и появлению более совершенного сварочного оборудования. Исследования по созданию новых материалов для сварочных инструментов дали возможность осуществлять сварку материалов с высокой точкой плавления, таких как титан, сталь или медь, а также повысить производительность сварки алюминия.

Прорывом в создании оптимальной геометрии сварочного инструмента стало предложение специалистами кембриджского Института сварки («The Welding Institute», «TWI», Великобритания) добавить на рабочий стержень сварочного инструмента профиль винтовой резьбы, что позволило избегать в процессе сварки образования пустот в материале заготовки рядом с концом рабочего стержня инструмента. По мере продвижения рабочего стержня инструмента вдоль стыка заготовок совершенно естественно, что свариваемый материал стремится выйти вверх и наружу за пределы плеча сварочного инструмента. Так как в технологии ПСТ отсутствует добавочный материал, даже относительно малое количество свариваемого материала, попадающее за пределы плеча инструмента, приводит к образованию пустот в зоне сварки. Нанесение резьбы на рабочий стержень инструмента позволяет прижать материал заготовки и предотвратить образование пустот.

В настоящее время разрабатываются сварочные инструменты с новыми возможностями, направленными, к примеру, на снижение усилий, задействованных в процессе, на повышение надежности процесса или просто на контроль над процессом сварки. В зависимости от свариваемого материала и нужной производительности процесса используются сварочные инструменты с различными характеристиками. Некоторые компании, работающие с ПСТ, продолжают использовать оригинальную конструкцию инструмента, предложенную институтом «TWI» в начале 1990-х годов. Для сварки на более высоких скоростях перемещения инструмента или с его более глубоким проникновением в свариваемый материал применяют варианты оригинальной конструкции инструмента. В результате на сегодняшний день нет общепринятой «оптимальной» конструкции сварочного инструмента.

Для алюминиевых сплавов, свариваемых методом ПСТ, обычно используют инструменты, изготовленные из инструментальной стали. Однако подобно ситуации, сложившейся с геометрией сварочного инструмента, для сварки алюминиевых сплавов в отношении материала инструмента также нет единого стандарта. Для сваривания заготовок из алюминия толщиной от 6 до 12 мм используют инструмент из инструментальной стали марки 4Х5МФ1С. Часто в этих случаях применяют цельную конструкцию инструмента. Однако если требуется высокая производительность или если необходимо сварить более толстые заготовки, может потребоваться более совершенная конструкция инструмента и более продуманный выбор материала, из которого он должен быть изготовлен. В таких случаях рабочий стержень может быть сделан из материала, обладающего большей прочностью при температуре сварки, в то время как плечо может изготавливаться из стали 4Х5МФ1С. Для сварки других материалов, например, титана, стали и меди, сварочные инструменты могут быть изготовлены из сплавов на основе вольфрама, из поликристаллического кубического нитрида бора или из ряда других материалов, обладающих необходимыми рабочими характеристиками при высоких температурах.

Конструкция сварочного инструмента в настоящее время является предметом активных исследований. По мере разработок новых материалов и геометрии сварочного инструмента границы применения сварки перемешиванием, по-видимому, будут все больше расширяться, как это уже происходит с момента ее возникновения.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ

Рассмотрим положительные и отрицательные аспекты использования перемешивающей сварки трением как альтернативы традиционным методам сварки. На сегодняшний день практически нет публикаций, посвященных вопросам экономической целесообразности использования сварки перемешиванием. Это связано с тем, что каждое конкретное применение ПСТ требует своего собственного обоснования (см. первую часть статьи, опубликованную в предыдущем номере), и поэтому трудно предложить какую-либо общую оценочную модель. Несмотря на это, постараемся привести основные факторы, определяющие экономическую целесообразность применения ПСТ:

  • временные и трудозатраты на осуществление процесса;
  • лицензионная политика;
  • капиталовложения в оборудование;
  • производительность;
  • человеческий фактор;
  • обеспечение изготовления дорогостоящих и наукоемких изделий.

Наряду с перечисленными есть и другие факторы, влияющие на оценку целесообразности применения ПСТ. Среди них такие, как устранение или снижение количества таких расходных материалов, используемых в традиционной сварке, как защитный газ и присадочный металл, более высокая стоимость сварочного инструмента для сварки перемешиванием, который сам по себе является расходным материалом, сниженное выделение копоти и дыма, а также снижение энергопотребления и т.д. Однако приведенные обстоятельства имеют второстепенное значение при рассмотрении экономической стороны вопроса целесообразности, поэтому в этой статье подробнее рассмотрим основные факторы.

ВРЕМЕННЫЕ И ТРУДОЗАТРАТЫ НА ПСТ

Существует ряд факторов, способствующих сокращению времени обработки и прямых трудозатрат при осуществлении сварки перемешиванием. Принципиальное значение имеет факт исключения необходимости в традиционной подготовке сварочного шва, заключающейся в формировании сварочной фаски и других вспомогательных операций. Кроме того, сварочный шов при сварке перемешиванием зачастую может формироваться за один проход, в то время как при дуговой сварке, особенно при увеличении толщины свариваемых заготовок, бывает необходимо несколько проходов. Каждый проход при дуговой сварке может потребовать времени между переходами на охлаждение проволоки, ее очистку, проверку и поправку, а также потребовать переворачивания заготовки для проведения сварки с обратной стороны. Кроме того, великолепный внешний вид сварного шва, получаемого сваркой перемешиванием, значительно снижает производственные затраты, связанные с обработкой соединения после проведения сварки.

Лицензионная политика

В настоящее время метод ПСТ является запатентованным процессом, и во многих странах за право его применения необходимо заплатить лицензионный взнос. Владельцем прав интеллектуальной собственности на процесс является институт «TWI». Лицензионный взнос за использование основного процесса является значимым фактором при оценке экономической целесообразности использования данного процесса и должен учитываться в сроки действия патента.

Капиталовложения в оборудование

ПСТ является полностью механизированным процессом, поэтому вполне естественно, что процесс ограничен возможностями применяемого оборудования. Оно включает в себя сварочную установку, вращающую сварочный инструмент и перемещающую его вдоль линии стыка, а также крепежные приспособления для заготовки. Из-за больших усилий, действующих в процессе сварки, оборудование и крепежные приспособления могут обойтись достаточно дорого, особенно для крупных и толстых заготовок. Некоторые производители сварочных установок признают, что капиталовложения, необходимые для внедрения ПСТ, слишком обременительны для многих областей применения. Поэтому они пытаются разработать новые, более дешевые образцы оборудования для сварки перемешиванием. В качестве альтернативы может быть рассмотрено предложение изготовления изделий с применением сварки перемешиванием по кооперации, на базе совместного Инновационного центра компании «Солвер» и Пермского государственного технического университета. Это позволит изготовить сварные изделия, не обременяя заказчика капиталовложениями ради единичного или мелкосерийного производства продукции.

Производительность

Производительность является фактором, влияющим на экономическую целесообразность выбора ПСТ в том смысле, что она увеличивает экономию трудозатрат и затрат времени на обработку, а фиксированные затраты будут распределены между лицензионным взносом и капиталовложениями. В некоторых случаях применения сварки перемешиванием фактор производительности может полностью вытеснить дуговую сварку только благодаря тому, что для осуществления ПСТ, в отличие от дуговой сварки, не требуется специально обученного высококвалифицированного персонала.

Человеческий фактор

В результате совокупности известных событий в нашей стране, серьезную проблему, в особенности в производстве дорогостоящих и наукоемких изделий для гражданской и оборонной отраслей промышленности, составляет человеческий фактор, а именно значительное сокращение или полное отсутствие на ряде предприятий высококвалифицированных сварщиков. Применение метода сварки перемешиванием, являющегося высокоавтоматизированным процессом, полностью решает данную проблему.

Обеспечение изготовления дорогостоящих и наукоемких изделий

Как ранее упоминалось, существует ряд изделий, дорогостоящих и наукоемких, в себестоимости и стоимости которых затратная доля процесса ПСТ является незначительной. При этом только методом сварки перемешиванием можно обеспечить стабильные характеристики сварного шва, необходимые для функционирования подобных изделий. Поэтому экономическую оценку применения сварки перемешиванием необходимо в данном случае давать на основе полной картины жизненного цикла изделия, а не вырванной «из контекста» только лишь технологического сварочного передела.

Совокупный эффект технических и экономических факторов целесообразности процесса очень важен для успешного внедрения сварки перемешиванием в производственную среду. Эта целесообразность была успешно продемонстрирована и подтверждена в нескольких отраслях промышленности. Истечение срока действия патента на ПСТ и разработка более дешевого сварочного оборудования и крепежных приспособлений для осуществления сварки перемешиванием со временем снизят фиксированные затраты, связанные с внедрением процесса, и значительно повысят экономическую целесообразность применения сварки перемешиванием.