Преимущества сварки трением с перемешиванием перед способами сварки плавлением, связанные со снижением уровня остаточных напряжений и деформаций, повышением прочности сварных соединений, возможностью сварки трудносвариваемых материалов и др., предполагают ее дальнейшее изучение и освоение. Кажущаяся простота технологии обманчива, требуется решение целого ряда вопросов для ее реализации на практике.

В настоящее время освоены и широко используются при изготовлении изделий ракетно-космической техники (РКТ) из алюминиевых сплавов различные способы сварки плавлением, включая сварку таким высококонцентрированным источником нагрева, как электронный луч.

При этом сварке плавлением присущ ряд недостатков:
— остаточные напряжения, приводящие к деформации изделия;
— прочность сварного шва на 10–20% ниже прочности основного металла;
— термическое разупрочнение металла, снижающее конструктивную прочность;
— образование дефектов в виде трещин при сварке ряда высокопрочных термоупрочняемых алюминиевых сплавов;
— высокая трудоемкость: при многопроходной аргонно-дуговой сварке необходимо зачищать каждый проход шва для снижения вероятности появления дефектов, большое количество слесарных операций при подготовке сварочных кромок перед сваркой и удаление (зачистка) проплава после сварки;
— для целого ряда высокопрочных сплавов отсутствует сама возможность получить качественное соединение.

Перечисленные проблемы не позволяют снижать стоимость, сокращать сроки изготовления, совершенствовать весовые характеристики существующих изделий РКТ, а также использовать при создании перспективных изделий новые высокопрочные алюминиевые сплавы, легированные редкоземельными элементами с пределом прочности (δв) более 50 кг/мм², например, такие как сплав В‑1469. Выполнение перечисленных требований является важным фактором, влияющим на конкурентоспособность отечественных образцов РКТ.

Поэтому одним из перспективных направлений технологии изготовления новых видов изделий РКТ является изыскание и разработка прогрессивных способов сварки, способных устранить или уменьшить негативные особенности существующих технологий.

Самым интересным достижением в области сварки за последние два десятилетия стала разработка и внедрение в промышленность способа сварки трением с перемешиванием (Friction Stir Welding — FSW) (СТП). Этот способ был запатентован в 1991 г. Британским институтом сварки (TWI) и сегодня интенсивно развивается во всем мире. Россия в этой области пока отстает, несмотря на то, что сама идея этого способа была разработана в СССР и изобретателю Ю. В. Клименко в 1967 г. было выдано авторское свидетельство на способ сварки трением, подобный FSW. Но, как это, к сожалению, часто у нас бывает, новый способ сварки не получил развития и был забыт.

Применение СТП позволяет разом решить проблемные вопросы сварки плавлением, и на первый взгляд, сам способ является удивительно простым и выполнимым. Сварка осуществляется вращающимся рабочим стержнем с различным рельефом поверхности (рис. 1, поз. 1), который медленно погружают в стык деталей на глубину меньше толщины свариваемых кромок на величину 0,2–0,3 мм. Материал кромок за счет теплоты, выделяющейся при трении поверхности опорного бурта (рис. 1, поз. 2), нагревается до пластического состояния, не достигая фазы плавления. При поступательном перемещении вращающегося инструмента по стыку металл свариваемых кромок перемешивается и образуется шов (рис. 1, поз. 3). При этом для проведения процесса сварки необходимо создать и поддерживать постоянное давление в направлении оси инструмента, в зависимости от свариваемых толщин усилие может достигать 10 тонн.

Рис. 1. Принципиальная схема процесса фрикционной сварки

Вот основные характеристики сварного шва СТП, принципиально отличающие данный способ сварки от традиционного способа сварки плавлением:
— прочность сварного соединения по сравнению с основным материалом от 100% и выше;
— низкие остаточные деформации;
— отсутствие дефектов, характерных для сварки плавлением (трещины, поры, окисные включения и др.);
— сварка всех существующих видов алюминиевых сплавов, в том числе и различных сочетаний;
— отсутствие электромагнитного и радиационного излучения дуги, наличия сварочных аэрозолей;
— отсутствие необходимости применения вспомогательных материалов: защитные газы и присадочная проволока;
— отсутствие влияния человеческого фактора ввиду полной автоматизации процесса и контроля параметров в процессе сварки.

Эти преимущества по сравнению со сваркой плавлением позволили СТП найти применение в различных отраслях промышленности. Ракетно-космические агентства практически всех стран мира в той или иной степени внедрили этот процесс при изготовлении изделий РКТ. Лидерами в этой области остаются США, Евросоюз и Китай.

По данным зарубежных источников, в США, Европе и Китае процесс СТП имеет двойное применение, использовался и используется при изготовлении баков ступеней ракет-носителей «Ариан», «Дельта-II», «Дельта-III», космического челнока «Шатл», а также при изготовлении самолетов, железнодорожных вагонов и морских судов, контейнеров для хранения ядерных отходов, емкостей для хранения и транспортировки нефтепродуктов.

В Европе странами ЕС разрабатываются программы развития СТП, исследуются и развиваются различные варианты технологии, в том числе с вращением нескольких инструментов одновременно, существует и дорабатывается единый стандарт.

В России первые опыты по изучению процесса СТП начали проводить в начале 2000‑х годов ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева» совместно с ФГУП «НПО «Техномаш», ОАО «НИАТ», ОАО «Композит». Опытно-экспериментальные работы производились на лабораторных установках, выполненных на базе фрезерных станков, что ограничило возможность сварки толщин более 3–4 мм из-за невозможности создания необходимого сварочного давления на инструмент.

В результате проведенных работ были подтверждены преимущества СТП перед способами сварки плавлением, связанные со снижением уровня остаточных напряжений и деформаций, повышением прочности сварных соединений, возможностью сварки трудносвариваемых материалов.

Первым серийным изделием в ракетно-космической отрасли, изготовленным с применением технологии СТП, стал алюминиевый лейнер баллона высокого давления (рис. 2), технология сварки которого была внедрена на ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева» в 2005 году. ФГУП «НПО «Техномаш» провел работу в части создания и внедрения методики неразрушающего контроля сварных швов.

Рис. 2. Алюминиевые лейнеры, изготовленные с применением СТП

Кажущаяся простота технологии СТП оказалась обманчивой и весьма сложной при ее реализации на практике, а именно:
1. Предъявляются повышенные требования по сборке изделия под сварку с жесткой фиксацией свариваемых кромок. Разнотолщинность свариваемых кромок не должна превышать 0,2 мм, а зазоры между подкладным элементом и в стыке — 0,1–0,2 мм (в зависимости от толщины кромок). Если для сварки прямолинейных и непротяженных швов эта проблема решается довольно просто, то для сварки кольцевых и круговых соединений требуется разработка и изготовление сложной и дорогой оснастки, которая должна обеспечить жесткую фиксацию кромок при воздействии значительных сварочных усилий (до 10 тонн).
2. Величины раскрытия дефектов в корневой зоне, характерных для СТП, имеют очень малое значение, и традиционные способы контроля сварных соединений, как, например, рентген, не позволяют их обнаружить.

Также важным фактором получения качественных соединений является выбор режимов сварки. Это комплекс параметров, в который входят конструкция инструмента и материал, из которого он изготовлен, скорость вращения инструмента, скорость сварки, угол наклона инструмента, усилие прижима инструмента. От соотношения этих параметров зависит величина тепловложения в свариваемые кромки, которое определяет качество соединения, остаточные напряжения и деформации, а также механические свойства соединений при сварке термоупрочняемых материалов. Так, например, в Швеции при сварке контейнеров из меди толщиной 50 мм для захоронения ядерных отходов контролируют температуру в зоне сварки и поддерживают ее в узком диапазоне значений путем корректировки режимов с целью получения качественных соединений. Температурные характеристики процесса СТП и качество формирования верхней части шва во многом зависят от формы и диаметра опорного бурта инструмента, а качество перемешивания определяется в основном формой рабочего стержня.

Серьезной проблемой является качественное формирование корня шва, которое зависит от величины заглубления рабочего стержня и точности сборки. Эксперименты, проведенные ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева» совместно со ФГУП «НПО «Техномаш» при сварке образцов из различных алюминиевых сплавов, а также в процессе отработки технологии сварки лейнеров из сплава АМг6 толщиной 2,3 мм, показали, что отклонение величины заглубления рабочего стержня от номинального значения на 0,2 мм приводит к образованию непровара. При этом кроме непроваров возможно образование дефектов сварных соединений, характерных только для процесса СТП. К таким дефектам можно отнести поверхностные рыхлоты и подрывы, а также несплавления с величиной раскрытия 2–3 мкм, расположенные в различных плоскостях.
Важнейшим элементом любой технологии сварки является технология исправления дефектов сварных соединений. Ввиду невозможности ремонта швов, выполненных процессом СТП, сваркой плавлением, устранение дефектов сварных соединений осуществляют путем повторной сварки шва.

Также одним из дефектов соединений, выполненных СТП, являются застрявшие в шве фрагменты инструмента после его поломки. Такие дефекты возможны ввиду довольно низкой стойкости инструмента, который необходимо менять после сварки определенной длины, определяемой опытным путем для разных типов инструментов. В этом случае дефектное место разделывают и в это место устанавливают вставку из того же материала, что и свариваемое соединение. Вставку фиксируют и прихватывают СТП-точками, затем вставку проваривают по краям двумя проходами СТП.

Однако, несмотря на имеющиеся трудности, промышленное применение СТП в России началось. Имеется опыт промышленного применения СТП на чебоксарском предприятии ЗАО «Сеспель» при изготовлении заготовок из сплава АМг5 для автомобильных цистерн (рис. 3).

Рис. 3. Установка СТП ESAB (Швеция) на площадке ЗАО «Сэспель»

В настоящее время ФГУП «ГКНПЦ им М. В. Хруничева», как уже было сказано ранее, освоена СТП лейнеров из сплава АМг6 толщиной 2,3 мм на оборудовании фирмы ESAB. В 2010 году была поставлена задача внедрить метод СТП при изготовлении корпусов топливных баков РН семейства «Ангара». В условиях сложности процесса СТП, отсутствия опыта сварки изделий таких габаритов у европейских производителей оборудования и отказа Государственного департамента США на сотрудничество в этой области данная задача казалась трудновыполнимой.

Проведя переговоры и анализ предложений различных фирм, учитывая имеющийся собственный богатый опыт применения СТП, руководство приняло решение привлечь для выполнения этой работы фирму FPT (Италия), не имеющую опыта в изготовлении оборудования СТП, но специализирующуюся на изготовлении специальных обрабатывающих центров и фрезерных головок. Это позволило в течение пяти лет создать и запустить в ПО «Полет» (г. Омск) уникальный комплекс оборудования, воплотивший в себе европейские достижения в области станкостроения и отечественную технологию СТП. Комплекс состоит из трех установок, обеспечивающих полный автоматизированный цикл сборки-сварки корпусов баков I ступени РН «Ангара»: установки для сварки обечаек (рис. 4); установки для сварки днищ (рис. 5); установки для сварки кольцевых швов корпусов баков (рис. 6).

Рис. 4. Установка для сварки обечаек РН «Ангара» 1 ступень с технологическим оснащением

Рис. 5. Установка для сварки днищ РН «Ангара» 1 ступень с технологическим оснащением

Рис. 6. Установка для сварки кольцевых швов корпусов баков РН «Ангара» 1 ступень с технологическим оснащением

Каждая установка обеспечивает все необходимые требования по точности сборки и контролю параметров сварки. Наличие на станках возможности механической обработки позволяет за счет удаления технологических припусков на свариваемых кромках обеспечить требования по разнотолщинности и зазорам.

Уникальное технологическое оснащение установок выполняет не только требования по жесткости и точности сборки, но и обеспечивает высочайшую производительность комплекса. Так, например, уникальная конструкция оснастки для сварки днищ (рис. 7) в сочетании с программным обеспечением и технологией позволяет производить сварку одного днища бака примерно за 8 часов (1 смена), в то время как традиционным способом данная операция выполняется от 5 до 10 смен. При этом теоретический контур полученного днища, его высота практически не имеет отклонений от номинального положения, тогда как в результате воздействий остаточных напряжений при аргонодуговой сварке изменения высоты днища и отклонения от теоретического контура могут доходить до 10 мм.

Рис. 7. Технологическое оснащение для сварки днищ корпусов баков

Трехпозиционная технологическая оснастка (удаление припуска, сварки и съем детали) для сварки продольных швов (рис. 8) гарантирует получение периметров обечаек с точностью до 0,5 мм на диаметр 2900 мм, что обеспечивает возможность последующей сварки кольцевых швов корпусов баков.

Рис. 8. Технологическое оснащение для сварки продольных швов обечаек

Чудом конструкторской мысли можно смело назвать раскладное кольцо на установке для сварки кольцевых швов (рис. 9): его конструкция позволяет в раскрытом состоянии осуществить сварку кольцевых швов диаметром 2900 мм, а после сварки заключительного шва сложиться и выйти из отверстия люка-лаза диаметром 650 мм. Специалистами ИКЦ «СЭКТ» (г. Санкт-Петербург) и ФГУП «НПО «Техномаш» была разработана и внедрена технология автоматизированного неразрушающего контроля швов непосредственно после проведения операции сварки. Это позволяет в случае обнаружения дефектов сразу произвести операцию переварки.

Рис. 9. Разжимное кольцо в раскрытом, промежуточном и сложенном состоянии

В то же время, как показали проведенные работы, существует ряд проблемных вопросов, без решения которых невозможно дальнейшее изучение и промышленное освоение процесса СТП, в том числе:
— недостаточно изучены причины образования дефектов сварных соединений, характерных только для процесса СТП;
— недостаточно определена степень влияния дефектов на работоспособность сварного шва и определены критические значения тех или иных дефектов, как следствие не в полном объеме определены нормы допустимых дефектов, характерных для процесса СТП;
— слабая нормативная и технологическая база;
— недостаточно высокая стойкость инструмента.

Решать эти проблемы необходимо в ближайшее время.

В связи с этим для дальнейшего промышленного освоения процесса СТП планируется проведение комплекса НИОКР, направленных на решение следующих вопросов:
— разработка норм допустимых дефектов, характерных для процесса СТП;
— исследование и разработка методов и средств неразрушающего контроля соединений, выполненных СТП;
— исследования свариваемости и металлургических особенностей формирования сварных соединений высокопрочных алюминиевых сплавов;
— исследование физико-механических и эксплуатационных свойств сварных соединений различных сплавов;
— исследование причин образования дефектов и разработка методов их предотвращения;
— разработка технологии сварки различных материалов толщиной от 2 до 40 мм;
— исследование влияния материала и конструкции инструмента на его стойкость, качество формирования сварных соединений;
— разработка технологии ремонта сварных соединений и допускаемых норм его проведения;
— разработка опытно-промышленных образцов оборудования.

В настоящее время ФГУП «НПО «Техномаш» проводит ряд таких работ с использованием имеющейся лабораторной базы, обеспечивающей возможность сварки соединений из алюминиевых сплавов толщиной до 40 мм.

При этом ведется отработка и исследование технологии сварки новыми типами инструментов с проведением неразрушающегося контроля.

В рамках Федеральной космической программы России 2016–2025 гг. ФГУП «НПО «Техномаш», основываясь на имеющемся опыте и полученных знаниях, ведет работы по созданию отечественного образца оборудования СТП.

В заключение хотелось бы остановиться на основных перспективных направлениях применения СТП в других отраслях промышленности. Учитывая уникальные возможности по сварке СТП больших толщин (до 40 мм при односторонней и 80 мм двухсторонней сварки), а также возможности сварки всех групп алюминиевых сплавов, мы имеем предпосылки для создания новых профилей для силовых строительных конструкций, жестких рамных конструкций для корпусов ж/д и автомобильной промышленностей, палубных конструкций в судостроении, различных конфигураций и конструкций систем терморегулирования (радиаторные решетки, теплообменники и др.), крупногабаритных листовых заготовок и профилей, в том числе для последующих операций формообразования, где предъявляются повышенные требования к прочности и пластичности сварных соединений.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 7-2019