Сварка трением с перемешиванием: малозатратная сварка стальных листов и других материалов с высокой температурой плавления

Дата публикации:

2025-06-11

Honda разработала пригодную для массового производства технологию соединения стали и алюминиевых сплавов сваркой трением с перемешиванием, а японский Университет Тохоку и Hitachi разработали кобальтовый инструмент, способный сваривать сталь, титан и другие металлы с высокой температурой плавления. Применение сварки трением с перемешиванием (FSW: сварка трением с перемешиванием), ранее ограниченное на уровне массового производства низкоплавкими металлами, такими как алюминиевые, медные и магниевые сплавы, начинает распространяться на сталь и другие более тугоплавкие металлы*1.

*1 При стандартном атмосферном давлении температура плавления алюминия 660℃, меди 1083℃, магния 651℃. У железа она достигает 1539℃, у титана — 1727℃.

Тепло трения размягчает металл до вязкого состояния

Сварка трением с перемешиванием использует цилиндрический инструмент с выступом — перемешивающим штифтом — на торце. Вращающийся инструмент прижимают сверху к месту сварки двух стыкуемых или уложенных внахлёст пластин основного материала, соединяя их.

Тепло трения между вращающимся перемешивающим штифтом и листом размягчает металл вокруг штифта до вязкого состояния, благодаря чему вращающийся штифт входит в лист. Размягчённый металл вокруг штифта смешивается (происходит пластическое течение), объединяя два металлических листа в одно целое, либо на сопрягаемых поверхностях двух листов образуются металлические связи, объединяющие их в одно целое.

Раньше не хватало жаростойких перемешивающих головок

Сварка трением с перемешиванием имеет следующие четыре преимущества: (1) поскольку сварка выполняется без расплавления основного металла (твердофазная сварка), после неё мало деформаций и сварочных дефектов, что повышает качество продукции и снижает затраты; (2) экономит энергию по сравнению со сваркой плавлением; (3) не требует защитного газа; (4) малошумна и не образует пыли. Кроме того, технология очень эффективна для сварки разнородных материалов и потому привлекает большое внимание отрасли; ожидается, что выбор подходящих материалов для каждого участка позволит снизить массу и получить другие результаты*2. Однако, как сказано в начале статьи, ранее материалы, пригодные для сварки трением с перемешиванием на уровне массового производства, ограничивались низкоплавкими металлами.

*2 По сравнению с жидкофазной сваркой, расплавляющей основной металл, — сваркой плавлением — сварка трением с перемешиванием имеет низкую температуру сварки, а подвод тепла легко контролировать выбором условий сварки. Поэтому легко сократить образование интерметаллидов — главных виновников снижения прочности сварки. Уменьшение толщины интерметаллидного слоя повышает прочность сваренного участка. При сварке трением с перемешиванием чрезмерное перемешивание также вызывает образование большого количества интерметаллидов.

Ранее сварка трением с перемешиванием применялась только к низкоплавким металлам из-за отсутствия недорогого жаростойкого инструмента, пригодного для массового производства. При сварке алюминиевых сплавов трением с перемешиванием обычно используют инструмент из инструментальной стали и других сталей. При сварке таким инструментом стали, титановых сплавов и других тугоплавких металлов он также размягчается в высокотемпературной зоне, необходимой для размягчения этих металлов, из-за чего сильно изнашивается и становится непригодным. Хотя инструменты из керамики, вольфрам-рениевых сплавов и других материалов, не относящихся к стали и железу, уже разработаны, они чрезвычайно дороги и не подходят для массового производства.

Обнажение свежей поверхности стали без перемешивания

Разработанная Хондой технология сварки стали и алюминиевого сплава трением с перемешиванием соединяет уложенные внахлёст основные материалы. Главное отличие — перемешивается только алюминиевый сплав, а сталь нет (нижняя схема рисунка 1). Это предотвращает перегрев перемешивающего инструмента.

Сварить сталь и алюминиевый сплав без перемешивания стали возможно потому, что между ними образуются металлические связи. Иными словами, эта технология не перемешивает сталь, а удаляет покрытие и оксидную плёнку с её поверхности. Таким способом обнажается свежая поверхность стали, между которой и алюминиевым сплавом с повышенной благодаря перемешиванию активностью образуются металлические связи. Наличие этих связей объединяет сталь и алюминиевый сплав в единое целое*3.

*3 Попадание воды и других веществ между сталью и алюминиевым сплавом вызывает биметаллическую коррозию (электрокоррозию); технология предотвращает её введением кремниевой плёнки между сталью и алюминиевым сплавом.

Honda применила эту технологию в переднем подрамнике новой модели «Accord» для североамериканского рынка и получила несколько результатов (рисунок 2). В частности, масса уменьшилась на 25％ по сравнению с прежним стальным подрамником, а потребление электроэнергии при сварке сократилось примерно на 50％. Кроме того, с помощью этой технологии изменили конструкцию места крепления подвески к подрамнику, повысив жёсткость этого места на 20％, что способствовало улучшению динамических характеристик автомобиля.

Расширение областей применения благодаря новым материалам

С другой стороны, Университет Тохоку, Хитати и компания точных приборов Хитати Металз разработали сравнительно недорогой инструмент, выдерживающий высокую температуру, расширив область применения сварки трением с перемешиванием (рисунок 3). Материал инструмента совместно разработали Университет Тохоку и Хитати, а технологию массового производства этого материала и инструмента (отливок) успешно совместно разработали Хитати и компания точных приборов Хитати Металз. Инструмент пригоден для сварки трением с перемешиванием стали, титановых, циркониевых сплавов и других тугоплавких металлов; начало продаж запланировано на осень 2013 года. Хотя компания точных приборов Хитати Металз заявляет, что «цена будет обсуждаться впоследствии», ожидается ценовой диапазон, позволяющий использовать инструмент на уровне массового производства.

Материал, разработанный Университетом Тохоку и другими организациями для инструмента сварки трением с перемешиванием, представляет собой кобальтовый сплав с распределёнными внутри интерметаллидами, сохраняющими высокую прочность и при высокой температуре. В частности, в сплаве на основе кобальта распределён Co3（Al，W）. Ключевой вопрос — как добиться равномерного мелкодисперсного распределения Co3（Al，W）, приблизив его количество и форму границ зёрен к желаемому состоянию. Для этого использовали более рациональные состав и методы термообработки.

Предполагаемые материалы применения этого перемешивающего инструмента — углеродистая и высокопрочная сталь, титановые сплавы (Ti-6Al-4V и другие), чистый титан и медные сплавы. Некоторые материалы сложны из-за прочности и толщины, но в целом свариваются материалы, для которых температура инструмента (соединения) при сварке трением с перемешиванием достигает максимум примерно 1000℃.

Предыдущая страница

Продление срока службы металлических корпусов: успешно разработано самовосстанавливающееся антикоррозионное средство Цзюйфудунь

FCSE | Передовые исследования: «самовосстанавливающееся» антикоррозионное покрытие под действием солнечного света

Следующая страница

Предыдущая страница:

Продление срока службы металлических корпусов: успешно разработано самовосстанавливающееся антикоррозионное средство Цзюйфудунь

Следующая страница:

FCSE | Передовые исследования: «самовосстанавливающееся» антикоррозионное покрытие под действием солнечного света

Связанные новости

Обзор продукции для механической обработки в 2026 году: профессиональные решения Ухань Каймин Хай-Тек по восстановлению металлических поверхностей механического оборудования

2026-08-15

Подробное объяснение принципов механической обработки в 2026 году: практические знания о профессиональном восстановлении металлических поверхностей механического оборудования

2026-07-31

Полный разбор распространённых проблем механической обработки в 2026 году: практическое руководство по устранению технологических неисправностей и эффективной оптимизации

2026-07-16

Меры предосторожности на всех этапах механической обработки в 2026 году: практическое руководство по снижению затрат, повышению качества и предотвращению неисправностей

2026-07-01

Обзор применения механической обработки во всех отраслях в 2026 году: руководство по снижению затрат и повышению эффективности с помощью сопутствующего восстановления металлических поверхностей

2026-06-16

Последние новости отрасли механической обработки в 2026 году: полный анализ обновления технологий, снижения затрат и повышения эффективности производственных предприятий

2026-06-01

Поделиться в

Вернуться к списку