Зварювання тертям із перемішуванням: недороге зварювання сталевих листів та інших матеріалів із високою температурою плавлення

Дата публікації:

2025-06-11

Honda розробила придатну для серійного виробництва технологію зварювання сталі й алюмінієвих сплавів тертям із перемішуванням, а японський Університет Тохоку та Hitachi — інструмент-перемішувач із кобальтового сплаву, здатний зварювати сталь, титан та інші метали з високою температурою плавлення. Зварювання тертям із перемішуванням (FSW: Friction Stir Welding), яке раніше в серійному виробництві обмежувалося алюмінієвими, мідними, магнієвими сплавами та іншими легкоплавкими металами, починають застосовувати до сталі й інших більш тугоплавких металів*1.

*1 За стандартного атмосферного тиску температура плавлення алюмінію становить 660℃, міді — 1083℃, магнію — 651℃. У заліза вона сягає 1539℃, а в титану — 1727℃.

Тепло тертя розм’якшує метал до в’язкого стану

Зварювання тертям із перемішуванням — це технологія з’єднання двох пластин, за якої інструмент із виступом (перемішувальним штифтом) на торці циліндра обертають і притискають зверху до ділянки зварювання двох пластин (основного матеріалу), зведених у стик або накладених одна на одну.

Тепло тертя між обертовим перемішувальним штифтом і пластиною розм’якшує метал навколо штифта до в’язкого стану, що дає змогу обертовому штифту зануритися в пластину. Розм’якшений метал навколо штифта змішується (відбувається пластична течія), з’єднуючи дві металеві пластини в одне ціле, або на поверхні їхнього з’єднання утворюються металеві зв’язки, які об’єднують їх.

Раніше бракувало змішувальної головки, стійкої до високої температури

Зварювання тертям із перемішуванням має чотири переваги: （1）оскільки зварювання можливе без плавлення основного матеріалу (твердофазне зварювання), після нього виникає мало деформацій і зварювальних дефектів, що підвищує якість виробів і зменшує витрати; （2）воно енергоощадніше за зварювання плавленням; （3）не потребує захисного газу; （4）створює мало шуму й не утворює пилу. Крім того, технологія дуже ефективна для зварювання різнорідних матеріалів, тому привертає велику увагу галузі; очікують, що вибір відповідного матеріалу для кожної ділянки дасть змогу зменшувати масу та досягати інших результатів*2. Проте, як зазначено на початку статті, раніше в серійному виробництві зварювання тертям із перемішуванням можна було застосовувати лише до металів із низькою температурою плавлення.

*2 Порівняно з рідкофазним зварюванням, за якого розплавляють основний матеріал, — зварюванням плавленням — зварювання тертям із перемішуванням відбувається за нижчої температури, а тепловкладення легко регулювати налаштуванням умов зварювання. Тому легко зменшити утворення інтерметалічних сполук — головної причини зниження міцності зварного з’єднання. Зменшення товщини шару інтерметалічних сполук підвищує міцність місця зварювання. Під час зварювання тертям із перемішуванням надмірне перемішування також спричиняє утворення великої кількості інтерметалічних сполук.

Причиною колишнього обмеження зварювання тертям із перемішуванням металами з низькою температурою плавлення була відсутність недорогого жаростійкого інструмента, придатного для серійного виробництва. Для зварювання алюмінієвих сплавів тертям із перемішуванням зазвичай застосовують інструмент з інструментальної сталі та інших залізовмісних матеріалів. Під час зварювання таким інструментом сталі, титанових сплавів та інших металів із високою температурою плавлення інструмент також розм’якшується в зоні високих температур, необхідних для розм’якшення цих металів, сильно зношується й стає непридатним. Хоча вже розроблено інструменти з кераміки, вольфрам-ренієвих сплавів та інших незалізовмісних матеріалів, вони дуже дорогі й не підходять для серійного виробництва.

Без перемішування можна оголити свіжу поверхню сталі

Розроблена Honda технологія зварювання сталі й алюмінієвого сплаву тертям із перемішуванням призначена для з’єднання сталевої та алюмінієвої заготовок, накладених одна на одну. Її головна особливість — перемішування лише алюмінієвого сплаву без перемішування сталі (нижнє зображення на рис. 1). Це запобігає надмірному нагріванню інструмента.

Сталь та алюмінієвий сплав можна зварювати без перемішування сталі, оскільки між ними утворюються металеві зв’язки. Тобто ця технологія не перемішує сталь, а видаляє покриття й оксидну плівку з її поверхні. Так оголюється свіжа поверхня сталі, між якою та алюмінієвим сплавом із підвищеною перемішуванням активністю утворюються металеві зв’язки. Наявність цих зв’язків об’єднує сталь та алюмінієвий сплав в одне ціле*3.

*3 Після потрапляння води тощо між сталлю й алюмінієвим сплавом виникає біметалічна корозія (електрокорозія); ця технологія запобігає їй шляхом введення кремнієвої плівки між сталлю й алюмінієвим сплавом.

Honda застосувала цю технологію в передньому підрамнику нового Accord для північноамериканського ринку й отримала низку результатів (рис. 2). Зокрема, маса зменшилася на 25％ порівняно з попереднім сталевим підрамником, а споживання електроенергії під час зварювання — приблизно на 50％. Крім того, технологія дала змогу змінити конструкцію місць кріплення підрамника й підвіски, підвищивши жорсткість кріплень на 20％, що сприяло поліпшенню динамічних характеристик автомобіля.

Розширення сфер застосування завдяки новим матеріалам

Водночас Університет Тохоку, Hitachi та Hitachi Metals Precision Instruments розробили відносно недорогий інструмент, стійкий до високих температур, розширивши сферу застосування зварювання тертям із перемішуванням (рис. 3). Матеріал цього інструмента спільно розробили Університет Тохоку й Hitachi, а технологію серійного виробництва матеріалу та інструмента (литої деталі) успішно створили Hitachi й Hitachi Metals Precision. Інструмент можна застосовувати для зварювання тертям із перемішуванням сталі, титанових і цирконієвих сплавів та інших металів із високою температурою плавлення; початок продажів заплановано на осінь 2013 року. Хоча Hitachi Metals Precision Instruments повідомила, що «ціну обговорюватимуть згодом», очікується ціновий діапазон, придатний для серійного виробництва.

Матеріал, розроблений Університетом Тохоку та іншими для інструмента зварювання тертям із перемішуванням, — кобальтовий сплав із розподіленими в ньому інтерметалічними сполуками, що зберігають високу міцність навіть за високих температур. Зокрема, у сплаві на основі кобальту розподілено Co3（Al，W）. Ключове завдання — забезпечити рівномірний дрібнодисперсний розподіл Co3（Al，W） та наблизити кількість розподіленої фази й форму меж зерен до бажаного стану. Для цього застосовано раціональніший склад і методи термічної обробки.

Наразі передбачено застосування цього інструмента для вуглецевої сталі, високоміцної сталі, титанових сплавів (Ti-6Al-4V тощо), чистого титану й мідних сплавів. Хоча для деяких матеріалів його застосування утруднене через міцність, товщину та інші чинники, загалом зварювати ним можна матеріали, для яких під час зварювання тертям із перемішуванням максимальна температура інструмента (температура з’єднання) становить приблизно 1000℃.

Попередня сторінка

Подовження строку служби металевих корпусів: успішно розроблено самовідновлювальний антикорозійний засіб «Цзюйфудунь»

FCSE | Передові дослідження: «самовідновлювальне» антикорозійне покриття, що активується сонячним світлом

Наступна сторінка

Попередня сторінка:

Подовження строку служби металевих корпусів: успішно розроблено самовідновлювальний антикорозійний засіб «Цзюйфудунь»

Наступна сторінка:

FCSE | Передові дослідження: «самовідновлювальне» антикорозійне покриття, що активується сонячним світлом

Пов’язані новини

Презентація послуг механічної обробки у 2026 році: фахові рішення Ухань Каймін Хайтек з відновлення металевих поверхонь механічного обладнання

2026-08-15

Докладно про принципи механічної обробки у 2026 році: практичні фахові знання з відновлення металевих поверхонь механічного обладнання

2026-07-31

Повний розбір поширених проблем механічної обробки у 2026 році: практичний посібник з усунення технологічних несправностей та ефективної оптимізації

2026-07-16

Заходи обережності на всіх етапах механічної обробки у 2026 році: практичний посібник зі зниження витрат, підвищення якості та запобігання несправностям

2026-07-01

Огляд застосування механічної обробки в різних галузях у 2026 році: посібник зі зниження витрат і підвищення ефективності завдяки супутньому відновленню металевих поверхонь

2026-06-16

Останні новини галузі механічної обробки за 2026 рік: повний аналіз технологічного оновлення, зниження витрат і підвищення ефективності виробничих підприємств

2026-06-01

Поділитися в

Повернутися до списку