Введение

Сварка трением — это передовая технология, которая продолжает эволюционировать благодаря новым методам и инструментам. В недавнем исследовании, проведенном командой Национального центра сварки (NESC), были разработаны инновационные подходы для улучшения прочности сварных швов и устранения аномалий топографии, которые возникали в процессе сварки.

Новые методы для повышения качества сварки

Команда NESC использовала сочетание машинного обучения, статистического моделирования и физически обоснованных симуляций для решения проблем, связанных с низкой прочностью на растяжение и аномалиями топографии (LTA) в сварных соединениях, выполненных с использованием процесса сварки трением (SRFSW).

Разработка технологий для обнаружения LTA

Определение причин низкой прочности сварки и LTA требовало применения множества различных методов:

• Глубокое обучение для обнаружения LTA: Команда NESC разработала модель машинного обучения для выявления и сегментации LTA на изображениях сварных швов. Модель была обучена на изображениях, аннотированных экспертами в области металлургии, с использованием метода голосования для разрешения разногласий. Этот процесс позволил устранить проблемы с ручной идентификацией LTA, обучив нейронную сеть на большом наборе данных, созданном NASA.
• Интегрированная система обработки данных: Процесс SRFSW является сложным и включает множество взаимодействующих переменных. Команда разработала Python-основанную систему для автоматической обработки и проверки разнообразных данных, которые затем собирались в единую сводную таблицу. Это значительно сократило ручной труд и улучшило качество данных.
• Веб-приложение для анализа данных: Новое веб-приложение позволяло инженерам и экспертам быстро исследовать интегрированный набор данных, что способствовало более быстрому тестированию гипотез и генерации интуитивных выводов в ходе исследования.
• Дизайн экспериментов с заполнением пространства: Поскольку SRFSW включает сложные и нелинейные отношения между процессами, команда использовала дизайн экспериментов с заполнением пространства для эффективного исследования всех параметров. Это позволило создать модели машинного обучения, которые отражают поведение сварки.
• Физическая симуляция SRFSW: Создание вычислительной модели процесса SRFSW позволило смоделировать условия сварки, эволюцию микроструктуры и конечные свойства, что дало возможность углубить понимание процессов, недоступных для физических датчиков.

Определение причин LTA

Используя новые инструменты и методы анализа, команда установила две основные причины LTA и низкой прочности сварных швов:

• Слишком агрессивная подготовка поверхности после сварки, что снижало прочность шва.
• Энергетический вход в сварку вне оптимального диапазона, что приводило к несоответствиям в швах и увеличенному риску LTA.

Модели процессов помогли определить целевой диапазон энергопотребления и рекомендовали, как корректировать основные параметры управления для достижения этого целевого диапазона с высокой точностью.

Технология сварки трением

В процессе SRFSW вращающийся штифт погружается в шов между двумя металлическими пластинами, генерируя тепло за счет трения, которое соединяет листы без их расплавления. Эта техника обеспечивает более прочные соединения по сравнению с традиционной сваркой и позволяет использовать высокоэффективные, но обычно несвариваемые сплавы, такие как алюминий 2219.

Сварка трением не требует использования газовых горелок или припоев, поскольку трение соединяет материалы на молекулярном уровне.

Лаборатория сварки трением NASA расположена в Центре вертикальной сборки NASA в Новом Орлеане и используется для соединения основных компонентов ракеты SLS.

Заключение

Инновационные методы, разработанные командой NESC, продемонстрировали, как сочетание современных технологий может значительно повысить качество сварки трением. Эти достижения не только устраняют существующие проблемы, но и открывают новые горизонты для применения этой технологии в различных отраслях. Способы улучшения сварки трением помогут в создании более прочных и надежных конструкций, что особенно актуально для аэрокосмической отрасли.