Публичное обсуждение проекта продлится до 20 сентября 2019 г.

Производитель должен иметь в своем распоряжении достаточно квалифицированный персонал, способный осуществлять планирование, выполнение функции надзора и контроля, а также проводить испытания качества сварочной продукции, выполненной сваркой трением с перемешиванием, в соответствии с установленными требованиями.

NormaCS

Администратор, 10 июля 2019

Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов

Среди огромного количества различных технологий сварки следует отметить сварку трением с перемешиванием. Подобный процесс не предусматривает использование защитных газов и расходных сварочных материалов. При этом можно получить соединение высокого качества. Технология в большинстве случаев применяется при обработке алюминия и некоторых других сплавов. Рассмотрим принцип процесса и некоторые другие моменты подробнее.

Принцип процесса

Сварка трением с перемешиванием проводится при применении специального инструмента, который напоминает форму стержня. Среди особенностей сварки трением с перемешиванием можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Применяемое оборудование для сварки трением с перемешиванием состоит из двух основных частей: заплечика и бурта, а также наконечника.
2. Инструмент выбирается в зависимости от толщины материала и его типа. Некоторые сплавы характеризуются низкой степенью обрабатываемостью.
3. Длина наконечника устанавливается в зависимости от толщины детали.
4. Этот метод сварки может выполняться с присадочным материалом. На момент сварки инструмент вращается с высокой скоростью в месте плавления. Оказываемое давление приводит к тому, что наконечника внедряется в заготовку на требуемую толщину. При этом заплечник должен коснуться обрабатываемой поверхности.
5. Следующий шаг заключается в перемещении инструмента по линии шва с определенной скоростью. При сильном трении поверхность материалов начинает сильно нагреваться, за счет чего он начинает становится пластичным. Деформация проходит равномерно.

Процесс сварки

При помощи специальной установки можно создать прочное соединение, которое характеризуется довольно высоким качеством.

Основные параметры которые влияют на свойства шва

Стоит учитывать, что некоторые параметры оказывают влияние на основные качества образующегося шва. К основным можно отнести:

1. Скорость перемещения инструмента определяет силу трения, возникающую между режущей поверхностью и заготовкой. От этого зависит также температура.
2. Частот вращения инструмента также оказывает влияние на температуру в зоне обработке.
3. Угол наклона инструмента также оказывает влияние на особенности проведения сварки трение с перемешиванием.
4. Геометрические размеры применяемого прибора выбираются в зависимости от того, какой нужно получить соединение.
5. Усилие прижатия и перемещения также можно считать наиболее важными параметрами.

Сварочный шов

При рассмотрении способа сварки трением отметим, что подобная технология сегодня активно развивается. Это связано с тем, что естественный процесс нагрева не приводит к появлению внутренних деформаций и иных дефектов.

Основные области применения

На сегодняшний день рассматриваемая технология применяется в большинстве случаев при выпуске транспортных средств. Это связано с нижеприведенными моментами:

1. При применении технологии, которая предусматривает плавление металла, может появится перфорация тонких листов стали. Примером можно назвать обработку алюминия.
2. Рассматриваемая технология СТП определяет выделение меньшего количества тепла. Именно поэтому вероятность появления подобных дефектов незначительна.
3. Сварки трением с перемешиванием характеризуется высокой эффективностью, так как ее использование приводит к уменьшению степени энергопотребления в два раза.
4. Применение технологии позволяет снизить вес получаемой конструкции.

Все приведенные выше моменты определяют то, что рассматриваемая технология получила следующее распространение:

1. Судостроение.
2. Аэрокосмическая промышленность.
3. Электротехническая промышленность.
4. Строительство.
5. Пищевая промышленность.
6. Железнодорожный транспорт.

Оборудование для сварки трением с перемешиванием

Чаще всего сварки трением с перемешиванием применяется при соединении медных сплавов. Примером можно назвать получение контейнеров, которые можно использовать для хранения ядерных отходов и ответственных деталей.

Преимущества

Рассматриваемый метод характеризуется довольно большим количеством достоинств. Перемешивая заготовки трением можно получить качественный шов. Качество сварки трением перемешиванием повышается при использовании различных инструментов. Преимуществами можно назвать следующие моменты:

1. Заготовки не нужно тщательно подготавливать. Если рассматривать контактную и другую технологию, то перед непосредственной обработкой поверхность должна быть тщательно очищена от различных загрязнений и быть ровной. В противном случае качество шва будет низким, достигнуть требуемой герметичности не получится. В рассматриваемом случае достаточно очистить поверхность от крупных и сильно проявляющихся загрязнений.
2. Не возникает необходимости в особой подготовке кромок. Некоторые технологии предусматривают снятие поверхностного слоя металла и проведение некоторых технологических операций, которые позволят существенно повысить прочность соединения.
3. Есть возможность провести соединение металла, который нельзя обработать обычным способом. Примером можно назвать материалы, не подающиеся обычным методам сварки. При этом необходимость в предварительном подогреве зоны обработки практически не возникает.
4. Прочность получаемого соединения достаточно высока. Именно поэтому технология может применяться для получения ответственных изделий с различной областью применения.
5. Нет необходимости в использовании присадочной проволоки. Этот момент существенно снижает себестоимость проводимой работы.
6. В месте соединения зернистость мелкая. За счет этого повышается плотность сварочного шва и его устойчивость к различного рода воздействия.
7. Отсутствие пор также благоприятно сказывается на качестве полученного соединения. Это свойство можно связать с тем, что при сильном нагреве проводится выделение различных газов и веществ, которые и становятся причиной образования пористости.
8. Практически полное отсутствие признаков коробления и термической деформации определяет то, что финишная обработка требуется крайне редко.
9. После проведения сварочных работ при сварке трением с перемешивание изделие практически сразу готово к применению. При этом нет необходимости в проведении каких-либо подготовительных действий.
10. Не повышается степень реакции поверхности на воздействие окружающей среды. Другими словами, материал не покрывается коррозией.
11. При проведении процедуры на момент сварки трением с перемешиванием не образуется токсичных газов или других выделений. Кроме этого, более распространенные методы, основанные на воздействии тока, приводят к образованию электрической дуги, которая оказывает негативное воздействие на оператора и окружающих при условии отсутствия специальных средств индивидуальной защиты.
12. Уменьшается продолжительность производственного цикла примерно на 50% в сравнении с другими распространенными способами.
13. Экономия на количестве потребляемой энергии составляет 20%.

Как ранее было отмечено, получение бездефектных швов на сплавах определило широкое распространение сварки трением с перемешиванием. Примером можно назвать получение кузовных деталей.

Недостатки

У проводимой процедуры также есть несколько недостатков, которые нужно учитывать. Примером можно назвать возможность нарушения сплошности шва. Кроме этого, некоторые сплавы в меньшей степени подвержены воздействию силы трения.

Совершенствование рассматриваемого способа определило то, что на поверхности шва образуются дефекты в самых крайних случаях. Чаще всего это случается при нарушении технологии и использовании низкокачественного инструмента.

Технологические возможности у рассматриваемой процедуры довольно обширны. Примером назовем следующие моменты:

1. Автоматизация процесса.
2. Получение качественных изделий при несущественных финансовых затратах.
3. Получение шва без сильного наплыва металла.

Сварка меди и стали

Как ранее было отмечено, сварка трением с перемешиванием сегодня активно развивается. Именно поэтому в будущем может появится оборудование с более высоким показателем производительности.

Особенности формирования соединений при применении СТП

Как ранее уже было отмечено, сварка трением с перемешиванием характеризуется достаточно большим количеством особенностей. Среди ключевых моментов, касающихся формирования соединения, можно отметить нижеприведенную информацию:

1. Нагрев металла проводится постепенно до температуры, которая не приводит к изменению основных свойств.
2. Температура повышается только в одном локальном месте. За счет этого обеспечивается высокое качество получаемого соединения.
3. При соблюдении рекомендаций по проведению рассматриваемой процедуры дефекты возникают крайне редко. Именно поэтому в большинстве случаев достаточно провести визуальный осмотр места соединения для контроля качества.

Современное оборудование позволяет получать минимальный шов, которые после финишной обработки практически незаметен. Обширное распространение рассматриваемого метода также можно связать с тем, что она подходит для работы с труднообрабатываемыми металлами.

Сварка трением с перемешиванием – активно развивающаяся технология, которая сегодня все чаще внедряется в различное производство.

Сварка трением

Подробности

Опубликовано 24.10.2015 10:09

Просмотров: 3263

Сварка трением с перемешиванием тонкостенных соединений из морского алюминиево-магниевого сплава 1561.

На основе экспериментальных исследований термических циклов разработана расчетная методика определения параметров режима процесса, позволяющая минимизировать тепловложение при сварке трением с перемешиванием алюминиево-магниевого сплава марки 1561 с целью получения сварных соединений со свойствами на уровне свойств основного металла.

Введение

В настоящее время для строительства скоростных судов малого и среднего водоизмещения широко используются свариваемые деформируемые сплавы системы алюминий-магний, обладающие высокой коррозионной стойкостью в морской воде. Наибольшее распространение при изготовлении средне-и высо-конагруженных крупногабаритных сварных конструкций и изделий получил сплав марки 1561, разработанный специально для судостроения ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей». Основной объём сварных конструкций изготавливается из холоднокатаных листов и прессованных панелей толщиной от 2 до 6 мм.

Изготовление тонколистовых сварных конструкций распространенными способами аргонодуговой сварки плавлением неизбежно связано с образованием значительных остаточных деформаций, вызванных процессами плавления металла сварного шва [1]. При этом прочность сварных соединений составляет не более 0,9 от прочности основного металла.

В качестве альтернативы существующим способам сварки плавлением в начале 90-х годов институтом сварки TWI (Великобритания) был предложен новый способ сварки – сварка трением с перемешиванием (СТП) [2].

Процесс СТП осуществляется благодаря вращающемуся сварочному инструменту, который внедряют в сва-риваемые кромки на всю их толщину. За счет теплоты, выделяющейся при трении поверхностей сварочного инструмента с поверхностью заготовки, материал последней нагревается до пластифицированного состояния.

При поступательном перемещении вращающегося инструмента вдоль линии стыка пластифицированный материал, обтекая наконечник, перемещается из зоны захвата в зону приема металла, образующуюся позади сварочного инструмента.

Физический контакт перемещенных слоев металла с нагретым основным металлом и их совместное пластическое деформирование способствуют протеканию процессов схватывания и динамической рекристаллизации с образованием сварного шва [3] (рис. 1).

В отличие от сварки плавлением, при которой металл шва формируется в результате кристаллизации присадочного металла, частично перемешенного с металлом расплавленных свариваемых кромок, процесс СТП осуществляется за счет пластификации свариваемого металла без его расплавления. Благодаря относительно низкому тепловложению при СТП сварные соединения имеют незначительные сварочные деформации.

Основными параметрами, определяющими уровень тепловложения при сварке при постоянном осевом давлении, являются скорость сварки, частота вращения сварочного инструмента и диаметр опорной поверхности уступа (рис.1).

Сообщается, что в зависимости от режима сварки максимальная температура может изменяться в диапазоне 0,5 – 0,8 от температуры плавления свариваемого металла [4-5].

Очевидно, что для минимизации остаточных деформаций и степени разупрочнения зоны термического влияния основного металла необходимо выбирать режим сварки, соответствующий минимально возможному тепловложению, при котором формируется качественное соединение.

Методика, результаты и анализ экспериментального исследования

Выбор оптимального теплового режима сварки осуществлен по результатам изучения влияния параметров процесса сварки трением с перемешиванием алюминиево-магниевого сплава марки 1561 на тепловложение.

Использована разработанная экспериментальная методика, основанная на контактном методе измерения температуры, которая обеспечивала погрешность, не превышающую 15 °С [6].

Варьируемыми параметрами были выбраны частота вращения в диапазоне 500-1400 об/мин, диаметр опорной поверхности уступа – от 8 до 12 мм и скорость сварки – от 80 до 210 мм/мин.

Полученные термические циклы (рис. 2) подчиняются закономерностям основных положений теории распространения тепла при сварке, что свидетельствует о корректности полученных результатов и подтверждает правомерность использования разработанной экспериментальной методики.

Анализ экспериментальных результатов показал, что наиболее существенное влияние на достижение максимальных температур имеют диаметр уступа и частота вращения сварочного инструмента (рис. 3 а, б). Влияние скорости сварки в исследуемом диапазоне незначительно и составляет 4 %, что сопоставимо с погрешностью экспериментальных измерений.

Исследование структуры металла сварных соединений свидетельствует о типичном для процесса сварки трением с перемешиванием формировании зон сварного соединения вне зависимости от режима сварки (рис. 4). Геометрические границы сварного шва А и В определяются размерами сварочного инструмента D и d, а ширина зон термического и термомеханического воздействия Е и С зависит, главным образом, от диаметра опорной поверхности уступа D и частоты вращения сварочного инструмента #.

Структуры металла сварных швов, полученных при различных тепловых режимах, имеют существенные отличия. Установлено, что швы, выполненные в диапазоне температур 280-380°С, характеризуются выраженной слоистой структурой, в которой наблюдаются протяженные меж-слойные трещины как в центральной, так и в корневой части, и являются неприемлемыми для получения качественных соединений.

Швы, выполненные при температурах нагрева металла свариваемых кромок выше 390 °С, характеризуются плотным формированием, без трещин, расслоений и несплошностей (рис. 5).

Таким образом, экспериментально установлено, что обязательным условием качественного соединения перемещаемых слоев металла при СТП алюминиево-магниевого сплава марки 1561 является обеспечение максимальной температуры в зоне формирования более 390 °С.

Для обобщения факторов, влияющих по совокупности на тепловло-жение, проведено численное моделирование процесса перемещения сварочного источника вдоль линии стыка свариваемых заготовок. В соответствии с данными исследований [7] источник тепла принимался распределенным по поверхности сварочного инструмента с учетом, что 20 % теплоты при сварке вводится наконечником, 80 % – опорной поверхностью уступа по квадратичной зависимости от радиуса. Суммарная величина тепловложения, вводимого при расчете, контролировалась условием максимального приближения решения к экспериментальным данным.

Результаты испытаний на статическое растяжение плоских образцов из основного металла (сплав 1561) и сварных соединений, выполненных СТП и АРДС

В результате были получены численные решения термических циклов исследуемых режимов сварки, различие которых с экспериментальными данными не превышает 6 °С, и установлена зависимость тепловложения от конструктивно-технологических параметров сварки. Результаты расчета тепловложения позволили определить закономерность изменения температуры при варьировании диаметра уступа и частоты вращения сварочного инструмента при сварке алюминиевого сплава марки 1561 толщиной от 2 до 6 мм (рис. 6).

Таким образом, на основании проведенных исследований определены закономерности изменения максимальной температуры металла шва от параметров сварки и установлены оптимальные диапазоны режимов, соответствующие минимальному те-пловложению и обеспечивающие качественное формирование сварного соединения.

На выбранных режимах сварки изготовлены сварные пробы размером 500×500 мм для проведения механических испытаний. Результаты испытаний показали, что механические свойства сварного соединения реализуются на уровне свойств основного металла (Таблица 1). Разрушение сварных образцов происходит по основному металлу на расстоянии более 4 мм от границы со швом (рис. 7).

Для сравнительного анализа испытаны соединения, выполненные сваркой плавлением. Сварные стыковые соединения алюминиевого сплава марки 1561 толщиной 4 мм выполнены ручной аргонодуговой сваркой с заполнением разделки свариваемых кромок присадочным материалом СвАМг61 (ГОСТ 7871-75) диаметром 3 мм на режиме: сила тока 150-200 А, диаметр вольфрамового электрода – 4 мм, расход аргона – 7-8 л/мин. Количество проходов – 2. Испытания на статическое растяжение показало, что достижение прочности, близкой к основному металлу, возможно только для соединений, выполненных с нормированным усилением шва (таблица 1), при этом разрушение образцов локализуется по границе соединения.

Испытания на статический изгиб образцов с поперечным и продольным швом, выполненных сваркой трением с перемешиванием, свидетельствуют о практически одинаковой способности стыковых соединений к деформированию. При испытаниях на оправке диаметром 6 толщин появления трещин не было зафиксировано при углах изгиба, равных 180° (рис. 8).

Оценка остаточных деформаций не выявила отклонения размеров сварных заготовок, вызванных сварочным нагревом. Максимальная величина стрелки прогиба составляет 10 % от толщины заготовок, что находится на уровне разнотолщинности исходного материала (рис. 9).

Заключение

Таким образом, на основе экспериментально установленных закономерностей распределения максимальных температур в зависимости от основных технологических параметров процесса сварки выбраны оптимальные режимы сварки, обеспечивающие качественное формирование металла шва при минимальном тепловложении.

Показано, что свойства сварного соединения алюминиево-магниевого сплава марки 1561, выполненного сваркой трением с перемешиванием, определяются свойствами основного металла и удовлетворяют требованиям Российского морского регистра судоходства, предъявляемым к сварным соединениям морского алюминиево-магниевого сплава марки 1561.

Читайте также

Добавить комментарий

Технология сварки трением по ГОСТ: виды, применения

Сварка трением  – это разновидность сварки давлением входящей в один из семидесяти способов обработки металла и относится к механическому классу известной классификации.

Технология сварки трением подразумевает нагрев рабочих деталей, происходящий за счёт сил трения, которые возникают при вращении заготовок относительно друг друга.

Процесс сварки трением

«Важно!

Сдавливание деталей происходит одновременно.»

Существуют технологические схемы процесса, которые распределяются следующим образом: инерционный процесс, орбитальная технология и радиальная сварка трением.

Область применения

Она нашла распространение в инструментальном производстве. Она широко используется в машиностроительной области, ядерной энергетике.

Сварка алюминия трением распространена в электротехнической промышленности и производстве сельхоз/техники. Она распространена в автомобильной отрасли, производстве авиационной и космической техники. Перемешивающая сварка трением эффективна в нефтяной и химической отрасли.

Методика расширяет свои границы. Теперь стало возможным использование сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в судостроении, вагоностроении и пищевой отрасли.

Практика показывает, что сварка методом трения наиболее эффективна в следующих случаях:

1. При её замене плавлением (электродуговым способом) и другими.
2. Вместо контактного метода.
3. При замене пайки и клёпки, а также разъёмных соединений деталей.
4. При необходимости реставрации деталей и инструмента.
5. Когда необходимо создать новые рациональные конструкции деталей.
6. Метод как нельзя лучше подходит для соединения отдельных деталей с уже готовыми (обработанными) поверхностями.
7. Область применения сварки трением включает в себя изготовление деталей из сложных поковок. А также штамповок. Происходит расчленение на простые заготовки для дальнейшего рабочего процесса.

«Важно,

что применение сварки трением исключает  мелкие брызги горячего металла.»

При этом на выходе достигается высокая точность соединения, которая даёт возможность использовать описываемый метод для производства деталей, прошедших участие в механической обработке.

Это, в том числе, касается шлифовки и полировки. Как и в других видах работ есть определённые преимущества и отрицательные моменты, которые необходимо осветить.

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам данного метода относятся:

• высокая производительность;
• энерго/эффективность;
• стабильность и качество соединения на высоком уровне;
• лояльные требования к чистоте поверхности;
• возможность эффективного соединения одноимённых сплавов и разных металлов. Как пример: сталь с алюминием либо медью.
• Возможность проведения работ с использованием программируемых машин с частичным использованием ручного труда или без такового.

Также немаловажно, что в процессе работ не выделяется ультрафиолетовые излучения. В работе нет брызг горячего металла.

«К сведению!

В рабочем процессе не выделяются вредные газы, отрицательно влияющих на здоровье рабочих.»

Но, есть и ложка дёгтя, как же без неё обойтись! Недостатки сварки трением – это:

• универсальность процесса на низком уровне;
• тяжёлое и громоздкое технологическое оборудование;
• искривление текстурных волокон в рабочей (сварной) зоне.

Радует то, что недостатков гораздо меньше, нежели положительных моментов.

Режимы и процесс сварки

Первоначальный режим процесса подразумевает разрушение и удаление окисных плёнок. Это достигается силой трения.

Технология сварки методом трения

На втором этапе происходит разогрев рабочих кромок до пластичного состояния. А также появление временного контакта, его разрушения. Выдавливание из стыков пластичных объёмов металла.

К третьему режиму относится окончание вращения и образование цельного сварного соединения.

Сущность рабочего процесса сводится к следующему. Для работы задействуют инструмент, выполненный в виде стержня. Заплечики (бурт) с утолчённой частью и наконечник с выступающими краями. Размеры элементов подбираются исходя из толщины рабочих деталей.

Способы

Данный вид сварки включает в себя несколько методов, на которых следует остановиться. Давайте рассмотрим виды сварки трением, остановимся на каждом из них. Узнаем, где и каким образом, каждый из них применяется.

Линейная сварка трением использует инструмент цилиндрической формы с наплечниками и выступающим штырём в центре конструкции. Для вращения он опускается в линию соединения рабочих деталей.

Вращаясь, инструмент создаёт прижимное усилие и поступательные движения для создания сварного шва.

Дополнительно он формируется заплечниками. С помощью выдавливания и перемешивания происходит формирование сварного шва.

Линейная сварка трением

Ротационная сварка трением сегодня считается разработанным и распространенным способом. Она активно используется при выпуске холодильного оборудования, производстве паромов, тепловых обменников и электрических силовых агрегатов.

Техника задействована в научных и исследовательских целях, а также в автомобильной отрасли.

Какое оборудование необходимо?

К процессу подключаются специальные машины. Например, автоматическая установка СТ 110, предназначенная для производства  автомобильных выпускных автомобилей.

Машины комплектуются рабочими узлами. Это: вращающийся привод, фрикционная муфта, шпинделя с ремённой передачей тормоз.

Большая часть машин оборудована приводом вращения, в который входит асинхронный электрический силовой агрегат, клиномерная передача с зубчатым ремнём.

Оборудование для сварки трением

Этот способ сварки подразумевает использование и других конструкций. К примеру, машин для микро и прецизионной сварки. «Малыши» не отстают от «взрослых». В маленьких конструкциях шпиндель должен разогнаться и развить частоту вращения 80-650 с^-1.  Сварки трением по ГОСТ 260184 регламентирует термины и определения основных понятий.

Техника безопасности

В процессе работ необходимо соблюдать противопожарную и личную безопасность.

Процесс безопасности включает подготовительный этап и рабочие моменты.

Это проверка рабочей формы и защитных принадлежностей. Освобождение рабочей зоны от посторонних предметов.

Проверка рабочего инструмента и электрических соединений.

Подробно о соблюдении ТБ написано в инструкции по проведению работ.

В интернете достаточно литературы по этому вопросу. Есть обучающие ролики, где показано не только видео сварки трением, рабочих процессов, но и в полном объёме раскрывается тема ТБ.

Важно, чтобы каждый сотрудник перед началом работы прошёл технический и личный инструктаж. Для этого предусмотрен специальный журнал.

Заключение

Существующие процессы и технологии не стоят на месте. Специалисты изучают методы работы и стараются усовершенствовать конечный результат.

Хотя сварка трением считается изученной и понятной, но всё равно научные работники и исследовательские центры хотят расширить её возможности для получения более качественной продукции. Использовать метод, расширив его географию.

Сварка трением

Темы: Технология сварки.

Сущность метода и основные области применения.

Сварка трением – метoд соединения материалов в твердoй фазе, пpи которoм зона соединения нагревается зa счет работы прoтив сил трения, возникающих нa свариваемых поверхностях, находящихcя в относительнoм движении и прижатых дpуг к другу нормальным усилием. Pазрушение и удаление загрязнений обеспечиваются термическим воздействием, механическим износом и пластическим течением металла вдoль поверхности скольжения. Послe достижения в зоне соединения нужной сварочной температуры и определеннoй деформации материала относительноe движение заготовок практически мгновеннo прекращается, и процесс сварки заканчивается естественным охлаждением изделия.

Особенности метода связаны с кинетикой тепловыделения, пластического деформирования материалов. На рис. 1 смотрите схемы типовых осциллограмм основных параметров режима сварки трением c непрерывным приводом.

Риc. 1. Схема типовых осциллограмм основныx параметров режима сварки трением: F – осевая сжимающая нагрузка, Н; (ω – частота вращения, с^-1; N – мощность тепловыделения, В_т; М_тр – момент трения, Н . м; t_п , t_н, t_пр – соответственно время притирки, нагрева и проковки, с; Т – температура в зоне соединения, °С ; Δl- осадка, мм.

Применение в промышленности.

Сварка трением широкo применяется в машиностроении, инструментальном производстве, ядерной энергетике, электротехнической промышленности, тракторостроении, автомобилестроении, в авиакосмической технике, нефтяноми химическом машиностроении. Этот метoд сварки являетcя одним из наиболеe интенсивно развивающихся технологических процессов. Зарубежныe источники сообщают o перспективах использования сварки трением с перемешиванием в судостроении, вагоностроении, ракетостроении, авиастроении, электротехнической, пищевой промышленности. Например, норвежская судостроительная компания «Marine Aluminium» впервыe применила промышленную установку «ESАB SuperStir» для изготовлeния алюминиевых панелей размером 6х16м корпусов скоростных катеров и крупнокорпусныx паромов. Шведская фирма «SAPА» разработалa и освоила производство сварных панелей для холодильных установок быстрой заморозки.

Технологические схемы сварки трением.

Сварка трением с непрерывным приводом (рис . 2). Одной из заготовок сообщается вращательное движение. Заготовки соприкасаются, и к ним прикладывается осевая сила нагрева. Стадия нагрева в существующих машинах сварки трением регламентируется либо временем нагрева, либо степенью деформации заготовок.

Инерционная

сварка трением

(риc . 3).

Это сварка, при которoй относительное движение заготовок обеспечивает массивный маховик, предварительно разогнанный до нужной скорости специальным двигателем небольшoй мощности. Пpи прижатии свариваемых торцов заготовок дpуг к дpугу энергия, накопленная вo вращающейся массе маховика, трансформируетcя в теплоту, которая выделяется в процессe трения в стыке.

Орбитальная сварка трением осуществляется движением прижатых с силой F_пp одна к другой заготовок по круговой орбите без вращения вокруг собственных осей ( рис . 4). Оси заготовок смещены вo время нагрева нa величину эксцентриситета. Пo завершении стадии нагрева оcи совмещают, прекращая тем сaмым относительное движение заготовок, далее выполняют проковку. Этот способ позволяeт избежать трудностей, связанных c неравномерным нагревом F_н свариваемого элементa по сечению из-зa различия в значенияx линейных скоростей на егo центральных и периферийных участках.

Рис. 4. Схема орбитальной сварки трением : а – стадия нагрева ; б – стадия проковки.

Сварка трением с перемешиванием применяется для сварки заготовок из тонколистовых материалов. К концам заготовок подводят ролик, вращающийся со скоростью 200…3000 об. в мин. Скорость перемещения ролика относительно свариваемых за готов о к составляет 4,5 ,. .6,0 м /мин при удельном давлении на ролик 0,2. ..0,5 МПа.

Технологическая схема (рис. 6) способа включает в себя три основных этапа. На первом вращающийся с высокой скоростью инструмент 1 цилиндрической или ступенчатой (с малым углом конусности ) формы с буртом 2 в месте перепада диаметров рабочего наконечника 3 и корпуса инструмента погружают в стык соединяемых деталей 4 и 5, жестко закрепленных в оснастке, на глубину, примерно равную их тол. Когда бурт инструмента войдет в контакт с поверхностью деталей, прекращают погружение и приступают ко второму этапу процесса – перемещению вращающегося инструмента по линии соединения.

Рис. 5. Схема радиальной сварки трением: а – с наружным разжимным кольцом ; б – с внутренним разжимным кольцом; 1. 2 – свариваемые заготовки; 3 – вращающееся кольцо из присадочного материала; 4 – зажимные элементы; 5 – оправка.

Рис. 6. Технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием.

На третьем этапе (окончание сварки) вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка. Нагретый в результате работы сил трения до пластичного состояния и перемешанный вращающимся инструментом материал вытесняется в освобождающийся позади движущегося по линии стыка инструмента и ограниченный сверху буртом объем, в котором и формируется шов.

Технологические возможности сварки трением.

Варианты конструктивного оформления соединений, выполняемых эти м методом , в силу специфики самого процесса ограниченны. Стыковые соединения выполняются на стержнях, трубах и других элементах, имеющих форму тел вращения (сплошных и полых). Возможно тавровое соединение стержней с плоскими элементами.

Диапазон размеров свариваемых заготовок достаточно широк. Считают, что сваркой трением целесообразно сваривать сечения площадью 30…8000 мм², В производственных условиях минимальный диаметр свариваемых прутков 6 мм.

Для сварных соединений , получаемых этим методом , в большинстве случаев характерны высокие (не ниже основного материала) показатели механических свойств и высокая их стабильность . Разброс показателей прочности и пластичности 5,7. .. 10 %. В шве отсутствуют поры, раковины, инородные включения. Структура мелкозернистая, зерно равноосное. Это объясняется спецификой процесса сварки трением, при котором обеспечиваются эвакуация из зоны соединения всякого рода загрязнений, значительная пластическая деформация металла нагретой зоны при малой ее протяженности, а сами соединяемые поверхности изолированы от контакта с воздухом.

Сварка трением дает высокие экономические показатели. Удельная затрачиваемая мощность (в расчете на единицу площади свариваемого сечения) 15. . .20 в т/мм² по сравнению со 120. . . 150 Вт/мм² для контактной сварки, а расход в 5-10 раз меньше. При этом коэффициент мощности cos ψ = 0,7 … 0,8 (для контактной сварки 0,4 .. .0,5). Производительность до 60 .. .450 сварок / ч . Машинное время сварки 1. .. 30 с. Настройка оборудования для сварки трением заготовок разных диаметров несложная и не требует большиx затрат времени. Выполнениe вспомогательных операций (т.e. укладка и зажатие заготовoк, съём деталей и т.п.) легкo механизируется, а сaм цикл сварки автоматический.

Недостатки сварки трением : небольшaя номенклатура типов соединений, получаемыx этим методом, образование трудноудаляемогo грата, ограничения пo размерам и конфигурaции вращаюшейся заготовки, неодинаковыe условия нагрева периферийных и центральныx участков сечения.

Технология сварки трением.

Основное требование – обеспечение перпендикулярности поверхности трения к oси вращения заготовки. Пpи сварке одноименных металлов допускается непараллельность торцов 5. .. 7 %. При сварке материалов с разной степенью пластичности (напримеp, алюминия со сталью) биениe торца не должно превышaть 0,2мм. К чистоте поверхности этoт метод менее требователен, чeм другие способы сварки.

Фигурная обработка концов заготовок проводится при сварке деталей разных диаметров (рис. 7).

Создание на соединяемых поверхностях необходимых для сварки условий возможно после определенной пластической деформации металла в зоне соединения. Осадку можно использовать в качестве параметра для регламентации процесса нагрева, т.е. по достижении определенной осадки будет подаваться команда на прекращение относительного движения. Можно осуществлять регламентацию и по времени.

Наличие на поверхности загрязнений сказываетcя на результатах в различныx условиях сварки неодинаково. Кaк правило, тонкие оксидные пленки нe влияют на качество соединения. Вo всех случаях недопустима окалина. Ржавчина, толстые оксидные пленки, масла, жиры и другие загрязнения могут влиять нa длительность первых двуx фаз процесса сварки, а пpи регламентации по времени этo может привеcти к нестабильности качества соединения.

Рис. 7. Подготовка контактных поверхностей заготовок, состоящих из разнородных материалов к сварке: а – из быстрорежущей стали и конструкционной; б – из коррозионно-стойкой стали и алюминия ; в – из коррозионно-стойкой стали и цинка; d2 = (1,15 … 1,25)d1.

Также в продолжение тeмы технологии сварки смотрите страницу Режимы сварки трением.

Смотрите такжe Машина для сварки трением.

• < Режимы сварки трением
• Ультразвуковая сварка >

%d1%81%d0%b2%d0%b0%d1%80%d0%ba%d0%b0%20%d1%82%d1%80%d0%b5%d0%bd%d0%b8%d0%b5%d0%bc — со всех языков на все языки

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАканАлтайскийАрагонскийАрабскийАстурийскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБагобоБелорусскийБолгарскийТибетскийБурятскийКаталанскийЧеченскийШорскийЧерокиШайенскогоКриЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийВаллийскийДатскийНемецкийДолганскийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГэльскийГуараниКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийВерхнелужицкийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнупиакИнгушскийИсландскийИтальянскийЯпонскийГрузинскийКарачаевскийЧеркесскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийКомиКиргизскийЛатинскийЛюксембургскийСефардскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМаньчжурскийМикенскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийКомиМонгольскийМалайскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийНауатльОрокскийНогайскийОсетинскийОсманскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийАрумынскийРусскийСанскритСеверносаамскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиШумерскийСилезскийТофаларскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийТувинскийТвиУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВьетнамскийВепсскийВарайскийЮпийскийИдишЙорубаКитайский

Все языкиАбхазскийАдыгейскийАфрикаансАйнский языкАлтайскийАрабскийАварскийАймараАзербайджанскийБашкирскийБелорусскийБолгарскийКаталанскийЧеченскийЧаморроШорскийЧерокиЧешскийКрымскотатарскийЦерковнославянский (Старославянский)ЧувашскийДатскийНемецкийГреческийАнглийскийЭсперантоИспанскийЭстонскийБаскскийЭвенкийскийПерсидскийФинскийФарерскийФранцузскийИрландскийГалисийскийКлингонскийЭльзасскийИвритХиндиХорватскийГаитянскийВенгерскийАрмянскийИндонезийскийИнгушскийИсландскийИтальянскийИжорскийЯпонскийЛожбанГрузинскийКарачаевскийКазахскийКхмерскийКорейскийКумыкскийКурдскийЛатинскийЛингалаЛитовскийЛатышскийМокшанскийМаориМарийскийМакедонскийМонгольскийМалайскийМальтийскийМайяЭрзянскийНидерландскийНорвежскийОсетинскийПенджабскийПалиПольскийПапьяментоДревнерусский языкПуштуПортугальскийКечуаКвеньяРумынский, МолдавскийРусскийЯкутскийСловацкийСловенскийАлбанскийСербскийШведскийСуахилиТамильскийТаджикскийТайскийТуркменскийТагальскийТурецкийТатарскийУдмурдскийУйгурскийУкраинскийУрдуУрумскийУзбекскийВодскийВьетнамскийВепсскийИдишЙорубаКитайский

СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА В-1469-Т Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.791.14

А.А. Попович1, О.В. Панченко1, А.А. Наумов1, А.В. Свиридов2, А.А. Скупов2, С.В. Сбитнева2

СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВОГО СПЛАВА В-1469-Т

DOI: 10.18577/2071-9140-2019-0-4-11-17

Проведены исследования сварных соединений листовых полуфабрикатов алюминий-литиевого сплава В-1469-Т, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП). Проведенный рентгенографический контроль показал отсутствие недопустимых дефектов по всей длине сварного шва. Испытания по определению механических характеристик сварных соединений показали, что уровень прочности сварных соединений, выполненных СТП, составил 0,85 от прочности основного металла при удовлетворительных показателях пластичности. Проведенная просвечивающая электронная микроскопия позволила определить распределение упрочняющих фаз в характерных зонах сварного соединения.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, алюминий-литиевый сплав В-1469-Т, механические свойства, просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ).

A.A. Popovich2, O.V. Panchenko1, A.A. Naumov1, A.V. Sviridov2, A.A. Skupov2, S.V. Sbitneva2

FRICTION STIR WELDING OF ALUMINUM-LITHIUM ALLOY V-1469-T

An examination of welded joints of aluminum-lithium alloy V-1469-Т sheets made by friction stir welding (FSW) was carried out. The X-ray inspection showed the absence of unacceptable defects along the entire length of the weld. The mechanical characteristics tests of welded joints showed that the strength level of FSW joints was 0.85 of the base metal strength with satisfactory ductility. Transmission electron microscopy allowed to define the strengthening phase distribution in welded joint special zones.Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: [email protected]

Введение

С развитием авиационной и космической техники возникает необходимость использования современных материалов с улучшенными физико-механическими свойствами. Возрастающие требования надежности, ресурса и весовой эффективности конструкций стимулируют совершенствование композиции алюминиевых сплавов для получения оптимального соотношения эксплуатационных и технологических характеристик. Так, в настоящее время одним из перспективных направлений развития алюминиевых сплавов является разработка деформируемых сплавов пониженной плотности, легированных литием. Являясь самым легким металлом композиции, литий (плотность ~0,53 г/см3) способен улучшать механические, коррозионные и физические свойства

сплавов. Однако основное преимущество от легирования алюминия литием состоит в том, что каждый массовый процент лития снижает плотность сплава на 3%. Во ФГУП «ВИАМ» разработан высокопрочный алюминий-литиевый сплав третьего поколения марки В-1469, который рекомендован для элементов, работающих на сжатие длительно во всех климатических условиях до температур 150°С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры и другие детали фюзеляжа) [1-4].

Применение алюминий-литиевых сплавов в сварных конструкциях обеспечивает снижение массы изделия при повышении удельной прочности и жесткости, что позволяет повысить как несущую способность конструкции, так и ее весовую эффективность. Но применение традиционных способов

сварки алюминиевых сплавов не обеспечивает требуемого уровня характеристик, предъявляемых конструкторами к сварным соединениям. Это связано с тем, что при сварке плавлением сплавов системы А1-Си-У выявляется ряд таких характерных проблем, как пористость, горячие трещины, а также значительное снижение прочности соединения по сравнению с основным материалом под действием термического цикла сварки [5-7]. Решение перечисленных проблем возможно благодаря технологии сварки трением с перемешиванием (СТП), которая является разновидностью сварки давлением. При СТП механическая энергия, подводимая к свариваемым деталям, преобразуется в тепловую, при этом происходит генерирование тепла непосредственно в месте будущего соединения. Образование соединения при данном виде сварки является результатом процессов деформационного и термического воздействия. Вследствие этого формируется сложное структурно-фазовое состояние, исследования которого включают изучение механических свойств и структурно-фазового состояния. Основные параметры СТП (скорость вращения инструмента, скорость сварки, давление на инструмент) определяют условия фрикционного нагрева свариваемых кромок и оказывают существенное влияние не только на значение и ориентацию сил, действующих на пластифицированный металл, но и на структурно-фазовое состояние сварных соединений. Именно поэтому важнейшим этапом разработки технологии СТП является выбор технологических параметров, которые определяют не только производительность изготовления сварной конструкции в целом, но и уровень механических характеристик соединений [8-11].

Процесс СТП обеспечивает такие многочисленные преимущества, как малые деформации после сварки, высокие воспроизводимость процесса и прочность соединения. Широкие возможности данного вида сварки значительно упрощают технологию сборки, обеспечивают отсутствие жестких требований к подготовке поверхности перед сваркой, позволяют повысить уровень авто-

матизации процесса и снизить массу сварной конструкции благодаря замене нахлесточного соединения стыковым. Технико-экономические преимущества процесса СТП делают его наиболее эффективной технологией создания неразъемных соединений интегральных конструкций из высокопрочных алюминий-литиевых сплавов. Технология СТП может быть использована для соединения сплавов, легированных литием и относящихся к категории несвариваемых методами сварки плавлением, когда вынужденно применяются заклепочные соединения, при этом уровень прочности сварного соединения составляет до 80% от прочности основного материала [12-14].

Целью данной работы является определение механических характеристик и структурно -фазового состояния сварных соединений листов алюминий-литиевого сплава В-1469-Т.

Работа выполнена в рамках реализации комплексной научной проблемы 10.7. «Ресурсосберегающие технологии сварки в твердой фазе трудносвариваемых конструкционных и функциональных материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [15].

Материалы и методы

Исследования проводили на листовых полуфабрикатах толщиной 1,5 мм из высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 в состоянии Т (закалка).

Подготовку поверхности заготовок из алюминий-литиевого сплава В-1469-Т проводили химическим травлением под сварку в соответствии с ПИ1.4.1555-2000.

Сварка проведена на комплексе Matec 40Р. Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (св, а, КСи) сварных соединений соответствуют ГОСТ 6996-66. Испытания на кратковременную прочность проводили на поперечных образцах сварных соединений. Схема вырезки образцов представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема вырезки образцов для механических испытаний

Рис. 2. Инструмент для сварки трением с перемешиванием

Для СТП использовали инструмент производства СПбПУ (рис. 2) с диаметром наконечника 5 мм и длиной наконечника 1,35 мм. Заплечик гладкий и плоский диаметром 15 мм.

Сварку трением с перемешиванием производили в режиме контроля постоянного осевого усилия при установившемся процессе. При выборе режимов СТП варьировали вертикальное усилие на инструмент, скорость вращения и перемещения инструмента до получения визуально бездефектных соединений. Для проведения испытаний изготовили сварные образцы по выбранным режимам в соответствии с данными табл. 1.

Замеры микротвердости проводили на автоматизированном микротвердомере EmcoTest DuraScan 20. Твердость (HVi) измеряли при нагрузке на индентор 9,8 Н. Продолжительность выдержки под нагрузкой 10 с.

Металлографический анализ проводили с помощью стереомикроскопа Olympus SZ 61 и оптического инвертированного микроскопа Olympus

GX51. Травление микрошлифов осуществляли в реактиве Келлера с последующим осветлением 20%-ной азотной кислотой.

Рентгенографический неразрушающий контроль проводили в соответствии с ПИ1.2.226-2008. В качестве источника ионизирующего излучения применяли рентгеновский аппарат РУМ 7.

Рентгенографический контроль проводили на аппарате RE-320/14 (режим контроля: анодное напряжение Ua=60 кВ, анодный ток /a=10 мА, продолжительность экспозиции 4=1,5 мин, фокусное расстояние F=800 мм) в соответствии с ПИ1.2.226-2008. В качестве детектора рентгеновского излучения применяли радиографическую пленку AGFA D4.

Исследование микроструктуры проведено с применением просвечивающего электронного микроскопа Tecnai G2 F20 TWIN TMP при ускоряющем напряжении 200 кВ по ММ1.595-17-351-2008. Образец для электронной микроскопии вырезали на электроэрозионном станке АРТА-120 в форме дисков диаметром 3 мм и толщиной 0,5-0,7 мм. Затем диски механически шлифовали до толщины ~0,1 мм. Исследования проводили на фольгах, полученных методом струйной полировки в кислотно-спиртовом электролите, охлажденном до -38°С, на установке TenuPol-5 фирмы Struers.

Результаты и обсуждение

Визуальная оценка формирования сварного соединения показала равномерное заглубление инструмента и минимальный выход грата по всей длине шва, монотонную шероховатость лицевой поверхности шва без задиров и следов перегрева.

Рентгенографический контроль сварной заготовки показал отсутствие дефектов по всей длине сварного шва и его пригодность для дальнейших испытаний.

Проведено изготовление образцов по нескольким выбранным режимам и определены механические характеристики сварных соединений и основного металла. Выбран режим, обеспечивающий наиболее высокие механические характеристики сварных соединений (табл. 2).

Диапазоны выбранных режимов сварки трением с перемешиванием

Таблица 1

Усилие прижатия, кН Скорость вращения, об/мин Скорость сварки, мм/мин

7-10 700-800 100-200

Таблица 2

Механические свойства сварных соединений сплава В-1469-Т, выполненных сваркой трением с перемешиванием

авсв, МПа Ов.св/Ов Угол изгиба а, градус 5, %

390-400 397 0,85 34-101 78 9,4-13,0 10,8

Примечание. Прочность основного металла ав=466 МПа при относительном удлинении 5=20%; в числителе – минимальные и максимальные значения, в знаменателе – средние.

»

о

| 200

Я —

100

о 5 10 15

Деформация, %

Рис. 3. Диаграмма деформирования сварных образцов из сплава В-1469-Т

Анализ результатов механических испытаний показал, что уровень прочности сварных соединений сплава В-1469-Т составил 0,85 от прочности основного металла при удовлетворительных показателях пластичности.

По результатам проведенных испытаний на растяжение сварных образцов из сплава В-1469-Т построены диаграммы деформирования с определением относительного удлинения. Установлено, что относительное удлинение основного металла в поперечном направлении >20%, в продольном направлении достигает 13%, среднее значение относительного удлинения сварных образцов составило 10,8% (рис. 3).

Металлографические и фрактографические исследования показали, что в сварных соединениях отсутствуют дефекты типа слипания и несплошности, характерные для данного вида сварки, обнаружить которые неразрушающими методами контроля невозможно. В структуре сварного шва наблюдаются характерные зоны: зона перемешивания, зона набегания, зона отхода, зона основного материала. Условные границы зоны перемешивания показаны на рис. 4.

Структура переходной зоны, формирующаяся при СТП, значительно отличается на входе

• — и ят ___________1:

Сторона набегания Сторона отставания

(сторона набегания) и на выходе инструмента (сторона отставания) вследствие различной степени пластической деформации (рис. 5). Границы зоны ядра сварного шва выражены неявно, структура вытянута на периферии в направлении вращения инструмента.

Проведены фрактографические исследования образцов после испытаний на статический угол изгиба (а), ударную вязкость (КСи) и кратковременную прочность при растяжении (св) (рис. 6).

По результатам проведенных исследований установлено, что в изломе образца, испытанного на статический угол изгиба наблюдается слоистое строение, в центральной зоне излома разрушение прошло внутризеренно, с формированием вязкого мелкоямочного рельефа. Приповерхностная зона толщиной ~(100-150) мкм имеет более плотное строение и разрушается по механизму вязкого среза. В изломе образца, испытанного на ударную вязкость, разрушение в основном материале прошло с формированием вязкого ямочного рельефа. Вблизи поверхности разрушение проходит по механизму вязкого среза. В изломе образца, испытанного на кратковременную прочность, наблюдается слоистое строение. Разрушение прошло внутризеренно, с формированием ямочного рельефа различной пластичности.

Рис. 4. Макроструктура сварного соединения спла- Рис. 5. Микроструктура (х50) сварных соединений ва В-1469-Т сплава В-1469-Т со стороны набегания (а) и выхода

инструмента (б)

Рис. 6. Общий вид излома (а-в) и ямочный рельеф (г-е) образцов после испытаний на статический угол изгиба (а, г), ударную вязкость (б, д) и кратковременную прочность (в, е)

Для проведения исследований методом просвечивающей электронной микроскопии установлено распределение микротвердости (рис. 7) в поперечном сечении сварного соединения и определены его характерные зоны (основной металл, переходная зона и ядро сварного шва) и проведена вырезка фольг. НУ,, МПа

145 у-

Рис. 7. Распределение микротвердости сварного соединения алюминий-литиевого сплава В-1469-Т

Распределение микротвердости в поперечном сечении характерно для сварных соединений термически упрочняемых сплавов. Зоны пониженной твердости соответствуют переходным зонам от сварного шва до зоны термического влияния. Кроме того, установлено, что зона термического влияния всего на 3 мм шире радиуса заплечика инструмента, что подтверждает малое термическое воздействие выбранного режима СТП.

Результаты исследований, проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии, позволили установить, что структура материала всех зон сварного соединения субзеренная, с преимущественной ориентировкой кристаллографических плоскостей (110) в плоскости листа (рис. 8, а-в). Размеры субзерен в областях основного материала и околошовной зоны в среднем не превышают 2 мкм, а в зоне сварного соединения шва преобладают более крупные субзерна – до 5 мкм.с (в, д) в основном металле (а, г), околошовной зоне (б, д) и зоне шва (в, е)

дисперсоидов также отмечается в околошовной зоне, при меньшей плотности выделений в зоне шва и основного материала.

Заключения

Визуальный и рентгенографический контроль сварной заготовки показал отсутствие внутренних дефектов, минимальный выход грата, монотонную шероховатость лицевой поверхности шва без следов перегрева по всей длине шва.

Исследования механических характеристик показали, что уровень прочности сварного соединения сплава В-1469-Т, полученного СТП в условиях СПбПУ на установке Matec 40Р, составил 0,85 от прочности основного металла.

Металлографические исследования показали характерное для СТП формирование сварного соединения со структурой, вытянутой по периферии вращения инструмента и размером зерна 3-12 мкм.’-фазы заметно меньше по сравнению с околошовной зоной. Наиболее высокая плотность упрочняющих фаз наблюдается в околошовной зоне, что свидетельствует о прохождении в этой зоне первичных процессов старения под воздействием сварочно-термического цикла и обуславливает снижение твердости закаленной структуры.

ЛИТЕРАТУРА

1. Каблов Е.Н. Материалы для авиакосмической техники // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2007. №5. С. 7-27.

2. Каблов Е.Н., Антипов В.В., Клочкова Ю.Ю. Алюминий-литиевые сплавы нового поколения и слоистые алюмостеклопластики на их основе // Цветные металлы. 2016. №8 (884). С. 86-91. DOI: 10.17580/tsm.2016.08.13.

3. Антипов В.В., Серебренникова Н.Ю., Нефедова Ю.Н., Козлова О.Ю., Пантелеев М.Д., Осипов Н.Н., Клы-чев А.В. Технологические особенности изготовления деталей из алюминий-литиевого сплава 1441 // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2018. №10 (70). Ст. 03. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 03.10.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2018-0-10-17-26.

4. Каблов Е.Н., Морозова Л.В., Григоренко В.Б., Жегина И.П., Фомина М.А. Исследование влияния коррозионной среды на процесс накопления повреждений и характер разрушения конструкционных алюминиевых сплавов 1441 и В-1469 при испытаниях на растяжение и малоцикловую усталость // Материаловедение. 2017. №1. С. 41-48.

5. Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности // Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 47-52.

6. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Оспенникова О.Г. Перспективные алюминиевые сплавы и технологии их соединения для изделий авиакосмической техники // Тез. докл. 2-ой Междунар. конф. «Алюминий-2. Сварка и пайка». М., 2012. Ст. 08.

7. Лукин В.И., Иода Е.Н., Базескин А.В., Лавренчук В.П., Овчинников В.В., Махин И.Д. Особенности формирования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава В-1469 // Сварочное производство. 2012. №6. С. 30-36.

8. Лукин В.И., Бецофен С.Я., Пантелеев М.Д., Долгова М.И. Влияние термодеформационного цикла СТП на формирование структуры сварного соединения сплава В-1469 // Сварочное производство. 2017. №7. С. 17-24.

9. Лукин В.И., Кулик В.И., Бецофен С.Я., Лукина Е.А., Шаров А.В., Пантелеев М.Д., Саморуков М.Л. Сварка трением с перемешиванием полуфабрикатов высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2017. №12 (60). Ст. 02. URL: www.viam-works.ru (дата обращения: 03.10.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2017-0-12-2-2.

10. Бецофен С.Я., Сбитнева С.В., Пантелеев М.Д., Бакрадзе М.М., Долгова М.И., Кабанова Ю.В. Исследование формирования фазового состава сплава системы Al-Cu-Li В-1469 в процессе сварки трением с перемешиванием // Металлы. 2018. №6. С. 54-63.

11. Лукин В.И., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д., Скупов А.А. Влияние термической обработки на характеристики сварных соединений высокопрочных алюминийлитиевых сплавов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №4. Ст. 06. URL: www.viam-works.ru (дата обращения: 03.10.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-4-6-6.

12. Бецофен С.Я., Лукин В.И., Долгова М.И., Пантелеев М.Д., Кабанова Ю.А. Фазовый состав, текстура и остаточные напряжения в соединениях из сплава В-1469, полученных сваркой трением с перемешиванием // Деформация и разрушение материалов. 2017. №11. С. 33-41.

13. Бакрадзе М.М., Пантелеев М.Д., Скупов А.А., Белозор В.Е., Пономарев П.А. Оптимизация механических характеристик сварных соединений, выполненных СТП, с использованием современных вычислительных систем // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2019. №4 (76). Ст. 02. URL: www.viam-works.ru (дата обращения: 03.10.2019). DOI: 10.18577/2307-6046-2019-0-4-11-20.

14. Лукин В.И., Ерасов В.С., Пантелеев М.Д., Автаев В.В., Саморуков М.Л., Кулик В.И. Освоение сварки трением с перемешиванием применительно к конструкции крыла самолета // Сварочное производство. 2017. №6. С. 44-48.

15. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3-33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.

Функции, конструкции и материалы инструментов для сварки трением с перемешиванием

Фон

За последние 30 лет во всем мире был разработан очень широкий спектр зондов и заплечиков для сварки трением с перемешиванием (FSW), многие из которых были успешно использованы, а некоторые запатентованы. Однако никогда не существовало стандартной конструкции уступа измерительного щупа для инструмента FSW, которая была бы включена в стандарты и спецификации, такие как BS EN ISO 25239-1: 2020 алюминия для сварки трением с перемешиванием или AWS D17.3 / D17.3M: 2016 Технические условия для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов для авиакосмической промышленности. Хотя стандартной конструкции уступа измерительного щупа FSW не существует, в настоящее время есть несколько компаний, предлагающих готовые инструменты FSW. Тем не менее, большинство пользователей FSW считают свои конструкции инструментов FSW конфиденциальными, и поэтому существует очень мало статей, являющихся общественным достоянием, в которых подробно обсуждаются геометрия и размеры инструментов FSW или точный состав материала, из которого они изготовлены.

С момента своего изобретения в 1991 году TWI постоянно совершенствует процесс FSW для широкого спектра приложений для наших компаний-членов.Это включало в себя проектирование инструментов FSW, разработку параметров сварки, эксплуатационные характеристики и дизайн оборудования FSW, а также изготовление прототипа станка FSW. На протяжении того времени всегда было признано, что инструмент FSW является важным компонентом для производства высококачественных сварных швов.

Основные принципы

Чтобы обсудить, как разработан инструмент FSW, мы сначала должны понять его различные роли …

Для создания твердотельного сварного шва между кусками металла комбинация щупа инструмента FSW и уступа поворачивается и погружается в поверхность раздела между двумя пластинами / листами под действием приложенной осевой силы, которая удерживает инструмент FSW в правильном положении во время цикла сварки , как показано на рисунке 1.Очень важно, чтобы пластины / листы поддерживались в зажимном приспособлении с нижней стороны (обычно) стальной опорной балкой. Этот стержень предназначен для реакции на осевую силу. Кроме того, требуется боковой зажим для предотвращения разделения пластин / листов при перемещении инструмента FSW вдоль границы раздела сварных швов. Вращение инструмента вызывает нагревание трением и размягчает область границы раздела сварного шва, и когда алюминиевый сплав достаточно размягчается, инструмент перемещается по границе раздела сварного шва.

При вращении и перемещении резьба на корпусе зонда разрушает размягченный материал зоны сварного шва, а также разрушает и диспергирует любую оксидную пленку на стыках стыков. Происходит сложная ковка и экструзия, и размягченный материал переносится на 180 ° от передней кромки к задней кромке зонда, образуя твердотельный сварной шов под действием времени, температуры и давления. Когда вращающийся заплечик (показанный на Рисунке 1) проходит вдоль границы раздела сварного шва, он прикладывает сжимающую силу к поверхности пластин / листов, нагревая и удерживая под собой размягченный материал.Пластины / листы могут быть соединены сваркой внахлест или стыковой сваркой.

Ранние разработки

Исходная конструкция измерительного щупа FSW состояла из простого корпуса щупа с параллельными сторонами (цилиндрической) с резьбой, который быстро стал первым промышленно успешным щупом в 1995 году. С тех пор TWI постепенно разработала семейство измерительных щупов для инструментов FSW, как показано на Рисунки 2a-e, с оригинальным параллельным штифтом с резьбой, показанным на Рисунке 2a. Форма резьбы нарезалась на корпусе зонда в левом направлении.

Рисунок 2 Конструкции зонда FSW: a) Штифт с резьбой; б) MX-Triflute ™; в) Параллельная флейта; г) MX-Triflat ™; e) Проходной наконечник, применяемый к инструменту с параллельными канавками.

Эволюция проектирования инструментов

По мере развития FSW коммерческие пользователи процесса требовали более высоких скоростей сварки гораздо более прочных алюминиевых сплавов, и именно на этом этапе был разработан датчик MX-Triflute ™. Вариант датчика MX-Triflute ™ показан на рисунке 2b, который, хотя и неочевидно, имеет слегка сужающийся корпус.Конический корпус зонда и три равноотстоящих спиральных канавки, обозначенные на рисунке 2b, смещали гораздо меньше материала во время цикла сварки, чем исходный цилиндрический корпус зонда, и, таким образом, можно было достичь гораздо более высоких скоростей сварки при сохранении высокого качества. Три канавки и форма резьбы MX также способствовали более активному разрушению материалов зоны сварного шва и более быстрому возникновению нагрева от трения, что повысило эффективность процесса FSW. Инструментальные щупы MX-Triflute ™ FSW обычно используются для сварки более тонких деталей <15 мм, а щупы MX-Triflat ™ FSW> 15 мм.

FSW, как правило, менее сложны по своей конструкции, чем датчики. Заплечик инструмента не обязательно проходит параллельно поверхности заготовки, в простых линейных сварных швах инструмент часто наклоняется так, что задняя кромка заплечика проникает в заготовку и оказывает дополнительное давление ковки. Dawes et al (1995) разработали конструкцию вогнутого уступа, которая надежно работала при рабочем угле (наклона инструмента) 2-3 ° (рис. 3a). Стремление увеличить скорость сварки алюминиевых сплавов серии 5ххх привело к разработке заплечика (рис. 3a-b), в котором на лицевой стороне заплечика врезан спиральный элемент, который втягивает материал с внешнего края заплечика. к корню зонда (Dawes and Thomas, 1999).Эта идея была разработана для обеспечения вертикального потока материала, но первоначальные испытания показали, что такая модификация конструкции также позволяет использовать вертикальный (нулевой наклон) инструмент. Эта конструкция уступа в настоящее время широко используется в тех случаях, когда требуются 2- и 3-мерные пути сварки.

Профиль уступа инструмента значительно влияет на тепловыделение при трении во время FSW. Профили заплечиков инструмента, которые ограничивают поток материала, такие как спираль, обеспечивают наибольший подвод тепла из-за увеличенной площади поверхности.Таким образом, можно использовать уменьшенные диаметры плеча спирали. Это оказалось особенно полезным, поскольку конструкции соединений и пути сварки становятся все более сложными, поскольку конструкция инструмента часто может определяться ограничениями геометрии соединения.

Рис. 3 Конструкции уступов инструмента (показаны с плоским датчиком): a) вогнутые; б) Прокрутите.

Материалы инструмента для сварки трением с перемешиванием (для алюминиевых сплавов)

Такие материалы, как интерметаллические сплавы, силициды, сплавы фазы Лавеса (двухфазные сплавы Nb-Ti-Cr), платиновые сплавы, иридиевые сплавы и керамика, все были определены как имеющие потенциал (с точки зрения высокотемпературной прочности) для использования в качестве FSW. щупы инструментальные для сварки алюминиевых сплавов.Однако предыдущие исследования TWI показали, что большинство этих материалов имеют очень низкую вязкость разрушения и быстро разрушаются из-за хрупкого разрушения при использовании в качестве инструментов для перемешивания трением. Кроме того, эту группу материалов трудно найти, и их сложно обработать в соответствии с геометрией зонда FSW, которая в настоящее время считается необходимой для создания сварных швов хорошего качества.

TWI за последние 25 лет привела к созданию небольшой группы материалов, которые можно довольно легко приобрести и обработать.Предыдущие исследования алюминиевых сплавов включали следующие материалы зонда:

• Инструментальная сталь для горячих работ (широко используется AISI h23 HWTS)
• Быстрорежущие стали
• Суперсплавы (на основе никеля и кобальта)
• Твердые сплавы (WC-Co – ограниченное применение)

Сравнительный обзор этих материалов представлен в Таблице 1.

Таблица 1 Относительные свойства различных возможных инструментальных материалов FSW для сварки высокопрочных алюминиевых сплавов

Для алюминиевых сплавов высокопрочный сплав MP159 на основе кобальта зарекомендовал себя как лучший доступный выбор.MP159 был впервые использован в TWI в качестве материала зонда FSW в 2001 году. Этот сплав был разработан SPS Technologies Inc. как сплав для крепежа, способный работать при температуре до 590 ° C. На момент написания этот сплав производится компанией Latrobe Specialty Steel в США. Номинальный химический состав сплава МП159 приведен в таблице 2.

Привлекательные свойства, которые привели к использованию MP159 для датчиков FSW, следующие:

• Высокая прочность (1445 Н / мм2 при 540 ° C) в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью
• Высокая рабочая температура (до 590 ° C)
• Высокая прочность на ползучесть до 590 ° C
• Ковка сложной формы
• Хорошая стойкость к усталости
• Можно приобрести по коммерчески выгодной цене
• Можно обрабатывать сложные формы

Качество и приемлемость сварного шва

Несмотря на то, что это часто требуется, часто бывает трудно обеспечить геометрию и размеры зонда FSW для конкретного применения, потому что необходимо учитывать размер свариваемого компонента и эффект теплоотвода требуемых зажимных приспособлений.Поэтому конкретный тип измерительного щупа для инструмента FSW изначально выбирается на основе предыдущего опыта, а также конструкции, геометрии и размеров измерительного щупа для отправной точки. Краткое матричное исследование параметров сварки чаще всего проводится, чтобы установить, может ли этот датчик обеспечить хорошее качество сварки или где находится граница диапазона допуска параметров сварки. Во многих случаях выбранная исходная конструкция зонда FSW обеспечивает получение сварных швов хорошего качества, но иногда требуется переделка инструмента, чтобы учесть любые выявленные недостатки или несоответствия в свариваемом материале – e.грамм. вариации толщины экструзии, качества кромки или прямолинейности.

В отсутствие какой-либо действительно надежной информации о моделировании, которая могла бы точно определить точную форму зонда FSW для конкретного применения, тип сплава и толщину пластины / листа, TWI обнаружила, что эмпирический и итерационный подход по-прежнему является лучшим способом разработки Технология FSW для наших компаний-членов TWI (см. Рисунок 4). На данный момент наш подход оказался успешным и вселил уверенность в промышленных конечных пользователей.Одним из аспектов, который часто упускают из виду при изучении сложных «оптимизированных» конструкций инструментов с помощью компьютерного моделирования, является конечная «технологичность» инструмента.

Рис. 4 Пример различных итераций конструкции, изученных в ходе большой программы разработки FSW-инструмента для сварки толстого сечения из медного сплава. Обрабатываемость – важный фактор, который следует учитывать при разработке новых инструментов FSW.

Инструменты FSW в исследовательских проектах TWI

Единый клиентский проект FSW в TWI чаще всего включает поставку проекта инструмента FSW (который затем становится собственностью клиента), сопровождаемый чертежами для изготовления инструмента и наиболее эффективными и надежными параметрами сварного шва, полученными на основе согласованных параметров сварного шва. программа развития по клиентским KPI.

Качество оценивается с точки зрения металлургических и механических свойств соединения, причем критерии приемки чаще всего соответствуют стандарту ISO 25239 или продиктованы спецификацией клиента. Если критерии недоступны, TWI может посоветовать подходящие планы оценочного тестирования, чтобы помочь компании-участнику установить приемлемые границы приемлемого качества и производительности. Это может привести к короткому замыканию программы FSW, которая могла бы занять много времени для достижения успешных результатов в компании с приложением, но с небольшим опытом внутренних процессов FSW.

FSW в TWI

С момента изобретения FSW в 1991 году TWI упорно трудилась, чтобы поддерживать нашу ведущую в мире промышленную поддержку и инновации для этой технологии. Ниже приведен неисчерпывающий выбор наших предложений технической поддержки FSW и ряда вариантов процесса FSW.

Типовой цикл проекта FSW в TWI

За прошедшие годы TWI разработала поэтапный подход с управлением рисками к разработке процессов для ЖКХ и передаче технологий. На диаграмме ниже представлен обзор типичного проектного цикла ЖКС, который предлагается в качестве дорожной карты по ограничению рисков и укреплению доверия при изучении и внедрении технологии.

Сварка трением медного сплава М1 в производстве энергетического оборудования