Розробка технології зварювання тертям сплавів алюмінію із сталлю та міддю

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Розробка технології зварювання тертям сплавів алюмінію із сталлю та міддю

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. У багатьох галузях промисловості широке застосування знаходять композитні конструкції. Біметалеві з'єднання мідь - алюміній широко застосовуються в електротехніці та енергетиці; перехідники нержавіюча сталь - алюмінієвий сплав використовуються в авіаційній і космічній техніці. Для одержання біметалевих перехідників широко застосовуються способи зварювання тиском, зокрема для стикових з'єднань одним з найбільш ефективних способів є зварювання тертям. Основною особливістю зварювання тертям різнорідних металів та сплавів є асиметрія температурного поля та умов деформації заготовок, що зварюються. Але найбільші труднощі виникають внаслідок хімічної взаємодії металів, що зварюються, яка призводить до утворення в зоні з'єднання крихкого інтерметалідного прошарку.

Для формування якісних з'єднань необхідно забезпечити деформацію зміщення в зоні контакту, достатню для активації поверхні більш міцної заготовки, при цьому термічний цикл зварювання не повинен перевищувати температурно-часові умови утворення інтерметалідного прошарку. Виконання цих умов при конвенційному зварюванні тертям, що характеризується швидким примусовим гальмуванням обертання заготовок, намагаються досягти за рахунок зниження окружної швидкості, величини осадки при нагріві і значного підвищення тиску проковки в поєднанні з примусовим формуванням з'єднань. При такому підході не вдається забезпечити високу стабільність механічних властивостей з'єднань і запобігти утворенню суцільного інтерметалідного прошарку для деяких сполучень матеріалів, наприклад алюмінію з міддю, алюмінієвих сплавів із сталлю. Крім того, необхідність збільшення тиску проковки значно звужує технологічні можливості зварювального устаткування.

Способи зварювання тертям без примусового гальмування обертання (інерційного і комбінованого) стосовно до одержання з'єднань алюмінію і його сплавів з міддю та сталлю вивчені недостатньо. Дослідження зварювання тертям сталей у різнорідному поєднанні показують, що при інерційному завершенні процесу суттєво змінюються термодеформаційні умови формування з'єднань у порівнянні із зварюванням з примусовим швидким гальмуванням. Передбачається, що за рахунок керування динамікою зміни технологічних параметрів на заключній стадії процесу вдасться оптимізувати структуру і фазовий склад зони з'єднання, підвищити механічні властивості та експлуатаційні характеристики біметалевих перехідників. У зв'язку з цим дослідження формування з'єднань алюмінію та його сплавів з міддю та сталлю при зварюванні тертям є актуальним завданням.

Зв'язок дисертації з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася згідно тем відомчого замовлення НАН України №26/6 «Дослідження фізико-металургійних процесів пресового зварювання деталей при високій концентрації енергії в зоні контакту, розробка технології та устаткування стикового зварювання у твердій фазі, у тому числі і важкозварюваних матеріалів», №26/11 «Дослідження твердофазних перетворень на границі розділу фаз при зварюванні у твердій фазі високоміцних і різнорідних матеріалів та сплавів на основі Fe, Al, Tі, Cu, розробка технологій їх зварювання тиском», по пошукових темах №26/2-п і №26/7-п, по темі №26/33 Державної цільової програми фундаментальних досліджень.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - визначення найбільш ефективного способу зварювання тертям різнорідних матеріалів, що вступають при нагріві в хімічну взаємодію, і розробка ефективної технології зварювання тертям алюмінію і його сплавів із сталлю та міддю.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі:

- вивчити особливості контактної взаємодії при зварюванні тертям алюмінію і його сплавів з міддю та нержавіючою сталлю аустенітного класу;

- дослідити термічні цикли зварювання;

- дослідити вплив способу зварювання тертям на особливості формування і показники механічних властивостей з'єднань;

- дослідити дифузійні процеси на границі розділу фаз;

- вивчити вплив динаміки гальмування обертання на деформаційні процеси в зоні з'єднання та оптимізувати режими зварювання тертям біметалевих перехідників;

- розробити ефективні технології зварювання алюмінію і його сплавів з міддю і нержавіючою сталлю аустенітного класу.

Об'єкт дослідження - одержання нероз'ємних з'єднань різнорідних матеріалів.

Предмет дослідження - зварювання тертям сплавів алюмінію зі сталлю і міддю.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішували експериментальними методами із застосуванням прикладних математичних розрахунків. Експериментальні методи включали реєстрацію основних технологічних параметрів та осцилографічне спостереження параметрів, що характеризують процес зварювання тертям. Структуру, фазовий склад і властивості зварних з'єднань вивчали методами металографічного, мікрорентгеноспектрального і рентгеноструктурного аналізу, растрової електронної мікроскопії, механічними випробуваннями та іншими методами. При плануванні експериментів і обробці одержаних результатів використовували методи математичної статистики.

Наукова новизна. Встановлено, що при зварюванні тертям міді і сталі 12Х18Н10Т з алюмінієм має місце зміщення поверхні тертя в алюмінієву заготовку, що утруднює активацію поверхні більш міцної заготовки і витіснення із зони зварювання інтерметалідного прошарку. Показано, що величина зміщення спочатку збільшується і досягає максимального значення д_мах, потім зменшується і досягає усталеної величини д_уст. Визначено вплив основних технологічних параметрів на максимальну величину зміщення поверхні тертя: при зниженні окружної швидкості від 2,5 до 0,75 м/с у діапазоні зміни тиску при нагріві 25…50 МПа величина д_мах збільшується від 0,1 до 1,1 мм при зварюванні алюмінію АД1 з міддю і від 0,06 до 0,4 мм при зварюванні зі сталлю 12Х18Н10Т.

На основі дослідження термічних циклів у процесі нагрівання і вивчення кінетики утворення інтерметалідного прошарку при зварюванні алюмінію з міддю встановлено, що в умовах інтенсивної деформації зсуву при швидкості нагрівання металів у зоні контакту 500…1200?С/с значно активізуються дифузійні процеси в порівнянні з умовами ізотермічного відпалу. Показано, що латентний період утворення дисперсних виділень інтерметалідних фаз у місцях виникнення і руйнування фрикційних зв'язків при температурі зварювання 350…500?С складає менше 1 с.

Показано, що динаміка гальмування обертання при зварюванні тертям алюмінію і його сплавів із сталлю та міддю суттєво впливає на формування з'єднань. При проковці, що виконується на стадії гальмування обертання спільною дією осьових і тангенціальних напружень, інтенсифікуються зсувні деформації по поверхні початкового контакту і спостерігається значне (у 3…7 разів) збільшення швидкості осадки в порівнянні із стадією нагріву.

Розроблено принципи керування процесом формування біметалевих з'єднань: дозоване введення енергії в стик за рахунок скорочення часу зварювання, інтенсифікація зсувної деформації по поверхні початкового контакту за рахунок спільної дії осьових і тангенціальних напружень при проковці. Визначено найбільш ефективний термодеформаційний цикл зварювання тертям біметалевих перехідників, реалізація якого забезпечує формування якісних з'єднань алюмінію і його сплавів з міддю та нержавіючою сталлю аустенітного класу при термічному циклі, що не перевищує температурно-часових умов утворення інтерметалідного прошарку.

Практичне значення. На основі результатів досліджень розроблено спосіб зварювання тертям з регульованим гальмуванням обертання, на основі якого створені і впроваджені в АТ «Чернігівський завод радіоприладів» технології зварювання тертям алюмінію і високоміцних алюмінієвих сплавів з нержавіючою сталлю аустенітного класу. Розроблено схеми модернізації існуючих типів машин для зварювання тертям, створена і впроваджена система керування, що дозволяє реалізувати технології зварювання тертям з регульованим гальмуванням на серійному зварювальному устаткуванні.

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є підсумком теоретичних і експериментальних досліджень, виконаних автором особисто. Постановка задач досліджень, аналіз отриманих результатів виконувались разом з науковим керівником і співавторами публікацій.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи були повідомлені й обговорювалися на Міжнародних конференціях: «Современные проблемы сварочной науки и техники» (Воронеж, Росія, 1997 р.); «Exploіtіng solіd state joіnіng» (TWІ, Cambrіdge, Great Brіtaіn, 1999); «Проблеми забезпечення якості в зварювальному виробництві» (Київ, 2001); «Інженерія поверхні і реновація виробів» (Феодосія, 2001); «Організація і технології ремонту машин, механізмів, устаткування» (Київ, 2001); «Сучасні проблеми зварювання і споріднених технологій, удосконалення підготовки кадрів» (Маріуполь, 2001); «Зварювання і споріднені технології 2002» (Київ, 2002 р.), а також на Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених і спеціалістів «Зварювання і споріднені технології» (Ворзель, 2001).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 5 статей в наукових журналах, що відповідають вимогам ВАК України, тези 8 доповідей на науково-технічних конференціях, отримано 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури з 155 найменувань і додатків. Робота містить 149 сторінок машинописного тексту, 59 малюнків і 18 таблиць. У додатках наведено акт впровадження у промисловості результатів роботи.

Основний зміст роботи

зварювання алюміній сталь нержавіючий

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі на підставі літературних даних проведено аналіз основних способів зварювання тертям, розглянуто особливості одержання з'єднань різнорідних матеріалів, показані технологічні прийоми, що забезпечують підвищення якості з'єднань, обґрунтовано необхідність проведення подальших досліджень.

Основною особливістю зварювання тертям різнорідних металів і сплавів є асиметрія температурного поля та умов деформації заготовок. У цьому випадку спостерігається зміщення поверхні тертя вбік заготовки з меншою міцністю на зріз при температурі зварювання. Вивчення цього явища при зварюванні різних класів сталей показало, що з'єднання по початковій поверхні контакту може бути недосконалим, однак збільшення тривалості стадії нагріву сприяє зменшенню кількості дефектів. При зварюванні металів, що вступають при нагріві в хімічну взаємодію, збільшення часу зварювання призводить до незворотної зміни фазового складу зони з'єднання, пов'язаній з утворенням крихкого інтерметалідного прошарку. Параметри режимів зварювання алюмінію і його сплавів з міддю та сталлю за даними різних авторів істотно відрізняються. При звичайному (конвенційному) зварюванні тертям не вдається запобігти утворенню суцільного інтерметалідного прошарку і забезпечити високу стабільність механічних властивостей з'єднань. У публікаціях по інерційному і комбінованому зварюванню тертям, міститься недостатньо інформації про конкретні технологічні режими зварювання, структуру, фазовий склад і показники механічних властивостей з'єднань. На підставі цих даних неможливо зробити висновок про те, який термодеформаційний цикл зварювання є найбільш ефективним для одержання з'єднань матеріалів, що вступають при нагріві в хімічну взаємодію.

Матеріали, апаратура, методики. У зв'язку з тим, що біметалеві перехідники міді з алюмінієм, алюмінію і його сплавів з нержавіючою сталлю широко застосовуються у промисловості, для досліджень було обрано такі поєднання матеріалів: електротехнічна мідь М1 - алюміній АД1; сталь 12Х18Н10Т - АД1; сталь 12Х18Н10Т - алюмінієвий сплав 1420; заготовки діаметром 20, 22, 25 мм.

Експериментальні зварювання проводилися на машинах для конвенційного (МСТ-2001, СТ-120) та інерційного (СТ-100, СТ-109А) зварювання тертям, обладнаних засобами реєстрації та контролю технологічних параметрів і параметрів, що характеризують процес зварювання тертям.

Дослідження зони з'єднання проводилося як на нетравлених шліфах, так і шліфах, підготовлених з використанням хімічного, електролітичного та іонного (на установці Іon Sputter JFC-1100 фірми «Jeol») методів травлення. Для більш детального вивчення перехідної зони виготовляли «косі» (вирізані під кутом 6…12?) шліфи. Мікроструктуру вивчали на оптичному мікроскопі «Neophot-32» і растровому електронному мікроскопі JSM-T 200. Растрову аналітичну електронну мікроскопію зламів та мікрошліфів з'єднань проводили на установці СЭМ-515 фірми «Phіlіps». Мікрорентгеноспектральний аналіз розподілу елементів проводили на установці «Comebax» SX-50; рентгеноструктурний аналіз зламів - на установці Дрон-УМ-1. Вимірювання мікротвердості у зоні з'єднання виконували на мікротвердомірі М-400 фірми «LECO» при навантаженні 0,1…0,5 Н. Дифузійні процеси в зоні контакту досліджували за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії.

Механічні властивості з'єднань досліджувалися при іспитах на розрив, статичний і ударний загин як стандартних, так і нестандартних зразків, передбачених галузевими інструкціями і закордонними стандартами для різнорідних з'єднань.

Дослідження формування з'єднань при зварюванні тертям

алюмінію АД1 з міддю та сталлю 12Х18Н10Т.

Дослідження процесів контактної взаємодії на стадії нагріву. Дослідження проводили згідно з методикою, яка передбачала миттєве розведення заготовок у процесі нагрівання без припинення їх обертання. При цьому руйнування з'єднання відбувалося по поверхні, яка має мінімальну міцність на зріз (по поверхні тертя). Визначення величини зміщення поверхні тертя проводили шляхом виміру товщини шару металу, який був перенесений з однієї заготовки на поверхню іншої, при послідовному механічному знятті цього шару з кроком 0,01 мм.

Встановлено, що на початкових етапах процесу тертя відбувається адгезійне зчеплення поверхонь металів і зміщення поверхні тертя в алюмінієву заготовку, яке візуально спостерігається як намазування алюмінію на поверхню мідної чи сталевої заготовки (рис. 1). Зміщення досягає максимальної величини д_мах, після чого спостерігається зворотне зміщення убік початкового контакту і досягнення усталеної величини д_уст, яка залежить від значення технологічних параметрів зварювання.

Для поєднання мідь-АД1 величина зміщення на початкових етапах тертя при низьких значеннях окружної швидкості V і тиску при нагріві Р_н досягає значної величини. При збільшенні окружної швидкості максимальна величина зміщення зменшується, прискорюється досягнення усталеної величини зміщення.

Зміщення поверхні тертя в алюмінієву заготовку відбувається нерівномірно у різних частинах перетину заготовок, що зварюються. Наприклад, для поєднання сталь 12Х18Н10Т-АД1 формування шару алюмінію, перенесеного на сталь 12Х18Н10Т, найбільш інтенсивно відбувається в кільцевій зоні, ширина і розташування якої залежить від значень V і P_н. У діапазоні їх зміни, в якому проводились дослідження, максимальне зміщення спостерігається на відстані 0,4…0,7 радіуса заготовок (табл. 1).

Таблиця 1. Зміна в часі максимального по перетину заготовок зміщення поверхні тертя для поєднання сталь 12Х18Н10Т - АД1

Зміна величини зміщення поверхні тертя в часі є наслідком двох процесів - деформаційного зміцнення і термічно активованого зменшення міцності металу в зоні контакту. На початкових етапах тертя в результаті прояву адгезійних сил зчеплення і наклепу поверхневих шарів алюмінію процес деформаційного зміцнення переважає, при цьому поверхня з мінімальним опором на зріз (поверхня тертя) зміщується убік алюмінію. При збільшенні часу нагріву спостерігається зворотне переміщення поверхні тертя до поверхні початкового контакту, однак повного співпадання цих поверхонь при нагріванні не відбувається. Істотним у даному випадку є зміцнююча дія більш твердої мідної (чи сталевої) поверхні на перенесений шар алюмінію в результаті дії адгезійних сил зчеплення.

Вивчення переміщення контактуючих поверхневих шарів металів, що зварюються, проводили також за допомогою радіоактивних ізотопів методом авторадіографії. Перед зварюванням на поверхню, що зварюється, однієї із заготовок (діаметром 20 мм) наносили шар радіоактивного ізотопу ⁶³Nі товщиною до 1 мкм. Зварні з'єднання досліджували за допомогою авторадіографії. Радіографічні відбитки фотометрували і вивчали розподіл ізотопу в зоні з'єднання.

Аналіз авторадіограм з'єднань мідь-АД1 показує, що в зоні контакту при часі нагрівання t_н=0,5 с спостерігається нерівномірне проникнення ізотопу в алюмінієву заготовку (рис. 3, а) на глибину до 0,7 мм. Найбільша концентрація ізотопу спостерігається по поверхні початкового контакту. Наявність другого максимуму концентрації свідчить про те, що зона найбільших зсувних деформацій у процесі нагрівання зміщується від поверхні початкового контакту убік алюмінію.

При збільшенні часу нагріву товщина шару ізотопу зменшується. Однак, незважаючи на значну деформацію алюмінієвої заготовки при подальшому збільшенні t_н (загальна осадка заготовок ДL=5…20 мм), шар ізотопу повністю не витісняється із зони з'єднання (рис. 3, б), а залишається в стику незалежно від того, на яку заготовку він був нанесений перед зварюванням. Таким чином, повного відновлення поверхні початкового контакту в процесі зварювання не відбувається - спостерігається перерозподіл шару ізотопу по перетину і глибині (рис. 3, в) заготовок. Максимальна глибина проникнення ізотопу спостерігається на відстані від центру 0,4…0,7 радіусу заготовок, мінімальна - на периферії та у центрі.

Одержані дані дозволяють зробити висновок, що взаємодія поверхонь, що зварюються, при терті зосереджується у деякому об'ємі матеріалу, а формування з'єднань відбувається через шар пластифікованого алюмінію по двох різних поверхнях: по поверхні початкового контакту металів, що зварюються, і поверхні тертя. Зона максимальних зсувних деформацій розташовується в алюмінієвій заготовці на відстані від поверхні початкового контакту, яка визначається співвідношенням технологічних параметрів - окружної швидкості V і тиску при нагріві P_н. При зменшенні V від 2,5 до 0,75 м/с у діапазоні зміни P_н=25…50 МПа максимальна величина зміщення поверхні тертя збільшується в межах 0,1…1.1 мм для поєднання мідь-АД1 і в межах 0,06…0,4 мм для поєднання сталь 12Х18Н10Т-АД1.

Особливості термодеформаційних умов формування біметалевих з'єднань при конвенційному, інерційному та комбінованому зварюванні тертям. В результаті аналізу термічних циклів при зварюванні тертям встановлено, що на початкових стадіях процесу температура контакту досягає значень, характерних для фази квазістаціонарного нагріву, і залишається практично постійною до завершення відносного обертального переміщення. Так, при зварюванні алюмінію АД1 з міддю температура контакту за 0,4…1,2 с досягає значення 350…500єС (рис. 4), тобто температури, при який може відбуватися хімічна взаємодія металів, що зварюються.

Із збільшенням окружної швидкості V від 0,75 до 2,0 м/с інтенсивність росту температури збільшується. Характерним моментом є також те, що прискорюється нагрів центральної частини перетину заготовок і прискорюється процес вирівнювання температури по всьому перетину, що зварюється. Збільшення тиску при нагріві Р_н супроводжується практично лінійним зростанням моменту тертя в стику М_уст (рис. 5) і сприяє інтенсифікації нагрівання поверхонь, що зварюються; також прискорюється процес вирівнювання температури по перетину заготовок. Однак із збільшенням Р_н вище певних значень спостерігається зниження температури, пов'язане з витісненням із зони контакту нагрітого металу. Оптимальна з точки зору інтенсифікації нагрівання величина Р_н складає Р_н=40…60 МПа для поєднання мідь-АД1 і Р_н=25…40 МПа для поєднання сталь 12Х18Н10Т - АД1 при V=1,5…2,0 м/с.

При металографічних дослідженнях з'єднань мідь-алюміній, отриманих конвенційним зварюванням тертям, виявляється нерівномірний по перетину перехідний шар (рис. 6). Товщина перехідного шару максимальна в частині перетину, розташованій на відстані від центра перетину, рівному (0,6…0,7) радіуса заготовок. У центральній частині перетину товщина шару мінімальна. При мікрорентгеноспектральному аналізі виявляються фази CuAl₂ і CuAl. За даними мікрорентгеноструктурного аналізу зламів з боку мідної заготовки виявляються фази CuAl і Cu₉Al₄, з боку алюмінію - фаза CuAl₂.

На відміну від поєднання мідь-АД1 термічний цикл зварювання сталі 12Х18Н10Т з алюмінієм АД1 на режимах зварювання, що досліджувались, не перевищує температурно-часових умов формування інтерметалідного прошарку в системі Fe-Al, отриманих для умов ізотермічного відпалу. Однак, у структурі перехідної зони з'єднань сталь 12Х18Н10Т - АД1 при часі нагріву t_н=2,5 с з боку алюмінію виявляється зона дифузії у вигляді світлої смужки (рис. 6, в) шириною 3…5 мкм (центр перетину), а у периферійних ділянках перетину - інтерметалідний прошарок шириною близько 1 мкм. Очевидно істотний вплив на кінетику формування інтерметалідного прошарку має деформаційна взаємодія при терті металів, які зварюються, що сприяє інтенсифікації дифузійних процесів у зоні контакту.

На основі результатів механічних випробувань з'єднань мідь-АД1 встановлено, що істотним є не стільки величина окремих параметрів, скільки їх поєднання, при якому забезпечується оптимальне значення величини і швидкості осьової деформації при нагріві. З'єднання, що мають найкращі показники механічних властивостей, отримані для поєднання значень V, Р_н, при яких забезпечується швидкість осьової деформації 5,5…8 мм/с. Однак одержати з'єднання із стабільно високими показниками механічних властивостей і уникнути утворення інтерметалідного прошарку при конвенційному зварюванні не вдається.

Міцність з'єднань при інерційному зварюванні тертям залежить від поєднання параметрів процесу - тиску при нагріві Р_н, тиску проковки Р_пр і питомої енергії w (МДж/м²), яка є похідною величиною від значень моменту інерції J (кг м²) обертових частин машини, початкової кутової швидкості щ_н=рn/30 (рад/с) і діаметра d заготовок. У структурі з'єднань мідь-АД1 при w=20…28 МДж/м² і з'єднань сталь 12Х18Н10Т-АД1 при w=35…55 МДж/м² перехідний шар інтерметалідів не виявляється, показники міцності знаходяться на рівні показників алюмінію. За межами зазначеного діапазону зміни величини w механічні властивості стиків різко погіршується, що пов'язано або з недостатнім нагрівом зони з'єднання або з утворенням суцільного інтерметалідного прошарку.

На лабораторній зварювальній установці МСТ-2001 досліджували особливості формування з'єднань мідь-АД1, сталь 12Х18Н10Т - АД1 при комбінованому зварюванні тертям, початкова стадія якої являє собою конвенційне, а заключна - інерційне зварювання тертям. Встановлено, що для діапазону діаметрів заготовок d=16…40 мм, величина питомої енергії w_т, яка виділяється в стадії гальмування, надмірна для формування з'єднань. У процесі гальмування в грат витісняється весь виліт алюмінієвої заготовки, процес зварювання припиняється без формування з'єднання. Для d=40…50 мм процес зварювання завершувався формуванням з'єднань з низькими механічними властивостями внаслідок утворення суцільного інтерметалідного прошарку товщиною більш 3,5 мкм. Таким чином, забезпечити одержання з'єднань при комбінованому зварюванні тертям на стандартному устаткуванні не вдається, оскільки частота обертання і момент інерції обертових частин машини не є оптимальними для всього діапазону діаметрів заготовок, що зварюються на даній машині.

Вивчення кінетики утворення фазових виділень у зоні контакту. Для вивчення механізму утворення інтерметалідного прошарку на ранніх стадіях контактної взаємодії вивчали злами з'єднань мідь-АД1, отриманих при різному часі нагріву t_н і практично миттєвому (t_г=0,1 с) примусовому гальмуванні обертання заготовок.

На поверхні зламу при t_н=0,4 с в різних частинах перетину, що значно відрізняються окружною швидкістю і температурою, виявляються лінії ковзання й окремі дисперсні частки металу, що відповідають інтерметалідним фазам переважно типу CuAl₂. Температура контакту в цих частинах перетину досягала 350…450єС, тривалість перебування при температурі більше 300єС не перевищувала 2…4 с, що значно менше латентного періоду утворення зародків інтерметалідної фази, який за даними різних дослідників для умов ізотермічного відпалу складає десятки секунд. При дослідженні мікроструктури з'єднань, отриманих при t_н=0,8…1,2 с, виявляється інтерметалідний прошарок (рис. 7, д), причому час перебування зони контакту при температурі більше 300єС також був значно меншим зазначеного латентного періоду. Таким чином, при зварюванні тертям латентний період утворення дисперсних виділень інтерметалідних фаз у місцях виникнення і руйнування фрикційних зв'язків при температурі зварювання 350…500?С складає менше 1 с.

Таким чином, мінімізація формування інтерметалідного прошарку при зварюванні тертям біметалевих з'єднань визначається можливістю зменшення часу стадії нагріву при умові забезпечення достатньої величини і швидкості осьової і зсувної деформації на стадії проковки. Незначна величина і швидкість осадки при проковці, яка виконується при швидкому гальмуванні обертання, характерному для конвенційного зварювання тертям, не сприяє інтенсифікації зсувних деформацій у зоні контакту, подрібненню і видаленню із стику інтерметалідного прошарку. Для забезпечення необхідного ступеня спільної пластичної деформації металів при конвенційному зварюванні підвищують роль термічного каналу активації поверхонь, які зварюються, тобто збільшують час нагріву, що неминуче призводить до росту інтерметалідного прошарку. Часткового витіснення цього прошарку досягають за рахунок значного збільшення тиску проковки в поєднанні з примусовим формуванням стику. Забезпечити високу стабільність показників пластичності зварних з'єднань при такому підході проблематично.

Інтенсифікація силового впливу при інерційному зварюванні дозволяє обмежити термічний цикл зварювання температурно-часовими умовами утворення суцільного інтерметалідного прошарку. Однак для конкретної зварювальної установки поєднання технологічних параметрів, при якому забезпечується оптимальна динаміка гальмування на заключній стадії процесу, досягається у вузькому діапазону діаметрів заготовок, для якого технологічні характеристики (момент інерції, осьове зусилля, частота обертання) є оптимальними. Складність реалізації обмежує використання способів зварювання без примусового гальмування обертання.

Оптимізація термодеформаційного циклу зварювання біметалевих з'єднань.

Розробка способу зварювання тертям з регульованим гальмуванням обертання. Результати проведених досліджень показують, що максимальна інтенсивність зсувної деформації має місце по поверхні тертя, а утворення інтерметалідного прошарку відбувається по поверхні контакту металів, що зварюються. Тому запобігти утворення суцільного інтерметалідного прошарку при зварюванні біметалевих з'єднань можна за умов мінімізації часу стадії нагріву і інтенсифікації зсувної деформації по поверхні початкового контакту на стадії проковки. Аналіз осцилограм процесу конвенційного, інерційного і комбінованого зварювання тертям показує, що основна відмінність цих способів полягає у динаміці зниження швидкості обертання на заключній стадії процесу зварювання. Позитивний ефект прикладання зусилля проковки на етапі гальмування обертання при інерційному зварюванні спостерігається тільки в тому випадку, коли час зварювання не перевищує певного значення.

Розроблено основні принципи керування процесом формування біметалевих з'єднань: дозоване введення енергії в стик за рахунок обмеження тривалості зварювання, інтенсифікація нагрівання на початковій стадії і збільшення інтенсивності зсувної деформації в зоні контакту на заключній стадії процесу зварювання. На основі цих принципів розроблено спосіб зварювання тертям з регульованим гальмуванням, що відрізняється програмованим зниженням частоти обертання заготовок і прикладенням тиску проковки на стадії гальмування. Ефективність способу базується на максимально швидкому нагріві зони з'єднання за рахунок збільшення окружної швидкості і тиску при нагріві та інтенсифікації зсувної деформації по поверхні початкового контакту за рахунок спільної дії стискаючих і тангенціальних напружень на стадії проковки. Для характеристики динаміки гальмування вводиться новий параметр, що програмується - час гальмування t_г, який не задається і не регулюється при конвенційному зварюванні і є похідною величиною при інерційному.

Оптимізація параметрів режиму зварювання біметалевих з'єднань у залежності від динаміки гальмування. З використанням методів математичного планування експериментів визначали спільний вплив основних технологічних параметрів при різній динаміці гальмування на структуру, властивості і показники механічних властивостей біметалевих з'єднань (діаметр заготовок 25 мм). В якості математичної моделі обрано поліном другого порядку параметру, що оптимізується, - кута загину при випробуванні з'єднань на ударний загин. Значення коефіцієнтів регресії отриманої моделі (адекватної при 5%-ному рівні значимості), визначалися методом найменших квадратів.

Таблиця 2. Рівні та інтервали варіювання факторів, що досліджувались

Для поєднання мідь - АД1 позитивні значення коефіцієнтів отримані для P_н, P_пр і t_г, негативний - для t_н. Значимість параметрів по мірі зменшення чисельних значень коефіцієнтів: t_н (-19,43), t_г (18,81), P_пр (8,56), P_н (3,31). Таким чином, при оптимізації параметрів стадії нагріву необхідно збільшення тиску і зниження часу. Більший вплив на якість з'єднань має час нагріву, який визначає термічний цикл зварювання, а, отже, зародження і формування інтерметалідного прошарку. Параметри стадії проковки - Р_пр і t_г суттєво впливають на процес формування з'єднань. Аналіз впливу часу гальмування t_г показує, що при нижньому рівні значення t_г зварні з'єднання руйнуються крихко по поверхні початкового контакту. Більш високі механічні властивості мають з'єднання, отримані при верхньому рівні t_г. Однак, загин до 90⁰ без руйнування витримали з'єднання, отримані при мінімальному значенні часу нагрівання t_н. При металографічних і мікрорентгеноспектральних дослідженнях інтерметалідний прошарок у стику не виявляється.

Аналіз взаємодії факторів дозволяє зробити висновок, що в діапазоні, який досліджувався, за рахунок збільшення часу гальмування можна знизити час нагріву, тиск нагріву і проковки без погіршення показників якості зварних з'єднань. Можливість зменшення часу нагріву t_н дозволяє наблизити умови формування з'єднань до «ідеального» термічного циклу зварювання, тобто до циклу, що не перевищує температурно-часових умов утворення інтерметалідного прошарку. Можливість зниження тиску проковки дозволяє істотно розширити діапазон діаметрів заготовок, які можна зварити на одній установці.

Визначення оптимального значення t_г при зварюванні заготовок різного діаметру запропоновано виконувати з урахуванням особливостей в'язкопластичного переміщення металу в зоні з'єднання, які визначаються зміною енергетичних параметрів процесу зварювання - моменту тертя M і потужності тепловиділення N у стику. Гальмування можна розглядати як заключну стадію фази нагрівання, що характеризується наявністю двох етапів, які відрізняються інтенсивністю тепловиділення. Зниження окружної швидкості до певного значення супроводжується підвищенням моменту і потужності в порівнянні із сталим процесом нагрівання. На другому (заключному) етапі гальмування інтенсивність тепловиділення різко знижується, при одночасному збільшенні ширини зони в'язкопластичного переміщення металу. Критерієм оптимізації динаміки гальмування обертання є забезпечення певної швидкості осьової деформації при збереженні високого рівня потужності тепловиділення в зоні контакту.

Умовою одержання якісних з'єднань є мінімізація тривалості стадії гальмування, на якій відбувається різке падіння потужності тепловиділення. При обробці осцилограм процесу встановлено, що у всьому дослідженому діапазоні варіювання V і Р_н залежність моменту тертя від тиску практично лінійна. Це свідчить про те, що характер зміни енергетичних параметрів зварювання тертям не залежить від властивостей матеріалів і діаметру заготовок, що зварюються, а відрізняється лише значеннями констант А, к у залежностях моменту і потужності, отриманих академіком В.К. Лебедєвим із співробітниками при зварюванні сталей. Залежності моменту M, потужності N і питомої потужності N' тепловиділення для поєднання мідь-АД1 після визначення коефіцієнтів А, к (А=0,25, к=1,3) має вигляд:

M=0,115·10⁶ Р_н(d³/V ^1,3);

N=0,23·10³ Р_н(d²/V ^0,3).

N'=0,29 Р_н(1/V ^0,3).

Експериментально визначена припустима тривалість стадії гальмування, на якій відбувається різке зниження моменту тертя і потужності тепловиділення. Умові одержання якісних з'єднань відповідає динаміка гальмування на заключній стадії процесу з прискоренням -1,6…2,0 м/с². Аналіз осцилограм процесу зварювання показує, що при проковці, яка здійснюється спільною дією стискаючих і тангенціальних напружень при оптимальній динаміці гальмування, спостерігається значне (у 3…7 разів) збільшення швидкості осадки у порівнянні із стадією нагріву і стадією проковки, яка виконується на заготовки, що не обертаються.

При механічних випробуваннях на розрив, статичний і ударний загин стиків, отриманих при оптимальному значенні t_г, руйнування по зоні зварювання не зафіксовано при зниженні тиску проковки до 70-90 МПа для різних діаметрів заготовок у діапазоні 16…55 мм. Мікроструктура стиків діаметром 25 і 55 мм, вивчалася на косих (вирізаних під кутом 11,5°) шліфах, ширина зони з'єднання при цьому візуально збільшувалася в 5 разів. Металографічні і мікрорентгеноспектральні дослідження з'єднань не виявили наявність інтерметалідного прошарку (рис. 8). Таким чином, при прикладенні зусилля проковки на стадії гальмування, завдяки спільній дії осьової і тангенціальної складових деформації на пластифікований метал, забезпечується формування якісних з'єднань при меншому тиску проковки.

Особливості термодеформаційних процесів при зварюванні тертям високоміцних алюмінієвих сплавів з нержавіючою сталлю 12Х18Н10Т. Для з'єднання сталей з високолегованими алюмінієвими сплавами застосовують проміжну вставку з матеріалу, що задовільно зварюється як із сталлю, так і з алюмінієвим сплавом. Досліджувались особливості термодеформаційних процесів при зварюванні сплаву 1420 (система легування Al-Mg-Li) із сталлю 12Х18Н10Т через вставку АД1 (діаметр заготовок d=20 мм), а також можливість збільшення міцності комбінованих з'єднань за рахунок зменшення кінцевої товщини д вставки (ефект контактного зміцнення м'яких прошарків).

Методом радіоактивних ізотопів досліджували вплив динаміки гальмування обертання на деформаційні процеси в стику. Шар радіоактивного ізотопу ⁶³Nі товщиною до 1 мкм наносився перед зварюванням на торці заготовки АД1. При аналізі авторадіограм з'єднань, отриманих при швидкому (t_г=0,1 с) гальмуванні встановлено, що значна частина ізотопу залишилась у зоні з'єднання, спостерігається нерівномірність його розподілу по перетину заготовок. При регульованому гальмуванні обертання (t_г=0,7 с), переважна частина ізотопу витісняється із зони з'єднання, спостерігається порівняно рівномірний його розподіл по перетину заготовок, причому шар ізотопу частково фрагментований.

Характер розподілу ізотопу ⁶³Nі при регульованому гальмуванні свідчить, що заключний етап процесу зварювання супроводжується локалізованим витісненням приконтактних об'ємів металу вставки із зони зварювання в грат. При цьому на певному етапі гальмування осцилографічно реєструється значне зростання швидкості осадки і збільшення потужності тепловиділення в стику при зниженні температури контакту. Це свідчить про підвищення ролі деформаційного каналу активації поверхонь, що зварюються, та інтенсифікації зсувних деформацій по поверхні початкового контакту.

Досліджували залежність міцності з'єднань сплав 1420-АД1-сталь 12Х18Н10Т від відносної ширини ч (ч= д/d) прошарку АД1. Одержання з'єднань з шириною вставки 0,1…10 мм (ч=0,01…0,5) здійснювалося за рахунок регулювання динаміки гальмування обертання на заключній стадії процесу (час гальмування t_г=0,1…1,2 с) одночасно з прикладанням зусилля проковки. Встановлено, що найбільш суттєве збільшення показників міцності (рис. 10) досягається при ч<0,2. Наприклад, при д=100…150 мкм міцність на розрив з'єднань при випробуваннях зразків Ш10 мм (ч=0,01…0,015) складала 300…314 МПа, що у 2,5…3 рази перевищує межу міцності алюмінію АД1 і складає більше 70% міцності сплаву 1420. При цьому взаємної дифузії легуючих елементів сплаву 1420 (Mg, Li) і сталі 12Х18Н10Т через вставку не спостерігається, інтерметалідний прошарок у зоні з'єднання не виявляється.

Розробка устаткування для зварювання тертям з регульованим гальмуванням. На основі проведених досліджень розроблений спосіб зварювання тертям і устаткування для його реалізації (патент №46460А, Україна). Розроблено і впроваджено на АТ «Чернігівський завод радіоприладів» технології зварювання тертям алюмінію АД1 і високоміцних алюмінієвих сплавів із сталлю 12Х18Н10Т. Розроблена машина (рис. 11), до складу якої входять станина 1, затискачі заготовок 2, 3, привід осьового зусилля 4, гальмівний пристрій 5, привід обертання 6 і блок керування зварюванням 7, оснащена блоком керування гальмуванням і проковкою 8. Схема керування в поєднанні з використанням фрикційного багатодискового гальма з гідравлічним приводом дозволяє керувати процесом гальмування обертання по встановленій програмі та реалізувати технологію зварювання тертям з регульованим гальмуванням.

Розроблені схеми модернізації існуючих типів машин для зварювання тертям, створена і впроваджена система керування, що дозволяє реалізувати технології зварювання тертям з регульованим гальмуванням на серійному устаткуванні: установках для конвенційного (МСТ-2001, СТ-120) та інерційного зварювання тертям (СТ-109А).

Загальні висновки

1. Встановлено, що при зварюванні тертям міді та сталі 12Х18Н10Т з алюмінієм АД1 спостерігається зміщення поверхні тертя в алюмінієву заготовку. На початкових етапах процесу зміщення досягає максимальної величини, із збільшенням часу нагріву спостерігається зворотне переміщення поверхні тертя убік початкового контакту і досягнення сталого значення зміщення. При зниженні окружної швидкості від 2,5 до 0,75 м/с у діапазоні зміни тиску при нагріві 25…50 МПа максимальна величина зміщення збільшується від 0,1 до 1,1 мм при зварюванні алюмінію АД1 з міддю і від 0,06 до 0,4 мм при зварюванні із сталлю 12Х18Н10Т.

2. Показано, що в результаті зміщення поверхні тертя зона максимальних зсувних деформацій розташовується на певній відстані від поверхні початкового контакту, що утруднює активацію поверхні більш міцної заготовки і витіснення із зони зварювання інтерметалідного прошарку. Встановлено, що при конвенційному зварюванні тертям алюмінію і його сплавів з міддю та сталлю термічний цикл зварювання перевищує температурно-часові умови утворення суцільного інтерметалідного прошарку, повне витіснення якого із стику утруднюється зміщенням поверхні тертя і виконанням проковки на заготовки, що не обертаються.

3. На основі дослідження термічних циклів при нагріві та вивчення кінетики утворення інтерметалідного прошарку при зварюванні тертям алюмінію з міддю встановлено, що інтенсивні зсувні деформації сприяють значній активізації дифузійних процесів у порівнянні з умовами ізотермічного відпалу. Показано, що латентний період утворення дисперсних виділень інтерметалідних фаз у місцях виникнення і руйнування фрикційних зв'язків при температурі зварювання 350…500?С складає менше 1 с. Основним фактором, що впливає на формування інтерметалідного прошарку в таких умовах, є час стадії нагріву, а умови мінімізації товщини цього прошарку визначаються величиною і швидкістю осьової і зсувної деформації на стадії проковки.

4. Розроблено принципи керування процесом формування біметалевих з'єднань: дозоване введення енергії в стик за рахунок скорочення тривалості зварювання, інтенсифікація нагріву на початковій стадії процесу зварювання за рахунок збільшення окружної швидкості та тиску, інтенсифікація зсувної деформації в зоні контакту на заключній стадії за рахунок спільної дії осьових і тангенціальних напружень при проковці. На основі цих принципів розроблено спосіб зварювання тертям з регульованим гальмуванням обертання.

5. Показано вплив динаміки гальмування обертання на умови формування структури, фазового складу біметалевих з'єднань. При проковці, яка здійснюється на стадії гальмування обертання спільною дією стискаючих і тангенціальних напружень, спостерігається значне (у 3…7 разів) збільшення швидкості осадки в порівнянні із стадією нагріву і забезпечується інтенсифікація зсувної деформації по поверхні початкового контакту.

6. Запропоновано в якості критерію оптимізації динаміки гальмування використовувати зміну в часі енергетичних параметрів процесу зварювання тертям - потужності тепловиділення і моменту тертя в стику. Показано, що за рахунок оптимізації часу гальмування створюється можливість істотного (у 2…2,5 рази) зниження часу стадії нагріву і можливість формування якісних з'єднань при термічному циклі, що не перевищує температурно-часових умов утворення суцільного інтерметалідного прошарку, з показниками пластичності та міцності на рівні відповідних показників для менш міцного матеріалу.

7. Показано, що при зварюванні тертям з регульованим гальмуванням високоміцного алюмінієвого сплаву 1420 із сталлю 12Х18Н10Т через проміжну вставку АД1 за рахунок зменшення товщини вставки забезпечується можливість одержання з'єднань, міцність яких у 2,5…3 рази перевищує показники міцності алюмінію АД1. Встановлено, що при зменшенні товщини вставки, що залишається в стику, до 100…150 мкм взаємної дифузії легуючих елементів сплаву 1420 та сталі 12Х18Н10Т через вставку не спостерігається, інтерметалідний прошарок у зоні з'єднання не виявляється.

8. На основі розробленого способу зварювання створено технології зварювання тертям алюмінію з міддю, алюмінію та його сплавів із нержавіючими сталями аустенітного класу, які успішно впроваджено у виробництво. Розроблено систему керування, що дозволяє реалізувати розроблені технології на серійному зварювальному устаткуванні після його модернізації.

Основний зміст роботи відображено у публікаціях

1. Зяхор И.В. Особенности cварки трением разнородных металлов и сплавов // Автомат. сварка. - 2000. - №5.-С. 37-46.

2. Зяхор И.В. Современное оборудование для сварки трением // Автомат. сварка. - 2001. - №7. - С. 48-52.

3. Кучук-Яценко С.И., Зяхор И.В., Гордань Г.Н. Влияние технологических параметров и динамики торможения при сварке трением на структуру и свойства соединений меди с алюминием // Автомат. сварка. - 2002. - №6.-С. 3-8.

4. Зяхор И.В., Кучук-Яценко С.И. Особенности формирования соединений меди с алюминием при сварке трением // Автомат. сварка. - 2001. - №9.-С. 27-32.

5. Кучук-Яценко С.И., Зяхор И.В. Механизм формирования биметаллических соединений при сварке трением // Автомат. сварка. - 2002. - №7.-С. 3-11.

6. Kuchuk-Yatsenko S.I., Zyakhor I.V. Friction welding of dissimilar metals // Proc of symp. on exploiting solid state joining, 13-14 Sept., 1999. - Cambridge, Great Abington: TWI, EWI. - 1999.

7. Зяхор И.В. Оптимизация процесса сварки трением разнородных материалов - Современные проблемы сварочной науки и техники // Тезисы докладов международной научно-методической конференции «Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров», 10-14 сентября 2001 г., г. Мариуполь. - 2001.-С. - 12-13.

8. Зяхор И.В., Кучук-Яценко С.И. Сварка трением переходников сталь 12Х18Н10Т - алюминиевый сплав 1420. - Современные проблемы сварочной науки и техники // Материалы Российской научно-технической конференции «Сварка-97». - 16-18 сентября 1997 г. - Воронеж. - 1997.-С. 161-163.

9. Зяхор И.В. Влияние контактного взаимодействия меди с алюминием при сварке трением на качество соединений // Материалы международной научно-технической конференции «Инженерия поверхности и реновация изделий», 29-31 мая 2001 г., г. Феодосия. - Киев: АТМ

Украины. - 2001.-С. 95-96.

10. Зяхор І.В. Розробка принципів керування процесом зварювання тертям біметалевих з'єднань // Тезисы докладов I Всеукраинской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Сварка и родственные технологии», 22-24 мая 2001 г. - Киев. - 2001.-С. 29.

11. Кучук-Яценко С.И., Зяхор И.В. Получение биметаллических соединений сваркой трением с регулируемым торможением вращения // Материалы международной конференции «Сварка и родственные технологии 2002», 22-26 апреля 2002 г. - Киев. - 2002.-С. 62-63.

12. Патент №46460А Україна, МКВ B23K20/12 Спосіб зварювання тертям і машина для його реалізації / Кучук-Яценко С.І., Зяхор І.В. (Україна) №2001075189; Заявл. 20.07.01; Опубл. 15.05.2002, Бюл. №5.

Размещено на Allbest.ru