Нова технологія зварювання тиском алюмінію з міддю через прошарок

Размещено на http://www.allbest.ru/

НОВА ТЕХНОЛОГІЯ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ АЛЮМІНІЮ З МІДДЮ ЧЕРЕЗ ПРОШАРОК

Олег Новомлинець, Світлана Ющенко,

Сергій Олексієнко, Євген Половецький, Ігор Алексеєнко

Анотація

Актуальність теми дослідження. Сучасний темп промислового розвитку потребує зниження металоємності конструкцій та одночасного підвищення їхніх технічних характеристик. Використання біметалевих з'єднань у вузлах конструкцій дозволяє поєднати переваги кожного з матеріалів та забезпечити високі експлуатаційні властивості. Одним із найбільш поширених біметалів є пара алюміній-мідь, що широко використовується в різних галузях промисловості. Тому актуальним завданням є пошук нових способів отримання нероз 'ємних з 'єднань алюмінію з міддю.

Постановка проблеми. Отримання якісних нероз'ємних з'єднань різнорідних матеріалів пов'язане з технологічними труднощами, викликаними відмінностями фізико-механічних властивостей матеріалів. Особливо ця проблема ускладнюється в разі необхідності одержання прецизійних з'єднань.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Способи зварювання тиском, зокрема електроконтактне, здатні запобігти виникненню вказаних проблем, підвищити міцність з'єднання та досягти прецизійності за рахунок більш низьких температур та меншої тривалості їх дії порівняно зі зварюванням плавленням. У попередніх роботах нами було розроблено технологію прецизійного електроконтактного зварювання алюмінієвих сплавів через тонкий металевий проміжний прошарок.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Недослідженим питанням залишається електроконтактне зварювання алюмінію з міддю через тонкий металевий проміжний прошарок.

Постановка завдання. Дослідження здатності до зварювання тиском алюмінію та міді через проміжний прошарок з алюмінієвої фольги з метою отримання з 'єднань з високою міцністю та низьким рівнем деформації.

Виклад основного матеріалу. Дослідження проводили на зразках із алюмінію АД0 та міді М1 з використанням проміжного прошарку із суцільної стрічки алюмінієвої фольги марки АД0. Шляхом експериментів встановлено оптимальний режим електроконтактного точкового зварювання. Якість зварного з 'єднання залежить від кількості шарів фольги в проміжному прошарку.

Висновки відповідно до статті. Розроблено технологію зварювання тиском алюмінію та міді через проміжний прошарок з алюмінієвої фольги; встановлено, що використання проміжного прошарку дозволяє збільшити тепловкладення в зону з 'єднання та зменшити рівень залишкової деформації; досліджено мікроструктуру зони з 'єднання; визначено міцність зварних з 'єднань. з'єднання зварювання тиск алюміній

Ключові слова: алюміній; мідь; зварювання тиском; проміжний прошарок; тепловкладення; міцність; прецизійність.

Annotation

Oleh Novomlynets, Svitlana Yushchenko,

Serhii Oleksiienko, Evgen Polovetskiy, Ihor Alekseienko

NEW TECHNOLOGY OF PRESSURE WELDING OF ALUMINIUM WITH COPPER THROUGH INTERLAYER

Urgency of the research. The modern rate of industrial development requires materials consumption lowering and simultaneous increase of technical features. Usage of bimetal joints in structure ' units allows combining advantages of each material and providing high operational properties. One of the most widespread bimetals is the pair aluminum-copper. Therefore, the search of new methods of getting permanent joints of aluminum and copper is the actual task.

Target setting. The getting of qualitative permanent joints of heterogeneous materials is concerned with technological difficulties, which are produced by difference of physical-mechanical properties of materials. This problem complicates especially when the precision must be obtained.

Actual scientific researches and issues analysis. Pressure welding methods, particularly resistance welding, allow avoiding mentioned problems, increasing the strength and achieving precision due to lower temperatures and lower duration of their action compared with fusion welding. In the previous works, we had developed the technology of precision of resistance welding of aluminum alloys through thin metal intermediate layer.

Uninvestigated parts of general matters defining. Electric resistance welding of aluminum with copper through thin metal interlayer is still uninvestigated.

The research objective. The research of pressure welding of aluminum and copper through interlayer, made of aluminum foil, with the aim of obtaining the joints with high strength and low level of deformation.

The statement of basic materials. The research have been carried out on the specimens of aluminum 1050A and copper Cu-ETP with usage of solid band of aluminium foil 1010 as interlayer. By carrying out of experiments the optimal welding conditions of resistance spot welding has been determined.

Conclusions. The technology of pressure welding of aluminum and copper through aluminum foil interlayer has been developed; it has been determined that using of interlayer allows to increase of heat input into the welding area and decrease the level of residual deformations; the microstructure ofwelded zone has been investigated; the strength if welded joints has been determined.

Keywords: aluminum; copper; pressure welding; intermediate layer; heat input; strength; precision.

Актуальність теми дослідження

Однією з найактуальніших проблем машинобудування є зниження металоємності конструкцій при одночасному підвищенні їх технічних характеристик та надійності в роботі.

Розвиток сучасного авіа-, автомобіле-, приладобудування, хімічної, енергетичної та інших галузей промисловості тісно пов'язаний із широким використанням таких металевих матеріалів, які володіють високою міцністю при низьких та високих температурах, великим відношенням міцності до питомої ваги, достатньою опірністю напруженням, що виникають при вібраціях тощо.

Аналіз властивостей існуючих конструкційних матеріалів та матеріалів, що створюються, показує, що жоден із них не відповідає вищевказаним вимогам одночасно. Одним із способів раціонального застосування конструкційних матеріалів є виготовлення їх комбінованими. Тому в багатьох конструкціях оптимальні експлуатаційні властивості можливо отримати, використовуючи біметалеві з'єднання та вузли. У цьому випадку найбільш повно використовуються властивості, які характерні для кожного з металів, що входять до складу комбінованих з'єднань.

Серед таких біметалевих з'єднань значного поширення в різних галузях набуває використання пари мідь-алюміній [1; 2]. Наприклад, в електротехнічній промисловості застосовують нероз'ємні з'єднання алюмінію з міддю в електропроводах, силових трансформаторах. В енергетиці мідно-алюмінієві вузли використовуються в елементах холодильної та кріогенної техніки.

Останнім часом зварювання алюмінію з міддю стає одним із центральних технічних завдань у такій перспективній сфері, як електроавтомобілебудування, зокрема для виготовлення акумуляторів [2].

Вибір цих матеріалів для дослідження зумовлений не лише їх поширеністю у виробництві, а також потребою в отриманні нероз'ємних з'єднань пари мідь-алюміній з необхідними експлуатаційними якостями.

Постановка проблеми

Різнорідні з'єднання, що працюють при високих температурах або у спеціальних середовищах, доцільно отримувати за допомогою зварювання. Це зумовлено тим, що механічні з'єднання (заклепочні, болтові тощо) здебільшого є ненадійними в експлуатації та складними за конструкцією. З'єднання, отримані зварюванням, сприяють зниженню металоємності, трудомісткості та підвищенню якості з'єднання. Водночас зварювання різнорідних металів і сплавів пов'язане з технологічними труднощами.

Складність зварювання алюмінію з міддю пов'язана з тим, що вони розрізняються за фізичними та механічними властивостями, які обумовлюють як взаємодію металів між собою, так і їх взаємодію з фазами, що утворюються в процесі зварювання. Утворення крихких інтерметалідних фаз у процесі зварювання знижує показники міцності. Задача отримання якісного зварного з'єднання ще більше ускладнюється необхідністю забезпечення прецизійності. Тому актуальним завданням є дослідження та вдосконалення способів зварювання алюмінію з міддю з метою забезпечення високих показників механічної міцності та низького рівня залишкової деформації з'єднань.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Способи зварювання плавленням алюмінію та міді пов'язані зі значними труднощами, викликаними внаслідок специфіки фізико-хімічних властивостей цих матеріалів. Додаткова проблема виникає внаслідок наявності на поверхні алюмінію тугоплавкої оксидної плівки AI2O3.

Відомо, що якість зварних з'єднань з різнорідних матеріалів суттєво залежить від умов формування інтерметалідів. Вони зберігають високий рівень лише на початковій стадії процесу зварювання, коли відбувається поперечний ріст інтерметалідної фази. Росту інтерметалідів сприяють високі температури нагрівання та тривалий час їх дії. Отримати якісне нероз'ємне з'єднання різнорідних металів дозволяють ті способи зварювання, у яких термічний цикл не перевищує температурно-часових умов утворення інтерметалідів [3].

Вказаним вимогам найбільшою мірою відповідають способи зварювання тиском. Серед цих способів досить ефективним є дифузійне зварювання у вакуумі [4; 5], проте цей технологічний процес характеризується значною тривалістю, у результаті чого з'являється висока ймовірність виникнення інтерметалідів. Крім того, висока тривалість знижує продуктивність цього процесу. У багатьох випадках використовується холодне зварювання алюмінію з міддю, однак, по-перше, з'єднання при цьому характеризуються надмірною деформацією, а по-друге, з плином часу такі з'єднання ослаблюються [5; 6].

У порівнянні зі згаданими способами більш технологічним є електроконтактне зварювання, що зумовлюється такими перевагами: висока продуктивність, економічність, незначні залишкові деформації, простота та зручність робочого процесу, схильність до легкої механізації та автоматизації [6; 7]. Проте в багатьох випадках при електроконтактному зварюванні пари алюміній-мідь процес нагрівання міді струмом є досить тривалим внаслідок її високої електропровідності, що може призвести як до утворення інтерметалідів, так і до зниження прецизійності.

Тому необхідним завданням є пошук шляхів забезпечення миттєвого нагрівання металів з метою уникнення формування інтерметалідів та зменшення рівня деформації.

Як показано в попередніх роботах, при електроконтактному зварюванні ефекту прецизійності можна досягти шляхом зменшення об'єму розплавленого металу, зниження зусилля стиску та зростання температури у зоні контакту шляхом коротко- імпульсного дозованого вкладення енергії [8; 9]. Водночас інтенсивного тепловиділення без надмірного перегрівання металу можна досягти використанням тонких проміжних прошарків зі зварювального матеріалу або матеріалу з близьким до основного металу хімічним складом [8; 10].

На основі цих досліджень нами було розроблено технологію прецизійного електроконтактного точкового зварювання алюмінію шляхом використання тонкого металевого проміжного прошарку [11], а у подальшому - технологію прецизійного стикового зварювання опором алюмінію через прошарок [12; 13].

Виділення недосліджених частин загальної проблеми

У наявних публікаціях на тему зварювання тиском залишається недослідженим електроконтактне зварювання алюмінію з міддю з використанням тонких металевих проміжних прошарків.

Постановка завдання

Метою роботи є розробка технології електроконтактного точкового зварювання алюмінію та міді з використанням проміжного прошарку у вигляді алюмінієвої фольги.

Виклад основного матеріалу

Взаємодія алюмінію з міддю. Специфіка поєднання фізичних властивостей міді та алюмінію така, що в більшості випадків не викликає додаткових ускладнень. Наприклад, різниця у 1,5 рази коефіцієнтів термічного розширення не призводить до небезпеки руйнування з'єднання, оскільки обидва матеріали є високопластичними. Однак значна різниця в температурах плавлення цих металів спричиняє той факт, що алюміній розплавляється раніше, ніж мідь. Відмінність теплопровідності та теплоємності призводить до зміни температурних полів та умов кристалізації металу [14].

Вирішальним ускладнюючим фактором при зварюванні алюмінію з міддю є схильність до утворення хімічних з'єднань. Аналіз діаграми стану системи алюміній- мідь показує, що в цій системі існує ряд стійких (як при кімнатній температурі, так і при нагріванні) інтерметалідів (AhCu, AlCu, AhCu3, AlCu2, AI4CU9 та ін.), що характеризуються високою твердістю та низькою пластичністю [14].

У порівнянні з поєднанням алюмінію з іншими металами (наприклад, залізом, нікелем) для взаємодії алюмінію з міддю характерні великі швидкості росту прошарків інтерметалідів і мала тривалість латентного періоду. Наявність латентного періоду дозволяє отримати високоякісні з'єднання безпосередньо алюмінію з міддю такими методами зварювання тиском, які використовують відносно невисокі температури при невеликій тривалості дії. Одним із таких способів є електроконтактне зварювання. Використання електроконтактного зварювання дозволяє забезпечити обмежені тепловкладення та температуру зварювання і таким чином запобігти перевищенню латентного періоду [3; 15].

Технологічний процес електроконтактного точкового зварювання (ЕКТЗ). Контактне точкове зварювання ґрунтується на генеруванні джоулевого тепла під час проходження електричного струму між електродами зварювальної машини в металі деталей та на контактних опорах електрод-деталь та деталь-деталь, а також пластичній деформації нагрітого металу [16].

Процес зварювання проводиться у три етапи. На першому етапі відбувається стискання деталей, що зварюються, який викликає пластичну деформацію мікронерів- ностей у ланцюзі електрод-деталь-деталь-електрод.

Другий етап полягає у ввімкненні імпульсу електричного струму, що призводить до нагрівання металу, його розплавлення в зоні з'єднання та утворення рідкого ядра. По мірі проходження струму ядро збільшується за висотою та в діаметрі до максимальних розмірів. Відбувається утворення зв'язків у рідкій фазі металу. При цьому продовжується пластичне осадження контактної зони до кінцевого розміру. Стискання деталей забезпечує утворення ущільнюючого поясу навколо ядра, що запобігає виплеску металу.

На третьому етапі процесу відбувається вимкнення струму, охолодження та кристалізація металу, що закінчується утворенням литого ядра. При охолодженні об'єм металу зменшується та виникають залишкові напруження. Для забезпечення кращих умов кристалізації металу стискаюче зусилля знімається з деякою затримкою після вимкнення струму.

Експериментальне дослідження ЕКТЗ алюмінію з міддю. Відпрацювання технології зварювання алюмінію та міді здійснювалося на зразках алюмінію марки АД0 та міді марки М1 у вигляді пластин розміром 1*20*100 мм. Як проміжний прошарок, для електроконтактного зварювання використовувався технічний алюміній марки АД0 у вигляді суцільної стрічки фольги завтовшки 11 мкм, яка складалася в декілька шарів.

Хімічний склад та фізико-механічні властивості даних матеріалів наведено у табл. 1, 2 [15].

Зварювання проводили на машині для контактного точкового зварювання загального використання типу МТ-1216 (максимальна сила струму 12 кА). Циклограма процесу ЕКТЗ показана на рис. 1 [16].

Таблиця 1

Хімічний склад (мас. %, не більше) матеріалів, що зварюються