Прогресивні технології з'єднання матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет «Чернігівська політехніка»

Кафедра технологій зварювання та будівництва

«Прогресивні технології з'єднання матеріалів»

Виконав:

Корець О.О.

Чернігів - НУ «Чернігівська політехніка» 2021

1. Зварювання тертям з перемішуванням

Зварюванням називають технологічний процес отримання механічно нероз'ємних з'єднань, що характеризуються безперервністю структур - безперервним структурним зв'язком. Це технологічний процес, за допомогою якого виготовляються всі основні конструкції гідротехнічних споруд, парових і атомних електростанцій, автодорожні, міські та залізничні мости, вагони, наводні і підводні кораблі, будівельні металоконструкції, всілякі підйомні крани та багато інших виробів.

Якщо деякий час тому конструкції виготовлялися в основному з відносно простих зварювальних матеріалів, то в даний час, поряд з традиційними, для зварних конструкцій застосовуються матеріали з дуже різними фізичними характеристиками: корозійностійкі та жаростійкі сталі і сплави, нікелеві і мідні сплави з особливими властивостями, легкі сплави на алюмінієвій магнієвій основах, титанові сплави, ніобій, тантал та інші метали і сплави. Різноманіття конструкцій які зварюються і властивостей матеріалів, використовуваних для виготовлення, змушують застосовувати різні способи зварювання, різноманітні зварювальні джерела теплоти.

Для зварювального нагріву і формування зварного з'єднання використовуються: енергія, перетворена в теплову за допомогою дугового розряду, електронного променя, квантових генераторів; джоулево тепло, що виділяється струмом, що протікає по твердому або рідкому провіднику; хімічна енергія горіння, механічна енергія, енергія ультразвуку та інших джерел. Всі ці способи вимагають розробки, виробництва і правильної експлуатації різноманітного обладнання, в ряді випадків із застосуванням апаратури, зі складними схемами, іноді з використанням технічної електроніки і кібернетики. Різноманітність способів зварювання, галузей промисловості, в яких її використовують, матеріалів, які зварюються, видів конструкцій, і величезні обсяги застосування дозволяють охарактеризувати технологічний процес зварювання, як один з найважливіших в металообробці. сплав алюмінієвий зварювання електрод

На сьогоднішній день існує не мала кількість видів зварювання, а найбільш поширеними є такі види зварювання: механічне зварювання, термічна зварювання, електродугове зварювання, ручне дугове зварювання, зварювання електродом, якій не плавиться, зварювання електродом, якій плавиться, зварювання під флюсом, електрошлакове зварювання, плазмове зварювання, електронно-променеве зварювання, лазерне зварювання, термомеханічне зварювання, контактне зварювання, дифузійне зварювання, ковальське зварювання, зварювання високочастотними струмами та інші.

Розглянемо один із видів механічного зварювання, а саме зварювання тертям.

Зварювання тертям - це технологічний процес виготовлення зварного з'єднання, який відбувається за рахунок використання теплової енергії, що виникає на контактних поверхнях заготовок, які з'єднуються, притиснутих із зусиллям один до одного і при цьому, одна з заготовок рухається відносно іншої(малюнок 1).

Малюнок 1. Схема зварювання тертям

Процес утворення зварного з'єднання:

1) внаслідок дії сил тертя здираються оксидні плівки;

2) настає розігрів кромок металу, якій зварюють, до пластичного стану, виникає тимчасовий контакт, відбувається його руйнування і високопластичний метал (метал шва) (див. малюнок 1) видавлюється з стику;

3) припинення обертання з утворенням зварного з'єднання.

Зварювання тертям це різновид зварювання тиском, при якій механічна енергія, що підводиться до однієї з деталей, що зварюються, перетворюється в теплову; при цьому генерування теплоти відбувається безпосередньо в місці майбутнього з'єднання. Теплота може виділятися при обертанні однієї деталі щодо іншої (малюнок 2, а) або вставки між деталями (малюнок 2, б, в), при зворотно-поступальному русі деталей в площині стику з відносно малими амплітудами і при звуковій частоті (малюнок 2, г). Деталі при цьому притискаються постійним або зростаючим в часі тиском. Сварка завершується осадкою і швидким припиненням обертання.

Малюнок 2. Схеми процесу зварювання тертям: 1 - деталі, що зварюються; 2 - вставка; 3 - зона зварювання

У зоні стику при зварюванні протікають різні процеси. У міру збільшення частоти обертання зварюються заготовок при наявності стискає тиску відбувається притирання контактних поверхонь і руйнування жирових плівок, присутніх на них в початковому стані. Граничне тертя поступається місцем сухому. У контакт вступають окремі мікровиступів, відбувається їх деформація і утворення ділянок з ненасиченими зв'язками поверхневих атомів, між якими миттєво формуються металеві зв'язку і негайно руйнуються внаслідок відносного руху поверхонь. Цей процес відбувається безперервно і супроводжується збільшенням фактичної площі контакту і швидким підвищенням температури в стику. При цьому знижується опір металу деформації, і тертя поширюється на всю поверхню контакту. У зоні стику з'являється тонкий шар металу, що виконує роль мастильного матеріалу, і тертя з сухого стає граничним.

Під дією стискає зусилля відбувається витіснення металу з стику і зближення зварювальних поверхонь (осаду). Контактні поверхні виявляються підготовленими до утворення зварного з'єднання: метал в зоні стику має низький опір високотемпературної деформації, оксидні плівки потонемо, частково зруйновані та видалені, сполучаються поверхні активовані. Після гальмування, коли частота обертання наближається до нуля, спостерігається деяке зниження температури металу в стику за рахунок тепловідведення.

Зварювання тертям дозволяє отримати міцні з'єднання не тільки з одного-іменних, але і з різнойменних металів і сплавів, навіть таких, теплофізичні характеристики яких різко різні. Основними типами зварних з'єднань при зварюванні тертям є: стикові з'єднання стрижнів і труб, з'єднання стрижнів і труби з плоскою поверхнею.

Розглянемо більш детальніше один з видів зварювання тертям, а саме зварювання тертям з перемішуванням.

Метод зварювання тертям з перемішуванням був розроблений в Британському інституті зварювання в 1991 році. Він відноситься до твердофазним способам утворення сполук матеріалів з використанням тертя. Цей спосіб з'єднання розроблявся для алюмінієвих сплавів з метою вирішення багатьох проблем, пов'язаних зі зварюванням плавленням. Подальший розвиток методу показав можливість його застосування для широкого кола матеріалів.

Основні області застосування зварювання тертям з перемішуванням (ЗТП): суднобудування (палубні надбудови, перебирання, елементи корпусу) аерокосмічна промисловість (елементи фюзеляжу, крил, паливні та баки кріогенних рідин); залізничний транспорт і метро (корпусу вагонів, рами і візки поїздів); автомобільна промисловість (вузли кріплення двигуна, диски коліс, рами автомобілів); електротехнічна промисловість (корпусу електромоторів, токоподводу, параболічні антени, шини харчування) будівельна індустрія (алюмінієві мости, алюмінієві трубопроводи, теплообмінники та кондиціонери); харчова промисловість (ємності для пива, вина, молока і ін.). Метод ЗТП також використовують для з'єднань мідних сплавів, наприклад, в мідних контейнерах для зберігання ядерних відходів, а також мідних підкладок (різновид теплоотводом) в обладнанні для напилення та ін. Цей перелік застосування дуже широкий. Особливо ефективним застосування методів ЗТП і нанесення покриття тертям з перемішуванням (НПТП) є при виробництві масивних деталей.

Зазначений метод дозволяє вирішувати проблеми, які не можуть бути вирішені зварюванням плавленням. Наприклад, в роботі, відзначається, що при зварюванні латуні плавленням відбувається випаровування цинку. Це не тільки істотно змінює хімічний склад шва, його структуру і механічні властивості, обмежуючи застосування виробів при великих градієнтах температур, але може привести до утворення в шві великої кількості пір, негативно впливаючи на його термостійкість і механічні властивості. Виходячи з цього, можна припустити, що ЗТП латуні та інших матеріалів буде ефективним в порівнянні зі зварюванням плавленням і забезпечить однорідну і бездефектну структуру з високим рівнем технологічних властивостей.

Процес зварювання (малюнок 3) за методом СТП відбувається наступним чином: спеціальний інструмент, який обертається і складається з потовщеною частини - заплічника (shoulder) і виступаючої частини - штиря (pin), вводиться в місці зіткнення з поверхнями в зафіксованих на масивній підкладці заготовках з'єднуються. При цьому штир входить в заготовки, а заплічників стосується їх поверхні. В результаті тертя штиря і заплічників про заготовки виділяється тепло, яке доводить метал навколо інструменту до пластичного стану. Потім інструменту дають поступальний рух зі швидкістю зварювання і матеріал заготовок, переміщаючись із зони нагріву в зону охолодження, огинає штир і створює з'єднання.

Малюнок 3. Схема процесу зварювання тертям з перемішуванням, де P - зусилля притиснення інструменту; Vсв - швидкість переміщення інструменту; Vоб - частота обертання інструменту.

Основними параметрами впливають на властивості шва при застосуванні процесу ЗТП є: швидкість переміщення інструменту, частота обертання інструменту, зусилля притиснення і зусилля переміщення інструменту, кут нахилу інструменту, геометричні розміри інструменту. Крім того, враховуються умови тертя в залежності від застосовуваного матеріалу інструменту та матеріалів, що зварюються а також напруга течії матеріалу заготовок при температурах близьких до точок пластичної деформації.

Типи з'єднань, виконуваних ЗТП, характеризуються великою різноманітністю: це і традиційні для дугового зварювання стикові, кутові і таврові (малюнок 4), а також різного роду замкові і прорізні шви.

Малюнок 4. Типи з'єднань, виконаних ЗТП: а - стикове з'єднання; б - внахлест-стикове з'єднання; в - з'єднання внахлест; г - багатошарове з'єднання внахлест; д - двопрохідне таврове з'єднання, е - таврове прорізне з'єднання; ж, з - кутове з'єднання.

Основними перевагами процесу ЗТП, є:

- відсутність в процесі зварювання диму, шуму і ультрафіолетового випромінювання;

- можливість отримання без пористих швів;

- відсутність присадочного металу і захисного газу в процесі з'єднання;

- немає необхідності надання спеціального профілю крайок і видалення оксидної плівки перед зварюванням;

- можливість отримання сполук у всіх просторових положеннях;

- процес зварювання може бути легко автоматизованим;

- завдяки відносній простоті обладнання досягається висока ефективність використання енергії в порівнянні з методами плавленням, так для виконання однопрохідної зварювання алюмінієвого сплаву товщиною 12,5 мм потрібно всього 3 кВт енергії в цілому;

Низький рівень деформацій, висока відтворюваність якості швів, отриманих методом ЗТП, забезпечує поліпшення характеристик існуючих зварних конструкцій, зокрема з алюмінієвих сплавів.

При цьому забезпечуються наступні технологічні можливості:

- шви можуть бути отримані на сплавах, які не можуть бути реалізовані при зварюванні зплавленням через чутливість до утворення гарячих тріщин, пор і інших дефектів;

- формування шва в твердій фазі дозволяє зберегти комплекс властивостей для метастабільних сплавів, таких, як видобуток або сплави, отримані швидкої кристалізацією утворюються при застосуванні методів ЗТП і НПТП;

- можна отримувати зварні вузли стиковими нахльостніми швами з заготовок, що виготовляються за допомогою різних технологій (лиття, пресування та ін..);

- стики не вимагають дуже точної добірки крайок, так для полотен товщиною 1,6 мм зазор може бути до 0,2 мм, для плит товщиною 12,7 мм - до 1,25 мм.

До недоліків способу ЗТП можна віднести наступні:

- необхідність міцних підкладок, на яких повинні надійно закріплюватися заготовки зварюються;

- утворення в кінці шва отвору, рівного розміру штиря, яке необхідно заповнювати за допомогою інших методів, таких як зварювання тертям спеціальних пробок;

- застосування вступних і вивідних планок для отримання протяжних швів на всю довжину заготовок;

- обмеження в застосуванні способу зварювання в портативному варіанті через закріплення заготовок на підкладці;

- більш низький рівень швидкості зварювання в порівнянні з автоматичним дугового зварювання для ряду сплавів;

- нестабільність властивостей утвореного при ЗТП шва в результаті одночасного впливу багатофакторних технологічних параметрів ЗТП, що не дозволяє отримувати заздалегідь задану структуру шва і прогнозувати властивості отриманого з'єднання.

Устаткування для ЗТП складається з приводів обертання інструменту і його вертикального переміщення, привід переміщення в направлені зварювання, а також пристрої для закріплення в зібраному стані деталей, що зварюються. Як правило, установки для ЗТП мають спеціалізований характер і створюються спеціально до певних розмірів і форми конструкції.

Особливу увагу при створенні ЗТП було приділено розробці конструкції інструменту, що обертається, від якого залежить формування з'єднань, що підтверджується великим кількістю патентів і публікацій. Так в запропонованому інструменті, в якому по довжині штиря виконано кілька площин, так, що він може мати перетин у вигляді багатокутника, площину може бути згорнута в спіральну смужку на поверхні штиря. Інші варіанти передбачають на штирі радіальні виступи, поперечні і поздовжні надрізи, виступи різної довжини і форми на торці штиря і ін. Деякі автори запропонували розбірний інструмент, в якому штир вкладається в тіло заплічників і може легко замінюватися іншим. Для посилення перемішування пластифицированного металу заплічників виготовляють з вигнутою поверхнею і штирем, які мають різьбову поверхню, або, що більш істотно, два або кілька виступаючих ребера.

2. Особливості формування з'єднань при застосуванні ЗТП

Властивості сполук алюмінієвих сплавів, отриманих за допомогою ЗТП, знаходяться на досить високому рівні.

Для різної товщини і умов зварювання міцність, для сплаву АА 6082, Т6 в стані після зварювання становить 70% міцності основного металу. Штучне старіння після зварювання відновлює міцність до 90% початкової. При цьому показники пластичності знаходяться на рівні основного металу. Автори відзначають, що для сплаву АА 6082, в стані до зварювання Т6 відносне подовження з'єднань в стані після зварювання і після штучного старіння майже в 2 рази нижче, ніж основного металу. З цих позицій рекомендується використовувати режим термообробки основного металу Т4.

Для сплаву АА 7108 характеристики міцності з'єднань металу товщиною 2... 7 мм после зварювання і після природного старіння становлять, відповідно, приблизно 86 і 94% міцності основного металу. Коефіцієнт міцності зварних з'єднань для сплаву 2014 Т6 становить 80%, для 7075 Т7351 - 70%.

Характеристики міцності з'єднань сплавів серії 5000 в діапазоні товщини 6... 15 ММІ швидкостей зварювання 0,76...2,2 мм / с складають від 303 до 344 МПа, що значно вище, ніж для Сплави 6000.

Автори досліджували механічні властивості з'єднань сплаву 7075 Т651, отриманих СТП. Встановлено, що характеристики міцності з'єднань нижче, ніж основного металу, але перевищують аналогічні характеристики, отримані іншими способами. Загартування з подальшим старінням не дозволяє відновити міцність, і при цьому знижуються показники пластичності. Руйнування з'єднань відбувається по зоні термічного впливу в місці істотного огрубіння структури. Пластичні властивості після зварювання знаходяться на рівні основного металу, а показники міцності нижче, ніж основного металу, але вище, ніж для сполук. Падіння міцності в зоні ядра пов'язують зі зменшенням розміру зерен посиленої фази і кількості дислокацій.

Аналіз даних при дослідженнях на втому з'єднань алюмінієвих сплавів, отриманих ЗТП, показали, що їх працездатність у багатьох випадках вище, ніж з'єднань, отриманих зварюванням плавленням, і при цьому спостерігається менший розкид значень.

Особливості мікроструктури в з'єднаннях, як відомо, залежать від термічного циклу зварювання. Для цього були проведені вимірювання температурних полів при ЗТП за допомогою термопар. ЗТП характеризується досить високими градієнтами температур, максимальна температура нагріву, близька до 500єС, існує дуже короткий час. Температурний інтервал 200... 300 ° С, що визначає розміри зони термічного впливу (ЗТВ), також не перевищує декількох секунд. Це підтверджує той факт, що рівень властивостей з'єднань за рахунок зменшення ступеня послаблення при ЗТП вище традиційних методів зварювання.

Макроструктура швів, отриманих ЗТП, характеризується особливостями, не властивими швах, отримані способами зварювання плавленням, в зокрема електродуговими методами. Основною відмінністю є утворення в центрі з'єднання ядра, що незалежно від сплаву містить так звані річні кільця, тобто концентричні овальні кільця, що розрізняються макроструктурою. Форма ядра шва незначно відрізняється в залежності від сплаву. До ядра примикає складний профіль, який утворює верхню частину шва і по ширині трохи перевищує діаметр бурту інструменту. Діаметр ядра набагато більше, ніж діаметр штиря інструменту і розташовується, як правило, в нижній частині з'єднання. Істотні зміни макроструктури спостерігаються безпосередньо у ядра, викликаних значною пластичною деформацією металу і розворотом зерен до 90о, що в подальшому позначається на зниженні твердості і механічних властивостей.

На підставі дослідження мікроструктури великого масиву з'єднань різних алюмінієвих сплавів виділяють в з'єднанні чотири зони. Безпосередньо в зону основного металу примикає зона, де метал заготовок залишається недеформованою і змінює свою структуру тільки під впливом нагріву. Ця зона по аналогії з дуговими способами зварювання названа зоною термічного впливу (ЗТВ). Зона, де метал піддається значним пластичних деформацій і нагрівання, названа зоною термомеханічного впливу. І, нарешті, остання зона - це ядро з'єднання, де відбувається динамічна рекристалізація. Дослідження, виконані на сплавах серії 2000, 5000, 7000, показали, що в ЗТВ метал відрізняється від основного металу підвищеної переслідувані, зниженням твердості за рахунок перестаріння або зменшення густини дислокацій, або за рахунок обох цих механізмів. У зоні термомеханічного впливу відбувається вигин витягнутих зерен основного металу і їх часткова рекристалізація. Під дією термічного циклу в цій зоні відбуваються процеси старіння і відпалу і, в результаті, спостерігається мінімальний рівень жорсткості. Слід зазначити, що деякі ділянки зони С можуть нагріватися до порівняно високих температур при яких можливо розчинення зміцнюючих фаз.

На думку більшості дослідників основним специфічним дефектом з'єднань, виконаних ЗТП, є не сплавка в корені шва, її називають "kissing bonds". Основними причинами виникнення цього дефекту є або локальне збільшення товщини зварюваного або порушення перенесення металу в кореневу частину з'єднання. Як правило, цей дефект має дуже малий розмір по товщині, тому виявити його за допомогою рентгенівського контролю дуже важко.

Висновок

Завданням зварювальної операції є отримання механічно нероз'ємних з'єднань, подібних за властивостями зварюваного матеріалу. Це може бути досягнуто, коли за своєю природою зварене з'єднання буде максимально наближатися до зварюваного металу. Властивості твердих тіл, в тому числі і механічні (міцність, пружність, пластичність та ін.), Визначаються їх внутрішніми енергетичними зв'язками, тобто зв'язками міжмолекулярної, міжатомного і іонного взаємодії. Залежно від матеріалу зварної конструкції, її габаритів, товщини зварюваного металу та інших особливостей виробу, що зварюється переважне застосування знаходять певні різновиди електричної дугового зварювання.

Так, при виготовленні конструкцій з вуглецевих і низьколегованих конструкційних сталей найбільше застосування знаходять як ручна дугова зварка якісними електродами з товстим покриттям, так і автоматична і напівавтоматична зварювання під флюсом, а так само зварювання в вуглекислому газі; при зварюванні конструкцій з високолегованих сталей, кольорових металів і сплавів на їх основі переважне використання знаходить аргонно-дугове зварювання, хоча за певних умов застосовуються і деякі інші різновиди електричної дугового зварювання.

Зварювання тертям вельми економічний процес. Спосіб дозволяє зварювати різнорідні метали (алюміній з міддю, алюміній зі сталлю, мідь зі сталлю та ін.). Ширина зони впливу зварного з'єднання не більше 2-3 мм. Особливо ефективна зварювання заготовок металорізального інструменту свердел, мітчиків і т.п.

Список використаної літератури

1. Сварка. Том 1. Комов В.В, 1990. Развитие сварочной технологии и науки о сварке. Технологические процессы, сварочные материалы и оборудование.

2. Сварка. Том 2. Комов В.В, 1995. Теоретические основы сварки, прочности и проектирования. Сварочное производство.

3. Специальные методы сварки. М., “Машиностроение ”, 1999. Ольшанский Н.А., Николаев Г.А.

4. Теоретические основы сварки. М., Высшая школа, 2004.

5. Справочник электросварщика, Профессиональное мастерство, 2009. Герасименко А.И.

6. Материалы и их поведение при сварке, Высшее образование, 2009. Моисеенко В.П.,

7. Технология конструкционных материалов, Профессиональное образование, 2008 г. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А., Кузнецов В.А., Шлыкова А.В., Пыжов В.В.,

8. Современные сварочные аппараты, Наука и техника, 2008г. Володин В.Я.

9. Материаловедение и технология конструкционных материалов для железнодорожной техники, Высшее профессиональное образование, 2004. Воронин Н.Н.

Размещено на Allbest.ru