Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса (обзор)
1.1 Краткая истории вопроса
1.2 Сущность процесса сварки трением с перемешиванием
1.3 Анализ существующих разновидностей способов сварки трением с перемешиванием с позиции решения технологических проблем процесса 18
1.4 Обзор отечественной и зарубежной литературы по сварке трением с перемешиванием (критический обзор) 27
2 Методика проведения исследований 34
2.1 Методика проведения сварки 34
2.2 Методика оценки силового воздействия сварочного 36 инструмента на изделие
2.3 Методика оценки тепловых характеристик процесса 40
2.3.1 Калориметрирование процесса 40
2.3.2 Методика измерения температуры в сварном соединении 42
2.4 Методика оценки качества сварных соединений 43
Выводы по главе 46
3 Образование сварного соединения при сварке трением с перемешиванием
3.1 Основные этапы процесса сварки трением с перемешиванием 47
3.2 Теоретические аспекты образования сварного соединения 50
3.3 Физический контакт 53
3.4 Тепловой баланс при СТП 60
3.5 Давление и деформации при СТП 70
3.6 Активация свариваемых поверхностей 74
3.7 Объемное взаимодействие 84
3.8 НДС сварного соединения (релаксация напряжений) 88
Выводы по главе 89
4 Выбор рациональных режимов сварки 91
4.1 Дефекты, характерные процессу СТП, и пути их устранения 91
4.2 Основные параметры СТП и их влияние на формирование 95 сварного соединения
4.3 Характеристики сварных соединений 102
4.4 Методика расчета режимов сварки 108 Выводы по главе 110
5 Технология сварки токоподводящих шин трением с перемешиванием
5.1 Заводская технология 112
5.2 Технология сварки трением с перемешиванием шин толщиной 4 мм из алюминиевого сплава АДЗ1Т
5.3 Сварка шин толщиной 6 мм из сплава АДО 122
5.4 Перспектива использования процесса СТП 124
Заключение 130
Список используемой литературы 132
Приложения 141
- Краткая истории вопроса
- Методика проведения сварки
- Основные этапы процесса сварки трением с перемешиванием
Введение к работе
Актуальность проблемы
В современной промышленности широко используется алюминий и его сплавы, благодаря ряду его уникальных свойств, таких как: лёгкость, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, эстетичность. Соединение конструкций из алюминия способами сварки плавлением вызывает множество трудностей: высокий уровень сварочных деформаций, появление пористости и горячих трещин. Для сварки, протекающей в твердой фазе (сварки давлением), указанные дефекты не характерны. Однако не все традиционные способы сварки давлением (контактная, взрывом, магнитно-импульсная, трением, ультразвуковая, диффузионная) позволяют получить широкий спектр сварных соединений, эти способы зачастую предназначены для получения уникальных конструкций. В начале 90-х годов прошлого века в Британском институте сварке (TWI) был предложен новый способ сварки трением в твердой фазе (Friction Stir Welding - FSW), который получил название в отечественной литературе сварка трением с перемешиванием (СТП). Данный процесс применяется в странах Европы, США, Японии, Китае, благодаря ряду его преимуществ:
высокие показатели механических свойств соединений при растяжении, изгибе; при статическом нагружении и при действии переменных нагрузок;
возможность соединения сплавов трудно свариваемых традиционными способами (алюминиевые сплавы, содержащие цинк, медь; дуралюмины; литейные алюминиевые сплавы);
стабильность и повторяемость параметров процесса и свойств сварных соединений;
- малая величина остаточных сварочных деформаций даже при
сварке протяженных швов;
- значительное упрощение технология подготовки свариваемых
кромок перед сваркой;
- более высокая производительность.
' Наиболее значимые результаты при исследовании СТП получены В. Томасом, Л. Седерквистом, П. Колегрувом, Т. Паном, А. Симаром.
В России этот способ сварки пока не получил широкого распространения. Однако, отдельные исследования в последние годы выполнены В.А. Ерофеевым, Е.В. Карпухиным, М.М. Штрикманом, В.А. Половцевым и Алифиренко Е. А.
К сожалению, большинство публикаций по сварке трением с перемешиванием не раскрывают механизм образования соединения, что затрудняет его практическую реализацию.
Цель работы: выявить основные факторы, определяющие механизм образования сварного соединения и разработать методику выбора режимов СТП алюминиевых сплавов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Создать экспериментальное оборудование, инструмент, технологическую оснастку.
Составить уравнение теплового баланса процесса СТП и предложить модель решения тепловой задачи.
Выявить основные факторы, определяющие механизм образования сварного соединения при СТП.
4) Установить связь между основными параметрами режима
сварки, влияющими на качество соединений, исходя из механизма
образования сварного соединения, теплового баланса энергии и
решения тепловой задачи.
5) Разработать технологию сварки алюминиевых
токоведущих шин.
Методы исследования
Для раскрытия механизма образования соединения при СТП и разработки технологии сварки алюминиевых сплавов использовались теоретические, аналитические (расчет температур) и экспериментальные (калориметрирование, измерение температур термопарами, измерение осевого усилия и момента сил трения тензометрией) методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизического и металлографического методов анализа металла сварного шва, статистические методы обработки результатов экспериментов.
Научная новизна. Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований и анализ механизмов образования соединения при родственных процессах позволяют утверждать, что при сварке трением с перемешиванием соединение образуется в твердой фазе и протекает в три стадии:
первая стадия - сближение, очистка поверхности кромок стыка (физический контакт) осуществляется за счет совместной пластической деформации и перемешивания приграничных объемов металла стыкуемых деталей;
вторая стадия - в результате нагрева свариваемого металла до гомологической температуры (0,6-0,8)1" и интенсивной пластической деформации со стороны инструмента наблюдается перехЪд свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние, которое приводит к интенсивному массопереносу, вызывающему деградацию кромок деталей;
третья стадия - образование сварного соединения в твердой фазе в результате пластического деформирования,
механического перемешивания макрообъемов металла и последующего протекания динамической рекристаллизации, обеспечивающей образования сварного соединения.
Анализ механизма образования сварного соединения и теплового баланса позволил связать погонную энергию с основными параметрами процесса СТП и, используя критерий подобия п23, обоснованно корректировать режим сварки при изменении конструктивных параметров свариваемого изделия.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и измерительного оборудования (тензостанция А17-Т8; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием и полученные результаты исследования хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизме образования соединения при сварке в твердой фазе.
Практическая значимость
Результаты исследований и расчета параметров процесса СТП позволили разработать технологии получения сварных стыковых соединений из алюминиевых сплавов АДО и АД31 (Al-Mg-Si).
Использование сварки трением с перемешиванием взамен аргонодуговой и других способов сварки плавлением уменьшает трудоемкость заготовительных и сварочных работ, сварочные деформации, исключает применение сварочных материалов (сварочной проволоки, вольфрамовых электродов, защитных газов), а также вредное воздействие на окружающую среду и оператора (сварщика).
Разработанная технология сварки токоведущих шин прошла апробацию в заводской лаборатории ООО «ПК «Новбчеркасский Электровозостроительный завод» и передана для внедрения.
Сварные соединения, выполненные по разработанной технологии, также переданы в ЦЗЛ ОАО «Роствертол». К настоящему времени проведены следующие исследования: макро- и микроанализ сварных соединений; химический анализ и оценка микротвердости сварных соединений. Для внедрения технологии СТП необходимо включить данный способ сварки в НТД.
Полученные результаты использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного
производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства». На защиту выноситься:
- механизм образования сварного соединения при СТП;
критерий подобия образования качественного сварного соединения;
рекомендации по выбору режимов сварки алюминиевых сплавов; -
п - результаты экспериментальных и теоретических
исследований процесса получения стыковых соединений;
- технология сварки токоведущих шин.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация
сварочного производства» ДГТУ, 2007-2010;
VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2007;
ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2007-2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано б научных статей и докладов, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 85 наименований.
Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 75 рисунков.
Краткая истории вопроса
Все существующие способы сварки - это, по существу, различные технологические приемы преодоления принципиальных трудностей, препятствующих объединению кристаллов металла.
В соответствии со вторым законом термодинамики каждая система стремится прийти в состояние, при котором она обладает минимальным запасом внутренней энергии. Одной из составляющих внутренней энергии является поверхностная энергия. Чем меньше величина поверхностной энергии, тем более устойчива система. При образовании сварного соединения уменьшается величина поверхности деталей, следовательно, и величина поверхностной энергии. Поэтому теоретически процесс образования сварного соединения должен идти самопроизвольно и с выделением энергии. Однако на практике для образования сварного соединения приходится затрачивать значительную энергию. Происходит это по следующим причинам:
- для получения межатомных связей между поверхностными атомами свариваемых деталей, необходимо их сблизить на величину параметра кристаллической решетки. Однако, даже при самой качественной механической обработке поверхности металлов (шлифование, полирование) высота микронеровностей поверхности на несколько порядков больше параметров кристаллической решетки. В этих условиях физический контакт свариваемых деталей осуществляется только по отдельным микронеровностям, что не обеспечит требуемой прочности соединения.
- необходимо обеспечить физический контакт по всей стыкуемой поверхности свариваемых деталей, надо предварительно очистить эти поверхности от различных загрязнений.
- необходимо преодолеть энергетический барьер. Для этого атому нужно добавить энергию. Эта энергия называется энергией активации. Энергия активации расходуется на преодоление сил отталкивания, возникающих между сближаемыми поверхностными атомами. Когда расстояние между ними будут равны межатомным расстояниям в решетке кристаллов, возникнут квантовые процессы взаимодействия электронных оболочек атомов. После этого общая энергия системы начнет снижаться до уровня, соответствующего энергии атомов в решетке целого кристалла. Чем выше температура, тем меньше требуемая энергия активации. [20]
Энергия активации может сообщаться свариваемым деталям в виде: а) теплоты (термическая активация); б) упруго-пластической деформации (механическая активация); в) электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).
Энергия, расходуемая при сварке, затрачивается на: а) упругую и пластическую деформацию, необходимую для сближения соединяемых поверхностей; б) обрыв связей между атомами тела и молекулами (атомами) внешней среды, насыщающими их свободные связи; в) на повышение энергии поверхностных атомов до уровня энергетического «барьера» схватывания, т. е. для перехода их в активированное состояние. [20]
Способы сварки, при которых соединение происходит за счет взаимной кристаллизации расплавленных кромок деталей, обладают следующими недостатками: усадка при кристаллизации приводит к кристаллизационным трещинам, холодным трещинам, остаточным напряжениям и деформациям; пористости. Все это особенно ярко выражено при сварке разнородных цветных металлов и сплавов. При кристаллизации большинства из них образуются очень хрупкие и нежелательные химические соединения - интерметаллиды. [1]
Многого из этого можно избежать при сварке протекающей в твердой фазе. Это все виды, относящиеся к механическому классу, и ряд видов термомеханического. Эти виды сварки часто называют сваркой давлением.
Методика проведения сварки
Методика проведения сварки
Процесс сварки трением с перемешиванием в данной работе осуществлялся на универсальном фрезерном станке марки 6Р82Ш. Хвостовик инструмента устанавливался в цанговый зажим. Заготовки для сварки закреплялись на рабочем столе станка стальными прижимами, причем сначала устанавливалась подкладка, выполненная из нержавеющей стали (12Х18Н10Т), толщиной 10 мм, далее к подкладке прижимались свариваемые алюминиевые полосы, собранные без зазора. Внешний вид установки для СТП показан на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1- Лабораторная установка для СТП
Скорость вращения инструмента соответствует скорости вращения шпинделя станка и может изменяться ступенчато: 90; 125; 180; 250; 355; 500; 710; 1000; 1400 об/мин.
Угол наклона инструмента задавался по лимбу хобота фрезерного станка с шагом 1.
Величина заглубления задавалась вручную перемещением стола с точностью 0,05мм. Скорость сварки задавалась подачей стола и варьировалась ступенчато: 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630;800; 1000; 1250.
Процесс СТП осуществлялся в следующей последовательности:
1) алюминиевые заготовки обезжиривали ацетоном;
2) алюминиевые заготовки укладывались на подкладку таким образом, чтобы центр пина инструмента точно проходил по линии, образованной состыкованными кромками алюминиевых полос;
3) алюминиевые заготовки прижимали к подкладке, выполненной из стали 12Х18Н10Т;
4) устанавливали режимы сварки (скорость вращения инструмента, скорость перемещения стола — скорость сварки);
5) инструмент устанавливали под определенным углом (в диапазоне 0 - 5), таким образом, чтобы при перемещении сварка осуществлялась углом вперед;
6) вращающийся инструмент медленно погружали в алюминиевые заготовки на глубину равную длине пина плюс 0,2-0,4 мм (по лимбу станка);
7) далее включали подачу стола и осуществляли процесс сварки;
8) в конце шва выключали перемещение изделия относительно инструмента, выводили инструмент из образовавшегося соединения и выключали станок.
Основные этапы процесса сварки трением с перемешиванием
Сущность СТП описана в главе 1. Процесс можно разделить на три этапа:
1) этап внедрения инструмента — момент внедрения вращающегося инструмента в свариваемые детали на определенную глубину, без его продвижения;
2) этап перемещения инструмента — передвижение инструмента вдоль стыка, собственно процесс сварки, установившийся процесс;
3) этап остановки — остановка движения и извлечение вращающегося инструмента.
Первый этап - это подготовка металла к последующему передвижению инструмента. В начальный момент погружения инструмента на инструмент действуют максимальные нагрузки, т.к. инструмент погружается в холодный металл, причем погружение начинается с внедрения пина, диаметр которого мал, поэтому тепловыделение в начальный момент минимально. Как только поверхности свариваемого металла касаются заплечики, диаметр которых в 3..5 раз больше диаметра пина, генерируется большее количество тепла и процесс переходит в установившуюся стадию, с практически постоянным уровнем осевого усилия и крутящего момента. Следует отметить, что в начальный момент погружения инструмента происходит смятие микровыступов и разрушение оксидных пленок - в данный момент трение происходит не по всей поверхности инструмента, тепловыделение незначительно, могут наблюдаться вырывы на поверхности свариваемого материала; особенно ярко данная картина наблюдалась при погружении инструмента без пина. При дальнейшем заглублении устанавливается пластическое течение металла под заплечиком - устанавливается чистое трение, в пластическую деформацию вовлекаются более глубокие слои металла. Только после установившегося процесса пластического течения металла можно начинать сварку, т.е. перемещение инструмента вдоль стыка.
Второй этап — перемещения инструмента вдоль кромок собранных деталей, собственно сварка. В процессе сварки происходят практически те же процессы, что и при погружении. Передняя кромка инструмента при движении наезжает на исходный материал. Происходит смятие выступов, нагрев и переход к чистому трению. Материал переходит в активированное состояние, о котором будет сказано несколько позже. Активированное состояние металла при СТП — установившийся процесс чистого трения инструмента о свариваемый металл и установившееся пластическое течение объема металла под заплечиком инструмента - одно из условий формирования качественного сварного соединения, без которого процесс СТП вообще не может быть осуществлен. С увеличением скорости сварки уменьшается время контакта инструмента со свариваемым металлом, уменьшается тепловложение, и энергии для перехода к пластическому течению металла под заплечиком может не хватить.
В представленной работе основное внимание будет уделено второму этапу процесса СТП.
Третий этап - прекращение движения инструмента и вывод его из свариваемого материала. Важно не прекращать вращения инструмента, не извлеченного из металла, т.к. это может привести к привариванию инструмента к свариваемому металлу (см. рис. 3.1) или интенсивному налипанию (схватыванию) металла
