Введение к работе
Актуальность проблемы.
Оборудование и устройства современной энергетики, химической и нефтяной промышленности, атомной, космической и др. отраслей техники эксплуатируются в условиях, характеризующихся высокими рабочими температурами, давлением, а также агрессивностью рабочих сред. В этой связи к элементам и узлам такого оборудования часто предъявляются требования по сочетанию каких-либо специальных свойств: жаростойкости, коррозионной стойкости, прочности, электропроводности и др.
Во многих случаях сочетание различных свойств может быть обеспечено при изготовлении отдельных деталей и узлов из разнородных материалов. Иногда применение разнородных материалов диктуется экономическими соображениями.
Известны конструкции изделий, выполненные из разнородных материалов, таких как алюминий-сталь, алюминий-титан, медь-сталь, алюминий-полимер. Однако, известные способы сварки (дуговая сварка плавлением, холодная сварка и др.) не обеспечивают необходимых эксплуатационных параметров конструкций. Это связанно с тем, что многие сочетания разнородных материалов имеют значительные различия в физико-химических свойствах и ограниченную взаимную растворимость, а в зоне сварки могут образовывать хрупкие интерметаллидные фазы.
В конструкциях изделий из разнородных материалов для получения неразъемных соединений часто используются заклёпочные соединения, для которых необходимо выполнять отверстия, что ослабляет конструкцию, увеличивает ее массу на 5-15% и не всегда обеспечивает герметичность.
В ряде случаев для соединения разнородных металлов эффективна пайка. Однако в ходе этого процесса нельзя контролировать растекание припоя, определяющее качество паяного соединения. Так же в большинстве случаев при пайке для снятия окисной пленки с поверхности металла и активации поверхности необходимо применение активных флюсов. Такие флюсы должны быть тщательно удалены из соединения, в противном случае они приводят к интенсивной коррозии и разрушению изделий.
Большой вклад в изучении процессов сварки плавлением разнородных материалов внесли Н.Н. Рыкалин, М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулин, В.Р. Рябов, Д.М. Рабкин, B.I. Bradstreet, Sh. Shiego.
Применение наиболее мобильных и распространенных дуговых способов сварки, которые протекают с образованием жидкой фазы, затруднено из-за образования в сварном шве
разнородных материалов хрупких промежуточных соединений и фаз.
Неблагоприятные явления, характерные для сварки плавлением, можно уменьшить за счет применения сварки давлением. Исследованию механизма образования соединений в твердой фазе посвящены труды многих ученых, среди которых: К.А. Кочергин, М.Х. Шоршоров, Р.А. Мусин, Г.В. Конюшков, Э.С. Каракозов, Ю.Л. Красулин, P.P. Котлышев и др. При всех способах сварки давлением соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации материала в зоне контакта.
Среди большого количества способов сварки давлением в последние десятилетия выделяется способ сварки трением с перемешиванием (СТП), который отличается пониженными требованиями к подготовке поверхностей деталей перед сваркой, возможностью соединения разных материалов, как в однородном, так и в разнородном сочетаниях с широким диапазоном режимов сварки, а также выгодными экономическими и экологическими показателями.
Большинство работ по СТП посвящено довольно узкой номенклатуре соединений из однородных материалов (стыковым соединениям и нахлёсточным).
Работы, посвященные получению нахлёсточных соединений из разнородных материалов, практически отсутствуют. Поэтому, необходимо было разработать способы, обеспечивающие получения конструкций из указанных разнородных материалов.
Цель работы: расширить номенклатуру способов изготовления нахлёсточных неразъёмных соединений из разнородных материалов, по конструктивным параметрам и по используемым материалам, получаемых за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ методов получения нахлёсточных соединений разнородных материалов.
-
Выявить закономерности распределения теплоты при воздействии вращающегося инструмента.
-
Разработать модель распределения упругопластических деформаций при воздействии вращающегося инструмента.
4) Выявить механизм образования паяных соединений из
разнородных материалов.
5) Разработать конструктивные параметры и технологию
изготовления нахлёсточных соединений узлов и конструкций из
разнородных материалов и определить область их рационального
применения.
Методы исследования.
Для выявления механизма образования нахлёсточных соединений из разнородных материалов и разработки технологии получения таких соединений использовались теоретические (расчет температур, моделирование процессов упругопластической деформации) и экспериментальные методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизические и металлографические методы анализа металлов в зоне соединения, статистические методы обработки результатов экспериментов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что неразъемное соединение деталей, собранных внахлестку, образуется за счет термического и деформационного воздействия на соединяемые детали торцом вращающегося инструмента:
1) Теоретически обоснована и экспериментально
подтверждена возможность получения паяного нахлесточного
соединения за счет теплоты, выделяемого при трении торца
инструмента о поверхность более пластичного материала, при этом
выявлены два канала активации соединяемых поверхностей -
термический и деформационный, которые позволяют получать
соединение без дополнительной защиты на воздухе.
-
Установлено, что при поступательном движении вращающегося цилиндрического инструмента по поверхности более пластичного материала углом вперед образуется волна пластической деформации. В этих условиях появляется возможность заполнения пластифицированным металлом перфорированных отверстий в результате его экструзии и образование неразъемного «механического» соединения металла с другим металлом или с неметаллическими материалами. Объем металла для заполнения перфорированных отверстий зависит от диаметра и угла наклона инструмента, а также от величины его заглубления в пластифицированный металл.
-
Научно обоснована и практически реализована технологическая схема получения комбинированного паяно-заклепочного соединения разнородных металлов, при которой деформационная активация на фоне термического воздействия вызывает экструзию пластичного металла, а так же образование жидкой фазы на поверхностях раздела вследствие контактного плавления соединяемых материалов. Такая схема позволяет увеличить фактическую площадь соединения и повысить прочность получаемых соединений.
4) Установлено, что соединение алюминий-сталь через
цинковую прослойку формируется в присутствии жидкой фазы,
образующейся при термической активации, возникающей при
фрикционном трении инструмента со стороны алюминия, и инициирующей процессы атомной и реакционной диффузии, а также растворения железа и алюминия в расплаве двойной или тройной эвтектики и подавление образования интерметаллидов типа FenAlm в присутствии цинка и их фрагментацией за счет процессов пластического деформирования и диспергирования.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и поверенного измерительного оборудования (анализатор спектра А17-Т8 тензостанция ЗТМС.411168.001; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV; электронный микроскоп Tescan Vega, оснащенный энергодисперсионным спектрометром; рентгеновский аппарат РУП 200-5-2; разрывная машина УММ-10), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования «механических», паяных и комбинированных соединений из разнородных материалов за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента и полученные результаты исследования, хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизмах экструзии металла и образования паяного соединения.
Практическая значимость. Результаты исследований и расчета параметров процесса изготовления нахлёсточных соединений из разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения и волны пластифицированного металла, перемещаемого инструментом, позволили разработать технологии изготовления неразъемных «механических», паяных и комбинированных нахлёсточных соединений алюминий-сталь и алюминий-неметалл (листовой гетинакс). Использование разработанных технологий изготовления неразъемных соединений из разнородных материалов позволяет:
- «механических» взамен традиционных клепаных и
болтовых соединений уменьшает трудоемкость работ, позволяет
получить неразъёмные герметичные соединения, у которых
соединительные элементы выполнены из тела основного материала
без дополнительных выступающих крепежных элементов, что
уменьшает массу конструкции на 5-15% и повышает
аэродинамические характеристики конструкции.
- паяных через подслой (барьерный слой) за счет теплоты
от фрикционного трения взамен традиционных способов пайки
(газовая, электрическая) позволила получить соединения без
применения химически активных флюсов, которые необходимо тщательно удалять после пайки.
комбинированных паяно-заклепочных соединений позволило объединить преимущества обеих выше указанных технологий: снизить трудоемкость, увеличить конструктивную прочность без применения химически активных флюсов, при этом соединительные элементы формируются из тела деформируемой детали, что существенно уменьшает массу конструкции.
Технологии изготовления соединений из разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения запатентованы, прошли апробацию в заводской лаборатории ЗАО «Пром-Энерго-Комплект» и переданы для внедрения. Для широкого применения предложенных технологий изготовления неразъемных нахлесточных соединений из разнородных материалов требуется разработка нормативно-технической документации.
Полученные результаты исследований использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», а также бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства».
На защиту выносится:
механизм образования нахлесточных соединений из разнородных материалов, которые образуются за счёт термического и деформационного воздействия торца цилиндрического вращающегося инструмента;
модель распределения напряжений и деформаций в процессе образования нахлесточных соединений;
рекомендации по выбору режимов изготовления нахлесточных соединения алюминий - сталь;
результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса получения нахлесточных соединений;
- технологии изготовления нахлесточных соединений узлов
конструкций из металлов алюминий - сталь.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2010-2013;
- XII международной научно-технической конференции по
автоматизации технологических объектов и производств, ДНТУ, г.
Донецк, Украина, 2012;
- Второй международной конференции и выставке
«Алюминий-21/ СВАРКА И ПАЙКА», г. Санкт-Петербург, 20-
22.11.2012;
- ежегодных научно-технических конференциях студентов и
профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2010-2013;
- работа отмечена золотой медалью и дипломом IX
Международного салона изобретений и новых технологий «Новое
время», г. Севастополь, Украина, 26-28.09.2013;
- разработанная технология получения комбинированного
паяно-заклепочного соединения алюминий-сталь при изготовлении
ванны плакированной алюминием прошла апробацию и передана
для внедрения в ЗАО «Пром-Энерго-Комплект».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей и докладов, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено два патента на изобретения.
Личный вклад автора в опубликованных единоличных и в соавторстве работах состоит: в постановке целей и задач исследований, в разработке методик экспериментов, в анализе обобщении экспериментальных данных, в разработке модели упругопластических деформаций в металле под воздействием вращающегося цилиндрического инструмента с плоским торцом, в разработке технологии выполнения соединений разнородных материалов. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 82 наименования.
Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 60 рисунков.
