CC BY
90
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: кораблестроение
DOI.org/10.5281/zenodo.897023 УДК 621.791.14:62-97
В.Н. Стаценко, Е.Н. Негода, А.Е. Сухорада
СТАЦЕНКО ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ - д.т.н., профессор, e-mail: [email protected] НЕГОДА ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ - к.т.н., профессор, e-mail: [email protected] СУХОРАДА АЛЕКСЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ - магистрант, e-mail: [email protected] Кафедра сварочного производства Инженерной школы Дальневосточный федеральный университет Суханова ул. 8, Владивосток, 690091
Исследование тепловложения и температурных полей при сварке трением с перемешиванием
Аннотация: Представлен анализ процесса сварки методом трения с перемешиванием. Важным этапом этого исследования является определение температур материала в зоне перемешивания, которую возможно найти расчетом. Для нахождения величины тепловой мощности, вносимой в зону сварки, проведены эксперименты. Расчеты распределения температур в плоскости и поперечном сечении пластины из алюминиевого сплава АМГ61 толщиной 4 мм при сварке трением с перемешиванием произведены по программе, разработанной авторами данной статьи в пакете Mathlab. Представлены результаты измерений удельной тепловой мощности в зависимости от частоты вращения рабочего инструмента.
Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, пластины из алюминиевого сплава, измерение момента трения, стенд, тепловложение, расчет полей температур.
Введение
Сварка трением с перемешиванием (СТП) является относительно новым методом получения неразъемных соединений материалов: она запатентована в 1991 году The Welding Institute (TWI), Великобритания [7]. Интенсивное изучение данного процесса, направленное на совершенствование технологии и оборудования, позволило внедрить данный способ в производство высокотехнологичных изделий в таких отраслях, как вагоно-, судо-, авиастроение и многих других [4]. Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла [6]. Исследования процессов СТП активно проводятся в последнее время [1-3].
Поскольку основные исследования сварки трением с перемешиванием (СТП) носят коммерческий характер, то технологическая информация в публикациях ограничена и главным образом касается режимов сварки и конструкции инструмента [1, 8].
Целью наших экспериментальных исследований является нахождение основных зависимостей между технологическими параметрами этого способа сварки с целью дальнейшей корректировки режимов технологического процесса. Опыты проводятся на алюминиевом сплаве АМГ61 (1561), который используется в судостроении, в частности для изготовления надстроек судов. Для обеспечения качественной сварки необходимы данные по распределению температуры в зоне соединения материалов, так как температура влияет на их пластичность и качество перемешивания.
© Стаценко В.Н., Негода Е.Н., Сухорада А.Е., 2017 О статье: поступила: 02.07.2017; финансирование: бюджет ДВФУ.
Температура определяется величиной тепловой мощности (тепловложения), которая вносится в место сварки за счет трения между инструментом и материалом [1-3].
Технология СТП и методика
экспериментального исследования тепловложения
Сварка трением с перемешиванием проводится вращающимся металлическим нерасходуе-мым инструментом [5]. Инструмент представляет собой стержень с буртом (заплечиком) диаметром Б, из которого выступает пин диаметром При сварке ось инструмента наклонена на угол а относительно нормали. Инструмент, вращаясь с частотой т, погружается в свариваемый металл на определенную глубину I и перемещается вдоль стыка деталей (углом «вперед») со скоростью сварки V. При этом заплечик защищает место сварки от воздействия окружающей среды. В результате нагрева от трения и приложенного давления металл под буртом переходит в размягченное пластифицированное состояние. За счет перемешивания пластифицированного металла с помощью бурта и приложения к нему давления за инструментом образуется сварной шов.
В наших экспериментах использовался рабочий инструмент, выполненный из инструментальной быстрорежущей стали Р6М5. Сварка производится на универсально-фрезерном станке Орй МТ100, в котором скорость сварки регулируется в диапазоне от 24 до 402 мм/мин, частота вращения инструмента - от 400 до 1660 об/мин, поворотная головка обеспечивает выбор угол наклона инструмента от 0 до 90° [5].
Температуру в месте сварки измерить сложно из-за особенностей конструкции инструмента - его заплечик прикрывает место сварки от внешней среды, кроме того, инструмент вращается и перемещается вдоль стыка деталей.
Доступным способом является расчет этой температуры, причем возможно определить распределение значений температур вдоль толщины металла, а также по радиусу от центра вращения в разных направлениях относительно направления движения инструмента.
Для расчета этой температуры в месте сварки необходимо определить тепловую мощность (тепловложение)
Ч = (1)
где Мтр - крутящий момент (момент трения), Н-м; ш = пп/30 - угловая скорость вращения инструмента, с"1; и - скорость вращения инструмента, об/мин.
Наиболее сложным параметром, который необходимо определить в этой зависимости, является момент трения Мтр. Этот параметр возможно определить методом измерения мощности приводного электродвигателя (с учетом поправки на его КПД и потери в трансмиссии), а также с помощью прибора измерения крутящего момента по методу скручивания вала, который устанавливается между двигателем и инструментом для сварки. Эти методы несовершенны, они требуют учета потерь в механической передаче.
Устройство для измерения крутящего момента
В нашей работе для определения момента трения при разных величинах скорости вращения и скорости сварки создан стенд, общий вид которого представлен на рис. 1.
Он состоит из основания (стальной пластины) 1, в которой вырезаны несколько рядов канавок с размещенными в них стальных закаленных шариков 3. Сверху на них помещена пластина 2, выполненная из закаленной стали. Эта пластина подвижна, она имеет ось вращения 8 и отверстие 4 для закрепления электронного динамометра. Перемещение этой пластины в горизонтальной и вертикальной плоскостях ограничено скобой 5. Сверху на пластину 2 укладывается пластина 6 из исследуемого материала. На эту пластину воздействует рабочий инструмент 7.
При вращении инструмента 7 и его перемещении вдоль исследуемой пластины создается крутящий момент (момент трения), который стремится повернуть пластины 6 и 2 в горизонтальной плоскости относительно оси вращения 8. Шарики 3 и закаленная пластина 2 обеспечивают минимальное сопротивление этому перемещению. Величина момента трения измеряется по уси-
лию воздействия Е на конец пластины 2, измеряемого динамометром, и плеча I от места его закрепления 4 до оси вращения 8
Мтр = F • I.
(2)
Рис. 1. Устройство для измерения крутящего момента: 1 - основание; 2 - подвижная пластина; 3 - стальные шарики; 4 - отверстие для закрепления электронного динамометра; 5 - прижимная скоба; 6 - пластина исследуемого материала;
7 - инструмент; 8 - ось вращения.
(Здесь и далее: авторы рисунка А.Е. Сухорада и В.Н.Стаценко).
Анализ этой схемы измерения позволил сделать важный вывод - измеряемый момент трения определяется только трением между инструментом и поверхностью детали и не зависит от положения инструмента относительно исследуемой пластины и скорости его перемещения. Глубина погружения инструмента в исследуемый материал сохранялась постоянной.
Результаты измерения удельной тепловой мощности на трение в зависимости от частоты вращения рабочего инструмента для сочетания материалов - сталь инструментальная быстрорежущая Р6М5 и алюминиевый сплав АМГ61 представлены на рис. 2.
2
ей
о н
5 «
к ы
и *
^ а
* £
5 §
ч Э
<и О
£ *
25000 20000 15000 10000 5000 0
500
1000
1500
2000
Скорость вращения, об/мин
Рис. 2. Зависимость удельной тепловой мощности на трение от частоты вращения рабочего инструмента для сочетания материалов сталь Р6М5 и алюминиевый сплав АМГ61
Снижение мощности на трение с увеличением частоты вращения рабочего инструмента объясняется повышением тепловложения в материал пластины, в связи с чем повышается пластичность материала и уменьшается сопротивление на трение. Эти данные подтверждаются результатами расчета тепловложения при аргонодуговой сварке пластин из сплава АМГ61 толщиной 4 мм [7], в этих расчетах тепловложение отличается на 4-8 % от сварки трением с перемешиванием при скорости вращения рабочего инструмента 1660 об/мин. Аналогичные данные получены в [2] при скорости вращения рабочего инструмента 750 об/мин.
0
Для контроля распределения температур на поверхности исследуемой детали вокруг запле-чика вращающегося рабочего инструмента и сопоставления их с расчетными значениями используется инфракрасный пирометр Тестап ТМ900 с точностью измерений ±10 °С. Отношение расстояния к размеру пятна контроля 12:1.
Результаты расчета распределения температур
Расчет полей температур места сварки по толщине исследуемого материала и по радиусу относительно оси вращения инструмента производится по программе, разработанной в пакете Mathlab. Этот расчет основан на схеме движущегося точечного источника в предельном состоянии [5].
Т =
д
2 nAR
ехр
/ vx vR\ ( 2 а 2 а)'
(3)
где q - мощность источника нагрева, Вт; X - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К; х - координата вдоль шва, м; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; К = - радиус, м; V - скорость сварки.
При сварке трением с перемешиванием инструмент представлен совокупностью элементарных источников нагрева, равномерно распределенных по его площади. Температурное поле рассчитывалось как сумма температур от каждого элементарного (точечного) источника:
•м 2
q sr1 1 / vxi VRA
= 2nA^TieXp\-1Za-rZa)' i=l
(4)
где индекс г относится к расстоянию от /-го источника до рассматриваемой точки, п - количество элементарных источников по одному направлению.
0
0.2 0.4
4 5 6 7 9
Шов
-3
-2
б
I 400
300
1 200
Рис. 3. Распределение температур в плоскости (а) и поперечном сечении (б) пластины из алюминиевого сплава АМГ61 толщиной 4 мм при сварке СТП со скоростью подачи 42 мм/мин при тепловой мощности на трение q = 2 кВт: 3 - 150 °С; 4 - 200 °С; 5 - 250 °С; 6 - 300 °С;
7 - 350 °С; 8 - 400 °С; 9 - 450 °С.
а
Результаты расчета распределения температур в плоскости, в поперечном и продольном сечениях пластины из алюминиевого сплава АМГ61 представлены на рис. 3. Поперечное сечение (б) проходит по плоскости перпендикулярной сварному шву через центр вращения инструмента.
Заключение
Анализ этих данных показывает, что изотермы по толщине пластины практически не изменяют своего положения. Только температура 450 °C возникает в небольшой зоне на верхней плоскости пластины под задней кромкой заплечика. Важным выводом этих расчетов является то, что максимум температуры находится на заднем крае заплечика по отношению к направлению движения инструмента. Кроме того, разница температур на задней и передней кромках заплечика составляет 100 °С, изменение температуры с 450 до 200 °C продолжается за инструментом на расстоянии двух диаметров заплечика.
Полученные распределения полей температур при разных режимах позволяют определить температуру в зоне перемешивания, а также оценить величину пластичности материала и качество его соединения с получением прочного сварного шва.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Карманов В.В., Каменева А.Л., Карманов В.В. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов: Сущность и специфические особенности процесса, особенности структуры сварного шва // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2012. № 32. С. 67-80.
2. Котлышев Р.Р., Шучев К.Г. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов // Вестник ДГТУ. 2010. Т. 10, № 5. С. 648-654.
3. Левихина А.В., Руденский Г.Е. Рекомендации по методике проведения теплового контроля соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием в процессе сварки // Современные проблемы науки и образования. 2013. С. 522-530.
4. Сергеева Е.В. Сварка трением с перемешиванием (FSW-Friction Stir Welding) в мировом кораблестроении // Современный уровень развития, перспективы, оборудование. 2014. С. 1-12.
5. Стаценко В.Н., Сухорада А.Е Технология сварки пластин методом сварки трением с перемешиванием // Инновационная наука: сб. ст. междунар. науч.-практ. конф. Владивосток, 21 окт. 2016. Владивосток: ДВЦИТ, 2016. С. 32-40.
6. Nicholas E.D. Friction and Forge Processes Group. Welding in the World, United Kingdom, 2007, p. 2-9.
7. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needham J.C. Friction stir butt welding. US Pat. N 5460317, Publ. 1995.
8. Thomas W.M., Staines D.G., Norris I.M., de Frias R. Friction stir welding tools and developments. Welding in the World, United Kingdom, 2008, p. 10-17.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
shipbuilding
D0l.org/10.5281/zenodo.897023
Statsenko V., Nehoda E., Sukhorada A. VLADIMIR STATSENKO, Professor, e-mail: [email protected]
EVGENIY NEGODA, Candidate of Engineering Sciences, Professor, e-mail: [email protected] ALEXEY SUKHORADA, Graduate Student, e-mail: [email protected] Department of Welding Production, School of Engineering Far Eastern Federal University 8 Sukhanova St., Vladivostok, Russia, 690091
An investigation of heat input and temperature fields in friction stir welding
Abstract: The paper presents an investigation of the process of friction stir welding. Crucial to the study is to determine the temperatures of the material in the stirring zone, which can be found by calculation. Experimental studies were carried out to find the value of the thermal power introduced into the welding zone. Calculations of the distribution of temperatures in the plane and in the cross-section of a plate made of an aluminum alloy AMG61 4 mm thick with friction welding were performed according to a program developed by the authors in the Mathlab package. Presented are the results of measurements of the specific thermal power depending on the rotational speed of the working tool.
Key words: friction stir welding, aluminum alloy plates, measuring friction torque, booth, heat output, temperature fields calculation.
REFERENCES
1. Karmanov V.V., Kameneva A.L., Karmanov V.V. Friction welding with mixing of aluminum alloys: Essence and specific features of the process, features of the structure of the welded seam. Vestnik PNIPU. Aerospace engineering. 2012;32:67-80.
2. Kotlyshev R.R., Shuchev K.G. Calculation temperature friction welding aluminum alloys with mixing. Vestnik DSTU. 2010(10); 5:648-654.
3. Levihina A.V., Rudensky G.E. Recommendations for thermal control techniques of compounds obtained by welding a friction welding process with mixing. Contemporary problems of science and education. 2013,p.522-530.
4. Sergeeva E.V. Stirred friction welding (FSW-Friction Stir Welding) in world shipbuilding. Modern level of development prospects, equipment. 2014, p. 1-12.
5. Statsenko V.N., Suhorada A.E. The technology of welding plates by the method of friction welding with mixing. Innovative Science: Sat. Art. Intern. scientific. conf. Vladivostok, October 21, 2016. Vladivostok, DVCIT, 2016, p. 32-40.
6. Nicholas E.D. Friction and Forge Processes Group. Welding in the World, United Kingdom, 2007, p. 2-9.
7. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needham J.C. Friction stir butt welding. US Pat. N 5460317, Publ. 1995.
8. Thomas W.M., Staines D.G., Norris I.M., de Frias R. Friction stir welding tools and developments. Welding in the World, United Kingdom, 2008, p. 10-17.
