CC BY
19
Оригинальная статья / Original article УДК 621.791.015
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-7-10-18
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВИДОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ НА КАЧЕСТВО СВАРНЫХ ОБЛЕГЧЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
© Н.А. Астафьева1, А.С. Бузин2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. В статье приведены результаты исследования сварных соединений из алюминиевого сплава системы Al-Fe-Si. Сварка проводилась с целью получения деталей, используемых для авиационного назначения. Сложность осуществления соединения облегченных деталей типа «обшивка» связана с частыми появлениями дефектов, а именно: отклонением от плоскостности, изменением геометрии поверхности соединений после контактной точечной сварки. Так как регулированием параметров режима и условий сварки не смогли добиться положительного результата, было принято решение проверить влияние предшествующих операций технологического процесса. ЦЕЛЬЮ данной работы являлось исследование влияния видов предварительной обработки тонколистовых деталей из алюминиевых сплавов на качество сварных соединений, полученных контактной точечной сваркой. МЕТОДЫ. Экспериментально определено влияние способа получения заготовок и направления проката листа образцов при раскрое на качество сварных соединений. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Наилучшие результаты после сварки получены на деталях, выполненных методом химического размерного травления. После контактной сварки таких образцов с окнами обнижения 0,9 мм и 1,1 мм, вне зависимости от направления раскроя листа, дефекты не обнаружены. После контактной сварки на деталях с окнами обнижения 0,68-0,75; 0,88-0,96 мм, выполненными методом механической обработки, вне зависимости от направления раскроя листа, выявлены дефекты в виде так называемых хлопунов. На деталях с увеличенной толщиной 1,15 мм отклонения поверхности от плоскостности после сварки не наблюдаются. ВЫВОДЫ. Установлено, что появление после контактной точечной сварки на образцах дефектов целостности геометрии не зависит от направления раскроя листов, а зависит от вида обработки и толщины получаемых окон обнижения. Снизить остаточные деформации после механической обработки можно путем уменьшения глубины утонения, т.е. увеличив толщину деталей в окнах обнижения до максимально допустимой - 1,15 мм. Это исключает вероятность появления дефектов после сварки в виде выпуклостей поверхности.
Ключевые слова: контактная сварка, алюминиевый сплав, дефекты точечной сварки, химическое травление, фрезерование.
Информация о статье. Дата поступления 04 апреля 2018 г.; дата принятия к печати 11 июня 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 июля 2018 г.
Формат цитирования. Астафьева Н.А., Бузин А.С. Исследование влияния видов предварительной обработки на качество сварных облегченных конструкций из алюминиевых сплавов // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 7. С. 10-18. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-7-10-18
STUDY OF PRIMARY MACHINING TYPE INFLUENCE ON THE QUALITY OF WELDED LIGHTWEIGHT ALUMINUM ALLOY STRUCTURES
N.A. Astafieva, A.S. Buzin
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
Астафьева Наталья Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, e-mail: anstella@mail.ru
Natalia A. Astafieva, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering
Technologies and Materials, e-mail: anstella@mail.ru
2Бузин Анатолий Сергеевич, магистрант, e-mail: buzin.as@mail.ru
Anatoly S. Buzin, Master's Degree Student, e-mail: buzin.as@mail.ru
0
ABSTRACT. The article presents the study results of welded joints from the aluminum alloy of Al-Fe-Si system. The purpose of welding is to obtain aircraft parts. The challenge of joining light-weight skin-type parts consists in frequent defects such as flatness deviations and joint surface geometry changes caused by spot resistance welding. As the adjustment of welding mode and conditions has not yielded favorable results a decision was made to study the influence of previous operations of the technological process. The PURPOSE of this work is to study the influence of the types of primary machining of aluminum alloy sheet parts on the quality of welded joints obtained by spot resistance welding. METHODS. The influence of the blank production method and sample sheet rolling direction at nesting on the quality of welded joints has been determined experimentally. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The best results after welding have been obtained on the parts made by chemical dimensional etching. After resistance welding of such samples with the thinning windows of 0.9 mm and 1.1 mm regardless of the sheet nesting direction the defects were not found. After resistance welding on parts with the thinning windows of 0.68 - 0.75 mm, 0.88-0.96 performed by the mechanical processing method regardless of the sheet nesting direction the defects in the form of bucklings were identified. The parts with the increased thickness of 1.15 mm do not feature any surface deviations from flatness after welding. CONCLUSIONS. It has been determined that the appearance of geometry integrity defects after spot resistance welding on samples does not depend on the direction of sheet nesting but depends on the type of machining and the thickness of thinning windows. The residual deformation after machining can be reduced by decreasing the depth of thinning, i.e. increasing the part thickness in the thinning windows to the maximum allowable value of 1.15 mm. This eliminates the possibility of defects after welding in the form of surface crowns.
Keywords: resistance welding, aluminum alloy, spot welding defects, chemical etching, milling
Information about the article. Received April 04, 2018; accepted for publication June 11, 2018; available online July 31, 2018.
For citation. Astafeva N.A., Buzin A.S. Study of primary machining type influence on the quality of welded lightweight aluminum alloy structures. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2018, vol. 22, no. 7, pp. 10-18. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-7-10-18 (In Russian).
Введение
Контактная сварка широко применяется в самолетостроении и других отраслях промышленности. В элементах конструкций самолетов может присутствовать более миллиона сварных точечных соединений. Контактная точечная сварка - сложный процесс образования неразъемных соединений, формирование которых происходит при определенных условиях нагрева и давления. Качество сварных конструкций из алюминиевых сплавов определяется совокупностью эксплуатационных и технологических характеристик соединения, сохраняющихся в процессе эксплуатации изделия. Поэтому вопросы повышения качества сварных соединений и совершенствование процесса контактной точечной сварки являются особо актуальными. На качество получаемых соединений из алюминиевых сплавов влияют различные факторы, например, такие как параметры термодеформационных процессов [1-3]. Они протекают в зоне формирования соединения и зависят от особенностей технологии, параметров режима и условий сварки, выбранной циклограммы процесса и др. [4]. Этим
вопросам посвящено множество исследований [5-13]. Но существуют и другие, малоизученные причины нестабильности процесса получения тонкостенных конструкций из рассматриваемых сплавов.
При изготовлении заготовок из алюминиевых сплавов авиационного назначения задачи по снижению веса за счет уменьшения толщины деталей до недавнего времени решали традиционным методом - размерным химическим травлением (РХТ). Процесс классического РХТ был внедрен для обработки различных деталей авиационного назначения и успешно применялся длительное время. Однако в связи с современными требованиями по экологической безопасности этот метод стал нежелателен, так как в процессе травления используются кислоты в больших объемах.
Внедрение нового оборудования позволило перейти на альтернативную экологически чистую технологию механической обработки панелей, обшивок и других деталей. В настоящее время широко применяются специальные многокоординатные обрабатывающие комплексы, отлича-
ющиеся использованием различных способов закрепления тонкостенных листовых заготовок. При этом цикл изготовления сокращается, так как после обтяжки изделие размещается сразу на станке, выполняется фрезерование, затем - слесарные работы и далее по технологическому циклу. Например, метод механической обработки для изготовления обшивок взамен химического фрезерования заложен в конструкторской документации МС-21.
Механическая обработка деталей имеет свои преимущества:
- отсутствует разрыхленная поверхность (в отличие от химического травления);
- обеспечивается стабильная толщина детали;
- повышается производительность процесса получения заготовок и др.
Однако при полном цикле изготовления детали возникают сложности с последующими операциями. В частности, после контактной сварки тонколистовых изделий из алюминиевых сплавов в последнее время участились случаи возникновения дефектов в виде выпуклости поверхностей, так называемых хлопунов. Их можно представить как отклонение от плоскостности, характеризующееся двойной кривизной, т.е. пластической деформацией листа в двух взаимно перпендикулярных направлениях - по длине и ширине. Такое нарушение геометрии является недопустимым дефектом при сварке.
Целью данной работы является исследование влияния предварительной обработки тонколистовых деталей из алюминиевых сплавов на качество сварных соединений, полученных контактной точечной сваркой.
Материалы и методы исследований
Для исследований влияния предшествующих сварке операций на появление рассматриваемых дефектов были изготовлены образцы из алюминиевого сплава системы А!-Ре^. Примерный химический состав алюминиевого сплава в соответствии с ГОСТ 4784-973 представлен в табл. 1.
Для получения заготовок применили два способа. Одни заготовки получали ме-
тодом механической обработки - фрезерованием контура и окон обнижения деталей. Другие заготовки получали фрезерованием контура с последующим выполнением окон обнижения методом РХТ. Для определения влияния направления проката листа образцы толщиной 1,5 мм раскраивали в разном направлении (табл. 2).
Химический состав сплава системы.Al-Fe-Si
Chemical composition of the Al-Fe-Si system alloy
Таблица 1 Table 1
Номер образца Элемент (содержание, %)
Al Fe Si Cu Mn Zn Ti Mg
Первый 98 0,30 0,30 - 0,025 1,3 0,15 -
Второй 99,30 0,30 0,30 0,02 0,025 0,1 0,15 0,05
3
ГОСТ 4784-97. Алюминий и сплавы алюминиевые деформируемые. Марки; принят Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации, протокол № 12 от 21.11.1997 г. /GOST 4784-97. Aluminium and wrought aluminium alloys. Grades; adopted by the Interstate Council for Standardization, Metrology and Certification, Minutes No. 12 of 21 November 1997.
Таблица 2
Характеристики исследуемых образцов
Table 2
Characteristics of the samples under investigation_
Образец Количество образцов, шт. Направление раскроя Вид обработки Допустимая толщина мест утонения, мм
Обшивка № 1 1 РХТ 1'0(-.%)
Поперек проката механическая
Обшивка № 2 1 листа РХТ
механическая
Обшивка № 1 2 РХТ
Вдоль проката механическая
Обшивка № 2 2 листа РХТ 1'0(-.%)
механическая
При размерном химическом травлении заготовки облегчали путем удаления слоя материала с поверхности образца. Нужную толщину в местах утонения получали растворением металла в травителе (в результате химической реакции). Участки деталей, не подлежащие растворению, покрывали защитным слоем химически стойкого материала. Площадь вытравливаемых участков определялась конструктивными особенностями образцов. Используемое для травления оборудование представлено на рис. 1.
При механическом способе деталь изготавливали на обрабатывающем центре
PORTATEC (рис. 2). Детали обшивки вырезали из листа по картам раскроя, сначала фрезеровали окна обнижения, затем вырезали саму обшивку по контуру.
После этих операций контролировали полученную геометрию на прилегание по плите на наличие несоответствий с чертежами. Также проводили внешний осмотр на отсутствие повреждений (царапин, забоин, трещин). С помощью комплекта для визуально-измерительного контроля определяли отклонения геометрических параметров. Толщину образцов в местах утонения измеряли электронным толщиномером марки РСЕ-ТС 250.
Рис. 1. Оборудование для размерного химического травления: 1 - ванна; 2 - травитель Fig. 1. Equipment for dimensional chemical etching: 1 - tank; 2 - etching agent
Ш
Рис. 2. Обрабатывающий центр PORTATEC: 1 - блок управления; 2 - высокоскоростной портал; 3 - рабочий стол Fig. 2. Machining center PORTATEC: 1 - control unit; 2 - high-speed portal, 3 - working platform
Качество подготовки поверхностей деталей под сварку контролировали по контактному сопротивлению. Допускаемое значение сопротивления не превышало 120 мкОм.
Заготовки «обшивки» толщиной 1,5 и «элемент жесткости» толщиной 2 мм со-
единяли контактной точечной сваркой. Сборку под сварку производили с использованием пружинных фиксаторов. Сварку производили на машине точечной контактной сварки МТВ-80.02-1 током низкой частоты (рис. 3).
Рис. 3. Машина контактной сварки МТВ-80.02-1: 1 - верхняя консоль; 2 - шкаф управления циклограммой сварки; 3 - электрододержатель;
4 - нижняя консоль; 5 - корпус машины Fig. 3. Resistance welding machine MTV 80.02-1: 1 - upper console; 2 - welding cyclogram control cabinet; 3 - welding electrode holder; 4 - lower console; 5 - machine housing
Точки сварки располагали в соответствии с чертежами конструкций, в нашем случае сварку образца № 2 производили, как показано на рис. 4. Параметры сварных точек выбраны по ГОСТ 15878-794.
Основные параметры режима контактной точечной сварки образцов приведены в табл. 3.
В результате проведенных экспериментов обнаружено, что после механической обработки образцов № 1 с толщинами окон обнижения 0,68-0,75 мм, образцов № 2 с толщинами окон обнижения 0,88-0,96 мм выявлены остаточные деформации в виде отклонений поверхности
После прихватки элементов обшивки и жесткости проводили контроль расположения точек прихватки. После сварки осуществляли контроль соединений на отсутствие прожогов, вмятин. Контролировали параметры сварных точек и их расположение (шаг между сварными точками). Наличие в соединениях дефектов выявляли с использованием инструмента для визуально-измерительного контроля.
1
Таблица 3 Table 3
от заданной геометрии.
На образцах № 1 с толщинами окон обнижения 0,9 мм и образцах № 2 с толщинами окон 1,1 мм, изготовленных методом РХТ, отклонений геометрии и остаточных деформаций не выявлено (рис. 5).
Рис. 4. Свариваемый образец № 2:1 - сварная точка диаметром не более 4,5 мм Fig. 4. Welded specimen No. 2:1 - weld spot with the diameter less than 4.5 mm
Параметры режима контактной сварки
Resistance welding mode parameters
Диаметр электрода, мм Радиус заточки, мм Сила тока,А Усилие сжатия, кН, при Диаметр точки, мм
верхний нижний верхний нижний сварке проковке
20 25 75 100 40 4 9 4,0
Результаты и обсуждение
4ГОСТ 15878-79. Контактная сварка. Соединения сварные. Конструктивные элементы и размеры; введен в действие постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 28.05.1979 г. № 1926 / GOST 15878-79. Resistance welding. Welded joints. Design elements and dimensions; put into operation by the Order of the USSR State Committee for Standards of 28 May 1979. No. 1926.
m
Рис. 5. Сварной образец, полученный из заготовок обшивки № 1 и элемента жесткости:
1 - окно обнижения; 2 - сварная точка Fig. 5. Welded specimen obtained from the blanks of skin no.1 and a stiffener: 1 - thinning window; 2 - weld spot
После контактной сварки на деталях № 1 и 2 с окнами обнижения, выполненными методом механической обработки, вне зависимости от направления раскроя листа были выявлены дефекты в виде хлопунов.
После контактной сварки на деталях дефекты в виде хлопунов на крышках люков № 1 и 2 с окнами обнижения, выполненными методом РХТ, вне зависимости от направления раскроя листа, выявлены не были. При контроле полученные детали не имели отклонений от заданной геометрии.
Результаты контроля сварных образцов - обшивок № 2, полученных мето-
дом механической обработки с увеличенными толщинами окон обнижения, показали следующее:
- после проведения сварочных работ на обшивках с толщиной окон обнижения 1,0 мм наблюдалось отклонение поверхности от плоскостности, характеризующееся двойной кривизной (появление дефектов - хлопунов);
- на обшивках с увеличенной толщиной 1,15 мм дефекты сварных соединений в виде отклонения поверхности от плоскостности не обнаружены.
Выводы
Исследования показали, что на появление дефектов в виде выпуклости поверхностей после контактной сварки влияют виды предшествующих операций технологического процесса.
После сварки деталей, выполненных методом размерного химического травления с окнами обнижения в пределах допуска 1,о(+0'15) мм вне зависимости от направления раскроя листа, дефекты не
наблюдаются.
После точечной сварки заготовок с
окнами обнижения 1,о(_0025) мм, выполненных методом механической обработки, вне зависимости от направления раскроя листа, появляются недопустимые дефекты в виде хлопунов. Устранить появление таких дефектов удалось путем увеличения толщины окон обнижения до максимально допустимой - 1,15 мм.
Библиографический список
1. Козловский С.Н. Основы теории и технологии контактной точечной сварки: монография. Красноярск: Изд-во СибГАУ, 2003. 230 с.
2. Тюдешев В.С., Кочергин Д.А., Подрезов Н.В., Козловский С.Н. Искривление деталей при их сближении в процессе точечной сварки // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2015. Т. 1. № 11. С. 272-273.
3. Орлов Б.Д., Чулошников П.Л. [и др.]. Контроль точечной и роликовой электросварки. М.: Машиностроение, 1973. 304 с.
4. Царегородцева М.М., Шпигоревская М.И., Козловский С.Н. Определение устойчивости процесса точечной сварки по технологическим параметрам // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. Т. 1. № 9. С. 120-121.
5. Lum I., Fukumoto S., Biro E., Boomer D.R., Zhou Y. Electrode Pitting in Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy 5182 // Metallurgical and materials transactions. 2004. Vol. 35A. P. 217-225.
6. Rashid M., Medley J.B., Zhou Y. Electrode Worksheet Interface Behaviour During Resistance Spot Welding of Al Alloy 5182 // Science and Technology of Welding and Joining. 2009. Vol. 14 (4). P. 295-304.
7. Khan J.A., Xu L., Chao Y.J. Prediction of Nugget Development During Resistance Spot Welding Using Coupled Thermal-Electrical-Mechanical Model // Science and Technology of Welding and Joining. 1999.
Vol. 4 (4). P. 201-207.
8. Куликов В.П., Фурманов С.М. Пути снижения деформации лицевых поверхностей изделий при контактной точечной сварке // Сварочные технологии и оборудование. 2003. № 3. С. 16-27.
9. Линдт Е.В., Мужикбаев А.С., Козловский С.Н. Пластические деформации металла при точечной контактной сварке // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2015. Т. 1. № 11. С. 259-260.
10. Гуреева М.А., Грушко О.Е., Клочков Г.Г. Исследование свойств сварных соединений алюминиевого сплава В1341, выполненных контактной точечной сваркой // Заготовительные производства в машиностроении 2016. № 7. С. 8-12.
11. Попковский В.А., Березиенко В.П. Поле остаточных напряжений при контактной точечной сварке // Автоматическая сварка. 1987. № 8. С. 10-14.
12. Han L., Thornton M., Boomer D., Shergold M. Effect of aluminium sheet surface conditions on feasibility and quality of resistance spot welding // Journal of Materials Processing Technology. 2010. Vol. 210. No. 8. P. 1076-1082.
13. Karimi M.R., Sedighi M., Afshari D. Thermal contact conductance effect in modeling of resistance spot welding process of aluminum alloy 6061-T6 // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 77. No. 5-8. P. 885-895.
References
1. Kozlovskii S.N. Osnovy teorii i tekhnologii kontaktnoi tochechnoi svarki [Fundamentals of the theory and technology of spot resistance welding]. Krasnoyarsk: SibSAU Publ., 2003, 230 p. (In Russian).
2. Tyudeshev V.S., Kochergin D.A., Podrezov N.V., Kozlovskii S.N. Curvature of details at their approach in the course of point welding. Aktual'nye problemy aviatsii i kosmonavtiki [Actual problems of aviation and cosmonautics]. 2015, vol. 1, no. 11, pp. 272-273. (In Russian).
3. Orlov B.D., Chuloshnikov P.L. [at al.]. Kontrol' tochechnoi i rolikovoi elektrosvarki [Control of spot and roller welding]. Moscow: Mechanical Engineering Publ., 1973, 304 p. (In Russian).
4. Tsaregorodtseva M.M., Shpigorevskaya M.I., Kozlovskii S.N. Determination of spot welding process stability by technological parameters. Aktual'nye problemy aviatsii i kosmonavtiki [Actual problems of aviation and cosmonautics]. 2013, vol. 1, no. 9, pp. 120-121. (In Russian).
5. Lum I., Fukumoto S., Biro E., Boomer D.R., Zhou Y. Electrode Pitting in Resistance Spot Welding of Aluminum Alloy 5182. Metallurgical and materials transactions. 2004, vol. 35A, pp. 217-225.
6. Rashid M., Medley J.B., Zhou Y. Electrode Worksheet Interface Behaviour during Resistance Spot Welding of Al Alloy 5182. Science and Technology of
Welding and Joining. 2009, vol. 14 (4), pp. 295-304.
7. Khan J.A., Xu L., Chao Y.J. Prediction of Nugget Development During Resistance Spot Welding Using Coupled Thermal-Electrical-Mechanical Model. Science and Technology of Welding and Joining. 1999, vol. 4 (4), pp. 201-207.
8. Kulikov V.P., Furmanov S.M. Methods to reduce deformation of product front surfaces at spot resistance welding. Svarochnye tekhnologii i oborudovanie [Welding Technologies and Equipment]. 2003, no. 3, pp. 16-27. (In Russian).
9. Lindt E.V., Muzhikbaev A.S., Kozlovskii S.N. Plastic strains of metal spot contact welding. Aktual'nye prob-lemy aviatsii i kosmonavtiki [Actual Problems of Aviation and Cosmonautics]. 2015, vol. 1, no. 11, pp. 259-260. (In Russian).
10. Gureeva M.A., Grushko O.E., Klochkov G.G. Studying properties of welded joints of aluminum alloy B1341 performed by contact point welding. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii [Blanking Productions in Mechanical Engineering (Press Forging, Foundry and other Productions)]. 2016, no. 7, pp. 8-12. (In Russian).
11. Popkovskii V.A., Berezienko V.P. Field of residual stresses under spot resistance welding. Avtomatich-eskaya svarka [Automatic Welding]. 1987, no. 8, pp. 10-14. (In Russian).
12. Han L., Thornton M., Boomer D., Shergold M. Effect
of aluminium sheet surface conditions on feasibility and quality of resistance spot welding. Journal of Materials Processing Technology. 2010, vol. 210, no. 8, pp. 1076-1082.
13. Karimi M.R., Sedighi M., Afshari D. Thermal contact conductance effect in modeling of resistance spot welding process of aluminum alloy 6061-T6. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015, vol. 77, no. 5-8, pp. 885-895.
Критерии авторства
Астафьева Н.А., Бузин А.С. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Authorship criteria
Astafieva N.A., Buzin A.S. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interest
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
