CC BY
26
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫПОЛНЕННЫЕ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С
ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Кузнецов Максим Евгеньевич, студент (e-mail: kuznecoff_85@inbox.ru) Бородулин Иван Алексеевич, студент (e-mail: Gilmor1293@mail.ru) Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г.Пермь, Россия
Приведены результаты механических испытаний на растяжение образцов, полученных точечной сваркой трением с перемешиванием.
Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, точечная сварка трением с перемешиванием, стыковое соединение, испытание.
За последние четверть века сварка трением с перемешиванием (СТП) находит все более широкое применение во всех странах, особенно при создании образцов новой транспортной техники из алюминиевых и медных сплавов.
СТП обладает рядом преимуществ и недостатков по сравнению с дуговыми способами сварки, которые отражены в зарубежных и отечественных обзорных статьях [1-3].
Одним из преимуществ СТП является возможность достижения рекордно высокого качества шва, прочности и выносливости сварных соединений при отсутствии короблений и термических деформации без пор и трещин. В ряде случаев предел прочности и твердость самого соединения превосходит предел прочности и твердость основного материала в 1,5-2 раза.
Значительное увеличение прочности и твердости особенно наблюдается в зоне перемешивания(ЗП) и зоне термо-механического воздействия
Рисунок 1 - Поперечное сечение шва при ТСТП.
Точечная сварка трением с перемешиванием (ТСТП) в основном используется в нахлесточных соединений, однако и находит применение в стыковых соединениях на толщинах от 0,5-2,5 мм. Данная работа была направлена на определение механических характеристик сварных соединений выполненных ТСТП.
Для проведения точечной сварки трением с перемешиванием создана лабораторная установка на базе универсального фрезерного станка СФ-676 (рис. 2).
Параметры режимов получения сварных точек задавались управляющими органами станка.
Рисунок 2 - Установка для СТП
Приспособление для закрепления деталей и проведения сварки представляет собой чугунную плиту с Т-образными пазами 1, которая крепится к плите станка 2 с помощью четырех болтов (рис. 3). На рабочую поверхность приспособления устанавливаются свариваемые детали 3. Детали фиксируются двумя прижимами 4. Прижимы могут свободно перемещаться в Т-образных пазах плиты.
Рисунок 3 - Приспособление для закрепления деталей
Для получения стыковых соединений из алюминиевого сплава использовался цилиндрический инструмент с плоским торцом, выполненный из стали 40Х (рис. 4).
Рисунок 4 - Внешний вид плоского инструмента (ё=30 мм)
Перед сваркой стыкового соединения алюминиевые заготовки зачищали щеткой до металлического блеска, собирали на стальной подкладке и прижимали к ней, далее в стык внедрялся вращающийся инструмент на необходимую глубину. Внешний вид полученных сварных соединений показан на рис. 4. Образцы под номерами 1 и 2 выполнены плоским инструментом (ё=30 мм), который показан на рис. 4.
а) б)
Рисунок 5 - Внешний вид сварных соединений а) лицевая сторона шва; б) обратная сторона шва
Сварка осуществлялась на следующих режимах: скорость вращения инструмента 1250 об/мин; время выдержки опорного бурта прижатого к заготовкам 35 с; диаметр опорного бурта 30 мм.
На рисунке 6 под номерами 3 и 4 показаны сварные соединения, полученные на следующих режимах: скорость вращения инструмента 2000 об/мин; время выдержки опорного бурта прижатого к заготовкам 25 - 30 с; диаметр опорного бурта 30 мм.
а) б)
Рисунок 6 - Внешний вид сварных соединений а) лицевая сторона шва; б) обратная сторона шва.
Помимо сокращения времени воздействия инструмента на соединяемые детали и увеличения скорости нагрева материала данный режим позволил получить более качественное перемешивание металла с обратной стороны соединения. Также на данном режиме пробовали получать соединения со смещением оси вращения инструмента относительно стыка свариваемых деталей (см. рис.5, обр. №3), в результате качество соединения не изменялось, если смещение инструмента не превышало 30%. Однако, площадь свариваемого стыка получалась меньше, чем при обычном расположении оси вращения инструмента.
Для определения механических свойств и оценки качества сварных соединений, проводились испытания на статическое растяжение. При испытании определяли усилие разрушения образца и место его разрушения.
Испытания проводились на разрывной машине модели Р-0.5, позволяющей определять усилие разрушения и максимальное удлинение образца.
Для определения механических свойств сварных соединений вырезались образцы, как показано на рис. 7.
Рисунок 7 - Разметка сварной точки перед изготовлением образцов для испытаний.
После испытания образцов рассчитывали предел временного сопротивления:
Ов = т" [Н/мм2]
где Р, Н - максимальная нагрузка, при которой произошло разрушение образца;
Б0, мм2 - начальная площадь поперечного сечения образца. В результате нагружения образца разрушение происходило по околошовной зоне, т.е. прочность металла сварного шва оказалась выше прочности основного металла.
Данные испытаний приведены в таблице 1.
Таблица 1 -Результаты испытаний на статическое растяжение
Номер заготовки, № Толщина И, мм Ширина Ь, мм Усилие Р, кН Напряжение разрушения О ЛЛПо
1 1,3 5,4 0,78 111
2 1,3 5,7 0,88 118
3 1,3 5,9 0,92 120
4 1.3 5,2 0,87 128
Для сравнения приведены результаты испытаний на растяжение основного металла, не подвергнувшегося термическому воздействию (см. табл.2).
Таблица 2 - Результаты испытаний на растяжение основного металла
Номер заготовки, № Толщина И, мм Ширина Ь, мм Усилие Р, кН Напряжение разрушения о, МПа
1 1,4 5,9 0,8 96
2 1,4 6,0 0,85 101
3 1,4 5,8 0,82 101
Чтобы определить прочность металла в центре и переферии сварной точки проводились испытания на статическое растяжение по ГОСТ 149784. Образцы после испытаний показаны на рис.8. Результаты испытаний металла в центре сварной точки приведены в таблице 3.
Рисунок 8 - Образцы после испытаний
Таблица 3 - Результаты испытаний металла в центре сварной точки
Номер заготовки, № Толщина И, мм Ширина Ь, мм Усилие Р, кН Напряжение разрушения о, МПа
1 1,3 5,6 1,05 144
2 1,3 6,0 1,3 166
3 1,2 5,9 1,6 225
Результаты испытаний металла по переферии сварной точки приведены в таблице 4.
Таблица 4 - Результаты испытаний металла по перефе рии сварной точки
Номер заготовки, № Толщина И, мм Ширина Ь, мм Усилие Р, кН Напряжение разрушения
1 1,3 5,2 1,05 155
2 1,3 5,1 1,5 226
3 1,3 5,2 1,25 184
4 1.3 5,9 1,15 150
На рисунке 8 показаны гистограммы полученных результатов.
120
а
с 100
1Э 80
е
I 60
е
1« К 40
р
С а 20
Н
0
- 96 101 101
№1 №2 №3 Номера образцов
Предел прочности основного материала
140
а
с 120
^
100
о
е 80
Т 60
е
1«
К р 40
с 20
а
Н
0
111
№1
118
№2
120
№3
128
№4
Номера образцов
Предел прочности в околошовной зоне
Предел прочности металла Предел прочности металла
в центре шва по переферии сварной точки
Рисунок 8 - Гистограммы полученных результатов
Таким образом, механические испытания на статическое растяжение показали высокий уровень прочности сварного соединения. Прочность шва, как упоминалось раньше, выше прочности основного металла. Это явление объясняется тем, что металл в зоне перемешивания (ЗП) и зоне термомеханического влияния (ЗТМВ) испытывает значительные усилия от инструмента, это приводит к росту числа дислокаций и как следствие приводит к увеличению показателей твердости и прочности. Анализ предварительных механических испытаний на растяжение показал, что прочность сварных соединений, выполненных ТСТП, на 65-70 % превышает прочность основного материала. Пластичность почти в 2 раза снижена.
На рисунке 10 показаны результаты замеров микротвердости на поперечных шлифах сварных соединений сплавов АМц.
И^ МПа
90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
Твердость
-1-1-1
-20 0 20
Расстояние от центра шва Ь, мм
Рисунок 9 - Распределение микротвердости в поперечном сечении сварных соединений сплава АМц при использовании плоского инструмента
Анализ кривой распределения твердости (Рис.9) показывает, что поперечное сечение сварного соединения характеризуется двумя существенно отличающимися участками: основным металлом, твердость которого составляет 48-50 НУ, и металлом шва, твердость которого на 35-40% выше. Минимальные значения НУ соответствуют переходу от зоны термомеханического к зоне термического воздействия, где и происходило, как правило, в большинстве случаев разрушение при механических испытаниях.
Рисунок 10 - Макроструктура сварных соединений сплава АМц, выполненные плоским инструментом, х10
На макроструктуре сварных соединений (Рис.10) прослеживается влияние скорости вращения инструмента на качество формирования соединения. При большой скорости вращения инструмента (2000об/мин) наблюдается слоистое строение, перемешивание металла в зоне образования точки без завихрения слоев - наблюдается ламинарное течение металла (макрошлиф №1). При скорости вращения инструмента 1600 об/мин слоистость менее выражена, но наблюдаются завихрения, текущего металла по пере-ферии зоны сварной точки, нечто похожее на турбулентное течение материала (макрошлиф №2). Также на макроструктуре сварных соединений можно увидеть отсутствие следа от стыка. Шов точки не имеет ярко выраженной границы между основным металлом и металлом сварной точки. Анализ макрошлифов, показал отсутствие каких-либо дефектов.
Список литературы
1. Сергеева Е. В. Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (обзор) // Автоматическая сварка. 2013. №5. С. 58-62.
2. Ищенко А.Я., Подъельников С.В., Покляцкий А.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор) // Автоматическая сварка. 2007. №11. С. 32-38.
3. Суслов А.Г., Базров Б.М., Безъязычный В.Ф., Авраамов Ю.С. Сварка трением с перемешиванием // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2012. С. 136-140.
4. Э.Р. Шагабутдинов, М.Е. Кузнецов, В.В. Красильников, И.В. Бородулин,
В.В. Каратыш. Точечная сварка трением с перемешиванемУ/Master's Journal. №1. С.48-53.
KuznecovMaxim Evgenyevich ,student (e-mail: kuznecoff_85@inbox.ru) Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia.
Borodulin Ivan Alexeyevich (e-mail: Gilmor1293@mail.ru) Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia.
Abstract: The results of mechanical test specimens for tensile received spot friction stir welding.
Keywrds: friction stir welding, friction stir spot welding, butt joint, testing.
