CC BY
169
ЯКОВлЕВ Алексей Борисович, кандидат технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение». SPIN-код: 8194-5800 AuthorlD (РИНЦ): 488687 ORCID: 0000-0002-1987-2138 AuthorlD (SCOPUS): 56503089200 ResearcherlD: E-7451-2014
Адрес для переписки: yakovlev@omgtu.ru
Для цитирования
Кузьменко И. А., Яковлев А. Б. Исследование свойств системы автоматического регулирования жидкостной ракетной двигательной установки с интегрирующим регулятором // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 17-21. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-163-17-21.
статья поступила в редакцию 21.12.2018 г. © и. А. Кузьменко, А. Б. Яковлев
УДК 621.791.14
DOI: 10.25206/1813-8225-2019-163-21-25
И. К. ЧЕРНЫХ Е. В. ВАСИЛЬЕВ Р. В. ДЫЛЬЧЕНКО Ю. Е. ЖДАНОВА Б. К. ИГИСЕНОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ разнородных МЕТАЛЛОВ
МЕТОДОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
В статье представлены некоторые особенности образования сварных соединений различных систем металлов для стыковых и нахлесточных соединений. Рассмотрена схема образования стыкового соединения алюминиевых сплавов со сталью со смещением инструмента. Проведен анализ качества и структуры швов, полученных согласно данной схеме. Исследован микрошлиф полученного образца сварного шва алюминиевого сплава АМГ6 с нержавеющей сталью 12Х18Н10Т толщиной 2 мм при частоте вращения инструмента 500 об/мин и подаче 50 мм/мин со смещением инструмента на 0,2 мм в стальную заготовку. В ядре шва наблюдается взаимное проникновение металлов на глубину до 3,2 мм и стальные включения в алюминиевом сплаве размером до 0,3 мм.
Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, фрикционная сварка, сварка разнородных металлов, алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, структура сварного шва.
Сварка разнородных металлов позволяет создавать цельные конструкции, в которых отдельные поверхности будут обладать различными физико-механическими свойствами и, соответственно, выполнять различные функции. Биметаллические соединения широко используются в тех случаях, когда невыгодно изготавливать из дорогого материала изделие целиком — вместо этого предусматривается отдельный участок из отличающегося материала, который испытывает воздействие определенных нагрузок. При этом существует ряд сложностей в изготовлении данных сварных соединений, а номенклатура свариваемых металлов охватывает всевозможные сплавы и чистые металлы. Из сложностей
соединения разнородных металлов можно выделить следующие: различие температур плавления свариваемых металлов, различие в коэффициентах линейного расширения, различие свойств теплопроводности, образование интерметаллидов. Примеры биметаллических соединений различных конструкций представлены на рис. 1 [1-3].
Целью данного исследования является оценка возможности сваривания разнородных металлов методом сварки трением с перемешиванием и анализ структуры стыкового соединения алюминиевого сплава с нержавеющей сталью.
Сварка разнородных металлов, таких как сталь и титан, имеет свои особенности. Титан с легирующими компонентами стали образует
о
го >
в)
Рис. 1. Примеры биметаллических соединений в промышленности: а — соединение импеллера из инконеля с хвостовиком из углеродистой стали; б — трубный биметаллический переходник из стали 12х18Ш0Т и титанового сплава ВТ6с с использованием кольцевых проставок из бронзы Бр.х
и ниобиевого сплава 5В2Мц; в — соединение стальных держателей с алюминиевым багажником для Mazda, изготовленное методом сварки трением с перемешиванием
химические соединения двух и более металлов, а с углеродом — образует карбиды. Например, для осуществления сварки переходника из хромоникелевой стали 12Х18Н10Т и титанового сплава ВТ6С можно использовать проставки из бронзы (Бр.Х) и ниобиевых сплавов (5В2МЦ, НбЦ) [1]. Сварка данных переходников осуществляется в несколько этапов. На первом этапе производится сварка трубной заготовки из стали 12Х18Н10Т с заготовкой из бронзы Бр.Х. Торец бронзовой проставки нагревается до температуры, при которой на поверхности образуется тонкий слой расплавленного металла, а стальная заготовка нагревается до такой температуры, при которой возможно надёжное смачивание расплавленной бронзой. На втором этапе производится сварка трубной заготовки из титанового сплава ВТ6С с заготовкой из ниобиевого сплава по принципу первого этапа данной технологии.
На третьем этапе две части 12Х18Н10Т + Бр.Х и ВТ6С + 5В2МЦ свариваются между собой по аналогичной технологии. Сварные соединения формируются по схеме сварки-пайки, поэтому необходимым условием отсутствия непровара в соединениях является оплавление торца из бронзы и титана, смачивание и растекание расплавленного металла по торцу стали и ниобиевого сплава. При испытании на статическое растяжение прочность соединения соответствует уровню прочности бронзы Бр.Х. При наличии утолщения в месте сварки прочность равняется прочности сварного соединения трубы из стали 12Х18Н10Т.
Современные исследователи [1—6] демонстрируют высокий интерес к процессу сварки разнородных металлов методом сварки трением с перемешиванием (СТП), который в настоящее время находит всё более широкое применение
Рис. 2. Стандартная схема сварки трением с перемешиванием применительно к сварке разнородных металлов
Рис. 3. Схема получения соединений сталь-алюминий со смещением инструмента
в промышленности. Данный метод сварки позволяет осуществлять соединение металлов без их расплавления, в твёрдой фазе, и часто без использования дополнительных проставок, хотя их наличие также является темой исследований [5, 7].
Рассматривая сварку других систем, таких как медь с алюминиевым сплавом, алюминиевый сплав с нержавеющей сталью, алюминиевый сплав с титановым сплавом, стоит выделить исследование [8]. Исследование проводилось на листовых образцах меди М1, алюминиевого сплава Ад1, титанового сплава ОТ4-1 и нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Сварка осуществлялась методом СТП. Перед сваркой образцы из меди были термически обработаны, а остальные подготавливались удалением оксидной пленки. Сварка производилась на вертикальном фрезерном станке со скоростью вращения инструмента от 600 до 1200 об/мин, скорость сварки варьировалась от 25 до 60 мм/мин. Во время сварки материалов с различными температурами плавления был использован технологический приём, приведённый в данной статье ниже, а именно смещение оси инструмента в сторону более легкоплавкого материала.
Также исследовались различные варианты конструктивного оформления кромок деталей: «пила» (стык представляет собой не прилегающие друг к другу плоскости, а волнообразные поверхности, заходящие друг в друга), «скос 60 °», «замок», «шип» и «скос 30 °». Последние представляют собой изменения стыка в плоскости поперечного сечения. Результаты исследования показали, что повышение площади контактирования деталей приводит к лучшим показателям прочности (схемы «пила», «шип» и скосы). Металлографическое исследование показало, что соединения выполнены с полным проваром корневой части шва.
Ещё одним примером применения соединений разнородных металлов являются токове-дущие шины из алюминия и медных сплавов. В промышленности для их изготовления часто используют нахлесточное болтовое соединение, которое приводит к уменьшению сечения детали и окислению мест контакта. Применение СТП позволяет исключить данные проблемы [4].
Исследование макрошлифов показывает отсутствие непроваров, а механические испытания подтверждают высокий уровень прочности разнородных соединений. Исследование структуры нахлёсточных соединений таких систем, как Ni-Cu, Cu-сталь и Al-Fe, показало, что метод СТП позволяет создать соединение с взаимным проникновением одного металла в другой на глубину от 2 мм (для пластин толщиной от 3 мм). При этом образуются твердые растворы, интерметал-лидные соединения и эвтектики, а роль диффузионных процессов менее значительна. Также происходит измельчение структуры сварного шва [9]. Несмотря на то, что данные системы имеют различную растворимость, биметаллические соединения не имеют непроваров в поперечном сечении.
Особенность образования соединений алюминий—сталь заключается в том, что эти металлы имеют различные температуры плавления. При изготовлении соединений Al—Al методом СТП температуры, возникающие в зоне сварки, не превышают 500 °С. Проведённые ранее эксперименты показали, что температура в месте контакта опорного буртика с поверхностью свариваемых изделий не превышает 400 °С при сварке пластин толщиной 2 мм и при оптимальных режимах сварки [10].
При сварке же стальных сплавов температура может достигать 800 °С [11]. При использовании стандартной схемы сварки трением с перемешиванием (рис. 2), когда ось инструмента располагается в плоскости стыка деталей, площади контакта инструмента с пластинами по обе стороны стыка равны, что приводит к неравномерному нагреву (в стальной детали выше 700 °С, а в алюминиевой ниже 500 °С) который вызван различными физико-механическими свойствами деталей. Нагрев стыка выше 660 °С приведёт к плавлению алюминиевой детали. По этой причине для получения соединения алюминиевого сплава со сталью ось инструмента смещают в сторону алюминиевого сплава, при этом обеспечивается перемешивание с образованием качественного шва, а температура не достигает температуры плавления алюминия. Схема получения соединений сталь — алюминий представлена на рис. 3.
Е s х
О
го >
Рис. 5. укрупненное изображение ядра шва и отдельных его участков
Здесь величина смещения в стальной сплав / зависит от конкретных условий. На рисунке показана схема получения соединения, в которой направление подачи и направление перемешивания алюминия сонаправлены. Возможно также использование схемы, где данные направления противоположны. Использование данной схемы позволило оценить влияние нанопорошка на механические свойства соединения сталь — алюминий [6], в этом исследовании была достигнута прочность, равная 94 % прочности алюминиевого сплава после 6 проходов.
Использование такой схемы при сварке сплавов 88400 и А5083 толщиной 2 мм с диаметром рабочего стержня 2 мм и длиной 1,9 мм позволило получить шов прочностью, равной примерно 86 % прочности сплава А5083 при величине /=0,2 мм [12]. При других значениях данной величины прочность шва уменьшалась (при /=0,4 прочность 70 %, при /=0,6 прочность 10 %).
Исследование, проведенное авторами данной статьи, показало, что получение качественного разнородного сварного соединения для пластин толщиной 8 мм из сплава АМГ6 и 12Х18Н10Т с использованием инструмента с коническим пином невозможно. Причиной этого является неодинаковая величина смещения / по всей длине пина, что обусловлено его формой. При величине смещения от 0,1 до 1 мм сварное соединение наблюдалось либо на участке лице-
вой стороны шва, либо на тыльной стороне, но никогда по всей глубине стыка. Следовательно, для сварки с использованием данной схемы необходимо использование инструмента либо с меньшей конусностью, либо цилиндрической формы. Для проверки этой гипотезы был проведён эксперимент по сварке пластин из сплава АМГ6 и 12Х18Н10Т толщиной 2 мм инструментом с меньшей конусностью при /=0,2 мм, частоте вращения п = 500 об/мин и величине подачи в = 50 мм/мин. Внешние дефекты и дефекты в поперечном сечении, наблюдаемые невооружённым глазом, отсутствуют. Видна чёткая граница между двумя металлами с участками взаимного проникновения металлов на 3,2 мм, при этом соединение наблюдается как в верхней части шва, так и в донной.
На рис. 4 — 5 представлено изображение микрошлифа данного соединения без травления. В ядре шва преобладает алюминиевый сплав, в нём наблюдаются стальные включения размером до 0,3 мм. Граница перехода между металлами видна чётко, но возле границы наблюдаются включения больших размеров и граница представляет собой ломаную линию. Включения стали отличаются от алюминиевого сплава характерным отличием поверхности (на рис. 4 — 5 более темные).
По результатам исследования установлено, что метод сварки трением с перемешиванием по-
зволяет получить качественные сварные соединения разнородных металлов, в частности сплава АМГ6 и 12Х18Н10Т.
В ядре шва наблюдается взаимное проникновение частиц металла друг в друга.
Для образования данного соединения важную роль играет механическое перемешивание металлов и подбор величины смещения инструмента f относительно плоскости стыка, а также режимы сварки.
Библиографический список
1. Сидякин В. А., Пономарев К. Е., Хаустов В. С., Арбузов В. М. Некоторые особенности стыковой сварки трубных переходников сталь — титан электрической дугой в инертной среде низкого давления // Вестник НПО имени С. А. Лавочкина. 2011. № 1. С. 49-54.
2. Mazda Develops World's First Steel and Aluminum Joining Technology Using Friction Heat. URL: http:// www2.mazda.com/en/publicity/release/archive/2005/ 200506/050602.html (дата обращения: 19.12.2018).
3. Automotive Electron Beam Welding (EBW). URL: https://www.ptreb.com/electron-beam-welding-applications/ automotive-welding (дата обращения: 19.12.2018).
4. Бубенок Е. С. Соединение разнородных металлов сваркой трением с перемешиванием (Cu-Al) // Вестник ДГТУ. 2013. №7/8 (75). С. 42-48.
5. Fallahi A. A., Shokuhfar A., Ostovari Moghaddam A. [et al.]. Analysis of SiC nano-powder effects on friction stir welding of dissimilar Al-Mg alloy to A316L stainless steel // Journal of Manufacturing Processes. 2017. Vol. 30. P. 418430. DOI: 10.1016/j.jmapro.2017.09.027.
6. Чуларис А. А., Людмирский Ю. Г., Рзаев Р. А. [и др.]. О возможности диспергирования в условиях сварки трением с перемешиванием // Современные тенденции развития науки и технологий. 2016. № 7-2. С. 97-102.
7. Almar Kar, Sounak K. Choudhury, Satyam Suwas [et al.]. Kailas Effect of niobium interlayer in dissimilar friction stir welding of aluminum to titanium // Materials Characterization. 2018. № 142. P. 402-412 DOI: 10.1016/j. matchar.2018.09.007.
8. Рзаев Р. А., Чуларис А. А., Досимов А. С., Наумов А. А., Зотов О.Г. Использование технологических приемов для повышения прочности разнородных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием // Вектор науки ТГУ. 2018. №1 (43). С. 67-76.
9. Григоренко Г. М., Адеева Л. И., Туник А. Ю. [и др.] Особенности структуры сварных соединений металлов с различной растворимостью элементов в твердой фазе, полученных сваркой трением с перемешиванием // Автоматическая сварка. 2014. № 4. С. 13-23.
10. Черных И. К., Кривонос Е. В., Матузко Е. Н., Васильев Е. В. Исследование процесса сварки трени-
ем с перемешиванием пластин из алюминиевого сплава АМГ6 // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли: материалы XI Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полет» А. С. Клинышкова, 30-31 мая 2017 г. Омск, 2017. С. 126-134. 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
11. Cunha P. H., Lemos G. B., Bergmann L. [et al.]. Effect of welding speed on friction stir welds of GL E36 shipbuilding steel // Journal of Materials Research and Technology. 2018. DOI: 10.1016/j.jmrt.2018.07.014.
12. Kimapong K., Watanabe T. Friction stir welding of aluminum alloy to steel // Welding Journal. 2004. 83 (10). P. 277S-282S.
чЕРных иван Константинович, инженер кафедры «Металлорежущие станки и инструменты»; магистрант гр. КТОм-172 факультета элитного образования и магистратуры. SPIN-код: 2858-5441 ORCID: 0000-0003-1239-5647 AuthorID (SCOPUS): 57200720534 ВАсильЕВ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». SPIN-код: 6546-3741 ORCID: 0000-0001-5986-8873 AuthorID (SCOPUS): 56503710300 ResearcherID: L-8864-2014
ДыльченКО Роман Валерьевич, студент гр. КТО-163 машиностроительного института. ЖДАнОВА юлия Евгеньевна, аспирантка гр. Ма-182 машиностроительного института. иГисЕнОВ Базарбай Каирбаевич, магистрант гр. КТОм-172 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: vnchrnkh@gmail.com
Для цитирования
Черных И. К., Васильев Е. В., Дыльченко Р. В., Жданова Ю. Е., Игисенов Б. К. Особенности сварки разнородных металлов методом сварки трением с перемешиванием // Омский научный вестник. 2019. № 1 (163). С. 2125. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-163-21-25.
статья поступила в редакцию 24.12.2018 г. © и. К. черных, Е. В. Васильев, Р. В. Дыльченко, ю. Е. Жданова, Б. К. игисенов
