CC BY
118
12. Habib, S., Okada, A. Study on the movement of wire electrode during fine wire electrical discharge machining process. // Journal of Materials Processing Technology. 2016. Vol. 227. P. 147-152. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2015.08.015.
13. Study on EDM debris particle size and flushing mechanism for efficient debris removal in EDM-drilling of Inconel 718. / Tanjilul M. [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. 2010. DOI: org/10.1016/j.jmatprotec.2017.12.016.
14. Yoshida M., Kunieda M. Study on the Distribution of Scattered Debris Generated by a Single Pulse Discharge in EDM Process. // IJEM. 1998. Vol. 3. P. 39-47.
15. Computation fluid dynamics analysis of working fluid and debris movement in wire EDMed kerf. Okada A. [et al.] // CIRP Annals - Manufacturing Technology. 2009. Vol. 58. P. 209-212. DOI: 10.1016/j.cirp.2009.03.003.
УДК 621.791.14
ПОЛУЧЕНИЕ СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПЛАСТИН ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ МЕТОДОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
WELDED JOINT OF TITANIUM PLATES MANUFACTURING BY FRICTION STIR WELDING
И. К. Черных, Е. В. Васильев, И. Л. Чекалин, Е. В. Кривонос, Д. С. Макашин
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. K. Chemykh, E. V. Vasil'ev, I. L. Chekalin, E. V. Krivonos, D. S. Makashin
Omsk state technical university, Omsk, Russia
Аннотация. Изделия из титановых сплавов широко используются в таких отраслях, как авиа- и ракетостроение, судостроение. Для сборки корпусов из титановых сплавов используется сварка плавлением, что является достаточно трудоёмким и дорогостоящим процессом. Снижение трудоемкости и себестоимости операции сваривания титановых сплавов возможно за счет внедрения метода сварки трением с перемешиванием (СТП). В статье рассматривается распространение метода СТП в России, проводится исследование свариваемости титановых сплавов ОТ-4 и ВТ-20 методом СТП. Целью исследования является получение сварного соединения данных сплавов, отсутствие дефектов в виде «непроваров» и разработка специального инструмента для получения сварного соединения, а также получение информации о процессе сварки и разработке рекомендаций по сварке титановых сплавов методом СТП. Проведена серия экспериментов, цель исследования достигнута частично для сплава ОТ-4 и достигнута полностью для сплава ВТ-20. Разработан инструмент для СТП титановых сплавов, приведены данные по сварке при различных режимах, возникающие при этом силы и температуры.
Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, титановые сплавы, микроструктура, термодеформационная сварка, фрикционная сварка.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-1-198-207
I. Введение
Сварка трением с перемешиванием (СТП) (патент TWI от 1991 г. [1]) применяется в России для соединения алюминиевых сплавов различных марок. Большинство исследований направлены на получение информации о микроструктуре и прочности шва [2-6], на моделирование процесса сварки [7-9] и подбор режимов [10-14]. Стоит отметить успехи российских исследователей в разработке методики активного контроля при помощи акустической эмиссии [15], в исследовании высокоскоростной сварки [16] и сварки изделий, приближенных к изделиям ракетно-космической техники [17].
Согласно общедоступным данным, промышленное применение СТП в России находится на стадии внедрения в производство в авиакосмической отрасли. Технология СТП планируется к использованию при производстве ракет-носителей семейства «Ангара», разрабатывается технология сварки на АО «РКЦ «Прогресс» для изготовления РН сверхтяжелого класса «Энергия» [18]. В гражданском производстве технологию использует
ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель» при сварке алюминиевых полуприцепов [19, 20]. Внедрение технологии СТП позволило снизить время на сварку кольцевого шва обечайки с 8 часов до 8 минут. Согласно годовым отчётам и зарегистрированным патентам [21-23], активно ведётся исследование процесса СТП на предприятии ВНИИАЛМАЗ, которое является производителем исследовательской установки для СТП в ОмГТУ (фотография установки представлена на рис. 1).
Рис. 1. Исследовательская установка для сварки трением с перемешиванием на базе вертикально-фрезерного станка 6Т12
СТП может осуществляться как на специализированных установках, [16, 17] изготовленных в России и за рубежом, так и на модернизированных станках либо на станках с установленным инструментом для СТП без модернизации [5, 24]. Инструмент для СТП имеет различную конструкцию, в общем случае это примитивные формы пина (треугольная, квадратная, цилиндрическая, коническая) с резьбовыми канавками, предназначенными для более полного перемешивания материала. Инструмент для сварки алюминиевых сплавов, как правило, изготавливается из инструментальной стали с последующей термообработкой, при этом теплостойкость такого инструмента находится в диапазоне 500-650 °С.
Зарубежные исследователи активно проводят исследования по сварке титановых сплавов [25-27]. Результаты экспериментов показывают, что получение сварных швов титановых сплавов марок Ti-6Al-4V, Ti-5111 возможно, при этом используются различные конфигурации пина инструмента и различный материал инструмента. Множество исследователей считают СТП титановых сплавов перспективным методом сварки для использования в аэрокосмической отрасли. Проводятся исследования по СТП элементов конструкций, используемых в аэрокосмической отрасли [28]. Известно, что СТП применяется на самолётах Boeing и Eclipse с лицензией и помощью Британского института сварки (TWI) [29].
II. Постановка задачи
Целью исследования является получение сварного соединения титанового сплава ОТ-4, ВТ-20, нахождение оптимальных режимов сварки опытным путём, разработка инструмента для СТП и получение данных о температуре процесса и возникающих силах.
III. Теория
Сварка алюминиевых сплавов происходит при температуре 300-400 °С, причём температура меняется в зависимости от режимов сварки, характеристик инструмента и свариваемых образцов [30]. Предполагается, что наиболее качественные швы образуются при температуре, близкой к 400-450 °С, которая может различаться в зависимости от сплава. Данное значение обусловлено повышением пластичности материала при нагреве.
Сварка сталей и титановых сплавов протекает при более высоких температурах. В зависимости от свариваемого материала и материала инструмента температура может доходить до 1200 °С при сварке титановых сплавов [31] и до 800 °С при сварке сталей [32], это предъявляет повышенные требования к теплостойкости инструмента.
Основные режимы, которые подбираются для СТП каждого сплава, - это частота вращения инструмента и скорость подачи. Необходимо найти данные значения для титановых сплавов.
IV. Результаты экспериментов Технология СТП была опробована при соединении пластин из титанового сплава ОТ-4 толщиной 1,8 мм с использованием инструмента из закалённой инструментальной стали 4Х5МФС. Процесс сварки проходил при пониженных скоростях (образец №1 80 об/мин при подаче 16 мм/мин; образец №2 при частоте вращения 160 об/мин и подаче 25 мм/мин). В процессе сварки произошло оплавление и разрушение рабочего стержня инструмента (рис. 2), что свидетельствует о недостаточной теплостойкости инструмента для сварки титанового сплава. Температура, наблюдаемая в месте контакта буртика инструмента со свариваемыми заготовками, измерялась тепловизором Fluke Ti400 и достигала 300 °С при сварке образца №1 и 640 °С при сварке образца №2 (рис. 3).
Рис. 2. Разрушение рабочего стержня инструмента из стали 4Х5МФС
(образец №1 получен при частоте вращения 80 об/мин и подаче 16 мм/мин; образец №2 получен при частоте
вращения 160 об/мин и подаче 25 мм/мин)
По результатам данного эксперимента были сделаны следующие выводы: соединение пластин наблюдалось только на наружной поверхности образцов; с противоположной (обращённой к подложке во время сварки) наблюдался участок перемешивания длиной 6 мм, а на протяжении остальной поверхности видна граница между пластинами. Фотографии полученных образцов представлены на рис. 3, 4. Полученные изображения макроструктуры (рис. 5) свидетельствуют о частичном сплавлении металлов, но швы имеют неудовлетворительное качество. С наружной поверхности в структуре материала в образце №1 наблюдается наличие литой, слоистой зоны глубиной до 0,7 мм и зоны термического влияния (ЗТВ) глубиной до 0,3 мм. В образце №2 литая зона глубиной до 0,17 мм, а ЗТВ до 0,07 мм.
Рис. 3. Образец №1
Рис. 4. Микрошлифы образца № 1 (справа - сечение №1, слева - сечение №2)
Рис. 5. Граница зоны сплавления с основным материалом
сечение 1
Рис. 6. Образец №2
Рис. 7. Микрошлиф образца №2 201
Исходя из результатов экспериментов, был спроектирован инструмент для сварки титановых сплавов. В качестве заготовки для изготовления инструмента был взят хвостовик концевой твердосплавной фрезы фирмы SECO из сплава YK30F для обработки материалов ISO-N. Изображение инструмента представлено на рис. 8.
Рис. 8. Инструмент для СТП из твердого сплава
Был проведён эксперимент с использованием данного инструмента. Образец №3 был получен при частоте вращения 200 об/мин и подаче 50 мм/мин, образец №4 при 315 об/мин и 50 мм/мин и образец №5 при 400 об/мин и 80 мм/мин, образец №6 при 630 об/мин и 100 мм/мин.
Путём увеличения частоты вращения и скорости подачи удалось добиться увеличения температуры сварки (рис. 9), но тем не менее сварные швы имели непровар по всей длине (рис. 10). Снижение температуры при сварке образца №6 обусловлено применением защитного газа - аргона; в начале сварки осуществлялся обдув инструмента, что привело к его охлаждению.
100 0
■ Образец №3 ♦ Образец №4 д Образец №5 X Образец №6
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Время t, сек
0
Рис. 9. График зависимости температуры от времени при СТП сплава ОТ4 толщиной 1,8 мм
твердосплавным инструментом
Рис. 10. Образцы сварных швов №3 (слева) и №4 (справа)
Во время сварки образцов №5 и №6 при температуре выше 700 °С наблюдалось интенсивное окисление металла. Для предотвращения окисления при сварке следующего образца №7 в зону сварки осуществлялась пода-
ча аргона из сопла диаметром 5 мм со стороны отхода инструмента, при этом также была увеличена частота вращения инструмента до 1250 об/мин и скорость подачи до 100 мм/мин. На полученном образце №7 наблюдаются зоны качественного перемешивания металла с образованием сварного соединения (рис. 11).
Температура в процессе сварки образца №7 достигала 870 °С. На основании результатов эксперимента был сделан вывод, что для образования сварного соединения титановых сплавов необходимо использование теплостойкого инструмента, температура не менее 800 °С, всесторонняя защита шва инертным газом (кроме защиты нижней стороны пластин, которая контактирует с подложкой) и обеспечение необходимой осевой силы давления инструмента на пластины, которая варьируется в зависимости от конкретных условий сварки. Установлено, что при повышении температуры сварки повышается пластичность материала и вертикальная составляющая силы давления инструмента на изделие уменьшается (рис. 12).
Рис. 11. Образец №7
л е;
и
30000
20000
10000
-10000
Образец №3 Образец №4 Образец №5 Образец №6 Образец №7
Время ^ сек
0
Рис. 12. График зависимости вертикальной составляющей силы при СТП образцов №3-№6
Исходя из этих требований, было изготовлено сопло, осуществляющее подачу защитного газа в зону сварки. Схема сварки представлена на рис. 13.
Рис. 13. Схема сварки с подачей защитного газа через сопло
Образец №8 (рис. 14) и №9 из сплава ВТ-20 толщиной 1,5 мм, полученные с применением данной схемы сварки, в отличие от образцов №1-7 не имели непроваров на лицевой и тыльной стороне шва; частота вращения при сварке образца №8 составила 1250 об/мин и подача 80 мм/мин и 1000 об/мин и 63 мм/мин при сварке образца №9. Температура в процессе сварки составляла 800-1000 °С. На тыльной стороне наблюдался рельеф набегающих друг на друга колец (рис. 15), подобный рельефу на лицевой стороне шва, что свидетельствует о проваре на полную глубину пластин. Цвета побежалости на первой половине шва соответствуют моменту подбора оптимального объема подачи газа во время сварки, после подбора необходимого объёма цвета побежалости отсутствуют, следовательно, металл не окисляется. При достаточном объёме защитного газа «горение» металла и искры наблюдались меньше всего, но, тем не менее, присутствовали, что свидетельствует о необходимости доработки сопла для подачи газа. На тыльной стороне шва виднеется коричневый цвет побежалости вдоль шва, по ширине примерно равный диаметру буртика. В центре шва металл сохранил изначальный цвет. Разрезание образца в поперечном сечении и зачистка показали отсутствие пустот и непроваров, которые можно увидеть невооружённым глазом. Дефект в виде грата предстоит устранить, это можно сделать путём подбора режимов сварки и величины заглубления инструмента внутрь металла. На инструменте наблюдается «налипание» окисленного металла, изношенный инструмент представлен на рис. 16. Однако использование повторно такого инструмента позволяет получить сварной шов, визуально неотличимый от шва, полученного с использованием «чистого» инструмента. Повторные эксперименты при тех же условиях показали подобный результат, что свидетельствует о стабильности процесса.
Рис. 14. Образец №8
Рис. 15. Тыльная сторона шва
Рис. 16. Инструмент после сварки
Вертикальная составляющая силы давления инструмента на пластины в процессе сварки образцов №8 и №9 составила 2-10 кН (рис. 17).
12000
10000
л е; s и
Образец №8 Образец №9
2000 0
ш м м m л ю 1122
Время t, сек
Рис. 17. График зависимости вертикальной составляющей силы при СТП образцов №8 и №9.
V. Обсуждение результатов Цель исследования полностью достигнута для сплава ВТ-20: получен сварной шов, не имеющий непроваров с полным перемешиванием металла, в поперечном срезе шва также отсутствуют непровары. Данный шов получен с использованием разработанного инструмента, режимы сварки подобраны опытным путём.
Для сплава ОТ-4 цель исследования достигнута частично: в шве наблюдаются непровары. Дальнейшая работа по сварке данного сплава будет включать в себя разработку нового сопла, обеспечивающего равномерный подвод защитного газа близко к месту контакта инструмента с заготовками и подбор оптимальных режимов.
VI. Выводы и заключение Достигнутый результат исследования доказывает, что получение сварного шва методом СТП для сплава ВТ-20 возможно, а метод сварки для сплава ОТ-4 требует доработки. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать качественные сварные швы с меньшей трудоёмкостью. Данный процесс поддаётся автоматизации, не требует наличия множества квалифицированных рабочих и помещения, полностью заполненного защитным газом. СТП необходимо внедрять в отечественную промышленность для сборки изделий из титановых сплавов.
Источник финансирования. Благодарности Автор благодарит филиал АО «НПЦ Газотурбостроения «САЛЮТ» «Омское моторостроительное объединение имени П.И. Баранова» за помощь в проведении исследования.
Научный руководитель Попов Андрей Юрьевич, проф., д-р. техн. наук, зав. каф. «Металлорежущие станки и инструменты» ОмГТУ.
Список литературы
1. Thomas M. W., Nicholas E. D., Needham J. C., Murch M. G., Templesmith P., and Dawes C. J., G. B. Patent Application № 9125978.8 (1991).
2. Фортуна С. В., Елисеев А. А., Калашникова Т. А., Колубаев Е. А. Эволюция микроструктуры и свойств термически упрочняющегося алюминиевого сплава при сварке трением с перемешиванием // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 20-24 августа 2015 г. Казань. С. 3937-3939.
3. Колубаев Е. А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. С. 886-894.
4. Калашникова Т. А., Калашников К. Н., Заикина А. А. [и др.]. Структура сварных соединений алюминиевого сплава 157 0С, полученных методом сварки трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 150-158.
5. Черных И. К., Матузко Е. Н., Васильев Е. В., Кривонос Е. В. Повышения качества сварных швов, полученных при помощи сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов АМГ6 // Динамика систем, механизмов и машин. 2017. Т.5, №1. С. 113-120. DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-113-120.
6. Шайлеш А. Рао, Ювараджа Найк. Сравнение внешнего вида, микроструктуры и механических свойств на растяжение сварных соединений Al-Si сплавов после сварки трением с перемешиванием // Физика металлов и металловедение. 2017. Т.118, № 7. С. 752-760.
7. Ситников И. В., Саломатова Е. С. Численное моделирование сварки трением с перемешиванием // Master's journal. 2014. № 2. С. 84-88.
8. Майстренко А. Л., Нестеренков В. М., Дутка В. А., Лукаш В. А. [и др.] Моделирование тепловых процессов для улучшения структуры металлов и сплавов методом трения с перемешиванием // Автоматическая сварка. 2015. № 1 (739). С. 5-14.
9. Рзаев Р. А., Чуларис А. А., Джалмухамбетов А. У., Атуев Ш. М. Динамическая модель распределения температуры в металле при сварке трением с перемешиванием // Фундаментальные исследования. 2016. № 3. С. 47-55.
10. Покляцкий А. Г. Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием // Автоматическая сварка. 2011. № 8(700). С. 48-51.
11. Терентьев С. А., Арзыев Т. Р. Сварка трением с перемешиванием деталей из технического алюминия // Master's journal. 2012. № 1. С. 46-49.
12. Черных И. К., Матузко Е. Н., Васильев Е. В., Кривонос Е. В. Исследование влияния технологических факторов на качество шва, полученного сваркой трением с перемешиванием // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность. 2017. № 1. С. 70-76.
13. Барахтин Б. К., Высоцкая М. А. Применение системного анализа структуры для оптимизации режимов сварки трением с перемешиванием // Межвузовский сборник научных трудов. 2015. № 7. С. 83-96.
14. Покляцкий А. Г. Параметры процесса сварки трением с перемешиванием тонколистовых алюминиевых сплавов // Вестник полоцкого государственного университета. Серия В: Промышленность. Прикладные науки. 2015. № 11. С. 53-58.
15. Левихина А. В., Рубцов Е. А., Колубаев Е. А. Мониторинг образования несплошностей методом акустической эмиссии в процессе сварки трением с перемешиванием // Известия алтайского государственного университета. 2017. № 4 (96). С. 39-44.
16. Бойцов А. Г., Качко В. В., Курицын Д. Н. Высокоскоростная сварка трением перемешиванием авиационных материалов и конструкций // Электрофизические и электрохимические методы обработки. 2013. № 5-6 (77-78). С. 35-42.
17. Шачнев С. Ю., Пащенко В. А., Махин И. Д. [и др.]. Отработка технологии сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов 1570С, АМГ6 большой толщины для использования в перспективных разработках РКК «Энергия» // Космическая техника и технологии. 2016. № 4 (15). С. 24-30.
18. Кирилин А. Н., Ахметов Р. Н. АО «РКЦ «Прогресс» - Результаты и перспективы ракетно-космической деятельности // К.Э. Циолковский - 160 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: 7-я Междунар. научно-технич. конф. тез. докл. Рязан. гос. радиотехн. университет. Рязань, 2017. С. 22-41.
19. Бакшаев В. А., Васильев П. А. Технология сварки трением с перемешиванием в заготовительном производстве // Современные проблемы машиностроения: сборник научн. трудов VII Междунар. научно-технич. конф.: под ред. А. Ю. Арляпова, А. Б. Кима; Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2013. С. 151-155.
20. Бакшаев В. А., Васильев П. А., Гордон Л. К. [и др.]. Технология сварки трением с перемешиванием в производстве алюминиевых полуприцепов // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 12. С.13-17 .
21. Пат. 2534484 Российская Федерация, МПК B23K20/12. Способ изготовления штифта инструмента для перемешивающей сварки трением / Журавлев В. В., Дудаков В. Б.; заявл. 07.05.13; опубл. 27.11.14, Бюл. №33.
22. Пат. 2393071 Российская Федерация, МПК B23K20/12. Способ сварки трением с перемешиванием и инструмент для сварки трением с перемешиванием / Бойцов А. Г., Качко В. В.; заявл. 11.12.08; опубл. 27.06.10, Бюл. №18.
23. Пат. 2393070 Российская Федерация, МПК B 23 K 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием / Крысанов О. Н., Качко В. В., Клиппенштейн А. Д. № 2008148775/02; заявл. 11.12.08; опубл. 27.06.10, Бюл. №18.
24. Терентьев С. А., Арзыев Т. Р. Установка для исследования параметров и режимов сварки трением с перемешиванием // Master's journal. 2012. № 1. С. 83-85.
25. Kapil Gangwar, M. Ramulu , Friction stir welding of titanium alloys: A review. // Materials & Design. 2017. Vol. 141. P. 230-255. DOI:10.1016/j.matdes.2017.12.033.
26. Ameth Fall, Mostafa Hashemi Fesharaki, Ali Reza Khodabandeh and Mohammad Jahazi Tool wear characteristics and effect on microstructure in Ti-6Al-4V friction stir welded joints // Metals. 2016. Vol. 6 (275). P. 1-12. DOI:10.3390/met6110275.
27. Fall A., Jahazi M., Khdabandeh A. R., Fesharaki M. H. Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir-welded Ti-6Al-4V joints // Int J Adv Manuf Technol. 2017. P. 2919-2931. DOI:10.1007/s00170-016-9527-y.
28. Edwards P., Ramulu M. Fatigue performance of Friction Stir Welded titanium structural joints // International Journal of Fatigue. 2015. Vol. 70. P. 171-177. DOI:10.1016/j.ijfatigue.2014.09.013.
29. Friction Stir Welding of Airframe Structures. URL: https://www.twi-global.com/industries/aerospace/ioining-of-airframe-structures/friction-stir-welding-of-airframe-structures/ (дата обращения: 01.08.2018).
30. Черных И. К., Кривонос Е. В., Матузко Е. Н., Васильев Е. В. Исследование процесса сварки трением с перемешиванием пластин из алюминиевого сплава АМГ6 // проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли: материалы XI Всеросс. научн. конф., посвященной памяти главного конструктора ПО «Полёт» А. С. Клинышкова. 2017. С. 126-134.
31. Mironov S., Sato Y. S., Kokawa H. Friction-stir welding and processing of Ti-6Al-4V titanium alloy: A review // Journal of Materials Science & Technology. 2018. Vol. 34. P. 58-72. D0I:10.1016/j.jmst.2017.10.018.
32. Zhang H., Wang D., Xue P., Wu L. H., Ni D. R., Xiao B. L., Ma Z. Y. Achieving ultra-high strength friction stir welded joints of high nitrogen stainless steel by forced water cooling // Journal of Materials Science & Technology. 2018. Vol. 34. P. 2183-2188. D0I:10.1016/j.jmst.2018.03.014.
