CC BY
80
УДК 621.791.14
И. Л. ЧЕКАЛИН И. К. ЧЕРНЫХ Е. В. КРИВОНОС Е. В. ВАСИЛЬЕВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ШВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ_
Использование станков для осуществления сварки трением с перемешиванием позволяет получать более к ачественные с варные ш вы высокого ка чества с большей производительностью в сравнении со ш вами, полученными н аиболее р аспростра-ненным методом аргонно-дуговой сварки. Именно благодаря обеспечению данных показателей метод с варки трением с перемешиванием в н астоящее время используется в ракетостроении и авиастроении, где отлично себя зарекомендовал. Тем не менее, прочность сварного шва далеко не всегда достигает прочности основного металла, од нако этого можно достичь, используя р азличные способы повышения качества. В статье р ассматриваются существующие способы с варки, а также перспективные способы с варки с дополнительным воздействием н а свариваемые изделия. Анализируются возможные формы стыков с вариваемых изделий, схемы траекторий движения инструмента. Предлагается способ местного термического воздействия на с вариваемые изделия при помощи устройства для местного н агрева. Ключевые слова: с варка трением с перемешиванием, термическое воздействие, схемы сварки, нагревательные элементы, производительность, качество, прочность, сварной шов.
Интерес к процессу сварки трением с перемешиванием (СТП) не ослабевает по мере того, как продолжается всё более глубокое исследование этого процесса в России и за рубежом. СТП зарекомендовала себя как высокопроизводительный и качественный метод сварки, благодаря чему уже используется во многих технологических процессах сборки изделий ракетостроительной, авиастроительной, судостроительной и других отраслях. Внедрение технологии СТП в производство имеет свои недостатки, среди которых необходимость специального оборудования для осуществления СТП (станок, промышленный робот) и необходимость подготовки свариваемых кромок, в отличие от аргонно-дуговой сварки, где предъявляются намного более низкие требования к подготовке кромок перед сваркой. Но эти недостатки компенсируются качеством полученных швов и высокой скоростью сварки с сохранением прочности на уровне, близком к уровню прочности основного металла.
Исследования сварных швов на твердость [1] и прочность [2] показывают, что в ядре шва твердость и прочность в некоторых случаях выше, чем в основном металле, но в общем прочность сварных швов, полученных при помощи СТП, составляет около 80 % прочности основного металла, о чем свидетельствуют результаты экспериментов, полученные ранее [3, 4].
В целях повышения прочности сварных швов предлагается использовать следующие схемы осуще-
ствления СТП (рис. 1). Сварка может осуществляться как за один проход, так и за несколько, причём повторный проход снижает прочность соединения на 10—15 %, но позволяет избавиться от дефектов [5]. Также возможна двухсторонняя сварка, если свариваемые изделия имеют большую толщину. СТП возможно реализовать не только для стыковых соединений, но также и для тавровых, угловых и др.
Среди способов повышения качества сварного шва можно выделить использование инструмента особой конструкции, применение которого может повысить прочность соединения до прочности основного металла [6]. Также известны способы, в которых используется местное охлаждение металла [7], дополнительное ультразвуковое воздействие на детали [8], нагрев индукционным током [9], способ лазерной сварки трением с перемешиванием [ 10].
Предполагается, что повысить качество шва можно также путём изменения формы свариваемых кромок или изменением траектории движения инструмента в направлении стыка, либо применением дополнительного термического воздействия на сварное соединение. Эти методы относятся к малоизученным, поэтому рассмотрим их подробнее.
На рис. 2 представлены возможные формы стыков свариваемых деталей. Прямая форма стыка (рис. 2а) наиболее распространена и уже доказала свою эффективность. При использовании формы стыка по ломаной линии (рис. 2б) возрастут нагрузочные способности и прочность соединения в целом
о
оэ >
Рис. 1. Принципиальная схема СТП
А
Рис. 2. Возможные формы стыков свариваемых Аеталей: а — прямая; б — по ломаной линии (зигзагообразная); в — по ломаной линии со срезанными вершинами; г — волнообразная; А — со сложным профилем в поперечном сечении
г?
о
х
3
за счёт распределения нагрузки на большую площадь, а также снижения нормальных напряжений вследствие расположения шва под углом к вектору нагружения. Предполагается, что именно она способна выдерживать максимально высокую нагрузку среди всех предлагаемых вариантов. Стык по ломаной линии со срезанными вершинами (рис. 2в) представляет собой промежуточный вариант между предыдущими траекториями (рис. 2а, б), который обладает прочностью, близкой к прочности шва с зигзагообразным стыком, но при этом высота срезанных вершин не отклоняется на значительные величины от стыка свариваемых деталей, что избавит от непроваров, возникающих когда инструмент располагается слишком далеко от стыка деталей и не осуществляет достаточного перемешивания. Волнообразная форма стыка (рис. 2г) представляет собой более плавную версию траектории (рис. 2 в), не имеющую чётких углов, как теоретически возможных концентраторов напряжений, она является наиболее короткой сложной траекторией. Также существует вариант сварки деталей со сложным профилем в поперечном сечении (рис. 2д), отличительной характеристикой которых является наличие специально подготовленных кромок ломаной формы, которые повторяют форму друг друга. Предполагается, что такие швы будут давать лучшие показатели прочности при испытании на растяжение, поскольку длина стыка в поперечном сечении будет больше.
Среди особенностей траекторий надо отметить то, что отклонение стыка детали от оси инструмента или зазор между заготовками на значительные величины приводит к непровару, который сильно сказывается на прочности шва, поэтому необходимо оптимально подбирать параметры шага и высоты выполняемых профилей. При сварке зигзагообразных и волнообразных швов следует проверить зависимость прочности от высоты Ь и шага ^ варьируемыми при исследованиях в широком диапазоне с учётом габаритов самих свариваемых деталей.
Также для повышения прочности шва планируется испытать сварку по нелинейным траекториям подачи. Рассмотрим некоторые из возможных (рис. 3).
Так как представленные подачи не имеют чёткого линейного характера и постоянно меняют своё направление, требуются повышенные требования к установке заготовок, а конкретно — нуждаются в большей жёсткости крепления. Все эти траектории реализуемы с применением станков с ЧПУ.
Доведение обрабатываемого материала до пластичного состояния происходит в процессе трения между инструментом и заготовками и в процессе нагрева из-за деформаций, вызванных осевым усилием и движением инструмента вдоль соединяемых кромок. Следовательно, внешний дополнительный источник тепла будет ускорять доведение материала заготовки до необходимого уровня темпера-
ЛЛ
Рис. 3. Возможные траектории движения инструмента: а — трохоидальная; б — по ломаной линии (зигзагообразная); в — волнообразная
туры и пластичности, что позволит оптимизировать режимы обработки. При направлении потока нагретого воздуха в уже обработанную область будет создаваться такой градиент температур, который будет способствовать более равномерному охлаждению.
Ранее было экспериментально определено, что температура в месте контакта инструмента с поверхностью заготовок при сварке с частотой вращения инструмента 800 об./мин и скоростью сварки 125 мм/мин находится в пределах 330 — 380 градусов [4, с. 133]. В этом исследовании был получен график распределения температуры вдоль стыка пластин. На полученном графике чётко видно, что в месте контакта инструмента с поверхностью свариваемых заготовок температура достигает 350 °С, причём на расстоянии 5 мм от поверхности опорного буртика температура образовавшегося сварного шва составляет уже 100— 150 °С, а далее через каждые 5 мм от места контакта буртика с деталями температура падает на 30 — 40 °С. Разница между максимальной и минимальной температурой на поверхности заготовок в процессе сварки на длине 20 мм вдоль сварного шва составляет около 300 °С, а средняя температура на этой длине составляет около 130 °С. Стоит также учесть, что температура на поверхности контакта меньше, чем температура в зоне перемешивания металла, где она может достигать 400 — 500 °С. Очевидно, резкое остывание перемешанного металла может привести к возникновению дополнительных напряжений и неблагоприятно сказаться на формировании микроструктуры шва, поскольку нагрев до температур, приводящих металл в пластичное состояние, осуществляется при диаметре буртика 25 мм в зоне 30 мм вокруг рабочего стержня инструмента, и, как уже было упомянуто выше, в большем радиусе вокруг рабочего стержня инструмента температура значительно ниже, что приводит к образованию чётких границ между зонами сварного шва.
Предполагается, что применение устройства для местного нагрева (рис. 4) позволит распределить уровень температур на длине около 50 мм вокруг сварного шва и повысить среднюю температуру на этой длине, что не будет приводить к резкому остыванию перемешанного металла, что, в свою очередь, приведёт к увеличению прочности сварных швов.
Используя вышеупомянутые схемы сварки и схемы движения инструмента, используя устройства для дополнительного воздействия на сварной шов, можно значительно повысить прочность изделий, изготовленных при помощи СТП, и, как следствие, увеличить прочность всей конструкции, ведь
Рис 4. Схема устройства для местного нагрева: 1 — свариваемые изделия; 2 — сопло; 3 — трубка; 4 — нагревательный элемент; 5 — нагнетатель; 6 — привод нагнетателя
именно от сварных швов зависит прочность наиболее ответственных конструкций, таких как топливные баки, корпуса судна и самолётов и т.д.
Можно считать перспективными дальнейшие исследования как по сварке алюминиевых сплавов, так и по сварке разнородных сплавов и титановых сплавов. Также представляет интерес высокоскоростная сварка, которая позволяет с использованием высокоскоростного технологического оборудования получать сварные швы, по прочности равные 90 — 95 % прочности основного материала со скоростью сварки до 2000 мм/мин [11]. Среди причин использования данного метода сварки отмечается уменьшение веса свариваемого изделия. Так, например, использование СТП при производстве самолёта «Eclipse 500» снижает его вес на 50 фунтов, что приводит к экономии топлива из расчёта на 100 тыс. час 350 тыс. долл. США [12]. При этом для использования в таких ответственных конструкциях сварные швы подвергаются различным методикам контроля, которые позволяют до введения изделия в эксплуатацию оценить его качество. Самый распространённый метод контроля сварных соединений, полученных этим методом сварки, это метод УЗ-контроля; разработанная для него методика [13] показывает высокую достоверность результатов контроля, позволяет выявлять непровары, неопределяемые визуально [14]. При этом возможен также активный контроль при
б
а
в
4f
помощи тепловизора, который может выявить значительные несплошности в сварном шве [15].
Для дальнейших исследований необходимо привлекать внимание отечественных предприятий к данному методу сварки. Для этого планируется работать над созданием технологии способа сварки поверхностей сложной геометрической формы, которая может заинтересовать судостроительные и вагоностроительные предприятия.
Библиографический список
1. Vijaya Kumar P., G. Madhusudhan Reddy, Srinivasa Rao K. Microstructure, mechanical and corrosion behavior of high strength AA7075 aluminium alloy friction stir welds — effect of post weld heat treatment // Defence Technology. 2015. Vol. 11, Issue 4. P. 362-369. D01:10.1016/j.dt.2015.04.003.
2. Naimuddin S. K., Tousee M., Vidhu K., Yousuf A. Mechanical Properties of friction stir welding joints of similar & disimilar aluminium alloys AA6061 & 6082 // International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2016. Vol. 7, Issue 4, P. 256-266.
3. Kimapong K., Watanabe T. Friction Stir Welding of Aluminum Alloy to Steel // Welding Journal. 2004. P. 277-282.
4. 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 Всерос. науч.-техн. конф., посвящ. памяти главного конструктора ПО «Полёт» А. С. Клинышкова. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017. C. 128-134.
5. Лукин В. И., Иода Е. Н., Базескин А. В. [и др.]. Сварка трением с перемешиванием высокопрочного алюминиево-ли-тиевого сплава В-1469 // Сварочное производство. 2012. № 4. С. 45-48.
6. Пат. 2357843 Российская Федерация, МПК В23К 20/12. Инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов и способ сварки / Алифиренко Е. А., Зарубин В. М., Орыщенко А. С., Осокин Е. П., Павлова В. И. №2007128635/02; заявл. 25.07.07; опубл. 10.06.09. Бюл. № 16.
7. Пат. 2270083 Российская Федерация, МПК В23К 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием и устройство для его осуществления / Шегльманн Г., Пальм Ф., Рехтер К. № 2003104980/02; заявл. 19.07.01; опубл. 20.02.06. Бюл. № 5.
8. Пат. 2616313 Российская Федерация, МПК В23К 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием и с ультразвуковым воздействием / Колубаев Е. А., Рубцов В. Е., Иванов А. Н.,
Псахье С. Г., Фортуна С. В., Бакшаев В. А., Васильев П. А. № 2015153096; заявл. 10.12.15; опубл. 14.04.17. Бюл. № 11.
9. Пат. 2393070 Российская Федерация, МПК В23К 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.
10. Пат. 2271908 Российская Федерация, МПК В23К 20/12. Способ лазерной сварки трением с перемешиванием / Пальм Ф. № 2003105229/02; заявл. 19.07.01; опубл. 27.08.04. Бюл. № 24.
11. Бойцов А. Г., Качко В. В., Курицын Д. Н. Высокоскоростная сварка трением, перемешиванием авиационных материалов и конструкций // Металлообработка. 2013. №5 — 6.
С. 35-42.
12. Сергеева Е. В. Сварка трением с перемешиванием в авиакосмической промышленности (обзор) // Автоматическая сварка. 2013. № 5 (721). С. 58-62.
13. Рубцов В. Е., Колубаев Е. А., Тарасов С. Ю. Методика ультразвукового контроля сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, с использованием технологии фазированной антенной решетки // Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 229.
14. Елисеев А. А., Фортуна С. В., Рубцов В. Е., Колубаев Е. А., Калашникова Т. А. Влияние ультразвукового воздействия на структуру и свойства соединений сплава д16 при сварке трением с перемешиванием // Фундаментальные исследования. 2015. № 12-2. С. 253-257.
15. 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. № 6. С. 111.
ЧЕКАЛИН Иван Лаврентьевич, магистрант гр. КТОм-172 факультета «Элитное образование и магистратура».
ЧЕРНЫХ Иван Константинович, магистрант гр. КТОм-172 факультета «Элитное образование и магистратура».
КРИВОНОС Евгений Викторович, ассистент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». ВАСИЛЬЕВ Евгений ВлаАимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». Адрес для переписки: vnchrnkh@gmail.com.
Статья поступила в реАакцию 02.10.2017 г. © И. Л. Чекалин, И. К.Черных, Е. В. Кривонос, Е. В. Васильев
Книжная полка
Бишутин, С. Технология машиностроения : учеб. и практикум / С. Бишутин [и др.] ; под. ред. А. Тотая. - М. : Юрайт, 2016. - 240 с. - ISBN 978-5-9916-5434-0.
В учебнике представлены все основные разделы курса, обеспечивающие подготовку обучающихся к освоению отраслевых технологий обрабатывающих производств. Даны понятия и определения производственного < процесса и характеристика машиностроительного производства, принципы проектирования технологических о процессов сборки и их размерно-точностной анализ. Изложены теория базирования заготовок и причины возникновения погрешностей при обработке заготовок. Выделены основные направления технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин и способы улучшения их эксплуатационных свойств. Описаны вопросы проектирования процессов обработки для различных типов производств, способы их нормирования и оценки себестоимости изготовления продукции. Рассмотрены конкретные примеры расчетов, сформулированы задачи для самостоятельного решения и контрольные вопросы. Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», «Энергетическое машиностроение», «Техносферная безопасность», «Управление качеством».
