CC BY
58
TECHNOLOGICAL CAUSES OF RESIDUAL STRESSES
The article presents the technological causes of residual stresses after cooling of the casting, forming, machining, welding, hardening and surface thermal or chemical-thermal treatment. Key words: welding, hardening, residual stress.
УДК 621.791:669.715
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СВАРКИ НА СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА 1565ч, ВЫПОЛНЕННЫХ СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С
ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Лашин Алексей Николаевич, магистр-студент;
Андреева Людмила Павловна, канд. техн. наук, доцент;
Овчинников Виктор Васильевич, д-р техн. наук, профессор Московский политехнический университет
В работе была проведена оценка влияния параметров режима сварки трением с перемешиванием (СТП) на свойства сварного соединения из сплава 1565чМ при изготовлении конструкций с прямолинейными швами большой протяженности.
Ключевые слова: сплавы алюминия, сварка трением с перемешиванием, свойства соединения
Сплав 1565чМ, относится к свариваемым сплавам на основе системы алюминий - магний и обладает лучшим комплексом свойств, чем широко известные сплавы АМг5 и АМг6.
В этой связи он успешно начал применяться для производства сварных конструкций автоцистерн для перевозки сыпучих грузов (цемент, зерно и др.), перевозки топлива (светлые и темные нефтепродукты и т.д.). Это позволило снизить вес конструкций на 20% по сравнению с конструкциями из сплава АМг5.
При изготовлении сварных цистерн и вагонов сложных конструкций возможно применение сварных соединений сплава 1565ч в разноименном сочетании с другими алюминиевыми сплавами.
Учитывая расширяющееся применение сварки трением с перемешиванием (СТП) для изготовления конструкций из листовых алюминиевых сплавов с прямолинейными швами большой протяженности, в задачу данной работы входила оценка влияния параметров СТП на комплекс механических свойств листов сплава 1565чМ.
Для исследований использовали листы алюминиевого сплава 1565чМ толщиной 5 мм, фактический химический состав которого представлен в табл. 1, а механические свойства - в табл. 2.
Таблица 1 - Химический состав листов сплава 1565чМ
Марка сплава Массовая доля элементов, %
Al Mg Mn Zn Cu Zr Cr Fe Si
1565чМ Осн. 5,80 0,63 0,68 0,08 0,10 0,090 0,20 0,10
Таблица 2 - Механические свойства листов алюминиевого сплава 1565чМ
толщиной 5 мм
Марка сплава Состояние полуфабриката Предел прочности сВ, МПа Предел текучести о0,2, МПа Относительное удлинение 5, %
1565чМ Отожженное (М) 358 219 17,5
Для сварки трением с перемешиванием (СТП) стыковых соединений применялся горизонтальный фрезерный станок Agile CS 1000 оснащенный специальным инструментом для СТП. Инструмент выполнен в виде державки со сменным наконечником, состоящим из заплечика и индентора (штифта), на поверхности которого выполнена винтообразная канавка и лыски глубиной 0,3-0,4 мм. Индентор диаметром 4,7 мм имел высоту 4,8 мм для гарантированного соединения свариваемых листов. Частоту вращения инструмента варьировали в пределах 500-2000 об/мин, а скорость сварки - в пределах 70-250 мм/мин.
Вращающийся по часовой стрелке рабочий инструмент заглублялся в образец до касания заплечика, после чего включалась продольная подача стола к термопаре с постоянной линейной скоростью. Угол наклона рабочего инструмента относительно оси шва в направлении сварки - 3°.
Прочность сварных соединений определяли на образцах по ГОСТ 699666 с шириной рабочей части 15 мм. Для определения прочности металла сварного шва использовали образцы с шириной рабочей части 20 мм с концентраторами в виде врезок диаметром 10 мм.
Распределение температурного поля в процессе СТП образцов оценивали NiCr - CuNi термопарой установленной на пластине из алюминиевого сплава 1565чМ (снизу, на оси движения рабочего инструмента) на расстоянии 100 мм от входа инструмента. Показания снимались с вольтамперметра М2038, через интервал времени At = 20 сек.
На первом этапе исследований было изучено влияние скорости вращения инструмента и скорости сварки на качество формирования стыковых соединений листов сплава 1565чМ.
В результате проведенных исследований установлено, что при сварке трением с перемешиванием тонколистовых алюминиевых сплавов качественное формирование швов можно обеспечить за счет правильного выбора глубины погружения инструмента в свариваемый металл, частоты вращения инструмента и скорости его линейного перемещения вдоль стыка или скорости сварки (Ксв).
Глубина погружения индентора и заплечика инструмента обусловливает термодеформационные условия во всех зонах сварного соединения, поскольку одновременно предопределяет величину погружения индентора инструмента и глубину проникновения наконечника инструмента в свариваемый металл. Снижение её (< 0,10 мм) приводит к уменьшению величины заглубления бурта и глубины проникновения наконечника инструмента в свариваемый металл. Как результат, давление под рабочей поверхностью заплечика и индентора инструмента и, следовательно, величина тепловыделения в месте контакта их со свариваемым металлом уменьшаются.
Вследствие этого в зоне формирования неразъемного соединения не обеспечивается необходимый для качественного формирования шва объем пластифицированного металла или не достигается требуемый уровень его пластификации, что может привести к образованию внутренних дефектов в виде несплошностей (рис. 1, а) или поверхностных дефектов с лицевой стороны шва в виде несплавления (рис. 1, б).
Кроме того, в результате уменьшения глубины проникновения наконечника инструмента в свариваемый металл и выделяемого при его трении тепла, в корневой части шва также могут возникать поверхностные дефекты в виде несплавления (рис. 1, г). К ухудшению качества сварных соединений может приводить и чрезмерное (> 0,15 мм) заглубление инструмента.
г д
Рисунок 1 - Характерные дефекты, образующиеся в швах сплава 1565чМ, полученных сваркой трением с перемешиванием: а (х15), д (х500) - внутренние несплошности; б (х2) - несплавление с лицевой поверхности шва; в (х2) - грат на лицевой поверхности шва; г (х300) - несплавление в корневой части шва
Так, при сварке сплава 1565чМ на лицевой поверхности шва могут образовываться поверхностные дефекты в виде грата (рис. 1, в) и внутренние несплошности, обусловленные перегревом металла (рис. 1, д). Поэтому для
обеспечения качественного формирования швов необходимо погружать инструмент в свариваемый металл на глубину 0,10...0,15 мм и в процессе сварки за счет осевого усилия прижатия поддерживать его в таком положении.
Условия пластического деформирования металла в зоне образования неразъемного соединения определяются температурой его нагревания и скоростью деформирования, которые зависят от частоты вращения инструмента и скорости его линейного перемещения вдоль стыка. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что качественное формирование зоны соединения при сварке трением с перемешиванием листов сплава 1565чМ обеспечивается при определенных соотношениях этих параметров.
При повышении частоты вращения инструмента до 2000 об/мин тепловыделение в зоне образования неразъемного соединения возрастает, что позволяет увеличить в 1,5-2 раза скорость линейного перемещения инструмента без ухудшения качества швов. Учитывая такую взаимосвязь между отмеченными параметрами процесса, было введено соотношение Усв/И, выражающее длину линейного перемещения инструмента вдоль стыка за один его оборот. Проведенные экспериментальные исследования позволили определить оптимальные значения этого соотношения для исследуемого сплава 1565чМ. Качественное формирование швов на исследуемом сплаве обеспечивается при Усв/И = 0,056.0,185 мм/об или при скоростях сварки 5.16 и 10.32 м/ч, когда частота вращения инструмента составляет 1200 и 2000 об/мин соответственно.
Увеличение или уменьшение установленных оптимальных соотношений Усв/И для сплава 1565чМ вызывает образование дефектов в швах. Превышение установленной максимально допустимой скорости перемещения инструмента за один его оборот на 10.20 % приводит к появлению в швах внутренних несплошностей, обусловленных недостаточной пластификацией металла в зоне сварки. А при дальнейшем его увеличении с лицевой стороны шва образуются поверхностные дефекты в виде несплавлений.
Эксперименты по определению температуры нагрева сплава 1565чМ в зоне формирования соединения при сварке трением с перемешиванием показали, что максимальная температура составила порядка 482°С, что свидетельствует о пребывании алюминиевого сплава 1565чМ в пластичном состоянии.
Термический цикл, создаваемый вращением инструмента при различных скоростях, является фактором управления микроструктурой места стыка и зоной термического влияния (ЗТВ). Зависимость между скоростью вращения и максимальной температурой при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава 1565чМ представлена на рис. 2. Перепад температур на поверхности стыка и у его корня влияет на процесс деформации сверхпластичного металла.
С увеличением скорости вращения рабочего инструмента температура нагрева различных участков основного металла возрастает и при этом наблюдается практически линейная зависимость температуры нагрева от расстояния точки замера от оси шва. На температуру нагрева заметное влияние оказывает диаметр заплечика. С увеличением его диаметра при прочих равных условиях наблюдается рост температуры нагрева как металла шва, так и зон основного металла, прилегающих к шву.
600 ^ 550
£ & 500
§ £ 450
я а
% ё 400
<Я 5
§ § 350 300
500 780 1000 1200 1600 2000 Скорость вращения инструмента, об/мин
Рисунок 2 - Зависимость между скоростью вращения инструмента и температурой в зоне сварки при сварке сплава 1565чМ со скоростью перемещения инструмента 12 м/ч
Проведенные исследования свойств соединений сваркой трением с перемешиванием алюминиевого сплава 1565чМ показали, что ов соединения увеличивается при увеличении скорости сварки и частоты вращения инструмента до определенного значения. При дальнейшем увеличении этих параметров ов соединения сплава 1565чМ снижается (табл. 3).
Таблица 3 - Влияние скорости вращения инструмента на прочность соединений листов сплава 1565чМ (скорость сварки 12 м/ч)
Параметр Скорость в ращения инструмента Ы, об/мин
500 780 1000 1200 1600 2000
Соотношение Усв/Ы
0,40 0,260 0,20 0,167 0,125 0,10
св, МПа 286 304 336 348 340 322
Коэффициент прочности соединения К 0,79 0,84 0,93 0,97 0,94 0,90
Установлено, что при увеличении скорости вращения инструмента (возрастании энерговложения) твердость по сечению ядра сварного шва более однородна, что влечет увеличение размеров зерен. При очень высокой скорости вращения инструмента ядро сварного шва начинает разрушаться благодаря кристаллизации вокруг крупных зерен. Для каждой толщины
сплава 1565чМ имеется оптимальное соотношение скорости вращения инструмента и скорости его перемещения по стыку.
Список литературы
1. Дриц А.М., Овчинников В.В., Растопчин Р.Н. Технологические свойства листов из свариваемого алюминиевого сплава 1565ч для производства цистерн. // Технология легких сплавов. - 2012.- №3.- С.20-29.
2. Овчинников В. В., Антонов А.А., Алексеев В. В., Андреева Л. П. Сварка трением с перемешиванием деформируемых алюминиевых сплавов. //. Заготовительные производства в машиностроении. 2004. - №10 - 13-21.
3. Овчинников В.В. и Андреева Л.П. Влияние температуры испытаний на свойства соединений сплава 1565ч, выполненных сваркой трением с перемешиванием. // Технология металлов. - 2016. - №10. - С.12-17
4. Исследование деформирования и проскальзывания проволоки при ее электрокон-тактактной приварке к цилиндрическим поверхностям/ Латыпов Р.А., Латыпова Г.Р., Булычев В.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 128133.
5. Особенности электроконтактной приварки порошка пр-нпч3 на детали из чугуна/ Латыпов Р.А., Латыпова Г.Р., Дудин В.И.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 97-101.
6. Оценка относительной прочности соединения металлов на этапе схватывания при сварке давлением/ Латыпова Г.Р., Латыпов Р.А., Булычев В.В., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 2 (2). С. 102-110.
7. Оценка влияния температуры электроконтактной приварки порошкового слоя на его пористость/ Булычев В.В., Латыпова Г.Р., Латыпов Р.А., Бахмудкадиев Н.Д.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 3 (3). С. 53-58.
8. Исследование и разработка технологии восстановления вала ротора турбокомпрессора электроискровой обработкой электроэрозионными наноматериалами/ Латы-пов Р.А., Денисов В.А., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 141-146.
9. Восстановление распределительного вала дизельного двигателя/ Латыпов Р.А., Агеев Е.В., Латыпова Г.Р.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 146-150.
Lachin Alexei Nikolaevich, master-student;
Andreyeva Lyudmila Pavlovna, candidate. tech. Sciences, associate Professor;
Ovchinnikov Victor Vasilyevich, doctor of engineering. Sciences, Professor
FSBEI "Moscow Polytechnic University"
THE INFLUENCE OF WELDING CONDITIONS ON THE PROPERTIES OF THE COMPOUNDS OF ALLOY 1565Ч PERFORMED BY FRICTION WELDING WITH STIRRING
Abstract. The work was carried out to evaluate the influence of mode parameters of friction welding with stirring (STP) on the properties of welded joints of alloy 1565чМ in the manufacture of structures with rectilinear welds of great length.
Key words: aluminum alloys, friction welding with stirring, the connection properties
