CC BY
16
межутке 0,002 < < 0,25 инвариантна относительно вида напряженного состояния;
диаграммы е гр = е гр (ст*) («вязкопластиче-ская деформация — интенсивность неравновесных напряжений») существенно зависят от вида напряженного состояния;
вязкопластическая деформация при высоком уровне полной неупругой деформации сопоставима с мгновенной пластической деформацией, поэтому она должна приниматься во внимание при некоторых технологиях обработки металлов давлением.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белл, Дж.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 2: Конечные деформации [Текст] / Дж.Ф. Белл.— М.: Наука, 1984.- 431 с.
2. Васин, Р.А. Определяющие соотношения теории пластичности [Текст ] / Р. А. Васин // Итоги науки и техники. Сер. МДТТ.— Т.21.— М.: ВИНИТИ, 1990.— С. 3-75.
3. Пэжина, П. Основные вопросы вязкопластич-ности [Текст ] / П. Пэжина.— М.: Мир, 1968.— 176 с.
4. Кузькин, А.Ю. Испытание трубчатых образцов в условиях кольцевого растяжения [ Текст] / А.Ю. Кузькин, Б.Е. Мельников 5 А.Г. Митюков, В.А. Попов // Гидротехническое строительство.— СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2007. № 5.— С. 77-78.
5. Бессон, Ж. Нелинейная механика материалов [Текст ] / Ж. Бессон, Ж. Каето, Ж.-Л. Шабош, С. Фо-рест.— СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2010.— С. 307
6. Новожилов, В.В. Микронапряжения в конструкционных материалах [Текст] / В.В. Новожилов, Ю.И. Кадашевич— Л.: Машиностроение, 1990.— 223 с.
7. Рахматулин, Х.А. О распространении плоских упругопластических волн [Текст] / Х.А. Рахматулин, Г.С. Шапиро // Прикладная математика и механи-
ка.— 1948. Т. 12. Вып. 4.— С. 369-374.
8. Карман, Т. Распространение пластических деформаций в телах [Текст] / Т. Карман, П. Дюве // Механика.— 1951. № 2.— С. 83-87.
9. Соколовский, В.В. Распространение упруговяз-копластических волн в стержнях [Текст] / В.В. Соколовский // Прикладная математика и механика.— 1948. Т. 12. Вып. 3.— С. 261-280.
10. Попов, В.А. Установка для испытания тонкостенных трубчатых образцов в условиях объемного напряженного состояния [Текст] / В.А. Попов, А.Г. Митюков // Матер. научно-техн. конф. «Кораблестроительное образование и наука — 2003». — СПб.: Изд-во СПбГУН, 2003.— С. 423— 428.
11. Кузькин, А.Ю. Об использовании гипотезы «единой» кривой при исследовании неустойчивости пластического деформирования [Текст] / А.Ю. Кузькин, Б.Е. Мельников, А.Г. Митюков, В.А. Попов // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2006. № 6-1(48).— С. 85-88.
12. Шгиняк, Ф.Ф. Характеристики вязкопластич-ности теплоустойчивых сталей в условиях сложного напряженного состояния [Текст] / Ф.Ф. Гигиняк, О.К. Шкодзинский, А.А. Лебедев, Б.Т. Тимофеев // Проблемы прочности.— 1991. № 11.— С. 52-57.
УДК 621.791.14
В.В. Башенко, К.А. Охапкин
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА ТОЧЕЧНОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА НА СТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
Точечная сварка трением — перспективный процесс соединения пластичных металлов в твердой фазе. При точечной сварке трением значительно снижается осевое усилие на инструмент по сравнению с холодной точечной сваркой, что облегчает реализацию технологического процесса
(снижаются требования к оборудованию и оснастке). Она также имеет ряд преимуществ по сравнению со сваркой плавлением, благодаря отсутствию сварочной ванны с жидким металлом.
Точечная сварка трением позволяет выполнять нахлесточные соединения. Данный способ
4
Металлургия и материаловедение -►
особенно подходит для сварки цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей пластичностью.
Цель нашей работы — выбор параметров режима точечной сварки трением, обеспечивающих минимальное снижение механических свойств основного металла, с учетом исследования влияния термического цикла сварки на структуру алюминиевых сплавов.
Для исследования был выбран деформируемый алюминиевый сплав АД 31, упрочняемый термической обработкой. Система легирования данного сплава: А1 — 0,5 % 81 — 0,7 % Mg. На примере данного материала можно разработать подход к выбору параметров режима точечной сварки трением ряда алюминиевых сплавов, принадлежащих к классу упрочняемых термической обработкой. Такой выбор должен обеспечивать получение свойств сварного соединения на уровне свойств основного металла.
Перед началом экспериментальных исследований сплав АД31 подвергали термообработке по стандартному режиму: закалка при 530 °С охлаждение на воздухе + искусственное старение при 160 °С в течение 15 ч. Для эксперимента использовались образцы размером 40x25x3 мм.
Для изучения влияния термического цикла сварки на структуру и свойства сплава АД 31 были проведены экспериментальные исследования, которые заключались в проведении кратковременной термической обработки в печи с последующим охлаждением на воздухе. Тем самым имитировались циклы нагрева и охлаждения при сварке. Были выбраны три значения температуры в диапазоне от 300 до 450 °С, при которых могут происходить структурные изменения в сплаве АД 31. Температурно-времен-ные условия термической обработки, имитирующей термические циклы сварки, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Температурно-временные условия термической обработки сплава АД 31
Температура Время Время
нагрева, °С прогрева, мин выдержки, мин
300 1 10
375 1 10
450 1 10
После проведения термической обработки была исследована микроструктура и измерена микротвердость образцов. Данные, полученные в результате выполненных исследований, представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерения микротвердости и содержания фазы М§281 в образцах из сплава АД31, подвергнутых термической обработке
Температура нагрева, °С Микротвердость, НУ Содержание фазы Mg2Si, % объемн.
Исходное 65 7,1256
состояние
300 56 6,66
375 54 2,81
450 45 2,4
При нагреве до температур 300 и 375 °С наблюдается падение значений твердости соответственно на 9 и 11 единиц. Нагрев до температуры 450 °С приводит к снижению твердости на 20 единиц по сравнению с исходным состоянием, что является косвенным показателем большой степени разупрочнения сплава, т. е. недопустимого снижения служебных характеристик конструкционного материала.
Изменение свойств сплава при различных температурах нагрева объясняется растворением и изменением размеров вторичной упрочняющей фазы Mg2Si (см. табл. 2) [1].
Из анализа зависимости значений микротвердости от температуры нагрева (см. табл. 2) можно заключить, что нежелателен с точки зрения значительного снижения механических свойств сплава нагрев до температур, превышающих 375—400 °С. Следовательно, должны быть выбраны такие параметры режима сварки, которые обеспечили бы протекание процесса при условии ограничения этим интервалом максимальной температуры нагрева любой точки заготовки.
К основным конструктивно-технологическим параметрам режима точечной сварки трением можно отнести скорость вращения и диаметр инструмента. Для установления количественной связи значений конструктивно-технологических параметров режима сварки с температурно-времен-
ными условиями нагрева и охлаждения каждой точки заготовки использована физико--математическая модель, построенная на основе закона теплопроводности. При этом мощность источника теплоты вычисляется аналитически (без проведения предварительных экспериментальных исследований) и является выходным параметром модели.
Для решения задачи нестационарной теплопроводности возникает необходимость установить количественную зависимость мощности тепловыделения на поверхности фрикционного контакта инструмента и заготовок от конструктивно-технологических параметров режима сварки, а также выбрать граничные условия для корректной постановки краевой задачи.
Аналитическое выражение для вычисления удельной тепловой мощности имеет вид [2]
q(r) = iTш r ,
(1)
где ш — угловая скорость вращения инструмента; тТ — сдвиговое сопротивление материала заготовки; г — расстояние от оси вращения инструмента до рассматриваемой элементарной площадки тепловыделения.
Необходимо учесть, что тт зависит от температуры. Поэтому в процессе решения температурной задачи значение q корректируется на каждом шаге по времени с учетом распределения температур.
Построенная модель позволяет исходя из мощности источника теплоты и с учетом тепло-физических свойств материала, геометрии заготовок, размеров инструмента и параметров режима сварки определять температуру в любой точке свариваемых заготовок в любой момент
а)
т , °с
шах'
времени. Решение уравнения теплопроводности осуществлялось методом конечных элементов с использованием программного комплекса COMSOL. Входные параметры модели принимались следующими: скорость вращения инструмента (при исследовании влияния диаметра инструмента на максимальную температуру) — 800 об/мин; диаметр инструмента (при исследовании влияния скорости вращения инструмента на максимальную температуру) — 6 мм; геометрические размеры заготовки — 40x25x3 мм. Время действия источника нагрева — 45 с, что несколько превышает продолжительность процесса сварки заготовок указанного размера и выбрано для получения консервативной оценки значений максимальных температур. Границы пластины были приняты адиабатическими. Результаты расчета максимальных температур в зависимости от радиуса и скорости вращения инструмента приведены на рис. 1.
На основе результатов экспериментальных исследований влияния температурно-времен-ных условий нагрева на структуру и свойства сплава АД 31 была установлена критическая температура, при превышении которой резко изменяются свойства сплава — происходит значительное разупрочнение. Зависимости, представленные на рис. 1, показывают максимальную температуру, которая может быть достигнута в процессе точечной сварки трением. Они позволяют выбрать параметры режима сварки по критерию минимизации воздействия термического цикла сварки на структуру и свойства заготовок.
Так, чтобы обеспечить сохранения удовлетворительных значений свойств сплава АД 31, как
R, мм
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 R, мм
Расчетные значения максимальных температур в процессе точечной сварки трением в зависимости от радиуса инструмента (а) и скорости вращения инструмента (б)
4
Металлургия и материаловедение -►
показали экспериментальные исследования, температура в любой точке заготовки не должна превышать 400 °С (см. табл. 2). Учитывая эти данные, из анализа кривых на рисунке можно заключить, что при сварке заготовок толщиной 3 мм необходимо либо использовать инструмент, диаметр которого не превышает 6,2 мм при скорости вращения от 800 об /мин и ниже, либо при скорости вращения до 900 об/мин использовать инструмент диаметром от 6 мм и менее. Нижние пределы значений скорости вращения и диаметра инструмента должны быть выбраны исходя из условий достаточности нагрева зоны соединения для получения качественной сварной точки и необходимого пластифицирования металла заготовки в процессе погружения в нее инструмента.
Разработана расчетно-теоретическая методика количественной оценки влияния основных конструктивно-технологических параметров
режима сварки на температуры нагрева и охлаждения в каждой точке заготовки в любой момент времени.
Проведено экспериментальное исследование влияния температурно-временных условий нагрева заготовок из сплава АД 31, имитирующее термический цикл сварки, на их структуру и свойства. Показано, что нагрев в процессе сварки выше температуры 375—400 °С длительностью до 10 минут резко снижает механические свойства сплава.
Определены параметры режима точечной сварки трением, обеспечивающие минимальное изменение структуры и свойств сплава АД31Т1 в заготовках толщиной 3 мм в процессе сварки:
при скорости вращения инструмента, не превышающей 800 об /мин, диаметр инструмента должен быть менее 6,2 мм;
при диаметре инструмента до 6 мм скорость вращения не должна превышать 900 об/мин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов [Текст] / Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин.— М.: Металлургия, 1981.— 416 с.
2. Охапкин, К.А. Расчетно — теоретический анализ тепловых процессов при точечной сварке трением [Текст ] / К. А. Охапкин // Научно-технические ведомости СПбГПУ.— 2012. № 1.— С. 172-176.
