Кваснiцкий Спецiальнi способи зварювання

Для порівняння на рис.2.34,а наведено дані роботи [156] щодо зварювання тертям (лінія 2) і стиковим контактним зварюванням (лінія 3) сталей аналогічного призначення для виготовлення випускних клапанів двигунів. Шток клапана виготовляють із низьколегованої сталі, що гартується, а головка клапана – з високолегованої аустенітної сталі. На відміну від контактного зварювання при зварюванні тертям не утворюється твердий і крихкий прошарок із боку аустенітної сталі. Його відсутність підтверджується результатами досліджень мікроструктури та розподілу елементів. Для зварювання при n = 1250 об/хв рекомендовано тиск нагрівання 65 МПа, час нагрівання 5 с, тиск проковки 260 МПа, що призводить до величини осадки 7 мм. Швидкоплинність процесу не допускає інтенсивного розвитку дифузійних процесів. У зоні з'єднання метал має дрібнозернисту структуру.

Зварювання тертям проходить під дією інтенсивного локалізованого джерела теплоти, значної пластичної деформації і при надійному захисті зварюваних поверхонь від повітря. Це призводить до своєрідної термомеханічної обробки металу.

Головною особливістю інерційного зварювання тертям є малий час нагрівання, що позитивно впливає на зварювання різнорідних металів, які утворюють інтерметаліди, але негативно – на зварювання сталей, які гартуються. Режим зварювання при вибраному маховику однозначно визначають лише два параметри – накопичена енергія і момент сил тертя в стику, тобто початкова кутова швидкість, і зусилля стиснення деталей.

Слід відзначити, що при інерційному зварюванні з'єднання утворюється при поступовому зменшенні відносного руху поверхонь під дією сил їх тертя, тобто в умовах дії осьових і тангенціальних напружень. Тому час та можливості формування інтерметалідних прошарків різнорідними металами дуже обмежені, що визначає переваги інерційного зварювання перед традиційною схемою.

183

Підготовка торцевих поверхонь до зварювання тертям може виконуватися найрізноманітнішими способами: різанням пилкою, наждачним кругом, на токарному верстаті тощо з протиранням чистою ганчіркою. Не допускається наявність на них окалини. Основною вимогою підготовки деталей є забезпечення перпендикулярності її поверхні тертя до осі обертання. Для деталей з одного металу допускається непаралельність поверхонь 5…7°, для різнорідних металів коливання торця не повинне перевищувати 0,2 мм.

Зварювання деталей з однаковими розмірами перерізу та одного матеріалу не викликає труднощів. При зварюванні деталей із різнорідних металів підготовка поверхні більш твердого з них, який мало деформується, має жорсткі вимоги за допуском. Крім того, використовують попереднє підігрівання торця деталі з більш твердого матеріалу, спеціальні оправки для деталі з більш пластичного металу або збільшують на 15…20 % діаметр останньої. Довжина виходу деталі із затискачів складає 0,5…1,5 її діаметру. Менше значення відноситься до малих діаметрів і пластичних металів. При зварюванні стержня або труби з плоскою деталлю спостерігається асиметрія температурного поля (рис.2.35,а). Тому в цьому випадку на деталі з плоскою поверхнею проточують виступ або канавку, як показано на рис.2.35,б–г.

Рис.2.35. Температурне поле в Т-подібному з'єднанні (а) та підготовка деталі з плоскою поверхнею при зварюванні її зі стержнем (б,в) і трубою (г)

184

Накопичений досвід зварювання тертям показує, що найчастіше вибирають рн = 40…80 МПа, а рпр /рн = 2…3. При інерційному зварюванні рн = рпр, а час зварювання визначається за рівнянням (2.8).

Останнім часом аналогічна інерційному зварюванню технологія для різнорідних металів розроблена щодо традиційного устаткування з модернізацією останнього [80,81], але при цьому рпр > рн.

Для конвенційного зварювання тертям характерне швидке примусове гальмування відносного руху деталей. Це сприяє утворенню якісних з'єднань однорідних металів, але може негативно впливати при з'єднанні металів, які утворюють крихкі прошарки [83]. Їх товщина залежить від тиску проковки. Вона зменшується зі збільшенням тиску і змінюється по радіусу заготовки, але, наприклад, при конвенційному зварюванні міді з алюмінієм уникнути утворення інтерметалідів досить важко.

Академік НАН України С.І. Кучук-Яценко зі співробітниками розробив спосіб зварювання тертям, при якому регулюється гальмування відносного руху заготовок, що забезпечує стабільні високі показники міцності і пластичності з'єднань різнорідних металів [80,81]. Циклограму такого процесу показано на рис.2.36.

Рис.2.36. Циклограма зварювання тертям різнорідних металів із регулюванням гальмування відносного руху заготовок:

рн, рпр – тиски відповідно нагрівання і проковки, n – частота обертання; l – осадка заготовок; tн, tг, tпр – час відповідно нагрівання, гальмування і

проковки

185

Особливістю зварювання тертям різнорідних матеріалів є асиметрія температурного і деформаційного полів, що призводить до зміщення поверхні тертя в заготовку з меншим опором зсуву при температурі зварювання. Це означає, що поверхні схоплюються на початковій стадії зварювання, хоча їх з'єднання може бути недосконалим. При зварюванні різнорідних сталей якість цього з'єднання надалі зростає завдяки високотемпературній деформації металу в зоні стику. При зварюванні різнорідних металів, які утворюють інтерметаліди, збільшення часу їх контактування в нагрітому стані, навпаки, призводить до незворотних шкідливих змін складу і структури металу.

У роботах [80,81] встановлено, що при зварюванні алюмінію з міддю та сталями вже на початку тертя відбувається схоплювання поверхонь. У парі алюміній-мідь воно проходить практично миттєво після дотику поверхонь заготовок, що обертаються. Внаслідок цього поверхня тертя зміщується в алюмінієву заготовку. Величина зміщення залежить від швидкості руху та величини тиску (рис.2.37).

Рис.2.37. Залежність величини зміщення поверхні тертя δзм від часу нагрівання tн при зварюванні міді з алюмінієм:

1 – v = 0,75 м/с, рн = 25 МПа; 2 – 0,75; 50; 3 – 1,5; 25; 4 – 1,5; 50; 5 – 2,5; 25; 6 – 2,5; 50

186

Зміщення поверхні тертя знаходили шляхом розведення заготовок при нагріванні без зупинки їх руху та визначення товщини шару алюмінію, перенесеного на поверхню міді. Встановлено, що величина зміщення залежить від параметрів режиму зварювання, але вона спочатку збільшується, а потім зменшується і набуває усталеної величини. У діапазоні зміни тиску нагрівання 25…50 МПа зміщення поверхні тертя в алюмінієву заготовку при зменшенні окружної швидкості від 2,5 до 0,75 м/с збільшується від 0,2 до 1,1 мм для пари алюміній АД1–мідь і від 0,02 до 0,4 мм для пари алюміній АД1–сталь12Х18Н10Т [81]. Усталена величина зміщення поверхні тертя при окружній швидкості 2,5 м/с досягається за час нагрівання 0,5…1,0 с. Подальше збільшення швидкості не впливає на характер термодеформаційних процесіву зоністику.

Рух поверхні тертя на початковій стадії нагрівання пояснюється зміцнюючою дією більш міцного металу після схоплювання поверхонь і деформаційним зміцненням – в одному напрямку та зменшенням міцності металу з підвищенням температури – у протилежному. На початку тертя переважає процес зміцнення, і поверхня тертя (поверхня з мінімальним опором зсуву) переміщується в алюміній. Руйнування проходить із виривом глибинних шарів алюмінію. При збільшенні часу нагрівання, внаслідок росту температури, переважає процес зменшення міцності металу, і поверхня тертя рухається до поверхні початкового контакту, однак, унаслідок зміцнюючої дії більш Твердої (мідної чи сталевої) поверхні, вони не співпадають. На усталеній стадії біля більш твердої поверхні існує тонкий прошарок деформованого алюмінію, який ускладнює активацію цієї поверхні і витіснення інтерметалідів із зони стику.

З'єднання алюмінію з міддю або сталлю утворюється по двох поверхнях: поверхні тертя і поверхні початкового контакту. Виходячи з теорії з'єднання матеріалів у твердому стані (розділ 1), зрозуміло, що умови на цих поверхнях різні. Більш високі температури та інтенсивні

187

тангенціальні й осьові деформації гарантують з'єднання алюмінію по поверхні тертя. По поверхні початкового контакту більш міцний метал схоплюється з алюмінієвим прошарком, який перешкоджає розвитку термодеформаційних процесів активації поверхонь початкового контакту.

Для активації процесів формування з'єднань по поверхні початкового контакту при зварюванні тертям за схемою з різким гальмуванням ідуть по шляху збільшення окружної швидкості руху та тиску нагрівання, але це призводить до інтенсифікації процесу утворення інтерметалідів.

Розроблений спосіб зварювання тертям із регульованим гальмуванням (циклограма рис.2.36), унаслідок одночасної дії при проковці стискуючих осьових та тангенціальних напружень, забезпечує різке збільшення швидкості осадки й інтенсифікацію процесу зсувної деформації по поверхні початкового контакту. Швидкість осадки при цьому збільшується в 5…7 разів порівняно зі стадією нагрівання. Основними факторами, які впливають на формування інтерметалідного прошарку є тривалість стадії нагрівання, величина і швидкість осьової та тангенціальної деформацій на стадії проковки [81]. Для зварювання міді з алюмінієм вибрано оптимальний режим: рн = 60 МПа; v = 1,9 м/с; tн = 0,4 с; рпр = 200 МПа; tг = 0,7 с; tпр = 6 с. Термодеформаційні умови формування з'єднань аналогічні умовам при інерційному зварюванні [80].

Розроблений спосіб зварювання гарантує відсутність інтерметалідних прошарків і стабільність якості зварювання. Для його реалізації на серійному устаткуванні проведена модернізація, що забезпечує програмування динаміки гальмування на заключній стадії зварювання. Наприклад, на серійній машині МСТ-2001 вдається зварювати мідь з алюмінієм при діаметрах заготовок до 35 мм (тиск проковки не менше 200 МПа). Після відповідної модернізації на цій машині забезпечується якісне зварюванняміді з алюмініємпридіаметрах заготовок16…55 мм[80].

188

Зварювання тертям із перемішуванням (ЗТП) використовується для з'єднання алюмінію та його сплавів. Воно дозволяє виконувати з'єднання стикові, кутові, таврові прорізні, таврові двопрохідні тощо (рис.2.38).

Рис.2.38. Типи з'єднань, виконані ЗТП:

а – стикове; б – внапуск-стикове; в – внапуск; г – багатошарове внапуск; д – двопрохідне таврове; е – таврове прорізне; є, ж – кутові

Основними параметрами режиму ЗТП є: частота обертання, зусилля притискування, зусилля та швидкість переміщення інструмента (швидкість зварювання), кут нахилу інструмента відносно деталі та розміри і форма інструмента [132]. Враховуються також умови тертя залежно від матеріалів інструменту і деталі та напруження плину матеріалу заготовок при температурі деформації.

Взаємозв'язок швидкості зварювання і частоти обертання інструмента видно з рис.2.39 [132].

Дефекти в зварних швах пов'язані з надмірним або недостатнім перемішуванням металу. Як видно з рис.2.39, сплав 6000 має широкий діапазон значень швидкостей зварювання і частот обертання інструмента, на відміну від сплаву 5000.

Формування металу шва в значній мірі визначається формою інструмента. Для покращення перемішування металу в кореневій частині зі зворотного боку листів роблять невеликий скіс кромок (рис.2.40,а) або установлюють підкладки з канавкою (рис.2.40,б), в яку витісняється

189

метал, формуючи невеликий валик. Він після зварювання видаляється механічною обробкою, забезпечуючи високу якість кореневої частини з'єднань. Як видно з рис.2.27,в, під інструментом товщина металу дещо зменшується. Це зменшення товщин складає 0,1…0,2 мм, але, якщо це важливо, то рекомендують створювати в зоні стику потовщення металу (рис.2.40,в) шириною, близькою до діаметра заплечика. Потовщення має важливе значення також при наявності в стику зазору, який може складати до 1,25 мм при товщині листа 12 мм.

Рис.2.39. Співвідношення швидкості зварювання і частоти обертання інструмента, яке дозволяє отримати якісні з'єднання алюмінієвих сплавів 5000 і 6000 товщи-

ною 5 мм

Рис.2.40. Підготовка зварюваних кромок із скосом у кореневій частині (а), підкладка з канавкою (б) та потовщення кромок (в)

190

Дослідження термічних циклів зварювання показали, що ЗТП характеризується досить високими градієнтами температур. Максимальна температура (близько 500 °С) існує дуже короткий час. При температурах 200…300 °С також метал перебуває не більше 2…3 с. Термічний цикл при ЗТП сплаву АА6063 товщиною 4 мм зі швидкістю 0,5 м/хв показано на рис.2.41. Аналогічний характер розподілу температури виявлено при зварюванні сплавів 7075 Т651 і 6N01 системи Al–Si–Mg [132].

У мікроструктурній будові зварного з'єднання виділяють декілька зон. Першою з боку основного металу є зона, в якій метал залишається недеформованим, змінюючи свою структуру лише під дією температури. Її називають зоною термічного впливу (ЗТВ). Далі, ближче до центру знаходиться зона, в якій відбуваються значні пластичні деформації і нагрівання. Її називають зоною термомеханічного впливу (ЗТМВ). За цією зоною розташовано ядро з'єднання.

Рис.2.41. Термічний цикл при ЗТП алюмінієвого сплаву АА6063 при різних відстанях від центру шва

У ЗТВ твердість металу знижується внаслідок перестаріння та зменшення щільності дислокацій. У ЗТМВ проходить вигин витягнутих зерен основного металу, часткова рекристалізація, старіння і відпал, що призводить до мінімальної твердості металу. Під впливом високих температур можливе розчинення зміцнюючих фаз. Мікрострук-

191

тура ядра складається з рівноосних зерен, розмір яких не перевищує 10 мкм. Твердість металу ядра вища, ніж ЗТМВ, але нижча, ніж основного металу в термічно зміцненому стані. Твердість сплаву 5083 у відпаленому стані дещо нижча твердості ядра. Твердість металу з'єднань різних сплавів товщиною 6,4 мм показано на рис.2.42.

Рис.2.42. Розподіл твердості металу перпендикулярно осі шва після ЗТП сплавів:

1 – 5083-0;

2 – 2014А Т6;

3 – 7075 Т7351

Механічні властивості з'єднань після ЗТП дещо нижчі від показників основного металу, але перевищують аналогічні характеристики з'єднань, отриманих іншими способами. Наприклад, міцність з'єднань сплаву АА7108 товщиною 2…7 мм після ЗТП та після старіння складає відповідно 86 та 94 % міцності основного металу. Результати випробувань зварних з'єднань після ЗТП на втому також кращі, ніж при зварюванні плавленням плавким або неплавким електродом. Знеміцнення основного металу в ЗТВ менше, ніж при зварюванні плавленням. При цьому рівень дефектності швів при ЗТП майже на порядок менший, ніж при зварюванні плавленням.

2.3.3. Зварювальне устаткування. Машини для зварювання тер-

тям мають досить високі осьові зусилля і швидкість обертання та повинні забезпечувати швидкий запуск і миттєву зупинку руху деталей відносно одна одної. Основними вузлами машин є: досить потужна

192