Влияние конструктивно-технологических параметров на тепловые процессы и формирование соединения при точечной сварке трением

В настоящее время одним из приоритетных направлений развития Российской Федерации является «Энергоемкость и энергоэффективность».

Сборочно-сварочные операции являются неотъемлемыми звеньями практически любого технологического процесса изготовления продуктов различных отраслей промышленности. Переход от шовной сварки к точечной во многих случаях обеспечивает сохранение требуемого уровня служебных характеристик сварного соединения наряду с сокращением времени выполнения сварки, снижением энергетических затрат и упрощением автоматизации процесса. В связи с этим важным, с точки зрения повышения энергоэффективности процессов сварки, является дальнейшее повышение служебных характеристик сварных соединений, выполняемых точечной сваркой, расширение сферы их промышленного внедрения на основе детальных исследований условий формирования и основных процессов протекающих в зоне сварки различных материалов.

Известен ряд распространенных способов точечной сварки металлов: холодная точечная сварка, контактная точечная сварка и др. Недостатками холодной точечной сварки являются относительно низкая прочность сварных соединений и огромное усилие вдавливания инструмента. При контактной точечной сварке удается получать соединения с высокими значениями прочностных характеристик, однако, для реализации технологического процесса требуются значительные энергетические затраты, часто выходят из строя комплектующие сварочных установок вследствие больших величин проходящего через них сварочного тока.

Сохранение прочностных характеристик сварных соединений на уровне контактной точечной сварки и значительное снижение энергетических затрат, напряжений и деформаций, структурной неоднородности может быть достигнуто за счет применения источника фрикционного нагрева. На основе источника фрикционного нагрева реализован способ точечной сварки трением с перемешиванием. Однако, известны успешные попытки соединения деталей лишь 5 малых толщин (до 2 мм) данным способом, при этом уровень механических свойств был немногим выше свойств соединений, выполненных холодной точечной сваркой. Соединение деталей больших толщин и повышение уровня механических свойств при точечной сварке с применением источника фрикционного нагрева становится возможным на основе исследований условий и механизма формирования соединения.

Процесс формирования соединения при точечной сварке трением происходит в условиях фрикционного нагрева. Источник фрикционного нагрева находится на поверхности фактического контакта инструмента и заготовки. Большой вклад в исследование процессов нагрева при трении внесли ученые И. В. Крагельский, В. И. Билль, В. П. Воинов, H.H. Рыкалин, Н. М. Михин, В. А. Балакин, B.C. Щедров, В. А. Кудинов, A.A. Ильюшин, A.B. Чичинадзе, М. В. Коровчинский, R. Nandan, А.Р. Reynolds, С. А. Серегин и др. Однако, в трудах исследователей процессов фрикционного нагрева мощность источника тепловыделения является входным параметром модели либо определяется на основе решения сопряженной термомеханической задачи, которая обладает повышенной сложностью и требует большого числа экспериментально определяемых входных параметров.

Основным источником данных, позволяющим прогнозировать прочность сварных соединений в зависимости от параметров режима сварки, является исследование механизма образования соединения при точечной сварке трением. Этот способ относится к сварке в твердой фазе. Исследованию механизма образования соединения в твердой фазе посвящены труды многих ученых: К. А. Кочергина, М. Х Шоршорова, P.A. Мусина, Г. В. Конюшкова, Э. С. Каракозова, Ю. Л. Красулина, В. П. Алехина, Ю. В. Холопова, И. М. Строймана, А. П. Семенова, A.C. Гельмана и др. Полученные исследователями данные позволяют рассматривать процесс точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом не известны условия протекания каждой из стадий. Поэтому необходимо исследовать все стадии образования соединения, выявить лимитирующую и определить способы управления процессом на лимитирующей стадии.

Таким образом, актуальность работы заключается в современной необходимости разработки научно обоснованной технологии точечной сварки трением на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения, которая позволит значительно снизить энергетические затраты, облегчит реализацию процесса и позволит получить сварные соединения с высоким уровнем служебных характеристик.

Целью работы является разработка рекомендаций по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение сварного соединения с высоким уровнем свойств, на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать и провести экспериментальную верификацию физико-математической модели распространения теплоты при точечной сварке трением;

2) выявить основные конструктивно-технологические параметры режима сварки, которые оказывают влияние на структуру и свойства сварного соединения;

3) исследовать кинетику и условия протекания всех стадий образования соединения в твердой фазе в зависимости от конструктивно — технологических параметров режима сварки;

4) количественно оценить влияние температурно-временных условий нагрева и охлаждения на структуру металла на примере алюминиевого сплава АД31;

5) исследовать структуру и свойства сварного соединения, полученного по разработанной технологии.

Научная новизна диссертационной работы:

1. На основе исследований условий взаимодействия инструмента и заготовок в процессе точечной сварки трением установлено, что имеет место переход от внешнего трения к внутреннему (адгезионная прочность связи материалов инструмента и заготовки превышает когезионную прочность материала заготовки). Разработан критерий перехода, который позволяет определять условия фрикционного взаимодействия в каждой точке контакта инструмента и заготовок: превышение или равенство удельной силы трения значению сопротивления предела текучести на сдвиг материала заготовки: \.р > тт (7).

2. При помощи методов математического моделирования в совокупности с экспериментальными данными разработана физико-математическая модель для описания тепловых процессов при точечной сварке трением, при этом мощность источника фрикционного нагрева является выходным параметром модели и определяется в процессе решения задачи теплопроводности по формуле д = [{- 5) доа>г] + (5(от (7)/л/з)сог).

3. Получены экспериментальные данные, которые позволили установить влияние основных параметров режима сварки на размер периферийной зоны (где образуется соединение) сварной точки. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: к = -0,81 + 0,5.

4. На основе исследования механизма образования соединения с позиции трехстадийности показано, физический контакт заготовок образуется на этапе погружения инструмента в заготовки (при условии надлежащей подготовки поверхности), схватывание контактных поверхностей протекает за время порядка 10″ 5 с. Лимитирующей стадией образования соединения является объемное взаимодействие.

5. На базе экспериментальных исследований стадии объемного взаимодействия заготовок с использованием математического планирования эксперимента и статистической обработки полученных данных определены степень и характер влияния основных параметров режима сварки на механические свойства соединения.

Практическая значимость результатов работы:

Разработанная и реализованная программно модель распространения теплоты от источника фрикционного нагрева позволяет прогнозировать структуру и свойства сварных соединений, выполняемых различными способами сварки трением.

В результате выполненных работ определен технологический режим точечной сварки трением алюминиевого сплава АД31, при котором обеспечиваются высокие значения механических свойств сварного соединения, близкие к контактной точечной сварке.

Проведенные исследования механизма образования соединения и тепловых процессов при точечной сварке трением на примере сплава АД31 позволяют создать единую методику разработки технологии сварки для группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой. Результаты исследований, проведенных в настоящей работе могут быть использованы при освоении технология точечной сварки трением в электротехнической и автомобильной промышленности.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений теории теплопроводности, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и обсуждены на международных конференциях:

— Международная научно-практическая конференция ХХХХ Неделя науки СПбГПУ, Санкт — Петербург, 2011;

— 9-я Международная научно — техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт — Петербург, 2011;

— 14-я Международная научно — практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», СанктПетербург, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из них 2 — в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных выводов, библиографического списка. Работа содержит 162 страницы основного текста, включая 66 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.

Общие выводы.

1. В результате выполненного расчетно-экспериментального исследования тепловых процессов и механизма образования сварного соединения разработаны рекомендации по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение соединения с высоким уровнем свойств.

2. Проведенный критический литературный обзор способов моделирования тепловых процессов при фрикционном взаимодействии металлических материалов в условиях высокоскоростного трения, традиционной сварки трением и сварки трением с перемешиванием показал, что из всех известных моделей распространения теплоты ни одна не удовлетворяет условиям высокой точности вычислений температуры наряду с инженерной простотой, математической строгостью и отсутствием необходимости проведения предварительных экспериментальных исследований.

3. В результате анализа известных представлений о механизме образования соединений в твердой фазе был сделан вывод о корректности рассмотрения процесса точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом неизвестными остались характер, способы управления и полнота протекания каждой из стадий в зависимости от конструктивно — технологических параметров режима сварки, а также лимитирующая стадия.

4. При фрикционном взаимодействии на границе инструмент — заготовка в условиях ТСТ имеет место переход от внешнего трения к внутреннему как результат превышения значений прочности адгезионной связи инструментзаготовка над прочностью когезионной связи материала заготовки. Сформулирован критерий перехода от внешнего трения к внутреннему, пригодный для расчета мощности:

IлР > тт{Т).

5. В результате теоретического анализа и экспериментальных исследований условий фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки получено аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения: ц = [(1 — 8) цРсог] + (8(ат (7)/л/з)сог).

Расчет мощности производится в процессе решения температурной задачи. Данное выражение позволяет проводить расчеты тепловых процессов без проведения экспериментальных исследований термических циклов или мощности тепловыделения.

6. На основе исследования влияния скорости вращения и диаметра инструмента на значение мощности показано, что изменение диаметра инструмента является более эффективным способом управления мощностью и значениями максимальных температур процесса, чем изменение скорости вращения.

7. Выполнена экспериментальная верификация расчетно — теоретической методики анализа температурно — временных условий нагрева заготовок при точечной сварке трением. Сформулированы граничные условия задачи теплопроводности: теплообмен верхней поверхности с окружающей средой 2 коэффициент поверхностной теплоотдачи — 30 Вт/(м К)), на нижнеи поверхности граничные условия 4 рода (контакт с плитой из хромоникелевой аустенитной стали). Выявлены факторы, оказывающие влияние на точность расчетной моделинаклеп поверхностного слоя заготовки в процессе взаимодействия с вращающимся инструментом, скорость приложения нагрузки и переход от внешнего трения к внутреннему, условия контакта нижней пластины с подкладкой.

8. На основе экспериментальных исследований стадии образования физического контакта показано, что он образуется при всех приемлемых для случая ТСТ параметров режима сварки (скорости вращения, диаметра инструмента) при погружении инструмента в заготовки. Таким образом, стадия образования физического контакта не является лимитирующей стадией процесса.

9. Проведены исследования влияния скорости вращения и диаметра инструмента на размер периферийной зоны с помощью математического планирования эксперимента. На основе регрессионного анализа экспериментальных данных можно заключить, что параметр скорости вращения является незначимым с доверительной вероятностью 95%. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: к = -0,81 +0,5 я?

10.Абстрагируясь от природы активных центров при ТСТ на основе теории мономолекулярных реакций сформулирована гипотеза протекания процесса схватывания. Расчет показал, что стадия схватывания не является лимитирующей.

11.На основе экспериментальных исследований процесса ТСТ и анализа данных об оптимальных температурно-силовых параметрах режима при других способах сварки давлением были выбраны уровни варьирования факторовтемпературы процесса (от 340 до 410°С), времени выдержки (от 5 до 30 с) и сварочного усилия (от 1000 до 3000 Н), которые оказывают влияние на прочность сварного соединения.

12.Установлено, что при увеличении сварочного усилия происходит рост прочности сварного соединения. Температура и время выдержки приводят к росту прочности сварного соединения лишь в случаях, когда температура нагрева заготовок не превышают экспериментально установленного для сплава марки АДЗ1 значения 350 °C.

13.Разработан и научно обоснован режим для точечной сварки трением алюминиевого сплава марки АД 31, упрочняемого термической обработкой: скорость вращения инструмента — 900 об/миндиаметр рабочей части инструмента — 6 ммдиаметр опорного бурта инструмента — 11 ммдлина рабочей части инструмента — 4,5 ммвремя выдержки — 30 сусилие прижатия опорного бурта -3 000 Н. Показано, что предложенный режим обеспечивает высокое качество сварных соединений.

14.Сформулированы требования к оборудованию и оснастке для реализации процесса точечной сварки трением.

15.Выполнены измерения и построена диаграмма изменения микротвердости. Показано, что уровень свойств периферийной зоны несколько снижается (56 единиц) по сравнению с исходным состоянием (65 единиц), но остается на достаточно высоком уровне по сравнению с полным растворением вторичной фазы (45 единиц).

16.Определены механические свойства сварных соединений. Значение средней разрушающей нагрузки при механических испытаниях статическим растяжением на срез сварной точки — 5 132 Н. Полученное значение показывает высокий уровень свойств сварной точки, который незначительно лишь соединениям, выполненным контактной точечной сваркой.