XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

«Практически все наиболее значимые открытия и достижения ХХ и начала XXI веков, в той или иной степени, связаны с техническим прогрессом. Именно развитие инженерно-технических специальностей определяет тот качественный прорыв и количественный скачок, которые характеризуют жизнь современного общества. Исторически, появление новых отраслей промышленности и развитие высшей технической школы шли рука об руку.» [7, с. 139]. Получение надежных и высокопрочных соединений представляет собой актуальную проблему в машиностроении и авиационно-космической промышленности. Некоторые материалы являются проблемными с точки зрения обычной сварки, например, по причине образования в сварном соединении хрупких соединений, значительного перегрева соединяемых элементов или необходимости использования защитной инертной среды. К тому же плавление металла при сварке и формирование шва значительно снижает механические характеристики конструкции. Эти факторы существенно ограничивают использование обычной сварки для соединения и ремонта элементов ответственных деталей и узлов, работающих в критических условиях.

Использование такого вида сварки как сварка трением позволяет избежать подобных проблем. Сварка трением представляет собой процесс, в ходе которого выделяемое при трении тепло способствует получению сварного соединения однородных или разнородных материалов. В процессе сварки разогретые и размягченные слои материала перемещаются вдоль границы свариваемой поверхности, пластифицированный материал частично выдавливается из зоны стыка. К достоинствам данного вида сварки можно отнести минимальный объем нагреваемого материала, короткое время обработки и формирование измельченной структуры с высокими механическими свойствами. Использование линейной сварки трением позволяет соединить практически любые два изделия.

Титановые сплавы широко используются во всех областях машино- и авиастроения благодаря уникальному комплексу свойств. Механические свойства титановых сплавов в значительной мере определяются их микроструктурой, которая формируется в процессе деформационного и термического воздействия. Сварку СТП титановых сплавов на сегодняшний день трудно выполнять из-за их строгих требований к инструменту СТП. Специально для СТП титановых сплавов необходимо решить некоторые ключевые технологические проблемы, такие как анализ применения СТП титановых сплавов, анализ необходимого оборудования и оснащения для сварки методом СТП, анализ свойств титановых сплавов при СТП и подбор инструмента СТП.

С позиций свариваемости разнородных соединений, рассматриваемые в исследовании [2] пары материалов отличаются между собой по металлофизическим показателям (рис. 1). Сплавы ОТ401, ВТ1 и стали имеют различные кристаллические решетки атомные радиусы, это затрудняет образование между собой твердых растворов.

Исходя из данных по физико-механическим свойствам соединяемых сплавов, из-за меньшей плотности Ti, чем у стали и различных температур перехода в сверхпластическое состояние в исследовании была выбрана схема расположения заготовок из разнородных сплавов, в которой коррозионностойкий сплав располагался поверх стали так, что он размещался на стороне набегания, а сталь – на стороне отхода по отношению к направлению вращения сварочного инструмента и направлению сварки (рис. 2).

Рисунок 1 – металлофизические показатели сталей 12Х18Н10Т, Ст3пс и ОТ4-1, ВТ1

Рисунок 2 – Внешний вид сварного соединения Ст3пс и ОТ4-1

Листовые заготовки из сплавов собирались встык без зазора, часть образцов – внахлестку для компенсации хрупкости, возникающей в разнородных соединениях, и создания благоприятного распределения напряжений и релаксации деформаций. Нижняя заготовка из стали укладывалась на подкладку из нержавеющей стали, имеющую по центру в направлении сварки канавку глубиной 2-3 мм и радиусом 10 мм. Подкладка обеспечивала минимальный сток тепла от сборки свариваемых заготовок к корневой части для предотвращения образования корневого туннельного непровара.

Исследование в работе микроструктуры ядра сварного шва (ЯСШ), ЗТДВ разнородного соединения показало, что процесс перехода в схверхпластическое состояние (СПС) материалов, претерпевающих полиморфное превращение дополнительно сопровождается перестройкой одной фазы в другую и вызывает пластическую деформацию равномерно по всему объему металла, а не только в местах скольжения и скоплении дислокаций и повышенной плотности вакансий в окрестностях границ зерен. В исследовании применяется гипотеза Смирнова О.М.: в процессе фазового превращения на границе перехода может кратковременно возникать «вязко-жидкая структура». По мере развития фазового полиморфного превращения поверхность его мигрирует, а зона, подвергающаяся СПД, расширяется благодаря накоплению деформаций в зонах, в которых уже произошло превращение.

Механизмы перехода ОТ4-1 (ВТ1) сплавов в СПС активируются поступательным движением пина инструмента, создающего сдвиговые, а в результате вращения, изгибно-крутящие напряжения, запуском множества процессов ДР двойникованием на всем протяжении и всей глубине металла коррозионностойких и стальных деталей. Подобные явления создания предсостояния перехода сталей в СПС и формирования структуры ядра шва наблюдаются при СТП сталей.

Таким образом, в работе исследованы микроструктуры ЯСШ, зон термодеформационного (ЗТДВ) и термического влияния (ЗТВ), сформировавшихся при СТП между сталями 12Х18Н10Т, Ст3пс и Т4-1, ВТ1. Зоны сварных соединений при СТП формируются в режиме структурной сверхпластичности, имеющие характерную сдвигополосчатую слоистую структуру с чередующимися слоями. Достижение СПС при формировании ЯСШ, ЗТДВ обеспечивается поэтапным протеканием различных механизмов пластической деформации. При СТП высоколегированных сталей разных структурных классов и коррозионностойких сплавов СПС поддерживается дополнительно благодаря рекристаллизации двойникованием и в результате фазовых превращений альфа-гамма и альфа-бетта фаз.

Другая работа посвещена получению сварного соединения пластин из титановых сплавов методом СТП [3]. Проводилось исследование свариваемости титановых сплавов ОТ-4 и ВТ-20 методом СТП. Целью исследователи ставили получение сварного соединения данных сплавов, отсутствие дефектов в виде «непроваров» и разработка специального инструмента для получения сварного соединения.

Сварка сталей и титановых сплавов протекает при более высоких температурах. В зависимости от свариваемого материала и материала инструмента температура может доходить до 1200 ºС при сварке титановых сплавов и до 800 ºС при сварке сталей, это предъявляет повышенные требования к теплостойкости инструмента.

На основании результатов эксперимента был сделан вывод, что для образования сварного соединения титановых сплавов необходимо использование теплостойкого инструмента, температура не менее 800 ºС, всесторонняя защита шва инертным газом (кроме защиты нижней стороны пластин, которая контактирует с подложкой) и обеспечение необходимой осевой силы давления инструмента на пластины, которая варьируется в зависимости от конкретных условий сварки. Установлено, что при повышении температуры сварки повышается пластичность материала и вертикальная составляющая силы давления инструмента на изделие уменьшается (рис. 3).

Рисунок 3 - График зависимости вертикальной составляющей силы при СТП образцов №3–№6

Исследователями выявлено, что этим требованиям соответствует сопло, осуществляющее подачу защитного газа в зону сварки. Схема сварки представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема сварки с подачей защитного газа через сопло

Образцы (рис. 5) из сплава ВТ-20 толщиной 1,5 мм, полученные с применением данной схемы сварки не имели непроваров на лицевой и тыльной стороне шва; частота вращения при сварке образцов составила 1250 об/мин и подача 80 мм/мин и 1000 об/мин и 63 мм/мин при сварке образца №9. Температура в процессе сварки составляла 800–1000 ºС. При достаточном объёме защитного газа «горение» металла и искры наблюдаются меньше всего. Разрезание образца в поперечном сечении и зачистка показали отсутствие пустот и непроваров, которые можно увидеть невооружённым глазом.

Рисунок 5 – Образец, полученный СТП

Достигнутый результат исследования доказывает, что сварка трением с перемешиванием позволяет получать качественные сварные швы с меньшей трудоёмкостью. Данный процесс поддаётся автоматизации, не требует наличия множества квалифицированных рабочих и помещения, полностью заполненного защитным газом. СТП необходимо внедрять в отечественную промышленность для сборки изделий из титановых сплавов.

В исследовании [4] СТП была проведена для создания стыковых сварных швов из двух листов сплава Ti-6Al-4V для получения ультратонкого размера зерна. Испытание образца сварного шва было завершено для трех различных условий процесса FSW: после сварки, снятия напряжений, снятия напряжений и механической обработки, а также для несваренного основного материала. Исследование включает макроструктуру, микроструктуру, микротвердость, испытание на растяжение, испытания на ударную прочность и оценку вязкости при разрушении. Все эксперименты проводились в соответствии с отраслевыми стандартами испытаний. Было обнаружено, что микроструктура в ядре сварного шва состоит из очищенных и искаженных α-зерен в β-трансформированной матрице, содержащей игольчатую α. Повышенная вязкость разрушения сварных швов является результатом повышенной твердости, которая объясняется увеличением α-фазы, увеличение трансформированного β в игольчатом α и измельчение зерна в процессе сварки. Отмеченная общая тенденция к механическим свойствам от сварных, снятых напряжений до снятых напряжений и условий механической обработки показала снижение предела прочности при растяжении и предела текучести при небольшом увеличении пластичности и значительном увеличении вязкости разрушения.

В другом исследовании [5] СТП была успешно использована для соединения материалов с низкой температурой плавления, таких как сплавы алюминия и магния, но СТП материалов с высокой температурой плавления, таких как стали и титановые сплавы, все еще трудно выполнять из-за их строгих требований к инструменту. Специально для СТП титановых сплавов необходимо решить некоторые ключевые технологические проблемы. Чтобы выполнить СТП титановых сплавов, специально была разработана система инструментов. Система состояла из штифта W-Re, держателя жидкостного охлаждения и кожуха защитного газа. До СТП пластины из сплава Ti-6Al-4V подвергались термо-водородной обработке для уменьшения сопротивления деформации и износа инструмента во время СТП. Основываясь на этом, обработанный термо-водородом сплав Ti-6Al-4V с различным содержанием водорода был сварен СТП, и были изучены микроструктурные характеристики и механические свойства соединений. Экспериментальные результаты показали, что разработанная система инструментов может отвечать требованиям СТП титановых сплавов, из пластин из титанового сплава были получены высокопрочные соединения с хорошо сформированными сварными швами.

Исследователи 10-й Всемирной конференции по титану рассмотрели в статье [6] срок службы инструмента при СТП из титановых сплавов.

Были проведены предварительные исследования ресурса инструмента в СТП 6,35 мм Ti-6Al-4V. Существует три основных способа, которыми инструмент СТП может ухудшиться во время использования, а именно:

Перелом инструмента

Деформация инструмента

Износ инструмента

Крупномасштабное разрушение инструмента во время СТП обычно является очевидным событием, вызванным усилиями обработки, превышающими пределы прочности штифта инструмента. Эта форма разрушения обычно не наблюдается в СТП титановых сплавов. Однако при проведении эксперимента наблюдалось меньшее разрушение инструмента (потеря мелких частей штифта инструмента), особенно в неоптимизированных условиях сварки.

Деформация инструмента, вероятно, является наиболее важным механизмом возможного разрушения в СТП титановых сплавов. Экстремальные условия обработки, создаваемые во время СТП Ti-6Al-4V, могут вызвать ковку инструментов, особенно в области более холодного корня сварного шва. Деформация инструмента может контролироваться с помощью тщательной конструкции штифта и использования соответствующих условий сварки, но в настоящее время она не может быть полностью устранена. Используемые для СТП сплавов Ti, должны регулярно проверяться.

Третий возможный механизм разрушения инструмента - это износ, вызванный постепенным истиранием поверхности инструмента или химическим растворением материала инструмента в заготовке. Первоначальные исследования показали, что (при оптимизированных условиях сварки) ни один из этих механизмов не имеет большого значения для СТП титановых сплавов.

В экспериментах с ограниченным сроком службы отдельные инструменты СТП использовались для производства до 5 м сварного шва с толщиной 6,35 мм Ti-6Al-4V без заметного ухудшения качества.

Таким образом, после проделанного анализа можно сформировать следующие выводы.

Способом упрочнения титановых сплавов является термическая обработка, проводимая в определенной последовательности: закалки, старения или отжига, которая также значительно влияет на структуру и, следовательно, на коррозионное поведение. В ходе термической обработки также происходит повышение прочностных характеристик сплавов, а также при термической обработке изменяются величины зерен, число дефектов кристаллической решетки, обеспечивается более равномерное распределение включений в зернах, снимаются остаточные напряжения, а вследствие этого повышается усталостная прочность и пластичность.

Коррозионная стойкость УМЗ материалов в активных средах значительно ниже, чем для тех же материалов с крупнозернистой структурой.

В случае титанового сплава ВТ6 основной вклад в работу разрушения в УМЗ-структуре вносит зарождение трещины, а в КЗ структуре ее распространение. Высокие значения работы распространения обусловлены большой площадью разрушения из-за частого отклонения трещины от магистрального направления.

Приведенные выше изобретения, представляющие собой способы изготовления титановой конструкций, могут быть использованы при соединения титановых листов сваркой трением с перемешиванием для формирования заготовки.

Сварка титановых сплавов СТП все еще является новой технологией, и в настоящее время существуют следующие ограничения:

Процесс СТП еще не был полностью оптимизирован для этого применения, и соединение сплавов Ti с помощью СТП остается сложной задачей.

Существует ограниченный опыт применения этой технологии для реальных компонентов.

Передовые инструментальные технологии и вспомогательные системы, необходимые для СТП титана, в настоящее время относительно дороги.

Список использованных источников

Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в строительстве/ Ю.Г. Людимский, Р.Р. Котлышев// Научный вестник ВГАСУ. – 2010. - №3. – С. 15-22.

Рзаев Р.А., Датская З.Р., Державин И.М., Чуларис А.А. - Соединение коррозионностойких сплавов со сталями сваркой трением с перемешиванием // Сварка. Диагностика. 2019. №1.

Черных И.К., Васильев Е.В., Чекалин И.Л., Кривонос Е.В., Макашин Д.С. Получение сварного соединения пластин из титановых сплавов методом сварки трением с перемешиванием // ОмГТУ. 2018. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/poluchenie-svarnogo-soedineniya-plastin-iz-titanovyh-splavov-metodom-svarki-treniem-s-peremeshivaniem (дата обращения: 06.10.2019).

Sanders, D.G., Edwards, P., Cantrell, A.M. Friction Stir-Welded Titanium Alloy Ti-6Al-4V: Microstructure, Mechanical and Fracture Propertieset al. JOM (2015) 67: 1054.

Hui Jie Liu, Li Zhou, Yong Xian Huang, Qi Wei Liu «Study of the Key Issues of Friction Stir Welding of Titanium Alloy»: Mater. Sci. Forum Vol. 638 (2010), p.1185.

M. J. Russell TWI Ltd, Cambridge, UK10th World Conference on Titanium, Hamburg, 13-18 July 2003

Бильдер Е.А., Иванова А.Д. Современные требования к развитию инженерного образования: формирование проектного мышления и управленческих навыков // Инженерное мышление: особенности и технологии воспроизводства. Матер. научн.-практ. конф. (27 октября 2018 г.). – Екатеринбург: Деловая книга. - 2018. - с. 139-143.

Код для цитирования: Скопировать