XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Проблема сварки алюминиевых сплавов традиционным способом (клепка, дуговая сварка плавящимся электродом в среде инертного (MIG) или активного газа (MAG), ручная сварка неплавящимися вольфрамовыми электродами в среде защитного газа - аргона (TIG), а также высоко - энергетическая лазерная или электронно-лучевая сварка) заключается в склонности к образованию дефектов: рыхлостей, цепочек пор в шве и у зоны сплавления, трещин в высокотемпературной ЗТВ, включений прочной оксидной пленки и ферросплавов в шве [1, 2]. Одним из вариантов решения данной проблемы является использование сравнительно нового сварочного процесса - сварки трением с перемешиванием (СТП), известного в России с 1967 года [3] и реализованного в Великобритании [4] в 1990-х годах в Технологическом институте сварки (TWI - TechnologicalWeldingInstitute) [1].

Исследования, выполненные в последние годы показали, что СТП является эффективным способом получения высококачественных соединений различной геометрии, включая листовые материалы, пространственные профильные конструкции, трубы, восстановления изношенных деталей, модифицирования и улучшения структуры материалов, залечивания трещин и литейных дефектов. Обладая широкими технологическими возможностями по получению неразъемных соединений деталей и узлов, она может быть использована в качестве альтернативы заклепочным соединениям, контактной, шовной электродуговой, электроннолучевой и лазерной сварки.

Таким образом, СТП становится универсальной технологией, имеющей большие перспективы в различных отраслях производства [1]. По мнению ведущих мировых экспертов, данный процесс является революционным в области сварки листовых материалов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых).

Целью исследованияявляется разработка инструмента и определение режимов сварки на которых образуется сварное соединение пластин из сплава АМг4 толщиной 6,0 мм.

Для реализациипроцесса сварки использовался вертикальный консольно-фрезерный станок FSS-400 показанный на (Рис. 1.).

Рис.1. Фрезерный станокFSS 400 [4]

Несмотря на большое количество патентов по СТП, а так же большой объем исследований в области разработки инструментов, определенной методики по разработки инструмента нет. Основным требованием к конструкции инструмента является обеспечение нагрева металла в зоне сварки до пластического состояния, перемешивание его по всей толщине свариваемых кромок и перемещение в замкнутом объеме при избыточном давлении.

Для разработки сварочного инструмента необходимо определить следующие параметры:диаметр пина;длина пина;диаметр заплечика;материал инструмента.

На основании литературного обзораи экспериментальных данных, была сконструирована форма инструмента для сварки трением с перемешиванием листов из сплава АМг4 толщиной 6,0 мм, так же удалось найти информацию рекомендательного характера по подбору некоторых параметров инструмента, для получения качественного сварного соединения листов из сплава АМг4 толщиной 6,0мм.[5,6]:

- Диаметр заплечика D отвечает за генерирование тепла и перемешивание верхних слоев металла. Используя дополнительные источники информации было решено принять диаметр заплечика 25 мм.

- Пин отвечает за перемешивание металла по толщине (дробление оксидных пленок и их равномерное распределение в объеме, обеспечение физического контакта, активация поверхностей) свариваемых заготовок. Пин имеет форму усеченного конуса, что бы предупредить разрушение пина под большими касательными напряжениями, которые будут возникать в процессе сварки. Диаметр конуса приняли 6,0 мм. Угол наклона между осью и образующим 15⁰

- Длину инструмента приняли, основываясь на глубину установки инструмента в патрон ЧПУ, на котором планируется проводить эксперименты, так же учитывались и параметры оснастки, чтобы рабочие элементы станка и оснастки не препятствовали нормальному протеканию процесса. Длину инструмента приняли равным 59,7 мм;

Инструмент для СТП работает в достаточно сложных условиях: при высокой температуре и значительных нагрузках, поэтому крайне важно правильно подобрать материал инструмента. Для данной конструкции была выбрана легированная сталь марки 20Х13. Химический состав стали представлен в (табл. 1).[7]

Таблица 1

Химический состав стали марки 20Х13 [7]

Примеси	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Fe
Содержание, %	0,16-0,25	До 0,6	До 0,6	До 0,6	До 0,025	До 0,03	12-14	~84

Опираясь на вышеописанные данные был разработан инструмент в соответствии с (Рис. 2).

Рис. 2. Рабочий инструмент для СТП алюминия 6,0 мм .

Основными параметрами рабочего инструмента для сварки алюминия толщиной 6,0 мм способом СТП являются: диаметр заплечика 25 мм; длина пина6.0 мм; диаметр пина6,0 мм.

Данным инструментом было выполнено стыковое сварное соединение алюминиевых пластин толщиной 6,0мм на стальной подкладке.

Таблица 2

Режимы сварки

№	Частота вращения, об/мин	Скорость сварки, мм/мин	Результат
1	1400	315	Формирование сварного шва не произошло, вследствие разрушения пина.
2	1400	80	Формирование шва произошло с туннельным дефектом (заглаженный непровар) с залеганием на глубине выходного отверстия пина, так же произошел износ пина (стал короче на 0,15 мм)
3	1400	16	Формирование шва произошло с туннельным дефектом (заглаженный непровар) с залеганием на глубине выходного отверстия пина (дефект увеличился по сравнению с экспериментом №2)
4	900	80	Произошло хорошее формирование шва, после визуального осмотра туннельный дефект (заглаженный непровар) не обнаружен. Заглубление заплечика составило 0,74 мм при угле наклона инструмента 1о.
5	900	80	Произошло хорошее формирование шва, после визуального осмотра туннельный дефект (заглаженный непровар) не обнаружен.Заглублениезаплечика составило 0,43 мм при угле наклона инструмента 1о.

Сварное соединение представленное на (рис. 3), получено на режиме №5 (табл. 2): частота вращения инструмента n=900 об/мин, скорость сварки v=80 мм/мин, угол наклона инструмента в 1°, величина заглублениязаплечика0,43 мм. [8].

Рис 3. – Сварка алюминиевого листа толщиной 6,0 мм способом СТП.

Из (Рис. 3.) видно, что инструмент обеспечивает необходимый разогрев металла, его пластическое деформирование и формирование сварного шва.

В ходе исследования получили хорошее формирование сварногошва из алюминиевого сплава АМг4 толщиной 6,0 мм. Во время экспериментов было замечено, что в процессе сварки рабочий инструмент незначительно сточился.

Выяснили, что частота вращения не так важна для формирования шва, в отличии от скорости сварки и угла наклона рабочего инструмента. В дальнейших исследованиях планируется скорректировать режимы сварки таким образом, чтобы полностью уйти от дефекта под названиезаглаженный непровара, а именно увеличить угол наклона рабочего инструмента с 1° до 3°,так же следует уменьшить скорость перемещения рабочего инструмента без изменения его частоты вращения.

СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Aritoshi M. Friction stir welding of magnesium alloys sheets // Journal of the Japan Welding Society. – 2005. – 74, №3. – С. 18 – 23.

3. Муравьёв В.И., Бахматов П.В., Мелкоступов К.А. К вопросу актуальности исследования сварки трением с перемешиванием конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов // Ученые записки. – 2010. - №11-2(2). - С. 110-125.

4. Технические характеристики фрезерного станка FSS-40

URL: http://stanki-katalog.ru/sprav_fss400.htm

5. Покляцкий А.Г., Ищенко А.Я., Подъельников С.В. Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8…2,5мм // Автоматическая сварка.. – 2008. - №10. – С. 27–30.

6. Третяк Н.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов // Автоматическая сварка.. – 2002. - №2. – С. 12–21.

7. Марочник стали и сплавов URL: http://www.splav-kharkov.com/mat_start.php?name_id=1429

8. Сафин В.Н., Щуров И.А., Федоров В.Б. Отработка технологии сварки трением с перемешиванием для соединения труб из алюминиевых сплавов // Вестник ЮУрГУ– 2012. - №33. – С. 117–121.

Код для цитирования: Скопировать