автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Холодная сварка давлением алюминиевых деталей, соединяемых внахлестку

На правах рукописи

Ву Нгок Тхыонг

ХОЛОДНАЯ СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ, СОЕДИНЯЕМЫХ ВНАХЛЕСТКУ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005543931 12 ДЕК 2013

Тула 2013

005543931

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Евдокимов Анатолий Кириллович, доктор технических наук, профессор.

Кузин Владимир Федорович, доктор технических наук, профессор кафедры «Отрелково-пушечное

вооружение» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»,

Булычев Владимир Александрович, кандидат технических наук, доцент, главный специалист ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения» (г. Тула).

ФГБОУ ВПО «Государственный университет — учебно-научно-производственный комплекс» (г. Орёл).

Защита диссертации состоится «18» декабря 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012 г.Тула, проспект Ленина д 92 ауд. 9-101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

А.В. Черняев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Развитие народного хозяйства в значительной мере определяется ростом объема производства металлов, расширением сортамента изделий из металлов и сплавов и повышением их качественных показателей, что в значительной мере зависит от условий пластической обработки. Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее рациональные режимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательное оборудование и обоснование его эксплуатации. В настоящее время в России и во Вьетнаме активно развиваются машиностроительные производства. В производстве есть много видов герметизированных капсул и проволоки различных диаметров, которые целесообразно обрабатывать сваркой давлением. Выбор холодной сварки в качестве темы для исследований вызван реальными запросами производства. Одной из задач исследования является совершенствование технологии сварки давлением, которая важна для развития промышленного производства и экономического развития общества в целом в России и во Вьетнаме.

Возможность получения холодной сваркой прочных и надежных соединений алюминия представляет исключительный интерес для электромашиностроительной промышленности и электромонтажного производства, где в связи с актуальностью проблемы по замене меди алюминием возникает необходимость в алюминиевых токопроводящих деталях, при этом концы выводов оставляют медными. Холодная сварка незаменима для выполнения соединений в огнеопасной и взрывоопасной средах. Этот способ особенно приемлем при изготовлении, например, алюминиевых капсул с веществами, не допускающими температурных воздействий. Холодной сваркой можно герметизировать алюминиевые сосуды для хранения и транспортировки эфира и других анестезирующих жидкостей. Основной задачей производства капсул является надежность их герметизации без локальных разрушений.

В настоящее время отсутствуют полноценные исследования технологических процессов холодной сварки давлением для получения качественных деталей внахлестку из алюминиевых материалов, поэтому повышение эффективности применения холодной сварки давлением для соединения алюминиевых листовых и проволочных деталей внахлестку является актуальной задачей исследования.

Цель работы

Повышение прочности и надежности сварных соединений алюминиевых деталей внахлестку путем назначения рациональных параметров технологии холодной сварки давлением.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследований.

1. Провести анализ существующих методов повышения прочности и надежности сварных соединений путем использования локальной холодной пластической деформации.

2. Разработать компьютерные модели напряженно-деформированного состояния деталей различной формы при холодной сварке внахлестку с использованием пакета прикладных программ «Deform» 3D VI 0.0.

3. Выявить влияние геометрии инструмента и условий трения на контактных поверхностях на характер деформирования деталей при сварке, на силовые параметры процесса и на адгезионные характеристики свариваемых металлов.

4. Провести эксперименты по холодной сварке давлением внахлестку алюминиевых деталей, определить условия начала схватывания соединяемых поверхностей и проверить прочность сварных соединений. Найти и рассчитал, рациональные параметры холодной сварки внахлестку, полученных КЭ-моделированием и экспериментально.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологий герметизации капсул и соединения проволочных деталей. Использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.

Объекты исследования. Технологические процессы холодной сварки давлением.

Предметы исследования. Холодная сварка давлением путем локальной пластической деформации алюминиевых деталей различной формы, соединяемых внахлестку.

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории обработки металлов давлением, теории холодной сварки, конечно-элементном методе математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Механика пластического формоизменения» ТулГУ с использованием испытательной машины «Instron» для разработки рекомендаций по повышению прочности и надежности сварного соединения. При осуществлении разработанных операций использовался полуавтомат типа МХСК-1 для герметизации алюминиевых капсул и машина МСХС-5-3 для холодной сварки проволоки.

Автор защищает:

- результаты моделирования процесса деформирования при холодной сварке давлением в момент герметизации алюминиевых капсул и соединения алюминиевой проволоки;

- рассчитанные значения силы деформирования при сварке от геометрии инструмента, скорости перемещения инструмента, коэффициента трения;

- результаты экспериментальной оценки качества и несущей способности сварных швов после сварки;

- результаты выбора рациональных параметров технологических процессов холодной сварки давлением внахлестку на основе теоретических данных и эксперимента;

- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов герметизации алюминиевых капсул и сварных соединений алюминиевой проволоки;

- использование результатов исследований холодной сварки алюминиевых деталей в производстве на предприятиях России и Вьетнама.

Научная новизна:

- определены значения силы деформирования в зависимости от геометрии инструмента и условий трения на контактных границах с помощью разработанных имитационных моделей при степени деформации деталей, соответствующей адгезии поверхностей;

- выявлен поэтапный характер изменения деформации при холодной сварке давлением проволочных деталей и момент перехода между двумя этапами;

- решена задача по определению максимальной прочности соединений на основе теоретических расчетов и экспериментальных испытаний.

Практическая значимость:

- сформулирован пакет начальных условий для расчета деформации при сварке давлением с использованием метода конечных элементов;

- спроектированы штамповал оснастка, испытательный стенд и инструмент для сварки внахлестку, позволяющие осуществить предлагаемые способы сварного соединения и проверить их надежность;

- разработаны рекомендации по расчету технологических режимов деформирования при сварке алюминиевых деталей.

Реализация работы. Разработанные рекомендации по расчету технологических параметров операций холодной сварки давлением алюминиевых деталей внахлестку использованы при проектировании технологических процессов изготовления деталей типа «капсула» и «проволока» из алюминиевого сплава АД1М на ООО «УПА» (г. Тула, Российская Федерация) и ОАО «Хоа фад» (г. Намдин, Вьетнам). Эффективность разработанных технологических схем изготовления этих деталей связана с сокращением затраченной энергии в 20 % для сварки проволоки и 16 % для сварки капсул.

Апробация работы. Материалы исследований доложены на Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2011, 2012 гг.); на VI Молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2011, 2012 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», проводимой в рамках Мероприятий по программе «У.М.Н.И.К.» (г. Тула, 2012 гг.); на Виртуальной Международной выставке гениальных изобретателей (Korea Cyber International Genius Inventor Fair, CIGIF, 2012 г.); на конференции ППС кафедры МПФ (г.Тула, ТулГУ, 2011-2013 гг.).

Публикации. Материалы проведенных исследований отражены в 10 публикациях: в 5 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, и в 5 тезисах докладов международных и всероссийских научно-технических конференций объемом 1,24 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 137 страницы машинописного текста, 52 рисунков и 8 таблиц. Общий объем — 148 страницы.

ОБЗОР СОДЕРЖАНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе на основе изучения исследований по холодной сварке давлением выявлено, что наибольший вклад в науку о холодной сварке давлением внесли С .Б. Айнбиндер, И.Б. Баранов, A.C. Гельман, А.К. Евдокимов, Э.А. Иванова, Э.С. Каракозов, К.А. Кочергин, В.Ф. Кузин, В.В. Рис, Г.П. Сахацкий, А.П. Семенов, И.М. Стройман, К.К. Хренов, М.Х. Шоршоров, а также N. Bay, Y.T.Li, H.A. Mohamed, R.F. Tylecote и др. Их исследования изучали возможности металлов и сплавов к схватыванию в твердой фазе без нагрева, подготовку поверхностей участков деталей к сварке, влияние скоростей и давлений на прочность соединения, характер скоростей течения и деформаций, способствующий укреплению сварного шва.

Отмечено, что метод конечных элементов способствует повышению эффективности анализа с помощью современных компьютеров. Использование этого метода для исследования сложного характера пластического течения металла, а также изучения действий на характер пластического течения технологических параметров, напряженно-деформированного состояния и условий трения на контактных границах, позволяет улучшить качество конкретного сварного шва и, в целом, сварного соединения, а также уменьшить расходы энергии, связанные с производством. Однако это касалось только стыковой сварки, распространенной в США и Южной Корее, и никак не анализировалось при сварке давлением внахлестку. Многие исследования были выполнены экспериментальными или инженерными методами и не давали надежных результатов расчета.

В конце главы формулируются цель и задачи исследования.

Во второй главе приводятся результаты изучения возможности использования теоретических основ пластической деформации при сварке давлением. Приведены основные уравнения метода конечных элементов, примененных для изучения холодной сварки давлением внахлестку деталей различной конфигурации в поперечном сечении. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния при степенях деформации, соответствующих адгезионному соединению сопряженных поверхностей. Также выявлено влияние геометрии инструмента с различными углами скоса и коэффициентом трения на контактных поверхностях на скорость деформации, удельную силу и напряжение в локальных зонах свариваемых деталей при заданных скоростях перемещения деформирующего инструмента.

Основные уравнения конечно-элементного метода использовались для анализа процессов деформирования в зоне сваривания деталей.

Условие текучести запишем в виде

/(Ст|у) = ст„ +/(§„) = 0. (1)

Соответственно интенсивности скоростей деформаций и напряжений

^ -Syf + {ty -ъ? +К, +|(n2*v Wyz + Ц2^). (2)

ети = ^(стх - а у)2 + (ау - а2 )2 + (стг - ах)2 + 6(т2ху + т2уг + т2гх) . (3)

В случае медленного пластического течения уравнение равновесия имеет вид

ау-у=0. (4)

Определяющие уравнения в формулировке Леви-Мизеса

(5)

3<7 и

Соотношения связи компонентов скоростей деформаций с компонентами вектора скорости перемещения

Условие несжимаемости (7)

Начальные условия для компонентов скорости ц = уДГц), (8)

где а у - компоненты тензора напряжений; ,$,у = ст,у - 5,уа - компоненты девиато-ра напряжений; 5,у - символ Кронекера; - компоненты скоростей деформаций; V, - компоненты вектора скоростей перемещения; г - время.

Связь между инвариантами <Уи,£и,^и может определяться уравнением состояния в общем виде с учетом температуры среды Т

ои=ои{еиЛи,Т)- (9)

Функционал полной мощности, эквивалентный системе уравнений с учетом принятых допущений для статической задачи, принимает следующий вид:

J = \<Jt¿udV+ \f-v.dS, (10)

V 5, $г

где ц - коэффициент пластического трения,

г*

у, - поверхности разрыва скоростей.

На основе приведенных соотношений выполнены теоретические исследования силовых режимов холодной сварки проводов из алюминиевого сплава АД1М. Исследования выполнены для следующих значений технологических параметров: заданы степень деформации е = 0,8 и коэффициент прандглева трения р. = 0,3.

Результаты исследований влияния геометрических характеристик инструмента на силовые режимы сварки приведены в табл. 1.

Анализ результатов показывает, что различные радиусы скругления кромок пуансонов (рис. 1) существенно влияют на силу деформирования операции холодной сварки. Установлено, что сила деформирования имеет наименьшую величину при различных радиусах пуансона. Например, при ^1=0,3 мм и /?2= 0,5 мм сила деформирования Ртах =2644 Н будет наименьшей.

Таблица 1

Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Радиус і?і(мм) 0,1 0,1 0,1 0,3 0,3 0,3 0,5 0,5 0,5

Радиус /?2 (мм) 0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,5 0,1 0,3 0,5

Сила деформирования -Рщах (Н) 3475,0 3124,4 2785,7 3548,0 3066,5 2644,0 3298,8 2961,3 3022,9

Рис. 1. Я - радиусы скруглення кромок пуансонов

Результаты исследований влияния коэффициента трения на контактных поверхностях инструмента и заготовки на силовые режимы холодной сварки давлением алюминиевых деталей внахлестку представлены на рис. 2 и 3.

| 1-^=0,3 2-^0,5 3-м=оЛ

В ре (лия

Рис.2. Зависимость технологической силы от коэффициента трения

Установлено, что при совместном деформировании проволоки на этапе 1, когда є = 0,2 (время /=0,18), образуется ступень (рис. 2), связанная с измене-" нием характера течения металла. Поперечная деформация сжимаемых участков проволок меняется на продольную (рис. 3).

При сварке металлов со степенью є = 0,8 при различных коэффициентах трения силы равны: например, при ц = 0,3 Ртах =2644Н; при ц = 0,5 Ртах =3022Н; при (і = 0,7 Ртах = 3477 Н. Показано, что с увеличением коэффициента трения с 0,3 до 0,7 технологическая сила сварки давлением алюминиевой проволоки возрастает на 31,5 %.

Р V. |> V,

а) 1 - 6) £ в)

Рис. 3. Схема перехода от поперечной деформации прутков к продольной

При разработке технологии соединения изделий холодной сваркой необходимо, чтобы допустимая степень деформации была такой величины, которая не вызывала бы существенного ослабления свариваемой детали. В связи с этим большой практический интерес представляет изучение характера распределения деформаций и напряжений в зоне соединения при холодной сварке.

Распределения напряжений и деформаций в очаге пластического формоизменения в различных точках Р, показаны на рис. 4.

Рис. 5. График изменения напряжений в различных точках очага деформации

Результаты моделирования отражаются на экране компьютера в виде цветных ЗО-моделей заготовки после сварки (рис. 4). Каждый цвет отображает характеристики своего состояния. Так как в точках Р, и Р2 (рис. 5) напряжения меньше, чем в точке Р3, то адгезионные процессы там практически не происходят.

С помощью разработанной программы можно выявить наилучшую для заданных условий геометрию инструмента (рис. б) при КЭ-моделировании.

Рис. 4. Распределение напряжений в ЗЭ-модели заготовки после сварки

0,000 0,15 0,30. 0,45 0,60 0,80

Вр&мя 1.с

9 0.02 0 >?4 60С C.(ö Oiri а? р.4-?. 0:14 fc 14 0.15 С. H5 "0.» 0.2

Рис. 6. Распределение Рис.7. Зависимости напряжений от измене-

напряжений в зоне сварки ния радиуса пуансона R2 при R\ = 0,3

Выбор наибольшего допустимого радиуса R2 (см. рис. I) позволяет снизить концентрацию напряжений (рис. 7) и повысить стойкость инструмента.

В третьей главе было проведено компьютерное моделирование процессов холодной сварки давлением герметизированных капсул (рис. 8,а), выполненных из листового алюминия АД1М, с использованием программного пакета DEFORM - 3D. Крышка (деталь 1) и корпус (деталь 2) имеют толщину фланца 0,8 мм.

Результаты моделирования отражаются на экране компьютера в виде цветных 30-моделей заготовки после сварки (рис. 8,6). Каждый цвет отображает напряженное состояние в своей зоне.

а б

Рис. 8. Распределение напряжений в ЗБ-моделях во фланцах деталей капсулы при окончании герметизации

Проведенные расчеты показали характер распределения напряжений и деформаций при герметизации емкости в точке Р, (рис. 9,а) и в точке Р2 (рис. 9,6), что позволяет скорректировать технологические режимы холодной сварки давлением.

Рис. 9. График нарастания напряжений в различных точках сварного соединения при деформировании

На рис. 9 приведены результаты расчета напряжений, отмеченные интенсивностью цветовой гаммы в разных точках сварного шва, по которым оценивают, где происходит сварка деталей. Программа позволяет выбрать любые точки и узнать тензоры напряженно-деформированного состояния в них.

При сварке давлением деталей типа «капсула» радиус скругления кромок деформирующих выступов инструмента (рис. 10) оказывает большое влияние на появление локальных разрушений сварного шва.

а б

Рис. 10. Геометрия инструмента с радиусами Я скругления кромок

Отдельные результаты исследований влияния геометрических параметров инструмента на силу деформирования представлены в табл. 2. Перепад сил

составил 0,7 %.

_Таблица 2

Радиус скругления кромок пуансонов Я (мм) (рис. 11) 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Сила деформирования Ртах (Н) 2848,3 2843,4 2837,3 2832,4 2828,3

Заготовим

Результаты исследований зависимости силы деформирования от времени деформирования при предельном коэффициенте трения представлены на рис. 11 при /?=0,5.

" о® & ^ # # Ф # & 4> ф &

^ с- С" о- й- О- й- С? О-

Времия (,с

Рис. 11. Зависимость давления сжатия от коэффициентов трения

В табл. 3 приведены отдельные результаты расчета силы деформирования на пуансоне в зависимости от трения ц при степени деформации е = 0,8 (¿=0,475 с.)

Коэффициенты трения (1 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Сила деформирования Ртах (Н) 2828,3 2838,5 2850,7 2882,8 2910,5

Из табл. 3 видно, что с увеличением коэффициента трения от 0,3 до 0,7 технологическая сила возрастает на 2,9 %.

По результатам имитационного моделирования с использованием метода конечных элементов были решены задачи по улучшению подбора исходных данных при герметизации капсул. Например, найдены значения необходимых параметров для холодной сварки капсул с толщиной фланца 5=0,8 мм из алюминиевых сплавов АДОМ, АД1М, А5.

В четвертой главе разработаны рекомендации по проектированию технологических процессов методом холодной сварки внахлестку. Рассмотрены два технологических процесса: герметизация капсул и холодная сварка проволоки.

Геометрические параметры инструмента для сварки капсул и крышки из алюминиевого сплава АДОМ, АД1М и А5 с толщиной фланцев 0,8 мм выполнены с радиусами скруглення кромок пуансонов Я = 0,5 мм.

Инструмент для сварки проволоки 2,5 мм изготовлен с радиусами скруглення 0,3 мм, Я2 = 0,5 мм.

При осуществлении разработанных операций использовался полуавтомат типа МХСК-1 для герметизации алюминиевых капсул и машина МСХС-5-3 для холодной сварки проволоки.

Использовались ранее найденные оптимальные режимы сварки для рассматриваемых деталей. Проведенные испытания при сварке капсул со скоро-

стью пуансона V = 9 мм/с показали среднестатистическую силу деформирования Р = 2828,3 Н, а при сварке проволоки диаметром 2,5 мм из алюминиевого сплава А5 с той же скоростью сила деформирования Р = 2644 Н, что по расчетным данным соответствовало коэффициенту пластического трения на контактных поверхностях = 0,3 .

Предлагаемый метод подготовки поверхностей заготовок перед сваркой:

1) очистка поверхности от жировых пленок осуществлялась ацетоном;

2) удаление тонкой и, большей частью, пвердой и хрупкой окисной пленки осуществлялось зачисткой мелкой наждачной шкуркой;

3) другой вид очистки свариваемых поверхностей выполнялось отжигом образца, уменьшающим не только его твердость, но и выгорание органических загрязнений.

В пятой главе рассмотрена количественная и качественная оценка прочности и надежности сварных соединений.

В предложенных технологиях холодной сварки алюминиевых деталей были использованы разработанные рекомендации. Прочностные и технологические характеристики холодной сварки деталей (рис. 12, 13) соответствовали техническим требованиям производства. Найденное рациональное значение давления дало экономию энергии в 20 % для сварки проволоки и 16 % для сварки капсул.

Рис. 12. Алюминиевая капсула после Рис. 13. Алюминиевые проволочные герметизации холодной сваркой образцы после холодной сварки

давлением

Оценка качества, несущей способности и прочности сварных швов после сварки выполнялась испытаниями на растяжение, проведенных в лаборатории кафедры МПФ на разрывной машине ШБТІШК (рис. 14, 15).

Рис. 14. Образцы сваренных алюминиевых проводов

Рис. 15. Зажим сваренного провода на разрывной машине ГЫЗТИОИ

По результатам экспериментов, с помощью которых проверяли на прочность при растяжении сваренные образцы алюминиевой проволоки диаметром 2,5 мм, получен максимум выдерживаемой нагрузки 0,39282 кН. Максимальное напряжение образца при растяжении составляло 80 МПа. Выполнено сравнение с данными исследований И.М. Строймана, у которого сваренный алюминиевый образец выдерживал максимальное напряжение при растяжении 72,2 МПа. Результат сравнения напряжений образцов на растяжение показал, что в нашем случае прочность сварного соединения увеличивается на 10,8 %.

Устройство, показанное на рис.16, использовалось для сварки алюминиевой (А5) проволоки диаметром от 0,8 до 5 мм (рис. 17), а также для сплава (АД1) проволоки диаметром от 1,2 до 3,5 мм.

Рис. 16. У стройство для сварки проволоки Рис. 17. Образцы соединенных проводов

Исследования были проведены с помощью изготовленного устройства для сварки проводов в заводских условиях (рис. 18, 19). На производстве были проведены прикладные испытания, в результате которых исследованные методы холодной сварки внедрены на ООО «УПА» (г. Тула, Россия), ОАО «Хоа фад» (г. Намдин, Вьетнам). Было обеспечено хорошее соединение, при котором экономится до 50% металла по сравнению с методом скручивания. Таким образом, холодная сварка более производительна и уменьшает затраты на рабочую силу, расход электроэнергии и металла.

Рис. 18. Соединение алюминиевои проволоки методом скручивания

Рис. 19. Соединение алюминиевои проволоки методом холодной сварки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая важное народнохозяйственное значение для различных отраслей промышленности и состоящая в повышении эффективности применения холодной сварки давлением листовых и проволочных материалов внахлестку.

В процессе теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты и выводы.

1. Изучение предшествующих работ выявило, что совсем не исследованы характер изменения деформирования в процессе сварки и влияние геометрии инструмента на прочность и надежность сварных соединений металлов при холодной сварке давлением внахлестку.

2. Разработана комплексная имитационная модель оценки напряженно-деформированного состояния заготовок при холодной сварке давлением с использованием пакета конечно-элементных прикладных программ «Deform», позволившего решить задачи пластической деформации, не доступные для их решения другими методами.

3. Проведен анализ зависимостей скоростей перемещения V^ и деформаций 4 ¡j, распределения напряжений сгц и силы деформирования Р от таких факторов, как степень деформации £, скорость деформирования Vu форма инструмента Ri, коэффициент пластического трения ц. Влияние этих переменных на силовые параметры мало: 0,7 % от изменения радиусов кромок, 2,9 % - от трения, но оно становится значимым при локальном воздействии на сварочный шов.

4. На основании проведенных экспериментов по холодной сварке давлением внахлестку алюминиевых деталей определены условия начала схватывания соединяемых поверхностей и установлена максимальная прочность сварных соединений. В результате сравнения прочности образцов на растяжение с имеющимися данными в технической литературе установлено, что в нашем случае прочность сварного соединения увеличивается на 10,8%.

5. Результаты исследований, включающие оригинальный программный комплекс конечно-элементного моделирования процессов холодной сварки давлением алюминиевых деталей внахлестку, рекомендованы к использованию в производстве. Использование результатов позволило увеличить прочность деталей в 1,18 раза, сократить расход электроэнергии на 20% для сварки проволоки и на 16% для сварки капсул.

Отдельные материалы научных исследований использованы в учебном процессе на кафедре «Механика пластического формоизменения» ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В ПУБЛИКАЦИЯХ

1. Ву Нгок Тхыонг. Моделирование процессов сварки листовых металлов локальной пластической деформацией // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 12. Ч. 2. С. 104 -109.

2. Ву Нгок Тхыонг, Евдокимов А.К. Анализ напряженно-деформированного состояния при холодной сварке алюминия АД1М // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 10. С. 127-130.

3. Ву Нгок Тхыонг, Евдокимов А.К. Герметизация алюминиевых капсул холодной сваркой давлением //. Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. Вып. 4. С. 108-110.

4. Ву Нгок Тхыонг, Евдокимов А.К. Холодная сварка давлением алюминиевой проволоки, сложенной внахлест // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 28 -31.

5. Ву Нгок Тхыонг. Устройство для холодной сварки алюминиевой проволоки // Известия ТулГУ. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ. 2013. Вып. 7. Ч. 2. С. 32 -35.

6. Ву Нгок Тхыонг. Сварка листовых металлов локальной пластической деформацией // XXXVIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 5-8 апреля 2011 г. М.: МАТИ, 2011. Т.8. С. 84-85.

7. Ву Нгок Тхыонг. Герметизация алюминиевых капсул холодной сваркой давлением // Молодежные инновации: сборник докладов VI Молодежной научно-практической конференции ТулГУ. в 2 ч. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Ч. I. С. 240-242.

8. Ву Нгок Тхыонг. Анализ холодной точечной сварки давлением с предварительным сжатием деталей // XXXVIII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ: научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 10-14 апреля 2012 г. М.: МАТИ, 2012. Т.1. С. 61-63.

9. Ву Нгок Тхыонг. Моделирование процесса холодной сварки алюминия АД1М // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», проводимая в рамках Мероприятий по программе «У.М.Н.И.К.» 9.10 -11.10.2012 г. Тула: ТулГУ, 2012. С. 47-48 .

10. Ву Нгок Тхыонг. Моделирование холодной сварки давлением проволочных деталей // Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», проводимая в рамках Мероприятий по программе «У.М.Н.И.К.» 15.10-17.10.2013 г. Тула: ТулГУ, 2013. С. 9-11.

Изд лицЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 12.11.2013 Формат бумаги 60x84 'Лб. Бумага офсетная.

Усл.печ. л. 0,9 Уч.изд. л. 0,8 Тираж 110 экз. Заказ 078 Тульский государственный университет. 300012, г. Тула, просп.Ленина, 92.

Отпечатано в Издательстве ТулГУ. 300012, г. Тула, проспЛенина, 95.

ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

0420145241-0

ВУ нгок тхыонг

ХОЛОДНАЯ СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ ДЕТАЛЕЙ, СОЕДИНЯЕМЫХ ВНАХЛЕСТКУ

Специальность 05.02.09 Технологии и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.К. Евдокимов

Тула 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ.......................................................................................................12

1.1. Гипотезы образования соединений при холодной сварке.......................12

1.2. Применение метода конечного элемента к процессам штамповки и холодной сварки давлением..........................................................................28

1.3. Цель и основные задачи исследования...................................................38

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕФОРМАЦИЙ ПРИ СВАРКЕ ДАВЛЕНИЕМ......................................................................................................40

2.1. Основные уравнения принятого энергетического метода решаемой задачи, принятые допущения конечно-элементного анализа процессов деформирования.............................................................................................40

2.2. Решение начальной задачи сварки внахлестку и необходимые зависимости....................................................................................................60

2.3. Влияние технологических факторов при холодной сварке давлением ................................................................................................68

2.4. Метод конечных элементов, применяемый при сварке проволоки .....71

2.5. Распределение напряжений и деформаций в пластической области ...81

2.6. Основные результаты и выводы.............................................................84

3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ И АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТЕЙ..............................................................................................85

3.1. МКЭ при гасчете капсул и анализе распределения деформаций в капсуле ...........................................................................................................85

3.2. Проведение эксперимента, сопоставление данных с учетом выбранной конфигураци...................................................................................................93

3.3. Основные результаты и выводы ............................................................98

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ..............................................................99

4.1. Разработка технологического процесса герметизации тонколистовых капсул с учетом рекомендаций.....................................................................99

4.2. Технология сварки проволоки .............................................................103

4.3. Основные результаты и выводы ..........................................................107

5. ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ПРИМЕНЕНИЕ.....................................................109

5.1. Экспериментальные исследования холодной сварки алюминиевых образцов ................................................................................................. 109

5.2. Эмпирическая оценка качества и несущей способности сварных швов после сварки ..............................................................................................110

5.3. Некоторые приложения темы исследований в производстве...........121

5.4. Основные результаты и выводы ..........................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................125

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................127

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...............................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...............................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 3...............................................................................................144

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие народного хозяйства в значительной мере определяется ростом объема производства металлов, расширением сортамента изделий из металлов и сплавов и повышением их качественных показателей, что в значительной мере зависит от условий пластической обработки. Знание закономерностей обработки металлов давлением помогает выбирать наиболее рациональные режимы технологических процессов, требуемое основное и вспомогательное оборудование и обоснование его эксплуатации. В настоящее время в России и во Вьетнаме активно развиваются машиностроительные производства. В производстве есть много видов герметизированных капсул и проволоки различных диаметров, которые целесообразно обрабатывать сваркой давлением. Выбор холодной сварки в качестве темы для исследований вызван реальными запросами производства. Одной из задач исследования является совершенствование технологии сварки давлением, которая важна для развития промышленного производства и экономического развития общества в целом в России и во Вьетнаме.

Возможность получения холодной сваркой прочных и надежных соединений алюминия представляет исключительный интерес для электромашиностроительной промышленности и электромонтажного производства, где в связи с актуальностью проблемы по замене меди алюминием возникает необходимость в алюминиевых токопроводящих деталях, при этом концы выводов оставляют медными. Холодная сварка незаменима для выполнения соединений в огнеопасной и взрывоопасной средах. Этот способ особенно приемлем при изготовлении, например, алюминиевых капсул с веществами, не допускающими температурных воздействий. Холодной сваркой можно герметизировать алюминиевые сосуды для хранения и транспортировки эфира и других анестезирующих жидкостей. Основной задачей производства капсул является надежность их герметизации без локальных разрушений.

В настоящее время отсутствуют полноценные исследования технологических процессов холодной сварки давлением для получения качественных деталей внахлестку из алюминиевых материалов, поэтому повышение эффективности применения холодной сварки давлением для соединения алюминиевых листовых и проволочных деталей внахлестку является актуальной задачей исследования.

Цель работы

Повышение прочности и надежности сварных соединений алюминиевых деталей внахлестку путем назначения рациональных параметров технологии холодной сварки давлением.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи исследований.

1. Провести анализ существующих методов повышения прочности и надежности сварных соединений путем использования локальной холодной пластической деформации.

2. Разработать компьютерные модели напряженно-деформированного состояния деталей различной формы при холодной сварке внахлестку с использованием пакета прикладных программ «Deform» 3D VI0.0.

3. Выявить влияние геометрии инструмента и условий трения на контактных поверхностях на характер деформирования деталей при сварке, на силовые параметры процесса и на адгезионные характеристики свариваемых металлов.

4. Провести эксперименты по холодной сварке давлением внахлестку алюминиевых деталей, определить условия начала схватывания соединяемых поверхностей и проверить прочность сварных соединений. Найти и рассчитать рациональные параметры холодной сварки внахлестку, полученных КЭ-моделированием и экспериментально.

5. Разработать рекомендации по проектированию технологий герметизации капсул и соединения проволочных деталей. Использовать результаты исследований в промышленности и учебном процессе.

Методы исследования

Теоретические исследования базируются на основных положениях теории обработки металлов давлением, теории холодной сварки, конечно-элементном методе математического и компьютерного моделирования.

Экспериментальные исследования проводились в научной лаборатории кафедры «Механика пластического формоизменения» ТулГУ с использованием испытательной машины «Ггойоп» для разработки рекомендаций по повышению прочности и надежности сварного соединения. При осуществлении разработанных операций использовался полуавтомат типа МХСК-1 для герметизации алюминиевых капсул и машина МСХС-5-3 д ля холодной сварки проволоки.

Достоверность результатов

Обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задачи, применением известных математических методов и подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Автор защищает:

- результаты моделирования процесса деформирования при холодной сварке давлением в момент герметизации алюминиевых капсул и соединения алюминиевой проволоки;

- рассчитанные значения силы деформирования при сварке от геометрии инструмента, скорости перемещения инструмента, коэффициента трения;

- результаты экспериментальной оценки качества и несущей способности сварных швов после сварки;

- результаты выбора рациональных параметров технологических процессов холодной сварки давлением внахлестку на основе теоретических данных и эксперимента;

- разработанные рекомендации по проектированию технологических процессов герметизации алюминиевых капсул и сварных соединений алюминиевой проволоки;

- использование результатов исследований холодной сварки алюминиевых деталей в производстве на предприятиях России и Вьетнама

Научная новизна:

- определены значения силы деформирования в зависимости от геометрии инструмента и условий трения на контактных границах с помощью разработанных имитационных моделей при степени деформации деталей, соответствующей адгезии поверхностей;

- выявлен поэтапный характер изменения деформации при холодной сварке давлением проволочных деталей и момент перехода между двумя этапами;

- решена задача по определению максимальной прочности соединений на основе теоретических расчетов и экспериментальных испытаний.

Практическая значимость:

- сформулирован пакет начальных условий для расчета деформации при сварке давлением с использованием метода конечных элементов;

- спроектированы штампован оснастка, испытательный стенд и инструмент для сварки внахлестку, позволяющие осуществить предлагаемые способы сварного соединения и проверить их надежность;

- разработаны рекомендации по расчету технологических режимов деформирования при сварке алюминиевых деталей.

Реализация работы

Разработанные рекомендации по расчету технологических параметров операций холодной сварки давлением алюминиевых деталей внахлестку использованы при проектировании технологических процессов изготовления деталей типа «капсула» и «проволока» из алюминиевого сплава АД1М на ООО «УПА» (г. Тула, Российская Федерация) и ОАО «Хоа фад» (г. Намдин, Вьетнам). Эффективность разработанных технологических схем изготовления этих деталей

связана с сокращением затраченной энергии в 20 % для сварки проволоки и 16 % для сварки капсул.

Апробация работы

Материалы исследований доложены на Международных молодежных конференциях «Гагаринские чтения» (г. Москва, 2011, 2012 гг.); на VI Молодежной научно-практической конференции Тульского государственного университета «Молодежные инновации» (г. Тула, 2011, 2012 гг.); на Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Современные технологии обработки металлов и средства их автоматизации», проводимой в рамках Мероприятий по программе «У.М.Н.И.К.» (г. Тула, 2012 гг.); на Виртуальной Международной выставке гениальных изобретателей (Korea Cyber International Genius Inventor Fair, CIGIF, 2012 г.); на конференции ППС кафедры МПФ (г.Тула, ТулГУ, 2011-2013 гг.).

Публикации

Материалы проведенных исследований отражены в 10 публикациях: в 5 статьях в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, и в 5 тезисах докладов международных и всероссийских научно-технических конференций объемом 1,24 п.л.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения и пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 108 наименований, 3 приложений и включает 137 страницы машинописного текста, 52 рисунков и 8 таблиц. Общий объем - 148 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении. Обоснована актуальность рассматриваемой в работе научно-технической задачи, сформулированы цели работы, положения, выносимые на защиту, научная новизна, методы исследования, практическая значимость, приводятся данные о реализации работы, публикациях, структуре и объеме диссертационной работы, краткое содержание разделов диссертации.

В первом разделе. На основе изучения исследований по холодной сварке давлением выявлено, что наибольший вклад в науку о холодной сварке давлением внесли С.Б. Айнбиндер, И.Б. Баранов, A.C. Гельман, А.К. Евдокимов, Э.А. Иванова, Э.С. Каракозов, К.А. Кочергин, В.Ф. Кузин, В.В. Рис, Г.П. Сахацкий, А.П. Семенов, И.М. Стройман, К.К. Хренов, М.Х. Шоршоров, а также N. Bay, Y.T.Li, H.A. Mohamed, R.F. Tylecote и др. Их исследования изучали возможности металлов и сплавов к схватыванию в твердой фазе без нагрева, подготовку поверхностей участков деталей к сварке, влияние скоростей и давлений на прочность соединения, характер скоростей течения и деформаций, способствующий укреплению сварного шва.

Отмечено, что метод конечных элементов способствует повышению эффективности анализа с помощью современных компьютеров. Использование этого метода для исследования сложного характера пластического течения металла, а также изучения действий на него технологических параметров, напряженно-деформированного состояния и условий трения на контактных границах позволяет улучшить качество конкретного сварного шва и в целом сварного соединения, а также уменьшить расходы энергии, связанные с производством, однако это касалось только стыковой сварки, распространенной в США и Южной Корее, и никак не анализировалось при сварке давлением внахлестку. Многие исследования были выполнены

экспериментальными или инженерными методами и не давали надежных результатов расчета.

В конце главы формулируются цель и задачи исследования.

Во втором разделе. Приводятся результаты изучения возможности использования теоретических основ пластической деформации при сварке давлением. Приведены основные уравнения метода конечных элементов, примененных для изучения холодной сварки давлением внахлестку деталей различной конфигурации в поперечном сечении. Проведен анализ напряженно-деформированного состояния при степенях деформации, соответствующих адгезионному соединению сопряженных поверхностей. Также выявлено влияние геометрии инструмента с различными углами скоса и коэффициентом трения на контактных поверхностях на скорость деформации, удельную силу и напряжение в локальных зонах свариваемых деталей при заданных скоростях перемещения деформирующего инструмента.

В третьем разделе, было проведено компьютерное моделирование процессов холодной сварки давлением герметизированных капсул из листового алюминия АД1М с использованием программного пакета DEFORM - 3D. Расчет рациональных параметров технологической операции по герметизации капсул с помощью разработанной программы.

В четвертой разделе. Разработаны рекомендации по проектированию

, V

технологических процессов методом холодной сварки внахлестку. Рассмотрены два варианта технологических приемов: холодная сварка проволоки и герметизация капсул. Геометрические параметры инструмента для сварки капсул исполнены с радиусами скругления пуансонов. Сварная проволока и капсулы выполнены из алюминиевого сплава АД1, АД1М и А5. Инструмент для сварки проволоки изготовлен с радиусами скругления. При осуществлении разработанных операций использовался полуавтомат типа МХСК-1 для

герметизации алюминиевых капсул и машина МСХС-5-3 для холодной сварки проволоки. Использовались ранее найденные оптимальные режимы сварки для рассматриваемых деталей

В пятой разделе. Предложенные технологии холодной сварки были использованы эффективно. Холодная сварка деталей соответствовала техническим требованиям производства. Найденное оптимальное давление дало экономию энергии для сварки проволоки и сварки капсул.

Эмпирическая оценка качества и несущей способности сварных швов после сварки. По результатам экспериментов, с помощью которых проверяли на прочность при растяжении сваренные алюминиевые образцы проволок

Исследования были проведены с помощью изготовленного устройства для сварки проводов в заводских условиях (рис. 5.13, 5.14). На производстве были проведены прикладные испытания, в результате которых исследованные методы холодной сварки внедрены на ООО «УПА» (г. Тула, Россия), ОАО «Хоа фад» (г. Намдин, Вьетнам).

В заключении приводятся основные результаты и выводы по выполненной работе.

Приложения содержат полученные результаты компьютерного моделирования процессов холодной сварка давлением, экспериментов по проверке прочности и акт внедрения полученных результатов.

1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ХОЛОДНОЙ

СВАРКИ ДАВЛЕНИЕМ 1.1. Гипотезы образования соединений при холодной сварке

Все современные способы сварки металлов относятся, в основном к сварке плавлением, при которой соединяемые металлы нагреваются до температуры плавления без приложения вне