автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Механизм образования соединения и особенности технологии сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием

На правах рукописи —

Котлышев Роман Рефатович

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Специальность 05.02.10 - «Сварка, родственные процессы и технологии»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 он> ?щ

Ростов-на-Дону 2010

004611139

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства».

Научный руководитель: доктор технических наук

Людмирский Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Дюргеров Никита Георгиевич

ГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщений» (РГУПС), г. Ростов-на-Дону

доктор технических наук, профессор Мусин Ровель Абдулкаримович

ГОУ ВПО «Пермский государственный технический университет» (ПГТУ), г. Пермь

Ведущая организация: ООО «ПК «Новочеркасский

Электровозостроительный завод»

Защита состоится 2 ноября в 15 часов на заседании диссертационного Совета Д212.058.01 Донского государственного технического университета по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, ауд. 252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ. Автореферат разослан 1.10.2010 г. Ученый секретарь

диссертационного совета, /О

доцент, канд. техн. наук / ( г-в- Чумаченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В современной промышленности широко используется алюминий и его сплавы, благодаря ряду его уникальных свойств, таких как: лёгкость, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость, эстетичность. Соединение конструкций из алюминия способами сварки плавлением вызывает множество трудностей: высокий уровень сварочных деформаций, появление пористости и горячих трещин. Для сварки, протекающей в твердой фазе (сварки давлением), указанные дефекты не характерны. Однако не все традиционные способы сварки давлением (контактная, взрывом, магнитно-импульсная, трением, ультразвуковая, диффузионная) позволяют получить широкий спектр сварных соединений, эти способы зачастую предназначены для получения уникальных конструкций. В начале 90-х годов прошлого века в Британском институте сварке (TWI) был предложен новый способ сварки трением в твердой фазе (Friction Stir Welding - FSW), который получил название в отечественной литературе сварка трением с перемешиванием (СГП). Данный процесс применяется в странах Европы, США, Японии, Китае, благодаря ряду его преимуществ:

- высокие показатели механических свойств соединений при растяжении, изгибе; при статическом нагружении и при действии переменных нагрузок;

- возможность соединения сплавов трудно свариваемых традиционными способами (алюминиевые сплавы, содержащие цинк, медь; дуралюмины; литейные алюминиевые сплавы);

- стабильность и повторяемость параметров процесса и свойств сварных соединений;

- малая величина остаточных сварочных деформаций даже при сварке протяженных швов;

- значительное упрощение технология подготовки свариваемых кромок перед сваркой;

- более высокая производительность.

' Наиболее значимые результаты при исследовании СГП получены В. Томасом, Л. Седерквистом, П. Колегрувом, Т. Паном, А. Симаром.

В России этот способ сварки пока не получил широкого распространения. Однако, отдельные исследования в последние годы выполнены В.А. Ерофеевым, Е.В. Карпухиным, М.М. Штрикманом, В.А. Половцевым и Алифиренко Е. А.

К сожалению, большинство публикаций по сварке трением с перемешиванием не раскрывают механизм образования соединения, что затрудняет его практическую реализацию.

Цель работы: выявить основные факторы, определяющие механизм образования сварного соединения и разработать методику выбора режимов СГП алюминиевых сплавов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Создать экспериментальное оборудование, инструмент, технологическую оснастку.

2) Составить уравнение теплового баланса процесса СТП и предложить модель решения тепловой задачи.

3) Выявить основные факторы, определяющие механизм образования с&арного соединения при СТП.

4) Установить связь между основными параметрами режима сварки, влияющими на качество соединений, исходя из механизма образования сварного соединения, теплового баланса энергии и решения тепловой задачи.

5) Разработать технологию сварки алюминиевых токоведущих шин.

Методы исследования

Для раскрытия механизма образования соединения при СТП и разработки технологии сварки алюминиевых сплавов использовались теоретические, аналитические (расчет температур) и экспериментальные (калориметрирование, измерение температур термопарами, измерение осевого усилия и момента сил трения тензометрией) методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизического и металлографического методов анализа металла сварного шва, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна. Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований и анализ механизмов образования соединения при родственных процессах позволяют утверждать, что при сварке трением с перемешиванием соединение образуется в твердой фазе и протекает в три стадии:

первая стадия - сближение, очистка поверхности кромок стыка (физический контакт) осуществляется за счет совместной пластической деформации и перемешивания приграничных объемов металла стыкуемых деталей;

вторая стадия - в результате нагрева свариваемого металла до гомологической температуры (0,6-0,8)1"™ и интенсивной пластической деформации со стороны инструмента наблюдается перевод свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние, которое приводит к интенсивному массопереносу, вызывающему деградацию кромок деталей;

третья стадия - образование сварного соединения в твердой фазе в результате пластического деформирования,

механического перемешивания макрообъемов металла и последующего протекания динамической рекристаллизации, обеспечивающей образования сварного соединения.

Анализ механизма образования сварного соединения и теплового баланса позволил связать погонную энергию с основными параметрами процесса СГП и, используя критерий подобия п2}, обоснованно корректировать режим сварки при изменении конструктивных параметров свариваемого изделия.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и измерительного оборудования (тензостанция А17-Т8; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием и полученные результаты исследования хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизме образования соединения при сварке в твердой фазе.

Практическая значимость

Результаты исследований и расчета параметров процесса СТП позволили разработать технологии получения сварных стыковых соединений из алюминиевых сплавов АДО и АД31 (Al-Mg-Si).

Использование сварки трением с перемешиванием взамен аргонодуговой и других способов сварки плавлением уменьшает трудоемкость заготовительных и сварочных работ, сварочные деформации, исключает применение сварочных материалов (сварочной проволоки, вольфрамовых электродов, защитных газов), а также вредное воздействие на окружающую среду и оператора (сварщика).

Разработанная технология сварки токоведущих шин прошла апробацию в заводской лаборатории ООО «ПК «Новбчеркасский Электровозостроительный завод» и передана для внедрения.

Сварные соединения, выполненные по разработанной технологии, также переданы в ЦЗЛ ОАО «Роствертол». К настоящему времени проведены следующие исследования: макро- и микроанализ сварных соединений; химический анализ и оценка микротвердости сварных соединений. Для внедрения технологии СГП необходимо включить данный способ сварки в НТД.

Полученные результаты использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного

производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».

На защиту выноситься:

- механизм образования сварного соединения при СГП;

- критерий подобия образования качественного сварного соединения;

- рекомендации по выбору режимов сварки алюминиевых сплавов; -

Г! J результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса получения стыковых соединений;

- технология сварки токоведущих шин.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2007-2010;

- VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2007;

- ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2007-2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б научных статей и докладов, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 85 наименований.

Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 75 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и необходимость решения данной проблемы, сформулирована цель работы, изложены основные трудности сварки алюминия и его сплавов, часть из которых можно решить путем перехода на сварку трением с перемешиванием (СГП).

В первой главе проанализирована история развития сварки трением, появления и развития сварки трением с перемешиванием (СГП).

Принципиальная схема процесса СГП показана на рисунке 1. Сущность процесса состоит в следующем. Сварка ведется вращающимся нерасходуемым инструментом. Инструмент в общем случае представляет собой цилиндр с плоским торцом диаметром D, данный элемент называется заплечикам. Из заплечиков выступает цилиндр меньшего диаметра d- пин. Ось инструмента наклонена на угол а относительно нормали. Инструмент, вращаясь со скоростью со, погружается в свариваемый металл на определенную глубину Л и перемещается вдоль стыка (сварка углом «вперед») со скоростью

V» в . .

давления от силы Рг металл под заплечиком находится в пластифицированном состоянии. За счет перемешивания пластифицированного металла и приложения к нему давления за инструментом образуется сварной шов. После сварки в детали (в месте выхода инструмента) остается характерное глухое отверстие, повторяющее форму пина инструмента. Процесс сварки ведется на подкладке. Система инструмент-подкладка должна обладать достаточной жесткостью.

Задняя кромка Рг инструмента

¡аплечик

---Пин

Рисунок 1 - Сущность сварки трением с перемешиванием: а - схема СТП; б - инструмент для СТП

К режимам СТП относят: скорость вращения инструмента, ш; скорость сварки, 1/са; угол наклона инструмента, о; глубину погружения инструмента, Л, осевое усилие, РГ

Существует несколько разновидностей процесса. Для осуществления сварки используется один или два инструмента; инструмент имеет постоянную или изменяющуюся геометрию (пин может входить в заплечик заподлицо). Геометрия инструмента весьма многообразна; процесс реализован для линейных, точечных и кольцевых сварных швов. В целом процесс СГП освоен эмпирически, критериев выбора режимов сварки для конкретных сплавов в литературе практически не описано.

В ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» предложено исследовать процесс СТП алюминиевых сплавов, с целью выяснения механизма образования сварного соединения при СТП и разработки технологии сварки алюминиевых сплавов.

Во второй главе приведена методика проведения экспериментов. Сварка производилась на фрезерном станке марки 6Р82Ш. Параметры сварки задавались управляющими средствами станка. Сварка осуществлялась на плоской стальной подкладке из стали 12Х18Н10Т.

Для оценки силового воздействия инструмента на свариваемый металл было спроектировано и изготовлено

приспособление для измерения осевого усилия и крутящего момента, представленное на рис. 2.

Для измерения температур использовали хромель-алюмелевые термопары, сигнал с которых поступал на анализатор спектра (тензометрическую станцию) А17-Т8. Информация с тензостанции передавалась на ПК.

Рисунок 2 - Внешний вид приспособления для определения осевого усилия и крутящего момента: 1. Основание; 2. Плита; 3. Разрезное кольцо; 4. Алюминиевый образец; 5. Инструмент

Калориметрирование проводилось для оценки доли тепла генерируемого пином. Калориметр представлял собой капроновую чашу, в которую устанавливалась подкладка с алюминиевой заготовкой. Вода заливалась в количестве 100 г таким образом, чтобы она не попадала на верхнюю поверхность алюминия, по которой будет проходить инструмент.

Рентгеновские исследования производились согласно ГОСТ 7512. Для проведения контроля качества использован рентгеновский аппарат РУП 200-5-2, рентгеновская пленка D4 AGFA, с флуоресцирующими усиливающими экранами. Тип кассеты 200x100.

Механические испытания проводились на стандартных образцах, согласно ГОСТ 6969.

Подготовка и травление образцов производилась в соответствии с РД 5.955-74 «Металлы и сплавы. Изготовление и травление металлографических микрошлифов». Для выявления микроструктуры применяли химическое травление шлифов во французском реактиве при 70°С (ортофосфорная кислота - 75 мл, серная кислота - 15 мл, азотная кислота - 10 мл).

Результаты исследований использованы в главах 3-4.

В третьей главе приведены теоретические аспекты образования сварного соединения.

Согласно современной теории, образование соединения в твердой фазе представляют как топохимическую реакцию, протекающую в три стадии;

1. Образование физического контакта, т.е. сближение атомов соединяемых материалов за счет пластической деформации на расстояния возникновения межатомных взаимодействий.

2. Активация контактных поверхностей (образование активных центров), при которой, благодаря энергетическому воздействию, начинаются процессы химического взаимодействия, приводящие к квантованию электронных оболочек атомов и возникновению межатомных связей. При сварке однородных металлов первая и вторая стадии практически сливаются в одну, так как активация обеих контактных поверхностей начинается уже в процессе их сближения при совместной пластической деформации отдельных микровыступов.

3. Объемное взаимодействие. Эта стадия наступает с момента образования активных центров и различного рода связей в зоне контакта. В течение этой стадии происходит развитие взаимодействия соединяемых материалов как в плоскости контакта с образованием прочных химических (о частном случае металлических) связей, так и в приконтактных областях сварного соединения. В плоскости контакта он заканчивается слиянием дискретных очагов взаимодействия, а в объеме — релаксацией напряжений, массы, температуры (в той степени завершенности, которая необходима для сохранения образовавшихся связей). Однако, для обеспечения требуемой прочности соединения, часто необходимо дальнейшее развитие релаксационных процессов типа рекристаллизации, гетеродиффузии и др.

Существенный вклад в развитие теории образования сварного соединения в твердой фазе принадлежат ученым СССР и России: Рыкалину H.H., Шоршорову М.Х., Красулину Ю.Л., Каракозову Э.С., Казакову Н.Ф., Конюшкову Г.В. и Мусину P.A.

Необходимо отметить, что процесс СГП не рассматривался с позиций вышеуказанной теории.

Процесс СГП в отличие от других способов сварки давлением имеет характерное отличие, связанное с необходимостью использования инструмента для сварки. Поэтому вышеуказанные стадии будут непосредственно связаны со сварочным инструментом.

Можно выделить три характерные зоны создаваемые инструментом в свариваемом металле, согласно рис. 3.

В зоне I происходит подготовка свариваемых кромок: подогрев за счет трения металла об инструмент, предварительная очистка свариваемых кромок от оксидной пленки преимущественно верхних слоев. В этой зоне за счет небольшого наклона инструмента формируется волна пластифицированного свариваемого металла, т.о. металл постоянно контактирует с передней кромкой заплечика.

Рисунок 3 - Зоны металла, образующиеся под инструментом в процессе СТП (продольный разрез)

Во И зоне происходит перемешивание свариваемого металла по толщине. Металл в этой зоне ограничен с одной стороны инструментом и подкладкой, с другой - основным холодным металлом. За счет сил трения (связанных с высокой адгезией алюминия) нагретый металл вокруг вращающегося пина увлекается за ним и пластически деформируется. На некотором расстоянии от пина пластические деформации угасают. В результате в этой зоне происходит интенсивный массоперенос, свариваемый металл пластически течет. За счет относительного сдвига слоев металла происходит очистка свариваемых поверхностей от оксидных пленок и в контакт вступают ювенильные слои металла. В результате интенсивной пластической деформации и нагрева металл переходит в активированное вязко-текучее состояние и непосредственно вокруг пина происходят процессы образования соединения и его разрушения, а также движение и размножение дефектов кристаллического строения атомов, благодаря чему зерна свариваемого металла в зоне действия инструмента сильно измельчаются и имеют мелкодисперсную структуру, что также способствует реализации вязкопластического течения.

В третьей зоне, за счет трения задней кромки инструмента свариваемый металл, он продолжает подогреваться. Благодаря наклону инструмента задняя кромка создает дополнительное давление сжатия, тем самым способствуя более благоприятному протеканию релаксационных процессов (динамической рекристаллизации, релаксации сварочных напряжений), а также уплотнению (проковки) металла. В результате протекания процесса динамической рекристаллизации формируется полиэдрическая структура сварного шва.

Физический контакт. С позиции термодинамики и стадийности процесса образования соединения при СГП физический контакт свариваемых поверхностей образуется при деградации границы стыка при воздействии на него инструмента в объеме, ограниченном, с одной стороны, заплечиком инструмента и

подкладкой, а с другой, - свариваемыми деталями. Плоскость стыка под действием деформаций сдвига, создаваемых инструментом, как бы перемешивается (закручивается) пином, благодаря чему элементарные объемы материала в этой части стыка перемещаются с проскальзыванием друг относительно друга. В результате такого процесса оксидные пленки разрушаются и в зоне действия пина в контакт вступают ювенильные поверхности объединяемых металлов.

Рисунок 4 - Продольный разрез места окончания сварки

(х32)

инструмента)

На рис. 4 показана картина изменения положения в объеме металла зоны стыка, которая закручивается уже под передней кромкой заплечика. В результате интенсивной пластической деформации свариваемого металла, создаваемой инструментом, непосредственно за пином инструмента в контакт вступают ювенильные поверхности стыкуемых кромок, т.е. обеспечивается физический контакт. Повышение температуры, благодаря трению инструмента о металл и внутреннего трения слоев металла, при одновременном силовом обжимающем воздействии инструмента, способствует формированию физического контакта.

Температурно-деформационное состояние металла. Температура и давление при сварке в твердой фазе являются основными движущими факторами активации свариваемых поверхностей.

Источником энергии при СГП является трение инструмента о свариваемую заготовку. Эта энергия может быть определена как эквивалент механической энергии, выделяющейся при трении по формуле (1).

где Мгр - момент трения в зоне контакта инструмент-свариваемый металл, Н'м; со - угловая скорость вращения инструмента, с'1; Ри - площадь контакта инструмент-свариваемый металл, м2.

Основным источником стока тепла является его отвод в детали за счет высокой теплопроводности алюминия. Остальными источниками стока тепла являются подкладка и прижимы сборочно-сварочной оснастки, а также конвективный теплообмен с окружающей средой. На основании этого составлено уравнение (2) теплового баланса при СГП (без учета отвода тепла в подкладку)

1 dt *

дгТ д Т

кдх2 ду" где с- удельная теплоемкость алюминия, Дж/кг°С;

у- удельный вес (плотность) алюминия, кг/м3;

Г- температура в точке, °С;

t- время, с;

А - объемная интенсивность выделения теплоты от трения,

Вт/м3;

As-теплопроводность алюминия, Вт/м,0С;

х, у- координаты точки, м;

ß-коэффициент конвективного теплообмена, 8т/м3-0С;

Т0- температура окружающей среды, °С.

По формуле (1) был произведен расчет механической энергии, выделяемой при трении инструмента диаметром 25 мм (без г1ина) со скоростью вращения 710 об/мин о деталь из сплава АД31. Измеренный момент трения, на приспособлении, показанном на рис.2, составил 32 Н'м. Расчет показал значение вводимой тепломощности 2,4 кВт (или 4800 кВт/м2). Для расчета температур была предложена одномерная модель.

Источник был принят равномерно распределенным по поверхности неподвижным со временем действия t-D/Va (скорость сварки 40 мм/мин). Таким образом, упрощение схемы позволило использовать для расчета температур формулы, предложенные H.H. Рыкалиным для классической сварки трением на стадии нагрева

на стадии охлаждения 2q2 '

T{zrt) = -f==£= -Jt-ierfc—-rH ■ierfc■

+ r0

^ , .. (4)

Произведенный расчет распределения температур по формулам (3) и (4) в изделии при СТП, показал, что температура на поверхности изделия составляет 442°С, на глубине 2 мм от поверхности - 400°С, а на расстоянии 4 мм от поверхности - 361°С. Теплофизические величины для расчета были приняты средними в

температурном диапазоне 20-600°С, их изменение от температуры не учитывалось.

Для проверки расчета были проведены измерения температуры с использованием хромель-алюмелевых термопар. Термопара укладывалась в стык деталей, таким образом, чтобы спай находился непосредственно под поверхностью, и зажималась. После этого осуществлялось перемещение вращающегося инструмента по поверхности деталей на режимах указанных выше. В результате измерения получили максимальную температуру 480°С. Расхождение расчетных и измеренных величин составило 20%, что является пригодным для прикидочных инженерных расчетов.

Величина полученных температур подтверждает твердофазное взаимодействие при СГП.

Вторым фактором, обеспечивающим активацию свариваемых поверхностей, является давление. СГП присущи два силовых фактора: осевое давление инструмента на свариваемые детали и пластическая сдвиговая деформация, возникающая в результате перемешивания свариваемого металла инструментом.

Осевое усилие было измерено на спроектированном приспособлении (рис. 2), при диаметре инструмента 25 мм осевое давление в среднем составляет 8 МПа (осевое усилие 3,2 кН), однако, при сварке величина осевого давления изменялась в зависимости от зоны и имела наибольшее значение под хвостовой частью инструмента.

Интенсивную пластическую деформацию сдвига обычно оценивают скоростью относительной пластической деформации £. В работе В.А. Ерофеева было предложено оценивать данную величину по формуле (5)

где г - текущий радиус инструмента, мм;

О (г) - толщина деформированного слоя, как функция от радиуса, мм. Данный расчет справедлив при использовании инструмента с плоским торцом, т.е. без пина. При использовании инструмента с пином появиться вторая составляющая скорости пластической деформации от пина, однако, т.к. радиус пина меньше' радиуса заплечика, то наибольшей величины скорость пластических сдвиговых деформаций достигаются на периферии- диаметра заплечика. Её максимальная величина составила 103 стогда как в зоне пина она достигает 102 с1 (расчет выполнен по макрошлифу поперечного разреза сварного соединения).

Активация. Образование межатомных связей (схватывание), как показано Ю.Л. Красулиным, происходит на активных центрах. Активация поверхностей (образование активных центров) при способах сварки металлов давлением происходит, в основном, за счет выхода дислокаций в место контакт свариваемых поверхностей. При интенсивной пластической деформации количество дислокаций увеличивается.

; V

ШПЙ

ш :

" шШЯШГ

шШишШш

Рисунок 5 - Мелкодисперсное зерно, образующееся вокруг пина инструмента: а - область мелкодисперсного зерна слева от пина, согласно рис.4 (х200), б - область мелкодисперсного зерна слева от пина, согласно рис.4 (х?.00), в - область мелкодисперсного зерна под пином, согласно рис.4 (хЮО)

Таким образом металл должен упрочняться, но при температуре 450°С сопротивление пластической деформации для рассматриваемого сплава падает до 30-40 МПа1 (при скорости деформаций 100-200 с"1), поэтому сдвиговые вызываемые инструментом должны приводить к разрывам металла. Однако, свариваемый металл находится практически в замкнутом объеме, поэтому разрыв связей способствует облегчению деформирования данного объема металла, но при этом несплошности или разрушения металла отсутствуют. Интенсивная пластическая деформация и нагрев приводит к измельчению зерна в зоне действия инструмента, согласно рис. 5 (увеличенные области рис. 4).

Приведенные факты способствуют переходу свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние. Пока на металл

1 Полухин П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, A.M. Галкин - М., «Металлургия», 1976. - 488 с.

воздействует инструмент (энергия поступает в соединение), он находится в вязко-текучем состоянии, как только воздействие заканчивается происходит переход металла в полностью твердое состояние и формируется полиэдрическая структура шва.

Подобное состояние металла наблюдается при обработке металлов давлением методом интенсивной пластической деформации (ИПД кручением под высоким давлением) для получения в них ультрадисперсной структуры.

Объяснить состояние металла, способствующее протеканию его макропластического течения, возможно также с другой позиции. При температурах (0,6-0,8)7™, интенсивной пластической деформации, характерных СТП, и высокой пластичности алюминия доля энергии от дислокаций в зоне контакта не будет определяющей в образовании множественных связей. В соответствии с принципами неравновесной термодинамики деформируемое кристаллическое тело следует рассматривать как систему, в которой при наличии большой плотности дислокаций происходит формирование диссипативных структур, способных более эффективно реализовывать макропластическое течение по сравнению с движением отдельных дислокаций. Диссипативные структуры образуются и сохраняются благодаря обмену энергией с внешней средой в неравновесных условиях.

Принято считать, что такой диссипативной структурой, возникающей при деформации в зонах высокой локализации внутренних напряжений, являются области сильно возбужденного состояния вещества, названные академиком В. Е. Паниным «атом-вакансионным состоянием» (ABC). Это области внутри кристалла, пересыщенные вакансиями и имеющие значительные статические искажения кристаллической решетки.

Явление перехода металла в атом-вакансионное состояние при сварке впервые высказано Конюшковым В.Г. и Мусиным P.A., что хорошо объясняет механизм активации контактных поверхностей при диффузионной сварке металлов с керамиками.

Таким образом, металл в области сварного шва в процессе сварки может переходить в атом-вакансионное состояние, чем объясняется повышенная пластическая вязкотекучесть металла под инструментом при СГП.

К данному утверждению привело рассмотрение работы Л.М. Рыбаковой, в которой показано, что слой, формирующийся на поверхности медных сплавов при трении, обладает весьма высокой плотностью вакансий и отличается также очень низкой плотностью дислокаций. Слои, лежащие под образовавшейся при трении пленкой (толщиной 1—2 мкм), обладали высокой плотностью дислокаций (1016 м"2). В случае СГП трение происходит по поверхности, повторяющей форму пина инструмента.

Большое число вакансий, на два-три порядка превышающее равновесное значение, обеспечивает диффузионно-вакансионный механизм формоизменения металла в зоне контакта при сварке в твердой фазе, увеличивает массообмен и интенсифицирует объемное взаимодействие.

То, что материал при СГП находится в активированном состоянии, подтверждает и тот факт, что при прекращении вращения, без отвода инструмента от изделия, происходит приварка инструмента к алюминию.

Релаксационные процессы. Известно, что в условиях пластического деформирования металлов при повышенных температурах протекает процесс динамической рекристаллизации. При сварке однородных металлов в твердой фазе (диффузионная сварка) критерием окончания третьей стадии служит рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта и исчезновению границы. В случае СГП образование общих зерен происходит в результате динамической рекристаллизации, которая является диффузионным процессом. Однако, процесс диффузии требует длительного времени или интенсификации.

По данным С.С. Горелика коэффициент диффузии при динамической рекристаллизации алюминия при температуре 450°С составляет 10~8 см2/с, в то время как коэффициент объемной диффузии едва достигает КГ12 см2/с. Высокие значения коэффициента диффузии при динамической рекристаллизации свидетельствуют об интенсификации процесса, ускоряющего подвижность атомов при рекристаллизации. Что подтверждает возможность протекания динамической рекристаллизации при СГП.

Доказательством протекания динамической

рекристаллизации служит рисунок 8, на котором отчетливо видно образование совместных зерен и деградация зоны контакта. Динамическая рекристаллизация приводит к образованию общих зерен и исчезновению границы контакта. Однако, в процессе образования сварного соединения при сварке в твердой фазе процесс релаксации напряжений порой играет решающую роль, так как остаточные напряжения могут вызвать разрушение сварного соединения сразу после его образования в силу недостаточной прочности установившихся связей. С этой позиции СГП выгодно отличается от других способов

Рисунок 8 - Образование общих зерен при динамической рекристаллизации (хЗбО)

сварки. Наклон инструмента создает в хвостовой части зоны сварки дополнительную пластическую деформацию сварного шва, которая способствует релаксации сварочных напряжений или даже может инициировать перевод их в сжимающие остаточные напряжения, как показано в работе Т. Халеда (Terry Khaled).

Таким образом, для образования качественного сварного соединения из сплава АД31Т необходимо, чтобы металл под инструментом был нагрет до температуры 500°С, осевое давление составляло 6-8 МПа, а величина скорости относительных пластических деформаций была равна 102 с'1. В данных условиях под инструментом переходит в вязко-текучее состояние и течет без разрывов.

В четвертой главе представлены экспериментальные изыскания по выбору рациональных режимов сварки сплава АД31Т, а также геометрии сварочного инструмента.

При неполном протекании стадий процессу СГП характерны следующие дефекты: тоннельный дефект (рис. 9 а,б) и дефект типа отсутствие соединения (рис. 9 в,г).

Рисунок 9 - Характерные дефекты процесса СТП

Тоннельный дефект может образоваться как на поверхности (рис. 9 б), так и по толщине (рис. 9 а). Тоннельный дефект по толщине образуется при недостаточном давлении на свариваемый металл. Увеличить давление возможно при увеличении глубины погружения инструмента /, однако, чрезмерное увеличение глубины приводит к утонению шва и снижению прочности соединения. Рекомендуемая глубина составляет 0,2-0,4 мм. При одинаковой глубине погружения в случае уменьшения диаметра заплечика О давление на свариваемый металл уменьшается, увеличить давление возможно при увеличении угла наклона инструмента а. Однако, чрезмерное увеличения угла наклона приводит к уменьшению площади контакта инструмента с деталью, что приводит к недостаточному прогреву металла по толщине. Рекомендуемый угол наклона составляет 1-3°.

На поверхности тоннельный дефект образуется при повышенной скорости сварки. При скорости вращения инструмента 710 об/мин и скорости сварки 1000 мм/мин образуется тоннельный дефект. При снижении скорости сварки до 500 мм/мин внешний вид соединения становится удовлетворительным, однако, дефект перемещается по толщине к корню шва.

Дефект типа отсутствие соединения (рис. 9 г) наблюдался при сварке алюминиевых полос без предварительной очистки. При обработке торцов деталей ветошью, смоченной ацетоном, данный дефект не наблюдался в виду отсутствия на свариваемых поверхностях жировых и масляных пленок. Данный тип дефектов наиболее часто встречается в корневой части сварного шва при недостатке температуры и пластических деформаций в этой зоне (рис.9 в). В связи, с чем форма пина должна обеспечивать протекание пластических деформаций в корне сварного шва. Длин пина должна составлять 0,93-0,95 от свариваемой толщины, что согласуется с данными других авторов.

Таким образом, на основании проведенных исследований был разработан инструмент (рис. 10) и отработаны режимы сварки, при которых образуется качественное стыковое соединение полос из сплава АД31Т толщиной 4 мм: скорость вращения инструмента, 710 об/мин; скорость сварки, 40 мм/мин; угол наклона инструмента, 2°; глубина погружения инструмента 0,2-0,4 мм.

Рисунок 10 - Внешний вид и размеры инструмента для СТП

Результаты рентгенографического контроля образцов, сваренных на вышеуказанных режимах, показали отсутствие каких-либо дефектов. Анализ макро- и микрошлифов также показал аналогичные результаты. При испытаниях на статическое растяжение, разрушение происходило по основному металлу.

В пятой главе описана технология сварки токоведущих алюминиевых шин методом СТП, предложенной ООО «ПК «НЭВЗ».

На Новочеркасском электровозостроительном заводе для сварки токоведущих алюминиевых шин из сплава АД0 применяется ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом. Свариваются короткие швы длиной 40-100 мм, толщиной 4-10 мм.

18

Было предложено заменить аргонодуговую сварку сваркой трением с перемешиванием. По экономическим показателям более выгодным является процесс СТП. Так для сварки толщин 4 мм, которая производится без разделки с двух сторон, была посчитана технологическая стоимость одного метра сварного шва выполненного предлагаемым и проектным способами сварки. Полученные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Сравнение стоимости одного метра сварного шва при

свариваемой толщине 4 мм

№ п.п. Расходные материалы • Расход Цена** в руб. Цена** в руб.

РАД СТП РАД СТП

1 Присадочная проволока 4,9 м - 51,5 -

2 Защитный газ (Аргон) 0,108 м3 - 10,5 -

3 Расход электроэнергии 420 Вт ч 1000 Вт ч 1,2 2,8

4 Расход металла на выводные планки - 0,06м 3,5

Технологическая себестоимость 63,2 6,3

Сварку токоведущих шин трением с перешиванием предложено выполнять как для единичного, так и для серийного производства. При единичном производстве сваривается каждая шина в отдельности (см. рис. 10 а). При серийном производстве предложена схема укладки заготовок для сварки за один проход, согласно рис. 10 б. После сварки необходимо произвести операцию разделения шин, либо путем штамповки, либо вырубки пневмозубилом.

Рисунок 11 - Шины, сваренные трением с перемешиванием: а - при единичном производстве; б - при серийном производстве

Данная технология была апробирована для сплава АД31Т толщиной 4 мм (см. рис. 11) на отработанных режимах.

Для перехода к сварке толщины 6 мм сплава АДО предложено воспользоваться расчетными формулами (6), основанными на критерии подобия, который выведен исходя из составленного теплового баланса и предложенного механизма образования сварного соединения. На основании отработанного режима критерий подобия равен п2з=3.

д=!---^мтр-со (6)

где ц- тепловая энергия процесса, Вт/м3; /7гз - коэффициент подобия; А - коэффициент теплопроводности, Вт/м-°С; "Гц, - критическая температура, °С; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; 5- толщина свариваемых деталей, мм; ус0 - скорость сварки, м/с; Мтр- момент трения, Н-м; со- частота вращения инструмента, с"1; f- коэффициент трения; Рг~ осевое усилие, Н; Я- радиус инструмента, м. Для сварки сплава АДО толщиной б мм, был уменьшен диаметр заплечика с 25 мм до 18 мм, чтобы уменьшить нагрузку на станок.

Таким образом, на основании предложенных формул был рассчитан и отработан режим сварки шин из сплава АДО толщиной 6 мм. Инструмент диаметром 18 мм, скорость вращения 500 об/мин, угол наклона 3°, и скорости сварки 40 мм/мин.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований и анализ механизмов образования соединения при родственных процессах позволяют утверждать, что при сварке трением с перемешиванием соединение образуется в твердой фазе и протекает в три стадии:

первая стадия - сближение, очистка поверхности кромок стыка (физический контакт) осуществляется за счет совместной пластической деформации и перемешивания приграничных объемов металла стыкуемых деталей; .

вторая стадия в результате нагрева свариваемого металла до гомологической температуры (0,6-0,8)Тпл и интенсивной пластической деформации со стороны инструмента наблюдается переход свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние, которое приводит к интенсивному массопереносу, вызывающему деградацию кромок деталей;

третья стадия - образование сварного соединения в твердой фазе в результате пластического деформирования, механического перемешивания макрообъемов металла и последующего протекания динамической рекристаллизации, обеспечивающей образования сварного соединения.

2. Экспериментально. установлено, что соединение происходит в твердой фазе при температуре на лицевой поверхности соединения не более 500°С, при нормальном давлении 6-8 МПа, скорости пластической деформации порядка ё =102...103 с"1.

3. Экспериментально показано, что сварное соединение (деградация линии стыка в объеме свариваемых металлов) образуется непосредственно за пином.

4. Предложена одномерная модель расчета температур при СГП, на основании составленного теплового баланса процесса. •

5. Модель расчета температур при СГП основывается на рассмотрении источника теплоты как плоского поверхностного равномернораспределенного источника.

Полученные значения температур хорошо согласуются с экспериментально измеренными, а также с данными других исследователей.

6. Благодаря углу наклона инструмента, задняя кромка инструмента на последней стадии образования сварного соединения создает дополнительную пластическую деформацию противоположную по знаку температурным деформациям от нагрева, что позволяет получить сварные соединения практически без остаточных деформаций.

7. Экспериментально отработан режим сварки сплава АД31Т толщиной 4 мм инструментом из стали 12Х18Н10Т диаметром заплечиков 25 мм: скорость вращения инструмента 710 об/мин, скорость сварки 40 мм/мин, угол наклона инструмента 1-2°, глубина погружения задней кромки заплечиков 0,2-0,3 мм. Инструмент имеет плоские заплечики и пин в форме усеченного конуса с диаметром у заплечиков 6 мм и диаметром 2 мм на торце. В результате эмпирического подбора параметров СГП металл переходит в вязко-текучее состояние и течет без разрывов.

8. Выведен коэффициент подобия пп, который позволил рассчитывать режимы сварки в диапазоне 3-6 мм.

9. Разработана технология сварки стыковых швов токоведущих алюминиевых шин для единичного и серийного производства.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Котлышев P.P. Ротационная точечная сварка трением / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Труды VIII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» / ДГТУ. - Ростов-на-Дону, 2007 г. - Т.1. - С.93-97.

2. Котлышев P.P. Современное состояние соединения металлов способами сварки трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2008. - С.76-88.

3. Котлышев P.P. Сварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава АД31 / P.P. Котлышев // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2009. - С. 65-71.

4. Котлышев P.P. Гипотеза образования соединения при сварке трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, A.A. Чуларис, Ю.Г. Людмирский // Сварка и Диагностика. - 2010. - №4. - С.31-35

5. Людмирский Ю.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в строительстве / Ю.Г. Людмирский, P.P. Котлышев // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура / ВГАСУ, г. Воронеж, 2010. - №3. - С. 15-22.

6. Котлышев P.P. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов / P.P. Котлышев, К.Г. Шучев, A.B. Крамской // Вестник ДГТУ. - 2010. - Т. 10. №5(48) - С. 693-699.

В печать 23.09.10.

Объем 1,4 усл. п.л. Офсет. Бумага тип №3.

Формат 60x84/16. Заказ №™£.Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1.

Введение

1 Состояние вопроса (обзор)

1.1 Краткая истории вопроса

1.2 Сущность процесса сварки трением с перемешиванием

1.3 Анализ существующих разновидностей способов сварки трением с перемешиванием с позиции решения технологических 18 проблем процесса

1.4 Обзор отечественной и зарубежной литературы по сварке 27 трением с перемешиванием (критический обзор)

2 Методика проведения исследований

2.1 Методика проведения сварки

2.2 Методика оценки силового воздействия сварочного 36 инструмента на изделие

2.3 Методика оценки тепловых характеристик процесса

2.3.1 Калориметрирование процесса

2.3.2 Методика измерения температуры в сварном соединении

2.4 Методика оценки качества сварных соединений

Выводы по главе

3 Образование сварного соединения при сварке трением с 47 перемешиванием

3.1 Основные этапы процесса сварки трением с перемешиванием

3.2 Теоретические аспекты образования сварного соединения

3.3 Физический контакт

3.4 Тепловой баланс при СТП

3.5 Давление и деформации при СТП

3.6 Активация свариваемых поверхностей

3.7 Объемное взаимодействие

3.8 НДС сварного соединения (релаксация напряжений)

Выводы по главе

4 Выбор рациональных режимов сварки

4.1 Дефекты, характерные процессу СТП, и пути их устранения

4.2 Основные параметры СТП и их влияние на формирование 95 сварного соединения

4.3 Характеристики сварных соединений

4.4 Методика расчета режимов сварки 108 Выводы по главе

5 Технология сварки токоподводящих шин трением с 112 перемешиванием

5.1 Заводская технология

5.2 Технология сварки трением с перемешиванием шин толщиной 4 115 мм из алюминиевого сплава АДЗ1Т

5.3 Сварка шин толщиной 6 мм из сплава АДО

5.4 Перспектива использования процесса СТП

В настоящее время происходит увеличение использования алюминия в промышленности. Можно привести тот факт, что по состоянию на 2005 год за последние 15 лет в Европе спрос на экструдированные алюминиевые профили увеличился на 1,2 млн тонн, а на прокат из алюминия на 1,6 млн тонн [74]. Использование алюминиевых сплавов по сравнению со сталями дает уменьшение веса конструкций, более высокую коррозионную стойкость. Однако, сварка алюминиевых сплавов (как наиболее распространенный способ соединения металлов) весьма проблематична. Наличие оксидной пленки затрудняет процесс сварки, отсутствие цветов побежалости затрудняет наблюдение за процессом при ручной сварке, повышенная жидкотекучесть затрудняет формирование корня шва при сварке на весу, высокая теплопроводность, наряду с низким модулем упругости приводит к большим деформациям особенно при сварке плавлением. Т.е. при сварке алюминиевых сплавов использование сварки плавлением, как наиболее распространенного и мобильного процесса, ограничено, а ряд сплавов вообще невозможно качественно соединить сваркой плавлением, из-за образования горячих трещин (например, Д16).

При сварке давлением ряда проблем можно избежать из-за отсутствия жидкой фазы. Однако, при сварке давлением (диффузионная сварка) необходимо очищать поверхность перед сваркой от оксидной пленки, ограничено применение для разных разновидностей конструкций, некоторые процессы невозможно автоматизировать и т.д. На ряду с огромным количеством способом сварки давлением выделяется способ сварки трением, который отличается пониженными требованиями к подготовке поверхностей перед сваркой, возможностью соединения разных материалов, как в однородном, так и в разнородном сочетаниях, широким диапазоном режимов сварки, а также выгодными экономическими и экологическими показателями.

Главным недостатком сварки трением является узкая номенклатура соединяемых деталей (стержни, трубы и их тавровые соединения).

В начале 90х годов прошлого столетия в Институте Сварки в Великобритании (Кембридж, TWI) был запатентован способ сварки трением названный сваркой трением с перемешиванием (Friction Stir Welding). Данный способ позволяет получать стыковые, нахлесточные соединения пластин, труб, легко автоматизируется. Промышленное применение данного способа уже реализовано на многих предприятиях Европы, США, Японии, Китае и некоторых Российских предприятиях. К сожалению, большинство иностранных публикаций носят рекламный характер и практически не вскрывают физической сущности процесса, что касается отечественных публикаций [29,30,40,41,51-53], то это в основном критические обзоры зарубежных публикаций. В последнее время появились публикации, касающиеся отдельных проблем сварки трением с перемешиванием [8,9,27,48], но целостного описания процессов происходящих при данном способе нет.

Поэтому целью работы является углубленное исследование механизма образования соединения, установление зависимостей между режимами процесса и технологическими характеристиками сварных соединений и создания методики определения геометрии инструмента и режимов сварки для СТП, для дальнейшего использования полученных результатов в отечественной промышленности.

Цель работы: выявить основные факторы, определяющие механизм образования сварного соединения и разработать методику выбора режимов СТП алюминиевых сплавов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1) Создать экспериментальное оборудование, инструмент, технологическую оснастку.

2) Составить уравнение теплового баланса процесса СТП и предложить модель решения тепловой задачи.

3) Выявить основные факторы, определяющие механизм образования сварного соединения при СТП.

4) Установить связь между основными параметрами режима сварки, влияющими на качество соединений, исходя из механизма образования сварного соединения, теплового баланса энергии и решения тепловой задачи.

5) Разработать технологию сварки алюминиевых токоведущих шин.

Методы исследования. Для раскрытия механизма образования соединения при СТП и разработки технологии сварки алюминиевых сплавов использовались теоретические, аналитические (расчет температур) и экспериментальные (калориметрирование, измерение температур термопарами, измерение осевого усилия и момента сил трения тензометрией) методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизического и металлографического методов анализа металла сварного шва, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна. Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований и анализ механизмов образования соединения при родственных процессах позволяют утверждать, что при сварке трением с перемешиванием соединение образуется в твердой фазе и протекает в три стадии: первая стадия - сближение, очистка поверхности кромок стыка (физический контакт) осуществляется за счет совместной пластической деформации и перемешивания приграничных объемов металла стыкуемых деталей; вторая стадия — в результате нагрева свариваемого металла до гомологической температуры (0,6-0,8)ТШ1 и интенсивной пластической деформации со стороны инструмента наблюдается переход свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние, которое приводит к интенсивному массопереносу, вызывающему деградацию кромок деталей; третья стадия - образование сварного соединения в твердой фазе в результате пластического деформирования, механического перемешивания макрообъемов металла и последующего протекания динамической рекристаллизации, обеспечивающей образования сварного соединения.

Анализ механизма образования сварного соединения и теплового баланса позволил связать погонную энергию с основными параметрами процесса СТП и, используя критерий подобия ж2з, обоснованно корректировать режим сварки при изменении конструктивных параметров свариваемого изделия.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и измерительного оборудования (тензостанция А17-Т8; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием и полученные результаты исследования хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизме образования соединения при сварке в твердой фазе.

Практическая значимость. Результаты исследований и расчета параметров процесса СТП позволили разработать технологии получения сварных стыковых соединений из алюминиевых сплавов АДО и АД31 (А1-Mg-Si).

Использование сварки трением с перемешиванием взамен аргонодуговой и других способов сварки плавлением уменьшает трудоемкость заготовительных и сварочных работ, сварочные деформации, исключает применение сварочных материалов (сварочной проволоки, вольфрамовых электродов, защитных газов), а также вредное воздействие на окружающую среду и оператора (сварщика).

Разработанная технология сварки токоведущих шин прошла апробацию в заводской лаборатории ООО «ПК «Новочеркасский Электровозостроительный завод» и передана для внедрения.

Сварные соединения, выполненные по разработанной технологии, также переданы в ЦЗЛ ОАО «Роствертол». К настоящему времени проведены следующие исследования: макро- и микроанализ сварных соединений; спектральный анализ и оценка твердости сварных соединений. Для внедрения технологии СТП необходимо включить данный способ сварки в НТД.

Полученные результаты использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства».

На защиту выноситься:

- механизм образования сварного соединения при СТП;

- критерий подобия образования качественного сварного соединения;

- рекомендации по выбору режимов сварки алюминиевых сплавов;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса получения стыковых соединений;

- технология сварки токоведущих шин.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2007-2010;

- VIII международной научно-технической конференции по динамике технологических систем, ДГТУ, г. Ростов-на-Дону, 2007; ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2007-2010.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных статей и докладов, в том числе три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Котлышев P.P. Ротационная точечная сварка трением / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Труды VIII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем» / ДГТУ. -Ростов-на-Дону, 2007 г. - Т.1. - С.93-97.

2. Котлышев P.P. Современное состояние соединения металлов способами сварки трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2008. - С.76-88.

3. Котлышев P.P. Сварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава АД31 / P.P. Котлышев // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2009. - С. 65-71.

4. Котлышев P.P. Гипотеза образования соединения при сварке трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, A.A. Чуларис, Ю.Г. Людмирский // Сварка и Диагностика. - 2010. - №4. - С.31-35

5. Людмирский Ю.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в строительстве / Ю.Г. Людмирский, P.P. Котлышев // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура, 2010. - №3 (19). - С. 15-22.

6. Котлышев P.P. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов / P.P. Котлышев, К.Г. Шучев, A.B. Крамской // Вестник ДГТУ. - 2010. - Т. 10. №5(48) - С. 693-699.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 85 наименований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ)

1. Теоретическое обобщение результатов экспериментальных исследований и анализ механизмов образования соединения при родственных процессах позволяют утверждать, что при сварке трением с перемешиванием соединение образуется в твердой фазе и протекает в три стадии: первая стадия - сближение, очистка поверхности кромок стыка (физический контакт) осуществляется за счет совместной пластической деформации и перемешивания приграничных объемов металла стыкуемых деталей; вторая стадия - в результате нагрева свариваемого металла до гомологической температуры (0,6-0,8)Тпл и интенсивной пластической деформации со стороны инструмента наблюдается переход свариваемого металла в активированное вязко-текучее состояние, которое приводит к интенсивному массопереносу, вызывающему деградацию кромок деталей; третья стадия - образование сварного соединения в твердой фазе в результате пластического деформирования, механического перемешивания макрообъемов металла и последующего протекания динамической рекристаллизации, обеспечивающей образования сварного соединения.

2. Экспериментально установлено, что соединение происходит в твердой фазе при температуре на лицевой поверхности соединения не более 500°С, при нормальном давлении 6-8 МПа, скорости пластической деформации порядка ¿=102.103 с"1.

3. Экспериментально показано, что сварное соединение (деградация линии стыка в объеме свариваемых металлов) образуется непосредственно за пином.

4. Предложена одномерная модель расчета температур при СТП, на основании составленного теплового баланса процесса.

5. Модель расчета температур при СТП основывается на рассмотрении источника теплоты как плоского поверхностного равномернораспределенного источника.

Полученные значения температур хорошо согласуются с экспериментально измеренными, а также с данными других исследователей.

6. Благодаря углу наклона инструмента, задняя кромка инструмента на последней стадии образования сварного соединения создает дополнительную пластическую деформацию противоположную по знаку температурным деформациям от нагрева, что позволяет получить сварные соединения практически без остаточных деформаций.

7. Экспериментально отработан режим сварки сплава АД31Т толщиной 4 мм инструментом из стали 12Х18Н10Т диаметром заплечиков 25 мм: скорость вращения инструмента 710 об/мин, скорость сварки 40 мм/мин, угол наклона инструмента 1-2°, глубина погружения задней кромки заплечиков 0,2-0,3 мм. Инструмент имеет плоские заплечики и пин в форме усеченного конуса с диаметром у заплечиков 6 мм и диаметром 2 мм на торце. В результате эмпирического подбора параметров СТП металл переходит в вязко-текучее состояние и течет без разрывов.

8. Выведен коэффициент подобия ж2з, который позволил рассчитывать режимы сварки в диапазоне 3-6 мм.

9. Разработана технология сварки стыковых швов токоведущих алюминиевых шин для единичного и серийного производства.

Технология передана для внедрения на ООО «ПК «НЭВЗ».

1. Автоматизированный учебно-методический комплекс Материалы и их поведение при сварке: свидетельство об отраслевой регистрации разработки №12302 / В.П. Моисеенко, А.И. Никашин. №50200900297; заявл. 10.02.2009; опубл. 13.03.2009

2. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов / В.П. Алехин. М.: Наука, 1983. - 300 с.

3. Валиев Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р.З. Валиев, И.В. Александров М.: Логос, 2000. - 272 с.

4. Вилль В.И. Сварка металлов трением /В.И. Вилль. — Л., «Машиностроение», 1970. 176 с.

5. Волков С.С. Сварка и склеивание полимерных материалов: Учебн. пособие для вузов / С.С. Волков. М.: Химия, 2001. - 376 с.

6. Гельман A.C. Основы сварки давлением / A.C. Гельман. — М.: Машиностроение. 1970. — 312 с.

7. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов / С.С. Горелик, C.B. Добаткин, Л. М. Капуткина. 3-е изд. - М.: МИСИС, 2005. - 432 с.

8. Ерофеев В.А. Исследование физических явлений при воздействии инструмента на металл в процессе фрикционной сварки / В.А. Ерофеев, Е.В. Карпухин, Р.В. Логвинов // Сварка и диагностика, 2010. №1. — С. 27-33

9. Ерофеев В.А. Расчетно-экспериментальная методика определения деформационных свойств алюминиевых сплавов при фрикционной сварке / В.А. Ерофеев и др. // Сварка и Диагностика. 2009. - №2. - С.6-10

10. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. «Машиностроение», 1973. -448 с.

11. Инструкция по сварке цветных металлов в электромонтажном производстве И 1.10-07. Москва, 2007. - 34 с.

12. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением / Э.С. Каракозов. — М.: Машиностроение, 1986. -280 с.

13. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе / Э.С. Каракозов. -М., «Металлургия», 1976. 264 с.

14. Коваленко B.C. Металлографические реактивы. Справ, изд. / Коваленко B.C. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1981. - 120 с.

15. Конюшков Г.В. Специальные методы сварки давлением. Учебное пособие / Г.В. Конюшков, P.A. Мусин Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2009. -632 с.

16. Котлышев P.P. Гипотеза образования соединения при сварке трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, A.A. Чуларис, Ю.Г. Людмирский // Сварка и Диагностика. 2010. - №4. - С.31-35

17. Котлышев P.P. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов / P.P. Котлышев, К.Г. Шучев, A.B. Крамской // Вестник ДГТУ. Т. 10. №5(48). - С.693-699.

18. Котлышев P.P. Сварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава АД31 / P.P. Котлышев // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. г. Ростов н/Д, 2009. - с.65-71

19. Котлышев P.P. Современное состояние соединения металлов способами сварки трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. Ростов н/Д, 2008. -С. 76-88.

20. Кошкарев Б.Т. Теория сварочных процессов: учеб. пособие для вузов / Б.Т. Кошкарев; ДГТУ. Ростов н/Д, 2003 г. - 217 с.

21. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе / Ю.Л. Красулин. М.: «Наука», 1971. - 119 с.

22. Красулин Ю.Л. Микросварка давлением / Ю.Л. Красулин, Г.В. Назаров. -М.: Металлургия, 1976. 160 с.

23. Лукьянов В.Ф. Производство сварных конструкций (изготовление в заводских условиях) / В.Ф. Лукьянов, В.Я. Харченко, Ю.Г. Людмирский — Ростов н/Д: ООО «Терра Принт», 2006. 336 с.

24. Людмирский Ю.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в строительстве / Ю.Г. Людмирский, P.P. Котлышев // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура, 2010. №3 (19). - С. 15-22.

25. Металловедение алюминия и его сплавов: Справ, рук. 2-е изд., перераб. и доп. / А.И. Беляев и др.. М. Металлургия, 1983. -280 с.

26. Минаев Ю.А. Поверхностные явления в металлургических процессах / Ю.А. Минаев. М.: Металлургия, 1984. - 152 с.

27. Моделирование тепловых процессов при фрикционной сварке / Макаров Э.Л. и др. // Сварка и диагностика. — 2010. — №3. С. 21-25

28. Мусин P.A., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами / P.A. Мусин, Г.В. Конюшков — М.: Машиностроение, 1991. — 224 с.

29. Особенности технологии сварки трением с перемешиванием / А.П. Корневич и др.// Заготовительные производства в машиностроении. 2009.9. — С.7-14

30. Особенности технологии сварки трением с перемешиванием / А.П. Корневич и др. // Заготовительные производства в машиностроении. — 2009.10. С.8-17

31. Полухин П.И. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов / П.И. Полухин, Г.Я. Гун, A.M. Галкин М., «Металлургия», 1976. — 488 с.

32. Резников А.Н. Тепловые процессы в технологических системах: Учебник для вузов по специальностям «Технология машиностроения» и «Металлорежущие станки и инструменты» / А.Н. Резников, Резников Л.А. -М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

33. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов / А.Н. Резников. М.: Машиностроение, 1981. - 279 с.

34. Рыбакова JI.M. Рентгенографический метод в исследовании структурных изменений в тонком поверхностном слое металла при трении / JI.M. Рыбакова, Л.И. Куксенкова, C.B. Босов // Заводская лаборатория, 1973. №3. -С. 293.

35. Рыжкин A.A. О самоорганизации системы резания в условиях электроконтактного подогрева. 4.1 / A.A. Рыжкин, К.Г. Шучев, Я. Бруквицкий // Безызносноть: Межвуз. сб. науч. ст. — Ростов н/Д, 1998. — Вып. 5.-С. 157-178.

36. Рыкалин H.H. Нагрев и охлаждение при стыковой сварке трением / H.H. Рыкалин, А.И. Пугин, В.А. Васильева // Сварочное производство, 1959. -№10.-С. 15-18

37. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке / H.H. Рыкалин -М.: Машгиз, 1951.-е. 296

38. Сварка в СССР: в 4 т. / Т.1. Развитие сварочной техники и науки о сварке. Технологические процессы, сварочные материалы и оборудование. — М.: Наука, 1981.-534 с.

39. Сварка и наплавка трением с перемешиванием меди и ее сплавов / М. Л. Жадкевич и др. // Автоматическая сварка. 2007. - №11. - С. 28-31

40. Сварка трением с перемешиванием плюсы и минусы / В.А. Фролов и др. // Сварочное производство. - 2008. - №10. - С. 12-19

41. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор) / А.Я. Ищенко и др. // Автоматическая сварка. 2007. - №11. - С. 32-38

42. Сварка трением: Справочник / В.К. Лебедев и др.; Под общ. ред. В.К. Лебедева, И.А. Черненко, В.И. Виля. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1987. - 236 с.

43. Сварка. Введение в специальность: Учеб. пособие / В.А. Фролов и др.; Под ред. В.А. Фролова. Воронеж: Воронеж, гос. техн. ун-т, 2002. —296 с.

44. Седерквист JI. Сварка на тысячелетия. / Л. Седерквист // SVETSAREN, Швеция. 2005. - №2. - С. 31 - 33

45. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике / Л.И. Седов. -М., «Наука». 1977. - 440 с.

46. Сторожев М.В. Теория обработки металлов давлением. Учебник для вузов. / М.В. Сторожев, Е.А. Попов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1977. - 423 с.

47. Теплотехнический справочник. / Под общ. ред. В.Н. Юренева в 2-х т. — М: Энергия, 1975.-750 с.

48. Фрикционная сварка алюминиевых лейнеров металлокомпозитных баллонов высокого давления / В.А. Половцев и др. // Сварочное производство. 2007. - №12. - С.24 - 27.

49. Холопов Ю.В. Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов / Ю.В. Холопов. Л.: Машиностроение. Ленинградское отд-ние, 1988. - 224 с.

50. Хорн Ф. Атлас структур сварных соединений / Ф. Хорн; пер. с нем. М.: Металлургия, 1977. - 288 с.

51. Штрикман М.М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соединений. 4.1 / М.М. Штрикман // Сварочное производство. — 2007. №9. - С.35-40

52. Штрикман М.М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соединений. 4.2 / М.М. Штрикман // Сварочное производство. — 2007. — №10. — С.25-32

53. Штрикман М.М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соединений. Ч.З / М.М. Штрикман // Сварочное производство. -2007. — №11. — С.36-45

54. Advances in tooling materials for friction stir welding / C.E.D. Rowe, W. Thomas ©TWI and Cedar Metals Ltd. p. 11

55. Cao G. Friction Stir Welding of 2219 Aluminum: Behavior of 0 (A12Cu) particles / G.Cao, S.Kou // Welding journal. 2005 - January. - P.25-30

56. Colligan K.J. Examination of material flow in thick section friction stir welding of aluminium using a stop-action technique / K.J. Colligan, S.K.Chopra// 5th International Symposium on Friction Stir Welding. Metz, France, 14-16 September 2004.-P. 11

57. Feng Z. Friction Stir Spot Welding of Advanced High-Strength Steels A Feasibility Study / Z. Feng et al. // SAE Technical Paper No 2005-01-1248, Society of Automotive Engineers. — P. 7

58. Fonda R.W. Texture and Grain Evolutions in a 2195 Friction Stir Weld / R.W. Fonda, J.F. Bingert, K.J. Colligan // 5th International Symposium on Friction Stir Welding. Metz, France, 14-16 September 2004. - P. 19

59. Friction Stir Welding — Process Developments and Variant Techniques / W.M. Thomas et al. // THE SME SUMMIT 2005, 3-4 Aug. Oconomowoc, Wisconsin, 2005.-21 p.

60. Friction stir welding — variants and process techniques / W.M. Thomas et al. // The First International Conference 'Joining of Aluminium Structures' 3-5 December. Moscow, 2007. - P. 16

61. Hybrid laser welding and friction stir welding applied to 6056 aluminium alloy / J. Verwimp et al.: The First International Conference 'Joining of Aluminium Structures' 3-5 December. Moscow, 2007. - P. 13

62. Improved verification of FSW-process modelling relating to the origin of material plasticity / F. Palm et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 15

63. Influence of friction stir welding parameters on the power input and temperature distribution in aluminium alloys / A. Simar et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 16

64. Inverse Analysis using a Genetic Algorithm for the Finite Element Modelling of Friction Stir Welding / T. De Vuyst et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 16

65. Khaled T. An outsider looks at friction stir welding Report#: ANM-112N-05-06. / Terry Khaled. July 2005. - Lakewood, CA, USA. - p. 71

66. Khandkar M.Z.H. Prediction of temperature distribution and thermal history during friction stir welding: input torque based model / M.Z.H. Khandkar, J.A. Khan, A.P. Reynolds // Science and Technology of Welding and Joining, 2003. -8(3).-P. 165-174

67. Laser-Assisted Friction Stir Welding / Kohn G. et al. // American Welding Society. USA, 2002.

68. Midling O. et al. (Norsk Hydro) Modified friction stir welding. International Patent Application WO 99/39861.

69. Modelling Friction Stir Welding with the Finite Element Method A Comparative Study / R.W. McCune et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September - Metz, France, 2004. - P. 18

70. Modelling the Friction Stir Welding of Aerospace Alloys / P. A. Colegrove, H.R. Shercliff: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 21

71. Mueller S.M. Current status of joining processes of aluminium structures: a critical review / S.M. Mueller, L.M. Volpone // International Conference & Exhibition "Joining of Aluminium Structures". 3-5 December 2007, Moscow. — P.15

72. Santella M.L. Friction Stir Welding and Processing of Advanced Materials / M.L. Santella et al. // High Strength Weight Reduction Materials. FY 2004 Progress Report. P. 11

73. Shi Q. Thermo-Mechanical FE Modelling of Friction Stir Welding of AL-2024 including Tool Loads / Q. Sh, T. Dickerson, H.R. Shercliff // Proc. 4th International Symposium on Friction Stir Welding. 14-16 may 2003, Park City, USA. - P. 11

74. Skinner M.J. The Use of Fiction Stir Welding On Aerospace Structures presentation. / M.J. Skinner // The First International Conference 'Joining of Aluminium Structures' 3-5 December. Moscow, 2007. - P. 42

75. Smith C. B. Friction Stir and Friction Stir Spot Welding Lean, Mean and Green / C.B. Smith et al. // Friction Stir Link, Inc. W227 N546 Westmound Dr., Waukesha, WI 53186. - 2004. - P. 8

76. Spot Friction Welding for Sheet Aluminum Joining / Tsung-Yu Pan et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 7

77. The simultaneous use of two or more friction stir welding tools / W.M. Thomas et al. // TWI Ltd. United Kingdom, 2005. - P. 6

78. Thermomechanical and microstructural modelling of the Friction stir Welding Process / Ch. Desrayaud et al.: 5th International Friction Stir Welding Symposium 14-16 September Metz, France, 2004. - P. 11

79. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needham J.C. et al. / Friction Stir Butt Welding. U.S. Patent No. 5 460 317. - 1991.

80. Welding robots technology, system issues and application / J.N. Pires et al. -Hardcover, XVIII, 2006. 180 p.85. www.twi.co.uk