автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Получение нахлесточных соединений за счет фрикционного нагрева поверхности вращающимся инструментом

На правахрутписи

Крамской Александр Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ НАХЛЕСТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗА СЧЕТ ФРИКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону - 2013

005545280

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

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Людмирский Юрий Георгиевич

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Дюргеров Никита Георгиевич

ГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщений» (РГУПС), г. Ростов-на-Дону; доктор технических наук, Ельцов Валерий Валентинович ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет» (ТГУ), Институт машиностроения г. Тольятти.

Ведущая организация: ОАО «Волгодонский научно-

исследовательский и проектно-консгрукторский институт атомного машиностроения»

Защита состоится 26 декабря в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.058.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» по адресу: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1, а. 1-252.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДГТУ.

Автореферат разослан 26.11.2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, канд. техн. наук

Д.В. Рогозин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Оборудование и устройства современной энергетики, химической и нефтяной промышленности, атомной, космической и др. отраслей техники эксплуатируются в условиях, характеризующихся высокими рабочими температурами, давлением, а также агрессивностью рабочих сред. В этой связи к элементам и узлам такого оборудования часто предъявляются требования по сочетанию каких-либо специальных свойств: жаростойкости, коррозионной стойкости, прочности, электропроводности и др.

Во многих случаях сочетание различных свойств может быть обеспечено при изготовлении отдельных деталей и узлов из разнородных материалов. Иногда применение разнородных материалов диктуется экономическими соображениями.

Известны конструкции изделий, выполненные из разнородных материалов, таких как алюминий-сталь, алюминий-титан, медь-сталь, алюминий-полимер. Однако, известные способы сварки (дуговая сварка плавлением, холодная сварка и др.) не всегда обеспечивают получение необходимых эксплуатационных параметров конструкций. Это связанно с тем, что многие сочетания разнородных материалов имеют значительные различия в физико-химических свойствах и ограниченную взаимную растворимость, а в зоне сварки могут образовывать хрупкие интерметаллидные фазы.

В конструкциях изделий из разнородных материалов для получения неразъёмных соединений часто используются заклёпочные соединения, для которых необходимо выполнять отверстия, что ослабляет конструкцию, увеличивает ее массу на 515% и не всегда обеспечивает герметичность.

В ряде случаев для соединения разнородных металлов эффективна пайка. Однако в ходе этого процесса нельзя контролировать растекание припоя, определяющее качество паяного соединения. Так же в большинстве случаев при пайке для снятия окисной пленки с поверхности металла и активации поверхности необходимо применение активных флюсов. Такие флюсы должны быть тщательно удалены из соединения, в противном случае они приводят к интенсивной коррозии и разрушению изделий.

Большой вклад в изучении процессов сварки плавлением разнородных материалов внесли H.H. Рыкалин, М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулин, В.Р. Рябов, Д.М. Рабкин, B.I. Bradstreet, Sh. Shiego.

Применение наиболее мобильных и распространенных дуговых способов сварки, которые протекают с образованием жидкой фазы, затруднено из-за образования в сварном шве

разнородных материалов хрупких промежуточных соединений и фаз.

Неблагоприятные явления, характерные для сварки плавлением, можно уменьшить за счет применения сварки давлением. Исследованию механизма образования соединений в твердой фазе посвящены труды многих ученых, среди которых: К.А. Кочергин, М.Х. Шоршоров, P.A. Мусин, Г.В. Конюшков, Э.С. Каракозов, Ю.Л. Красулин, P.P. Котлышев и др. При всех способах сварки давлением соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации материала в зоне контакта.

Среди большого количества способов сварки давлением в последние десятилетия выделяется способ сварки трением с перемешиванием (СГП), который отличается пониженными требованиями к подготовке поверхностей деталей перед сваркой, возможностью соединения разных материалов, как в однородном, так и в разнородном сочетаниях с широким диапазоном режимов сварки, а также выгодными экономическими и экологическими показателями.

Большинство работ по СГП посвящено довольно узкой номенклатуре соединений из однородных материалов (стыковым соединениям и нахлёсточным).

Работы, посвященные получению нахлёсточных соединений из разнородных материалов, практически отсутствуют. Поэтому, необходимо было разработать способы, изготовления конструкций из указанных разнородных материалов.

Цель работы: расширить номенклатуру способов изготовления нахлёсточных неразъёмных соединений из разнородных материалов, по конструктивным параметрам и по используемым материалам, получаемых за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого . торцом вращающегося цилиндрического инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Провести анализ методов получения нахлёсточных соединений разнородных материалов.

2) Выявить закономерности распределения теплоты при воздействии вращающегося инструмента.

3) Разработать модель распределения упругопластических деформаций при воздействии вращающегося инструмента.

4) Выявить механизм образования паяных соединений из разнородных материалов.

5) Разработать конструктивные параметры и технологию изготовления нахлёсточных соединений узлов и конструкций из разнородных материалов и определить область их рационального применения.

Метопы исследования.

Для выявления механизма образования нахлёсточных соединений из разнородных материалов и разработки технологии получения таких соединений использовались теоретические (расчет температур, моделирование процессов упругопластической деформации) и экспериментальные методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизические и металлографические методы анализа металлов в зоне соединения, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что неразъемное соединение деталей, собранных внахлестку, образуется за счет одновременного термического и деформационного воздействия на соединяемые детали торцом вращающегося инструмента:

1) Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения паяного нахлесточного соединения за счет теплоты, выделяемого при трении торца инструмента о поверхность более пластичного материала, при этом выявлены два канала активации соединяемых поверхностей -термический и деформационный, которые позволяют получать соединение без дополнительной защиты на воздухе.

2) Установлено, что при поступательном движении вращающегося цилиндрического инструмента по поверхности более пластичного материала углом вперед образуется волна пластической деформации. В этих условиях появляется возможность заполнения пластифицированным металлом перфорированных отверстий в результате его экструзии и образование неразъемного «механического» соединения металла с другим металлом или с неметаллическими материалами. Объем металла для заполнения перфорированных отверстий зависит от диаметра и угла наклона инструмента, а также от величины его заглубления в пластифицированный металл.

3) Научно обоснована и практически реализована технологическая схема получения комбинированного паяно-заклепочного соединения разнородных металлов, при которой деформационная активация на фоне термического воздействия вызывает экструзию пластичного металла, а так же образование жидкой фазы на поверхностях раздела вследствие контактного плавления соединяемых материалов. Такая схема позволяет увеличить фактическую площадь соединения и повысить прочность получаемых соединений.

4) Установлено, что соединение алюминий-сталь через цинковую прослойку формируется в присутствии жидкой фазы,

образующейся при термической активации, возникающей при фрикционном трении инструмента со стороны алюминия, и инициирующей процессы атомной и реакционной диффузии, а также растворения железа и алюминия в расплаве двойной или тройной эвтектики и подавление образования интерметаллидов типа FenAlm в присутствии цинка и их фрагментацией за счет процессов пластического деформирования и диспергирования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и поверенного измерительного оборудования (анализатор спектра А17-Т8 тензостанция ЗТМС.411168.001; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV; электронный микроскоп Tescan Vega, оснащенный энергодисперсионным спектрометром; рентгеновский аппарат РУП 200-5-2; разрывная машина УММ-10), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования «механических», паяных и комбинированных соединений из разнородных материалов за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента и полученные результаты исследования, хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизмах экструзии металла и образования паяного соединения.

Практическая значимость. Результаты исследований и расчета параметров процесса изготовления нахлёсточных соединений из разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения и волны пластифицированного металла, перемещаемого инструментом, позволили разработать технологии изготовления неразъемных «механических», паяных и комбинированных нахлёсточных соединений алюминий-сталь и алюминий-неметалл (листовой гетинакс). Использование разработанных технологий изготовления неразъемных соединений из разнородных материалов позволяет получить:

- «механические» соединения взамен традиционных клепаных и болтовых, что уменьшило трудоемкость работ, позволило получить неразъёмные герметичные соединения, у которых соединительные элементы выполнены из тела основного материала без дополнительных выступающих крепежных элементов, что уменьшает массу конструкции на 5-15% и повышает аэродинамические характеристики конструкции.

- паяные соединения через подслой (барьерный слой) за счет теплоты от фрикционного трения взамен традиционных

способов пайки (газовая, электрическая), что позволило получить соединения без применения химически активных флюсов, которые необходимо тщательно удалять после пайки.

паяно-заклепочные соединения, что позволило объединить преимущества обеих выше указанных технологий: снизить трудоемкость, увеличить конструктивную прочность без применения химически активных флюсов, при этом соединительные элементы формируются из тела деформируемой детали, что существенно уменьшило массу конструкции.

Технологии изготовления соединений из разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения запатентованы, прошли апробацию в заводской лаборатории ЗАО «Пром-Энерго-Комплект» и переданы для внедрения. Для широкого применения предложенных технологий изготовления неразъемных нахлесгочных соединений из разнородных материалов требуется разработка нормативно-технической документации.

Полученные результаты исследований использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», а также бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства».

На защиту выносится:

- механизм образования нахлесгочных соединений из разнородных материалов, которые образуются за счёт термического и деформационного воздействия торца цилиндрического вращающегося инструмента;

- модель распределения напряжений и деформаций в процессе образования нахлесгочных соединений;

- рекомендации по выбору режимов изготовления нахлесгочных соединения алюминий - сталь;

результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса получения нахлесгочных соединений;

- технологии изготовления нахлесгочных соединений узлов конструкций из металлов алюминий - сгаль.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2010-2013;

- XII международной научно-технической конференции по автоматизации технологических объектов и производств, ДНТУ, г. Донецк, Украина, 2012;

- Второй международной конференции и выставке «Алюминий-21/ СВАРКА И ПАЙКА», г. Санкт-Петербург, 2022.11.2012;

- ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2010-2013;

- работа отмечена золотой медалью и дипломом IX Международного салона изобретений и новых технологий «Новое время», г. Севастополь, Украина, 26-28.09.2013;

- разработанная технология получения комбинированного паяно-заклепочного соединения алюминий-сталь при изготовлении ванны плакированной алюминием прошла апробацию и передана для внедрения в ЗАО «Пром-Энерго-Комплект».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей и докладов, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и получено два патента на изобретения.

Личный вклад автора в опубликованных единоличных и в соавторстве работах состоит: в постановке целей и задач исследований, в разработке методик экспериментов, в анализе обобщении экспериментальных данных, в разработке модели распределения тепловой энергии от источника тепловой мощности в материале под воздействием вращающегося цилиндрического инструмента с плоским торцом, в разработке технологии выполнения соединений разнородных материалов. Вклад автора является решающим на всех стадиях работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержащего 82 наименования.

Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, содержит 12 таблиц, 60 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и необходимость решения проблемы изготовления неразъемных соединений узлов и конструкций из разнородных материалов, сформулирована цель работы, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены области рационального использования соединений элементов и узлов конструкций из разнородных материалов. Проведен анализ принципиальных трудностей, возникающих при изготовлении соединений разнородных материалов, на примере соединения алюминий-сталь. Проанализированы способы изготовления неразъемных соединений деталей и узлов из разнородных материалов; указаны основные сложности и недостатки существующих технологий соединения разнородных материалов. Рассмотрен способ сварки трением с перемешиванием (СТП) и производная от СТП технология STIR-LOCK, как один из наиболее перспективных способов изготовления соединений из разнородных материалов.

Принципиальная схема технологии STIR-LOCK показана на рисунке 1. Соединение получают в следующем порядке. Вначале в

более тугоплавкой пластине 2 выполняют отверстия. Пластину 2 закрепляют, и поверх неё укладывают и закрепляют пластину 1 из менее тугоплавкого и более пластичного металла. Затем, цилиндрический инструмент 3 с плоским торцом (заплечиком), вращающийся со скоростью со, установленный под углом а по отношению к вертикальной оси опускают к собранным деталям и внедряют в более пластичную из них на глубину И. При этом происходит нагрев и пластифицирование верхней детали 1, а инструмент 3 перемещается вдоль отверстий углом вперёд со скоростью Усв. При этом пластифицированный металл 4, перемещающийся вдоль отверстий заполняет их. Таким образом, образуется заклепочное соединение, которое формируется из материала более легкоплавкого металла. Система инструмент-подкладка должна обладать достаточной жесткостью.

и А (2:11

К параметрам режима технологии STIR-LOCK относят: скорость вращения инструмента - со; скорость движения инструмента - 14,; угол наклона инструмента - а, глубину погружения инструмента - h.

Аналитический обзор литературных данных показал, что работы, посвященные получению нахлёсточных разнородных соединений, практически отсутствуют, и номенклатура таких соединений ограничена. Поэтому в данной работе поставлена цель: расширить номенклатуру нахлёсточных неразъёмных соединений из разнородных материалов, как по конструктивным параметрам, так и по используемым материалам, получаемых за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента.

Во второй главе приведены соединяемые материалы (алюминиевые сплавы АДО, АД31Т; сталь 20; цинк ЦВО; гетинакс листовой) и методики проведения экспериментов. Для получения неразъемных нахлёсточных соединений создана лабораторная

установка, на базе универсального фрезерного станка марки 6Р82Ш. Параметры режимов изготовления соединений задавались как управляющими органами станка, так и программируемым логическим контроллером 0\/Р20ЕХ20(Ж, оснащенным датчиком линейных перемещений РА1-Р-125. Изготовление

соединений производилось на плоской подкладке из стали 12Х18Н10Т.

Для изготовления нахлесточного соединения деталей или узлов путем экструзии более пластичного из соединяемых материалов (алюминия) в более прочную (стальную) деталь, в работе использовали вращающиеся цилиндрические инструменты с плоским торцом (рис. 2) различного диаметра(с!=124-30 мм), выполненные из стали 12Х18Н10Т, либо из твердого сплава ВК2.

Рисунок 2 - Внешний вид цилиндрического инструмента

Схема изготовления образцов для измерения параметров волны пластической деформации, возникающей от воздействия инструмента на деталь, представлена на рис. 3. При этом изготовление образцов проводили по следующей методике:

для определения ширины волны пластической деформации в зоне контакта соединяемых деталей была изготовлена специальная подкладка, в которой фрезеровались пазы шириной 1 и глубиной 2 мм. Затем, на подкладку укладывали и закрепляли алюминиевую пластину, на поверхность которой воздействовали вращающимся цилиндрическим инструментом с плоским торцом. При этом алюминиевая пластина деформировалась в пазы подкладки. По ширине отпечатков подкладки (рис. 3) судили о ширине волны пластической деформации;

оценку высоты волны пластической деформации проводили на продольных макрошлифах.

А-А

Б-В

U I-£ i-................1..............J

Рисунок 3 - Схема процесса определения волны пластической деформации: 1 - вращающийся цилиндрический инструмент; 2 - пластифицированный металл;

3 - подкладка; 4 -алюминиевый лист

Для измерения температур в контактной зоне соединяемых деталей использовали хромель-алюмелевые термопары, сигнал от которых поступал на анализатор спектра А17-Т8 тензостанция ЗТМС.411168.001. Информация с тензометрической станции транслировалась на персональный компьютер для обработки в программном продукте ZetLab.

Для обнаружения внутренних дефектов применяли стационарный рентгеновский аппарат РУП 200-5-2, рентгеновскую пленку D4 AGFA, с флуоресцирующими усиливающими экранами. Тип кассеты 200x100. Исследования проводились согласно ГОСТ 7512.

Механические свойства соединений оценивали по методикам испытаний согласно ГОСТ 6996 на образцах, конструкция которых представлена на рисунке 4. Для испытаний использовали разрывную машину УММ-10 с максимальным усилием 10 т .

_ »......_ - !:.< -.V -Ж - _ « _

..........................

155

................................................W..............................................................................._

Стал

^Атоний

а)

\

\ Ста 155 г:

.................................................»5...............................................................................

т

б)

Рисунок 4 - Типоразмеры соединений для разрушающих и неразрушающих методов контроля, выполненных различными способами: а) «механический» и комбинированных; б) паяный

Для оценки макро - и микроструктуры образцы предварительно шлифовали, полировали и, при необходимости, протравливали в соответствии с РД 5.955-74 «Металлы и сплавы. Изготовление и травление металлографических микрошлифов». Химическое травление шлифов проводили в растворе 20 см3 хлорного железа на 100 см3 воды с последующим осветлением в спиртовом растворе азотной кислоты: 1-5 см3 на 100 см3 этилового спирта. Травление заканчивали при четком визуальном выявлении структуры.

Результаты исследований использованы в главах 3-4.

В третьей главе приведены теоретические аспекты образования соединений типа болтового, заклепочного, паяного и паяно-заклепочного.

Для изготовления нахлесточных неразъемных соединений по предложенным схемам основными источниками энергии •являются пластическая деформация верхнего элемента от силового воздействия инструмента и трение инструмента о поверхность детали.

Напряженно-деформированное состояние пластифицированного материала возникает в результате нормального давления инструмента и сдвиговой деформации за счет вращения инструмента.

Величина осевого давления определена экспериментально по методике предложенной P.P. Котлышевым. Приспособление для определения осевого усилия и крутящего момента представлено на рис. 5. При диаметре инструмента 25 мм осевое давление составляет 8 МПа, однако, при этом в процессе движения инструмента величина осевого давления изменялась в зависимости от зоны деформации и имела наибольшую величину под хвостовой частью инструмента.

Рисунок 5 - Приспособления для определения осевого усилия и крутящего момента (1 - основание; 2 - плита; 3 - разрезное кольцо; 4 - образец;

5- инструмент): а) внешний вид; б) схема 12

Энергия от трения инструмента о поверхность заготовки определялась как эквивалент механической энергии, выделяющейся при трении, по формуле (1).

' и

где Мтр - 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 стоком теплоты является ее поток в детали за счет высокой теплопроводности алюминия. Остальными стоками теплоты являются подкладка и прижимы сборочно-сварочной оснастки, а также конвективный теплообмен с окружающей средой. На основании этого получено уравнение теплового баланса (2) при фрикционной обработке поверхности вращающимся инструментом

Т д2Тл

су— = Л, r dt

^■■eS)**-"*-™ <2)

где с-удельная теплоемкость алюминия, Дж/кг°С; у- плотность алюминия, кг/м3; Т- 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, Вт/м3,0С; Т0 - температура окружающей среды, °С. По формуле (1) был произведен расчет механической энергии, выделяемой при трении инструмента с плоским рабочим торцом диаметром 25 мм со скоростью вращения 710 об/мин о деталь из сплава АД31. Измеренный момент трения составил 32 Н-м, а расчетное значение вводимой тепломощности 2,4 кВт (или 4800 кВт/м2). Для расчета температур была предложена одномерная модель.

Источник нагрева был принят равномерно распределенным по поверхности неподвижным со временем действия t=D/Va, (скорость движения инструмента 40 мм/мин). Принятые допущения позволили использовать для расчета температур в различных сечениях соединяемых деталей формулы, предложенные H.H. Рыкалиным для классической сварки трением на стадии нагрева (3)

T(z,t) = ^£.ierfc4= + T0 (3)

у]Х$су 2Vat

и на стадии охлаждения (4)

/ \

jAscy{ 2 V at 2yja{t-TH))

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

Для проверки расчета были проведены измерения температуры с использованием хромель-алюмелевых термопар. Термопары запрессовывались в алюминиевую деталь на расстоянии 2 мм от поверхности и непосредственно в контактной зоне соединяемых деталей. После этого осуществлялось перемещение вращающегося инструмента по поверхности деталей на режимах указанных выше. В результате измерения получили максимальную температуру 480°С на глубине 2 мм под поверхностью, и 342°С в зоне контакта соединяемых деталей. Расхождение расчетных и измеренных величин составило 20% и 5% соответственно, что считается пригодным для инженерных расчетов.

«Механические» соединения. В работах P.P. Котлышева состояние материала, подвергаемого воздействию вращающегося инструмента, описывается как активированное вязко-текучее. В таком состоянии, за счет внедрения в тело детали и движения вращающегося инструмента углом вперед, создаются благоприятные условия для накопления избыточного объема пластифицированного металла перед инструментом и образования волны пластической деформации.

Объем пластифицированного металла, который образуется под действием вращающегося инструмента, используется для заполнения заранее перфорированных в других деталях отверстий пазов, насечек. При этом образуются неразъемные «механические» соединения по типу заклепочных. В работе подтверждена гипотеза о зависимости объема пластифицированного металла от диаметра и угла наклона инструмента, а также от величины его заглубления в деталь из пластичного материала.

Для оценки зоны пластических деформаций в зоне контакта сопрягаемых деталей применен метод конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе ANSYS. Геометрическая модель соединения и сетка конечных элементов представлена на рис.б. В расчетной модели приняты следующие допущения: материал инструмента линейно упругий, модуль Юнга инструмента априори взят на 3 порядка больше чем сталь - таким образом, его в расчетах можно считать не деформируемым; основной материал -

упругопластический без упрочнения; инструмент и основной материал скреплены.

В модели приняты следующие граничные условия: к верхней поверхности инструмента приложены: момент вращения вокруг вертикальной оси (с помощью двух сил) и отрицательное вертикальное смещение (распределенное давление); инструмент осуществляет положительное горизонтальное смещение по оси Ох; верхняя поверхность основного материала свободна; боковые и нижняя поверхности слоя основного материала закреплены по нормали (гладкий контакт - нормальное перемещение и касательные напряжения равны нулю).

Рисунок б - Геометрическая модель задачи и сетка конечных элементов

Возможность экструзии металла в перфорации связана с размером зоны пластической деформации на контактных поверхностях соединяемых деталей, а также с величиной и направлением нормальных напряжений.

На рисунке 7 представлены изменения размеров зоны пластической деформации и распределение нормальных напряжений в зависимости от величины заглубления инструмента.

■ ::

а) 6) в)

Рисунок 7 - Расчетный размер зоны пластической деформации при величине заглубления инструмента: а) 0,2 мм; б) 0,3 мм; в) 0,4 мм

Аналогичные исследования зависимости размера зоны пластической деформации и распределения нормальных напряжений проведены от диаметра инструмента и угла его наклона. Расчет показал, что с увеличением диаметра инструмента ширина зоны пластической деформации - возрастает

пропорционально диаметру инструмента; с увеличением угла наклона инструмента ширина зоны пластической деформации -практически не изменяется.

Экспериментальные исследования зависимости размеров волны пластической деформации от исследуемых параметров, проведенные на алюминиевых пластинах толщиной 4 мм на постоянных режимах (скорость вращения 710 об/мин; скорость движения инструмента углом вперед 40 мм/мин) показали хорошую сходимость с аналитическим расчетом по ширине волны пластической деформации 5-г10%, что является приемлемым для инженерных расчетов.

Паяные соединения. Для получения паяного соединения алюминия со сталью было предложено применение промежуточного металла, который образует эвтектику с одним из основных соединяемых металлов при разогреве зоны соединения за счет теплоты, получаемой фрикционным трением. При такой схеме реализуется процесс пайки, в котором функции припоя выполняет расплав эвтектического состава. К преимуществам такого способа пайки можно отнести следующие:

- физический контакт образуется благодаря смачиванию контактных поверхностей деталей эвтектическим расплавом;

- соединяемые детали испытывают воздействие нормальной составляющей силы от инструмента, что приводит к взаимной фиксации деталей, минимизирует капиллярный зазор и увеличивает фактическую площадь контакта в зоне воздействия инструмента.

При пайке алюминия со сталью выбор в качестве припоя цинка обусловлен следующими факторами: выступает в качестве промежуточного металла между железом и алюминием; обладает достаточной растворимостью как в железе (3,9 ат.% при 200°С и 17,6 ат.% при 623°С), так и в алюминии (66,5 ат.% при 382°С); замедляет реактивную диффузию и образование интерметаллида Ре2А!5; способен образовывать двойную А1-гп и тройную Ре-А1-гп эвтектики при 381,5°С и 300°С соответственно; повышает коррозионную стойкость комбинированных соединений алюминий-сталь.

Анализ тройной Ре-А1-гп и бинарных систем Ре-гп и А1-гп показал, что процесс получения соединения может происходить в режиме твердо-жидкофазного взаимодействия. При такой схеме:

- фактическая площадь контакта соединяемых элементов достигает максимальной величины вследствие смачивания расплавленной эвтектикой твердых поверхностей алюминия и стали;

- благодаря высокой реакционной способности эвтектики А1-2п адгезионная связь преобразуется в химическую в результате

преимущественного образования твердых растворов элементов эвтектики в железе и в алюминии.

Образование соединения происходит в следующем порядке.

При достижении на контактной поверхности соединяемых деталей температуры 300М00°С в результате фрикционного трения инструмента об алюминиевую деталь, в зоне контакта алюминия с цинком развиваются процессы контактного плавления и образования эвтектического расплава.

Переходные зоны Fe-Zn (Zn-AI) формируются благодаря образованию физического контакта в процессе смачивания железа и алюминия цинком в твердожидком состоянии. Причем жидкая фаза в начале процесса представляет собой двойную эвтектику, образующуюся со стороны алюминия по схеме

Ьэ < 382°с >аА! + при концентрации 95%мас, Zn и 5%мас. Al.

Существование жидкой фазы со стороны стальной детали инициирует возникновение интерметаллидных фаз. Критерием принципиальной возможности протекания и движущей силой химических процессов при постоянных давлении и температуре является изобарно-изотермический потенциал (изменение энергии Гиббса).

AG = ДН -TAS, (5)

где AG - изменение энергии Гиббса химического процесса, Дж/моль;

АН - изменение энтальпии химического процесса, Дж/моль;

AS - изменение энтропии химического процесса Дж/моль-К;

Т - температура, К.

Если в ходе реакции энергия Гиббса уменьшается (AG<0), то процесс может протекать в данных условиях самопроизвольно. При этом, чем больше абсолютная величина изобарно-изотермического потенциала образования химического соединения, тем более вероятно прохождение такой реакции.

Исходя из расчетных значений энергии Гиббса (табл. 1) из пяти интерметаллидных соединений в начальный момент возникает фаза Fe2AI5, которая почти мгновенно перестраивается в фазу FeAI3. Появление интерметаллидной фазы FeAI3 в комплексе с двойной эвтектикой алюминия и цинка и благоприятные температурные условия приводят к образованию тройной эвтектики по схеме

"X fifi® f

L3<->aA¡ + Pfr + FeAl^, в которой количество железа

может едва достигать 0,1%мас.

Таблица 1

Расчетные значения изменения энергии Гиббса при образовании алюминидов железа

Алюминид Расчетные формулы Температура, Изменение энергии

железа для определения К Гиббса для алюминидов

изменения энергии на 1 на 1 г-атом

Гиббса г-моль

-57098,8+79,42-Т 573 -11591,14 -

Ре3А1 673 -3649,14 -

-57099+79,4-Т 573 - 102595,2

673 - 110535,2

-48404,4+4,77-Т 573 -45671,19 -

ЯеА1 673 -45194,19 -

-48404+4,8-Т 573 - -45653,6

673 - -45173,6

-81510+10,74-Т 573 -75355,98 -

РеА12 673 -74281,98 -

-40755+5,4-Т 573 - -37660,8

673 - -37120,8

-201308,8+29,8-Т 573 -184233,4 -

Ре2А15 673 -181253,4 -

-40253+6,0-Т 573 - -36815

673 - -36215

-111439+16,9-Т 573 -101755,3 -

РеА13 673 -100065,3 -

-37077+56,4-Т 573 - -4759,8

673 - 880,2

Тройная эвтектика близка по составу к двойной эвтектике, но ее температура плавления понижается и составляет 300°С. При этом при понижении температуры в интерметаллидной фазе РеА13 растворяется до 1,43%мас. цинка путем замещения атомов алюминия.

Нарастание температуры свыше 300°С в процессе непрекращающегося трения инструмента о поверхность алюминиевой детали и внутреннего трения отдельных поверхностных макрообъемов алюминия, вовлекаемых инструментом в процесс деформирования, вызывает термическую активацию в зоне контакта, что приводит к увеличению количества жидкой фазы за счет объемного плавления цинка при достижении температуры 419°С (температура автономного плавления цинка).

Описанные выше процессы (особенно растворно-диффузионные) активизируются. Это приводит к переходу от

атомной к реакционной диффузии, которая протекает со скоростью на порядки более высокой, по сравнению с атомной, и возникновению островков выделений интерметаллидных фаз типа РеА13. Тройные соединения интерметаллидных фаз при взаимодействии в системе Ре-гп-А1 не обнаружены.

Анализ макро- и микрошлифов (рис. 8) разнородного соединения сталь-алюминий позволил установить наличие узкой (несколько микрометров) зоны твердых растворов, как со стороны стали, так и со стороны алюминия, а со стороны стали (рис. 9) также слоя интерметаллидной фазы РеА13 нестехиометрического состава (51,79%мас. А1, 25,50%мас. Ре, 20,98%мас. Ш).

Со стороны алюминия сформировался слой по составу близкий к составу сплава с^ и а2 фаз, соответствующих нонвариантному превращению ((40,91-52,32)%мас. А1, (24,64-29,55)%мас. Ре, (23,01-17,79)%мас.

а)

Рисунок 8 - Микроструктуры в зоне сплавления: а) без травления, х12, б) после травления, х500

'е (31,80%); А1 (54,79%). 7л 1 (1;

Сталь 20

100м кт 1 Электронное изображение 1

Рисунок 9 - Локальный элементный состав зоны сплавления соединения алюминий-цинк-сталь

Оценки механической неоднородности по величинам микротвердости на микро- и нанотвердомере, а также результаты микрорентгеноспектрального анализа показали, что химическая и механическая неоднородности переходных зон разнородного

соединения сталь-цинк-алюминий в первом приближении соответствуют данным диаграмм состояния.

Р.ЪкротБердосгь,

1

К А

V \

1

. . А

ш !« Расстояние от пинии сплзкленияики

Рисунок 10 - График изменения микротвердости паяного соединения в поперечном сечении

Одновременно, установлено положительное влияние цинка на блокирование процессов зарождения и роста интерметаллидов типа РепА1т.

В четвертой главе представлены разработанные и практически полученные конструкции соединений из разнородных материалов (рис. 11) и экспериментальные данные по выбору режимов получения соединений алюминиевых сплавов (АД31Т, АДО) со сталью, а так же оценены прочностные свойства полученных соединений

Амтти Стл Ажяшй Вт Геттк то1о0

*

А 12:11 * ®>

сзр

а) б)

Алюминий Паяный шод Сталь Алюминий Паяный шоб Сталь

с " 1 1 " ■ 11 1 1 I I--II м I

в) г)

Рисунок 11 - Примеры предлагаемых конструкций неразъемных соединений: а) заклепочное; б) болтовое; в) паяное; г) комбинированное

На основании разработанных моделей теплового баланса и математической модели упругопластических деформаций произведен выбор режимов получения соединений: скорость

вращения инструмента 710 об/мин; скорость сварки 40 мм/мин; угол наклона инструмента 2°; величина заглубления 0,2-И),4 мм; диаметр отверстий 5-^9 мм.

Проведенный рентгенографический контроль, образцов не выявил внутренних дефектов соединений. По результатам анализа макро- и микрошлифов внутренние дефекты также не обнаружены. Механическая прочность соединений оценивалась при испытаниях на статическое растяжение. Результаты испытаний контрольных образцов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты испытания контрольных образцов на статическое _растяжение_

Тип образца Усилие до среза, Н

Заклепочные соединения 7300 - 7700

Паяные соединения 5000 - 5100

Паяно-заклепочные соединения 11800 - 12300

В пятой главе описана экспериментальная технология плакирования алюминием ванны для травления, предложенная ЗАО «Пром-Энерго-Комплект».

Ванна предназначена для травления в слабых растворах кислот и солей стальных деталей в мелкосерийном и опытном производствах. Конструкция ванны представлена на рисунке 12.

1 - оболочка; 5 - обод; 2 - поддон; б - ребро жёсткости;

3 - обечайка плакирующая; 7 - плита; 4 - днище

С экономической точки зрения для изготовления элементов конструкции не подвергающихся воздействию агрессивной среды, но несущих ответственность за прочностные характеристики конструкции (оболочка; поддон; ребра жёсткости; обод; плиты; кольца) было предложено использовать сталь 20А, а для изготовления плакирующего слоя, - алюминиевый сплав АД31.

Так как плакирующий слой подвергается воздействию агрессивной среды, но не несет нагрузку, то для изготовления

конструкции предложено использовать «механические» (эксгрузионные) соединения. Разработанная технология внедрена на производственной базе ЗАО «Пром-Энерго-Комплект».

Общие выводы и результаты работы:

Разработаны способы получения нахлесгочных неразъемных соединений металлов с металлами и металлов с неметаллическими материалами, обеспечивающие герметичность и требуемую прочность соединений.

1) Неразъемные «механические» соединения типа заклепочных образуются в результате экструзии, пластифицированного вращающимся инструментом материала в предварительно перфорированные в другом элементе конструкции отверстия (Пат. 2443526).

2) Механизм образования неразъемного нахлесточного соединения заключается в том, что в результате трения торца вращающегося цилиндрического инструмента о поверхность происходит нагрев пластифицируемого материала (верхней детали) и образование волны пластической деформации, материал которой заполняет предварительно перфорированные отверстия за счет нормального давления и сдвиговых деформаций, создаваемых инструментом.

3) На основе теоретических положений и экспериментальных исследований разработана модель расчета зоны пластических деформаций на контактных поверхностях соединяемых элементов методом конечных элементов в программном комплексе АЫБУБ, учитывающая свойства материалов и параметры процесса образования соединения.

4) Механизм пайки разнородных материалов заключается в том, что соединение образуется с использованием барьерного слоя (цинка), который одновременно способствует образованию жидкой фазы в результате контактного плавления с одним из соединяемых материалов, обеспечивающей образование химических связей лимитирующих прочность соединения.

5) Для увеличения прочности соединения из разнородных материалов разработан способ, позволяющий одновременно получать паяное и заклепочное соединения (Пат. 2446927).

6) Для практической реализации предложены технологии получения неразъемных нахлесгочных соединений из разнородных материалов, одним из которых является алюминий или его сплавы. Данные технологии внедрены на ЗАО «Пром-Энерго-Комплект» при плакировании алюминиевым сплавом АД31 ванны для химического травления.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

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

2. Крамской A.B., Чуларис A.A., Людмирский Ю.Г. Способ пайки разнородных материалов с использованием фрикционного трения//Сварка и диагностика. - 2013. - №5. - С. 40-43.

Публикации в других изданиях:

3. Людмирский Ю.Г., Котлышев P.P. и др. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в электромонтажном производстве [Электронный ресурс]// Вторая международная конференция и выставка «Алюминий-21/ СВАРКА И ПАЙКА»: сб. статей, 20-22 ноября. - СПб, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD -ROM).

4. Крамской A.B., Людмирский Ю.Г. Получение неразъемных соединений разнородных материалов// V Научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии»: сб. статей, 11-13 сентября. - Ростов н/Д, 2013. - С. 646-653.

5. Крамской A.B. Неразъемные соединения конструкционных материалов, получаемые пластическим деформированием с ротационным нагревом трением// АВТОМАТИЗАЦ1Я ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ОБ'еКПВ ТА ПРОЦЕС1В. ПОШУК МОЛОДИХ: сб. науч. тр. / ДонНТУ. -Донецк, 2012. - С. 386-388.;

Патенты на изобретение РФ:

6. Патент на изобретение №2443526 от 27.02.12 г. Способ получения соединения разнородных материалов. Лукьянов В. Ф., Людмирский Ю.Г., Крамской A.B. и др.;

7. Патент на изобретение №2446927 от 10.04.12 г. Способ получения соединения разнородных материалов. Лукьянов В. Ф., Людмирский Ю.Г., Крамской A.B. и др.

В печать 25.11.13.

Объем 1,0 усл. п.л. Офсет. Бумага тип №3.

Формат 60x84/16. Заказ № 1210. Тираж 100 экз. Бесплатно

Издательский центр ДГТУ

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

Донской государственный технический университет

На правах рукописи

04201454059

Крамской Александр Владимирович

ПОЛУЧЕНИЕ НАХЛЕСТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЗА СЧЕТ ФРИКЦИОННОГО НАГРЕВА ПОВЕРХНОСТИ ВРАЩАЮЩИМСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

Шифр и наименование специальности 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., проф. Людмирский Ю.Г.

Ростов-на-Дону - 2013

Содержание

Введение

стр. 4

1 Состояние вопроса (обзор)

10

1.1 Неразъемные соединения разнородных материалов и их 10 применение

1.2 Сложности получения неразъемных соединений разнородных 14 материалов

1.3 Виды неразъемных соединений, получаемые в 17 промышленности

1.4 Получение соединений разнородных материалов с помощью 32 сварки трением с перемешиванием

2 Методика проведения исследований 45

2.1 Методика получения нахлесточных соединений фрикционным 45 трением

2.2 Методика оценки распределения температур в зоне 51 сопряжения деталей

2.3 Методика оценки напряженно-деформированного состояния в 52 зоне сопряжения деталей

2.4 Методика оценки макро- и микроструктуры соединений 54

2.5 Методика оценки качества соединений из разнородных 55 материалов

Выводы по главе 58

3 Механизм образования соединений 59

3.1 Упругопластическое деформирование при поступательном 59 движении вращающегося цилиндрического инструмента по поверхности алюминиевой пластины

3.2 Модель распределения температуры при поступательном 70 движении вращающегося цилиндрического инструмента по поверхности алюминиевой пластины

3.3 Гипотеза образования соединения из разнородных материалов и 79

ее подтверждение

3.4 Состояние переходного слоя 92

Выводы по главе 97

4 Примеры изготовления неразъемных соединений 99

4.1 Механические соединения 99

4.2 Паяное соединение 107

4.3 Комбинированное соединение 108

4.4 Оценка качества разработанных соединений 109 Выводы по главе 114

5 Технология нанесения плакирующего слоя ванн для 115 химического травления

5.1 Технология выполнения ванны плакированной алюминием 115

Заключение 119

Список используемой литературы 121

Приложения 126

ВВЕДЕНИЕ

Оборудование и устройства современной энергетики, химической и нефтяной промышленности, атомной, космической и др. отраслей техники эксплуатируются в условиях, характеризующихся высокими рабочими температурами, давлением, а также агрессивностью рабочих сред. В этой связи к элементам и узлам такого оборудования часто предъявляются требования по сочетанию каких-либо специальных свойств: жаростойкости, коррозионной стойкости, прочности, электропроводности и др.

Во многих случаях сочетание различных свойств может быть обеспечено при изготовлении отдельных деталей и узлов из разнородных материалов. Иногда применение разнородных материалов диктуется экономическими соображениями.

Известны конструкции изделий, выполненные из разнородных материалов, таких как алюминий-сталь, алюминий-титан, медь-сталь, алюминий-полимер. Однако, известные способы сварки (дуговая сварка плавлением, холодная сварка и др.) не всегда обеспечивают получение необходимых эксплуатационных параметров конструкций. Это связанно с тем, что многие сочетания разнородных материалов имеют значительные различия в физико-химических свойствах и ограниченную взаимную растворимость, а в зоне сварки могут образовывать хрупкие интерметаллидные фазы.

В конструкциях изделий из разнородных материалов для получения неразъёмных соединений часто используются заклёпочные соединения, для которых необходимо выполнять отверстия, что ослабляет конструкцию, увеличивает ее массу на 5-15% и не всегда обеспечивает герметичность.

В ряде случаев для соединения разнородных металлов эффективна пайка. Однако в ходе этого процесса нельзя контролировать растекание припоя, определяющее качество паяного соединения. Так же в большинстве случаев при пайке для снятия окисной пленки с поверхности металла и

активации поверхности необходимо применение активных флюсов. Такие флюсы должны быть тщательно удалены из соединения, в противном случае они приводят к интенсивной коррозии и разрушению изделий.

Большой вклад в изучении процессов сварки плавлением разнородных материалов внесли H.H. Рыкалин, М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулин, В.Р. Рябов, Д.М. Рабкин, B.I. Bradstreet, Sh. Shiego.

Применение наиболее мобильных и распространенных дуговых способов сварки, которые протекают с образованием жидкой фазы, затруднено из-за образования в сварном шве разнородных материалов хрупких промежуточных соединений и фаз.

Неблагоприятные явления, характерные для сварки плавлением, можно уменьшить за счет применения сварки давлением. Исследованию механизма образования соединений в твердой фазе посвящены труды многих ученых, среди которых: К.А. Кочергин, М.Х. Шоршоров, P.A. Мусин, Г.В. Конюшков, Э.С. Каракозов, Ю.Л. Красулин, P.P. Котлышев и др. При всех способах сварки давлением соединение образуется в твердой фазе в результате совместной пластической деформации материала в зоне контакта.

Среди большого количества способов сварки давлением в последние десятилетия выделяется способ сварки трением с перемешиванием (СТП), который отличается пониженными требованиями к подготовке поверхностей деталей перед сваркой, возможностью соединения разных материалов, как в однородном, так и в разнородном сочетаниях с широким диапазоном режимов сварки, а также выгодными экономическими и экологическими показателями.

Большинство работ по СТП посвящено довольно узкой номенклатуре соединений из однородных материалов (стыковым соединениям и нахлёсточным).

Работы, посвященные получению нахлёсточных соединений из разнородных материалов, практически отсутствуют. Поэтому, необходимо

было разработать способы, изготовления конструкций из указанных разнородных материалов.

Цель работы: расширить номенклатуру способов изготовления нахлёсточных неразъёмных соединений из разнородных материалов, по конструктивным параметрам и по используемым материалам, получаемых за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Провести анализ методов получения нахлёсточных соединений разнородных материалов.

2) Выявить закономерности распределения теплоты при воздействии вращающегося инструмента.

3) Разработать модель распределения упругопластических деформаций при воздействии вращающегося инструмента.

4) Выявить механизм образования паяных соединений из разнородных материалов.

5) Разработать конструктивные параметры и технологию изготовления нахлёсточных соединений узлов и конструкций из разнородных материалов и определить область их рационального применения.

Методы исследования.

Для выявления механизма образования нахлёсточных соединений из разнородных материалов и разработки технологии получения таких соединений использовались теоретические (расчет температур, моделирование процессов упругопластической деформации) и экспериментальные методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлофизические и металлографические

методы анализа металлов в зоне соединения, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что неразъемное соединение деталей, собранных внахлестку, образуется за счет одновременного термического и деформационного воздействия на соединяемые детали торцом вращающегося инструмента:

1) Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность получения паяного нахлесточного соединения за счет теплоты, выделяемого при трении торца инструмента о поверхность более пластичного материала, при этом выявлены два канала активации соединяемых поверхностей - термический и деформационный, которые позволяют получать соединение без дополнительной защиты на воздухе.

2) Установлено, что при поступательном движении вращающегося цилиндрического инструмента по поверхности более пластичного материала углом вперед образуется волна пластической деформации. В этих условиях появляется возможность заполнения пластифицированным металлом перфорированных отверстий в результате его экструзии и образование неразъемного «механического» соединения металла с другим металлом или с неметаллическими материалами. Объем металла для заполнения перфорированных отверстий зависит от диаметра и угла наклона инструмента, а также от величины его заглубления в пластифицированный металл.

3) Научно обоснована и практически реализована технологическая схема получения комбинированного паяно-заклепочного соединения разнородных металлов, при которой деформационная активация на фоне термического воздействия вызывает экструзию пластичного металла, а так же образование жидкой фазы на поверхностях раздела вследствие контактного плавления соединяемых материалов. Такая схема позволяет

увеличить фактическую площадь соединения и повысить прочность получаемых соединений.

4) Установлено, что соединение алюминий-сталь через цинковую прослойку формируется в присутствии жидкой фазы, образующейся при термической активации, возникающей при фрикционном трении инструмента со стороны алюминия, и инициирующей процессы атомной и реакционной диффузии, а также растворения железа и алюминия в расплаве двойной или тройной эвтектики и подавление образования интерметаллидов типа FenAlm в присутствии цинка и их фрагментацией за счет процессов пластического деформирования и диспергирования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследования и поверенного измерительного оборудования (анализатор спектра А17-Т8 тензостанция ЗТМС.411168.001; комплексная лаборатория пробоподготовки фирмы ATM; световой инвертированный металлографический микроскоп AxioObserver (Zeiss), оснащенный цифровой видеокамерой и системой вывода изображений; твердомер Zwick/Roell ZHV; электронный микроскоп Tescan Vega, оснащенный энергодисперсионным спектрометром; рентгеновский аппарат РУП 200-5-2; разрывная машина УММ-10), требуемой повторяемостью опытов и использованием лицензионных компьютерных программ для расчетов. Механизм образования «механических», паяных и комбинированных соединений из разнородных материалов за счёт фрикционного нагрева и давления, осуществляемого торцом вращающегося цилиндрического инструмента и полученные результаты исследования, хорошо согласуются с фундаментальными представлениями о механизмах экструзии металла и образования паяного соединения.

Практическая значимость. Результаты исследований и расчета параметров процесса изготовления нахлёсточных соединений из

разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения и волны пластифицированного металла, перемещаемого инструментом, позволили разработать технологии изготовления неразъемных «механических», паяных и комбинированных нахлесточных соединений алюминий-сталь и алюминий-неметалл (листовой гетинакс). Использование разработанных технологий изготовления неразъемных соединений из разнородных материалов позволяет получить:

- «механические» соединения взамен традиционных клепаных и болтовых, что уменьшило трудоемкость работ, позволило получить неразъёмные герметичные соединения, у которых соединительные элементы выполнены из тела основного материала без дополнительных выступающих крепежных элементов, что уменьшает массу конструкции на 5-15% и повышает аэродинамические характеристики конструкции.

- паяные соединения через подслой (барьерный слой) за счет теплоты от фрикционного трения взамен традиционных способов пайки (газовая, электрическая), что позволило получить соединения без применения химически активных флюсов, которые необходимо тщательно удалять после пайки.

паяно-заклепочные соединения, что позволило объединить преимущества обеих выше указанных технологий: снизить трудоемкость, увеличить конструктивную прочность без применения химически активных флюсов, при этом соединительные элементы формируются из тела деформируемой детали, что существенно уменьшило массу конструкции.

Технологии изготовления соединений из разнородных материалов за счет теплоты от фрикционного трения запатентованы, прошли апробацию в заводской лаборатории ЗАО «Пром-Энерго-Комплект» и переданы для внедрения. Для широкого применения предложенных технологий изготовления неразъемных нахлесточных соединений из разнородных материалов требуется разработка нормативно-технической документации.

Полученные результаты исследований использованы в учебном процессе ДГТУ на кафедре «Машины и автоматизация сварочного производства» при подготовке по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», а также бакалавров и магистров по направлению 150700 «Машиностроение» профиль «Оборудование и технология сварочного производства».

На защиту выносится:

- механизм образования нахлесточных соединений из разнородных материалов, которые образуются за счёт термического и деформационного воздействия торца цилиндрического вращающегося инструмента;

- модель распределения напряжений и деформаций в процессе образования нахлесточных соединений;

- рекомендации по выбору режимов изготовления нахлесточных соединения алюминий - сталь;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса получения нахлесточных соединений;

- технологии изготовления нахлесточных соединений узлов конструкций из металлов алюминий - сталь.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- заседаниях кафедры «Машины и автоматизация сварочного производства» ДГТУ, 2010-2013;

XII международной научно-технической конференции по автоматизации технологических объектов и производств, ДНТУ, г. Донецк, Украина, 2012;

- Второй международной конференции и выставке «Алюминий-21/ СВАРКА И ПАЙКА», г. Санкт-Петербург, 20-22.11.2012;

ежегодных научно-технических конференциях студентов и профессорско-преподавательского состава ДГТУ, 2010-2013;

- работа отмечена золотой медалью и дипломом IX Международного салона изобретений и новых технологий «Новое время», г. Севастополь, Украина, 26-28.09.2013;

- разработанная технология получения комбинированного паяно-заклепочного соединения алюминий-сталь при изготовлении ванны плакированной алюминием прошла апробацию и передана для внедрения в ЗАО «Пром-Энерго-Комплект».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК и получено два авторских свидетельства на изобретения:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях:

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

2. Крамской A.B., Чуларис A.A., Людмирский Ю.Г. Способ пайки разнородных материалов с использованием фрикционного трения//Сварка и диагностика. - 2013. - №5. - С. 40-43.

Публикации в других изданиях:

3. Людмирский Ю.Г., Котлышев P.P. и др. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов в электромонтажном производстве [Электронный ресурс]// Вторая международная конференция и выставка «Алюминий-21 / СВАРКА. И ПАЙКА»: сб. статей, 20-22 ноября. - СПб, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD - ROM).

4. Крамской A.B., Людмирский Ю.Г. Получение неразъемных соединений разнородных материалов// V Научно-практическая конференция «Инновационные технологии в машиностроении и металлургии»: сб. статей, 11-13 сентября. - Ростов н/Д, 2013.-С. 646-653.

5. Крамской A.B. Неразъемные соединения конструкционных материалов, получаемые пластическим деформированием с ротационным

нагревом трением// АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ОБ'СКТГО ТА ПРОЦЕС1В. ПОШУК МОЛОДИХ: сб. науч. тр. / ДонНТУ. - Донецк, 2012. -С. 386-388.;

Патенты на изобретение РФ:

6. Патент на изобретение №2443526 от 27.02.12 г. Способ получения соединения разнородных материалов. Лукьянов В. Ф., Людмирский Ю.Г., Крамской A.B. и др.;

7. Патент на изобретение №2446927 от 10.04.12 г. Способ получения соединения разнородных материалов. Лукьянов В. Ф., Людмирский Ю.Г., Крамской A.B. и др.

Личный вклад автора в опубликованных единоличных и в соавторстве работах состоит: в постановке целей и задач исследований, в разработке методик экспериментов, в анализе обобщении экспериментальных данных, в разработке модели распределения тепловой энергии от источника тепловой мощности в материале под воздействием вращающегося цилиндрического инструмента с плоским торцом, �