автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Совершенствование технологии ремонта отливок из алюминиевых сплавов с использованием сварки

_

МАНАКОВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА ОТЛИВОК ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВАРКИ

Специальность: 05.03.06 - Технологии и машины сварочного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 НОЯ 2009

Москва-2009

003484912

Работа выполнена в ГОУ «Московский государственный индустриальный университет» (МГИУ).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Овчинников Виктор Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Филатов Юрий Аркадьевич

кандидат технических наук Новиков Олег Михайлович

Ведущая организация: ЗАО ALCOA «Самарский металлургический завод»

Защита диссертации состоится « 40 » декабря 2009 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д.217.042.03 Государственного научного центра Российской Федерации ОАО «Научно-производственное объединение «Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения» по адресу: Россия, 115088, Москва, ул. Шарикоподшипниковская, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ОАО НПО «ЦНИИТМАШ».

Автореферат разослан « $ » ноября 2009 года

Учёный секретарь диссертационного совета, к.т.н. С—' С.М. Петушков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В авиационной и автомобильной промышленности широко используются детали из алюминиевых сплавов, выполненные методами литья. Все отливки можно подразделить на корпусные герметичные детали сложной формы переменной жесткости, массивные отливки плоской формы и малогабаритные отливки различной конфигурации. Для изготовления отливок применяются сплавы систем Al-Si, Al-Mg, Al-Si-Mg и Al-Cu-Mn.

Практический опыт показывает, что при изготовлении отливок возникают дефекты в деталях в виде литейных трещин, литейной рыхлоты, окисления границ зерен и включений оксидных пленок. В зависимости от формы и конфигурации отливки процент дефектных деталей может изменяться от 10 до 28%.

Малогабаритные отливки, содержащие дефекты, как правило, направляют на повторный переплав. Отливки сложной формы и плоские массивные отливки подвергаются ремонту с применением ручной аргонодуговой сварки.

Процесс ремонта отливки включает операции зачистки поверхности вдоль трещины, засверловки концов трещины, выборки дефектного участка с последующей заваркой разделки с заполнением присадочным металлом.

Применяется также вариант ремонта с полным удалением дефектного участка отливки с последующей варкой в отливку специальной вставки.

При ремонте отливок с применением методов сварки плавлением и, в частности, ручной аргонодуговой сварки, в сварных соединениях возникают новые дефекты в виде пор, а также трещин по металлу шва и зоне сплавления. При этом распределение дефектов сварных соединений существенно зависит от типа и конфигурации отливки, а также от марки сплава.

В связи с этим актуальной является разработка технологических мер по предотвращению повторного возникновения дефектов в сварных соединениях при ремонте отливок.

Цель и задачи работы. Цель работы - повышение качества ремонта отливок из алюминиевых сплавов за счет предотвращения повторного возникновения дефектов в сварных соединениях на ремонтируемом участке отливки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Установить причины образования дефектов в виде пор и трещин в сварных соединениях при ремонте отливок методами сварки;

• Определить влияние размеров и жесткости ввариваемой вставки на распределение напряжений и вероятность возникновения трещин в ремонтируемой отливке;

• Оценить эффективность применения метода сварки трением с перемешиванием для ремонта отливок плоской формы;

• Исследовать влияние параметров сварки трением с перемешиванием (СТП) на структуру и свойства сварных соединений литейных алюминиевых сплавов;

• Сформулировать технологические рекомендации по ремонту отливок из алюминиевых сплавов.

Методы исследований. В работе для определения причин возникновения дефектов при ремонте отливок методами сварки, а также при анализе и интерпретации полученных результатов использовались экспериментальные методы исследований. Для подтверждения достоверности полученных результатов применялись методы разрушающего и неразрушающего контроля, металлографического анализа, статистические методы обработки результатов экспериментов.

Научная новизна.

1. На основе результатов исследования газовыделения при нагреве литейных алюминиевых сплавов показано, что образование крупной пористости в швах при ремонте отливок определяется выделением на стадии нагрева газов типа СО и СХНУ в интервале температур, ниже температуры ликвидуса сплава;

2. Установлено, что формирование мелкой равномерно распределенной пористости происходит в последние моменты кристаллизации металла шва, и оно связано с изменением растворимости водорода при переходе сплава из жидкой фазы в твердую;

3. Установлено, что для снижения напряжений в сварных соединениях ремонтируемой отливки корпусных деталей методом варки вставки целесообразно саму вставку изготавливать из деформируемого алюминиевого сплава с достаточно высокой пластичностью. Наилучшим комплексом свойств обладают сочетания сплавов ВАЛ 16 + АМг2 и АЛ9 + В1341;

4. Предложен механизм измельчения структуры металла шва при сварке трением с перемешиванием по сравнению с исходным металлом отливки, который основывается на действии деформаций сдвига при течении пластифицированного металла в коленообразном канале между твердой кромкой и инструментом.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечивается применением современных методов исследований, непротиворечивостью полученных результатов уже известным результатам, практикой использования технологии ремонта отливок, разработанной на основе научных положений и выводов, полученных в данной работе.

Практическая ценность и реализация работы. Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанная технология ремонта отливок из алюминиевых сплавов существенно повышает качество выполняемого ремонта и сокращает затраты на его

выполнение. Результаты исследований позволили разработать и внедрить технологию ремонта литых корпусов автоматических коробок передач автомобилей фирмы «Audi». Технологический процесс ремонта плоских массивных отливок с применением сварки трением с перемешиванием дал положительные результаты при его опробовании в производственных условиях на ряде машиностроительных предприятий.

Разработанная в диссертации технология ремонта отливок из алюминиевых сплавов применяется на ряде автосервисных предприятий, а также в рамках соглашения передана на предприятия фирмы «Audi» для устранения дефектов в отливках картеров автоматических коробок передач.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментальных исследований процессов образования пор при сварке плавлением литейных алюминиевых сплавов.

2. Результаты измерения остаточных напряжений в ремонтируемой отливке в зависимости от жесткости ввариваемой вставки и вариант снижения остаточных напряжений в ремонтируемой отливке за счет вварки вставки из пластичного деформируемого алюминиевого сплава.

3. Предложенный механизм измельчения структуры металла шва при сварке трением с перемешиванием, основанный на проявлении деформаций сдвига при течении пластифицированного металла в коленообразном канале между твердой кромкой и инструментом.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:

1. III Всероссийской научно-практической конференции «Развитие инновационного потенциала отечественных предприятий и формирование направлений его стратегического развития». Пенза, ноябрь 2005.;

2. Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве». Рыбинск, 20-21 сентября 2007.;

3. Международной конференции «Молодые учёные -промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения». Москва, МГИУ, 19-23 ноября 2007г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, 6 докладов и 1 патент на изобретение.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 164 страницах, содержит 83 рисунка, 19 таблиц и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 100 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена общая характеристика работы, обосновывается актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена характеристика современных литейных алюминиевых сплавов, используемых для изготовления отливок в авиационной и автомобильной отраслях промышленности. Представлены основные типы отливок из алюминиевых сплавов: корпусные герметичные детали сложной формы переменной жесткости, массивные отливки плоской формы и малогабаритные отливки различной конфигурации.

Приведены основные виды дефектов в отливках, возникающие в процессе литья, а также при эксплуатации отливок. К ним относятся литейные трещины и рыхлота, окисление границ зерен и включения оксидной пленки в металл отливки. Процент бракованных отливок зависит от типа отливки и изменяется от 10 до 28%, причём он имеет большую величину для корпусных герметичных деталей сложной формы с переменной жесткостью (корпуса коробок передач автомобилей).

В процессе эксплуатации в отливках возможно образование дефектов в виде трещин и механических повреждений - сколов, выкрашиваний.

Для устранения дефектов в отливках применяется сварка. Представлен аналитический обзор опубликованных отечественных и зарубежных данных по ремонту отливок из алюминиевых сплавов. Процесс ремонта отливки включает засверловку концов трещины, выборку металла дефектного участка и заварку разделки ручной аргонодуговой сваркой с заполнением разделки присадочным металлом. Находит применение на практике также вариант ремонта, основанный на удалении дефектного участка из отливки с последующей варкой в отливку специальной вставки.

При ремонте отливок из алюминиевых сплавов с применением ручной аргонодуговой сварки отмечается возникновение дефектов в виде пор, а также трещин по металлу шва и зоне сплавления, на ремонтируемом участке. Повторное возникновение дефектов на ремонтируемом участке отливки существенно усложняет процесс ремонта, а в ряде случаев не позволяет устранить дефекты в отливках, что приводит к их браковке. Малогабаритные отливки не подвергаются ремонту, а в случае образования в них дефектов направляются на переплав.

На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе описаны исследуемые литейные алюминиевые сплавы и образцы из них. Приведён химический состав сплавов АЛ9 и ВАЛ 16, а также дана характеристика пористости основного металла отливки.

Представлено описание принципиальной схемы установки и методики проведения экспериментов для исследования газовыделения при нагреве образцов литейных алюминиевых сплавов. Описано оборудование для аргонодуговой сварки и сварки трением с перемешиванием, образцов для механических испытаний и установок для их осуществления.

Представлены методики и оборудование для металлографических исследований (микроскоп КеорЬо1-2) и микрорентгеноспектрального анализа (установка Сатеса М8-4). Для контроля качества сварных швов на отливках из алюминиевых сплавов был использован помимо металлографического

анализа рентгеновский контроль. Для исследования микроструктуры шлифы полировали и химически протравливали реактивом Келлера. Для выявления макроструктуры использовалось травление в ИаОН с последующим осветлением в азотной кислоте.

Химический анализ состава металла шва и околошовной зоны (ОШЗ) проводился методом РЭМ на электронном микроскопе.

Измерение остаточных напряжений при варке вставки в специальные образцы, а также при ремонте корпусов автоматических коробок передач из алюминиевых сплавов, осуществлялось с помощью измерительного комплекса ДОН. Измерительный комплекс ДОН состоит из оптического блока со спекл-интерферометром, системы фиксации спекл-интерферометра на измеряемой поверхности, блока автономного питания лазера и видеокамеры, персонального компьютера и блока изъятия дозированного объёма металла для проявления напряжений.

Третья глава посвящена исследованию причин и источников пористости при сварке литейных алюминиевых сплавов. Пористость может быть разделена на мелкую (диаметром до 0,1 мм), равномерно распределенную в металле шва, и крупную (диаметром 0,3... 1,2 мм), расположенную в основном вдоль зоны сплавления сварного соединения.

Процесс порообразования в соответствии с современными представлениями, сформулированными в работах Никифорова Г.Д., Рабкина Д.Н., Фролова В.В., Редчица В.В., Овчинникова В.В., Рязанцева В.В. и других исследователей, состоит из нескольких последовательных стадий: образование зародышей газовых пузырьков; развитие газовых пузырьков в объеме по механизму коалесценции (объединения); пузырьковой дегазации сварочной ванны за счет всплывания пузырьков к поверхности сварочной ванны и их перехода через межфазную границу раздела; фиксации газовых пузырьков в кристаллизующемся металле сварного шва с образованием пористости.

. Протекание каждой из указанных стадий процесса порообразования зависит от следующих факторов: химического состава и вида полуфабриката; содержания растворенных газов в объеме сварочной ванны; наличия тугоплавких включений в жидком металле сварочной ванны; длительности существования сварочной ванны; скорости всплывания газовых пузырьков; вязкости и поверхностного натяжения жидкого металла сварочной ванны; наличия внешнего воздействия на расплав сварочной ванны.

Для выявления причин порообразования при сварке литейных алюминиевых сплавов в соответствии с положениями работ Алова А.А., Рабкина Д.М. и Рязанцева В.И., целесообразно разделить пористость на два типа: металлургическую и технологическую. Образование пористости первого типа определяется процессами подготовки поверхности, сборки и сварки деталей. Второй тип пористости определяется металлургической наследственностью сплава (отливки).

Эксперименты по сварке литейных алюминиевых сплавов показали, что в металле швов формируется повышенная пористость. Основными факторами, способствующими возникновению зародышей газовых пузырьков в сварочной ванне, являются тугоплавкие включения оксидных пленок и литейная микрорыхлота (микропористость). В случае сварки литейного сплава, имеющего микрорыхлоты, в сварочную ванну поступают готовые зародыши газовых пузырьков, которые затем могут развиваться в сварочной ванне за счёт поступления в них газов.

Для исследования процесса газовыделения применялась установка для вакуумного нагрева образцов, принципиальная схема которой представлена на рис. 1. Газовыделение при нагреве литейных алюминиевых сплавов оценивали по кривым изменения давления выделяющихся газов от температуры нагрева образца.

Рисунок 1 - Принципиальная схема установки для исследования газовыделения при нагреве литейных алюминиевых сплавов: 1 — форвакуумный насос; 2 — электромагнитный вакуумный вентиль; 3 — диффузионный масляный насос; 4 — вакуумная ловушка; 5 —манометр; б — вакуумный вентиль; 7 — масс-спектрометр МХ-7304; 8 — кварцевая трубка; 9 -— печь сопротивления; 10 — образец.

Эксперименты показали (рис. 2), что на начальной стадии нагрева все кривые газовыделения имеют практически одинаковый вид. При температуре выше 150...260 °С давление выделяющихся газов, оцениваемое по величине ионного тока, плавно возрастает. Максимальное давление выделяющихся газов приходится на температурный интервал 400...500 °С, а затем отмечается спад. Для одних образцов на общем фоне снижения давления наблюдаются отдельные взрывообразные пики в диапазоне температур 510...600 °С. Наибольшая амплитуда этих пиков в 2,5...7 раз больше максимального давления газов в диапазоне температур нагрева 400...500 °С. Характеристики образцов перед нагревом приведены в табл.1.

Во всех случаях структура масс-спектра выделяющихся газов практически одинакова - это водород и углеводороды типа С„НП; СпН2п; СпН2п+2; ; С„Н2п-2- В то же время при использовании для выплавки сплава шихтового алюминия более выражено выделение СО, а у шихтового магния - водорода и в меньшей степени углеводородов и СО.

мА

Рисунок 2 - Кривые газовыделения при нагреве в вакууме образцов литейных алюминиевых сплавов: 1 - сплав АЛ9, образец № 3; 2 - сплав АЛ9, образец № 1; 3 - сплав В АЛ 16,

образец № 1.

Таблица 1 - Характеристика несплошности образцов литейных алюминиевых

сплавов

Сплав Номер Пористость, % от балла

образца 1 2 3 4 5

1 92 6 2 - —

ВАЛ 16 2 50 10 10 10 10

3 70 10 15 2 3

1 95 3 2 - —

АЛ9 2 - - - 3 95

3 - - 5 6 89

Для сплава АЛ9 установлено более интенсивное выделение водорода при нагреве, при наличии соединений с массами 33 и 34 (весьма вероятно НгБ). Термообработка сплава АЛ9 позволяет до определенной степени снизить интенсивность выделения газов. При сохранении постоянства состава выделяющихся газов при нагреве в вакууме образцов сплавов АЛ9 и В АЛ 16, количественный их состав весьма различен. При нагреве в интервале 400...480 °С суммарное газовыделение из сплава АЛ9 в 2,8...3,4 раза выше, чем из сплава ВАЛ 16.

Учитывая важную роль углеводородов среди выделяющихся газов, было определено содержание углерода в исследуемых сплавах с учетом технологии их выплавки. Полученные данные свидетельствуют, что все сплавы газопламенной выплавки содержат довольно высокое количество углерода. При вакуумном способе выплавки содержание углерода в 1,5...3 раза ниже.

Таким образом, полученные результаты позволяют предположить, что при сварке плавлением литейных алюминиевых сплавов наличие несплошностей в основном металле способствует поступлению в сварочную ванну готовых газовых пузырьков, образование и развитие которых происходит за счёт углеводородов и СО. В этом случае в металле шва фиксируется крупная распределенная пористость. Для осуществления данного механизма необходимо, чтобы зарождение газовых пузырьков и интенсивное выделение газов происходило при температуре ниже температуры плавления сплава. Применение вакуумной выплавки сплава способствует практически полному подавлению крупной пористости.

Образование мелкой пористости происходит на завершающем этапе кристаллизации металла шва. В этом случае газовые пузырьки формируются в условиях снижения температуры расплава за счёт резкого падения растворимости водорода. Образованию мелкой пористости способствуют включения частиц тугоплавких оксидных плёнок, выступающих в роли подложки для гетерогенного выделения водорода из расплава.

Так как при сварке литейных алюминиевых сплавов формирование пористости определяется наличием несплошностей в основном металле, суммарным содержанием газов в нем и технологией сварки, в работе предложена методика оценки суммарного содержания газов в основном металле на пористость металла шва. В основу методики положена сварка образцов с максимальной и минимальной пористостью. В качестве оцениваемых параметров служат: исходная пористость основного металла и

суммарное содержание газов в нем; исходная пористость и суммарное содержание газов в металле шва.

Результаты экспериментов показали, что увеличение суммарного объёма несплошностей в основном металле влечёт за собой рост объёма несплошностей в металле шва и суммарного содержания газов в нём. Минимальный объём несплошностей в металле шва при наплавке валиков на пластины из сплавов AJI9 толщиной 5 мм наблюдается при скорости сварки 8..ЛОм/ч.

На основании результатов исследований порообразования при сварке литейных алюминиевых сплавов в качестве эффективных мер снижения пористости можно рекомендовать:

• селективный отбор отливок по способу литья и газосодержанию основного металла;

• предварительное оплавление кромок разделки на ремонтируемом участке;

• применение сопутствующего подогрева отливок при заварке дефектного участка до 100... 150 °С;

• применение при сварке пульсирующего питания дуги с оценкой жесткости режима по соотношению тока в импульсе к току дежурной дуги в период паузы.

В четвёртой главе представлены результаты исследования условий возникновения трещин при ручной аргоно-дуговой сварке литейных алюминиевых сплавов в процессе ремонта отливок. Трещины, как правило, располагаются по зоне сплавления. Повторное образование трещин при ремонте отливок более интенсивно проявляется при повышенной жесткости отливки в зоне ремонта.

Для исследования уровня остаточных напряжений, возникающих при ремонте отливок вваркой вставки, использовали специальный образец, состоящий из матрицы и вставки (рис. 3 .а). Кроме вставки в виде диска из листового материала, использовались специальные вставки в виде втулок,

которые препятствовали деформации ввариваемой вставки. Для оценки показателей свариваемости сплава АЛ9 использовали образцы с круговой разделкой диаметром 70 мм (рис. 3.6) и разделкой в виде прямолинейной канавки (рис.3.в) по оси образца.

С1

1 1

1 1 о

1 еэТ о

1 1 о ги

1 1

Рисунок 3 - Образец для имитации условий ремонта корпусных отливок (а), образец с кольцевой канавкой (б) и прямолинейной канавкой (в): 1 - матрица; 2 - ввариваемая вставка; 3 - сварной шов.

Для измерения уровня остаточных напряжений в сварных соединениях при вварке вставки в матрицу использовался лазерный спекл-интерферометрический комплекс ДОН, разработанный А.А. Антоновым. Функционирование данного комплекса основано на измерении перемещений поверхности образца до и после создания возмущения путем выполнения отверстия диаметром 1,5...2 мм и глубиной 2...3 мм. С помощью лазера и видеокамеры комплекса ДОН перемещения поверхности образца пересчитываются в остаточные напряжения.

Результаты испытаний на свариваемость образцов сплава АЛ9 при использовании проб с кольцевой и прямолинейной разделками показали, что трещины возникают по линии сплавления или на некотором расстоянии от нее в основном металле. Коэффициент трещинообразования в образце с кольцевой разделкой составляет 0,52...0,65, а с прямолинейной - 0,47...0,58. Введение предварительного подогрева ремонтируемой отливки способствует снижению коэффициента трещинообразования примерно на 25...30%.

В работе с применением программы АИБУБ осуществлена имитация условий ремонтной аргонодуговой сварки вставки в отливку. При моделировании условий ремонтной сварки температурные изменения, преобразованные в тепловое расширение материалов в структурном анализе, являются внешней нагрузкой в модели. Увеличение температуры может моделироваться двумя путями - заданием температуры или подводом тепла. В данной работе нагрузка создавалась подводом тепла.

При расчете напряжений учитывали, что ремонтируемая отливка является жестко закрепленной. На рис. 4 приведены данные по геометрии модели, представленные в виде половины сечения (ввиду симметричности по х - направлению), вид конечной модели, а также данные по распределению температуры в некоторые моменты времени.

Расчеты показали, что уровень остаточных растягивающих напряжений в кольцевом сварном соединении близок к пределу текучести свариваемого материала. Область растягивающих напряжений полностью охватывает всю поверхность вставки и увеличивается к моменту заварки полукольца. Области отливки, прилегающие с внешней стороны к сварному кольцевому соединению, характеризуются значительной неоднородностью сжимающих напряжений, которые определяются геометрией отливки и последовательностью тепловложения по мере выполнения шва.

а б в

Рисунок 4 - Вид отливки со сварным швом и представление ее в виде конечных элементов (КЭ) (а), распределение температуры в момент окончания сварки (через 150 с) (б) и через 1000 с (в) (после охлаждения).

В области цветового поля, задаваемого интерфейсом программы в постпроцессоре, там, где есть деформации и напряжения разного знака,

растягивающие напряжения задаются оттенками красного и желтого цвета, а сжимающие - оттенками синего, голубого и зеленого цвета. Из результатов анализа следует, что более 60% остаточной пластической деформации образуется в области сварного соединения в высокотемпературной зоне. Кольцевая вставка в течение всего времени сварки находится под действием сжимающих напряжений, но при охлаждении уровень остаточных напряжений в ней стремительно нарастает и может не только достигать предела текучести, но и превосходить его.

Результаты измерения остаточных напряжений при вварке в специальный образец (диаметр вставки 40 мм) показали, что в точке 4 (рис. 5,а) они составляют 37...40 МПа. В сварном шве (точка 2) остаточные напряжения возрастают до величины 100... 106 МПа. В зоне сплавления со стороны матрицы образца (точка 3) остаточные напряжения имеют величину 114...120 МПа, что приближается к уровню 0,8...0,9 от предела текучести сплава АЛ9. В основном металле (точка 9), соответствующей матрице образца напряжения составляют 92.. .97 МПа.

Рисунок 5 - Схема расположения точек замеров (а) и изменение уровня остаточных напряжений (б) при увеличении диаметра ввариваемой вставки: 2,3,4,9 - точки замера напряжений.

С увеличением диаметра ввариваемой вставки с 40 до 240 мм (через каждые 40 мм) наблюдается постоянство уровня остаточных напряжений в зоне сплавления со стороны вставки и в металле шва (рис. 5,6). В то же время при вварке вставки диаметром 200 мм установлен максимум остаточных

17

напряжений 148...150 МПа на линии сплавления со стороны матрицы образца (точка 3). При диаметре вставки 240 мм уровень остаточных напряжений в точке 3 заметно снижается вследствие образования сетки трещин в сварном соединении по зоне сплавления со стороны матрицы образца.

На основании полученных результатов целесообразным представляется вариант изготовления ввариваемой вставки из деформируемого алюминиевого сплава с высокой пластичностью по сравнению с пластичностью металла ремонтируемой отливки. В этом случае материал вставки должен обладать хорошей свариваемостью с металлом отливки. При ремонте отливок из сплава АЛ9 наиболее рационально ввариваемые вставки изготавливать из алюминиевого сплава В1341, а для сплава ВАЛ16 - из сплава АМг2. В рамках работы исследованы свойства и структура сварных соединений упомянутых сплавов.

Пятая глава посвящена оценке эффективности применения для ремонта массивных отливок плоской формы сварки трением с перемешиванием (СТП). В процессе исследований предусматривалось, что в зависимости от уровня залегания дефекта в отливке процесс может осуществляться с полным или частичным проплавлением материала отливки.

Установлена определенная связь между скоростью перемещения и частотой вращения инструмента, обеспечивающая получение бездефектных соединений. Выход за область оптимального соотношения этих параметров (рис. в,а) приводит к образованию в соединении несплавлений и полостей (рис. 6,6).

На формирование шва при сквозном проплавлении решающее влияние оказывает глубина формирующей канавки с обратной стороны шва. При глубине более 0,15 мм установлено образование специфического тоннельного дефекта в виде сплошной продольной (вдоль шва) полости (рис. 6,в).

Скорость сварки, мм/мин

б в

Рисунок 6 - Область оптимального соотношения скорости сварки и скорости вращения инструмента (а), несплавление в шве (б) и тоннельный дефект (в) при СТП сплава АЛ9 (хб).

При сварке с частичным проплавлением эффективной мерой повышения качества сварных швов при ремонте отливок является наклон инструмента углом вперед в плоскости формирования шва на угол 2.. .4°

Для повышения стойкости инструмента и устранения образования несплавлений в шве со стороны, где направление линейной скорости вращения инструмента совпадает с направлением скорости сварки, в данной работе предложен способ, при котором через инструмент пропускаются импульсы тока. Установлено, что кратковременные импульсы тока 750...800А длительностью 0,15...0,28 с позволяют устранить несплавления в шве и существенно снизить нагрузку на инструмент.

Металлографические исследования сварных соединений показали, что при СТП литейных алюминиевых сплавов размер зерен и фаз в шве значительно, меньше, чем в металле исходной отливки (рис. 7, а, б).

Рисунок 7 - Микроструктура шва (а) и основного металла (б) сплава АЛ9 при СТП (х150)

Сравнение условий формирования соединения при сварке трением с перемешиванием и схемы процесса прессования через коленообразный канал во многом идентичны и реализуют механизм измельчения структуры под действием напряжений сдвига при прохождении металла через колено канала (рис. 8, а, б).

Рисунок 8 - Схема перемещения металла при СТП (а) и схема процесса прессования через коленообразный канал (б): 1 - вращающийся инструмент; 2 - прослойка металла в пластичном состоянии; 3 - основной метал отливки; Ф - внутренний угол «колена»; ¥ -наружный угол «колена»; §0- толщина заготовки; 111ПЬ И«« - внутренний и наружный радиусы канала; В - ширина канала

При СТП отливок наблюдается занижение сечения шва по сравнению с сечением отливки со стороны воздействия заплечика инструмента на 0,6... 1,0 мм. Для устранения занижения шва служит технологический припуск на толщину детали или введение дополнительного присадочного металла в виде ленты, которую располагают между ремонтируемой отливкой и инструментом.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации, представляющей собой законченную научную квалификационную работу, дано решение актуальной задачи - повышения качества ремонта отливок из алюминиевых сплавов с применением сварки. Полученные результаты могут быть использованы для разработки технологии ремонта отливок сложной формы и переменной жесткости из различных литейных алюминиевых сплавов. Основные научные результаты, полученные автором, и основные выводы по работе заключаются в следующем:

1. Экспериментально показано, что при аргонодуговой сварке литейных алюминиевых сплавов повышенная пористость металла шва определяется наличием в основном металле отливки микропор и литейной рыхлоты, служащих зародышами газовых пузырьков при сварке, а также частиц оксидных пленок, являющихся подложкой для формирования зародышей газовых пузырьков по гетерогенному механизму.

2. Установлено интенсивное газовыделение при нагреве в вакууме литейных алюминиевых сплавов АЛ9 и ВАЛ 16 с наличием для сплава АЛ9 пиков взрывообразного выделения газов при температуре нагрева 5Ю...590°С. Исследование спектра выделяющихся газов показало, что помимо водорода выделяется СО, С02 и углеводороды типа СпН2п и СпН2п+2. Суммарное содержание углеводородов превосходит содержание водорода.

3. Показано, что для ремонта с применением сварки, могут быть использованы отливки сплавов АЛ9 и В АЛ 16 вакуумно-индукционной выплавки с разливкой в миксер с инертным газом. Контроль отливок следует проводить по суммарному объёму несплошностей после тепловой пробы и рентгенограммам наплавок по основному металлу.

4. Снижение пористости швов при ремонте отливок достигается помимо селективного отбора отливок по способу литья и газосодержанию основного металла достигается путём предварительного оплавления кромок

разделки дефекта с последующей механической зачисткой оплавленных кромок, и интенсификацией пузырьковой дегазации сварочной ванны.

5. Интенсификация пузырьковой дегазации ванны при ремонте отливок аргоно-дуговой сваркой достигается применением сопутствующего подогрева до 100...150 °С и пульсирующим питанием дуги. Жесткость режима при сварке отливок пульсирующей дугой оценивается, помимо отношения длительности импульса к длительности паузы по отношению тока в импульсе к величине тока дуги в паузе. С увеличением толщины ремонтируемой отливки необходимо задавать меньшую жесткость по току и длительности пауз.

6. В результате исследования напряжений в сварных соединениях специальных образцов, состоящих из вставки и матрицы, имитирующих условия ремонта жестких корпусных отливок показано, что склонность к возникновению трещин в соединениях возрастает по мере увеличения жесткости самой вставки и приближения шва к зоне повышенной жесткости матрицы составного образца. Для повышения стойкости к трещинообразованию целесообразно изготовление вставки из деформируемого алюминиевого сплава с высокими показателями пластичности.

7. Показана эффективность использования для ремонта массивных отливок плоской формы сварки трением с перемешиванием (СТП) с полным и частичным проплавлением отливки. Разработан способ сварки СТП с подачей кратковременных импульсов тока амплитудой 750...800 А и длительностью 0,15...0,28 с на вращающийся инструмент, позволяющий существенно повысить стойкость инструмента за счёт снижения тангенциальных усилий, воздействующих на него в процессе сварки.

8. Обоснован механизм измельчения структуры металла шва по сравнению со структурой металла отливки при СТП, основанный на воздействии напряжений сдвига при прохождении пластифицированного

металла в канале, образованном инструментом и твердой кромкой металла отливки.

9. Обоснованность и достоверность результатов научных исследований, полученных в работе, подтверждается внедрением технологии ремонта литых корпусов автоматических коробок переключения передач автомобилей фирмы «Audi», как при их производстве на заводах концерна, так и после эксплуатации в сети автосервисных предприятий. Технологический процесс ремонта отливок плоской формы успешно опробован в производственных условиях ряда машиностроительных предприятий.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Овчинников В.В., Манаков И.Н., Гуреева М.А. Источники и механизм порообразования при сварке литейных алюминиевых сплавов. // «Машиностроение и инженерное образование». 2009. № 1. С. 17-24.

2. Овчинников В.В., Манаков И.Н., Рязанцев В.И., Гуреева М.А. Технологические особенности ремонта отливок из алюминиевых сплавов с применением ручной аргонодуговой сварки. // «Технология металлов». 2009. № 3. С. 12-18.

3. Манаков И.Н., Овчинников В.В., Грушко O.E., Гуреева М.А. Исправление дефектов в литых заготовках из алюминиевых сплавов. // Сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции «Развитие инновационного потенциала отечественных предприятий и формирование направлений его стратегического развития». Пенза, 11-12 ноября 2005. С. 113-116.

4. Манаков И.Н., Овчинников В.В., Рязанцев В.И. Исправление дефектов в литых заготовках. // Сборник материалов Российской научно-технической конференции «Новые материалы, прогрессивные технологические процессы и управление качеством в заготовительном производстве». Рыбинск, 20-21 сентября 2007. Том 2. С. 167-172.

5. Манаков И.Н. Технология ремонта литых заготовок из алюминиевых сплавов. И В сборнике трудов Международной конференции «Молодые учёные - промышленности, науке, технологиям и профессиональному образованию: проблемы и новые решения». Москва, МГИУ, 19-23 ноября 2007. С. 214-217.

6. Манаков И.Н., Овчинников В.В., Грушко O.E., Гуреева М.А. Исправление дефектов в литых заготовках из алюминиевых сплавов. // Сборник материалов III Международной научно-практической конференции «Повышение технического потенциала предприятий производственной и инвестиционно-строительной сфере: отечественный и зарубежный опыт». Пенза, 23-25 сентября 2005. С. 121-124.

7. Манаков И.Н., Овчинников В.В., Гуреева М.А. Механические свойства стыковых соединений алюминиевых сплавов, выполненных сваркой трением. // Сборник статей V Международной научно-практической конференции «Стабилизация экономического развития Российской Федерации». Пенза, 16-18 октября 2006. С. 209-211.

8. Манаков И.Н., Овчинников В.В. Исправление дефектов в литых заготовках из алюминиевых сплавов. // Сборник научных докладов VI Международной научно-практической конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий». Москва, 20-24 ноября 2006. С. 251-255.

9. Патент на изобретение №2350443. Способ сварки трением алюминиевых сплавов. // Алексеев В.В., Овчинников В.В., Рязанцев В.И., Манаков И.Н., Гуреева М.А. Заявка №2006124672 с приоритетом от 10.07.2006г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27.03.2009.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 02.11.2009 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,5 Печать авторефератов: 730-47-74,778-45-60