автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Влияние конструктивно-технологических параметров на тепловые процессы и формирование соединения при точечной сварке трением

00505401^

На правах рукописи

Охапкин Кирилл Алексеевич

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ

Специальность 05.02.10 - Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 НОЯ 2012

Москва-2012

005054373

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ Башенко Всеволод Владимирович.

Официальные оппоненты:

Зубков Николай Семенович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология металлов и материаловедение».

Конкевич Валентин Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского», профессор.

Ведущая организация: ЗАО Научно-производственная фирма «Инженерный и технологический сервис», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится «2Ъ> ноября 2012 г. в ff часов ¿?^мин. в аудАЗЛла. заседании диссертационного совета Д212.200.10 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. Автореферат разослан «11» октября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.200.10 доктор технических наук, профессор

Л.А. Ефименко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития Российской Федерации является «Энергоемкость и энергоэффективность».

Сборочно-сварочные операции являются неотъемлемыми звеньями практически любого технологического процесса изготовления продуктов различных отраслей промышленности. Переход от шовной сварки к точечной во многих случаях обеспечивает сохранение требуемого уровня служебных характеристик сварного соединения наряду с сокращением времени выполнения сварки, снижением энергетических затрат и упрощением автоматизации процесса. В связи с этим важным, с точки зрения повышения энергоэффективности процессов сварки, является дальнейшее повышение служебных характеристик сварных соединений, выполняемых точечной сваркой, расширение сферы их промышленного внедрения на основе детальных исследований условий формирования и основных процессов протекающих в зоне сварки различных материалов.

Известен ряд распространенных способов точечной сварки металлов: холодная точечная сварка, контактная точечная сварка и др. Недостатками холодной точечной сварки являются относительно низкая прочность сварных соединений и огромное усилие вдавливания инструмента. При контактной точечной сварке удается получать соединения с высокими значениями прочностных характеристик, однако, для реализации технологического процесса требуются значительные энергетические затраты, часто выходят из строя комплектующие сварочных установок вследствие больших величин проходящего через них сварочного тока.

Сохранение прочностных характеристик сварных соединений на уровне контактной точечной сварки и значительное снижение энергетических затрат, напряжений и деформаций, структурной неоднородности может быть достигнуто за счет применения источника фрикционного нагрева. На основе источника фрикционного нагрева реализован способ точечной сварки трением с перемешиванием. Однако, известны успешные попытки соединения деталей лишь малых толщин (до 2 мм) данным способом, при этом уровень механических свойств был немногим выше свойств соединений, выполненных холодной точечной сваркой.

Соединение деталей больших толщин и повышение уровня механических свойств при точечной сварке с применением источника фрикционного нагрева становится возможным на основе исследований условий и механизма формирования соединения.

Процесс формирования соединения при точечной сварке трением происходит в условиях фрикционного нагрева. Источник фрикционного нагрева находится на поверхности фактического контакта инструмента и заготовки. Большой вклад в исследование процессов нагрева при трении внесли ученые И.В. Крагельский, В.И. Вилль, В.П. Воинов, H.H. Рыкалин, Н.М. Михин, В.А. Балакин, B.C. Щедров, В.А. Кудинов, A.A. Ильюшин, A.B. Чичинадзе, М. В. Коровчинский, R. Nandan, А.Р. Reynolds, С.А. Серегин и др. Однако, в трудах исследователей процессов фрикционного нагрева мощность источника тепловыделения является входным параметром модели либо определяется на основе решения сопряженной термомеханической задачи, которая обладает повышенной сложностью и требует большого числа экспериментально определяемых входных параметров.

Основным источником данных, позволяющим прогнозировать прочность сварных соединений в зависимости от параметров режима сварки, является исследование механизма образования соединения при точечной сварке трением. Этот способ относится к сварке в твердой фазе. Исследованию механизма образования соединения в твердой фазе посвящены труды многих ученых: К.А. Кочергина, М.Х Шоршорова, P.A. Мусина, Г.В. Конюшкова, Э.С. Каракозова, Ю.Л. Красулина, В.П. Алехина, Ю.В. Холопова, И.М. Строймана, А.П. Семенова, A.C. Гельмана и др. Полученные исследователями данные позволяют рассматривать процесс точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом не известны условия протекания каждой из стадий. Поэтому необходимо исследовать все стадии образования соединения, выявить лимитирующую и определить способы управления процессом на лимитирующей стадии.

Таким образом, актуальность работы заключается в современной необходимости разработки научно обоснованной технологии точечной сварки трением на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения, которая позволит значительно снизить энергетические затраты,

облегчит реализацию процесса и позволит получить сварные соединения с высоким уровнем служебных характеристик.

Целью работы является разработка рекомендаций по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение сварного соединения с высоким уровнем свойств, на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать и провести экспериментальную верификацию физико-математической модели распространения теплоты при точечной сварке трением;

2) выявить основные конструктивно-технологические параметры режима сварки, которые оказывают влияние на структуру и свойства сварного соединения;

3) исследовать кинетику и условия протекания всех стадий образования соединения в твердой фазе в зависимости от конструктивно-технологических параметров режима сварки;

4) количественно оценить влияние температурно-временных условий нагрева и охлаждения на структуру металла на примере алюминиевого сплава АДЗ1;

5) исследовать структуру и свойства сварного соединения, полученного по разработанной технологии.

Научная новизна диссертационной работы:

1) На основе исследований условий взаимодействия инструмента и заготовок в процессе точечной сварки трением установлено, что имеет место переход от внешнего трения к внутреннему (адгезионная прочность связи материалов инструмента и заготовки превышает когезионную прочность материала заготовки). Разработан критерий перехода, который позволяет определять условия фрикционного взаимодействия в каждой точке контакта инструмента и заготовок: превышение или равенство удельной силы трения значению предела текучести на сдвиг материала заготовки: щ> > Тт(7).

2) При помощи методов математического моделирования в совокупности с экспериментальными данными разработана физико-математическая модель для описания тепловых процессов при точечной сварке трением, при этом мощность источника фрикционного нагрева является выходным параметром модели и

определяется в процессе решения задачи теплопроводности по формуле <? = [(1 - 5)ц^мг] + (5(ат(7)/л/з )шг).

3) Получены экспериментальные данные, которые позволили установить влияние основных параметров режима сварки на размер периферийной зоны (где образуется соединение) сварной точки. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: И = -0,81 + 0,5 с].

4) На основе исследования механизма образования соединения с позиции трехстадийности показано, физический контакт заготовок образуется на этапе погружения инструмента в заготовки (при условии надлежащей подготовки поверхности), схватывание контактных поверхностей протекает за время порядка 10"5 с. Лимитирующей стадией образования соединения является объемное взаимодействие.

5) На базе экспериментальных исследований стадии объемного взаимодействия заготовок с использованием математического планирования эксперимента и статистической обработки полученных данных определены степень и характер влияния основных параметров режима сварки на механические свойства соединения.

Практическая значимость результатов работы:

Разработанная и реализованная программно модель распространения теплоты от источника фрикционного нагрева позволяет прогнозировать структуру и свойства сварных соединений, выполняемых различными способами сварки трением.

В результате выполненных работ определен технологический режим точечной сварки трением алюминиевого сплава АДЗ1, при котором обеспечиваются высокие значения механических свойств сварного соединения, близкие к контактной точечной сварке.

Проведенные исследования механизма образования соединения и тепловых процессов при точечной сварке трением на примере сплава АДЗ 1 позволяют создать единую методику разработки технологии сварки для группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой. Результаты исследований, проведенных в настоящей работе могут быть использованы при

освоении технология точечной сварки трением в электротехнической и автомобильной промышленности.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений теории теплопроводности, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и обсуждены па международных конференциях:

- Международная научно-практическая конференция ХХХХ Неделя науки СПбГПУ, Санкт - Петербург, 2011;

- 9-я Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт - Петербург, 2011;

14-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт-Петербург, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из них 2 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных выводов, библиографического списка. Работа содержит 162 страницы основного текста, включая 66 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и обоснована цель проведенных исследований, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение диссертационной работы.

В первой главе работы представлен аналитический обзор литературы, в котором показаны основные преимущества точечной сварки трением (ТСТ) по

сравнению с известными способами точечной сварки (контактная, холодная и др.), а также описаны известные способы моделирования тепловых процессов от источника фрикционного нагрева и выявлены их основные недостатки, проведено критическое рассмотрение представлений о механизме образования соединения в твердой фазе.

Схема процесса ТСТ представлена на рис. 1. На первой стадии инструмент, вращаясь, погружается в металл верхней заготовки (рис.1 а). На второй стадии происходит приложение нагрузки опорного бурта к верхней заготовке (рис.1 б). Основными преимуществами данного способа сварки являются: низкие энергетические затраты, снижение вероятности образования дефектов, возможность соединения деталей с большей разнотолщинностью, по сравнению с контактной точечной сваркой, значительное повышение прочностных характеристик и упрощение реализации технологического процесса (снижение усилия вдавливания инструмента в 3 - 10 раз), по сравнению с холодной точечной сваркой.

Областью применения точечной сварки трением могут являтся нахлесточные соединения пластичных металлов (алюминий, медь и др.) и сплавов толщиной 2-10 мм в однородном и разнородном исполнениях.

и

-—ЦТ

а) б)

Рис. 1. Схема процесса точечной сварки трением. Р— сварочное усилие.

Анализ литературных данных по моделированию тепловых процессов при фрикционном нагреве показал, что в случаях, когда применительно к традиционной сварке трением и сварке трением с перемешиванием моделируется только распространение теплоты (без моделирования деформационных процессов), аналитический способ задания мощности тепловыделения не соответствует физическим особенностям процесса сварки, поэтому для уточнения требуются

дополнительные экспериментальные исследования в каждом практическом случае выполнения технологического процесса.

Рассчитывать температурно-временные условия нагрева и охлаждения в зависимости от конструктивно-технологических параметров режима сварки при помощи совместного моделирования тепловой и механической задачи нецелесообразно, так как сложность модели не дает большого выигрыша в точности вычислений, по сравнению с тепловой моделью, в силу отсутствия экспериментальных данных но горячим механическим свойствам металлов в условиях сварки.

На основании анализа литературных данных можно заключить, что механизм образования соединения при точечной сварке трением можно рассматривать с позиции трехстадийности (образование физического контакта, активация и схватывание контактных поверхностей и объемное взаимодействие). При этом необходимо исследовать каждую из стадий образования соединения при точечной сварке трением, так как неизвестно какая стадия является лимитирующей. Именно полное протекание лимитирующей стадии процесса будет являться определяющим фактором в формировании свойств сварного соединения.

Во второй главе описаны материалы, методики и оборудование, использованные при проведении исследований. Основной объем исследований был выполнен на закаленном и искусственно состаренном деформируемом алюминиевом сплаве АДЗ1. Химический состав сплава представлен в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав сплава АД31

Массовая доля элементов, %

Ре 81 Мп Сг А1 Си М8 7п Прочие элементы

<0,5 0,20,6 <0,1 <0,10 <0,15 Основа <0,1 0,450,9 <0,2 <0,15

Проведение экспериментальных исследований осуществляли на лабораторной установке на базе универсально-фрезерного станка модели 676, оснащенного

9

средствами измерения температуры и усилия с использованием специального сварочного инструмента из стали марки 12Х18Н10Т. Для вращения шпинделя станок оснащен асинхронным электродвигателем трехфазного тока мощностью 3 кВт, напряжение питания - 380/220 В. Температуру заготовок измеряли хромель-алюмелевой термопарой. Для измерения сварочного усилия использовали динамометр ДС-3.

Исследование микроструктуры сплавов выполняли на металлографическом микроскопе Ке1сЬег1-1ип§ МеРЗА. Измерение микротвердости производили в соответствии с процедурой АБТМ Е384-89 на приборе Яе1сЬеЛ-1ип§ Мюго-ОигопШ 4000Е.

Механические испытания на срез статическим растяжением проводили на машине 7\Уюк/Кое11-2050 (Германия) с максимальным усилием 5 тс.

Третья глава диссертации посвящена разработке и верификации физико-математической модели образования и распространения теплоты при ТСТ, анализу тепловых процессов.

Выражение для нахождения удельной мощности тепловыделения от кругового источника фрикционного нагрева имеет вид:

д = а>г тк, (1)

где со — угловая скорость вращения инструмента; г — расстояние от оси вращения инструмента до рассматриваемой элементарной площадки; тк - контактное напряжение на границе между инструментом и заготовкой.

В данной формуле значение тк является неизвестной величиной. Для проведения вычислений по формуле (1) необходимо ее преобразовать, то есть найти выражение для расчета контактного напряжения тк на поверхности фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки. Такое преобразование возможно лишь при известных условиях взаимодействия инструмента и заготовки во времени.

Вид адгезионного взаимодействия в зависимости от внешних условий и времени изменяется. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования условий взаимодействия пары трения «инструмент - заготовка», показали, что в процессе сварки происходит переход от внешнего трения к внутреннему. В начале процесса имеет место внешнее трение (прочность

когезионной связи материала заготовки выше прочности адгезионной связи материалов инструмента и заготовки). По мере нагрева материал заготовки разупрочняется, происходит его пластическая деформация и проникновение в микронеровности поверхности инструмента. При этом в определенный момент времени в данной точке прочность адгезионной связи инструмента и заготовки может превысить прочность когезионной связи материала заготовки и тогда произойдет переход от внешнего трения к внутреннему. Принимается, что в случае внешнего трения тк = \\.р (ц — коэффициент трепня, р - удельное осевое усилие), в случае внутреннего - тк = хт(7) (тт - предел текучести при сдвиге, Т— температура).

Сформулирован критерий перехода от внешнего трения к внутреннему: превышение или равенство удельной силы трения значению предела текучести на сдвиг материала заготовки: \vp > тт(7). На основе данного критерия было получено аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения:

<7 = [(1 - 5)ppcor] + (S(aT(7)/ S )сог), (2)

где 5 - постоянная, которая показывает какой вид фрикционного взаимодействия инструмента и заготовок реализуется в данный момент времени: 8 = 0- внешнее трение; 8=1- внутреннее трение; ат - предел текучести на растяжение материала заготовки.

Мощность тепловыделения зависит от температуры в рассматриваемой точке источника. Поэтому задача расчета мощности неотделима от решения уравнения теплопроводности. Температура в каждой точке в каждый момент времени вычисляется при решении трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности. На основе полученных значений температур на каждом шаге по времени рассчитываются значения мощности тепловыделения в области действия источника.

Решение краевой задачи теплопроводности проводили методом конечных элементов. Геометрическая модель заготовки с нанесенной сеткой конечных элементов представлена на рис. 2.

Размеры пластины - 6x25x250 мм. Начальное условие: температура во всех точках заготовки - 20 °С.

Граничные условия: па всех границах отсутствует теплообмен с окружающей средой, кроме площади источника тепловыделения, па которой задается тепловой поток в соответствии с формулой (2).

Рис. 2. Геометрическая модель заготовки и сетка конечных элементов.

О. Вт

Параметры расчета: диаметр инструмента - 6 мм; скорость вращения - 900 об/мин; осевое усилие - 3000 Н; коэффициент трения — 0,65.

ВтДш -

2,0311*?

0.0

IX шшмегр: мнсфумешя /.

//

1V- о 1 е </ ;

5 ' ••• ч\ /У/

/ ' 4 ' / '

«

-ахС; ':.Ж. -0.001 ЕМКО 3.801 0.СШ

у, м

Рис. 3. Распределение удельной мощности тепловыделения по диаметру источника нагрева в различные моменты времени: 1 с; 2 с; 5 с.

Рис. 4. Зависимость мощности тепловыделения от времени при диаметре инструмента 6 мм и скорости вращения 900 об/мин

На рис. 3 представлено расчетное распределение удельной мощности по диаметру источника нагрева. В первую секунду процесса имеет место внешнее трение (линейная зависимость удельной мощности). Далее, уже на второй секунде, наблюдается переход в некоторых точках от внешнего трения к внутреннему, который отражается на графике в виде нелинейности отдельных участков. С течением времени переход к внутреннему трению наблюдается практически во всех точках поверхности взаимодействия инструмента и заготовок.

На рис. 4 приведена зависимость мощности тепловыделения от времени работы источника. В начальный момент времени, мощность постоянна - имеет место внешнее трение. Затем, по достижении перехода к внутреннему трению, мощность с ростом температуры начинает убывать, по мере падения прочности материала заготовки. На протяжении времеии работы источника нагрева скорость падения мощности уменьшается и постепенно мощность практически стабилизируется на определенном уровне.

В процессе расчета мощности тепловыделения производится решение тепловой задачи, поэтому предложенная модель позволяет вычислять распределение температур в каждой точке заготовки в любой момент времени, максимальные температуры процесса, зависимость мощности и максимальных температур от основных параметров режима сварки.

Основными конструктивно - технологическими параметрами процесса ТСТ являются скорость вращения и диаметр инструмента. На рис. 5-6 приведены зависимости мощности от диаметра и скорости вращения инструмента. Общей тенденцией (рис. 5-6) является уменьшение прироста мощности с течением времени, что соответствует постепенному разупрочнению материала. Можно ожидать, что начиная с определенного момента времени прирост мощности снизится практически до нуля. Далее, следует отметить, что изменение диаметра инструмента является более эффективным способом управления мощностью, чем изменение скорости вращения.

мм я. ий/мин

Рис. 5. Зависимость мощности от диаметра Рис. 6. Зависимость мощности от скорости инструмента. вращения инструмента.

Четвертая глава посвящена исследованию механизма образования соединения при ТСТ. Процесс протекает в три стадии: образование физического контакта, активация и схватывание контактных поверхностей и объемное взаимодействие.

Экспериментальные исследования стадии образования физического контакта в диапазоне параметров режима, охватывающем все значения, обеспечивающие стабильное формирование соединения при толщине заготовки 3 мм (диаметр инструмента: 4-8 мм; скорость вращения: 800 - 1600 об/мин), показали, что надежный физический контакт по кольцевой зоне, охватывающей инструмент (далее - периферийная зона), образуется при всех исследованных параметрах. Таким образом, образование физического контакта не является лимитирующей стадией и происходит в процессе погружения инструмента в заготовку. Однако важнейшим условием образования надежного физического контакта является надлежащая подготовка поверхности материала. Проведено определение прочности на срез образцов со сварными точками, выполненными после различных способов подготовки поверхности. В результате установлено, что наиболее эффективный способ - зачистка вращающейся щеткой из аустенитной хромоникелевой стали с предварительным и последующим обезжириванием ацетоном.

Прочность сварной точки определяется размером периферийной зоны (рис. 7). Проведено исследование зависимости размера периферийной зоны от параметров режима сварки (скорости вращения и диаметра инструмента) с использованием математического планирования эксперимента. При помощи регрессионного анализа экспериментальных данных получена зависимость:

/? = -0,81 +0,5 (И, (3)

где с) - диаметр инструмента.

На основании полученной зависимости произведена оценка прочности сварной точки на срез в зависимости от диаметра инструмента.

Для выбора диаметра инструмента, сформулированы критерии: относительной прочности сварной точки, равнопрочности сварного соединения и основного металла при сварке электротехнических шин из сплава АД31 и осевого усилия в начале погружения инструмента в заготовку. Указанным критериям выбора для

сварки сплава АДЗ1 толщиной 3 мм удовлетворил инструмент с диаметром рабочей части 6 мм. Через опорный бурт производится передача усилия прижатия верхней заготовки к нижней в области периферийной зоны сварной точки. Следовательно, исходя из ее размеров (при диаметре рабочей части 6 мм) согласно формуле (3) диаметр опорного бурта принимаем равным 11 мм.

п а1 0

(8) \

¡1 ! ! *

б)

Рис. 7. Схематичное изображение периферийной зоны сварной точки: а) поперечное сечение; б) вид сверху, к — размер периферийной зоны; с/-диаметр рабочей части инструмента; О - диаметр опорного бурта инструмента.

В рамках исследования второй стадии образования соединения рассматривается не природа активных центров, которая, по-видимому, еще долгое время останется «вещью в себе», а сам процесс схватывания (его кинетика), заканчивающийся образованием межатомных связей. На основании теории мономолекулярных реакций произведена оценка порядка значений времени, которое требуется для полного протекания процесса схватывания. Установлено, что это пренебрежительно малая величина порядка 10"5 с, следовательно, вторая стадия не является лимитирующей.

Для исследования стадии объемного взаимодействия заготовок были выбраны три основных фактора: температура процесса, сварочное усилие (усилие прижатия опорного бурта) и время выдержки (прижатого опорного бурта). Результаты экспериментов представлены на рис. 8-10.

I

15

Время выдержки неоднозначно влияет на прочность сварной точки (рис. 8). Так, при начальной температуре процесса 340°С увеличение времени выдержки приводит к росту прочности. При начальной температуре 410°С, напротив, происходит снижение прочностных характеристик сварной точки.

5400

«ос

~ 4Ш зеоо зшо

2400

Рис.8. Влияние времени выдержки на прочность сварной точки: 1 — F = 1 ООО Н, Т= 340°С; 2-^=3 ООО Н, Г= 340 °С; 3-^=1 ООО Н, Т= 410 °С; 4-F= 3 ООО Н, Г=410 °С

5400 4800 ™_4200 3600 3000 2400

500 1000 1500 2000 2600 3000 1% Н

Рис. 9. Влияние сварочного усилия на прочность сварной точки: 1 - / = 5 с, Т= 340°С; 2 - / = 30 с, Т= 410 °С; 3 - Г = 5 с, Т= 410 °С; 4- / = 30 с, Т= 340 °С

ТО 15 20

5400- И

4800- з-'

4200- »

3800- а 4 <-2 8 в

3000 • я

2400- а

340 ЗйО 380 400 420

"С

Рис. 10. Влияние начальной температуры на прочность сварной точки: 1 — /?= 1 ООО Н, 1 = 5 с; 2- F = 3 ООО Н, /= 5 с; 3-^ = 3 ООО Н, I = 30 с; 4-.Р = 1 ООО Н, /=30 с

Усилие, передаваемое через опорный бурт инструмента, при сварке во всех случаях оказывает однозначное влияние (рис. 9). При увеличении усилия прочность точки возрастает.

Начальная температура процесса также оказывает неоднозначное влияние на прочность сварной точки (рис. 10). Тенденция, наблюдаемая при исследовании влияния времени выдержки, однако, сохраняется. В случае начальной температуры 410°С значения прочностных характеристик падают с увеличением времени выдержки.

Неоднозначность влияния температуры процесса и времени выдержки на прочность сварной точки связана с изменениями структуры сплава АДЗ 1. Поэтому для выбора параметров режима (обеспечивающих достаточную стабильность структуры и допустимое снижение свойств соединения) проведено исследование влияния температурно - временных условий нагрева и охлаждения при ТСТ на структуру и свойства сплава АДЗ 1.

Было выбрано 3 значения температуры в диапазоне от 300 до 450°С, при которых возможны значительные структурные изменения в сплаве АД31 (300, 375 и 450 °С).

После проведения термической обработки, имитировавшей термический цикл ТСТ (по режиму: нагрев до температуры 300, 375 или 450°С, выдержка 10 мин с

последующим охлаждением на воздухе), была исследована микроструктура и измерена микротвердость образцов. Данные, полученные в результате выполненных исследований, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерения микротвердости и содержания фазы в образцах из

сплава АД31 подвергнутых термической обработке

Температура нагрева, °С Исходное состояние 300 375 450

Микротвердость, НУ 65 56 54 45

М^, % об. 7,12 6,66 2,81 2,4

Из анализа зависимости значений микротвердости и микроструктурных изменений от температуры нагрева можно заключить, что нежелательным с точки зрения значительного снижения механических свойств сплава является нагрев до температур, превышающих 375...400°С. Следовательно, должны быть выбраны такие параметры режима сварки, которые обеспечили бы протекание процесса при условии ограничения максимальной температуры нагрева любой точки заготовки 350°С. Проведенный расчет позволяет заключить, что для выполнения данного условия для сварки заготовок толщиной 3 мм необходимо при скорости вращения до 900 об/мин использовать инструмент диаметром менее 6 мм.

В случае введения ограничения параметров режима прослеживается монотонное возрастание прочности сварной точки при увеличении нагрузки и/или времени выдержки.

Таким образом, именно третья стадия будет являться лимитирующей и оказывать наиболее значительное влияние на прочность сварной точки.

Пятая глава работы посвящена исследованию структуры и свойств сварных соединений и разработке практических рекомендаций по их выполнению.

На основании проведенных исследований можно выделить основные конструктивно-технологические параметры режима точечной сварки трением. К ним относятся:

1) геометрия инструмента (длина и диаметр рабочей части, диаметр опорного бурта);

2) скорость вращения инструмента;

3) усилие прижатия опорного бурта;

4) время выдержки опорного бурта, прижатого к заготовкам.

Полученные расчетно-экспериментальпые данные позволяют осуществить выбор параметров режима ТСТ, обеспечивающих сохранение свойств основного металла на высоком уровне при сварке алюминиевого сплава АДЗ1 толщиной 3 мм. Диаметр рабочей части инструмента - 6 мм; длина рабочей части - 4,5 мм; диаметр опорного бурта - 11 мм; скорость вращения 900 об/мин; усилие прижатия опорного бурта - 3 ООО Н; время выдержки - 30 с.

С целью оценки влияния термомеханического цикла ТСТ на структуру и свойства основного металла проводилось исследование микроструктуры и микротвердости. Исследования микроструктуры показали равномерное распределение наряду с частичным растворением вторичной упрочняющей фазы М§281 Измерения микротвердости проводились на микрошлифе в поперечном сечении сварной точки. Диаграмма распределения микротвердости по сечению сварного соединения приведена на рис. 11. Полученная диаграмма показывает, что в процессе ТСТ по выбранному режиму не происходит катастрофического падения микротвердости до 45 единиц (соответствующего практически полному растворению вторичной фазы), не наблюдается неоднородности свойств по сечению пластины. Механические свойства после сварки остаются на достаточно высоком уровне, в полном соответствии с исследованиями проведенными в главе 4.

7066- исходное состояние

* 60-

¡5 1* 55- ____

$ 50- - нер»фериина» мш<»

колкое >аст»оренне упрочншоше» фщы

40-

X, мм

Рис. 1 1. Диаграмма распределения микротвердости по поперечному сечению от центра

сварной точки.

Для подтверждения обоснованности выбора параметров режима сварки было испытано 2 образца на срез статическим растяжением. Среднее значение разрушающего усилия составило 5 132 Н (524 кгс). Полученное значение показывает высокий уровень свойств сварной точки, который незначительно уступает лишь соединениям, выполненным контактной точечной сваркой.

Характерный излом представлен на рис. 12. Вид излома позволяет заключить, что разрушение происходит по периферийной зоне сварной точки. Таким образом, | полностью подтверждено предположение о том, что прочность сварной точки определяется размерами периферийной зоны.

а)

Рис.12. Характерный вид излома сварного образца после испытаний на срез статическим растяжением: а)верхняя заготовка; б) нижняя заготовка.

Общие выводы

1. В результате выполненного расчетно-экспериментального исследования тепловых процессов и механизма образования сварного соединения разработаны рекомендации по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение соединения с высоким уровнем свойств.

2. На основе анализа условий фрикционного взаимодействия на границе инструмент - заготовка в условиях ТСТ было установлено, что имеет место переход от внешнего трения к внутреннему как результат превышения значений прочности адгезионной связи инструмент - заготовка относительно прочности когезионной связи материала заготовки. Сформулирован критерий перехода от внешнего трения к внутреннему, пригодный для расчета мощности: >тт(Т)-

3. В результате анализа и экспериментальных исследований условий фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки получено аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения: 9 = [(1 - б)ц/> со/-] + (§(ат(7)/-\/з )сог).

4. Исследовано влияние скорости вращения и диаметра инструмента на значение мощности. Показано, что изменение диаметра инструмента является более эффективным способом управления мощностью, чем изменение скорости вращения.

5. Выполнена экспериментальная верификация расчетно-теоретической методики анализа температурно-временных условий нагрева заготовок при точечной сварке трением. Сформулированы граничные условия задачи теплопроводности и выявлены факторы, оказывающие влияние на точность расчетной модели: наклеп поверхностного слоя заготовки в процессе взаимодействия с вращающимся инструментом, условия контакта нижней поверхности заготовки с подкладкой

6. Исследования механизма образования соединения показали, что третья стадия (объемного взаимодействия) будет являться лимитирующей при ТСТ. Исследовано влияние параметров режима сварки на протекание стадии объемного взаимодействия. В результате разработан и научно обоснован режим для точечной сварки трением алюминиевого сплава марки АД31, упрочняемого термической обработкой: скорость вращения инструмента - 900 об/мин; диаметр рабочей части инструмента - 6 мм; диаметр опорного бурта инструмента - 11 мм; длина рабочей части инструмента - 4,5 мм; время выдержки - 30 с; усилие прижатия опорного бурта - 3 ООО Н. Показано, что предложенный режим обеспечивает высокое качество сварных соединений.

7. Определены механические свойства сварных соединений. Значение средней разрушающей нагрузки при механических испытаниях статическим растяжением на срез сварной точки составляет 5 132 Н. Полученное значение показывает высокий уровень свойств сварной точки, который незначительно уступает лишь соединениям, выполненным контактной точечной сваркой.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Охапкин К.А. Расчетно - теоретический анализ тепловых процессов при точечной сварке трением // Научно - технические ведомости СПбГПУ, Наука и образование, № 1, 2012, с. 172 - 176.

2. Башенко В.В., Охапкин К.А. Выбор параметров режима точечной сварки трением с учетом влияния термического цикла на структуру алюминиевых сплавов // Научно - технические ведомости СПбГПУ, Наука и образование, № 2-2, 2012, с. 160-163.

3. Охапкин К.А. Моделирование процессов образования и распространения теплоты от источников фрикционного нагрева // Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: в 2 ч. Часть 1: Материалы 14-й Международной научно-практической конференции: СПб: Изд-во Политехи, ун-та, 2012,386 е., с. 156-159.

4. Охапкин К.А., Башенко В.В. Методика расчета удельной мощности тепловыделения на поверхности фрикционного контакта инструмента и заготовок в процессе точечной сварки трением // Труды 40-й международной научно -практической конференции «Неделя науки СПбГПУ» Санкт - Петербург, СПб: Изд-во Политехи. Ун - та. - 2011, С. 111 - 112.

5. Башенко В.В., Охапкин К.А. Современное состояние и развитие процесса сварки трением с перемешиванием // Труды 9-й международной научно -технической конференции «Современные металлические материалы и технологии (СММТ'2011)» 22 - 24 июня 2011г. Санкт - Петербургский государственный политехнический университет. - СПб: Изд - во Политехи. Ун - та, 2011, С. 303 -304.

Подписано в печать 09.10.2012. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 978%.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в типографии Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор способов точечной сварки металлов. Современное состояние вопросов фрикционного нагрева и механизма образования соединения в твердой фазе.

1.1 Точечная сварка металлов.

1.1.1 Контактная точечная сварка.

1.1.2 Холодная точечная сварка.

1.1.3 Точечная сварка трением с перемешиванием.

1.1.4 Точечная сварка трением.

1.2 Тепловые процессы при фрикционном нагреве.

1.2.1 Моделирование процессов нагрева при трении скольжения.

1.2.2 Моделирование тепловых процессов при различных способах сварки трением.

1.3 Эволюция представлений о механизме образования соединений в твердой фазе.

1.3.1 Гипотезы образования соединения при холодной сварке.

1.3.2 Обобщенные теории образования соединения для способов сварки давлением.

1.4 Постановка цели и задач исследования.

Глава 2. Материал и методика исследований.

2.1 Материал для исследований.

2.2 Описание экспериментальной установки.

2.2.1 Общие сведения и основные технические характеристики.

2.2.2 Оборудование и методика измерения температуры.

2.2.3 Оборудование и методика измерения сварочного усилия.

2.3 Методы исследования структуры и свойств сварных соединений.

2.3.1 Металлографические исследования.

2.3.2 Измерение микротвердости.

2.3.3 Испытания на статическое растяжение.

Глава 3. Моделирование тепловых процессов при точечной сварке трением.

3.1 Аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения.

3.1.1 Удельная мощность тепловыделения.

3.1.2 Сопротивление сдвигу на поверхности фрикционного контакта инструмента и заготовки.

3.1.3 Расчет мощности тепловыделения методом конечных элементов.

3.2 Распределение температуры при ТСТ.

3.2.1 Анализ температурных полей. Влияние основных параметров режима сварки.

3.2.2 Экспериментальная верификация методики расчета температуры и корректировка граничных условий краевой задачи теплопроводности.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование механизма и выявление лимитирующей стадии образования соединения при ТСТ.

4.1 Выявление условий образования физического контакта заготовок. Выбор и обоснование геометрических размеров инструмента.

4.1.1 Условия образования физического контакта и выбор способа подготовки поверхности.

4.1.2 Исследование зависимости площади периферийной зоны сварной точки от параметров режима сварки.

4.1.3 Выбор и обоснование геометрических размеров инструмента.

4.2 Гипотеза о характере протекания процесса схватывания.

4.3 Исследование объемного взаимодействия.

4.3.1 Выбор уровней варьирования факторов.

4.3.2 Обработка экспериментальных данных.

4.3.3 Экспериментальное исследование влияния термического цикла ТСТ на структуру и свойства сплава АДЗ1.

Выводы по главе 4.

В настоящее время одним из приоритетных направлений развития Российской Федерации является «Энергоемкость и энергоэффективность».

Сборочно-сварочные операции являются неотъемлемыми звеньями практически любого технологического процесса изготовления продуктов различных отраслей промышленности. Переход от шовной сварки к точечной во многих случаях обеспечивает сохранение требуемого уровня служебных характеристик сварного соединения наряду с сокращением времени выполнения сварки, снижением энергетических затрат и упрощением автоматизации процесса. В связи с этим важным, с точки зрения повышения энергоэффективности процессов сварки, является дальнейшее повышение служебных характеристик сварных соединений, выполняемых точечной сваркой, расширение сферы их промышленного внедрения на основе детальных исследований условий формирования и основных процессов протекающих в зоне сварки различных материалов.

Известен ряд распространенных способов точечной сварки металлов: холодная точечная сварка, контактная точечная сварка и др. Недостатками холодной точечной сварки являются относительно низкая прочность сварных соединений и огромное усилие вдавливания инструмента. При контактной точечной сварке удается получать соединения с высокими значениями прочностных характеристик, однако, для реализации технологического процесса требуются значительные энергетические затраты, часто выходят из строя комплектующие сварочных установок вследствие больших величин проходящего через них сварочного тока.

Сохранение прочностных характеристик сварных соединений на уровне контактной точечной сварки и значительное снижение энергетических затрат, напряжений и деформаций, структурной неоднородности может быть достигнуто за счет применения источника фрикционного нагрева. На основе источника фрикционного нагрева реализован способ точечной сварки трением с перемешиванием. Однако, известны успешные попытки соединения деталей лишь 5 малых толщин (до 2 мм) данным способом, при этом уровень механических свойств был немногим выше свойств соединений, выполненных холодной точечной сваркой. Соединение деталей больших толщин и повышение уровня механических свойств при точечной сварке с применением источника фрикционного нагрева становится возможным на основе исследований условий и механизма формирования соединения.

Процесс формирования соединения при точечной сварке трением происходит в условиях фрикционного нагрева. Источник фрикционного нагрева находится на поверхности фактического контакта инструмента и заготовки. Большой вклад в исследование процессов нагрева при трении внесли ученые И.В. Крагельский, В.И. Билль, В.П. Воинов, H.H. Рыкалин, Н.М. Михин, В.А. Балакин, B.C. Щедров, В.А. Кудинов, A.A. Ильюшин, A.B. Чичинадзе, М. В. Коровчинский, R. Nandan, А.Р. Reynolds, С.А. Серегин и др. Однако, в трудах исследователей процессов фрикционного нагрева мощность источника тепловыделения является входным параметром модели либо определяется на основе решения сопряженной термомеханической задачи, которая обладает повышенной сложностью и требует большого числа экспериментально определяемых входных параметров.

Основным источником данных, позволяющим прогнозировать прочность сварных соединений в зависимости от параметров режима сварки, является исследование механизма образования соединения при точечной сварке трением. Этот способ относится к сварке в твердой фазе. Исследованию механизма образования соединения в твердой фазе посвящены труды многих ученых: К.А. Кочергина, М.Х Шоршорова, P.A. Мусина, Г.В. Конюшкова, Э.С. Каракозова, Ю.Л. Красулина, В.П. Алехина, Ю.В. Холопова, И.М. Строймана, А.П. Семенова, A.C. Гельмана и др. Полученные исследователями данные позволяют рассматривать процесс точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом не известны условия протекания каждой из стадий. Поэтому необходимо исследовать все стадии образования соединения, выявить лимитирующую и определить способы управления процессом на лимитирующей стадии.

Таким образом, актуальность работы заключается в современной необходимости разработки научно обоснованной технологии точечной сварки трением на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения, которая позволит значительно снизить энергетические затраты, облегчит реализацию процесса и позволит получить сварные соединения с высоким уровнем служебных характеристик.

Целью работы является разработка рекомендаций по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение сварного соединения с высоким уровнем свойств, на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать и провести экспериментальную верификацию физико-математической модели распространения теплоты при точечной сварке трением;

2) выявить основные конструктивно-технологические параметры режима сварки, которые оказывают влияние на структуру и свойства сварного соединения;

3) исследовать кинетику и условия протекания всех стадий образования соединения в твердой фазе в зависимости от конструктивно - технологических параметров режима сварки;

4) количественно оценить влияние температурно-временных условий нагрева и охлаждения на структуру металла на примере алюминиевого сплава АД31;

5) исследовать структуру и свойства сварного соединения, полученного по разработанной технологии.

Научная новизна диссертационной работы:

1. На основе исследований условий взаимодействия инструмента и заготовок в процессе точечной сварки трением установлено, что имеет место переход от внешнего трения к внутреннему (адгезионная прочность связи материалов инструмента и заготовки превышает когезионную прочность материала заготовки). Разработан критерий перехода, который позволяет определять условия фрикционного взаимодействия в каждой точке контакта инструмента и заготовок: превышение или равенство удельной силы трения значению сопротивления предела текучести на сдвиг материала заготовки: \\.р > тт(7).

2. При помощи методов математического моделирования в совокупности с экспериментальными данными разработана физико-математическая модель для описания тепловых процессов при точечной сварке трением, при этом мощность источника фрикционного нагрева является выходным параметром модели и определяется в процессе решения задачи теплопроводности по формуле д = [{\- 5)доа>г] + (5(от(7)/л/з)сог).

3. Получены экспериментальные данные, которые позволили установить влияние основных параметров режима сварки на размер периферийной зоны (где образуется соединение) сварной точки. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: к = -0,81 + 0,5

4. На основе исследования механизма образования соединения с позиции трехстадийности показано, физический контакт заготовок образуется на этапе погружения инструмента в заготовки (при условии надлежащей подготовки поверхности), схватывание контактных поверхностей протекает за время порядка 10"5 с. Лимитирующей стадией образования соединения является объемное взаимодействие.

5. На базе экспериментальных исследований стадии объемного взаимодействия заготовок с использованием математического планирования эксперимента и статистической обработки полученных данных определены степень и характер влияния основных параметров режима сварки на механические свойства соединения.

Практическая значимость результатов работы:

Разработанная и реализованная программно модель распространения теплоты от источника фрикционного нагрева позволяет прогнозировать структуру и свойства сварных соединений, выполняемых различными способами сварки трением.

В результате выполненных работ определен технологический режим точечной сварки трением алюминиевого сплава АД31, при котором обеспечиваются высокие значения механических свойств сварного соединения, близкие к контактной точечной сварке.

Проведенные исследования механизма образования соединения и тепловых процессов при точечной сварке трением на примере сплава АД31 позволяют создать единую методику разработки технологии сварки для группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой. Результаты исследований, проведенных в настоящей работе могут быть использованы при освоении технология точечной сварки трением в электротехнической и автомобильной промышленности.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений теории теплопроводности, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и обсуждены на международных конференциях:

- Международная научно-практическая конференция ХХХХ Неделя науки СПбГПУ, Санкт - Петербург, 2011;

- 9-я Международная научно - техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт - Петербург, 2011;

- 14-я Международная научно - практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт -Петербург, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из них 2 - в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных выводов, библиографического списка. Работа содержит 162 страницы основного текста, включая 66 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.

Общие выводы

1. В результате выполненного расчетно-экспериментального исследования тепловых процессов и механизма образования сварного соединения разработаны рекомендации по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение соединения с высоким уровнем свойств.

2. Проведенный критический литературный обзор способов моделирования тепловых процессов при фрикционном взаимодействии металлических материалов в условиях высокоскоростного трения, традиционной сварки трением и сварки трением с перемешиванием показал, что из всех известных моделей распространения теплоты ни одна не удовлетворяет условиям высокой точности вычислений температуры наряду с инженерной простотой, математической строгостью и отсутствием необходимости проведения предварительных экспериментальных исследований

3. В результате анализа известных представлений о механизме образования соединений в твердой фазе был сделан вывод о корректности рассмотрения процесса точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом неизвестными остались характер, способы управления и полнота протекания каждой из стадий в зависимости от конструктивно - технологических параметров режима сварки, а также лимитирующая стадия.

4. При фрикционном взаимодействии на границе инструмент - заготовка в условиях ТСТ имеет место переход от внешнего трения к внутреннему как результат превышения значений прочности адгезионной связи инструмент -заготовка над прочностью когезионной связи материала заготовки. Сформулирован критерий перехода от внешнего трения к внутреннему, пригодный для расчета мощности:

IлР > тт{Т).

5. В результате теоретического анализа и экспериментальных исследований условий фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки получено аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения: ц = [(1 - 8)цРсог] + (8(ат(7)/л/з )сог).

Расчет мощности производится в процессе решения температурной задачи. Данное выражение позволяет проводить расчеты тепловых процессов без проведения экспериментальных исследований термических циклов или мощности тепловыделения

6. На основе исследования влияния скорости вращения и диаметра инструмента на значение мощности показано, что изменение диаметра инструмента является более эффективным способом управления мощностью и значениями максимальных температур процесса, чем изменение скорости вращения.

7. Выполнена экспериментальная верификация расчетно - теоретической методики анализа температурно - временных условий нагрева заготовок при точечной сварке трением. Сформулированы граничные условия задачи теплопроводности: теплообмен верхней поверхности с окружающей средой 2 коэффициент поверхностной теплоотдачи - 30 Вт/(м К)), на нижнеи поверхности граничные условия 4 рода (контакт с плитой из хромоникелевой аустенитной стали). Выявлены факторы, оказывающие влияние на точность расчетной модели -наклеп поверхностного слоя заготовки в процессе взаимодействия с вращающимся инструментом, скорость приложения нагрузки и переход от внешнего трения к внутреннему, условия контакта нижней пластины с подкладкой.

8. На основе экспериментальных исследований стадии образования физического контакта показано, что он образуется при всех приемлемых для случая ТСТ параметров режима сварки (скорости вращения, диаметра инструмента) при погружении инструмента в заготовки. Таким образом, стадия образования физического контакта не является лимитирующей стадией процесса.

9. Проведены исследования влияния скорости вращения и диаметра инструмента на размер периферийной зоны с помощью математического планирования эксперимента. На основе регрессионного анализа экспериментальных данных можно заключить, что параметр скорости вращения является незначимым с доверительной вероятностью 95 %. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: к = -0,81 +0,5 я?

10.Абстрагируясь от природы активных центров при ТСТ на основе теории мономолекулярных реакций сформулирована гипотеза протекания процесса схватывания. Расчет показал, что стадия схватывания не является лимитирующей.

11.На основе экспериментальных исследований процесса ТСТ и анализа данных об оптимальных температурно-силовых параметрах режима при других способах сварки давлением были выбраны уровни варьирования факторов -температуры процесса (от 340 до 410°С), времени выдержки (от 5 до 30 с) и сварочного усилия (от 1000 до 3000 Н), которые оказывают влияние на прочность сварного соединения.

12.Установлено, что при увеличении сварочного усилия происходит рост прочности сварного соединения. Температура и время выдержки приводят к росту прочности сварного соединения лишь в случаях, когда температура нагрева заготовок не превышают экспериментально установленного для сплава марки АДЗ1 значения 350 °С.

13.Разработан и научно обоснован режим для точечной сварки трением алюминиевого сплава марки АД 31, упрочняемого термической обработкой: скорость вращения инструмента — 900 об/мин; диаметр рабочей части инструмента - 6 мм; диаметр опорного бурта инструмента - 11 мм; длина рабочей части инструмента - 4,5 мм; время выдержки - 30 с; усилие прижатия опорного бурта -3 000 Н. Показано, что предложенный режим обеспечивает высокое качество сварных соединений.

14.Сформулированы требования к оборудованию и оснастке для реализации процесса точечной сварки трением.

15.Выполнены измерения и построена диаграмма изменения микротвердости. Показано, что уровень свойств периферийной зоны несколько снижается (56 единиц) по сравнению с исходным состоянием (65 единиц), но остается на достаточно высоком уровне по сравнению с полным растворением вторичной фазы (45 единиц).

16.Определены механические свойства сварных соединений. Значение средней разрушающей нагрузки при механических испытаниях статическим растяжением на срез сварной точки - 5 132 Н. Полученное значение показывает высокий уровень свойств сварной точки, который незначительно лишь соединениям, выполненным контактной точечной сваркой.

1. Чулошников П.Л. Контактная сварка. - М.: Машиностроение, 1977,- 144 с.

2. Котлышев P.P., Артеменко А.Г. Ротационная точечная сварка трением. // Труды VIII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем», Том I, ДГТУ, Ростов-на-Дону, 2007 г.

3. Лукьянов В.Ф., Харченко В.Я., Людмирский Ю.Г.- Изготовление сварных конструкций в заводских условиях. Р-н-Д: Феникс, 2009,- 315 с.

4. Баранов И.Б. Холодная сварка пластичных металлов.- Л. Машиностроение, 1969,- 208 с.

5. Авторское свидетельство И.Б. Баранова и С.М. Тазьбы, № 101081, 1950 г.

6. Smith С. В., Hinrichs J. F. et al. Friction Stir and Friction Stir Spot Welding -Lean, Mean and Green. Friction Stir Link, Inc. W227 N546 Westmound Dr., Waukesha, WI 53186, 2004.

7. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений.- М.: Наука, 1966,- 686 с.

8. Ильюшин A.A., Огибалов П.М. Упругопластические деформации полых цилиндров // М.: Изд-во МГУ, 1960, с. 134 165.

9. Чичинадзе A.B. Расчет и исследование внешнего трения при торможении,-М.: Наука, 1967.- 230 с.

10. Дроздов Ю.Н. Тепловой аспект проблемы задира (заедания) катящихся со скольжением тел. Машиноведение, 1972, № 2, с. 71 - 79.

11. Балакин В.А. Основы прочности поверхностного слоя.- Гомель: изд-во Гомельского университета, 1974.- 242 с.

12. Коровчинский М.В. Основы теории термического контакта при локальном трении. В кн.: Новое в теории трения.- М.: Наука, 1966, с.98 - 145.

13. Кудинов В.А. Температурная задача трения и явления наростообразования при резании и трении // Тр. III Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах. М.: Изд-во АН СССР, 1960, т. 2, с. 207-216.

14. Щедров B.C. Температура на скользящем контакте // В кн.: Трение и износ в машинах, т. X, М.: Изд-во АН СССР, 1955, с. 155 295.

15. Балакин В.А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения. М.: Машиностроение, 1980. - 136 с.

16. Билль В.И. Сварка металлов трением.- JI.: Машиностроение, 1970,- 176 с.

17. Вилль В.И. Мощность при сварке трением стальных стержней//Сварочное производство, № 10, 1959.

18. Рыкалин Н.Н., Пугин А.И., Васильева В.А. Нагрев и охлаждение стержней при стыковой сварке трением // Сварочное производство. № 10, 1959.

19. Chang C.J. Transient temperature distribution during friction welding of two dissimilar materials in tubular form. // Welding Journal, 1962, № 12.

20. Воинов В.П. Исследование влияния скорости вращения и удельного давления при сварке трением на эффективность процесса и качества сварного соединения.- Автореф. дисс. Челябинск, ЧПИ, 1967.

21. Воинов В.П. О механизме образования соединения при сварке трением // «Сварочное производство», 1968, № 1.

22. Клименко Ю.В. А.с. 195846, 1967.

23. Штрикман М.М., Пинский А.В., Кащук Н.М. Фрикционная сварка тавровых соединений листовых конструкций // Сварочное производство, № 12, 2010, с. 3-7.

24. Макаров Э.Л., Королев С.А., Штрикман М.М., Кащук Н.М. Моделирование тепловых процессов при фрикционной сварке // Сварка и диагностика, № 3, 2010, с. 21 25.

25. Котлышев P.P. Механизм образования соединения и особенности технологии сварки алюминиевых сплавов трением с перемешиванием.- Автореф. дисс. к.т.н., Р-н-Д, 2010.

26. Zhu Х.К., Chao Y.J. Numerical simulation of transient temperature and residual stresses in friction stir welding of 304L stainless steel // Journal of Materials Processing Technology № 146, 2004, p. 263 272.

27. Chao Y.J., Qi X. 1st International Symp. On Friction Stir Welding (Thousand Oaks, CA, USA)

28. R.L. Goetz and K.V. Jata, Modelling friction stir welding of titanium and aluminum alloys, proc. Symposium on Friction Stir Welding and Processing, TMS, 2001.

29. G. Buffa, J. Hua, R. Shivpuri and L. Fratini, A continuum based fem model for friction stir welding model development, Materials Science and Engineering A, 419, 389-396, 2006.

30. R.K. Uyyury and S.V. Kailas, Numerical analysis of friction stir welding process, Journal of Materials Engineering and Performance, 2006.

31. A.P. Reynolds, X. Deng, T. Seidel, and S. Xu, Finite element simulation of flow in friction stir welding, Proc. Joining of Advanced and Specialty Materials, 172 177, MO, USA, 2000.

32. S. Xu and X. Deng, Two and three dimensional finite element models for the friction stir welding process, 4th Int. Symp. On Friction Stir Welding, UT, USA, 2003.

33. H. Zhang and Z. Zhang, Numerical modeling of friction stir welding process by using rate dependent constitutive model, Journal of Material Science and Technology, 23 (1), 73 -80, 2007.

34. L. Fourment, S. Guerdoux, M. Miles and T. Nelson, Proc Fifth Int. Symp. On Friction Stir Welding, Sept. 2004 (Metz, France), TWI

35. Полухин П.И, Гун Г.Я., Галкин A.M. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов,- М.: Металлургия. 1976.- 488 с.

36. Зайков М.А. Режимы деформации и усилия при горячей прокатке,-Свердловск: ГНТИЛ по черной и цветной металлургии, 1960,- 304 с.

37. Соколов Л.Д. Сопротивление металлов деформации. Материалы к семинару по теории пластической деформации металлов.- Горький: Горьковское НТО Машпрома, 1962,- 43 с.

38. Серегин С.А. Вопросы механики процесса сварки металлов трением.-Кемерово, Филиал ТГУ при КемГУ, 1991. 154 с.

39. С.М. Sellars and McG. Tegart, Hot Workability, Int. Met. Rev., Vol 17, 1972, p 1- 24.

40. T.U. Seidel and A.P. Reynolds, Sci. Technol. Weld. Join., Vol 8 (No 3), 2003, p. 175-183.

41. P. A. Colegrove, T. Hyoe and H.R. Shercliff, development of the Trivex Friction Stir Welding Tool for Making Lap Welds, Proc. Fifth Int. Symp. On Friction Stir Welding, Sept 2004 (Metz, France), TWI.

42. P.A. Colegrove, H.R. Shercliff and R. Zettler, A model for predicting the Heat Generation in Friction Stir Welding, Sci. Technol. Weld. Join., 2006.

43. A. Askari, S. Silling, B. London and M. Mahoney, in Friction Stir Welding and Processing, K.V. Jata et al., Ed., TMS, 2001, p.43 54.

44. G.R. Johnson and W.H. Cook, Proc. Seventh Int. Symp. On Ballistics (The Hague, Netherlands), 1983, p.541-548.

45. P.A. Colegrove and H.R. Shercliff, CFD Modelling of friction stir welding of thick plate 7449 aluminum alloy, Science and Technology of Welding and Joining, 11 (4), 429-441,2006.

46. T. Long and A.P. Reynolds, Parametric studies of friction stir welding by commercial fluid dynamics simulation, Science and Technology of Welding and Joining, 11 (2), 200-208, 2006.

47. R. Nandan, G.G. Roy, T.J. Lienert and T. Debroy, Three dimensional heat and material flow during friction stir welding of mild steel, Acta Materialia, 55, 883 - 895, 2007.

48. A.P. Reynolds, Flow visualization and simulation in FSW, Scripta Materialia, 58,338-342.

49. Айнбиндер С.Б. Холодная сварка металлов.- Рига. АН Лат. ССР, 1957.162 с.

50. Tylecote R.F. The solid phase welding of metals. Edward Arnold (Publishers), Ltd, London, 1968, p. 334

51. Parks J.M. Recristallisation welding. Welding Journal, 1953, № 5, p. 209221.

52. Баранов И.Б. Холодная сварка алюминиевых шин // «Вестник электропромышленности», 1952, № 6, с. 1-8.

53. Cold welding. «Welding engineer», 1949, № 1, p. 33 - 35.

54. Hofmann W. Stand- und Entwicklungslinien der Kaltpressschweissung. -«Werkstattstechnik», 1965, 55, Nr 3, S. 411 415.

55. Hofmann W. und Rüge J. Die Kaltpresssweisung als neuartiges Verbindungsverfahren. «VDI - Zeitshrift», 1953, Nr 8, S. 233 - 237.

56. Лашко Н.Ф., Лашко Авакян C.B. Металловедение сварки.- М.: Машгиз, 1954.- 270 с.

57. Bowden F. and Tabor D. The influence of surface films on the friction and deformation on surfaces. Properties of metallic surfaces, London, Reprint, 1953, № 13.

58. Durst G.A. A few observations on solid phase bonding. Metal Progress, 1947, № l,p. 97-101.

59. Гельман A.C. Основы сварки давлением.- М.: Машиностроение, 1972.- 312с.

60. Семенов А.П. Исследование схватывания металлов при совместном пластическом деформировании.- М., АН СССР, 1953.- 118 с.

61. Семенов А.П. Схватывание металлов. М., Машгиз, 1958, 280 с.

62. Схватывание металлов основа холодной сварки // А.П. Семенов. -Автоматическая сварка, 1964, № 5, с. 4 - 9.

63. Hofman W. und Rüge J. Versuche über die Kaltpressschweissung von Metallen. Zeitschrift fur Metallkunde, 1952, N 5, S. 133 - 137.

64. Влияние предварительного подогрева деталей на процесс прессовой сварки алюминия // С.К. Слиозберг, И.М. Стройман, С.О. Либо. Автоматическая сварка, 1960, №5, с. 26-31.

65. Баранов И.Б. Холодная сварка пластичных металлов.- Л. Машиностроение, 1969,- 208 с.

66. Дислокационная модель процесса холодной сварки // Б.И. Костецкий, И.П. Ивженко. Автоматическая сварка, 1964, № 5, с. 18 - 20.

67. Астров Е.И. Плакированные многослойные металлы.- М.: Металлургия, 1965.- 240 с.

68. Кочергин К.А. Сварка давлением.- Л., Машиностроение, 1972,- 216 с.

69. О возможной структуре универсального критерия подобия для сварки давлением // К.А. Кочергин В кн.: Тр. ЛПИ. Л., Машиностроение. 1967, № 283, с. 39-48.

70. О контактных явлениях при холодной сварке давлением // К. А. Кочергин -В кн.: Тр. ЛПИ. Л., Машиностроение, 1963, № 229, с. 111 120.

71. Об эффекте электромагнитного излучения при деформации металлов применительно к сварке давлением // А.И. Шестаков. Сварочное производство, 1981, № 5, с. 4-7.

72. Теоретические вопросы холодной сварки металлов // В.М. Залкин. -Сварочное производство, 1982, № 11, с. 41 42.

73. К вопросу о расчетной оценке режимов сварки давлением // Шоршоров М.Х., Красулин Ю.Л., Дубасов A.M. и др., Сварочное производство, 1967, № 7.

74. Физические и химические основы способов соединения разнородных металлов. // Шоршоров М.Х., Итоги науки и техники. Сварка. М., Институт научной информации АН СССР, 1966.

75. Красулин Ю.Л. Взаимодействие металла с полупроводником в твердой фазе.- М.: Наука, 1971,- 120 с.

76. Мусин P.A., Конюшков Г.В. Соединение металлов с керамическими материалами. М.: Машиностроение, 1991. - 224 с.

77. Каракозов Э.С. Соединение металлов в твердой фазе.- М.: Металлургия, 1976,- 262 с.

78. Каракозов Э.С., Орлова Л.М., Пешков В.В., Григорьевский В.И. Диффузионная сварка титана.- М.: Металлургия, 1977.- 272 с.

79. Упит Г.П., Варченя С.А., Маник Я.Э. Холодная сварка полупроводников с металлом // Автоматическая сварка. 1975. № 5. С. 22 25.

80. Мазур А.И., Алехин В.П., Шоршоров М.Х. Процессы сварки и пайки в производстве полупроводниковых приборов.- М.: Радио и связь, 1981.- 224 с.

81. Каракозов Э.С. Сварка металлов давлением. М.: Машиностроение, 1986. -280 с.

82. Мусин P.A. О природе активных центров при диффузионной сварке разнородных материалов // Достижения и перспективы развития диффузионной сварки. М.: МДНТП, 1987. с. 10 14.

83. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел.- Новосибирск: Наука, 1985,- 230 с.

84. Рыбакова JT.M., Куксенова Л.И. Структура и износостойкость металла.-М.: Машиностроение, 1982.- 212 с.

85. Бокштейн Б.С. Диффузия в металлах.- М.: Металлургия, 1978,- 248 с.

86. Алехин В.П. Физические закономерности микропластической деформации и разрушения поверхностных слоев твердого тела // ИПМ АН УССР Автореф. дисс. д. ф. м. н. - Киев, 1978, - 50 с.

87. Y.K. Yang, Н. Dong, S. Kou Liquation Tendency and Liquid-Film Formation in Friction Stir Spot Welding // Welding Journal, № 8, 2012, p. 202-211.

88. Бакли Д. Поверхностные явления при адгезионном взаимодействии.- М.: Машиностроение, 1986. 360 с.

89. Крагельский И.В, Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ.- М.: Машиностроение, 1977,- 530 с.

90. Ким С.Л. Исследование образования металлической связи при получении биметаллов на основе кинетики взаимодействия атомов.- Автореф. дисс. к. ф. м. н., Ижевск, 2010.

91. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4-х т. /Редколл.; Г.А. Николаев (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1979. - т.З /Под ред. В.А. Винокурова. 1979. 567 с.

92. Стройман И.М. Холодная сварка металлов. Л.: Машиностроение, Ленингр-е отделение, 1985,- 224 с.

93. Некоторые особенности точечной холодной сварки // К.К. Хренов, В.И. Балакин. Автоматическая сварка, 1967, №7, с. 27 - 29.

94. Орлов Б.Д. и др. Контроль точечной и роликовой электросварки. М.: Машиностроение, 1973,- 304 с.

95. Громов В.В. Исследование особенностей холодной сварки при герметизации изделий из алюминия.- Автореф. дис. на соиск. уч. степ. к. т. н. Л.: ДЛИ им. Калинина, 1980, 18 с.

96. Получение герметичных швов холодной сваркой // В.В. Громов Автоматическая сварка, 1980, № 12, с. 51 53.

97. Рябов В.Р. Сварка алюминия и его сплавов с другими металлами.- Киев: Наук, думка, 1983, 264 с.th

98. Metals Handbook 8 Edition, vol. 8 Metallography, Structures and Phase Diagrams. American Society For Metals, Metals Park, Ohio 4407 s, 1973.

99. Колачев Б.А., Ливанов В.А., Елагин В.И. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1981,- 416 с.

100. N. Blundel, L. Han, R. Hewitt, and К. Young, "The Influence of Paint Bake Cycles on the Mechanical Properties of Spot Friction Joined Aluminum Alloys," SAE Technical Paper 2006-01-0968, Society of Automotive Engineers.