Анализ дефектов, возникающих при сварке трением с перемешиванием

УДК 621.791.14

Е. В. КРИВОНОС И. К.ЧЕРНЫХ Е. Н. МАТУЗКО Е. В. ВАСИЛЬЕВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

В современном машиностроении широко используется относительно новый метод сварки — сварка трением с перемешиванием. Наиболее часто этот метод применяют для сваривания обечаек при изготовлении ракет. Целью исследования является анализ дефектов, возникающих при использовании этого метода сварки. Исследование проводилось на вертикально-фрезерном станке, оборудованном для сварки трением с перемешиванием. Контроль сварного соединения проводился при помощи ультразвукового дефектоскопа. Результатом исследования является разработка конструкции приспособления, применение которого устраняет один из наиболее часто возникающих дефектов — образование грата.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, дефект, грат.

В ракетно-космической отрасли России фрикционная сварка, или сварка трением с перемешиванием, является сравнительно новым методом изготовления сварных соединений.

Практическому использованию сварки трением положили начало опыты токаря-новатора А. И. Чу-дикова (1956 г.) [1]. Идея фрикционной сварки дорабатывалась в Британском институте сварки (ТШ1). В 1960—1990 годах сварку трением с перемешиванием активно внедряли в промышленность не только в СССР, но и в других странах мира. В последние годы интерес к этому методу сварки возрос.

С появлением новой технологии сварки также появилась необходимость в новых методах контроля. Связано это с особенностями дефектов сварных соединений, выполненных фрикционной сваркой.

Сам процесс образования неразъемного соединения заключается в том, что в результате трения вращающегося инструмента между двумя соединенными торцами деталей возникает нагрев и за счет пластического деформирования между соединяемыми частями устанавливаются межатомные связи. Швы, получаемые этим методом сварки, образуются без расплавления металла. Металл разогревается до пластичного состояния и перемешивается рабочим инструментом [2].

Фрикционная сварка является передовым методом сварки различных металлов. Изначально этот метод сварки был придуман для алюминия, так как этот материал считается трудносвариваемым для сущесвующих методов сварки.

Алюминий и его сплавы во время плавления и повторного затвердевания претерпевают изменения объема (до 4 %). Это приводит к значительному искажению швов и образованию трещин. При сварке трением с перемешиванием таких проблем не возникает.

Медь из-за высокой тепло- и электропроводности также является сложным материалом для сварки с плавлением. А так как техника фрикционной сварки не подразумевает плавление металла, она является удачной для сварки этого металла.

Хотя большинство распространенных титановых сплавов, как правило, хорошо поддаются сварке обычными способами [3], проблемы с искажением заготовки и плохое качество шва имеют место быть. Развитие сварки трением с перемешиванием дает возможность получения высокого качества шва с низким уровнем искажений.

Сварка трением с перемешиванием (рис. 1) — это полупроводниковый процесс, который механически смешивает металлы, чтобы сформировать связь между ними, он может быть использован для соединения разнородных металлов. Это может быть наиболее легко досигнуто, если соединяемые металлы имеют анологичные теплофизические свойства. Например, титан успешно соединяется с медью, серебром и золотом [4].

Установка для выполнения сварки трением с перемешиванием состоит из станка, который имеет фрезерную и сварочную головки, и оснастки, удерживающей свариваемые детали при обработке и в процессе сварки.

Вследствие нарушения требований к сборке и подготовке поверхности, выбору инструмента, а также режимов сварки и технологии возникают дефекты сварных соединений. Они представлены на рис. 2.

Наиболее часто встречаемым типом дефекта является непровар корня шва «к188тдЪоп<3». Непровар — это отсутствие металлических связей по сечению свариваемых кромок деталей, возникающее из-за невозможности расплавленного металла достичь корня шва. При выполнении СТП в месте

Рис. 1. Процесс сварки трением с перемешиванием

Дефект типа «образование грата»

Дефект типа «микротрещины»

Дефект типа «подрез»

Дефект типа «непровар корня шва»

Дефект типа смещение свариваемых кромок»

Дефект типа «местный наплыв»

Дефект типа «несплавление» Рис. 2

выхода рабочего инструмента из стыка в конце шва остается отверстие. Характерными дефектами является вогнутость, возможность появления твердых включений: осколки рабочего инструмента, остатки грязи, масла, жира [5].

Для выявления дефектов двух сваренных методом СТП алюминиевых пластин толщиной 3,5 мм использовался метод неразрушающего контроля, конкретно — метод ультразвуковой дефектоскопии. При помощи ультразвукового дефектоскопа А1550 1п1;гоУ180г в режиме работы «Сканер»

с настройкой на выявление вертикальных трещин в сварном шве были выявлены дефекты на участках, отмеченных цифрами 1—5 на рис. 3. Методика контроля проводилась согласно методическим указаниям [6].

Б-сканы отмеченных участков представлены на рис. 4. Область на оси X 28-32 мм соответствует границе свариваемых деталей, на рис. 3 отмечена осевой линией. По всей длине участка перемешивания, кроме отмеченных мест, дефектов в виде вертикальных трещин не наблюдалось.

о

го

Рис. 3. Места выявления дефектов шва

«1»

«2»

«3»

«4»

«5»

Рис. 4. Б-сканы сварного шва

ОтхлонЕнив от прямолинЕйносгаи

Рис. 5. Пример отклонения от прямолинейности на металлических пластинах

Рис. 6. Приспособление для выпрямления кромок

Рассмотрим причины появления непровара. Их может быть несколько:

— высокая скорость перемещения электрода;

— недостаточный сварочный ток;

— перекос свариваемых кромок;

— малый зазор между кромками;

— попадание шлака в зазоры между кромками;

— отклонение от прямолинейности свариваемых кромок (рис. 5).

Последняя причина достаточно серьезно влияет на качество сварного шва: из-за неровности свариваемых поверхностей в зоне термомеханического влияния имеет место быть недостаточное механическое перемешивание, которое, в свою очередь, ведет к несплошности материала.

Такие дефекты проявляются в виде пустот внутренних границ свариваемых листов. Они могут быть различного размера и располагаться не только в объеме металла, но и выходить на поверхность. Решение этой проблемы заключается в выравнивании кромок, предназначеных для сваривания. Поэтому важной задачей является разработка установки, которая обеспечит необходимое выравнивание при подготовке поверхностей к сварке.

Разработано приспособление (рис. 6) для выпрямления кромок листового проката. Сам процесс выпрямления заключается в следующем: между роликами помещается лист металла шириной 3—15 мм, затем лист зажимается эксцентриковыми роликами, размещенными с одной стороны плиты. Фиксатором и гайкой устанавливается положение, создающее натяг.

В результате исследования было разработано приспособление обеспечивающее выравнивание кромок листового металла, что предотвращает образование грата при сварке трением с перемешиванием.

Библиографический список

1. Коржик С. П. Сварка трением и её практическое применение // Сварщик. 2012. № 03 (85). C. 28-29.

2. Колубаев Е. А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. 2013. № 6. С. 1-2.

3. Чернецов В. И. Справочные материалы по титану. Л.: Судпромгиз, 1956 . С. 243.

4. Зубков Л. Б. Космический металл: все о титане. М.: Наука, 1987. С. 128.

5. Gibson B. T., Lammleinb D. H., Praterc T. J., Longhurstd W. R. [et al.]. Friction stir welding: Process, automation and control. Journal of Manufacturing Processes. 2014. Vol. 16. Issue 1. P. 5673. ISSN 1526-6125. DOI: 10.1016/j.jmapro.2013.04.002.

6. Методические указания по применению ультразвукового дефектоскопа А1550 IntroVisor с цифро-фокусированны-ми антенными решётками в режиме ТОМОГРАФ. М.: АКС-Сервис, 2014. 82 с.

КРИВОНОС Евгений Викторович, ассистент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». ЧЕРНЫХ Иван Константинович, студент гр. КТО-133 машиностроительного института. МАТУЗКО Елена Николаевна, студентка гр. КТО-133 машиностроительного института. ВАСИЛЬЕВ Евгений Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты». Адрес для переписки: vnchrnkh@gmail.com

Статья поступила в редакцию 26.12.2016 г. © Е. В. Кривонос, И. К.Черных, Е. Н. Матузко, Е. В. Васильев

о

го