Высокоскоростная сварка трением перемешиванием авиационных материалов и конструкций

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ

УДК 621.791.14

Высокоскоростная сварка трением перемешиванием авиационных материалов и конструкций

А. Г. Бойцов, В. В. Качко, Д. Н. Курицын

Объектом исследования является технологический процесс получения неразъемных соединений методом сварки трением с перемешиванием применительно к материалам и конструкциям авиационно-космической техники. В работе приведены результаты исследований по экспериментальной отработке технологических режимов и условий перемешивающей сварки трением, результаты исследования влияния основных технологических параметров на качество получаемых соединений. В ходе работы выполнено проектирование специального технологического оснащения, предложены конструкции инструмента для реализации процесса сварки трением c перемешиванием. Результатом работы явилось определение оптимальных режимов и условий высокоскоростной сварки трением с перемешиванием. Высокоскоростная сварка трением с перемешиванием дает возможность значительно сократить размеры, массу, а также стоимость оборудования и в то же время повысить производительность процесса за счет снижения технологических нагрузок.

Ключевые слова: сварка трением перемешиванием, технологическое оборудование, инструмент,

аэрокосмическая техника, качество сварного соединения.

Введение

Сварка трением перемешиванием (СТП) является относительно новым методом получения неразъемных соединений материалов (запатентована The Welding Institute in UK — TWI, Великобритания, в 1991 г. На этот способ сварки имеются более раннее отечественное авторское свидетельство [1] и последующие [2].

Выполненные в последние годы исследования показали, что СТП является эффективным способом получения высококачественных соединений конструкций различной геометрии, включая листовые материалы, пространственные профильные конструкции, трубы, а также восстановления изношенных деталей, модифицирования поверхностей и залечивания трещин [3]. Эти разработки и исследования сделали СТП универсальной технологией, имеющей большие перспективы в различных отраслях промышленного производства. Достаточно отметить, что СТП получила применение в авиаракетостроении для

сварки ответственных конструкций фюзеляжа, баков, панелей различного назначения (NASA, Lockheed-Martin Corp., Boeing, Airbus Integrated Company, Wisconsin Center for Space Automation & Robotics, Oak Ridge National Laboratory, MTS Systems, ГКНПЦ им. М. В. Хруничева и др.). В судостроении СТП используется для сварки корпусов маломерных судов, например военный катер Littoral Combat Ship сваривается по технологии фирмы Friction Stir Link, Inc. СТП является базовой технологией производства железнодорожных вагонов A-train, производимых фирмой Hitachi Rail Systems. Специализированное оборудование для СТП выпускается фирмами MTS Systems Corporation, Nova-tech engineering inc., Friction Stir Link, Inc. (США), Danish Stir Welding Technology (Dan Stir, Дания), ESAB (Швеция), Osaka East Urban Area, Osaka Cast и Hitachi (Япония), TWI (Англия) и др.

Толщины свариваемых СТП листовых материалов достигли для алюминиевых сплавов 110 мм, а для сталей и никелевых сплавов — 45 мм.

электрофизические и электрохимические методы обработки

По мнению ведущих мировых экспертов, СТП является революционным в области сварки листовых материалов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых). Эта технология использована для сварки алюминиевых баков Space Shuttle, изделий Delta II и Delta IV фирмы Boeing, ракеты Space X Falcon 1, крыльев самолета Eclipse 500, панелей пола и перегородок при производстве самолетов компаний Boeing и Airbus. Эту технологию считают ключевой для создания авиационной техники пятого поколения.

Работы по сварке трением выполняются и курируются The Welding Institute in UK (TWI, Великобритания), NASA, Lockheed-Martin Corp., Boeing, Wisconsin Center for Space Automation & Robotics, Oak Ridge National Laboratory MTS Systems Corporation, Thompson Friction Welding (США), Imhof Hartchrom GmbH и Klaus Raiser GmbH (Германия), Hidetoshi Fujii и исследовательским центром JWRI при Osaka University (Япония), Shanghai puda friction welder co., ltd. (Китай) и другими корпорациями и компаниями [4, 5].

Расширяющееся применение сварки трением обусловлено высоким качеством получаемых сварных соединений. Деформация и перемешивание металла в твердой фазе в условиях «теплой» деформации создает микроструктуры более прочные, чем основной материал. Обычно прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90 % от этих характеристик для основного материала, на уровне, обеспечиваемом применением дорогостоящих электронно-лучевой, диффузионной и лазерной сварок. Сварка трением перемешиванием может выполняться в различных позициях (вертикальной, горизонтальной, под наклоном, снизу вверх и т. д.), поскольку силы гравитации в данном случае не играют роли. Обеспечивается возможность сваривания разнородных материалов, термопластичных пластиков и композиционных материалов. При выполнении сварочных операций не требуется предварительной очистки рабочих поверхностей, отсутствует разбрызгивание расплавленного металла, нет необходимости в присадочных материалах. Немаловажен тот факт, что при наличии специальной оснастки и инструмента сварка трением может выполняться на обычном металлорежущем оборудовании,

универсальных фрезерных станках и станках с ЧПУ, а также с использованием робо-то-технических систем. Наплавку трением используют для восстановления изношенных деталей, а одну из разновидностей сварки трением — штифтовую — для «залечивания» трещин в конструкциях. Сварка трением, при прочих равных условиях, по сравнению с традиционными дуговой и контактной сварками имеет в 2-5 раз меньшее энергопотребление.

В Российской Федерации накоплен опыт сварки трением перемешиванием различных алюминиевых сплавов. Исследования в лабораторных условиях, выполненные в ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «ВИАМ», МГТУ им. Н. Э. Баумана, МАТИ им. Циолковского, ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, ФГУП «НПО Тех-номаш», ОАО «ВНИИалмаз», ЗАО «Сеспель» и др., подтвердили высокую эффективность СТП и обозначили главную задачу — организацию производства универсализированного и специального оборудования для ее реализации. К сожалению, в нашей стране промышленное оборудование для СТП не выпускается. В то же время в развитых странах применение сварки трением возрастает на 15-20 % в год. Это отражает актуальность данной исследовательской работы. Ее выполнение позволит решить ряд задач, связанных с изготовлением новой техники, модернизацией производства, повышением производительности и снижением себестоимости сварочных работ, обеспечением надежности и ресурса изделий.

СТП выполняется торцом вращающегося инструмента, перемещающегося в направлении сварки. Диаметр инструмента выбирают несколько меньшим, чем глубину сварки. Рабочая поверхность инструмента имеет специальный профиль. Трение инструмента о поверхность деталей вызывает тепловыделение, которое совместно с силовым воздействием обеспечивает пластическую деформацию и сложное течение пластифицированного металла, перемешиваемого и переносимого профилированным наконечником (пином). В процессе перемещения инструмента по стыку свариваемых поверхностей происходит перемешивание и перенос металла с формированием сварного шва (рис. 1). При этом шов имеет исключительно высокие механические свойства, минимальный

ЧЕТАППООЕ

х

Рис. 1. Принципиальная схема СТП

уровень остаточных напряжений, вызывающих коробление сварных изделий.

В настоящее время в технологии СТП существует ряд недостаточно исследованных вопросов, в частности: отсутствуют модели и методики, позволяющие на стадии технологической подготовки производства назначить технологические режимы сварки и проектировать сварочный инструмент; сваривание высокопрочных материалов с относительно высокой температурой пластификации; снижение сил, действующих на инструмент и заготовку и др.

Постановка задачи исследований

Основными проблемами, ограничивающими применение СТП и требующими решения, в настоящее время являются:

• необходимость жесткого закрепления свариваемых деталей;

• необходимость проектирования и изготовления специальных инструментов с высокой стойкостью: при СТП сварочный инструмент испытывает интенсивное тепловое и силовое воздействия, которые лимитируют его срок службы, а попадание частиц износа инструмента в свариваемый материал может неблагоприятно сказываться на качестве сварного соединения;

• ограниченная свариваемость материалов, имеющих низкую пластичность или теряющих требуемые механические свойства в результате термопластической деформации;

• необходимость использования громоздкого дорогостоящего оборудования для получения швов высокого качества, отсутствие оборудования и технологии для проведения полевых ремонтно-восстановительных работ.

Последняя из перечисленных проблем может быть частично решена использованием технологии высокоскоростной сварки трением перемешиванием (ВСТП), которая дает возможность значительно сократить размеры, массу, а также стоимость оборудования для СТП за счет снижения сил, воздействующих на его конструкцию.

Время этапа начального заглубления инструмента, когда разогрев материала выполняется только пином, при приемлемых значениях нормальной силы, определяемых прочностью инструмента, может быть значительным из-за нулевой скорости на оси и малого диаметра пина. По этой причине увеличение частоты вращения инструмента в данных условиях — наиболее рациональный путь как снижения осевой силы, так и времени заглубления.

Количество теплоты, выделяющейся при СТП, может быть оценено по формуле (1), из которой, в частности, следует, что нормальная осевая сила Р обратно пропорциональна угловой скорости вращения шпинделя ю:

Я =

рюцР

где Я — количество теплоты, необходимое для протекания процесса; ю — угловая скорость; ц — коэффициент трения; Р — нормальная осевая сила; Яо — радиус бурта инструмента; Яр — радиус профильного наконечника (пина) инструмента.

Из формулы видно, что при установленном необходимом тепловыделении нормальная осевая сила Р обратно пропорциональна угловой скорости вращения шпинделя ю. Высокая скорость вращения инструмента дает возможность получить то же количество энергии, но при меньших силах воздействия инструмента на свариваемые детали. За счет этого становится возможным снижение размеров и массы

meta™^OTK)I

электрофизические и электрохимические методы обработки

оборудования и инструмента, что позволит изготавливать небольшие портативные машины, способные производить строительные и ремонтные работы в полевых условиях.

Задачами настоящей работы является исследование технологических возможностей и разработка конструкций специального инструмента для ВСТП авиационных материалов, обладающего повышенной износостойкостью и обеспечивающего высокое качество сварных соединений.

Методика исследований и оборудование

Для проведения исследований были спроектированы и изготовлены опытно-промышленная установка и средства ее технологического оснащения.

Проектирование установки проводилось с использованием программы 3D-моделирования SoИdWorks 2012, позволяющей построить объемную модель будущего изделия, оценить технологичность, внести корректировки, при необходимости и по объемным моделям получить чертежи деталей и узлов.

Функционально установку (рис. 2, а) можно разделить на три части: сварной металлический каркас основания, алюминиевая рама, узел актуатора. Для первичного расчета жесткости применялась комбинированная, стержневая с объемными элементами, расчетная

модель конструкции установки (рис. 2, б). Стержневая схема конструкции позволяет проводить расчет с минимальными затратами вычислительных ресурсов и времени. Основная часть элементов конструкции установки создавалась из универсальных деталей и узлов, что значительно повышает эксплуатационные качества установки за счет ее ремонтопригодности.

В установке предусмотрено управляемое перемещение по двум координатам (ось X и ось Z). Перемещение по оси X осуществляется посредством механизма ШВП, получающего крутящий момент от шагового двигателя. Перемещение по оси Z осуществляется посредством актуатора линейных перемещений Exlar Tritex, имеющего собственный контроллер с управ ле-нием перемещением, усилием на штоке и т. д. Управление параметрами контроллера актуа-тора осуществляется с помощью специальной программы ПК через интерфейс RS 485.

Исследования проводились на алюминиевом сплаве 1163 РДТВ с использованием следующих технологических режимов: диапазон частоты вращения сварочного инструмента n = = 1500 18 000 об/мин; диапазон скорости подачи S = 120 ^ 1000 мм/мин. Кроме того, исследовалась свариваемость титанового сплава ВТ6, меди и некоторых сталей. Измерение изменений сил проводились с помощью динамометра Kistler и компьютера со специальной программой, регистрирующей значения сил, действующих на заготовку [6].

б)

— общий вид устройства ВСТП;

Рис. 2. Установка высокоскоростной сварки трением перемешиванием: а б — расчетная геометрическая модель

Рис. 3. Инструменты для сварки трением: а — с наконечником, выполненным в виде параболоиды и вогнутым буртом; б — с коническим наконечником гиперболической формы и вогнутым буртом; в — с коническим спиральным наконечником и плоским буртом со спиральными канавками

Исследования ВСТП проводились с использованием сварочного инструмента различной формы (рис. 3), в частности со спиральной нарезкой, параболической и гиперболической формой.

Экспериментальные исследования

Результаты измерения зависимости осевой силы от частоты вращения шпинделя для инструментов с различной формой рабочей части показаны на рис. 4.

Установлено, что при больших частотах вращения шпинделя минимальные значения сил, действующих на инструмент, наблюдаются при использовании инструмента с рабочей частью гиперболической формы.

Резкое уменьшение осевой силы в процессе движения инструмента можно наблюдать лишь до определенного значения частоты вращения. Это связано с тем, что температура, достигнув значения температуры пластификации материала ТПл = 0,7 + 0,8, далее увеличивается незначительно, поскольку вследствие нагрева материала снижается сила трения. По этой причине существует определенный предел частоты вращения инструмента, при достижении которого нормальная осевая сила далее слабо уменьшается или не уменьшается вовсе.

Некоторое возрастание осевой силы с увеличением частоты вращения для инструмента со спиральной нарезкой можно объяснить тем, что меняется характер течения материала в спи-

ральных нарезках инструмента. Вследствие этого возникают вибрационные процессы, приводящие к тому, что сила не уменьшается, а наоборот, немного увеличивается.

Распределение микротвердости по сечению шва может носить различный характер в зависимости от свариваемых материалов, режимов обработки (термомеханических условий формирования шва) и положения сечения по глубине сварного шва. Это обусловлено множеством факторов, основными из которых являются конкурирование процессов термического воздействия, деформационного упрочнения и его устойчивости при температурном воздействии.

Измерение микротвердости позволяет прогнозировать прочностные свойства шва, опре-

Р, Н

п, об/мин

Рис. 4. Влияние частоты вращения инструмента на осевую силу (скорость сварки V = 700 мм/мин): 1 — инструмент с параболическим наконечником; 2 — инструмент с гиперболическим наконечником; 3 — инструмент со спиральной нарезкой

МЕТАЛЛООБРАБОТКА

шдш

делить размеры и особенности зон сварки (термического влияния, термодеформационной, перемешивания). В деформируемых алюминиевых сплавах большая часть упрочнения

а)

Н, кг/мм2

150 140 130 120 110 100 90

ЗТВ ЗТМ В Яд ро З 1 ТМВ 1 1 ЗТВ

1 Л 1 л • / \ 1 / \ Г \ 1 1 1 3

\ 1 \ 1 1 1 у 1 2

( 1 \ 1 1 1

\ 1 1 1 1 1 1 1

1 V ) Г \ \ у 1 1 • 1 1 . 1 У ✓

\ \ 1 1 1 1 1

б)

3600

3600

3600

-6

-4-2 0 2

Расстояние от центра L, мм

в)

140 120 100 80 60 40 20 0 -20 -40

МПа

Й

-15

15

-8 -4 -2 0 2 4 8 Расстояние от центра L, мм Па

Л Л и

м

»

/

\ Л,

лГ V

-10 -5 0 5 10

Расстояние от центра L, мм

Рис. 5. Распределение микротвердости и остаточных напряжений в сечении сварного шва: а — изменение микротвердости после СТП сплава 1163 РДТВ в процессе естественного старения; 1 — 24 ч; 2 — 192 ч; 3 — 1200 ч;

б — зависимость микротвердости от расстояния от центра шва; сплав ВТ6; в — распределение остаточных напряжений в поперечном сечении шва: п = 1600 об/мин, v = 150 мм/мин

(естественное старение) происходит при комнатной температуре в течение одного дня. В целом механические свойства стабилизируются после четырех дней. Большая часть изменения твердости происходит в первую неделю. По истечении этого времени, твердость стабилизируется и материал достигает состояния равновесия. Как показывает практика, зависимость твердости для алюминиевых сплавов, сваренных СТП, имеет вид "-образной кривой. Можно выделить четыре основные зоны распределения твердости по поперечному сечению сварного шва (рис. 5, а):

• на протяжении ядра сварной точки 5-6 мм с каждой стороны линии соединения, в этой зоне твердость почти постоянна;

• зона термомеханического влияния (ЗТМВ) находится на протяжении 5-6 мм от зоны ядра сварной точки, в ней твердость имеет пониженный уровень;

• зона термического влияния ЗТВ находится на протяжении 15-20 мм от ЗТМВ, здесь твердость достигает минимума, а затем увеличивается с увеличением расстояния от центра сварки и даже достигает твердости больше, чем основного металла;

• основной материал, не затронутый СТП.

На рис. 5, б приведены результаты измерения микротвердости в зоне шва после сварки титанового сплава ВТ6.

Остаточные сварочные напряжения являются неотъемлемым результатом любого сварочного процесса. Они отрицательно сказываются на прочности, долговечности, устойчивости, размерной стабильности сварной конструкции и особенно опасны для конструкций с небольшим запасом пластичности, имеющих концентраторы напряжений. Задача снижения либо оптимального перераспределения остаточных напряжений не может быть решена без данных об их распределении.

Получение этой информации расчетным путем затруднено большим разнообразием узконаправленных методик и отсутствием общего решения.

Кроме того, расчет не в состоянии учесть все особенности сварочного процесса и все случайные факторы. Поэтому во многих случаях предпочтительнее использовать способы непосредственного измерения остаточных напряжений. В настоящей работе остаточные напря-

4

6

ЧЕТАППООЕ

жения определялись рентгеновским способом на дифрактометре Хв^еББ 3000 ОЗ/ОЗИ по методике, основанной на измерении деформации кристаллической решетки исследуемого объекта по смещению линий дифракционного спектра. На рис. 5, в приведен характер распределения остаточных напряжений в поперечном сечении шва, определенный методом рентгеновской дифракции.

Характерные макроструктуры швов, получаемых при ВСТП, представлены на рис. 6.

Технология ВСТП была применена для сварки типовых соединений конструкций (рис. 7).

Сварка трением имеет широкие технологические возможности для получения неразъемных соединений деталей узлов авиационной и ракетной техники, в том числе из разнородных материалов.

В целях оценки производственной привлекательности метода сварки трением с перемешиванием в качестве технологии соединения компонентов конструкции специальных изделий авиакосмической техники была проведена технологическая экспертиза [7], в результате которой установлены производственная целесообразность и коммерческая привлекательность применения сварки трением с перемешиванием в решении специальных задач аэрокосмического производства.

а)

б)

2 мм

б)

Рис. 6. Макроструктура сварного шва: а — п = = 1500 об/мин; V = 250 мм/мин; б — п = 18 000 об/мин; V = 2000 мм/мин

Рис. 7. Соединения методом ВСТП различной формы: а — пластина из титанового сплава ВТ6, сваренная с защитой шва аргоном; б — труба из сплава АД1; в — ВСТП внахлест сплава 1163 РДТВ

Выводы

Выполненные исследования перемешивающей и точечной сварки трением алюминиевого сплава 1163 РДТВ позволили установить особенности формирования сварных соединений и приобрести практический опыт выполнения технологических операций получения сварных швов разного типа. Спроектированы и изготовлены специальные инструменты и технологическая оснастка для сваривания типовых узлов. На основе исследований макро-и микроструктуры, микротвердости, уровня остаточных напряжений и прочностных испытаний выполнена оптимизация технологических режимов и условий сварки. Выполнены исследования прочностных свойств сварных швов, показавшие, что их уровень находится в пределах 90-95 % прочности основного материала.

По результатам проведенных экспериментальных исследований и опытной эксплуатации спроектированного оборудования можно сделать следующие выводы.

1. Благодаря увеличению тепловыделения применение технологии высокоскоростной перемешивающей сварки трением обеспечивает высокую прочность соединений при одновременном увеличении скорости сварки.

2. Высокоскоростная сварка трением перемешиванием позволяет получить качественное соединение при меньших нагрузках на конструкцию оборудования и зону сваривания, что дает возможность использовать для СТП обычное металлорежущее оборудование и промышленные роботы, открывает новые перспективы в развитии областей применения перемешивающей сварки трением.

3. Результаты технологической экспертизы показали значительную степень превосходства интегральной оценки мееода ИСТП по сравнению с другими методами сварки. Устанавле-ны проиоводственная целесооброаность и коммерческая привлекательность применения сворки трением с перемешиванием в решении специальных заддчах аэрокосмического производства.

Таким образом, по результаокм экспериментальных исследований можно сделать вывод, что ВСТП позволяет получить качественное

соединение при меньших нагрузках на конструкцию оборудования. Следовательно, данное направление открывает новые возможности в развитии перемешивающей сварки трением, особенно применительно к материалам с высокой температурой плавления.

Литература

1. А.с. СССР 1195846. Кл. МПК В 23 1С.

2. Пат. Ru (11) 2 277 465(13) C1. Кл. МПК В 23 К 20/12 (2006.01).

3. Технология производст ва авиационных газотурбинных двигателейт: учеб. пособ. / Ю. С. Елисеев, А. Г. Бойцов, В. В. Крымов, Л. А. Хворостухин. М.: Машиностроение, 2003. 512 с.

4. Dawes C. J., Thomas W. M. Friction stir process welds ¡aluminum alloys // Welding Journ. 1996. N 75 (3). P. 41-45.

5. Friction Stir Welding — Process Variants and Recent Industrial Developmenti / I. M. Norris, W. M. Tlromas, J. Martin, D. J. Staines 10th International AacOen Welding Conference, Welding and Joining, Key Technologies for the Future, Eurogress, Aachen. Oct. 2007. Р. 24-25.

6. Качко В. В., Курицын Д. Н., Бойцов А. Г. Влияние технологических факторов высокоскоростной перемешивающей сварки трением на качество получаемых соединений // Вест. МАТИ. 201 2. Вып. 19 (91). С. 156-162.

7. Курицына В. В., Курицын Д. Н., Косов Д. Е. Автоматизированная систе ме обработки экспертн ых оценок при принятии технологических решений / / Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2012. Т. 8. № 4. С.44-55.

Уважаемые коллеги!

Оисотио едсидеееое оедосакдееое еддекссо ео еоучед-еодкзцддсицееетй жуоеои «МЕТАЛЛООБРАБОТКА», Жуоеои учоеждее к кздоеисе ОАО «Издоиееьсицд «Пдекиеьексо» с 2001 г,

Тематика: дбообдисо ооиеокоидц оезоекео, доцееекео, эеесиодфкзкчесске к эеесиодькокчесске оеиддт дбообдиск; едцте иеьедедгкк к ооиеокаит,

Ткоож 2500 эсз., дбъео 56 с,, ееокддкчедсиь — 6 едоеодц ц гдд, сидкодсиь ддедгд едоеоо — 700 оуб. Пдсидееето еддексчксоо 10 % сскдсо, С 2003 г, журеои цсеючее ц Пеоечееь ВАК,

Приглашаем к сотрудничеству авторов: научные статьи, одобренные редколлегией, редактируются и печатаются бесплатно.

Для рекламодателей по запросу высылаем расценки.

Подписные индексы: ед соиоидгу «Рдсеечоиь» — № 14250, ед Объедкеееедоу соиоидгу «Поессо Рдсскк» (чеоез огееисицд «Кекго-сеоцкс») — № 11828