Особенности сварки трением с перемешиванием кольцевых швов малого диаметра

УДК 621.791.14

ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ КОЛЬЦЕВЫХ ШВОВ

МАЛОГО ДИАМЕТРА

FEATURES OF FRICTION STIR GIRTH WELDING OF SMALL-DIMENSION PARTS

И. К. Черных, Е. В. Васильев, П. Е. Попов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

K. Chernykh, E. V. Vasil'ev, P. E. Popov

Omsk state technical university, Omsk, Russia

Аннотация. Метод сварки трением с перемешиванием (СТП) является серьезным конкурентом по отношению к другим методам сварки при изготовлении емкостей из алюминиевых сплавов. Тем не менее множество исследований, направленных на изучение данного метода, проводятся при изготовлении линейных стыковых швов. В статье рассматриваются особенности изготовления кольцевых швов методом СТП, в том числе деталей из алюминиевого сплава АМГ6 диаметром до 120 мм. Целью исследования является разработка рекомендаций по сварке кольцевых швов малогабаритных деталей. Были проведены эксперименты по изготовлению кольцевых швов на трубных заготовках диаметром 112 мм с толщиной стенки 6 мм и сплошных диаметром 118 мм. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что на качество шва наибольшее влияние оказывает величина пятна контакта инструмента с деталью и угол наклона инструмента по отношению к свариваемым деталям. Предложена схема сварки со смещением инструмента. Выявлены дефекты, характерные для кольцевых швов деталей малого диаметра. Полученные результаты можно использовать при проектировании технологического процесса сварки емкостей и труб малых диаметров из алюминиевых сплавов.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, фрикционная сварка.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-3-116-122

I. Введение

Кольцевые сварные соединения используются при изготовлении резервуаров, труб и корпусов изделий различных отраслей промышленности. Сварка кольцевых швов в массовом производстве осуществляется, как правило, в полуавтоматическом режиме при помощи специальных установок. Данные установки в общем случае состоят из оснастки для закрепления свариваемых деталей, устройства их вращения и сварочной головки. Одна из таких установок представлена в исследовании [1]. В упомянутом исследовании рассматривается автоматическая сварка под слоем флюса кольцевых швов газовых баллонов из стали с различной толщиной свариваемых кромок. Недостатками данного метода сварки является использование расходных материалов: проволоки и флюса, а также необходимость разделки сварочных кромок.

Данных недостатков лишен метод электронно-лучевой сварки (ЭЛС), который рассматривается в исследовании [2]. Согласно данным исследования [2] метод ЭЛС является наиболее перспективным при изготовлении крупногабаритных обечаек из алюминиевых сплавов больших толщин. Однако и данный метод сварки также обладает недостатками, вызванными особенностями самого метода, а именно: необходимость создания в зоне сварки вакуумной камеры, а также необходимость применения специального оборудования. Данных недостатков лишен метод сварки трением с перемешиванием. В современном машиностроении метод СТП считается перспективным для решения многих технологических задач, в том числе для сварки емкостей и изделий сложной геометрической формы из алюминиевых сплавов. Преимущества (равно как и некоторые недостатки, в том числе устранимые) данного метода по отношению к альтернативным методам сварки ранее неоднократно были упомянуты во множестве исследований [3-6].

Среди большого числа исследований как метода СТП, так и его применимости к решению различных технологических задач, лишь малая часть направлена на изготовление кольцевых стыковых соединений, а также сварных швов деталей сложной геометрической формы. Среди всех исследований можно выделить работу по изготовлению деталей, приближенных к изделиям ракетно-космической техники, проведенную специалистами ЗАО «Завода экспериментального машиностроения» и РКК «Энергия» [7], а также исследование по сварке алюминиевых труб из сплава 6082-T6 диаметром 38 мм с толщиной стенки 3.5 мм с использованием инструмента с подвижным пином [8]. В данных работах были получены качественные сварные швы, однако эксперименты проводились на специализированных установках для сварки трением с перемешиванием фирм I-STIR и PowerStir.

Одним из преимуществ СТП является то, что сварку можно осуществлять при помощи универсального оборудования, например промышленных роботов или вертикально-фрезерных станков. Само собой, оборудование должно выдерживать высокие нагрузки, действующие на шпиндель в процессе сварки (при сварке алюминиевых деталей нагрузка может достигать 15 кН [9] и более). Важная особенность специализированных установок для СТП заключается в том, что шпиндель с инструментом имеет возможность поворота в небольшом диа-

пазоне углов. Необходимость наличия поворотного шпинделя обусловлена тем, что для образования качественного сварного соединения необходимо обеспечить угол наклона оси инструмента по отношению к перпендикуляру, проведенному вертикально к линии направления подачи. Величина этого угла может колебаться в зависимости от сплава и геометрии инструмента и, как правило, находится в диапазоне от 2 до 5°.

Например, в упомянутом выше исследовании [8] швы изготавливались с углом наклона инструмента 2 и 2,5° при диаметре заготовок 38 мм; в исследовании, проведенном российскими учеными ЮУрГУ [10], угол наклона устанавливался также 2° при большем диаметре заготовок. Наличие поворотного шпинделя не всегда оправдано, поскольку неповоротный шпиндель имеет большую жесткость и меньшую стоимость, но он необходим для сварки линейных стыковых швов. В случае же кольцевых швов заготовок малого диаметра (до 1 м) необходимый угол наклона инструмента можно создать «искусственно», что позволит осуществлять сварку на трехосевых вертикально-фрезерных станках с ЧПУ, современные конструкции которых не оснащены поворотным шпинделем.

II. Постановка задачи

Целью данного исследования является получение сварных швов методом сварки трением с перемешиванием алюминиевого сплава АМГ6 на трубных заготовках с наружным диаметром 112 мм и толщиной стенки 6 мм, а также на кругах диаметром 118 мм при помощи трехосевого вертикально-фрезерного станка, оценка их качества и разработка рекомендаций по сварке деталей малого диаметра на станке с неповоротным шпинделем.

Сварка будет осуществляться на вертикально-фрезерном обрабатывающем центре. Эскиз инструмента, установленного в оправке Weldon 020 с конусом DIN 40 представлен на рисунке 1. Инструмент, применяющийся в исследовании, изготовлен из стали 45ХМФС с термообработкой до твердости 51.. .55 HRC и геометрией конструкции АО «ВНИИАЛМАЗ» для сварки алюминиевых сплавов толщиной 6 мм. Схема сварки трубных заготовок представлена на рисунке 2. Сварка кругов будет осуществляться по аналогичной схеме, но с отсутствием подложки 2, поскольку металл сплошной. Технически эксперимент по сварке кругов нельзя назвать сваркой, поскольку не происходит соединение деталей, но в данном случае сварку по сплошному металлу можно считать аналогичной сварке двух деталей (которые установлены встык без зазора), со стыков которых были удалены оксидные пленки.

Рис. 1. Инструмент для СТП, применяемый в исследовании

Согласно схеме сварки, когда угол наклона инструмента по отношению к свариваемым деталям равен нулю (рис. 2), детали 1 жестко установлены на вращающейся оправке 2, которая выполняет функцию формирующей подложки для тыльной стороны шва. Инструмент для сварки 3 установлен в патроне 4. Ось инструмента, вращающегося со скоростью пи (об/мин), совпадает с плоскостью стыка свариваемых деталей (например труб). В начале сварки вращающийся инструмент врезается со скоростью Sвр (мм/мин) в свариваемые детали на глубину, равную 80-95% длины рабочего стержня (пина) инструмента до контакта опорного буртика со свариваемыми деталями.

Рис. 2. Схема сварки трубных заготовок: а) положение перед началом сварки; б) положение во время сварки;

1 - свариваемые детали, 2 - подкладка, 3 - инструмент для СТП, 4 - оправка

III. Теория

После того как инструмент опустился на необходимую глубину, осуществляется вращение деталей со скоростью Пд (об/мин) или S^ (мм/мин) в любом из направлений. Поскольку на подавляющем большинстве фрезерных обрабатывающих центров подача поворотной оси задается в град/мин, необходимо перевести линейную скорость сварки в угловую. Для этого можно использовать следующую формулу:

= -— ^: : : , град/мин

где Vrc - линейная скорость сварки, мм/мин; D - наружный диаметр заготовки.

После сварки кольцевого шва инструмент поднимается. После сварки в конце шва остается отверстие, по форме повторяющее пин инструмента. Существует три технологических приема устранения данного дефекта: использование инструмента с регулируемым пином (пин в конце шва медленно поднимается до полного выхода, при этом сохраняется контакт буртика с заготовкой); заваривание сваркой плавлением (что не всегда предусмотрено конструкторско-технологической документацией и может снизить качество шва); использование специального клина, в котором остаётся отверстие, а затем механическое удаление клина. Прием с использованием клина подробно описан в исследовании [11].

Согласно описанной выше схеме непосредственное обеспечение угла наклона инструмента невозможно, поэтому предлагается заменяющая схема сварки - сварка со смещением инструмента в плоскости стыка (рис. 3).

Рис. 3. Сварка со смещением инструмента в плоскости стыка

Согласно данной схеме инструмент смещается на такую величину ^ которая обеспечит наклон плоскости буртика инструмента к плоскости, касательной свариваемым деталям, равный 1-5°. Величина смещения зависит от радиуса свариваемых деталей и угла наклона, который необходимо обеспечить. Знак смещения (влево или вправо относительно оси вращения свариваемых деталей) зависит от направления вращения деталей. Знак определяется таким образом, чтобы между буртиком инструмента и обрабатываемой поверхностью был зазор, а с противоположной стороны между буртиком и обработанной поверхностью было заглубление инструмента. Схема расчета величины смещения представлена на рисунке 4. На схеме величина 1 (ОАх) будет равна проекции вектора ОА на ось X. Длина вектора (смещение 1) определится по формуле:

.'-. = .'.-..:-- : : - .-.

где, ОАх - величина смещения (1);

ОА - наружный радиус свариваемых деталей, мм;

а - угол наклона плоскости буртика инструмента по отношению к лицевой плоскости свариваемых деталей, град.

ОАх

Рис. 4. Схема расчета величины смещения инструмента

Основной проблемой сварки кольцевых швов малого диаметра является малая площадь контакта буртика со свариваемыми деталями (рис. 5), от которой, как известно, зависит давление на свариваемые детали и создание необходимой температуры.

Рис. 5. Смещение инструмента при сварке деталей малого радиуса

Согласно схеме (рис. 4) площадь контакта буртика с заготовками будет зависеть от величины смещения (угла наклона инструмента), поскольку в данном исследовании форма и размеры буртика не изменяются. Для обеспечения оптимального контакта буртика с заготовками необходимо находить оптимальную величину смещения экспериментальным путем либо изменять форму и диаметр буртика до достижения необходимого качества.

IV. Результаты экспериментов

Полученные по вышеуказанной схеме сварные детали представлены на рисунках 6, 7. Сварка осуществлялась при частоте вращения инструмента 600 ...710 об/мин и подаче 40.. .60 мм/мин на различных образцах.

Рис. 7. СТП трубных заготовок с углом наклона 2 градуса после зачистки: а) наружная сторона; б) тыльная сторона

V. Обсуждение результатов

При сварке кольцевых швов на деталях малых диаметров наблюдаются два дефекта, которые не встречаются при линейной сварке. Один из них - бочкообразное сечение шва (рис. 8а). Для данного дефекта характерно занижение краев шва по отношению к наружному диаметру заготовки в поперечном сечении, в то время как центральная часть располагается на уровне наружного диаметра или выше него. Возникновение бочкообразного сечения можно объяснить тем, что инструмент заглубляется в металл неравномерно по площади буртика из-за малого наружного диаметра деталей. Оптимизировать площадь контакта в данном случае можно только коррекцией диаметра буртика до оптимальной величины, которая позволит получать качественный шов. Полностью избавиться от бочкообразного сечения шва при сварке деталей малого диаметра не представляется возможным, поскольку заглубление инструмента необходимо для образования качественного шва, но данный дефект можно минимизировать. При проектировании технологических операций по СТП деталей малого диаметра необходимо учитывать данный дефект - он создает местное уменьшение поперечного сечения, что снижает прочность изделия.

Второй дефект, характерный для СТП деталей малого диаметра, - возникновение местного наплыва в конце шва (рис. 8б). При создании наклона инструмента по отношению к свариваемым деталям при помощи его смещения, по ходу движения инструмента тыльная сторона буртика контактирует с заготовкой, а с фронтальной стороны присутствует зазор между буртиком и заготовкой. Во время сварки пластифицированный металл выталкивается инструментом, заполняет собой образующийся с фронтальной стороны зазор и остается в конце шва при подъеме инструмента. Данный дефект также возможно устранить при помощи корректировки диаметра буртика, но это также не всегда возможно. В процессе движения инструмента во время сварки данный зазор также является местом выхода грата, который образуется по краям шва. Возникновение данных дефектов также наблюдается на швах в исследовании [8].

а) б)

Рис. 8. Дефекты, характерные для СТП деталей малого диаметра: а) бочкообразное сечение; б) местный наплыв в конце шва

Режимы сварки, а именно частоту вращения и подачу для кольцевых швов, можно назначать аналогично линейным швам. Большое внимание при СТП кольцевых швов необходимо уделять жесткости оснастки для закрепления деталей. В случае линейной сварки детали жестко установлены на подложке, а при сварке кольцевых швов в качестве подложки необходимо использовать специальные приспособления. Необходимо также использовать люнеты или другие приспособления для исключения деформации деталей. В качестве подложки можно использовать кольца или круги, наружный диаметр которых будет совпадать с внутренним диаметром деталей, либо специальную регулируемую оснастку, причем второй вариант предпочтительнее, поскольку во время сварки трубных деталей происходит их деформация. Из-за силы давления инструмента на детали посадочный диаметр отверстия труб уменьшается в корне шва, что приводит к тому, что между подложкой внутри детали и самой деталью образуется плотное неразъемное соединение, сравнимое с посадкой с натягом.

VI. Выводы и заключение

Полученные результаты свидетельствуют о том, что получение кольцевых сварных швов при помощи оборудования, не имеющего поворотного шпинделя, возможно при помощи технологического приема - смещения инструмента. Величина смещения подбирается в зависимости от необходимого угла наклона инструмента (аналогично линейным швам). Результаты экспериментов показали, что для образования качественных сварных соединений алюминиевого сплава АМГ6 диаметром 100-120 мм оптимальный угол наклона составляет 2...40. В дальнейшем будет проведено более глубокое исследование процесса сварки с использованием схемы (рис. 3), а также возникновения дефектов (рис. 8) и их устранения.

Список литературы

1. Кокоулин Н. А., Деревянных А. Ю., Баяндин М. А., Дударев С. Е., Лялин А. Н. Технологические особенности автоматической сварки под слоем флюса кольцевых и продольных швов сборочных единиц из сталей с толщиной свариваемых кромок от 4 до 60 мм // Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение. 2012. № 3. С. 68-76.

2. Терновой Е. Г., Бондарев А. А. Электронно-лучевая сварка толстостенных обечаек из алюминиевых сплавов АМГ6 и М40 // Автоматическая сварка. 2012. № 4. С. 8-14.

3. Sizova Olga, Shlyakhova Galina, Kolubaev Alexander, Kolubaev Evgeny, Psakhie Sergey, Rudenskii Genna-dii, Chernyavsky Alexander, Lopota Vitalii Microstructure features of aluminum alloys welded joint obtained by friction stir welding // Advanced Materials Research. 2014. P. 174-179. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.872.174

4. Муравьёв В. И., Бахматов П. В., Мелкоступов К. А. К вопросу актуальности исследования сварки трением с перемешиванием конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов // Учёные записки КнАГТУ. 2010. №11-1(2). С. 110-125.

5. Padhy G. K., Wu C. S., Gao S. Friction stir based welding and processing technologies - processes, parameters, microstructures and applications: A review // J. of Mat. Science & Tech. 2018. Vol. 34. P. 1-38.

6. Gurunath Shinde, Sameer Gajghate, Dr.P.S.Dabeer, Dr.C.Y. Seemikeri Low Cost Friction Stir Welding: A Review // Materials Today. Proceedings. 2017. Vol. 4. P. 8901-8910.

7. Шачнев С. Ю., Пащенко В. А., Махин И. Д., Базескин А. В., Дубовицкий А. Д. Отработка технологии сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов 1570С, АМГ6 большой толщины для использования в перспективных разработках РКК «Энергия» // Космическая техника и технологии. 2016. № 4 (15). С. 24-30.

8. Hattingh D. G., von Wellighm L. G., Bernard D., Susmel L., Tovo R., James M. N. Semiautomatic friction stir welding of 38 mm OD 6082-T6 aluminium tubes // J. of Mat. Proc. Tech. 2016. Vol. 238. P. 255-266.

9. Chemykh I. K., Vasil'ev E. V., Matuzko E. N., Krivonos E. V. Upgrading weld quality of a friction stir welded aluminum alloys AMG6 // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 944. P. 1-9.

10. Сафин В. Н., Щуров И. А., Федоров В. Б. Отработка технологии сварки трением с перемешиванием для соединения труб из алюминиевых сплавов // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». 2012. № 33. С. 117-121.

11. Ханин В. В., Круглов П. В. Оценка технологических возможностей вварки патрубков в днища изделий ракетно-космической техники фрикционной сваркой // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 7. С. 67-71.