Технология и оборудование получения утолщённых кромок под сварку трением с перемешиванием

УДК 621.791.14                                           

Введение. О высоком уровне механических свойств соединений, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП), и о преимуществах этого способа сварки сообщают многие исследователи1 [1–5]. Вопросы, связанные с расчетом температурных полей при СТП рассматриваются в работе [6]. Однако, при СТП алюминиевых сплавов, высокая прочность которых достигнута термообработкой или упрочняющей деформацией, прочность сварных соединений составляет 0,78–0,94 прочности основного металла2 [7, 8]. В этих случаях компенсировать недостающую прочность возможно увеличением толщины металла в местах сварных швов или введением коэффициента запаса прочности. Последнее увеличивает вес конструкции и, соответственно, делает её неэкономичной. Обзор последних исследований, посвященных зависимости механических и микроструктурных свойств сварных швов при СТП с использование охлаждения, представлен в работе [9]. В работах [10, 11] рассматривается оптимизация процесса СТП при соединении алюминиевых сплавов. Влияние криогенной обработки и отжига на микроструктуру шва при СТП рассматривается в работе [12]. Способы достижения повышенной прочности соединения исследуются в работе [13]. Исследование влияния осевой силы при СТП рассматривается в работе [14]. Теоретические и экспериментальные исследования СТП соединения разнородных материалов и влияние не его прочность технологических параметров процесса рассматриваются в работах [15, 16].

Существуют несколько способов утолщения кромок в местах сварки. Их получают механическим или химическим фрезерованием3, 4, путём искусственного утонения основного металла, за исключением зоны, где производится соединение сваркой. Однако, эти операции приводят к уменьшению коэффициента использования материала до 0,5–0,7 и увеличению стоимости конструкции. К тому же эти процессы весьма трудоемки.

Иногда утолщение свариваемых кромок получают путём наплавки, что приводит к появлению высоких остаточных напряжений, увеличению сварочных деформаций и снижению эффективности применения высокопрочных сплавов 5 .

Целью данной работы является разработка и апробация технологии утолщения кромок под СТП, которая позволит увеличить коэффициент использования материала, снизить трудозатраты, увеличить несущую способность сварных соединений до уровня основного металла и повысить усталостную прочность соединений.

Материалы и методы. К геометрии утолщенных кромок, показанных на рис. 1, предъявляются следующие требования.

Во-первых, высота утолщения кромок h должна компенсировать недостающую прочность сварного соединения, вызванную утонением сварного шва заплечиками инструмента и разупрочнением сплавов в зоне термического влияния. Обычно, для высокопрочных алюминиевых сплавов эта величина составляет 10–25 % от прочности основного металла. В связи с этим h = (0,1–0,25) S, где S — толщина основного металла.

Во-вторых, ширина утолщения кромок b должна быть больше диаметра заплечиков инструмента для СТП.

В-третьих, ширина зоны пластических деформаций B, как показано на рис. 1 , должна перекрывать зону термического влияния, образующуюся при СТП.

Рис. 1. Геометрия утолщённых кромок: S—толщина металла; B —ширина зоны пластической деформации; b — ширина утолщения кромок; h — высота утолщения кромок

Процесс утолщения свариваемых кромок предлагается выполнять путём холодной прокатки. На рис. 2 показана схема установки для одностороннего утолщения одновременно двух кромок, которые подлежат сварке. Причем эту операцию можно выполнять на том же оборудовании, на котором впоследствии будет выполняться сварка.

а )

Рис. 2. Установка для утолщения кромок под СТП: а — общий вид установки; б — схема утолщения кромок

Установка для утолщения свариваемых кромок состоит из универсально-фрезерного станка 1, на скалке 2 которого установлен деформирующий ролик 3. На столе станка размещены тиски 5, в которых закреплены одновременно две заготовки 4, кромки которых подвергают утолщению. Установка работает следующим образом. Утолщаемые заготовки устанавливают вдоль ручья деформирующего ролика. Подъёмом

Машиностроение и машиноведение

• ⁴    Караченков Е.М. Повышение качества корпусных деталей ракетно - космической техники: автореферат дис.... к - та техн. наук / Е. М. Караченков; Гос. космич. научно - производ. центр им. М. В. Хруничева. Москва , 2000. 23 с.

• ⁵    Повышения усталостной прочности сварных соединений / Г. И. Капырин, Л. В. Грищенко, С. А. Куркин [ и др. ] . №1810924/25 -27; заявл. 18.07.1972; опубл. 25.08.1973, Бюл. № 31. 2 с.

стола создают заданную величину осадки кромок ∆. Включают перемещение стола вдоль ручья ролика. При этом происходит осадка свариваемых кромок на величину ∆ по всей длине заготовок.

Для расчёта геометрии утолщённых кромок и параметров деформирующего ролика, зависящих от величины осадки кромок ∆, разработана компьютерная модель, которая работает в конечно-элементном пакете ANSYS. Рассматривается контактная статическая задача о вдавливании ролика в заготовки (рис. 2 б ). В силу симметрии задачи, рассматривается упрощенная конструкция (рис. 3 а ), которая получается рассечением исходной двумя вертикальными плоскостями (плоскость между заготовками и плоскость, проходящая через ось ролика), на которых задаются условия симметрии, и одной горизонтальной (плоскость проходящая через ось ролика) на ней задается вертикальное смещение (осадка кромок заготовок).

а )                                                              б )

Рис. 3. Модель контактного взаимодействия ролика с заготовкой: а — геометрическая модель; б — конечно-элементная модель

В разработанной модели используется линейно-упругий материал для деформирующего ролика и билинейный упругопластический материал без упрочнения — для алюминиевой заготовки. Поверхности возможного контакта выделены (рис. 3 а ), на них задаются контактные элементы и конечно-элементная сетка сгущена (рис. 3 б ). Модель позволяет оценить напряженно-деформированное состояние взаимодействующих элементов конструкций в упругой и пластической областях, а также определить геометрию утолщённых кромок.

Исходными данными для работы модели являются:

• —    величина осадки свариваемых кромок А, мм;

• —    толщина свариваемых заготовок S, мм ;

• —    ширина утолщения кромок b > d/2, мм , где d — диаметр заплечиков;

• —    величина зоны пластических деформаций В > Т/2 , где Т — зона термического влияния при СТП, мм;

• —    величина утолщения кромок h = (0,1-0,25) S, мм ;

• —    толщина подготовленных под сварку кромок H=S+h, мм ;

• —    радиус деформирующего ролика R_g > 70 мм ;

• —    наружный радиус ролика R₀ = R_g + В, мм;

  
  

• —    зазор между боковыми поверхностями ролика и заготовками а = (0,1^0,25) S, мм ;

• —    ширина ролика С = 6S, мм;

• —    модуль упругости алюминиевой заготовки Е = 0,7 - 10 5, МПа;

• _    модуль упругости стального деформирующего ролика Е = 2,1 • 10 5, МПа;

• —    коэффициент Пуассона д = 0,33;

• —    предел прочности основного металла о b =390 МПа;

• —    предел текучести основного металла, о т =175МПа.

Результаты исследования. О геометрии утолщенных кромок в результате их осадки на величину ∆ можно судить по картине распределения осевых смещений в деформируемых кромках. В таблице 1 представлены распределение напряжений в заготовках толщиной 4,0 мм, геометрия и размеры утолщённых кромок при разной степени их осадки.

Таблица 1

Распределение поперечных смещений на деформированных заготовках толщиной 4,0 мм и геометрия утолщённых кромок при разной степени их осадки

Распределения поперечных смещений в заготовках при осадке кромок			Геометрия и размеры утолщённых кромок, мм	Величина осадки кромок ∆, мм
				0,1
	R		Ip	0,3
				0,5
				0,8
				1,2

Машиностроение и машиноведение

В таблице 2 приведены параметры, характеризующие геометрию утолщенных кромок при разной степени их осадки ∆.

Таблица 2

Размеры утолщенных кромок в зависимости от степени их осадки

По данным, представленным в таблице 2, построены зависимости B и b от ∆, показанные на рис. 4.

Рис. 4. Ширина утолщенных свариваемых кромок b и зона пластических деформаций B в зависимости от величины осадки кромок ∆

Расчетные параметры утолщенных кромок, мм Величина осадки кромок ∆, мм 0,1 0,3 0,5 0,8 1,2 1,5 Высота утолщенных кромок h 0,1 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 Ширина зоны пластической деформаций B 4,8 7,5 10,4 13,1 15,6 17,8 Ширина утолщённой кромки b 0 0,25 1,2 3,8 6,2 8,65 B-b 4,8 7,25 9,2 9,3 9,4 9,15

Следует обратить внимание на то, что при ∆ ≥ 0,5 величина ( B-b) практически одинакова и приблизительно равны 9,2 мм. При таких размерах угол подхода сварного соединения к основному металлу φ менее 1 градуса. В связи с этим, коэффициент концентрации напряжений стремится к единице. Это позволяет утверждать, что сварные соединения, выполненные СТП по утолщенным кромкам, будут иметь высокие показатели сопротивляемости к зарождению и развитию разрушения.

Для проверки адекватности модели расчёта утолщения кромок, использующую МКЭ, определили её согласованность с практикой. Для этого на вышеописанном оборудовании были получены утолщённые кромки при их осадке на 0,5 и 1,2 мм. Профиллограммы утолщённых кромок, полученные на двухкоординатном измерительном приборе ДИП-6, представлены на рис. 5.

б )

а )

Рис. 5. Геометрия утолщенных кромок после их осадки на величину: а — 0,5 мм; б — 1,2 мм

Видно, что размеры утолщённых кромок, полученные расчётным путём с использованием МКЭ, хорошо согласуются с экспериментальными данными. Расхождение не превышает 15 %.

Обсуждения и заключение. В работе предложена новая технология получения утолщённых кромок в местах выполнения сварных стыковых соединений. Разработана лабораторная установка, которая реализует предложенный метод. Основным элементом этой установки является осаживающий ролик, который действует на кромки свариваемых элементов и за счет пластической деформации вызывает утолщение этих кромок. Экспериментально исследована зависимость ширины утолщенной части в зависимости от осадки ролика. Для выбора этой осадки, при заданной ширине утолщения для различных по геометрии и механическим свойствам материалов, разработана математическая модель процесса деформирования. Эта модель реализована в конечноэлементном пакете ANSYS. Для рассматриваемого в работе материала и геометрии проведен численный эксперимент, результаты которого согласуются с данными эксперимента и подтверждают адекватность предложенной модели. Таким образом, подтверждена предложенная технология, позволяющая снизить металлоемкость конструкций и обеспечить прочность соединений не ниже прочности основного металла. Разработанная расчетная модель процесса утолщения кромок позволяет находить величину осадки деформирующего ролика для создания необходимой ширины утолщения.