ЗАСТОСУВАННЯ ІНСТРУМЕНТІВ З НАДТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ ДЛЯ ЗВАРЮВАННЯ ТА МОДИФІКАЦІЇ СТРУКТУРИ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ МЕТОДОМ ТЕРТЯ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ Чл.- кор. НАН України, д.т.н., проф., зав. відд. Майстренко А.Л. – ІНМ Чл.- кор. НАН України, д.т.н., зав. відд. Нестеренков В.М. - ІЕЗ

ЗВАРЮВАННЯ ТЕРТЯМ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ (ЗТП)

Схема взаємодії інструменту з матеріалом виробу в режимі тертя з перемішуванням Thomas W. M., Nicholas E. D., Needham J. C. et al. Patents on friction stir butt welding British: ; USA: Welding Institute 1 – Плита металу 2 – Зона ТП 3 – Інструмент (PIN) 4 – ЗТМВ СПОСОБ ИНЕРЦИОННОЙ СВАРКИ ТРЕНИЕМ АС ГуревичС. М., Дьяченко В. И., Замков В. Н. та інш., ІЕЗ НАНУ, 1971

ЗТП (ТП) у сучасному машинобудуванні / Зварювання деталей аерокосмічної техніки Структура зони зварювання металів тертям з перемішуванням РЕМОНТ ТА ВІДНОВЛЕННЯ МІДНИХ КРИСТАЛІЗАТОРІВ МНЛЗ Основний Зона Зона термо- Зона Зона термо- Зона Основний метал метал термічного -механічного перемішу- -механічного термічного впливу впливу вання впливу впливу ПРОЦЕС МОДИФІКАЦІЇ СТРУКТУРИ МЕТАЛІВ І СПЛАВІВ ТЕРТЯМ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ Т=(0,4-0,5)Т пл

ІНСТРУМЕНТИ ДЛЯ ЗТП та ТП

а - Р18 б – ВК8 в - Кубоніт Загальний вигляд інструментів для зварювання, наплавки та модифікації тертям з перемішуванням: а – сталевий (Р18), для ЗТП та модифікації структури алюмінієвих та магнієвих сплавів; б - з твердого сплаву ВК8 для наплавки міді; в - з кубічного нітріду бору (cBN-Кубоніт) для наплавки нікелю Дослідні інструменти для ЗТП та модифікації структури металів і сплавів

Стенд для вимірюванням розподілу температури й складових зусилля під час наварювання плити міді на мідну основу тертям з перемішуванням

Загальний вигляд зразку міді з наплавленим ЗТП нікелевим покриттям

Експериментальне вимірювання розподілу температури по глибині зони зварювання (Програма НАН України “РЕСУРС”) 20 мм мм 5 15

Т0СТ0С мм РОЗПОДІЛ ТЕМПЕРАТУРИ в ЗОНІ ТП по СПЛАВУ МЛ10 (режим руху інструменту ν =20 мм/хв; ω = 600 хв -1 ) Марка сплаву Температура плавлення сплаву Т 0 С Тепература модифікації структури сплаву Т 0 С МЛ АМг Д T Т=(0,4-0,5)Т пл

Залежність температури при наварюванні нікелю на мідь від параметрів руху інструменту

Схеми розміщення зразків з алюмінієвих та магнієвих сплавів для обробки тертям з перемішуванням їх поверхневого шару на робочому столі вертикально-фрезерного верстату моделі 6Л12П.

Режим руху інструменту ν=20 мм/хв; ω = 600 хв-1

Середній розмір зерна вихідного сплаву МЛ10 d ср = 75,8 мкм Вихідний метал сплаву МЛ10 Вихідний метал сплаву МЛ10 Вихідний стан структури ливарного магнієвого сплаву МЛ10

БУДОВА ЗОНИ ТЕРТЯ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ

Зона ТП 1,2-4,5 мкм Вихідний сплав МЛ10 75,8 мкм ЗТМВ L=400 мкм 7,8 мкм Глибина 5 мм БУДОВА ЗОНИ ТЕРТЯ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ СПЛАВУ МЛ10

Вплив кінематичних параметрів руху інструменту на формування розміру проміжної зони ЗТМВ при ЗТП магнієвого сплаву МЛ10 ν= 20 мм/хв; ω = 630 хв -1 ; Т=360С; L=400 мкм ν= 31,5 мм/хв; ω = 630 хв -1 ; Т=350С; L = 1000 мкм ν= 40 мм/хв; ω = 630 хв -1 ; Т=340С; L=2200 мкм ν=20 мм/хв; ω = 800 хв -1 ; Т=350С; L= 300 мкм ν= 31,5 мм/хв; ω = 800 хв -1 ; Т= 360С; L = 570 мкм ν=40 мм/хв; ω = 800 хв -1 ; Т=380С; L = 100 мкм

Вплив модифікації структури ливарного магнієвого сплаву МЛ10 на зміну розміру зерна в зоні обробки ТП Середній розмірзерна, мкм Вихідний стан ТП Основний метал ЗТМВТП 75,8 7,81,2 - 4,5 Подача ν, мм/хв Температура, С° ω= 630 хв -1 ω= 800 хв -1 20, , ,

МОДЕЛЮВАННЯ ТЕПЛОВОГО СТАНУ В ЗОНІ ПРОЦЕСУ ЗТП

Модель твердосплавного функціонального елементу (PIN) для зварювання металів тертям з перемішуванням (ЗТП) 1,2 – деталі, що зварюються; 3 – PIN з буртиком; 4 – твердосплавна обойма; 5 – сталевий тримач; 6 – сталевий стрижень приводу

.. Математична модель теплового стану робочего елементу інструменту (PIN) в процесі зварювання листів металів (Cu, Ni, Al, Mg) тертям з перемішуванням - рівняння теплопровідності - на поверхнях контакту діють поверхневі теплові джерела з величиною теплового потоку - від тертя - від деформування металу -коефіцієнт тертя - умови конвективного теплообміну - умови випромінювання тепла згідно закону Стефана-Больцмана - середнє значення температури - граничні умови теплообміну -де Результати чисельного експерименту по розрахунку максимальної температури в системі інструмент–деталь в процесі ЗТП:. qAqA qTqT q=q T +q A

Зміна температурного поля (К) в інструменті з буртиком та у деталях в різні моменти часу тертя з перемішіванням 9,92 с 124 c 125,24 с 260,4 с

Зміна температурного поля (К) в штирі з буртиком в різні моменти часу на етапі заглиблення штиря в деталь 9,92 с 75,64 с 123,38 с 124 c

ВИКОРИСТАННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРТЯ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ ДЛЯ РЕМОНТУ ТА ВІДНОВЛЕННЯ РЕСУРСУ ДЕТАЛЕЙ ВИРОБІВ АВІАЦІЙНОЇ ТЕХНІКИ

Структура зварного шва після електронно-променового зварювання сплаву 7010 Вихідний Зварний щов Вихідний метал ЕПЗ метал

Стан структури ЕПЗ і властивості шву магнієвого сплаву МЛ10 з модифікованим шаром зварюваних поверхонь виробу Осн.мет. Мод.. ЕПЗ Мод. Осн.мет. ТП ТП Тип зразка  В, МПа  0,2 МПа ,% ψ, % Основний метал230,6140,05,911,1 Після ЕПЗ197,9134,36,512,0 Після ЕПЗ деталей з модифікованими ТП поверхневими шарами 216,8153,9 6,6 12,5 ТипСередній розмір зерна, мкм обробкиОМТПЕПЗ 75,81, ЕПЗ75,8---9,3 ТП+ЕПЗ75,86,49,8

α 20C =0, /K; α 650C =0, /K σ ≈ K · ∆α · ∆T ≈ ·0,00008 ·600 = 1997 МПа; σ в = 226 МПа Стан границь ЕПЗ шву ливарного магнієвого сплаву МЛ10

Вихідний метал сплаву МЛ10 Метал ЕПЗ швусплаву МЛ10 Метал ЕПЗ швусплаву МЛ10

Середній розмір зерна, мкм Тип обробки Основний метал ЕПЗ 75,8 9,3 Розподіл середнього розміру зерна в зоні ЕПЗ шву алюмінієвого сплаву 7010

Структура ЕПЗ шва сплаву МЛ10 по модифікованому шару Вихідний Модифікований Шов Модифікований Вихідний метал шар ЕПЗ шар метал 75,8 мкм 6,4 мкм 9,3 - 9,8 мкм 6,4 мкм 75,5 мкм

Середній розмір зерна, мкм Тип обробки Основний метал ЗТМВ ТПЕПЗ Вихідний стан ТП75,8 7,8 1, ЕПЗ75, ,3 ТП+ЕПЗ75,8 7,8 6,49,8 Вплив обробки ТП на зміну розміру зерна в зонах ЕПЗ магнієвого сплаву МЛ10 Метал ЕПЗ ТП ЗТМВ Осн.мет.

Структура ЕПЗ шву по модифікованому шару сплаву МЛ10

Тип зразка  В, МПа  0,2, МПа ,% ψ, % Основний метал230,6140,05,911,1 Після ЕПЗ197,9134,36,512,0 Після ЕПЗ деталей з модифікованими ЗТП поверхневими шарами 216,8153,96,612,5 Швидкість подачі ν, мм/хв № режиму / Частота обертання шпинделя ω, хв -1 / Товщина перехідної зони ЗТМВ L, мкм 20,0№1 / 630 / 400№4 / 800 / ,5№2 / 630 / 1000№5 / 800 / ,0№3 / 630 / 2200№6 / 800 / 100 Оптимальні кінематичні параметри модифікації структури сплаву МЛ10 тертям з перемішуванням

ВИПРОБУВАННЯ ТЕХНІЧНОЇ МОЖЛИВОСТІ МОДИФІКАЦІЇ СТРУКТУРИ МАГНІЄВИХ СПЛАВІВ З МЕТОЮ УСУНЕННЯ ПОВЕРХНЕВИХ ДЕФЕКТІВ НА ЛИТИХ КОРПУСАХ ВИРОБУ 78 (договiр №2843 з ПАТ ”Мотор – Січ”) ЗТП тріщин ЗТП поверхневих дефектів лиття ЗТП стрінгера

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ -Розроблені інструменти використані для наплавки нікелю на мідну основу кристалізатора МНЛЗ, а також для обробки поверхневих шарів магнієвих сплавів МЛ10, МА2 та алюмінієвих сплавів 7010, Т6 тертям з перемішуванням з метою модифікації структури спрямованої на формування в зоні обробки дрібнозернистої структури сплаву (розмір зерна 1,2-4,5 мкм), що за розмірами зерен в рази менших за вихідні (75,8 мкм); -Виконане експериментальне вимірювання розподілу поля температури в зоні модифікації сплавів МЛ10 і 7075 та ЗТП нікелю на мідь. Визначено, що максимальна температура нагрівання сплаву в зоні контактної взаємодії інструмента з оброблюваними ТП шарами зразків досліджуваних сплавів досягала С, що відповідає відомій умові дії максимальної температури при ЗТП (0,4-0,5)Т пл ; -Оптимальні параметри режиму модифікування поверхневих шарів магнієвих та алюмінієвих сплавів тертям з перемішуванням (ТП) визначено, виходячі з крітерію утворення максимальної товщини проміжної зони ЗТМВ. Для магнієвого спалаву МЛ10 це відповідає швидкості подачі інструменту – 31,5- 40 мм/хв і частоті обертання шпинделя – 630 хв -1, які до того забезпечують суцільність шару і відсутність відшарувань обробленого шару ЗТП від основного металу виробу. -Виконаний аналіз впливу кінетичних параметрів інструменту на зміну мікроструктури модифікованих поверхневих шарах виробів і зварних з’єднань отриманих методом електронно-променевої зварки. Розроблені рекомендації з впровадження процесу тертя з перемішуванням ремонтно-відновлюючі технології виробів з алюмінієвих та магнієвих сплавів у авіаційному виробництві;

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ !