Диссертация (1172984)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

На правах рукописи

Охапкин Кирилл Алексеевич

ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ

Специальность 05.02.10 – Сварка, родственные процессы и технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ

Башенко Всеволод Владимирович.

Официальные оппоненты:

Зубков Николай Семенович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», заведующий кафедрой «Технология металлов и материаловедение».

Конкевич Валентин Юрьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского», профессор.

Ведущая организация: ЗАО Научно-производственная фирма «Инженерный и технологический сервис», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится «27 » ноября 2012 г. в 15 часов 00 мин. в ауд. 232 на заседании диссертационного совета Д212.200.10 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М. Губкина по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «11 » октября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.200.10

доктор технических наук, профессор Л.А. Ефименко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития Российской Федерации является «Энергоемкость и энергоэффективность».

Сборочно-сварочные операции являются неотъемлемыми звеньями практически любого технологического процесса изготовления продуктов различных отраслей промышленности. Переход от шовной сварки к точечной во многих случаях обеспечивает сохранение требуемого уровня служебных характеристик сварного соединения наряду с сокращением времени выполнения сварки, снижением энергетических затрат и упрощением автоматизации процесса. В связи с этим важным, с точки зрения повышения энергоэффективности процессов сварки, является дальнейшее повышение служебных характеристик сварных соединений, выполняемых точечной сваркой, расширение сферы их промышленного внедрения на основе детальных исследований условий формирования и основных процессов протекающих в зоне сварки различных материалов.

Известен ряд распространенных способов точечной сварки металлов: холодная точечная сварка, контактная точечная сварка и др. Недостатками холодной точечной сварки являются относительно низкая прочность сварных соединений и огромное усилие вдавливания инструмента. При контактной точечной сварке удается получать соединения с высокими значениями прочностных характеристик, однако, для реализации технологического процесса требуются значительные энергетические затраты, часто выходят из строя комплектующие сварочных установок вследствие больших величин проходящего через них сварочного тока.

Сохранение прочностных характеристик сварных соединений на уровне контактной точечной сварки и значительное снижение энергетических затрат, напряжений и деформаций, структурной неоднородности может быть достигнуто за счет применения источника фрикционного нагрева. На основе источника фрикционного нагрева реализован способ точечной сварки трением с перемешиванием. Однако, известны успешные попытки соединения деталей лишь малых толщин (до 2 мм) данным способом, при этом уровень механических свойств был немногим выше свойств соединений, выполненных холодной точечной сваркой. Соединение деталей больших толщин и повышение уровня механических свойств при точечной сварке с применением источника фрикционного нагрева становится возможным на основе исследований условий и механизма формирования соединения.

Процесс формирования соединения при точечной сварке трением происходит в условиях фрикционного нагрева. Источник фрикционного нагрева находится на поверхности фактического контакта инструмента и заготовки. Большой вклад в исследование процессов нагрева при трении внесли ученые И.В. Крагельский, В.И. Вилль, В.П. Воинов, Н.Н. Рыкалин, Н.М. Михин, В.А. Балакин, В.С. Щедров, В.А. Кудинов, А.А. Ильюшин, А.В. Чичинадзе, М. В. Коровчинский, R. Nandan, A.P. Reynolds, С.А. Серегин и др. Однако, в трудах исследователей процессов фрикционного нагрева мощность источника тепловыделения является входным параметром модели либо определяется на основе решения сопряженной термомеханической задачи, которая обладает повышенной сложностью и требует большого числа экспериментально определяемых входных параметров.

Основным источником данных, позволяющим прогнозировать прочность сварных соединений в зависимости от параметров режима сварки, является исследование механизма образования соединения при точечной сварке трением. Этот способ относится к сварке в твердой фазе. Исследованию механизма образования соединения в твердой фазе посвящены труды многих ученых: К.А. Кочергина, М.Х Шоршорова, Р.А. Мусина, Г.В. Конюшкова, Э.С. Каракозова, Ю.Л. Красулина, В.П. Алехина, Ю.В. Холопова, И.М. Строймана, А.П. Семенова, А.С. Гельмана и др. Полученные исследователями данные позволяют рассматривать процесс точечной сварки трением с позиции трехстадийности. При этом не известны условия протекания каждой из стадий. Поэтому необходимо исследовать все стадии образования соединения, выявить лимитирующую и определить способы управления процессом на лимитирующей стадии.

Таким образом, актуальность работы заключается в современной необходимости разработки научно обоснованной технологии точечной сварки трением на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения, которая позволит значительно снизить энергетические затраты, облегчит реализацию процесса и позволит получить сварные соединения с высоким уровнем служебных характеристик.

Целью работы является разработка рекомендаций по практической реализации технологии точечной сварки трением, обеспечивающей получение сварного соединения с высоким уровнем свойств, на основе исследования тепловых процессов и механизма образования соединения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. разработать и провести экспериментальную верификацию физико-математической модели распространения теплоты при точечной сварке трением;

2. выявить основные конструктивно-технологические параметры режима сварки, которые оказывают влияние на структуру и свойства сварного соединения;

3. исследовать кинетику и условия протекания всех стадий образования соединения в твердой фазе в зависимости от конструктивно-технологических параметров режима сварки;

4. количественно оценить влияние температурно-временных условий нагрева и охлаждения на структуру металла на примере алюминиевого сплава АД31;

5. исследовать структуру и свойства сварного соединения, полученного по разработанной технологии.

Научная новизна диссертационной работы:

1. На основе исследований условий взаимодействия инструмента и заготовок в процессе точечной сварки трением установлено, что имеет место переход от внешнего трения к внутреннему (адгезионная прочность связи материалов инструмента и заготовки превышает когезионную прочность материала заготовки). Разработан критерий перехода, который позволяет определять условия фрикционного взаимодействия в каждой точке контакта инструмента и заготовок: превышение или равенство удельной силы трения значению предела текучести на сдвиг материала заготовки: μp ≥ τ_Т(T).

2. При помощи методов математического моделирования в совокупности с экспериментальными данными разработана физико-математическая модель для описания тепловых процессов при точечной сварке трением, при этом мощность источника фрикционного нагрева является выходным параметром модели и определяется в процессе решения задачи теплопроводности по формуле
   q = [(1 – δ)μpωr] + (δ(σ_T(Т)/ )ωr).

3. Получены экспериментальные данные, которые позволили установить влияние основных параметров режима сварки на размер периферийной зоны (где образуется соединение) сварной точки. Зависимость размера периферийной зоны от диаметра инструмента имеет вид: h = -0,81 + 0,5 d.

4. На основе исследования механизма образования соединения с позиции трехстадийности показано, физический контакт заготовок образуется на этапе погружения инструмента в заготовки (при условии надлежащей подготовки поверхности), схватывание контактных поверхностей протекает за время порядка
   10^-5 с. Лимитирующей стадией образования соединения является объемное взаимодействие.

5. На базе экспериментальных исследований стадии объемного взаимодействия заготовок с использованием математического планирования эксперимента и статистической обработки полученных данных определены степень и характер влияния основных параметров режима сварки на механические свойства соединения.

Практическая значимость результатов работы:

Разработанная и реализованная программно модель распространения теплоты от источника фрикционного нагрева позволяет прогнозировать структуру и свойства сварных соединений, выполняемых различными способами сварки трением.

В результате выполненных работ определен технологический режим точечной сварки трением алюминиевого сплава АД31, при котором обеспечиваются высокие значения механических свойств сварного соединения, близкие к контактной точечной сварке.

Проведенные исследования механизма образования соединения и тепловых процессов при точечной сварке трением на примере сплава АД31 позволяют создать единую методику разработки технологии сварки для группы деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой. Результаты исследований, проведенных в настоящей работе могут быть использованы при освоении технология точечной сварки трением в электротехнической и автомобильной промышленности.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием фундаментальных положений теории теплопроводности, большим объемом экспериментов, выполненных с привлечением современных методов исследования (стандартных и специально разработанных), сопоставлением установленных в работе закономерностей с фактами, полученными другими исследователями.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований доложены и обсуждены на международных конференциях:

- Международная научно-практическая конференция XXXX Неделя науки СПбГПУ, Санкт - Петербург, 2011;

- 9-я Международная научно-техническая конференция «Современные металлические материалы и технологии», Санкт – Петербург, 2011;

- 14-я Международная научно-практическая конференция «Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика», Санкт-Петербург, 2012.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, из них 2 – в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, основных выводов, библиографического списка. Работа содержит 162 страницы основного текста, включая 66 рисунков и 12 таблиц. Библиографический список включает 101 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность и обоснована цель проведенных исследований, сформулированы задачи, научная новизна и практическое значение диссертационной работы.

В первой главе работы представлен аналитический обзор литературы, в котором показаны основные преимущества точечной сварки трением (ТСТ) по сравнению с известными способами точечной сварки (контактная, холодная и др.), а также описаны известные способы моделирования тепловых процессов от источника фрикционного нагрева и выявлены их основные недостатки, проведено критическое рассмотрение представлений о механизме образования соединения в твердой фазе.

Схема процесса ТСТ представлена на рис. 1. На первой стадии инструмент, вращаясь, погружается в металл верхней заготовки (рис.1 а). На второй стадии происходит приложение нагрузки опорного бурта к верхней заготовке (рис.1 б). Основными преимуществами данного способа сварки являются: низкие энергетические затраты, снижение вероятности образования дефектов, возможность соединения деталей с большей разнотолщинностью, по сравнению с контактной точечной сваркой, значительное повышение прочностных характеристик и упрощение реализации технологического процесса (снижение усилия вдавливания инструмента в 3 – 10 раз), по сравнению с холодной точечной сваркой.

О

P

бластью применения точечной сварки трением могут являтся нахлесточные соединения пластичных металлов (алюминий, медь и др.) и сплавов толщиной 2 – 10 мм в однородном и разнородном исполнениях.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов диссертации