Диссертация (1172984), страница 2

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

Текст из файла (страница 2)

а) б)

Рис. 1. Схема процесса точечной сварки трением. P – сварочное усилие.

Анализ литературных данных по моделированию тепловых процессов при фрикционном нагреве показал, что в случаях, когда применительно к традиционной сварке трением и сварке трением с перемешиванием моделируется только распространение теплоты (без моделирования деформационных процессов), аналитический способ задания мощности тепловыделения не соответствует физическим особенностям процесса сварки, поэтому для уточнения требуются дополнительные экспериментальные исследования в каждом практическом случае выполнения технологического процесса.

Рассчитывать температурно-временные условия нагрева и охлаждения в зависимости от конструктивно-технологических параметров режима сварки при помощи совместного моделирования тепловой и механической задачи нецелесообразно, так как сложность модели не дает большого выигрыша в точности вычислений, по сравнению с тепловой моделью, в силу отсутствия экспериментальных данных по горячим механическим свойствам металлов в условиях сварки.

На основании анализа литературных данных можно заключить, что механизм образования соединения при точечной сварке трением можно рассматривать с позиции трехстадийности (образование физического контакта, активация и схватывание контактных поверхностей и объемное взаимодействие). При этом необходимо исследовать каждую из стадий образования соединения при точечной сварке трением, так как неизвестно какая стадия является лимитирующей. Именно полное протекание лимитирующей стадии процесса будет являться определяющим фактором в формировании свойств сварного соединения.

Во второй главе описаны материалы, методики и оборудование, использованные при проведении исследований. Основной объем исследований был выполнен на закаленном и искусственно состаренном деформируемом алюминиевом сплаве АД31. Химический состав сплава представлен в таблице 1.

Т а б л и ц а 1

Химический состав сплава АД31

Проведение экспериментальных исследований осуществляли на лабораторной установке на базе универсально-фрезерного станка модели 676, оснащенного средствами измерения температуры и усилия с использованием специального сварочного инструмента из стали марки 12Х18Н10Т. Для вращения шпинделя станок оснащен асинхронным электродвигателем трехфазного тока мощностью 3 кВт, напряжение питания - 380/220 В. Температуру заготовок измеряли хромель-алюмелевой термопарой. Для измерения сварочного усилия использовали динамометр ДС-3.

Исследование микроструктуры сплавов выполняли на металлографическом микроскопе Reichert-Jung MeF3A. Измерение микротвердости производили в соответствии с процедурой ASTM E384-89 на приборе Reichert-Jung Micro-Duromat 4000E.

Механические испытания на срез статическим растяжением проводили на машине Zwick/Roell-Z050 (Германия) с максимальным усилием 5 тс.

Третья глава диссертации посвящена разработке и верификации физико-математической модели образования и распространения теплоты при ТСТ, анализу тепловых процессов.

Выражение для нахождения удельной мощности тепловыделения от кругового источника фрикционного нагрева имеет вид:

q = ω r τ_к, (1)

где ω – угловая скорость вращения инструмента; r – расстояние от оси вращения инструмента до рассматриваемой элементарной площадки; τ_к – контактное напряжение на границе между инструментом и заготовкой.

В данной формуле значение τ_к является неизвестной величиной. Для проведения вычислений по формуле (1) необходимо ее преобразовать, то есть найти выражение для расчета контактного напряжения τ_к на поверхности фрикционного взаимодействия инструмента и заготовки. Такое преобразование возможно лишь при известных условиях взаимодействия инструмента и заготовки во времени.

Вид адгезионного взаимодействия в зависимости от внешних условий и времени изменяется. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования условий взаимодействия пары трения «инструмент – заготовка», показали, что в процессе сварки происходит переход от внешнего трения к внутреннему. В начале процесса имеет место внешнее трение (прочность когезионной связи материала заготовки выше прочности адгезионной связи материалов инструмента и заготовки). По мере нагрева материал заготовки разупрочняется, происходит его пластическая деформация и проникновение в микронеровности поверхности инструмента. При этом в определенный момент времени в данной точке прочность адгезионной связи инструмента и заготовки может превысить прочность когезионной связи материала заготовки и тогда произойдет переход от внешнего трения к внутреннему. Принимается, что в случае внешнего трения τ_к = μp (μ – коэффициент трения, p – удельное осевое усилие), в случае внутреннего - τ_к = τ_Т(T) (τ_Т – предел текучести при сдвиге, T – температура).

Сформулирован критерий перехода от внешнего трения к внутреннему: превышение или равенство удельной силы трения значению предела текучести на сдвиг материала заготовки: μp ≥ τ_Т(T). На основе данного критерия было получено аналитическое выражение для расчета мощности тепловыделения:

q = [(1 – δ)μpωr] + (δ(σ_T(Т)/ )ωr), (2)

где δ – постоянная, которая показывает какой вид фрикционного взаимодействия инструмента и заготовок реализуется в данный момент времени: δ = 0 – внешнее трение; δ = 1 – внутреннее трение; σ_T – предел текучести на растяжение материала заготовки.

Мощность тепловыделения зависит от температуры в рассматриваемой точке источника. Поэтому задача расчета мощности неотделима от решения уравнения теплопроводности. Температура в каждой точке в каждый момент времени вычисляется при решении трехмерного нестационарного уравнения теплопроводности. На основе полученных значений температур на каждом шаге по времени рассчитываются значения мощности тепловыделения в области действия источника.

Решение краевой задачи теплопроводности проводили методом конечных элементов. Геометрическая модель заготовки с нанесенной сеткой конечных элементов представлена на рис. 2.

Размеры пластины – 6х25х250 мм. Начальное условие: температура во всех точках заготовки – 20 °С.

Граничные условия: на всех границах отсутствует теплообмен с окружающей средой, кроме площади источника тепловыделения, на которой задается тепловой поток в соответствии с формулой (2).

Рис. 2. Геометрическая модель заготовки и сетка конечных элементов.

Параметры расчета: диаметр инструмента – 6 мм; скорость вращения – 900 об/мин; осевое усилие – 3000 Н; коэффициент трения – 0,65.

Рис. 3. Распределение удельной мощности тепловыделения по диаметру источника нагрева в различные моменты времени: 1 с; 2 с; 5 с.

Рис. 4. Зависимость мощности тепловыделения от времени при диаметре инструмента 6 мм и скорости вращения 900 об/мин

На рис. 3 представлено расчетное распределение удельной мощности по диаметру источника нагрева. В первую секунду процесса имеет место внешнее трение (линейная зависимость удельной мощности). Далее, уже на второй секунде, наблюдается переход в некоторых точках от внешнего трения к внутреннему, который отражается на графике в виде нелинейности отдельных участков. С течением времени переход к внутреннему трению наблюдается практически во всех точках поверхности взаимодействия инструмента и заготовок.

На рис. 4 приведена зависимость мощности тепловыделения от времени работы источника. В начальный момент времени, мощность постоянна – имеет место внешнее трение. Затем, по достижении перехода к внутреннему трению, мощность с ростом температуры начинает убывать, по мере падения прочности материала заготовки. На протяжении времени работы источника нагрева скорость падения мощности уменьшается и постепенно мощность практически стабилизируется на определенном уровне.

В процессе расчета мощности тепловыделения производится решение тепловой задачи, поэтому предложенная модель позволяет вычислять распределение температур в каждой точке заготовки в любой момент времени, максимальные температуры процесса, зависимость мощности и максимальных температур от основных параметров режима сварки.

Основными конструктивно – технологическими параметрами процесса ТСТ являются скорость вращения и диаметр инструмента. На рис. 5 – 6 приведены зависимости мощности от диаметра и скорости вращения инструмента. Общей тенденцией (рис. 5 – 6) является уменьшение прироста мощности с течением времени, что соответствует постепенному разупрочнению материала. Можно ожидать, что начиная с определенного момента времени прирост мощности снизится практически до нуля. Далее, следует отметить, что изменение диаметра инструмента является более эффективным способом управления мощностью, чем изменение скорости вращения.

Четвертая глава посвящена исследованию механизма образования соединения при ТСТ. Процесс протекает в три стадии: образование физического контакта, активация и схватывание контактных поверхностей и объемное взаимодействие.

Экспериментальные исследования стадии образования физического контакта в диапазоне параметров режима, охватывающем все значения, обеспечивающие стабильное формирование соединения при толщине заготовки 3 мм (диаметр инструмента: 4 – 8 мм; скорость вращения: 800 – 1600 об/мин), показали, что надежный физический контакт по кольцевой зоне, охватывающей инструмент (далее – периферийная зона), образуется при всех исследованных параметрах. Таким образом, образование физического контакта не является лимитирующей стадией и происходит в процессе погружения инструмента в заготовку. Однако важнейшим условием образования надежного физического контакта является надлежащая подготовка поверхности материала. Проведено определение прочности на срез образцов со сварными точками, выполненными после различных способов подготовки поверхности. В результате установлено, что наиболее эффективный способ – зачистка вращающейся щеткой из аустенитной хромоникелевой стали с предварительным и последующим обезжириванием ацетоном.

Прочность сварной точки определяется размером периферийной зоны (рис. 7). Проведено исследование зависимости размера периферийной зоны от параметров режима сварки (скорости вращения и диаметра инструмента) с использованием математического планирования эксперимента. При помощи регрессионного анализа экспериментальных данных получена зависимость:

h = -0,81 + 0,5 d, (3)

где d - диаметр инструмента.

На основании полученной зависимости произведена оценка прочности сварной точки на срез в зависимости от диаметра инструмента.

Характеристики

Список файлов диссертации