Книги, научные публикации Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |

МНСТЕРСТВО ОСВТИ НАУКИ УКРАпНИ Укранський державний морський технчний унверситет мен адмрала Макарова В.В. КВАСНИЦЬКИЙ ...

-- [ Страница 2 ] --

они коливаються з певною амплтудою, що залежить вд температури (близько 1013 циклв на секунду). Термодинамчно можливе х пере мщення в нове енергетично бльш вигдне мсце. При пдвищенн тем ператури так перемщення рзко прискорюються. Процес довльного перемщення атомв на вдстан, бльш параметра гратки, що супро воджуться переносом речовини, називають дифузю.

При розгляд перемщення атомв у кристалчних ратках розрз няють:

а) самодифузю (перемщення атомв у чистому метал або атомв розчинника в твердому розчин, тобто перемщення атомв у власнй гратц);

б) гетеродифузю або концентрацйну (хмчну) дифузю (пере мщення атомв розчиненого елемента в гратках розчинника);

в) термодифузю (перемщення атомв пд впливом граднта тем ператури, який призводить до граднта хмчного потенцалу дифун дуючо речовини в температурному пол);

г) реактивну дифузю (перемщення атомв речовини в мсця, де утворюються хмчн сполуки з ншими компонентами або снують нш фази з меншим хмчним потенцалом).

Дифузя в двох- чи багатокомпонентнй систем можлива тльки при наявност розчинност одного компонента в ншому.

Рушйною силою дифуз наявнсть у систем граднта активно стей або граднта концентрацй. Перемщення атомв вдбуваться за вдсутност зазначених граднтв, але в цьому випадку вони не мають спрямованого характеру не призводять до виникнення дифузйного потоку.

У тератур розглядаються головним чином три можливих меха нзми процесу дифуз [9,148]:

1 - обмнний (простий або циклчний);

2 - вакансйний;

3 - мжвузольний.

Обмнний механзм поляга в безпосередньому обмн мсцями двох сусднх атомв (просто обмн) або в результат кльцевого обер тання деяко сукупност атомв (наприклад, чотирьох). Такий процес вимага найбльшо додатково енерг ма малу ймоврнсть.

При вакансйному механзм дифуз перемщення вдбуваться в результат обмну мсцями атома з вакансю.

Мжвузольний механзм припуска перехд атомв з стану рвно ваги в положення мж вузлами, де вони продовжують свй рух, закн чуючи його обмном з вакансями або з атомами, що знаходяться у вузлах кристалчних раток. Можливим випадок, коли мжвузольний атом витсня сусднй атом з рвноважного положення, а сам займа його мсце у вузл ратки (механзм витснення).

Для з'ясування механзму дифузйного процесу порвнюють роз рахункову й експериментальну величини енерг активац процесу.

Порвняння розрахункових та експериментальних значень енерг активац свдчить на користь вакансйного механзму дифуз. Для бльшост металв сплавв з щльноупакованими ратками, що утво рюють тверд розчини замщення, цей механзм загальновизнаним. У розчинах укорнення (проникнення) важливу роль вдгра мжвузоль ний механзм дифуз.

У твердих металах дифузя може проходити в об'м зерна (об'м на), по границях зерен (зерногранична) та по поверхн (поверхнева дифузя).

Основним параметром, який характеризу процес дифуз, кое фцнт дифуз. Вн дорвню щльност потоку, що вирвню концен трацю речовини при одиничному граднт концентрац. Температур на залежнсть коефцнта дифуз в металах може бути задана в загаль ному випадку термодинамчним рвнянням Q D = D0 exp, (1.40) RT де D - коефцнт дифуз;

D0 - передекспоненцйний множник;

R - унверсальна газова постйна (8,31 Дж/г-атом);

Q - енергя активац процесу дифуз, що складаться з енерг утворення руху дефектв.

Важливим фактором, який вплива на коефцнт дифуз, струк турний фактор. Його залежнсть вд енерг сил мжатомних зв'язкв у металах, положення х у Перодичнй систем елементв, розмрв, ва лентност частоти коливань атомв, типу параметра ратки розгля нут в ряд спецальних робт монографй. Важливе практичне зна чення мають залежност коефцнта дифуз вд домшкових атомв, точкових нйних дефектв.

Домшков атоми в металах сплавах сильно змнюють параметри самодифуз елемента, що основою сплаву. За даними С.З. Бокштейна [9], елементи по-рзному впливають на енергю активац самодифуз Q на передекспоненцйний множник D0. Так, значення коефцнта са модифуз нкелю в нкелевому сплав типу NiЦCrЦAlЦTiЦMoЦW стот но зменшуться в порвнянн з чистим нкелем, енергя активац при цьому збльшуться вд 272 до 376 кДж/г-атом. Це пояснються змен шенням значення середнього квадратичного вдхилення атомв вд по ложення рвноваги при введенн Cr, T, Al у твердий розчин нкелю.

Наприклад, введення хрому в нкель пдвищу мцнсть атомних зв'яз кв у кристалчних ратках збльшу, таким чином, енергю активац приблизно на 42 кДж/г-атом. При введенн 2 % титана в нкель хромовий сплав 80Ц20 енергя активац зроста ще бльше. Найбль ший ефект впливу легуючих елементв на коефцнт дифуз спостер гаться при одночасному введенн цих елементв. нш елементи, на приклад, ванадй, знижують енергю активац дифуз.

Структурний фактор врахову також вплив точкових дефектв на коефцнт дифуз. У рвноважному стан для чистих металв твер дих розчинв замщення важливу роль вдграють ваканс. Рвноважна концентраця вакансй Nv визнача ймоврнсть переходу атомв у ва кантн вузли. Коефцнт дифуз при вакансйному механзм визнача ться ймоврнстю того, що серед найближчих сусдв атома знахо диться ваканся з частотою перескока атома в цю вакансю [9]. Таким чином, збльшення концентрац вакансй сприя збльшенню коефц нта дифуз. При розгляд коефцнтв дифуз атомв розчиненого елемента розчинника враховують фактор рзниц атомних радусв фактор валентност. Енергя активац дифуз Q домшкових атомв у србл нкел зменшуться при збльшенн атомного радуса домшки.

Коефцнт дифуз тим бльший, чим бльше вдрзняються фзико хмчн властивост дифундуючого елемента розчинника [9].

Спввдношення мж коефцнтами гетеродифуз Dг самодифу з Dс може бути записане у вигляд [9] ln i Dг (i ) = Dc (i ) 1 + ln N, (1.40) i де та Ni - вдповдно коефцнт активност та атомна доля -го ком понента в розчиннику.

Експериментально виявлено залежнсть коефцнта дифуз вд нйних (дислокац) двомрних (границ зерен) дефектв.

Дислокац границ зерен являють собою протяжн област пд вищеного спотворення раток. Вони не тльки джерелами стоками для вакансй, як сприяють дифузйнй рухливост атомв, але й особ ливо сприятливими шляхами для дифуз.

Коефцнт дифуз може залежати вд взамно орнтац зерен пов'язаний з рзним розташуванням нй дислокацй на границях зе рен. Експериментально виявлено також розходження в коефцнтах дифуз вздовж статичних границь границь зерен, що рухаються. Як що для статичних дислокацйних конфгурацй Возза Дорн вдзна чають збльшення гранично дифуз в нкел, у порвнянн з об'мною в 2Е4 рази, то для границь, що рухаються, це збльшення коефцнта дифуз склада до 30 разв, а в умовах високотемпературно деформа ц - до 150Е200 разв.

Вдзначен закономрност дифуз притаманн, в основному, тер модинамчно рвноважного стану металу. У практично застосовуваних умовах зварювання матералв напруження, як дють при пружних пластичних деформацях (при фазових перетвореннях, холоднй ви сокотемпературнй деформацях тощо), призводять до утворення над лишково (нервноважно) концентрац дефектв структури. Надли шок вакансй сприя перемщенню дислокацй, що вплива на рухли всть атомв у кристалчних ратках.

Припускаючи, що збльшення швидкост дифуз при постйнй швидкост деформац вдбуваться за рахунок зростання числа вакан сй, можна записати наступне рвняння [18]:

( ) D D 1 + te, = (1.41) D D D де - вдношення коефцнтв дифуз в напруженому ненапруже D D ному станах;

0 - вдношення передекспонентних множникв для ди D фуз в напруженому ненапруженому станах;

- моврнсть виник нення в одиницю часу ново ваканс;

- дюч напруження;

t - час;

- коефцнт, пов'язаний з концентрацю напружень в област дефектв.

З урахуванням взамод нервноважно концентрац дефектв, коефцнт дифуз при пластичнй деформац визначаться рвнянням D = D0 +, (1.42) & Nb де N - число атомв у 1 см3;

- коефцнт, що характеризу ефектив нсть аннгляц вакансй при взамод з дислокацйним порогом;

b - вектор Бюргерса;

- швидксть деформац;

- щльнсть дислокацй.

& Думки рзних дослдникв про закономрност змни коефцнтв дифуз при рзних способах деформац не завжди збгаються. Але бльшсть дослдникв вдзнача значне прискорення дифуз при вели ких швидкостях низьких температурах деформування.

Рзн способи обробки металв призводять до виникнення взамод рзного типу дефектв та х рзно концентрац. Дефекти можуть мати рзну швидксть пересування залежно вд конкретних умов деформуван ня, нагрвання структури самого металу. Сам ж дефекти теж можуть стотно вдрзнятися - будуть утворювати або стабльн дислокацйн ст ки, або високорухлив границ з великими кутами розорнтування тощо.

Вдповдно до цих умов буде змнюватися коефцнт дифуз.

Для багатьох пар металв з г.ц.к. граткою (CuЦNi, NiЦCo, NiЦFe, AlЦCu тощо), а також деяких пор з о.ц.к. граткою (TiЦCr) спостерга ються нескомпенсован дифузйн потоки, тобто швидксть перем щення компонентв у протилежних напрямках рзна. Це явище назива ться ефектом Кркендала. На тй сторон, де знаходиться компонент з великою дифузйною рухомстю, на дислокацях утворюються над лишки вакансй, оскльки вони рухаються назустрч потоку речовини.

У результат коагуляц вакансй на сторон з високою рухомстю ком понента утворюються пори (ефект Френкеля). Ефект Кркендала безпосереднм пдтвердженням вакансйного механзму дифуз. При з'днанн металв з можливим проявом ефекту Кркендала, дифузйн процеси повинн обмежуватися.

Для зварювання тиском важливе значення мають дифузйн про цеси в поверхневому шар. Пд впливом рзних видв механчно оброб ки (шлфування, фрезерування тощо) поверхневий шар металу сильно деформуться ма дисперсну структуру з високими концентрацю поверхневих дефектв щльнстю дислокацй, внаслдок чого дифу зйн процеси рзко прискорюються. У деформованому механчною обробкою поверхневому шар нкелю сплаву Х20Н80Т3 коефцнт самодифуз нкелю при 700 С у сотн разв бльший, нж в електро полрованому (рис.1.31) [9]. Вплив температури на прискорення дифу з в деформованому шар показано на рис.1.32 [9], на якому зображе но залежнсть Dшл/Dпол вд Тдиф/Тпл (Dшл Dпол - вдповдно коефцнти самодифуз псля шлфування електрополрування;

Тдиф Тпл - вдпо вдно температури дифуз плавлення металв).

Рис.1.31. Змна коефцнта само- Рис.1.32. Вплив температури на приско дифуз нкелю по глибин шл- рення дифуз в деформованому шар зал фованого зразка з сплаву за нкелю Х20Н80Т Характер кривих на рис.1.32 свдчить про те, що пдвищена швид ксть дифуз в деформованому шар спостергаться при температу рах, при яких ще збергаться висока щльнсть дислокацй. Нкель зберга ефект прискорення дифуз до високих температур (значно вище температури рекристалзац) внаслдок того, що метали з г.ц.к.

граткою повльно зменшують щльнсть дислокацй при нагрванн. У залза з о.ц.к. граткою низькою стабльнстю деформовано структури псля початку рекристалзац шлфування практично не вплива на дифузю [9].

Наведен приклади свдчать про широк можливост управлння дифузйними процесами при зварюванн. Наприклад, явище аномаль ного масопереносу успшно використовуться при дифузйному удар ному зварюванн, коли рухомсть атомв у твердому тл перевищу х рухливсть у розплав [13,19,83].

Управлння дифузйними процесами базуться на х розрахунках.

Дифузйн процеси описуються першим другим рвняннями дифуз (рвняння Адольфа Фка), аналогчними рвнянням теплопровдност Фур'.

Якщо припустити, що дифузя вдбуваться тльки в напрямку ос х, то при коефцнт дифуз D кльксть продифундовано речовини dq через поверхню S за час dt, за аналогю з теплопровднстю, дорв ню dc dq = DS dt. (1.43) dx Коефцнт дифуз D - це величина, яка чисельно дорвню мас речовини (концентрац, помноженй на об'м), що дифунду в одини цю часу (1 с) через одиничну площу (1 см2), при граднт концентра ц, рвному одиниц (1 моль/см). Розмрнсть коефцнта дифуз - см2/с (у систем С - м2/с).

Уввши щльнсть потоку, тобто розглядаючи дифузйний потк dq через одиничну площину за одиницю часу j =, отримамо перше Sdt рвняння Фка для одномрно дифуз в напрямку ос х:

dc j = D (1.44) dx Знак "мнус" показу, що потк спрямований з област з бльшою концентрацю в область з меншою концентрацю.

Друге рвняння Фка опису змну концентрац речовини в про стор в час та для одномрно задач ма вигляд 2c c =D 2 ;

(1.45) t x для тривимрно дифуз 2c 2c 2c c = D 2 + 2 + 2 (1.46) x z t y або c = D 2 c, (1.46,а) dt де - оператор Лапласа.

Ршення рвнянь (1.45), (1.46) для конкретних початкових гранич них умов дозволя визначити розподл дифундуючого елемента. Бльш просто розв'язуються одномрн задач.

Для технологчних процесв важливе значення мають ршення для дифуз з надзвичайно тонкого шару (обмеженою клькстю дифунду ючо речовини) для пари напвнескнченних тл (стержнв).

Ршення для нескнченно тонкого шару. Нехай деяку кльксть Q речовини А нанесено у вигляд тонко плвки товщиною h на торець довгого прутка В, який не мстить ц речовини. Аналогчний пруток В приварено до покритого плвкою торця. Схему такого з'днання по казано на рис.1.33,а.

При час t = 0 концентраця дифундуючо речовини А с = с(х), а при t > 0 с = с(x, t). Якщо помстити початок координат посередин h h плвки товщиною h, то с(х) = с0 при t = 0 x +, а при 2 h h x< x>+ с(х) = 0.

2 Кльксть речовини А в плвц, якщо в межах концентраця по стйна дорвню с0, склада Q = c0h.

а б Рис.1.33. Схема дифуз з нескнченно тонкого шару (а) змна концентра ц дифундуючо речовини в рзн моменти часу: t3 > t2 > t1 (б) Ршення рвняння (1.45) для цього випадку ма вигляд x c0 h c ( x, t ) = exp (1.47) 4 Dt 2 Dt графчно для рзних моментв часу показано на рис.1.33,б.

Ршення (1.47) дозволя визначити коефцнт дифуз речовини, якщо провести експеримент по дифуз з тонкого шару побудувати графк ln c x 2. З рвняння (1.47) видно, що це буде пряма ня, тан генс кута нахилу яко до ос х дорвню (4Dt)Ц1. Тому, якщо t вдома, величину D можна обчислити. Крм того, воно дозволя розраховува ти як розподл елементв, що дифундують, так час розсмоктування тонкого прошарку до задано концентрац дифундуючо речовини. В останньому випадку рвняння (1.47) записують для х = 0, оскльки мак симальна концентраця завжди буде при х = 0:

c0 h c(0, t ) =. (1.48) 2 Dt Ршення для пари напвнескнчених твердих тл. Припустимо, що стержень чистого металу А приварються до стержня металу В (рис.1.34,а). Помстимо початок координат (х = 0) в площин дотику торцв стержнв А В.

Рис.1.34. Схема дифуз в напвнескнченне тло (а) розподл концентрац дифун а дуючо речовини (б) як сума експонент, кожна з яких вд повда дифуз розчинено речовини з смужки товщи ною б При час t = 0 концентраця речовини А с = 0 при х < 0 с = с0 при х > 0. Ршення рвняння (1.45) для цього випадку записано в робот [148]. Уявимо, що область х > 0 мстить n длянок товщиною ма одиничну площу. Взьмемо одну з них, що буде мстити с0 дифун дуючо речовини А. Якщо б навколишн длянки були вльн, то роз подл концентрац визначаться рвнянням (1.47) для нескнченно тонкого шару. Аналогчно можна розглянути наступну длянку ( так дал), як показано на рис.1.34,б. Слд зауважити, що розглядаться ди фузя речовини А в В, тобто справаЦналво Якщо - вдстань вд центра - длянки до площини х = 0, то дй сне ршення (концентраця с у точц х у будь-який момент часу t) яв ля собою суперпозицю розподлу для кожно з длянок:

(x i ) n c c ( x, t ) = i exp. (1.49) 4 Dt 2 Dt i =1 Якщо прийняти n, 0, то сума в рвнянн (1.49) перехо дить в нтеграл:

( x i ) + c c ( x, t ) = exp d. (1.50) 4 Dt 2 Dt Цей нтеграл обчислити не можна, але його значення табульован, концентрацю визначають через функцю erf(z):

z exp( )d, erf ( z ) = (1.51) x x z= = де ;

. (1.52) 2 Dt 2 Dt Розподл концентрац дифундуючого елемента визначаться за рвнянням c [1 + erf (z )].

c ( x, t ) = (1.53) Якщо розглянути дифузю злваЦнаправо, то при тй же систем координат отримамо c [1 erf (z )].

c ( x, t ) = (1.53,а) Функця erf(z) називаться функцю помилок або функцю Крам па, або нтегралом моврност. Значення функц помилок наведено в табл.1.6.

Таблиця 1.6. Значення функц помилок (функц Крампа) залежно вд x параметра z = 2 Dt z erf(z) z erf(z) z erf(z) 0 0 0,55 0,5633 1,3 0, 0,025 0,0282 0,60 0,6039 1,4 0, 0,05 0,0564 0,65 0,6420 1,5 0, 0,10 0,1125 0,70 0,6778 1,6 0, 0,15 0.1680 0,75 0,7112 1,7 0, 0,20 0,2227 0,80 0,7421 1,8 0, 0,25 0,2763 0,85 0,7707 1,9 0, 0,30 0,3286 0,90 0,7970 2,0 0, 0,35 0,3794 0,95 0,8209 2,2 0, 0,40 0,4284 1,0 0,8427 2,4 0, 0,45 0,4755 1,1 0,8802 2,6 0, 0,50 0,5205 1,2 0,9103 2,8 0, Для будь-яко вдстан х можна обчислити z, з табл.1.6 знайти функцю помилок erf(z) концентрацю дифундуючого елемента в будь-який момент часу.

Зазначимо, що функця erf(z) змнються вд +1 до Ц1 зберга знак параметра z. Тла вважаються напвнескнченними, якщо при х розмрах координати, при яких концентрац дифундуючо речовини дорвнюють с0 0 вдповдно. Для наближених розрахункв функцю erf(z) можна приймати рвною параметру z при його абсолютному зна ченн, меншому 0,65, рвною одиниц при значенн, бльшому 1,8.

Дифузйн процеси вдграють важливу роль не тльки при з'д нанн металв, але металв з неметалами, наприклад, з оксидами, при спканн оксидв тощо. При твердофазнй взамод оксидв вдбува ться дифузя онв. Причому дифундують тльки катони, зокрема, у феритах Me2+ Fe2+. Рушйною силою дифуз в цьому випадку град нт електрохмчного потенцалу.

Для пдвищення механчних властивостей з'днань необхдне утворення в зон з'днання спльних зерен, що досягаться в результат рекристалзац.

1.5.2. Рекристалзаця. Рекристалзаця - це процес пдвищення структурно досконалост зменшення вльно енерг металв сплавв у межах фази, який вдбуваться шляхом утворення руху або тльки руху границь з великими кутами розорнтування при нагрванн до певно температури деформованого металу [25]. Деформований метал накопичу у вигляд пдвищено потенцально енерг змщених ато мв, дислокацй, напружень близько 10Е15 % енерг, що витрачена на деформацю. Процеси рекристалзац полягають у замн одних зе рен ншими т ж фази, але з меншою енергю.

Процеси, як призводять деформований метал до бльш рвноваж ного стану, охоплюють широке коло структурних змн. Тип характер розподлу дефектв кристалчно структури, що викликан деформа цю, дуже рзномантн. Усунення цих дефектв при нагрванн вдбу ваться шляхом рзних елементарних процесв, як проходять з рзною швидкстю, у рзних температурних нтервалах з рзною енергю активац. До елементарних процесв при нагрванн деформованого металу належать дифузя точкових дефектв х стк, перерозподл дислокацй х кристалографчна переорнтаця, формування малоку тових мжзеренних великокутових границь з поглинанням дефектв.

Залежно вд ступеня характеру деформац, температури, швид кост тривалост нагрвання, вс ц процеси вдбуваються послдовно або накладаються один на нший. Внаслдок цього усунення слдв на клепу, у структур металу процес може проткати рзними шляхами з рзним ступенем завершення.

Розрзняють так стад процесу усунення слдв наклепу:

- повернення (вдпочинок, полгонзаця);

- рекристалзаця (первинна, збрна, вторинна).

Повернення включа в себе вс процеси, як проткають до початку рекристалзац, а саме: зменшення концентрац точкових дефектв перерозподл дислокацй без утворення нових границь (так званий вд починок) або з утворенням мграцю малокутових границь (так звана полгонзаця). Вдпочинок першою стадю повернення, на якй змен шуться кльксть вакансй, щльнсть дислокацй, величини напружень.

При полгонзац вдбуваються процеси переповзання дислокацй, вна слдок чого дислокац одного знаку утворюють "стнки", що длять зер но на частки (полгони, субзерна) розмром 10Ц6Е10Ц4 см. Енергя дефор мованого кристала включа енергю дислокацй та енергю взамного вдштовхування дислокацй одного знака. При вдпал дислокац част ково перегруповуються та анниглюють. Поля напружень надлишкових дислокацй х взамодя спонукають утворення дислокацями границь або "стнок" дислокацй одного знака. - границ перпендикулярн площин ковзання.

Пд полгонзацю розумють такий перерозподл дислокацй, при якому утворюються област кристала, вльн вд дислокацй вддлен одна вд ншо дислокацйними границями. Дислокац, витягуючись у плвки, виявляються у вигляд ямок травлення на поверхн, перпенди кулярнй зсувному напруженню, яке дяло при деформац.

Полгонзаця ма багато спльного з рекристалзацю. Обидва процеси зв'язан з перерозподлом дислокацй утворенням нових гра ниць. Нагрвання сильно деформованого металу до температури, при якй можливий перерозподл дислокацй, призводить до рекристалза ц. Полгонзаця в такому матерал майже не виявляться. Якщо ма терал не сильно деформований, то в ньому можна викликати полго нзацю при нагрванн до бльш низько температури або рекристал зацю при нагрванн до бльш високо температури. Полгонзаця - найнизькотемпературнший процес з вираженою змною структури.

Швидксть процесу полгонзац та енергя активац залежать вд стану матералу зовншнх умов. Якщо полгонзаця протка в ма лодеформованому метал без напружень, то сумарна енергя актива ц процесу полгонзац Qп дорвню Qп = Qc + Qв + Qм, (1.54) де Qc - енергя активац утворення сходинки;

Qв - енергя активац утворення ваканс;

Qм - енергя активац мграц ваканс;

Qв + Qм - енергя активац самодифуз.

Рвняння (1.54) врахову, що процес полгонзац визначаться припливом вакансй до дислокацй або утворенням вакансй на дисло кацях. Найлегше ваканс переходять або утворюються на сходинках.

Якщо вакансй сходинок багато, наприклад, при нагрванн пд напруженням (повзучсть, втома), то швидксть полгонзац визнача ться тльки мграцю вакансй. Якщо полгонзаця протка в сильно деформованому метал, але без значних напружень, тобто багато дислокацйних сходинок, то Qп = Qв + Qм, тобто процес визначаться швидкстю самодифуз.

Процес полгонзац може бути настльки нтенсивним, що вини кають не тльки малокутов, але й висококутов границ.

При рекристалзац сильно деформованого металу можна спосте ргати, як виникають дуже мал зерна, як дал ростуть за рахунок де формовано структури аж до взамного зткнення. Зазначений процес характеризуться зародженням ростом зерен називаться первинною рекристалзацю. Подальший вдпал, особливо при високих темпера турах, може викликати нове збльшення розмрв зерен, отриманих при первиннй рекристалзац. Процеси, як проткають при цьому, поднують пд загальним термном - рст зерна.

При рекристалзац вдбуваться найбльш стотне зниження енерг деформованого металу за рахунок зменшення числа дефектв структури.

При первиннй рекристалзац в деформованому метал утворю ються центри рекристалзац, тобто длянки з неспотвореними або слабко спотвореними ратками, вддлен границями з великими кута ми розорнтац.

При вториннй збрнй рекристалзац окрем центри ростуть укрупнюються. Вторинна збрна рекристалзаця вдрзняються тим, що при вториннй рекристалзац зерна, як здатн рости набагато швидше, нж нш. При збрнй рекристалзац таких зерен нема.

Первинна рекристалзаця починаться при нагрванн металу, по передньо деформованого до визначеного ступеня. Така деформаця називаться критичною.

Нов зерна ростуть псля деякого нкубацйного пероду 0, який залежить вд ступеня деформац температури. На вдмну вд повер нення, швидксть рекристалзац в початковий момент дорвню 0, потм збльшуться, проходячи через максимум.

Швидксть первинно рекристалзац визначаться швидкстю за родження центрв рекристалзац N швидкстю росту кристалтв G.

Залежнсть швидкост росту кристалтв вд температури при по стйнй деформац визначаться рвнянням Q G = G0 exp G, (1.55) RT де QG - енергя активац росту кристалтв;

G0 - постйна.

Тривалсть рекристалзац з пдвищенням температури зменшу ться, оскльки з збльшенням температури нагрвання зростають швидкост утворення зародкв (N) х росту (G).

Для процесв повернення, зв'язаних з полгонзацю, рекриста зац стотну роль вдграють чистота металу наявнсть у ньому до мшок. Чист метали полгонзуються при нагрванн дал не рекрис талзуються. Наявнсть вже невеликих концентрацй домшок призво дить до того, що полгонзаця не встига пройти випереджа ре кристалзаця.

Пдвищення швидкост нагрвання сприя збльшенню швидкост утворення зерна здрбнюванню структури до кнця первинно рекри сталзац. Наприклад, при швидксному ндукцйному нагрванн, при зварюванн вдпочинок не встига пройти до початку рекристалзац, що полегшу зародження рст нових зерен. У результат ефективн енерг активац зародження росту зерен виявляються значно мен шими, нж при звичайних швидкостях нагрвання. Мала швидксть нагрвання вплива аналогчно попередньому вдпочинку при низьких температурах, що зменшу число зародкв рекристалзац.

Збльшення ступеня деформац супроводжуться зростанням швидкостей утворення N росту зерен G а також, вдповдно, знижен ням тривалост рекристалзац. Однак оскльки N зроста швидше G, то бльш сильна деформаця да бльш дрбне рекристалзоване зерно.

Збрна рекристалзаця або рст зерен наста псля первинно ре кристалзац, коли центри рекристалзац, як виросли, приходять у зткнення. Рушйною силою процесу зменшення зерногранично ("поверхнево") енерг. Збрна рекристалзаця може проткати також до повного завершення первинно.

При рекристалзац границ рухаються до центрв сво кривизни, щоб наблизити кути в стиках зерен до 120. Це вдбуваться за раху нок поглинання зерен з гострими кутами.

Чим сильнше вдрзняються кути вд 120, тим швидше йде мг раця границь. В однофазному сплав рст зерен уповльнються, коли кути наближаються до 120, а число ребер у перетин зерна - до 6.

При наявност дисперсних часток, як бар'рами для руху границь, рст зерен може припинятися по досягненню рвноважних кутв.

Розмр зерен визначаться процесом мграц границь до встанов лення кутв 120 числа сторн, рвного 6.

Швидксть перемщення границ зерна V Q G=К exp G, (1.56) D RT де V - об'м грам-атома металу;

D - середнй даметр зерна;

К - по стйна;

- поверхнева енергя зерна;

QG - енергя активацй мграц границ.

Залежнсть розмру (даметра) зерна вд часу може бути визначена за емпричним рвнянням D = ct n, (1.57) де c - постйна, яка залежить вд температури;

n - постйна, яка дорв ню 0,5 для чистих металв. Вторинна рекристалзаця, як збрна, вд буваться псля первинно при нагрванн до бльш високих температур.

Процес вторинно рекристалзац супроводжуться обов'язковою рзнозернистстю, яка може зникнути тльки з завершенням процесу.

Таким чином, рзнозернистсть свдчить про незакнчену вторинну рекристалзацю.

Розглядаючи механзм рекристалзац, варто вдзначити, що фор мування центрв рекристалзац пов'язане з перерозподлом дислока цй. Мграця границь вдбуваться, принаймн частково, бездифузй ним шляхом за рахунок ковзання дислокацй, а також як термчно ак тивований процес переповзання дислокацй. Для активац процесу потрбен певний "нкубацйний" перод. При повльному нагрванн малй деформац вдбуваться полгонзаця. При великй деформац вдбуваться рекристалзаця, а полгонзаця практично не проходить.

Для первинно рекристалзац основною причиною росту зарод кв мграц границь рзниця в щльност дефектв кристалчно бу дови. Границ мгрують у бк бльшо щльност дефектв поглинають х, залишаючи за собою бльш досконалий за будовою метал.

Напрямок руху границ зародка первинно рекристалзац не за лежить вд положення центра кривизни границь до хнього зткнення.

Мграця границь вдбуваться пд впливом неврвноважених сил поверхневого натягу. При цьому приграничн об'ми одних з сусднх кристалтв знаходяться в стан стискування (наявний надлишок дис локацй або дефцит вакансй), нш - в стан розтягування (надлишок вакансй). У результат встановлються потк вакансй, а у зворотному напрямку - атомв. Так здйснються вакансйний механзм мграц границь.

Мграця границь може вдбуватися стрибкоподбно з затримками бля стороннх включень (карбди, змцнююч фази), тому що для обходу такого включення необхдне збльшення поверхн, а вдповдно - енерг.

На рис.1.35 наведено мкроструктуру сплаву ЭИ602 у зон з'д нання псля дифузйного зварювання вакуумного травлення, де видно клька положень границь при х мграц. Промжн положення фксу валися в момент затримки мграц (див. рис.1.35,а). На рис.1.35,б вид но, що утворен в стику зерна займають бльш рвноважн положення з кутами бля 120 в потрйному стику границь. Колишня площина сти ка, маючи скупчення фзичних хмчних недосконалостей, утриму границ зерен. Однак додаткова деформацйна активаця металу в зон стика шляхом вдавлювання алмазно прамди, як видно з рис.1.35,в призвела до перемщення границ.

Вибр оптимальних умов зварювання повинен враховувати необ хднсть обмеження росту зерна запобгання рзнозернистост, що визначаться температурою, величиною швидкстю деформац, ча сом, хмчним складом структурою металу. Для вибору оптимальних умов потрбно користуватися даграмами рекристалзац, як показу ють спльний вплив деформац температури на величину зерна [25].

Наприклад, таку даграму показано на рис.1.36 [71].

а б Рис.1.35. Мкроструктура зварного з'днання сплаву ЭИ602 псля нагрван ня без тиску при 1150 С вакуумного травлення;

а, б - 440;

в - 200.

Зменшено при друкуванн в 2 рази в Рис.1.36. Даграма рекристалзац сплаву NiЦCrЦAlЦCo Аналогчн даграми можуть бути побудован для умов з'днання металв у твердому стан з пдгрвом. Дослдження рекристалзац сплаву ЭП99 при дифузйному зварюванн показали, що максимальна величина зерна досягаться при певному тисков, який виклика кри тичну деформацю, а потм розмр зерна зменшуться. З ростом тем ператури зварювання тиск, що виклика критичну деформацю, пада.

В умовах термодеформацйного циклу зварювання можна спосте ргати також ефект термомеханчно обробки металв. Термомеханчна обробка представля сукупнсть операцй нагрвання, деформац та охолодження (у рзнй послдовност), у результат яких формування остаточно структури сплаву, а отже, його властивостей вдбуваться в умовах пдвищено щльност недосконалостей кристалчно будови, створених пластичною деформацю [8].

При пластичнй деформац неминуче формування складних скуп чень дислокацй. Вони утворюють неправильно форми стки, комрки, сплетння, що нервномрно розподлен по тлу зерна. При такй структур деформованого металу в умовах пдвищено щльност дис локацй х рух гальмуться, що забезпечу рст мцност металу, тоб то ефект термомеханчно обробки.

Час, що необхдний для утворення в стику спльних зерен, зале жить вд температури пластично деформац. На рис.1.37 показано мкроструктуру з'днань при дифузйному зварюванн сплаву ЭИ602.

На вдмну вд зразкв, мкроструктура яких представлена на рис.1.35, тиск 22 МПа пдтримувався постйно протягом усього часу зварюван ня (3 хв), а потм зразки швидко охолоджували на повтр. Порвняння мкроструктур (див. рис.1.37 рис.1.35) показу, що при постйнодю чому тисков процес нтенсивного зростання зерна гальмуться. На мкроструктур чтко видно слди пластично деформац. Рзне забар влення зерен свдчить про рзну орнтацю блокв, утворення яких вдбуваться шляхом ковзання всередин зерна. На границях зерен, у тому числ в зон стика, виникають зародки нових зерен утворю ються ланцюжки дрбних зерен. На окремих длянках стика спостер гаться утворення спльних зерен.

При великих пластичних деформацях текстура деформованого металу вплива на властивост з'днань, особливо на х пластичнсть ударну в'язксть. Наприклад, на рис.1.38 показано загальний вигляд зразкв псля зварювання тертям катаних пруткв хромонкелево кар бдно-аустентно стал, змцнено азотом.

Рис.1.37. Мкроструктура зварного з'днання сплаву ЭИ602 псля на Рис.1.38. Загальний вигляд зразкв грвання пд тиском вакуумного псля зварювання тертям травлення;

200.

Зменшено при друкуванн в 2 рази Оскльки зварювалися катан прутки по площин, перпендикулярнй напрямку волокон, то при видавлюванн металу в зон деформац волок на змнюють свй напрямок вд перпендикулярного на паралельний до стика. Незважаючи на рвну мцнсть зварних з'днань основного металу при статичному розтягуванн, х ударна в'язксть значно нижча, нж ос новного металу, що обумовлено характером структури металу.

1.6. Електронний механзм утворення з'днань у твердому стан Утворення з'днань на електронному рвн вперше було розгляну то Г.В. Самсоновим з спвробтниками. При цьому вони виходили з конфгурацйно модел твердого тла вважали, що схоплювання по верхонь призводить до утворення стабльних електронних конфгура цй мж атомами речовин контактуючо пари [118]. Якщо з'днуються дв речовини з високими статистичними масами стабльних електрон них конфгурацй, то схоплювання х стотно послаблються.

Для s-елементв (берилй, магнй, метали пдгруп мд цинку) ха рактерне утворення переважно s2 стабльних конфгурацй локалзова них електронв. Для перехдних металв властив стабльн конфгура ц d 0, d 5 d10 (d-елементи). Для sр-елементв характерне утворення гбридних spx стабльних конфгурацй, що прагнуть до перетворення в квазстабльну s1р3 або стабльну s2р6 конфгурац.

Сьогодн у зварних конструкцях широко застосовуються так d-перехдн метали, як титан, нобй, молбден, вольфрам. Розглянемо особливост х з'днання при дифузйному зварюванн у вакуум з по зиц електронних конфгурацй [118]. Оптимальн режими зварюван ня цих металв, за даними роботи [51], наведено в табл.1.7.

Таблиця 1.7. Оптимальн режими зварювання перехдних металв Параметри режимв зварювання Тпл Метал Р5 Тзв t, хв p, МПа С К С К Ti 43 1668 1941 1000 1273 5 Nb 76 2415 2688 1200 1473 15 Mo 84 2610 2883 1500 1773 15 W 94 3400 3673 1800 2073 10 Tзв Температура зварювання Тзв, К, вдношення у функц ста Tпл тистично маси d 5-конфгурацй Р5 показан на рис.1.39. З рисунка вид но, що з пдвищенням статистично маси d 5-конфгурацй атомв зва рюваних металв, температура зварювання пдвищуться. Вдношення температур зварювання плавлення практично постйним, що пояс нються однаковою залежнстю х температури плавлення вд стати стично маси стабльних конфгурацй.

а Рис.1.39. Залежнсть оптимально температури зварювання (а) вдношення температури зварювання до температури плавлення (б) вд статистично маси d 5-конфгурацй з'днуваних металв Дифузйн процеси х енергетичн характеристики також зале жать вд статистично маси та енергетично стйкост стабльних елек тронних конфгурацй. Пдвищення статистично маси стабльних конфгурацй призводить до пдвищення енерг активац дифуз. З ростом статистично маси нелокалзованих електронв енергя актива ц дифуз зменшуться. При гетеродифуз параметри залежать вд характеру впливу дифузйного елемента на статичну масу електрон них конфгурацй. Якщо росте статична маса стабльних конфгурацй локалзованих електронв, то коефцнт дифуз зменшуться;

якщо росте статистична маса нелокалзованих електронв, то коефцнт ди фуз збльшуться.

При зварюванн тугоплавких перехдних металв з карбдами, бо ридами, нтридами тощо, в яких атоми неметалу утворюють гбридн sр, sр2 sр3 конфгурац, нелокалзован електрони перехдного металу частково передаються атомам неметалу з пдвищенням в останнх ста тистично маси стабльних sрх-конфгурацй, утворених локалзовани ми валентними електронами неметалчних атомв. Якщо в атома неме талу надлишок електронв понад sр3, то при утворенн з'днання пд вищуться статистична маса нелокалзованих електронв. Наприклад, атом азоту, який ма в зольованому стан конфгурацю s2р3, завдяки sр переходу може набути конфгурац sр4, що потм перетвориться в sр3 з передачею електрона в усуспльнений стан. Тому при утворенн нтридв перехдних металв статистична маса нелокалзованих елект ронв пдвищуться, а стабльних конфгурацй, утворених локалзова ними електронами, - вдносно зменшуться. При взамод перехдних металв з подбними тугоплавкими сполуками процеси адгез зв'язан з такими електронними обмнами та перебудовами, як призводять до збльшення статистично маси стабльних конфгурацй, порвняно з початковими речовинами.

Розглянемо дифузйне з'днання карбдв титану, молбдену вольфраму. За даними роботи [118], при тиску 5 МПа оптимальними температурами зварювання 1973, 2173 2273 К для TС + TС, Мо2С + Mo2С WC + WС вдповдно. Вдношення оптимальних тем ператур зварювання карбдв х металв зменшуються вд титану до молбдену вд молбдену до вольфраму, складаючи 1,56;

1,23 1, вдповдно. Це обумовлено тим, що при утворенн карбдв у зазначе ному ряду вдносне зниження статистично маси нелокалзованих еле ктронв при переход вд металу до карбду зменшуться. Як вдзнача ться в робот [118], у вольфрама цей перехд, моврно, супроводжу ться навть зниженням статистично маси нелокалзованих електро нв, а невелике зростання оптимально температури зварювання карб ду в порвнянн з вольфрамом обумовлено тльки утворенням стйких sр3-конфгурацй атомв вуглецю, як бльш стабльн, нж d 5-конф гурац вольфраму.

При з'днанн карбдв з металами варто розрзняти два випадки:

зварювання металу з його карбдом МеС + Me зварювання металу з карбдом ншого металу MeС + Me'.

У першому випадку процес може проходити з утворенням ниж чих карбдних фаз. При цьому варто очкувати пдвищення статистич но маси стабльних (у даному випадку d 5) конфгурацй локалзовано частини валентних електронв перехдного металу атомв вуглецю при деякому збльшенн статистично маси нелокалзованих електро нв щодо металу вуглецю. У цьому випадку температура визначать ся необхднстю витрат енерг для збудження стабльних електронних конфгурацй атомв у карбд метал. Це спостергаться в системах NbCЦNb, TaCЦTa, WCЦW. Температура зварювання цих систем скла да вдповдно 1873, 2173 2273 К.

При з'днанн Мо2С з Мо, коли утворення карбду з меншим вмс том вуглецю неможливе, ефект зварювання визначаться переходом частини нелокалзованих електронв вд атомв, як входять у карбд молбдену, до атомв металевого молбдену. Цей перехд не зв'язаний з кардинальною перебудовою електронно конфгурац речовини, що визнача вдносно низьку температуру зварювання (1673 К).

При зварюванн рзнойменних карбдв металв температура процесу також стотно залежить вд збудження стабльних електрон них конфгурацй атомв з'днуваних речовин, але великого значення набува ступнь стабльност фаз, як утворюються при з'днанн.

Аналогчн закономрност спостергаються також при з'днанн нших неметалв та неметалв з металами.

З збльшенням статистично маси стабльних електронних конф гурацй ростом енергетично стйкост х збудження ускладнються, що вимага пдвищення температури зварювання. У ряду вуглець - кремнйЦгерманй, навпаки, зварювання полегшуться внаслдок зни ження енергетично стйкост sp3-конфгурацй зменшення х стати стично маси. Теж саме спостергаться при переход вд бора до алю мню, вд берилю до магню тощо. Разом з тим зварювання усклад нються при переход вд берилю (sр) до бору (sр2) алмазу (sр3). Ка рбонтрид бору ВNС, вс атоми якого мають високу статистичну масу конфгурац sp3 (атом азоту здобува конфгурацю sp3 внаслдок пе редач одного електрона атому бора, який при цьому також замсть sр здобува конфгурацю sр3, вуглець (s2р2) утворю конфгурацю sp завдяки sp переходу), не вдалося з'днати з металами аж до темпе ратури плавлення.

З утворенням стабльних sp3-конфгурацй в атомах алмазу пов'я зане його погане змочування розплавленими металами сплавами.

Зниження стабльност електронних конфгурацй атомв речовин шляхом уведення в них домшок полпшу змочування та здатнсть до з'днання матералв з великою статистичною масою стабльних кон фгурацй локалзованих електронв.

Таким чином, аналз електронних конфгурацй атомв металв атомв елементв хмчних сполук дозволя визначати здатнсть до з'днання в твердому стан, змочування, дифузйн та нш процеси.

1.7. Узагальнена схема утворення з'днань у твердому стан Складн процеси утворення з'днань у твердому стан обумовили рзн трактування самого процесу його стадй.

Наприклад, автор способу дифузйного зварювання у вакуум М.Ф. Казаков видлив дв стад утворення з'днання: перша охоплю процеси видалення оксидних плвок, формування фзичного контакту встановлення мжатомних зв'язкв мж з'днуваними поверхнями;

друга - процеси дифуз рекристалзац, що визначають об'мну взамодю.

М.Х. Шоршоров, Ю.Л. Красулн Е.С. Каракозов, виходячи з по зиц топохмчних реакцй, видлили три стад: перша - утворення фзичного контакту;

друга - активаця поверхонь х схоплювання;

третя - об'мна взамодя.

О.С. Гельман в окрему стадю видлив видалення оксидних плвок.

Г.В. Самсонов з спвробтниками видлив два етапи: перший - адгезя, другий - дифузйне проникнення контактуючих речовин. Од нак перший етап роздлено на дв стад. Протягом першо, пдготов чо, стад поверхн деталей зближаються на вдстан, необхдн для мжатомно взамод. Це зближення може здйснюватися шляхом спльного пластичного деформування або завдяки поверхневому ди фузйному перемщенню атомв. На другй стад визначальну роль вдгра електронна взамодя атомв контактуючих речовин.

Викладен позиц рзних авторв не взамовиключними, а пд креслюють роль тих або нших сторн комплексного процесу. Врахо вуючи рзномантнсть способв зварювання тиском та з'днуваних матералв, важко скласти дин схеми перелк найважливших про цесв, що забезпечують яксть зварювання, але можна визначити необ хдн умови яксного з'днання. Вони випливають з необхдност за безпечення тако будови зварного з'днання однойменних матералв, яка б вдповдала будов основного матералу на будь-якому рвн структури: електронно, кристалчно, атомно, мкро- та макрострук тури. Для цього необхдне зближення поверхонь деталей на мжатомн вдстан (утворення фзичного контакту), утворення зв'язкв безпосе редньо мж атомами з'днуваних металв (активаця поверхонь) та ф зична, хмчна структурна однорднсть. При зварюванн рзноймен них матералв структура повинна забезпечити необхдн властивост з'днання. Вони, як правило, визначаються структурою матералв у зон стика.

Утворення фзичного контакту досягаться шляхом пластично деформац металу в зон з'днання при рзних механзмах деформац, що визначаються температурою та нтенсивнстю силового впливу.

Нами розглядались активна деформаця та повзучсть пд дю зовн шнх сил, але вони не вичерпують всх можливостей. Наприклад, при з'днанн матералв з використанням ультрадисперсних порошкв, як в технологях порошково металург, важливу роль вдгра поверх нева енергя високодисперсно системи, зближенню ковара з склом сприяють внутршн електростатичн сили стискування в електрично му пол тощо.

Основними способами активац поверхн : термчна (дисоцаця сублмаця оксидв, розчинення оксидв кисню основним металом), деформацйна, хмчна (вдновлення металу та перетворення оксидв у летк з'днання), розчинення адсорбованих плвок з видаленням з стика. Цей перелк також не вичерпним. Наприклад, при з'днанн кремня, ковара з склом (електрохмчне зварювання) активаця ато мв кисню досягаться пд дю постйно електрично напруги [141].

Об'мна взамодя при зварюванн тиском включа процеси дифу з, полгонзац, рекристалзац тощо.

Не для всх способв зварювання тиском характерн перелчен процеси. Цей перелк не визнача також послдовност проткання процесв, наприклад, можлива спочатку термчна або хмчна актива ця поверхонь, а потм утворення фзичного контакту. Не для всх ма тералв назван процеси при з'днанн вдграють позитивну роль. На приклад, дисоцаця може викликати деструкцю матералу, дифузя призвести до утворення крихких прошаркв або пористост, рекриста заця - до знемцнення або окрихчування тощо. Тому необхдно вра ховувати можливсть проткання тих чи нших процесв при конкрет них способах зварювання, х вплив на властивост основного матера лу з'днань, контролювати та, залежно вд впливу, розвивати або об межувати х проткання.

Будь-як процеси зварювання тиском керуються всма або части ною наступних п'яти основних параметрв: тиск р (деформаця), тем пература Т, час t, середовище А, швидксть взамного перемщення f (тертя, удар). нод окрем параметри настльки тсно пов'язан, що не можуть самостйно контролюватися, наприклад, температура при зва рюванн вибухом. У робот [8], залежно вд головних параметрв про цесу, способи зварювання тиском подлено на p - процеси (холодне зварювання);

p, Т - процеси (зварювання вибухом, пресове тощо);

p, Т, А - процеси (газопресове зварювання, струмами високо частоти в ко нтрольному середовищ);

p, Т, t, А - процеси (дифузйно-вакуумне зварювання);

p, Т, f - процеси (ультразвукове зварювання та зварю вання тертям).

Широке застосування знайшли так способи зварювання тиском, як холодне, вибухом, тертям, ультразвукове, дифузйне. Порвняльну оцнку нтенсивност впливу основних параметрв при деяких спеца льних способах зварювання тиском та контактному зварюванн пока зано на рис.1.40.

Розглядаючи конкретн способи зварювання, можна бльш чтко видлити роль того чи ншого процесу. Наприклад, при холодному зварюванн головну роль вдгра активна деформаця металу, що за безпечу видалення оксидних плвок, фзичний контакт та активацю поверхонь. Роль термчно активац та об'мно взамод не стотна, про що свдчать результати холодного зварювання алюмню при тем пературах до Ц150 С.

При p, Т - процесах, незважаючи на х швидкоплиннсть, стотну роль вдгра термчна активаця. Об'мна взамодя в бльшост випад кв незначна. При збльшенн часу в p, Т, t - процесах вплив взамод матералв рзко зроста.

Необхдною умовою всх способв зварювання тиском пластична деформаця. з деформацю пов'язан не лише процеси утворення фзич ного контакту, очищення з'днуваних поверхонь та х активац, утво рення активних центрв, але, як указано в п.1.5, також процеси об'мно взамод. Тому величина та швидксть деформац визначають форму вання зварного з'днання в цлому. За нтенсивнстю силово д способи зварювання тиском умовно подляють на три групи [41,64].

Рис.1.40. Даграма середнх значень теплового Т, силового Р часового t факторв при рзних способах зварювання:

КЗ - контактне;

ДЗ - дифузйне;

УЗЗ - ультразвукове;

ЗТ - тертям;

ХЗ - холодне (т - границя плинност, Тпл - температура плавлення) До першо групи вдносять способи з низьконтенсивною силовою дю, що виконуються з низькою швидкстю деформац (10Ц6...10Ц4 сЦ1) за рахунок повзучост. Яскравим прикладом може бути дифузйне зва рювання у вакуум (ДЗВ) за традицйною схемою.

До друго групи вдносять способи з середньонтенсивною сило вою дю середньою швидкстю деформац (10Ц3...10Ц1 сЦ1). Група включа в себе холодне зварювання (ХЗ), зварювання тертям (ЗТ), зварювання прокатуванням (ЗПр) та нш способи з вимушеною актив ною деформацю.

До третьою групи вдносять способи з високонтенсивною сило вою дю високою швидкстю деформац (10...105 сЦ1), зокрема, маг нтномпульсне зварювання (МЗ), ударне зварювання у вакуум (УЗВ), зварювання вибухом (ЗВ).

Пластична деформаця суттво вплива на дифузйн процеси.

Оскльки при зварюванн тиском пластична деформаця локалзуться в зон з'днання [60,88], а залежно вд нтенсивност силово д змню ться ступнь локалзац деформац [88], то формування зварного з'днання при рзних способах зварювання ма сво особливост. Ав торами робт [88,112] встановлено, що при збльшенн швидкост де формац ступнь локалзац та глибина зони деформац зростають.

Наприклад, при ДЗВ локальна деформаця л = 40...60 % зосереджу ться в зон зварювання глибиною менше 30...50 мкм, при УЗВ л = 90...95 % - в зон до 50 мкм, а при ЗВ л = 1000 % - в зон 150...200 мкм. При ДЗВ та УЗВ загальна деформаця зразкв склада 4...5 %. При ЗВ ма мсце значне зростання деформацй зсуву. Разом з збльшенням швидкост деформац змнюються механзми формуван ня структури та масопереносу в зон зварювання [13,88,112].

При низькошвидкснй деформац (наприклад, при ДЗВ) спосте ргаються хаотичний розподл дислокацй, клубково-комркова та суб зеренна структури. З пдвищенням швидкост деформац (наприклад, при МЗ) снують повороти елементв структури у вигляд фрагмента ц двйникування зерен, чтка орнтаця структур у напрямку дю чих напружень та повороти фрагментв субзеренних зеренних розм рв. При швидкостях деформац 104...105 сЦ1 (наприклад, при ЗВ) ме ханзми деформац зв'язан з потужними колективними формами руху дефектв кристалчно будови, при яких метал переходить в особливий аморфно-кристалчний стан.

Типи структур при рзних швидкостях деформац вивчено в ро бот [88]. Встановлено, що в процес високотемпературно деформац разом з збльшенням швидкост деформац (при переход вд ДЗВ до ЗВ) у зон зварювання вдбуваться формування структури в такй по слдовност: дислокацйн плоск скупчення та хаотичний розподл дислокацй;

клубков, блочн, комрков, субзеренн структури;

фраг менти;

двйники;

смугаст структури рзних типв (смуги зсуву та пе реорнтац). Типи деяких з них показано на рис.1.41 [88].

Змну дол рзних типв структур при зростанн швидкост деформа ц показано на рис.1.42,а для металв, однордних за складом та з висо кими значеннями енерг дефектв кристалчних граток (алюмнй АД-1, нкель та його сплави);

на рис.1.42,б - для металв з фазовими видлен нями, а також з бльш низькими значеннями енерг дефектв кристалч них граток (змцнений алюмнй, мдь, нержавюча сталь) [88].

У робот [112] дослджено механзм масопереносу залежно вд швидкост деформац. В умовах низьких швидкостей деформацй, ха рактерних для традицйно схеми ДЗВ, дифузя реалзуться за раху нок точкових та нйних дефектв кристалчно будови, а також уз довж суб- та мжзеренних границь. З зростанням величини пластич но деформац швидксть дифуз збльшуться, чим пояснються вплив механчно обробки з'днаних поверхонь на дифузйну рухо мсть атомв у приконтактних зонах певно глибини (див. рис.1.31). З збльшенням швидкост деформац (вдповдно миттво концентрац дефектв) дифузя зроста. Цей ефект бльш сильно виявляться при низьких температурах.

В умовах високонтенсивно силово д змнюються механзми як пластично деформац, так масопереносу. Разом з дислокацйним механзмом спостергаються колективн форми руху дефектв криста чних граток, перемщення потокв мас одного металу в нший, скуп чень сегрегацй, окремих часток рзних розмрв (порядка деклькох десяткв нанометрв) та х комплексв у напрямку д зовншнх на пружень, ротацйн механзми масопереносу, а також утворення клас терного типу (групи з певною клькстю атомв, в об'мах яких сну кристалчна упаковка, а перехд вд одного кластера до ншого здй снються через бльш розупорядкован перехдн област). Змну меха нзмв масопереносу вд дислокацйного до механчного для рзних способв зварювання показано на рис.1.43 [112].

Рис.1.41. Типи струк тур (30000) у зон а локалзовано дефор мац при рзних швидкостях зовнш нього навантаження та х схеми:

а - комрково-субзерен на структура сплаву ХН77ТЮ при ДЗВ;

б - б смуги зсуву в нкел при ЗВ;

в - повороти та сму ги переорнтац в нкел в а б Рис.1.42. Вплив швидкост деформац на об'мну долю V рзних типв & структур у зон з'днання при зварюванн тиском:

1 - хаотичне розподлення дислокацй;

2 - структури клубково-комрков;

3 - суб зеренн, 4 - фрагментов;

5 - смуги зсуву;

6 - колективн форми руху дефектв криста чно будови;

7 - двйникування;

8 - смуги переорнтац;

9 - поворот зерен декель кох зерен Рис.1.43. Даграма змни об'мно дол V механзмв масопереносу (дислокацй ного та механчного) при зварюванн рзнордних металв та збльшенн швид кост деформац вд характерно для ДЗВ до швидкост деформац при ЗВ:

1 - дислокацйний механзм;

2 - колективна форма руху дефектв кристалчно гратки;

3 - повороти об'мв;

4 - ультрадисперсний масоперенос;

5 - перемщення мас;

6 - ве лик частки На рис.1.43 показано роль того чи ншого механзму масоперено су при рзних способах зварювання залежно вд швидкост деформац.

Наприклад, при дифузйному зварюванн у вакуум та зварюванн прокатуванням д лише дислокацйний механзм. Об'мна доля цього механзму дуже низька тльки при зварюванн вибухом. Процеси ме ханчного масопереносу дють при зварюванн тертям, магнтно мпульсному, ударному та зварюванн вибухом.

Слд пдкреслити, що даграма, зображена на рис.1.43, не вичерп ною, оскльки сну багато нших способв зварювання тиском. снують також рзновиди конкретних способв зварювання, а змна параметрв режиму зварювання може суттво впливати на формування з'днань.

Крм того, сну взамозв'язок процесв, що проткають при зварюванн тиском. Тому видлення окремих стадй та груп способв зварювання умовним, але воно дозволя краще зрозумти суть та керувати складни ми процесами утворення з'днань при зварюванн тиском.

2. СПЕЦАЛЬН СПОСОБИ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ Останн десятирччя 20-го столття характеризуються нтенсив ним розвитком зварювання тиском [83]. Це обумовлено тим, що зва рювання тиском да ункальн можливост для з'днання матералв з поганою здатнстю до зварювання плавленням. Розроблено нов спо соби контактного зварювання (контактне стикове зварювання з пуль суючим оплавленням, контактне зварювання труб пд водою тощо), як вивчаються в окремому курс. з спецальних способв зварювання тиском успшно розвивалися та знайшли широке розповсюдження зварювання тертям, дифузйне, струмами високо частоти, холодне, вибухом та нш.

При зварюванн тиском процеси утворення фзичного контакту та активац поверхонь звичайно визначаються пластичною деформа цю, а об'мна взамодя (рекристалзаця, дифузя, релаксаця напру жень) - температурою. Залежно вд нтенсивност силового впливу при одних способах зварювання (вибухом, магнтно-мпульсному то що) необхдно обмежувати величину та швидксть пластично дефор мац, при нших - необхдна нтенсифкаця пластично деформац.

Розроблено багато способв управлння нтенсивнстю процесв, що проткають при зварюванн тиском. Тому сну багато рзних схем ре алзац деяких способв зварювання. нод вони вдокремлюються як нов способи зварювання.

2.1. Холодне зварювання 2.1.1. Суть способу. Холодне зварювання ( kaltpressschweissen;

cold welding;

холодная сварка) - це зварювання тиском при великй пластичнй деформац без зовншнього нагрвання деталей, як з'д нуються. Холодне зварювання здйснються шляхом спльного пла стичного деформування з'днуваних металв, у результат чого мж ними встановлються мжатомний зв'язок. Зближення поверхонь на мжатомн вдстан та х активаця забезпечуються значними пластич ними деформацями, що складають 55Е90 %.

Основними типами з'днань з'днання внапуск та встик. Стерж н, смуги, профл або дроти 2 зварюють встик шляхом х стискування один з одним, установлюючи певний вилт з затискачв 1 зварюваль но установки (рис.2.1,а).

Листи товщиною 0,2Е15 мм зварюють унапуск шляхом втиснен ня пуансонв 2 в детал, як з'днуються, з одн або з двох сторн (рис.2.1,б,в).

а б в Рис.2.1. Схема холодного зварювання:

а - стикове зварювання стержнв 2, як знаходяться в затискачах 1;

б - втисненням пуансонв 2 в детал 1;

в - втисненням пуансонв 2 з попереднм стисненням деталей пуансонами 3 (стрлками показано плин металу пд пуансонами) З'днання внапуск можуть бути точковими, нйними, кльцеви ми шовними. Схему холодного шовного зварювання показано на рис.2.2.

Спльний плин металу при стисненн стержнв (з'днання встик) або пд пуансонами в з'днаннях унапуск руйну поверхнев плвки та виносить х за меж з'днання, а великий тиск створю щльний кон такт ювенльних поверхонь запобга доступу повтря в зону зварю вання. Плин металу пд пуансонами на рис.2.1 показано стрлочками.

Тиск при холодному зварюванн звичайно в 1,5Е2 рази перевищу твердсть металу, що зварються.

а б Рис.2.2. Схема холодного шовного зварювання з одностороннм (а) двостороннм (б) деформуванням з рис.2.1 видно, що при холодному зварюванн мжатомн зв'язки утворюються мж кристалами, як до зварювання були вддален вд поверхн. Оскльки з'днання формуться в момент закнчення дефор мац, то час формування його кристалчно структури короткий мо же оцнюватися долями секунди. Тому об'мна взамодя при холод ному зварюванн вдсутня.

Холодне зварювання внапуск здйснюють шляхом втиснення пу ансонв у попередньо стиснут листи (див. рис.2.1,в) або не стиснут (рис.2.1,б). В обох випадках необхдно забезпечити значний плин ме талу в зон з'днання для утворення ювенльних поверхонь та х акти вац. Ступнь плину металу в площин з'днання можна визначити за допомогою координацйно стки, дослдивши спотворення при зва рюванн (рис.2.3,а) [17]. На рис.2.3,б показано ступнь плину залежно вд глибини втиснення пуансона для рзних металв [120]. Глибина втиснення пуансона визначаться у вдсотках вд товщини листа.

а б Рис.2.3. Спотворення координацйно стки при втисненн пуансонв (а) та вплив глибини втиснення пуансонв на вдстань у координацйнй стц в площин з'днання при холодному зварюванн внапуск рзних металв (ширина пуансона 4 мм, початкова вдстань у стц 0,5 мм):

1 - Al;

2 - Cu;

3 - Pb;

4 - Sn;

5 - Cd Для холодного зварювання характерний високий ступнь плину, оскльки для переважно бльшост металв для зварювання необхд ний ступнь втиснення пуансонв бльше 50 %.

Ступнь плину металу та, вдповдно, умови зварювання залежать вд вдношення даметра d або ширини b пуансона до товщини листа.

d b = 2 та = 1 [120].

Максимум плину спостергаться вдповдно при Вимрювання ступеня плину в зон з'днання складне. Тому для оцнки деформац металу при холодному зварюванн внапуск, кори h стуються вдносною глибиною втиснення пуансона =, де h - гли бина втиснення пуансона в метал. Слд враховувати, що кореляця мж ступенем плину металу та вдносною глибиною втиснення пуансона спостергаться лише при певнй схем деформац та незмнному спввдношенн розмрв пуансона товщини листа.

Залежно вд роду металу, способу пдготовки поверхонь та геомет р пуансонв, сну певна мнмальна вдносна величина втиснення пуансона min, необхдна для утворення мцного з'днання (табл.2.1).

Таблиця 2.1. Необхдна величина деформац при холодному зварюванн деяких матералв унапуск [97,121] Вдносна глибина Вдносна глибина Метал Метал втиснення пуансона втиснення пуансона min, % min, % ндй 10...15 Србло 82... Алюмнй 55...60 Мдь 85... Алюмнв сплави 75...80 Олово 85... Свинець 80...85 Нкель 85... Титан 70...75 Армко-залзо 85... Кадмй 82,5 Цинк 90, На рис.2.4,а показано характер залежност мцност з'днань вд деформац при холодному зварюванн. Як видно з рисунка, поки де формаця не досягне деякого критичного значення (цю деформацю називають деформацю схоплювання), мцнсть зчеплення дорвню нулю. Для м'якого алюмню деформаця схоплювання (критична де формаця) дорвню приблизно 45 %. При подальшому збльшенн де формац мцнсть з'днання швидко зроста, досягаючи максимуму при деформац 60Е70 %. Зниження мцност з'днань псля досягнен ня максимуму пояснються зменшенням товщини металу в зон зва рювання вдривом зварно точки замсть зрзу.

Вплив вдносно глибини втиснення пуансона на мцнсть зварних з'днань деяких металв показано на рис.2.4,б.

а б Рис.2.4. Характер змни мцност з'днань вдносно мцност основного металу (а) та мцнсть зварних з'днань деяких металв (б) залежно вд ступеня втиснення пуансона при холодному зварюванн:

1 - алюмнй у наклепаному стан;

2 - електролтична мдь;

3 - алюмнй у вдпалено му стан;

4 - олово Критична деформаця залежить вд чистоти поверхонь. Алюмнй, мдь, свинець та нш метали з г.ц.к. ратками, зачищен шабруванням у вакуум 1,310Ц7 Па, схоплюються при деформац 5Е8 %. Ефектив но вплива нанесення на з'днуван поверхн високопластичного мета лу твердого покриття, наприклад, електролтичне нанесення нкелю або хрому на мдь. При зварюванн твердий шар легко руйнуться виноситься плином металу з зони зварювання, утворюючи ювенльн поверхн. Аналогчно може впливати наявнсть твердо оксидно плв ки на поверхн металу.

На рис.2.5,а показано взамозв'язок вдношення твердостей оксид но плвки металу та деформац схоплювання, а на рис.2.5,б залеж нсть деформац схоплювання вд спльного впливу середовища та часу витримки в ньому зачищених поверхонь до зварювання [120].

стисненн заготовок мж плитами залишався зазор 0,5 мм. Так штам пи зручно застосовувати при багатоточковому з'днанн.

Рис.2.12. Схема машини К609М для зварювання корпусв силових напвпровдникових приладв:

1 - прес;

2 - станця гдрообладнання;

3 - зварювальний штамп Рис.2.13. Схема штампа для армування алюмнвих шин мдними накладками:

1 - плити для затиснення заготовок;

2 - вкно для розмщення заготовок;

3 - виступ для центрування заготовок;

4 - пуансони;

5 - робочий виступ пуансона;

6 - ва спря мовуюча руху верхньо частини штампа;

7, 8 - нижня верхня основи штампа;

9 - пру жини попереднього затиснення заготовок;

10 - пружини розкриття штампа 2.1.4. Особливост та сфери застосування холодного зварю вання. Основною перевагою холодного зварювання вдсутнсть зов ншнього пдгрву й об'мно взамод в контакт металв, що дозво ля зварювати рзнордн метали, як утворять при нших способах зварювання нтерметалди. Холодне зварювання забезпечу високу пластичнсть мцнсть цих з'днань.

Зварний шов при холодному зварюванн металу не забруднються домшками, ма високу однорднсть та висок показники корозйно стйкост стабльност електричного опору. Простота пдготовки деталей до зварювання контролю параметрв режиму, вдсутнсть допомжних матералв, газових теплових видлень, можливсть ди станцйного управлння та швидксть процесу роблять холодне зва рювання зручним для використання, не вимагають високо квалфка ц зварника-оператора. Питом витрати енерг на зварювання при близно на порядок менш, нж при зварюванн плавленням. Застосу вання холодного зварювання покращу ггнчн умови на виробництв.

Однак слд враховувати, що для холодного зварювання кожного конк ретного виробу потрбно мати нструмент ндивдуально конструкц.

Необхдно суворо стежити за виключенням можливост забруднення пдготовлених до зварювання поверхонь. При зварюванн внапуск на виробах залишаються глибок вм'ятини - слди вд нструмента.

Слд також вдзначити, що вдсутнсть об'мно взамод при хо лодному зварюванн однордних металв вплива на пластичнсть з'д нань. Тому нод при зварюванн або псля холодного зварювання за стосовують пдгрв. Тод процес називають пресовим зварюванням або пресовим зварюванням з пдгрвом [17,120].

Дапазони розмрв перерзу товщин заготовок при холодному зварюванн досить широк. Точковим зварюванням з'днують листи товщиною вд 0,1 до 10 мм. Для попередження короблення деталей зварювання внапуск товщин бльше 4 мм повинно проводитися з х обов'язковим попереднм затисненням. Рзнотовщиннсть заготовок може складати 1:4 бльше. Отриман стиков з'днання дротв прут кв даметром вд 0,8 до 30 мм, смуг прямокутного перерзу з макси мальною площею до 1000 мм2 (10010 мм) для мд та до 1500 мм2 для мд з алюмнм.

Оптимальною атомною будовою металв для холодного зварю вання гранецентрован кубчн гратки (алюмнй, мдь, нкель, сви нець, србло, золото, -залзо). Холодним зварюванням з'днують висо копластичн метали. Сплави зварюються значно грше.

Холодне зварювання найбльш широко застосовуться в електро технчнй промисловост та на транспорт для з'днання алюмнвих мдних дротв, а також алюмнвих дротв з мдними наконечниками, в електромонтажному виробництв, при виробництв теплообмнникв та побутових приладв.

Особливий вид холодного зварювання - з'днання листв прока туванням на вальцях. Таку технологю використовують, наприклад, при виготовленн теплообмнникв для холодильникв. На поверхню листв з алюмнвого сплаву наносять спецальну фарбу в мсцях, де не повинно бути зварювання, листи складають виконують загальне прокатування. За рахунок пластичних деформацй листи зварюються по всй площ, крм зафарбованих мсць. Потм листи вдпалюють затискають у прес з фгурними вимками на плитах там, де повинн бути трубки теплообмнника. Через длянки, ранше покрит фарбою, пропускають пд тиском рдину. Пд внутршнм тиском ц длянки приймають форму трубок утворюють канали теплообмнника.

У суднобудвнй промисловост холодне зварювання застосову ться в електроцехах та при монтаж електроустаткування.

2.2. Ультразвукове зварювання 2.2.1. Суть способу. Ультразвукове зварювання (ultraschall schweissen;

ultrasonic welding;

ультразвуковая сварка) - це зварювання тиском при д ультразвукових коливань. З'днання утворються в ре зультат спльно д на детал стискуючого зусилля високочастотних механчних коливань, що супроводжуться вдносним тангенцальним змщенням мало амплтуди з'днуваних поверхонь нагрванням ме талу в зон зварювання. Зусилля д перпендикулярно до з'днуваних поверхонь, а коливання викликають х незначний зсув з ультразвуко вою частотою. При цьому вдбуваться невелика пластична деформа ця приповерхневого шару металу в зон зварювання утворення юве нльних поверхонь та х з'днання. Тривалсть процесу вимряться секундами долями секунд. Ультразвукове зварювання (у.з. зварю вання) застосовують для одержання точкових шовних з'днань, а та кож для зварювання по контуру. Принципову схему зварювання ульт развуком показано на рис.2.14.

а б Рис.2.14. Принципова схема точкового (а) шовного (б) зварювання ультразвуком:

1 - зварюван детал;

2 - трансформатор пружних коливань, Р - стискуюча сила;

3 - зва рювальний наконечник (ролик);

4 - маятникова опора (опорний ролик);

5 - зварна точка (шов);

у.з.к. - ультразвуков коливання Зварювальний наконечник 3 (при шовному зварюванн - ролик) визнача площу об'м джерела ультразвукових механчних коливань безпосередньо в зон зварювання. Вн повинен передавати коливання для здйснення тертя мж поверхнями з'днуваних деталей з мнмаль ними втратами мж ним верхньою деталлю. Величина амплтуди ко ливань звичайно знаходиться в нтервал 10Е25 мкм.

Таким чином, процес ультразвукового зварювання вдбуваться в умовах тертя, викликаного мкроскопчним вдносним зворотно-по ступальним перемщенням длянок поверхонь у зон стискування, що супроводжуться видленням теплоти.

Розповсюдження у.з.к. при зварюванн показано на рис.2.15.

Рис.2.15. Розповсюдження у.з.к. при зварюванн:

а - початок зварювання;

б - процес зварювання;

в - кнець зварювання Дослдження показали, що при у.з. зварюванн дють два основ них джерела тепла [124,140]. Одне знаходиться в зон контакту зварю вального наконечника (ролика) з деталлю, друге - у зон з'днання де талей. Видлення теплоти бля зварювального наконечника обумовле но його тертям з деталлю призводить до пластичного деформування зовншньо поверхн детал пд наконечником. Видлення теплоти мж деталями обумовлено дю нормальних стискуючих напружень на пружень зсуву, що призводить до зовншнього внутршнього тертя в металах пластично деформац в зон зварювання.

Вбруючий зварювальний наконечник у перший момент зварю вання розвива нтенсивне видлення тепла в зон його контакту з де таллю. У зону зварювання у.з.к. передаються з деяким запзненням (див. рис.2.15).

Уявлення про максимальн температури в зон зварювання рзних металв да табл.2.4 [124,140].

Таблиця 2.4. Температури в зон зварювання металв Товщина Час зварю- Зусилля стис- Темпера Матерал, мм вання t, c кування Р, Н тура Т, С Алюмнй 0,5 + 0,5 0,5 2000 200Е Мдь 1,0 + 1,0 1,5 4400 300Е Цинк 0,85 + 0,85 0,6 2200 100Е Залзо 0,4 + 0,4 0,4 2600 800Е Залзо + константан 10,0 + 0,65 1,6 1900 До Мдь + константан 0,3 + 0,65 1,0 400 До Максимальна температура залежить вд амплтуди коливань та стискуючого зусилля. Характер ц залежност при зварюванн залза ( = 10 мм) з константаном ( = 0,65 мм) показано на рис.2.16.

з рис.2.16 видно, що збльшення амплтуди у.з.к. вд 10 до 30 мкм пдвищу максимальну температуру в контакт мж деталями вд до 900 С. Цей вплив пов'язаний з збльшенням енерг звукового по ля та нтенсивност ультразвуково енерг. Середня щльнсть енерг звукового поля Е, ерг/см2, залежить вд щльност середовища, г/см3, кутово частоти, сЦ1, та амплтуди у.з.к. m, мкм:

1 E= m. (2.3) нтенсивнсть енерг плоско поздовжньо звуково хвил I = k 2 f 2c, (2.4) m де k - коефцнт пропорцональност;

f - частота коливань;

с - швид ксть звуку в середовищ;

нш величини т ж, що в рвнянн (2.3).

Потк енерг хвил через поверхню S = I ds cos, (2.5) S де - кут мж перпендикуляром до поверхн S напрямком розповсю дження хвил.

Рис.2.16. Залежнсть максимально температури вд величини амплтуди m у.з.к. при зусилл стиснення 700 Н (а) вд стискуючого зусилля при амплтуд 14Е16 мкм (б):

1 - у контакт пд зварювальним наконечником;

2 - у контакт мж деталями Зусилля стиснення забезпечу передачу у.з.к. до зони зварювання.

Його мнмальне значення, при якому починають утворюватися з'д нання, залежить вд зварюваних матералв та х товщин, а оптимальне значення зроста з збльшенням амплтуди у.з.к. При збльшенн кон тактного тиску початкова швидксть нагрвання росте за рахунок по кращення зв'язку мж зварювальним наконечником деталями. Швид ксть нагрвання деталей залежить також вд форми та стану поверхн наконечника.

Сумсний вплив д у.з.к. та зусилля стиснення на температуру в зон зварювання алюмню товщиною 0,5 + 0,5 мм показано на рис.2.17 [120]. При надмрному зусилл температура в контакт мж деталями значно зменшуться внаслдок виходу з резонансу коливаль но системи падння величини енерг, що передаться в контакт мж деталями.

Рис.2.17. Вплив часу д у.з.к. та зусилля стиснення на температуру в контакт мж деталями при зварюванн алюмню товщиною 0,5 + 0,5 мм Температура в зон зварювання залежить вд твердост теплофзич них властивостей зварюваних матералв, потужност коливально сис теми та параметрв режиму зварювання. Нагрвання в зон зварювання звичайно не перевищу 0,6 температури плавлення. Пд дю тертя, на грвання пластичного деформування плвки забруднень руйнуються, дезорнтуються видаляються з зони стискування, завдяки чому ста можливим утворення вузлв схоплювання, х розширення формування зварного з'днання. Встановлено, що у.з.к. сприяють видаленню жиро вих плвок завдяки розвитку кавтацйних процесв в умовах д в окре мих мкрооб'мах поперемнних високих тискв та розрджень. Тому у.з.

зварювання може виконуватися навть при наявност жирових забруд нень поверхонь. Однак прийнято знежирювати поверхн перед зварю ванням, оскльки це збльшу даметр точок зварювання. У.з.к. також знижують поверхневий натяг металв, значно прискорюють утворення активних центрв схоплювання поверхонь, процеси дифуз та рекрис талзац. Тому формування кристалчно структури в зон з'днання при у.з. зварюванн вдбуваться досить швидко.

У.з. зварювання може виконуватись з мпульсним нагрванням мсця зварювання вд окремого джерела тепла, що дозволя зменшити зусилля стиснення, амплтуду час д у.з.к. та деформац металу. Та кий спосб розроблено для у.з. зварювання мкродеталей. Зварюван елементи пдлягають д у.з.к. нагрванню одночасно або в певнй послдовност [86]. Процес виконуться наступним чином. Спочатку зварювальний нструмент невеликим зусиллям притискаться до дета лей, потм через нього пропускаться електричний струм для його на грвання та одночасно (або з певним випередженням або запзненням) включаються у.з.к. Спосб дозволя зварювати матерали з рзними фзико-хмчними властивостями.

сну думка, що успшне ультразвукове зварювання рзнордних матералв можливе за умови рзниц атомних радусв з'днуваних ме талв не бльше 15Е18 %. Ця умова вдповда загальному уявленню про снування твердих розчинв. При рзниц атомних радусв у межах 19Е44 % зварювання металв ускладнються. Дослдження А.О. Рос сошинського дозволили отримати за допомогою ультразвукового зва рювання надйн з'днання мж матералами з стотними рзницями атомних радусв та вдмнностями фзико-хмчних властивостей, на приклад, мж керамкою металами [121]. Утворення з'днань автор поясню певним перемщенням металу в зон зварювання. Деформаця мкровиступв пд дю коливань стиснення призводить до взамного проникнення перемшування матералв, як з'днуються, що забез печу яксть зварювання.

При ультразвуковому зварюванн можна видлити процеси утво рення фзичного контакту, активац поверхонь та об'мно взамод, незважаючи на короткочаснсть процесу. Вс ц процеси проткають в умовах д у.з.к. Тому в робот [140] вдзначаться можливсть розвит ку процесв стомленост в зон зварного з'днання пд впливом довготривало д у.з.к. та зниження мцност з'днань унаслдок часткового руйнування вузлв схоплювання.

2.2.2. Технологя зварювання. Основними параметрами режиму у.з. зварювання зусилля стиснення (контактне зусилля) Р, час зва рювання t, амплтуда m частота f у.з.к. Важливе значення мають потужнсть у.з. обладнання, форма та стан поверхн зварювального наконечника. Оскльки потужнсть ультразвукового перетворювача, частота та амплтуда у.з.к. визначаються характеристиками ультразву кового обладнання, то його потрбно вибирати стосовно конкретних деталей. Зусилля стиснення та час зварювання легко регулюються при розробц режиму зварювання. Зварювальний наконечник працю в складних термодеформацйних умовах. Тому його матерал, форма та обробка поверхн також визначаються матералами, що зварюються.

Вплив тривалост д у.з.к. на руйнуюче зусилля мцнсть з'д нань при зрз, а також площу вузлв схоплювання при зварюванн мд них зразкв ( = 0,35 + 0,35 мм) показано на рис.2.18 [120].

а б Рис.2.18. Залежнсть руйнуючого зусилля (а), площ з'днання (б) та границ мцност при зрз (в) вд часу у.з. зварювання в з рис.2.18,а видно, що руйнуюче зусилля зроста з збльшенням часу зварювання. Це пояснються розширенням площ з'днання (рис.2.18,б), оскльки границя мцност не змнються (рис.2.18,в).

Аналогчн результати отриман при у.з. зварюванн алюмню.

Випробування на вдрив зварних з'днань мдних зразкв показали границю мцност бля 200 МПа. Це свдчить про утворення у вузлах схоплювання металчних зв'язкв, що мають таку ж природу мцнсть, як основний метал.

Сумсний вплив контактного зусилля та часу зварювання алюм нвих пластинок унапуск на руйнуюче зусилля при розтягуваннЦзрз показано на рис.2.19 [120].

Рис.2.19. Вплив часу д у.з.к. та зусилля стиснення на руйнуюче зусилля при зварюванн алюмн вих пластинок унапуск При малих контактних тисках мцнсть зварно точки значною м рою залежить вд часу д у.з.к. Чим бльшим стискуюче зусилля, тим менший час д у.з.к. забезпечу високу мцнсть з'днань. Як видно з рис.2.16,б, з збльшенням стискуючого зусилля значно зроста також максимальна температура, якщо зусилля не надмрне не вплива на резонансний стан коливально системи. При дуже тривалому час д у.з.к. спостергаються значн пластичн деформац металу, його при варювання до наконечника та погршення якост зварювання.

Як було показано на рис.2.16,а, сильно вплива на максимальну температуру в контакт мж деталями величина амплтуди у.з.к. Амп туда у.з.к. аналогчно вплива на мцнсть з'днань (рис.2.20) [124].

Численн дослдження показали [124], що для кожного конкрет ного випадку залежност мцност з'днань на зсув вд амплтуди у.з.к сну сво оптимальне значення амплтуди. Оптимальне та граничне значення амплтуди у.з.к. визначаються властивостями товщиною зварюваних матералв, величиною зусилля стискування часом зва рювання. Мнмальне значення амплтуди обумовлене необхднстю забезпечення вдносного перемщення в контакт мж деталями, нагр вання й активац в зон з'днання. з ростом товщини зварюваних де талей (при рвних нших умовах) необхдне мнмальне значення амп туди збльшуться внаслдок збльшення втрати енерг в детал. М нмальне значення амплтуди у.з.к. збльшуться також з збльшенням твердост металу верхньо детал, що обумовлено необхднстю бльш високо температури в зон зварювання.

Рис.2.20. Вплив амплтуди у.з.к. на руйнуюче зусилля при випробу ваннях на розтягуванняЦзрз з'днань унапуск:

1 - Д16М товщиною 1,2 мм, стискуюче зусилля 800 Н, час зварювання 2,0 с;

2 - АМг 6 товщиною 0,5 мм, стискую че зусилля 500 Н, час зварювання 1,5 с Максимальне значення амплтуди не повинне призводити до руй нування з'днання, отриманого на бльш раннй стад зварювального циклу, руйнування основного матералу та недопустимих деформацй.

Слд вдзначити, що ефективна передача у.з.к. вд зварювального наконечника можлива лише при певних значеннях амплтуди у.з.к. контактного зусилля.

Ранше вдзначалася можливсть у.з. зварювання з використанням стороннього джерела теплоти. Найбльш широко застосовують цю схему в електронц для зварювання тонких дротв. При пдвищенн температури пдгрву вд стороннього джерела теплоти час зварюван ня може бути значно скорочено (рис.2.21) [120].

Рис.2.21. Вплив часу д у.з.к. та температури пдгрву на руйнуюче зусилля вдриву при зварюванн алюм нвих дротв даметром 0,1 мм з алюм нвими плвками на ситал:

1 - 20;

2 - 150;

3 - 220;

4 - 300 С з рис.2.21 видно, що енергетичн характеристики теплового м пульсу часу його д вдносно д у.з.к. додатковими параметрами режиму, як визначають яксть зварювання.

Для у.з. зварювання характерн з'днання внапуск з рзним конс труктивним оформленням х елементв. Зварювання може виконувати ся одню або деклькома точками, безперервним швом, по замкнуто му контуру. Можливе зварювання пакетом.

Дапазон зварюваних товщин обмежений зверху. з пдвищенням товщин необхдно збльшувати амплтуду у.з.к., але це можливо лише до певного значення, при якому будуть вдсутн руйнування вд стомле ност та недопустим деформац. Тому найбльш часто зварюють плоск елементи, як знаходяться пд зварюваним нструментом, товщиною вд 0,3 мкм до 1,0 мм. Технчний алюмнй зварюють товщиною до 2,0Е2,5 мм при наявност устаткування вдповдно потужност.

Товщина детал, що знаходиться на опор, не обмежуться. Корот кочаснсть зварювання дозволя з'днувати рзнордн матерали, як схильн до утворення нтерметалдв. Товщина останнх, звичайно, ма ла не вплива на яксть з'днання.

У.з. зварювання не вимага складно пдготовки деталей. Для пдви щення стабльност якост з'днань доцльно лише знежирити поверхн.

Теоретичне визначення параметрв режиму зварювання склада досить важке багатофакторне завдання. Тому х вибр проводиться експериментально шляхом обробки результатв механчних випробу вань сер зразкв, як отримують при варац одного з параметрв та фксованих нших. Звичайно вибирають зусилля стиснення, потм час зварювання та амплтуду у.з.к. Уявлення про величину цих параметрв дають наведен вище рисунки. Потужнсть частота у.з.к. визначають ся наявним устаткуванням.

Максимальна мцнсть з'днань може бути досягнена при певних значеннях частоти й амплтуди у.з.к., контактного зусилля та часу зва рювання. Вдсутнсть або низька яксть з'днань обумовлються пога ним зачищенням поверхонь недостатньою пластичною деформацю металу. Зниження мцност псля оптимального значення пов'язане з частковим руйнуванням та значними деформацями металу пд зварю вальним нструментом. При оптимальних параметрах режиму зварю вання спввдношення сил тертя в парах "нструментЦдеталь", "деталь - деталь" "детальЦопора" повинне бути таким, щоб не було прослизан ня мж нструментом опорою та деталями, налипання металу на н струмент х зварювання. В останньому випадку деталь включаться в коливальний контур за рахунок сво маси змню частоту коливаль но системи, виводячи з резонансу. Це значно погршу умови пере дач енерг до зони зварювання. Крм того, рзко скорочуться ресурс роботи зварювального нструмента.

Умови видлення теплоти в зон з'днання значною мрою можна регулювати змною контактного зусилля. При малому зусилл нстру мент ковза по детал зварювання неможливе. При надмрному зу силл значн пластичн деформац пд нструментом роблять немож ливим тертя в площин "детальЦдеталь".

При збльшенн товщини даметра зварно точки контактне зу силля повинне збльшуватись. Пропорцонально повинна збльшува тись також амплтуда у.з.к., що вимага збльшення електрично по тужност зварювального устаткування.

Поява трщин стомленост особливо характерна для наклепаного металу, що необхдно враховувати при вибор амплтуди у.з.к. Змен шити вплив у.з.к. на зварну деталь можна шляхом пдвищення частоти коливань, однак це можливе лише тод, якщо акустична система уста ткування розрахована на цю частоту.

Час зварювання найменш критичним параметром. Вн вибира ться тим тривалшим, чим бльша товщина твердсть металу та мен ша потужнсть у.з.к.

У випадку зварювання пластичних металв з пдгрвом вд сто роннього джерела теплоти оптимальним цикл з запзненням тепло вого мпульсу по вдношенню до моменту включення у.з.к. При зва рюванн твердих металв доцльно давати тепловий мпульс з випере дженням моменту включення у.з.к., причому тривалсть д у.з.к. по винна бути меншою тривалост д теплового мпульсу. Така схема зварювання поширена в мкроелектронц.

У.з. зварювання застосовують для з'днання багатьох металв.

Найбльш легко зварюються пластичн метали (алюмнй, мдь та х сплави, србло, нкель тощо) як мж собою, так з твердими малопла стичними матералами. Металчн детал можуть зварюватися з кера мкою, склом, напвпровдниковими матералами (кремнй, германй).

Успшно зварюються тугоплавк метали: вольфрам, нобй, тантал, цир конй, молбден. Можна зварювати заготовки через прошарок з тре тього металу, наприклад, сталь з сталлю через алюмнй, а також по крит оксидами, лаками, полмерами тощо. Використовуться у.з. зва рювання також для з'днання пластичних мас.

Режими одноточкового зварювання деяких металв наведено в табл.2.5 [124].

Таблиця 2.5. Режими зварювання деяких металв та руйнуюч зусилля з'днань унапуск при розтягуваннЦзрз Режими зварювання Товщина Середн руйную- Характер m, Матерал, мм че зусилля Р3, кН руйнування Р, Н t, с мкм = 0,5: 0, 0,3Е0,7 200Е300 0,5Е1,0 14Е16 Виривом точки Al = 1,5: 1, 1,3Е1,5 500Е700 1,5Е2,0 14Е16 Зрзом = 0,5: 1, AMг6 0,3Е0,5 300Е500 1,0Е1,5 17Е19 Виривом точки = 0,4: 0, Д16AT 0,3Е0,7 500Е800 1,0Е2,0 20Е22 Виривом точки = 1,5: 2, Д16AM 1,4Е1,6 1100Е1200 2,5Е3,5 18Е20 Зрзом = 0,5: 1, 0,3Е0,6 300Е700 1,5Е2,0 16Е20 Виривом точки Cu Частковим ви = 1,0: 2, 1,1Е1,3 1100Е1300 3,0Е4,0 16Е ривом точки 0,5 800 0,5 20Е22 2,00 Виривом точки BT1 Частковим ви 1,0 1200 1,5 18Е20 2, ривом точки Zr 0,5 900 0,25 23Е25 0,70 Виривом точки BT1 + Zr 0,5 + 0,5 900 0,25 23Е25 0,67 Виривом точки У наведених дослдженнях (табл.2.5) зварювальний наконечник мав сферичну поверхню радусом 10 мм. При зварюванн алюмню, мд та сплавв даметр зварно точки складав 4 мм, титану цирко ню - 3 мм. Частота у.з.к. складала 19,5Е20,0 кГц.

з табл.2.5 видно, що при малих товщинах руйнування одноточ кових з'днань вдбуваться шляхом вириву точки. При збльшенн товщин заготовок руйнування з'днань вдбуваться зрзом. При цьому мцнсть з'днань при у.з. зварюванн вища, нж при контактному зва рюванн [124].

Яксть з'днань при шовному зварюванн визначаться тими ж па раметрами, що при точковому, лише замсть часу зварювання вво диться швидксть руху детал. Обов'язковою умовою отримання якс них з'днань рвнсть нйних швидкостей руху зварювального ро лика та опори. При правильно вибраних режимах шовного зварювання руйнуюче зусилля у зварного з'днання вище, нж в основного металу.

2.2.3. Зварювальне устаткування. Устаткування для у.з. зварю вання складаться з власне зварювального обладнання та ультразвуко вого генератора (у.з.г.). У.з.г. призначений для перетворення електрич но енерг промислово частоти в електричну енергю ультразвуково частоти (18...106 кГц). До його енергетичних характеристик вдносять ся: вихдна потужнсть, робочий дапазон частот, напруга. Генератори випускаються рзних типв можуть використовуватися для очищення деталей у рдин, нтенсифкац рзних процесв, обробки металв, зва рювання тощо. Вони можуть бути ламповими, напвпровдниковими, лампово-напвпровдниковими, тиристорними, нверторними. Харак теристики деяких генераторв, як найбльш часто застосовуються для рзних технологчних процесв, наведено в табл.2.6 [74].

Таблиця 2.6. Характеристики деяких генераторв для використання в технологчних процесах Параметри живлення Вихдн параметри Назва Напруга, Частота, Потужнсть, Напруга, Частота, Потужнсть, генератора В Гц кВт В кГц кВт УЗГ3-0,4 220 50 1,1 27...220 18;

22;

44 0, УЗГ3-10 3*380 50 13,0 360 18;

22 10, УЗГ3-4 380 50 6,0 360 18;

22 4, УЗГ1-1 220 50 2,0 220 22 1, ГПЧ-4-8 3*380 50 6,0 360 8 4, ТГУ-1,2-27 380 50 2,0 110 27 1, Для зварювання в мкроелектронц використовують у.з.г. з поту жнстю в деклька десяткв Вт та частотою 40Е66 кГц.

Власне зварювальне обладнання складаться з коливально сис теми, механзму стискування, системи охолодження, апаратури керу вання параметрами режиму зварювання та приводу обертання роликв при шовному зварюванн. До коливально системи входять перетво рювач енерг електромагнтних хвиль в енергю механчних коливань, трансформатор пружних коливань (хвилевд), зварювальний нстру мент тощо.

Для зварювання використовують ультразвуков акустичн коли вання, тобто механчн коливання пружного середовища, як поши рюються у вигляд хвиль. Ультразвуковими називають коливання з дапазоном частоти 18...106 кГц. При у.з. зварюванн звичайно викори стовуться дапазон частот 18Е80 кГц.

Генераця у.з.к. базуться на магнтострикцйному або п'зоелект ричному ефектах, вдкритих, вдповдно, Джоулем у 1847 р. та Жаном П'ром Кюр в 1880 р.

П'зоелектричний ефект поляга в тому, що неметалчн кристали змнюють сво розмри, якщо до протилежних сторн кристалв при кладати електричний потенцал. Це явище оборотне. При пружних деформацях кристала на його гранях з'являться рзниця електричних потенцалв.

Магнтострикцю називаться змна розмрв форми зразка з феромагнтного матералу пд дю пронизуючого змнного магнтного потоку. Якщо змнються об'м зразка без змни його форми (напри клад, при нагрванн ненамагниченого феромагнетика в точц Кюр зменшуться його об'м без змни форми), то це явище називають об' мною магнтострикцю. Якщо при незначнй змн об'му спостер гаться змна форми зразка його розмрв у певному напрямку, то го ворять про нйну магнтострикцю. Лнйна магнтострикця спосте ргаться при д на феромагнетик магнтного поля нижче точки Кюр.

Феромагнтний матерал змню сво розмри синхронно з змною на пруженост магнтного поля. Величина нйно магнтострикц скла да бля 10Ц5 (l / l 10Ц3 %) залежить вд напруженост зовншнього магнтного поля. Розрзняють поздовжню магнтострикцю (вдносна змнна довжина зразка в напрямку д магнтного поля) поперечну магнтострикцю (у перпендикулярному напрямку). Феромагнтн вла стивост мають залзо, кобальт, нкель та хн сплави.

Для феромагнетикв (коефцнт магнтно проникливост >> 1), як для парамагнетикв ( > 1), характерна наявнсть власних магнт них моментв у часток (доменв), як х складають. Це обумовлено сп новими магнтними моментами електронв. Джерелом феромагнетиз му можуть бути нескомпенсован магнтн моменти електронв внут ршнх оболонок атома. Наприклад, в зольованого атома залза з елек тронною структурою 1s22s22p63s23p63d 64s2 з десяти d-станв заповнено тльки шсть. Згдно з правилом Хунда та принципом Паул (п.1.1), п'ять електронв мають однакове орнтування спну й один - проти лежне, що повинно було б давати спновий магнтний момент атома залза 4В, де В - магнетон Бора. Насправд ж в атомв кристалчного -залза вдбуваться взамодя 3d- 4s-електронв спновий магнт ний момент зменшуться. Вн склада 2,221В на один атом. У розра хунку на атом магнтний момент у кобальта (1s22s22p63s23p63d74s2) склада 1,716В, у нкеля (1s22s22p63s23p63d 84s2) - 0,606В.

Отже, феромагнетиками можуть бути лише кристали, як мстять атоми перехдних елементв з не повнстю забудованими внутршнми оболонками [10]. Проте хром марганець мають у 3d-станах по п'ять електронв. Але хн кристали не мають феромагнтних властивостей.

Другим критерм феромагнетуму обмнна взамодя типу "елек трон - електрон" та "електрон - он", оскльки вс "магнтн" електрони нерозрзюван. Кожний з них може обмнюватися мсцем з будь-яким ншим електроном входити до складу будь-якого она гратки. Фзична природа обмнно взамод в перехдних елементв з незабудованою d-оболонкою сьогодн ще не з'ясована, але можна впевнено стверджу вати, що феромагнетизм обумовлений обмнною взамодю [10].

Обмнна взамодя в кристалах феромагнтних металв призво дить до паралельно орнтац спнв. Орнтуючись певним чином, нескомпенсован спни можуть викликати макроскопчну намагнче нсть кристалв. Тому феромагнетик повинен мати значну за величи ною власну намагнченсть, але насправд при вдсутност зовншнього магнтного поля намагнченсть мкроскопчного феромагнетика дорв ню нулю або дуже мала. Це пояснються тим, що, як показали експе риментальн дослдження, макроскопчний об'м феромагнетика розби ваться на мкрообласт з взамноскомпенсованими антипаралельними векторами намагнченост. - област самодовльно намагнченост дстали назву феромагнтних доменв. Таке розташування векторв намагнченост забезпечу мнмальне власне магнтне поле. Чим бль шою буде кльксть антипаралельних доменв, на як розбиваться кристал, тим меншою буде його магнтостатична енергя. Границя мж доменами не рзкою, а охоплю велику кльксть атомв, оскльки поступовий поворот спнв електронв вд атома до атома в кристалч ному шар вдповда меншй енерг. Границю мж доменами схема тично показано на рис.2.22,а, а магнтну структуру намагнченого фе ромагнетика, що складаться тльки з доменв, вектор намагнченост яких орнтований за зовншнм магнтним полем, на рис.2.22,б [10].

Пд дю зовншнього магнтного поля вектори намагнченост орнтуються за цим полем. Результуюча магнтна структура залежить вд напруженост зовншнього поля та температури.

Магнтострикця пд дю зовншнього магнтного поля обумов лена, головним чином, процесами змщення доменних границь обер танням векторв намагнченост доменв, що призводить до змни вза мод мж атомами гратки мжатомних вдстаней [10]. Оскльки ц процеси пов'язан з напрямком вектора напруженост зовншнього ма гнтного поля, то вдбуваться змна форми зразка вздовж поля.

Магнтострикцйний ефект, як п'зоелектричний, - явище зворот не, якщо механчн деформац не виходять за меж пружних. При де формац феромагнетика змнються його намагнченсть. Це явище називають магнтопружним ефектом.

Рис.2.22. Границя мж доменами з антипаралельними векторами намаг нченост (а) та а орнтаця векторв намагнченост за зовншнм магнт ним полем (б) б Ефект магнтострикц використовують для генерац у.з.к. з до сить високими значеннями енерг, зокрема, у магнтострикцйних пе ретворювачах для зварювання та обробки металв.

Головним елементом зварювально установки магнтострикцй ний перетворювач. Для його виготовлення застосовують чистий н кель, залзо-нкелев, залзо-алюмнв та залзо-кобальтов сплави, наприклад, пермендюр К49Ф2 (49 % Со;

1,5Е1,8 % V;

решта Fe), К (65 % Co;

решта Fe), альфер Ю-14 (14 % Al;

решта Fe). Магнтострик цйне подовження цих матералв склада для нкелю 3,510Ц5;

К49Ф2 - 710Ц5;

К65 - 910Ц5;

Ю-14 - 510Ц5 см/см.

Магнтострикцйний перетворювач набираться у вигляд замкну того магнтопроводу з штампованих пластин, наприклад, пермендюру з оксидною золяцйною плвкою. Вн ма обмотку збудження, яка пдключаться до у.з.г., що джерелом змнного струму ультразвуко во частоти. Обумовлений природою магнтострикцйного ефекту та як видно з рис.2.22, ефект парним, тобто вн виявляться як при пря мому, так при протилежному напрямках магнтного поля. Тому час тота пружних механчних коливань у два рази бльше частоти змнно го струму в обмотц.

Оскльки, як було вказано вище, розташування векторв намагн ченост в доменах забезпечу мнмальне власне магнтне поле, то в магнтопровод створються також постйний магнтний потк за до помогою постйного струму (потк або струм пдмагнчування).

Магнтострикцйний перетворювач ма також обмотку зворотного зв'язку (використовуться зворотний ефект магнтострикц) для авто матичного пдстроювання частоти у.з.г. до частоти перетворювача.

Магнтострикцйн перетворювач випускаються з рзними харак теристиками, серед яких найважлившими потужнсть частота. На приклад, перетворювач ПМС-15А-18 ма потужнсть 4,5 кВт (частота 18 кГц), ПМС1-1 - 1,2 кВт (22 кГц), ПМС-27 - 0,9 кВт (27 кГц), ПМС-6-22 - 2,5 кВт (22 кГц).

Вихдна потужнсть у.з.г. не може бути меншою потужност пере творювача. Робочий дапазон частоти у.з.г. визначаться резонансною частотою магнтострикцйного перетворювача повинен допускати регулювання частоти в межах змни в перетворювач при експлуата ц. Для пдвищення ефективност використання енерг у.з.к. розроб лено перетворювач з плавним регулюванням резонансно частоти.

Змна розмрв магнтострикцйних матералв незначна. Тому для збльшення амплтуди, швидкост концентрац енерг у.з.к. та пере дач х до зони зварювання використовують трансформатори хвиле води пружних коливань.

Процес розповсюдження у.з.к. хвильовим. Залежно вд напрям ку коливання часток, розрзняють деклька типв хвиль. Якщо частки середовища коливаються у хвилях у напрямку х розповсюдження, то так хвил називають подовжнми (хвил розтягування-стискування).

Якщо частки середовища коливаються у хвилях перпендикулярно на прямку х розповсюдження, то так хвил називають поперечними (хви л зсуву). У твердому тл можуть виникати подовжн поперечн хви л, у рдинах газах - лише подовжн.

Швидксть розповсюдження подовжнх коливань у стержн, да метр якого менший довжини хвил Е Cl =, (2.6) де Е - вдповдно модуль пружност щльнсть матералу стержня.

Швидксть розповсюдження поперечних хвиль Ct визначаться рвнянням G Ct =, (2.7) де G - модуль зсуву.

Швидксть розповсюдження в стал подовжнх хвиль звукових коливань склада 5400Е5850 м/с, поперечних - 3100Е3230 м/с.

Довжина хвил пов'язана з швидкстю С розповсюдження рв нянням C =, (2.8) f де f - частота коливань.

з рвняння (2.8) знаходимо, що довжина подовжньо хвил у.з.к.

при частот 20 кГц у стал дорвню 28 см. Схему трансформац роз повсюдження хвиль у коливальнй систем зварювально машини по казано на рис.2.23.

Мж магнтострикцйним перетворювачем 1 трансформатором повинен бути надйний акустичний контакт. Тому х з'днують паян ням. Як показано на рис.2.23, трансформатор коливань одночасно ви кону функц хвилеводу. Вн ма вигляд стержня змнного перерзу.

Залежно вд форми утворюючо боково поверхн стержня, хвилеводи подляють на конусн, ступнчаст, експоненцальн тощо. Вони мо жуть бути складеними. Коефцнт трансформац амплтуди (також швидкост) коливань визначаться рвнянням K = m 2 m1, де m2 m1 - амплтуди коливань вдповдно на кнц та на початку хвилевода. Найменший коефцнт трансформац мають кончн хви леводи, експоненцальн забезпечують великий коефцнт трансфор мац, а ступнчаст - найбльший.

Рис.2.23. Схема змни амплтуди при передач коливань вд магнто стрикцйного перетворювача до зварювального нструмента:

1 - магнтострикцйний перетворювач;

2 - дафрагма;

3 - трансформатор коли вань (хвилевд);

4 - зварювальний нст румент;

5 - деталь;

6 - опора Коефцнт збльшення амплтуди коливань експоненцального хвилеводу D K= 1, D де D1 D2 - даметри перерзу хвилеводу вдповдно з боку магнто стрикцйного перетворювача зварювального нструмента.

Звичайно для зварювання металв використовують хвилеводи з коефцнтом пдсилення коливально швидкост близько 5.

На рис.2.23 показано дафрагму 2, яка встановлються у вузловй площин служить для акустично розв'язки коливально системи вд корпусу магнтострикцйного перетворювача.

Схему ультразвуково установки для точкового зварювання пока зано на рис.2.24, а для шовного зварювання - на рис.2.25 [61].

Магнтострикцйний перетворювач 2, обмотка якого живиться струмом високо частоти вд у.з.г., звичайно виготовляють з пермен дюра К-49Ф2. Механчн коливання передаються хвилеводу. Хвилевд трансформатором коливальних швидкостей. Вн переда коливання до мсця зварювання, забезпечу необхдну величину коливально швидкост збльшення амплтуди коливань зварювального наконеч ника в порвнянн з амплтудою вихдних хвиль перетворювача, кон центру енергю коливань у зон зварювання.

Рис.2.24. Схема установки для точкового зварювання ультразвуком:

1 - живлення вд у.з.г.;

2 - магнтострикцйний перетворювач;

3 - дафрагма;

4 - ме ханзм стискування;

5 - деталь;

6 - зварювальний наконечник;

7 - маятникова опора;

8 - хвилевд;

9 - кожух водяного охолодження;

10 - охолоджуюча вода Рис.2.25. Схема установки для шовного зварювання ультразвуком:

1 - живлення вд у.з.г.;

2 - магнтострикцйний перетворювач;

3 - хвилевд;

4 - зварю вальний ролик;

5 - притискний ролик;

6 - деталь;

7 - кожух перетворювача;

8 - привд;

9 - охолоджуюча вода На кнц хвилеводу зварювальний наконечник 6 (див. рис.2.24) для точковного зварювання або ролик 4 для шовного зварювання (див.

рис.2.25). При точковному зварюванн деталь 5 затискають мж нако нечником 6 механзмом стискування 4. Зварювання вдбуваться при включеному магнтострикцйному перетворювач д певного зусилля стиснення. Тривалсть процесу залежить вд металу, який зварються, його товщини тиску.

На яксть з'днання суттво вплива форма зварювального наконе чника. Звичайно його виготовляють у форм цилндричного стержня з робочою поверхнею у вигляд сфери або зрзано сфери. У робот [140] рекомендуться робоча поверхня у вигляд зрзаного конуса. Вибр ма тералу наконечника залежить вд зварюваних металв. Використовують сталь 45, ШХ-15, Р-18, тверд наплавлення рзними електродами.

При шовному зварюванн (див. рис.2.25) магнтострикцйний пе ретворювач, хвилевд та ролик обертаються. Високочастотн коливан ня передаються хвилеводом 3 на ролик 4. Деталь 6 встановлються мж роликом 4 притискним роликом 5.

Зварювання по контуру забезпечу шви будь-яко конфгурац. У цьому випадку робочий нструмент виготовляють за формою контуру зварювання [97].

Незалежно вд форми зварного з'днання опору навантаження, для забезпечення стабльност процесу зварювання механчна колива льна система повинна працювати на резонанснй частот.

Високочастотн ультразвуков генератори випускаються вдповд но до стандарту, який регламенту вихдну потужнсть частоту гене раторв. Для зварювальних установок використовують генератори з вихдними потужностями вд 0,01 до 10,0 кВт. Найчастше частота струму склада 18, 22, 44 66 кГц.

Для ультразвукового зварювання розроблено багато рзних за призначенням установок. Установки типв МТУ-0,4, КТУ-0,1 (0,63), КТУ-1,5, ММУ-0,63, АСУ-1,5 дозволяють здйснювати зварювання велико клькост виробв [97,121,122]. Для зварювання елементв мк росхем розроблен установки ЭМ-417, ЭМ-404, УЗСКН-1, напвавто мати МС41П2-1, МС4ПЗ-2, "Контакт-4". Машини марок ЭМ-417, УЗСКН-1, МС41ПЗ-2 призначен для ультразвукового зварювання з пдгрвом. Унверсальну машину "Контакт-4" використовують для зварювання в захисному газ. Для мкроелектронки перспективним використання ультразвукового зварювання з досить малими амплту дами коливань зварювального наконечника, але з стотним пдвищен ням частоти ультразвукового генератора для забезпечення в зон кон такту необхдно потужност. Зварювання товстостнних деталей до цльно вести при бльш низьких частотах ультразвукових коливань.

Характеристики деяких машин для у.з. зварювання наведено в табл.2.7.

Таблиця 2.7. Технчн характеристики деяких машин для ультразвуко вого зварювання Потужнсть, Частота, Зусилля Товщина зварю- Маса ма Машини кГц стиснення, Н вано мд, мм шини, кг кВт (ВА) УЗС-2 (20) 44 до 5 - УЗСКН-1 (з сто (20) 44 0,2Е10 - роннм нагрванням) МТУ-0,4 0,4 22 60Е600 0,01Е0,2 МТУ-1,5 1,5 22 150Е1500 0,1Е0,5 МТУ-4 4,0 18 500Е5500 0,3Е1,2 2.2.4. Особливост та сфери застосування ультразвукового зварювання. Основною перевагою у.з. зварювання можливсть з'д нання тонких ультратонких (0,3Е0,5 мкм) деталей, приварювання тонких дротв фольги до деталей будь-яко товщини, зварювання па кетв з фольги. Завдяки ункальнй можливост зварювання мнатюр них деталей, нтегральних схем тощо ультразвукове зварювання най бльш широко застосовують у приладобудуванн, електроннй та ра доелектроннй технц.

У.з. зварювання проводиться без суттвого нагрвання, що да можливсть з'днувати метали, як при нших способах зварювання мж собою схильн до утворення крихких нтерметалдних прошаркв.

Висока ефективнсть ультразвукового очищення поверхонь дозволя виконувати зварювання плакованих та оксидованих деталей, а також покритих рзними золяцйними плвками. Для зварювання високоак тивних металв створено спецальне обладнання з газовим захистом.

Безумовними перевагами у.з. зварювання низька енергомнсть процесу, простота устаткування його обслуговування. Наприклад, при контактному точковому зварюванн алюмню товщиною 1 мм використовуться машина потужнстю 100Е150 кВА, а для у.з. зва рювання аналогчного з'днання - 2,5Е5 кВА, тобто достатньо ма шини МТУ-4.

При у.з. зварюванн зварювальний метал не змню суттво свох властивостей, не забруднються стороннми домшками. Спосб зварю вання характеризуться хорошими сантарно-ггнчними умовами прац.

Використовуючи у.з. зварювання, слд мати на уваз, що робота устаткування не в режим резонансу не рацональна. Тому необхдно врахувати вс фактори, як впливають на частоту системи. Налаго дження устаткування на конкретний режим включа в себе регулю вання струму пдмагнчування, зусилля стиснення, часу зварювання.

Зварювальний нструмент складовою частиною акустичного вузла, що розраховуться на певну частоту, замна нструмента ма певн складност. Тому важливе значення ма строк роботи зварювального нструмента в умовах д у.з.к. та ероз його робочо поверхн. Необ хдно враховувати також деформацю поверхн зварюваних деталей пд робочим нструментом.

У.з.к. широко застосовуються в промисловост також для змц нення приповерхневого шару, зняття напружень у зварних конструк цях, зварювання пластмас тощо. з допомогою ультразвуку можна полпшити яксть металу шва при дуговому та електрошлаковому зва рюванн. Обробка металу шва при кристалзац ультразвуком сприя дегазац металу, подрбненню структури пдвищенню механчних властивостей. Перспективне використання ультразвуку при контакт ному та дифузйному зварюванн. Пд дю ультразвукових коливань у результат фрагментац поверхневих шарв електричний опр контак ту зроста, що пдвищу ефективнсть використання енерг в зон зва рювання дозволя знизити потужнсть контактних машин. Сприятли вий вплив ультразвуку при дифузйному зварюванн обумовлений значним пдвищенням нтенсивност дифузйних процесв. У суднобу дуванн ультразвук найбльш широко застосовуться для контролю якост зварних з'днань. Ультразвуков методи дагностики та контро лю якост металевих конструкцй провдними в рзних галузях. В обладнанн для цих цлей використовують п'зоелектричний ефект.

2.3. Зварювання тертям 2.3.1. Суть способу. Зварювання тертям (reibschweissen;

friction welding, сварка трением) - це зварювання тиском з нагрванням ме талу в зон з'днання внаслдок тертя його поверхонь пд час обертан ня або зворотно-поступального руху одн поверхн вдносно ншо.

Деяк схеми процесу зварювання показано на рис.2.26.

Звичайно зварювання тертям застосовуться при виготовленн де талей, як мають форму тл обертання. Спввсно розташован детал стискуються зварюваними поверхнями з певним зусиллям, а однй з деталей надаться обертання. При зварюванн сталей алюмню швид ксть вдносного перемщення поверхонь склада 0,5Е3,0 м/с. При обертанн вдбуваться притирання торцв та нтенсивне тепловид лення. Забруднення разом з розгртим до пластичного стану металом витискаються з стику. Псля досягнення в стику достатньо темпера тури вдносне перемщення деталей миттво припиняють стискують х з певним зусиллям осадки. У цей момент утворються з'днання.

Можлив варанти зварювання з обертанням у рзн сторони обох деталей, з обертанням вставки мж деталями, з вбротертям. В остан ньому випадку можна передавати вбрацю однй з деталей або про мжнй вставц зварювати детал, як не мають форми тл обертання.

Детал будь-яко форми можна зварювати також за схемою рис.2.26,е.

Обидв детал стискають та обертають в одну сторону. Внаслдок зм щення х всей мж стиснутими поверхнями виника тертя.

а г б д в е Рис.2.26. Схеми процесв зварювання тертям:

а - з обертанням одн з деталей;

б - з обертанням двох деталей у рзн сторони;

в - з обертанням вставки;

г - з вбрацю одн з деталей;

д - з вбрацю вставки;

е - з синхронним синфазним обертанням в одну сторону двох деталей, ос яких змщен на вдстань е Розроблено способи наварювання тертям з використанням обер тання або вбрац присадного металу. Схему наварювання тертям по казано на рис.2.27,а,б.

У кнц 90-х рокв минулого столття почало нтенсивно розвива тися зварювання тертям з перемшуванням металу (friction stir weld ing). Воно розроблено Британським нститутом зварювання. Схему процесу показано на рис.2.27,в [132]. При цьому використовуться зварювальний нструмент 1 з штирем 4 спецально форми. нстру мент обертаться з швидкстю до 15000 об/хв. перемщуться вздовж стику. Штир 4 проника в метал до торкання заплечиком нструмента поверхн зварюваних деталей. Внаслдок тертя штиря заплечика з металом видляться теплота, яка доводить метал навколо нструмента до пластичного стану. Пд час руху нструмента вздовж стика матерал деталей, перемщуючись з зони нагрвання в зону охолодження, оги на штир утворю зварне з'днання.

а б в Рис.2.27. Схеми процесв наварювання тертям з обертанням дроту (а), вбра цю дроту (б) та зварювання тертям з перемшуванням (в):

1 - дрт (а,б) або зварювальний нструмент (в);

2 - вирб;

3 - шов;

4 - штир спецаль но форми Розроблено рзновид зварювання тертям, що ма назву нерцйно го зварювання. Його суть поляга в тому, що механчна енергя споча тку передаться електродвигуном маховику для накопичення, а потм вддаться маховиком у стик зварюваних деталей, де перетворються в теплоту. Це дозволя вести зварювання на жорстких режимах. Схема тично проткання процесв нерцйного зварювання та за класичною схемою показано на рис.2.28. Зварювання тертям за класичною схе мою називають конвенцйним.

а б в Рис.2.28. Змни в процес зварювання числа обертв зусилля стиснення при конвенцйному зварюванн тертям (а) та при нерцйному зварюванн з повним використанням накопичено енерг (б) та частини (в) Тепловий режим при зварюванн тертям ма важливе значення.

Яксне з'днання утворються в результат встановлення металчних зв'язкв мж ювенльними поверхнями деталей. Плвки рзно природи, що на з'днуваних поверхнях, руйнуються при терт та видаляються з зони зварювання внаслдок значно пластично деформац. Для до сягнення необхдно деформац метал нагрваться пд впливом теп лоти, що видляться при терт. Механчна енергя перетворються безпосередньо в теплову локалзовано в тонких приповерхневих ша рах. Робота, що витрачаться на подолання сил тертя, перетворються в теплоту, яка нагрва метал до необхдних температур. Для сталей, залежно вд режиму зварювання, ц температури складають 950Е1100 С. Метал може нагрватися тертям до бльш високих тем ператур, але вн витсняться з стика дючим аксальним тиском на грвання. Псля досягнення потрбно температури вдносне перем щення поверхонь повинно бути якомога швидше (миттво) зупинено.

Нагрт поверхн стискуються зусиллям осадки (проковки). Об'м тон кого приповерхневого шару, який нагрваться до температури зварю вання настльки малий, що весь цикл зварювання продовжуться вд деклькох секунд до 30 секунд.

Момент сил тертя та х потужност визначаються рвняннями [14]:

pfR 3 ;

M= N pfnR 3 10 6 ;

N пит pfnR 10 3 ;

де М - момент сил тертя, кГсмм;

N - повна потужнсть тертя, кВт;

р - тиск, кГс/мм2;

n - вдносна швидксть обертання, об/хв;

f - коефцнт тертя;

Nпит - середня питома потужнсть тертя, вднесена до номналь но площ поверхн тертя, Вт/мм2;

R - радус д сил тертя.

Момент сил тертя в процес зварювання змнються (рис.2.29).

Спочатку вн проходить через мнмальне, а потм - максимальне зна чення. На усталенй стад вн залишаться постйним.

Рис.2.29. Змни швидкост обер тання n моменту сил тертя М при зварюванн тертям Спочатку процес протка при незначних температурах характе ризуться сухим або граничним тертям. Невеликий пк на початку криво вдповда тертю спокою. Перехд до стану руху супроводжу ться зменшенням моменту сил тертя (нтервал часу t1). Швидкий рст моменту сил тертя вдповда початку утворення мж очищеними та активованими поверхнями вузлв схоплювання та хн руйнування.

Процес схоплювання швидко розширються по всй поверхн (нтер вал часу t2). Рст температури в зон тертя призводить до зменшення опору вузлв схоплювання та усталення процесу (нтервалу часу t3).

Кльксть теплоти, яка видляться мж поверхнями, склада близько 1 % на першй фаз (t1), 12 % - на другй (t2), 87 % - на третй (t3). Та ким чином, до температури зварювання метал нагрваться на третй фаз. У зв'язку з малим значенням першо фази (t1), на циклограмах процесу зварювання не показують.

Зварне з'днання утворються псля зупинки вдносного перем щення деталей пд дю тиску осадки (проковки), який звичайно виби рають бльшим вд тиску при нагрванн. Типову циклограму процесу зварювання тертям показано на рис.2.30.

Рис.2.30. Циклограма процесу зварювання тертям:

n - швидксть обертання;

рн - тиск нагрвання;

рпр - тиск проковки;

М - момент сил тертя;

l - деформаця уко рочування деталей На циклограм видлен дв укрупнен фази - нагрвання (t1) про ковки (t2). Уявлення про тривалсть цих стадй та нш параметри да рис.2.28.

Дослдження показали, що з збльшенням швидкост вдносного перемщення поверхонь тиску температура в стику росте, але роль цих параметрв при зварюванн змнються. У початковий момент тер тя, коли температура по перерзу детал однакова, тиск р розподляться по поверхн рвномрно. Тод максимальне видлення теплоти рст тем ператури проходять на перифер поверхн тертя, де швидкост макси мальн. Оскльки з пдвищенням температури опр металу пластичнй деформац пада, то тиск перерозподляться. Вн знижуться на пери ферйних та зроста на центральних длянках. Також уповльнються видлення теплоти на периферйних длянках. Такий перерозподл тиску теплопровднсть вирвнюють температуру псля розгрвання стержнв на певну глибину по обидв сторони вд стику. Тому температурне поле в стержнях можна розраховувати для умови нйного переносу теплоти в напвнескнченному тл вд плоского джерела постйно потужност, розподлено рвномрно по перерзу. При цьому слд враховувати сут тву пластичну деформацю металу в зон зварювання.

Режим процесу тертя визнача характер взамод поверхонь. При малих швидкостях тертя вдбуваться глибинний вирив часток металу, при великих - лише малих поверхневих часток. Тому в останньому випадку товщина теплогенеруючого шару мнмальна. Його темпера тура зроста, хоча питом витрати енерг на зварювання значно змен шуються (рис.2.31).

Рис.2.31. Вплив швидкост обертання стержня на питому потужнсть видлення теплоти при зварюванн низько-вуглецево стал даметром 20 мм при рн = 50 МПа, l = 5 мм Необхдною умовою утворення яксного з'днання пластична деформаця металу в зон стику. п вимрюють величиною зближення деталей в осьовому напрямку називають величиною осадки.

Пд дю температури тиску в зон зварювання витснений метал утворю "комрець", який захища зварюван поверхн вд зовншньо го середовища (рис.2.32). Його розмри та форма, як ширина зони термчного впливу, залежать вд зварюваних металв та параметрв режиму зварювання.

а б в Рис.2.32. Макрошлф (а) схеми утворення "комрця" при малих тиску часу нагрвання (б) та бльших тиску часу нагрвання(в) Витснення металу з стику в радальному напрямку у вигляд ко мрця сприя винесенню зруйнованих при терт оксидв. При зварю ванн однойменних металв одного даметра деформац обох деталей однаков, при зварюванн рзнойменних - рзн. При зварюванн мета в з рзко вдмнними механчними властивостями, наприклад, стал з алюмнм, одна з деталей (у даному випадку сталева) може зовсм не деформуватися.

Зварювання тертям за схемою рис.2.26,е називають орбтальним зварюванням тертям [120]. У цьому випадку тертя мж стиснутими поверхнями виника лише тод, коли ос заготовок не спвпадають.

Тод кожна точка на торц одн заготовки робить певн кола вдносно вдповдно точки на торц друго заготовки з кутовою швидкстю, що дорвню кутовй швидкост заготовок. Отже, потужнсть видлення теплоти на всй поверхн тертя постйна визначаться величиною ти ску та швидкстю вдносного перемщення поверхонь v, яка знахо диться за рвнянням en v=, де е - величина змщення осей, м;

n - число обертв деталей за хвили ну. Чисельне значення швидкост v знаходиться в нтервал значень для конвенцйного зварювання тертям (0,5Е3,0 м/с). Видлення теп лоти закнчуться при сумщенн осей заготовок, що обертаються. При цьому вони стискуються зусиллям проковки. До моменту зупинки обертання заготовок деталь звареною.

При нерцйному зварюванн використовуться запас кнетично енерг маховика, який розганяться електродвигуном. Величина кне тично енерг визначаться за рвнянням j Eк =, де j - момент нерц маховика;

- його кутова швидксть руху.

Ця енергя повнстю (рис.2.28,б) або частково (рис.2.28,в) де на подолання сил тертя. Якщо вона використовуться повнстю, то час гальмування (зварювання) tзв визначаться рвнянням [120] j t зв = k, (2.8) M де М - момент сил тертя;

k - коефцнт пропорцональност.

2.3.2. Технологя зварювання. Основними параметрами режиму зварювання тертям частота обертання, тиск час нагрвання, тиск проковування (осадки) величина осадки металу. Частота обертання може змнюватися в широкому дапазон. Найбльш часто зварювання ведуть при частот обертання. Тиск проковування вибираться значно бльшим (у деклька разв) умовно границ плинност металу при тем пературах зварювання (900Е1000 С). Тиск нагрвання може бути рв ним тиску проковування, однак для зменшення потужност приводу зварювально машини, зносу поверхонь при нагрванн припускв на зварювання тиск нагрвання вибирають таким, щоб дорвнював 0,2Е0,6 тиску проковування. Тиск нагрвання може бути ще зменше ний при вдповдному збльшенн швидкост обертання. Час нагрван ня залежить вд частоти обертання та тиску нагрвання визнача ве личину зносу деталей при нагрванн. При терт нагрваться тонкий шар металу, тому час нагрвання склада секунди або десятки секунд.

При цьому температура стал в зон зварювання може досягати 950Е1300 С. Величина осадки при зварюванн тертям склада 3Е6 мм, а нод бльше. Для зварювання тертям дуже важливою можливсть практично миттво зупинки взамного перемщення зва рюваних деталей. Зусилля проковки повинне прикладатися трохи ра нше моменту зупинки вдносного перемщення деталей. Слд вдзна чити, що параметри режиму зварювання тертям можуть змнюватися в досить великих нтервалах, що видно з даних табл.2.8.

У табл.2.8 наведено дан рзних авторв. Вони мають велик розбж ност, що свдчить про можливсть рзних варантв вибору тиску нагр вання осадки. Час нагрвання в бльшост випадкв не перевищу 10 с, а величина осадки склада 3Е7 мм. Кожному значенню тиску нагр вання частот обертання заготовки вдповдають сво оптимальн зна чення часу нагрвання та величини зносу заготовки. Процес зварювання можна контролювати за часом нагрвання або величиною осадки. При вибор режиму зварювання спочатку визначають тиск проковки спв вдношення з ним тиску нагрвання, потм - за величиною зносу час нагрвання за величиною осадки уточнюють значення тискв. Швид ксть обертання заготовки визначаться можливостями машини. Якщо можливсть змнювати швидксть у широкому нтервал, то розпочинати дослди слд з середнх значень (1500Е2000 об/хв).

Таблиця 2.8. Режими зварювання деяких металв Фаза Фаза Даметр Частота Величина нагрвання зварювання детал, обертання, осадки, Метал Тиск, Тиск, мм об/хв мм Час, с Час, с МПа МПа Низьковуглецев та низьколегован 20 20Е100 3Е100 40Е250 2Е10 750Е5000 2Е стал, зокрема:

20 50 10 50 5 1500 10 40 3 40 2 3000 20Х 12 40 25 40 5 3000 22 45 8 45 2 1500 25Г2С 9,5 65 6 180 3 1250 30ХГСА 10 100 5 100 2 1500 Високолегован 20 40Е100 6Е10 120Е400 2Е5 750Е5000 4Е стал, зокрема:

1Х18Н10Т 9,5 65Е100 6Е10 120Е300 2Е3 1250Е3000 5Е Х18Н12Т 9,5 65 5 220 3 1250 20 8 3 8 1Е2 3000 Алюмнй АД1 20 10Е30 0,1Е4 30Е80 2Е5 2000Е4000 7Е 40 30 10 30 1Е2 760 Мдь 40 35 28 150 1Е2 1000 Латунь Л62 16 33 3 33 1Е2 3000 1Х18Н9Т + сталь 45 20 80 3 80 1Е2 3000 Сталь Р18 + 10Е22 80Е120 2Е8 180Е220 1Е2 1900Е2100 3Е сталь 45Х Латунь ЛМ-58-2 + 30 25 6Е8 25 1Е2 1500 сталь Алюминий АД1 + 40 50 3Е4 50 1Е2 760 13Е Ст Алюминий АД1 + 32 30 3Е4 200 1Е2 1000 мдь М Наш дослдження зварювання тертям сталей рзних структурних класв показали, що при випробуваннях на розтягування статичним на вантаженням, з'днання, отриман при оптимальних режимах, руйну ються поза стиком. Зварювали однофазну хромонкелеву аустентну сталь з 12 % Ni i 2,5 % Mo, низьколеговану мартенситну сталь з неве ликою клькстю аустенту, карбдно-аустентну сталь з змцнюючою нтридною фазою (сталь з 0,4 % N) та низьколеговану феритно-перлтну сталь. Вс стал зварювались у вигляд стержнв даметром 9,5 мм, що отриман прокатуванням. Тому вони мали строчкову текстуру. Зварю вання виконувалося при швидкост тертя 1250 об/хв, тиску нагрвання 40Е140 МПа, тиску проковки 180Е260 МПа. Для всх сталей оптималь ний режим нагрвання виявився однаковим: рн = 65 МПа, tн = 4Е6 с.

Тиск проковки вибрано 180 МПа для феритно-перлтно та аустентно сталей, 220 МПа - для низьколеговано мартенситно стал 260 МПа - для карбдно-аустентно стал з нтридним змцненням та найбльш стабльною структурою. Величина осадки складала 5Е8 мм. Ус стал зварювалися в стан поставки. Мартенситна сталь поставлялася псля термчно обробки (гартування вд 1000 С у масл вдпуск при 650 С) з структурою сорбту. Границя мцност зварних з'днань ц стал складала 95 % вдносно основного металу, але псля вказано термчно обробки перевищувала показники стал в стан поставки. Зварн з'д нання всх нших сталей за величиною границ мцност не поступалися основному металу. Однак ударна в'язксть зварних з'днань була значно нижчою вд в'язкост основного металу.

При зварюванн катаних стержнв у зон деформац волокна зм нюють свй напрям вд перпендикулярного до паралельного стику, що зменшу ударну в'язксть. Вигин волокон металу в зон зварювання яскраво видно на рис.2.33. В основному метал (рис.2.33,е) волокна розташован вздовж ос стержня, а поблизу стику не лише змнюють свй напрям на перпендикулярний ос (рис.2.33,б), але, як показало вивчення поверхн руйнування зразкв, також закручуються по спрал.

У зон стику (рис.2.33,а) видно блу смугу, в якй метал нагрвався до температури розчинення змцнюючих фаз. У нй метал втратив строч кову текстуру, але в зв'язку з короткочаснстю процесу зварювання, змцнююч фази лише почали розчинятися. Вони бар'рами для руху границь зерен, тому метал зберга дрбнозернисту структуру. Ви тримка зразкв зварних з'днань 15 хвилин при 1175 С забезпечила м ударну в'язксть на рвн в'язкост основного металу.

а, 28 б, 108 в, г, 270 д, 270 е, Рис.2.33. Мкроструктура зварного з'днання карбдно-аустентно стал з нтридним змцненням:

загальний вигляд (а), зона вигину волокон (б,д), зона стику (в,г), основний метал (е) (зменшено при друкуванн у 1,5 рази) Ширина бло смуги залежить вд параметрв режиму зварювання, але в першу чергу вд тиску проковки. При надмрному тиску смуга зовсм вдсутня, що свдчить про утворення з'днання мж бльш холод ними прошарками заготовок. При цьому мцнсть з'днань може зни жуватися.

Дослдження структури та мкротвердост металу показали, що з збльшенням тиску проковки навколошовна зона звужуться. При зва рюванн мартенситно стал в результат швидкого охолодження спо стергаться гартування металу в тих зонах, де метал нагрвся вище температури гартування. Мкроструктура в зон з'днання поступово змнються вд сорбтно в основному метал до бейнтно-мартен ситно в стику, а мкротвердсть зроста вд 3200 до 5500 МПа. При зварюванн аустентно стал твердсть змнються мало, дещо пдви щуючись у зон стику з збльшенням тиску проковки.

Аналогчн змни спостергалися при зварюванн рзнордних ста лей. На рис.2.34 показано змну мкротвердост концентрац елемен тв при зварюванн аустентно стал з низьколегованою сталлю. При випробуваннях зразки руйнувалися по аустентнй стал.

а б Рис.2.34. Мкротвердсть металу (а) розподл нкелю та молбдену (б) в зон стику при зварюванн високолеговано аустентно та низьколеговано сталей:

1 - зварювання тертям при рпр = 260 МПа;

2 - зварювання тертям при рпр = 385 МПа;

3 - контактне стикове зварювання Для порвняння на рис.2.34,а наведено дан роботи [156] щодо зварювання тертям (лня 2) стиковим контактним зварюванням (л ня 3) сталей аналогчного призначення для виготовлення випускних клапанв двигунв. Шток клапана виготовляють з низьколеговано стал, що гартуться, а головка клапана - з високолеговано аустент но стал. На вдмну вд контактного зварювання при зварюванн тер тям не утворються твердий крихкий прошарок з боку аустентно стал. Його вдсутнсть пдтверджуться результатами дослджень мкроструктури та розподлу елементв. Для зварювання при n = 1250 об/хв рекомендовано тиск нагрвання 65 МПа, час нагрвання 5 с, тиск проковки 260 МПа, що призводить до величини осадки 7 мм.

Швидкоплиннсть процесу не допуска нтенсивного розвитку дифу зйних процесв. У зон з'днання метал ма дрбнозернисту структуру.

Зварювання тертям проходить пд дю нтенсивного локалзова ного джерела теплоти, значно пластично деформац при надйному захист зварюваних поверхонь вд повтря. Це призводить до сворд но термомеханчно обробки металу.

Головною особливстю нерцйного зварювання тертям малий час нагрвання, що позитивно вплива на зварювання рзнордних ме талв, як утворюють нтерметалди, але негативно - на зварювання сталей, як гартуються. Режим зварювання при вибраному маховику однозначно визначають лише два параметри - накопичена енергя момент сил тертя в стику, тобто початкова кутова швидксть, зусилля стиснення деталей.

Слд вдзначити, що при нерцйному зварюванн з'днання утво рються при поступовому зменшенн вдносного руху поверхонь пд дю сил х тертя, тобто в умовах д осьових тангенцальних напру жень. Тому час та можливост формування нтерметалдних прошаркв рзнордними металами дуже обмежен, що визнача переваги нер цйного зварювання перед традицйною схемою.

Pages:     | 1 | 2 | 3 | 4 |   ...   | 5 |    Книги, научные публикации