Закономірності формування з`єднань різнорідних металів різними способами зварювання тиском

Специфіка з'єднання різних металів як за видом (накладання, трубки, біметал і т.д.), так і за геометрією площ, що з'єднуються, змушує звернути увагу на те, що оцінка зварюваності, заснована на традиційних методах виміру міцності і в'язкості (досліджень на розтяг, на удар), не завжди правомірна. Виникає необхідність використання інших методів досліджень, наприклад досліджень на згин з оцінкою кута, при якому починається розшарування, досліджень на відрив (відкол). В цьому випадку варто звернути увагу на структурний стан і фазовий склад металів в зоні контакту. При відпрацюванні оптимального режиму зварювання на зразках-свідках завжди можна визначити структуру в зоні з'єднання, наявність грубих дефектів (непроварів чи підплавлень), морфологію, розміри і розподіл крихких фаз і в такий спосіб оцінювати очікувану якість з'єднання.

В роботі наведено приклади оцінки якості з'єднань і оптимальні режими для різних способів зварювання і різних видів з'єднання з різнорідних металів. Металознавчі оцінки порівняні з результатами досліджень, стандартизованих для такого роду з'єднань, і приведена стисла інформація про галузі застосування з'єднань з різнорідних металів, що використовуються в промисловості. Ці дані зведені в таблиці, складені за результатами структурних досліджень і технологічних розробок, випробуваних у виробництві.

Основні висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нові уявлення про кінетику і механізми пластичної деформації, про особливості структури та фазових перетворень при різних способах зварювання тиском різнорідних металевих матеріалів в твердому стані та створено наукові основи розробки технології і оптимізації параметрів технологічного процесу.

Встановлено, що оптимальна техніка підготовка поверхні перед зварюванням тиском, що визначає мінімальний вплив оксидних плівок на якість з'єднання, спрощується зі збільшенням швидкості деформування.

Вперше встановлено, що швидкість деформування є головним чинником, який визначає зміну механізмів деформації від дислокаційного до механізмів, пов'язаних з колективними формами руху дефектів ґратки разом з ротацією різних за розміром структурних областей при великій швидкості деформації (Э~10⁴…10⁵ с^-1).

Встановлено залежність коефіцієнтів масопереносу в матеріалах, що з'єднуються, від швидкості зварювального навантаження при різних температурах. Це дозволяє вибирати оптимальні режими зварювання шляхом варіювання двома параметрами - швидкістю навантаження і температурою.

Встановлено, що при низьких швидкостях деформування спостерігається формування суцільних шарів нових фаз, локалізованих вздовж площини контакту. Перехід до високошвидкісних зварювальних деформацій (УЗВ, МІЗ, ЗВб) сприяє диспергуванню (від часточок у кілька мікрометрів до кластерних розмірів) новоутворених фаз і значному розширенню зони фазоутворення (до 100...200 мкм і більше).

Встановлено вплив температурного діапазону на особливості структури і якості зварного з'єднання:

нагрівання вище температури рекристалізації створює передумови для формування і росту протяжних масивних крихких інтерметалідних прошарків зернограничного типу;

нагрівання в інтервалі температур, при яких розвиваються полігонізаційні процеси, створює можливість формування рівномірно розподілених по усьому внутрішньому об'єму металу дрібнодисперсних інтерметалідних фаз, що сприяє підвищенню щільності дислокацій і загальному подрібненню зерна і, таким чином, формуванню матеріалу типу квазікомпозита.

Встановлено, що об'ємна частка утворюваних вздовж площини з'єднання інтерметалідних фаз зменшується із зростанням швидкості зварювальної деформації, мінімальні значення характерні для більш швидкісних способів зварювання. Також зменшуються розміри фаз і спостерігається більш рівномірний їхній розподіл по глибині зони зварювання. Зростає об'ємна частка металу в стані твердого розчину, що сприяє формуванню в'язкого зламу.

На підставі вивчення кінетики, ступеня локалізації і механізмів пластичної деформації по зоні зварювання різнорідних металів з різним типом ґраток і фазовим складом і їхньої зміни при переході від низькошвидкісних до високошвидкісних способів навантаження за умов зварювання тиском, розроблено новий, заснований на аналізі структури, підхід до пластифікації металу в процесі зварювання. Показано, що пластична деформація локалізується в залежності від методу зварювання в приконтактній зоні глибиною від 25 до 200 мкм. Ступінь локалізованої пластичної деформації змінюється від 40 до 1000 %.

Встановлено, що для одержання якісного з'єднання при зварюванні тиском необхідний оптимальний вибір питомої енергії пластичної деформації, що забезпечує баланс у протіканні процесів зміцнення і релаксації структури.

Вперше встановлено, що із збільшенням швидкості деформації зменшується співвідношення між деформацією розтягу і деформацією стиску. Напруження розтягу при переході від ДЗВ до ЗВб зростають приблизно на два порядки.

Розроблено новий підхід до оцінки міцнісних властивостей по зоні зварювання різнорідних матеріалів з урахуванням різних структурних факторів, що впливають на механічні властивості з'єднань. Визначення властивостей (у_т, у_в, К_IC) ґрунтується на конкретному внеску різних структурних параметрів: хімічного складу металу безпосередньо в зоні зварювання, величини зерна і субзерна (D_з, d_с), щільності дислокацій (с), морфології, розподілу фазових утворень (d_фв, ѓ, л_фв) тощо.

Розроблено технологічні рекомендації і визначені оптимальні режими і технологічні прийоми з'єднання пар різнорідних металів різними способами зварювання тиском при промисловому виготовленні деталей і пристроїв у агрегатах і системах, які використовуються у металургії (алюмінієві та магнієві електролізери), транспортних електромережах (контактні групи), креогенній техніці (трубчаті перехідники), приладобудуванні, машинобудуванні, аерокосмічній техніці, ядерній енергетиці та інших. Дано оцінку застосовності різних методів зварювання тиском для з'єднання різнорідних важкозварюваних металів, що дозволяє вибрати оптимальний спосіб з'єднання при виготовленні деталей і пристроїв.

метал зварювання пластичність міцність

перелік наукових праць за темою дисертації

1. Влияние импульсных нагружений на процессы фазообразования в зоне соединения разнородных металлов / Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тишкевич В.М., Арсенюк В.В., Игнатенко А.И., Фальченко Ю.В., Харченко Г.К. / Синергетика-96. - М.: ИМЕТ, 1996. - С.161-163.

2. Міграція атомів у метастабільному твердому розчині залізо-аргон / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тишкевич В.М., Фальченко В.М. / Доповіді НАНУ. - 1997. - №8. - С.108-112.

3. Арсенюк В.В., Игнатенко А.И. Ударная сварка в вакууме - новый способ соединения металлов. // Международный научно-технический конгресс “Машиностроительные технологии 97”. - София: Болгария, 1997. - С.31-32.

4. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В. Механизм формирования разнородных соединений в условиях сварки давлением. Подход к управлению механическими свойствами // Материалы Конференции. “Восстановление и упрочнение деталей, современный эффективный способ повышения надежности машин”. - Москва, 1997. - С.69-70.

5. Ударная сварка в вакууме с использованием формирующих устройств / Данильченко Б.В. Игнатенко А.И., Фальченко Ю.В., Арсенюк В.В., Харченко Г.К. / Материалы конференции. “Восстановление и упрочнение деталей современный эффективный способ повышения надежности машин”. -Москва, 1997. - С.74-76.

6. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В. Процессы пластической деформации, массопереноса, фазообразования в разнородных соединениях при изменении скоростей сварочного нагружения // Мемориальный симпозиум академика В.Н.Гриднева “Металлы и сплавы: Фазовые преобразования, структура, свойства”. - Киев, 1998. - С.27.

7. Особенности фазообразования в условиях сварки разнородных материалов при высокоскоростном деформировании / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Бердникова Е.И., Богайчук И.Л. / Мемориальный симпозиум академика В.Н.Гриднева “Металлы и сплавы: Фазовые преобразования, структура, свойства”. - Киев, 1998. - С.58.

8. О взаимосвязи структуры и свойств сталеалюминиевых соединений, выполненных сваркой трением / Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В., Бердникова Е.И., Литвин Л.В. / Автоматическая сварка. - 1998. - № 8. - С.7-14.

9. Arsenyuk V., Ignatenko A., Kharchenko G.. Vacuum percussion welding - a new metod for joining dissimilar metals // Symposium Exploiting Solid State Joining. E.O.Paton Electric Welding Institute, Kiev: Ukraine. Cambridge UK. - Sept. 1999. - Р.20-22.

10. Структура ферритной полоски, формирующейся в зоне соединения ферритно-перлитных сталей при сварке давлением в вакууме / Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Харченко Г.К., Арсенюк В.В., Григоренко С.Г., Богайчук И.Л. / Автоматическая сварка. - 2000. - №5. - С.15-20.

11. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В. Сварка давлением. Структура и свойства соединений разнородных металлов. // Тезисы стендовых докладов Международной конференции “Сварные конструкции”. - Киев: ИЭС им.Е.О. Патона, 2000. - С.106-107.

12. Арсенюк В.В. Новый способ изготовления термохимических катодов для плазмотрона // Автоматическая сварка. - 2000. - № 6. - С. 36-39.

13. Применение растровой электронной микроскопии в современном материаловедении, сварке и родственных технологиях / Таранова Т.Г., Григоренко Г.М., Костин В.А., Арсенюк В.В. / Сварочное производство. - 2000. - №4 - С.46-49.

14. Дослідження фазового складу молібденових покриттів на залізі та сталі при електроіскровій обробці / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Перетятку П.В., Михайлов В.В. / Доповіді НАНУ. - 2000. - №11. - С.139-141.

15. Особенности массопереноса в твердых растворах различного типа при ударном сжатии / Немошкаленко В.В., Мазанко В.Ф., Гарцрикен Д.С., Арсенюк В.В. / Вісник Черкаського університету. Серія фізико-математичні науки. - 2000. - вип.19. - С.43-49.

16. Влияние дефектов кристаллической структуры на подвижность атомов в металлах при ударном сжатии / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тишкевич В.М., Фальченко В.М. / Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - 23, №7. - С.927-937.

17. Особенности распределения атомов в металах при импульсном воздействии / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Тишкевич В.М., Фальченко В.М. / Металлофизика и новейшие технологи. - 2001. - 23, № 9. - С.1203-1212.

18. Особенности взаимодействия железа с углеродом в условиях ударного сжатия / Немошкаленко В.В., Мазанко В.Ф., Герцрикен Д.С., Арсенюк В.В. / Доповіді НАНУ. - 2001. -№3. - С.110-114.

19. Вплив типу кристалічної гратки на рухливість атомів в полімерних металах при імпульсному навантаженні / Немошкаленко В.В., Мазанко В.Ф., Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С. / Доповіді НАНУ. - 2001. - №5. - С.89-94.

20. Арсенюк В.В. Розподіл та рухомість атомів в металах при імпульсному зварюванні тиском // Доповіді НАНУ. - 2001. - № 7. - С.95-99.

21. Арсенюк В.В. Взаимодействие меди с нерастворимыми примесями в условиях импульсной деформации при сварке давлением // Автоматическая сварка. - 2001. - №9. - С.51-52.

22. Григоренко Г.М., Арсенюк В.В., Игнатенко А.И. Ударная сварка и формовка изделий в специализированных устройствах // Доклады Международной научно-методической конференции. “Современные проблемы сварки и родственных технологий, совершенствование подготовки кадров”. - Мариуполь, 2001г. - С.77-78.

23. Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В. Процессы пластической деформации, массопереноса, фазообразования в условиях повышенных скоростей деформирования // Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - Т23, №9. - С.1259-1277.

24. Особенности фазообразования в условиях сварки давлением разнородных материалов при высокоскоростном деформировании / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Бердникова Е.Н., Богайчук И.Л. / Металлофизика и новейшие технологии. - 2001. - №10. - С.1403-1417.

25. Изменение характера массопереноса по глубине диффузионной зоны / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Миронов В.М. / Доповіді НАНУ. - 2001. - №8. - С.82-85.

26. Вплив електроіскрової обробки на фазовий склад молібденових покриттів на сталі 20 / Арсенюк В.В., Герцрикен Д.С., Мазанко В.Ф., Перетятку П.В., Михайлов В.В. / Металознавство та обробка металів. - 2002. - №4. - С.3-8.

27. Маркашова Л.И., Арсенок В.В., Григоренко Г.М. Особенности пластической деформации разнородных материалов при сварке давлением // Автоматическая сварка. - 2002. - №5. - С.12-16.

28. Процессы массопереноса в условиях сварки давленим разнородных металлов / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Григоренко Г.М., Бердникова Е.Н. / Автоматическая сварка. - 2002. - №7. - С.43-49.

29. Особенности фазообразования при сварке давленим разнородных металлов в условиях высокоскоростного сварочного деформирования / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Григоренко Г.М., Бердникова Е.Н. / Автоматическая сварка. - 2002. - № 9. - С.12-17.

30. Маркашова Л.І., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В. Физические основы формирования соединений в условиях сварки давлением. // Труды Международной конференции. „Математическое моделирование и информационные технологи в сварке и родственных процессах”. - Крым: Украина, 2002. - С.72-79.

31. Критерий оценки механических свойств соединений разнородных материалов. Сборник трудов международной конференции / Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В., Бердникова Е.Н. / Труды Международной конференции. „Математическое моделирование и информационные технологи в сварке и родственных процессах”. - Крым: Украина, 2002. - С.107-113.

32. Общие закономерности массопереноса при различных видах импульсного нагружения / Немошкаленко В.В., Арсенюк В.В., Мазанко В.Ф., Миронов В.М., Филатов А.Ф. / Доповіді НАНУ. - 2002. - №10. - С.78-83.

33. Ударная сварка в вакууме алюминия с медью / Харченко Г.К., Фальченко Ю.В., Арсенюк В.В., Половецкий Е.В. / Автоматическая сварка. - 2002. - №9. - С.50-51.

34. Особенности микроструктуры соединений никеля при сварке взрывом / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Петушков В.Г., Григоренко Г.М. / Автоматическая сварка. - 2002. - №11. - С.21-23.

35. Маркашова Л.И., Добрушин Л.Ф., Арсенюк В.В. Улучшение свариваемости при плакировании взрывом высокопрочных алюминиевых сплавов // Автоматическая сварка. - 2002. - №12. - С.14-18.

36. Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Григоренко Г.М. Закономерности формирования соединений в условиях сварки давлением // Доклады Международной конференции. “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”. - Киев, 2003. - С. 46.

37. Критерии оценки и прогнозирования механических свойств соединений разнородных материалов / Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Арсенюк В.В., Бердникова Е.Н. / Тезисы докладов Международной конференции “Современные проблемы сварки и ресурса конструкций”. - Киев, 2003. - С.117.

38. Зварювання тиском титану з алюмінієм / Харченко Г.К., Арсенюк В.В., Новомлинець О.О., Руденко М.М. / Вісник Чернігівського Державного технологічного університету. Серія технічні науки. - 2003. - № 21. - С.101-106.

39. Особенности процессов массопереноса при сварке давлением разнородных металлов / Маркашова Л.И. Арсенюк В.В., Григоренко Г.М., Бердникова Е.Н. / Сварочное производство. - 2004. - №4. - С.28-35.

40. Структурный подход к оценке механических свойств ЗТВ соединений сталей и сплавов / Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Григоренко Г.М., Бердникова Е.Н., Алексеенко Т.А. / Тезисы Второй международной конференции. “Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах”. - Крым: Украина, 2004. - С.68-69.

41. Маркашова Л.И., Арсенюк В.В., Григоренко Г.М. Зависимость пластической деформации при сварке давлением разнородных материалов // Сварочное производство. - 2004. - №8. - С.26-32.

42. Зварювання тиском алюмінію з міддю / Харченко Г.К., Новомлинець О.О., Арсенюк В.В., Фальченко Ю.В. / Вісник Чернігівського державного технологічного університету. - 2005. - №22. - С.81-90.

43. Особенности формирования структуры титаностальных соединений в условиях сварки взрывом / Арсенюк В.В., Маркашова Л.И., Григоренко Г.М., Половецкий Е.В., Бугаец В.П. / Автоматическая сварка. - 2005. - №3. - С.21-27.

Анотація

Арсенюк В.В. Закономірності формування з'єднань різнорідних металів різними способами зварювання тиском. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - зварювання та споріднені технології. - Приазовський державний технічний університет МОН України, м. Маріуполь, 2005.

Вперше встановлено, що швидкість деформування є головним чинником, що визначає особливості структури і зміни механізмів деформації. Встановлено, що при низьких швидкостях деформування (ДЗВ, ЗТр) спостерігається формування суцільних шарів інтерметалідів по площині контакту. При високошвидкісній деформації (УЗВ, МІЗ, ЗВб) спостерігаються дисперсні фазові виділення (від нанорозмірів до декількох мікрометрів). Показано, що глибина зони локалізації пластичної деформації залежить від швидкості і складає 25...200 мкм. При цьому степінь локалізації змінюється від ~40 до 1000 %. Розроблено новий методичний підхід до аналітичної оцінки міцнісних і пластичних властивостей по зоні зварювання з врахуванням структурних факторів. Запропоновано новий підхід до оцінки зварюваності різнорідних металів. Розроблено рекомендації і визначені оптимальні режими і технологічні прийоми з'єднання різних пар різнорідних металів різними методами зварювання тиском, що використані при промисловому виготовленні деталей і пристроїв в агрегатах і системах.

Виконано оцінку застосовності різних методів зварювання тиском для з'єднання різнорідних важкозварюваних металів, що дозволяє вибрати оптимальний спосіб зварювання.

Ключові слова: зварювання тиском, різнорідні метали, технологічні процеси, структура, масоперенос, міцність з'єднань різнорідних металів.

АННОТАЦИЯ

Арсенюк В.В. Закономерности формирования соединений разнородных металлов различными способами сварки давлением. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06. “Сварка и родственные технологии” - Приазовский государственный технический университет МОН Украины, г. Мариуполь, 2005.

Диссертационная работа посвящена анализу и уточнению представлений о кинетике и микромеханизмах пластической деформации, об особенностях структурообразования и технологий получения качественного соединения из разнородных металлических материалов при разных скоростях деформирования, и разработка на основе этих представлений, рекомендаций по применению того или иного вида сварки давлением и оптимизации технологического процесса.

В литературном обзоре сделан анализ состояния вопроса сварки давлением разнородных металлов. Для исследований использовались современные методы физического металловедения. Рассмотрены особенности влияния состояния контактирующих поверхностей на формирование соединения из разнородных металлов при сварке давлением. Изучены особенности и кинетические закономерности формирования структурной и химической неоднородности, фазообразования и пластической деформации в зоне соединения разнородных металлов (Al-Fe; Al-Cu; Cu-Ti; Ti-Fe и других) при ДСВ, СГП, СТр, УСВ, МИС и СВз в условиях деформирования со скоростью Э=110^-4…110⁵ с^-1. Изучены закономерности процессов ускоренного массопереноса в металлах при скоростном нагружении.

Впервые установлено, что скорость деформирования является главным фактором, определяющим особенности структуры и изменение механизмов деформации.

Установлено, что при низких скоростях деформирования (ДСВ, СТр) наблюдается формирование сплошных слоев интерметаллидов, локализованных по плоскости контакта. При высокоскоростной деформации (УСВ, МИС, СВз) наблюдаются дисперсные фазовые выделения (от наноразмеров до нескольких микрометров). Показано, что глубина зоны локализации пластической деформации зависит от скорости и составляет 25…200 мкм. При этом степень локализации пластической деформации изменяется от ~40 до 1000 %.

Разработан новый методический подход к аналитической оценке прочностных и пластических свойств по зоне сварки с учетом структурных факторов.

Предложен новый металловедческий подход к оценке свариваемости разнородных металлов.

Разработаны технологические рекомендации и определены оптимальные режимы и технологические приемы соединения различных пар разнородных металлов разными методами сварки давлением, которые использованы при промышленном изготовлении деталей и устройств в агрегатах и системах.

Выполнена оценка применимости различных методов сварки давлением для соединения разнородных трудносвариваемых металлов, которая позволяет выбрать оптимальный способ сварки и его технологические параметры.

Ключевые слова: сварка давлением, разнородные металлы, технологические процессы, структура, массоперенос, прочность соединений свариваемости разнородных металлов.

Abstract

Arsenyuk V.V. Principles of formation of joints in dissimilar metals made by different pressure welding methods. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Technical Sciences degree in speciality 05.03.06 - Welding and Allied Technologies. - Priazovsky State Technical University of the Ministry for Education and Science of Ukraine, Mariupol, 2005. It has been established for the first time that the rate of deformation is the main factor that determines peculiarities of structure and changes in the deformation mechanisms. It has been found that continuous layers of intermetallics are formed over the contract area at low deformation rates (vacuum diffusion bonding, friction welding). Deformation at a high rate (vacuum percussion welding, magnetic pulse welding, explosion welding) is accompanied by formation of dispersed phase precipitates (measuring from nano- to several micrometers). It is shown that the depth of the zone of localization of plastic strain depends upon the deformation rate and amounts to 25-200 m, the extent of localization varying from about 40 to 1000 %. New technical approach has been developed to analytical evaluation of strength and ductile properties of the welding zone, allowing for structural factors. A new approach to evaluation of weldability of dissimilar metals has been offered. Recommendations have been worked out. Optimal conditions and techniques have been identified for joining various combinations of dissimilar metals by different pressure welding methods, which are commercially applied for the manufacture of components and parts for industrial plants and systems. Applicability of different pressure welding methods for joining dissimilar hard-to-weld materials has been estimated, thus allowing selection of an optimal welding method.

Key words: pressure welding, dissimilar metals, technological processes, structure, mass transfer, strength of joints in dissimilar metals.

Размещено на Allbest.ru