ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Жартовський Олександр Володимирович

УДК. 621. 791. 66.

УДОСКОНАЛЕННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЗВАРЮВАННЯ ТИСКОМ

БІМЕТАЛЕВИХ ЗАГОТОВОК КІНЦЕВОГО ІНСТРУМЕНТУ

Спеціальність 05.03.06. – зварювання та споріднені технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Маріуполь 2004

Дисертаціею є рукопис.

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) Міністерства

освіти і науки України м.Маріуполь.

Науковий керівник : доктор технічних наук, професор

Чигарьов Валерій Васильович,

ПДТУ, завідувач кафедри “Металургія і

технологія зварювального виробництва”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Розмишляев Олександр Денисович,

ПДТУ, декан факультету зварювального виробництва,

професор кафедри Обладнання і технологія

зварювального виробництва.

кандидат технічних наук

Малінов Володимир Леонідович,

( м..Маріуполь) ВАТ “ГСКТІ”,

замісник начальника ЦЛЗВ.

Провідна установа: Запорізький національний технічний універсітет

Захист відбудеться 10 грудня 2004 р. у 14 годин на засіданні спеціалізованої

наукової ради К.12.052.01. при Приазовському державному технічному університеті за

адресою : 87500, ПДТУ, вул. Універсітетська, 7, м. Маріуполь.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університета за адресою : 87500, ПДТУ, вул. Апатова, 115, м. Маріуполь.

Автореферат розісланий 30 жовтня 2004р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В. А. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Підвищення якості біметалевих заготовок зв'язано зі зниженням витрат швидкорізальної сталі і зменшенням трудомісткості виготовлення інструменту внаслідок зменшення припусків на механічну обробку. До позитивних якостей зварювання тиском в активуючому захисному середовищі належить можливість одержання з'єднання, із високою міцністю і малими деформаціями в зоні зварювання, продуктивність, простота та надійність устаткування, а також можливість його автоматизації. Однак відсутність систематизованих відомостей про утворення зварного з'єднання, речовини зварювальних флюсів, параметри режимів зварювання і методичного підходу до проведення необхідних досліджень утрудняє вибір і розробку раціональних параметрів технологічного процесу і зварювальних матеріалів. Застосування різних хімічних речовин, що вводяться між з’єднуючими поверхнями, для утворення захисного середовища, дозволяє в ряді випадків знизити енергоємність зварювальної операції й активувати формування з'єднання. Складність вибору раціонального співвідношення інгредієнтів, необхідних для створення захисного середовища, технологічних параметрів процесу зварювання і відсутність методів їхнього визначення, що базуються на сучасних моделях і адекватно відбивають кількісні і якісні характеристики процесів, і досвіді безпечної роботи при реалізації таких технологій приводить до того, що технологічні параметри приймають на підставі спрощених підходів і припущень. Таким чином, удосконалювання технології зварювання тиском в активуючому захисному середовищі для виготовлення біметалевих заготовок кінцевого інструмента є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана автором у рамках науково-дослідної роботи (НДР) “Підвищення якості та ефективності верстатного устаткування і різального інструмента для важкого машинобудування”. ( Номер державної реєстрації НДР 0102U001664 ).

Мета й задачі дослідження.

Дисертаційна робота, присвячена удосконалюванню технології зварювання тиском біметалевих заготовок кінцевого інструмента внаслідок розробки раціональних технологічних параметрів процесу зварювання тиском в активуючому захисному середовищі.

Метою роботи є підвищення якості біметалевих заготовок кінцевого інструмента.

Для досягнення мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Розробити методики і лабораторне устаткування для дослідження механізму формування з'єднання при зварюванні тиском в активуючому захисному середовищі.

2. Дослідити методами фізичного моделювання відповідно до розроблених методик:

- захисні консервуючи властивості сполучної речовини й інгредієнтів флюсу; - відновні властивості, захисного середовища при термічному розкладанні сполучної

речовини флюсу;

- вплив сполучної речовини й інгредієнтів флюсу на деформування поверхонь матеріалу, що з'єднуються;

- утворення адсорбційно-активного середовища з речовин флюсу при формуванні зварного з'єднання.

3. Використовуючи методи математичного моделювання дослідити вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості зварного з'єднання.

4. Застосувати отримані результати для розробки технологічних параметрів зварювання тиском в активуючому захисному середовищі біметалевих заготовок кінцевого інструмента.

Об'єкт дослідження – взаємодія флюсу з поверхнями, що зварюються, в умовах формування з'єднання при зварюванні тиском в активуючому захисному середовищі.

Предмет дослідження – захисні, консервуючи властивості сполучної речовини і сумішей з інгредієнтами флюсу; відновлювальні властивості, захисного середовища, що утворюється при термічному розкладанні сполучної речовини флюсу; вплив інгредієнтів флюсу і фізико-хімічних факторів процесу на пружно-пластичні властивості матеріалів і активацію формування зварного з'єднання; утворення адсорбційно-активного середовища з речовин флюсу при формуванні зварного з'єднання.

Методи дослідження. Основні задачі роботи здійснювали експериментально із створенням спеціальних методик досліджень та дослідницького устаткування, застосовувалося математичне моделювання і металографічний аналіз. Використано фізичне моделювання процесів, що відбуваються при утворенні з'єднання зварюванням тиском в активуючому захисному середовищі. Із застосуванням методів математичного моделювання досліджений вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу речовини флюсу на властивості зварного з'єднання. В умовах експлуатації випробувані робочі характеристики розробленого технологічного устаткування, перевірені технологічні параметри режиму зварювання і хімічний склад речовини флюсу. Випробувано кінцевий інструмент, виготовлений із застосуванням розроблених технологічних параметрів і зварювального флюсу.

Наукова новизна отриманих результатів.

Сформульований методичний підхід до розробки флюсів для зварювання тиском в активуючому захисному середовищі, що враховує хімічну активність інгредієнтів флюсу, вплив адсорбційно-активної речовини флюсу на зміну пружно-пластичних властивостей поверхні матеріалів, що зварюються, і імпульсної дії тиску середовища, яке виникає при швидкісному нагріванні речовини флюсу між поверхнями, що з'єднуються, на активацію формування з'єднання, і дозволяє здійснити вибір інгредієнтів флюсу, визначити оптимальні параметри режиму зварювання за допомогою фізико-хімічного й математичного моделювання.

Виявлено вплив інгредієнтів флюсу і продуктів їх взаємодії на зміну пружно-пластичних властивостей поверхневого шару матеріалів, які зварюються, що дозволило знизити поперечні деформації у зоні стику до 0,5 - 4,0 %.

Виявлено фізико-хімічний вплив речовини флюсу, що містить органічне сполучне, на активацію процесів формування з'єднання, яке виникає внаслідок перегріву речовини сполучного флюсу при швидкостях нагрівання 130 0С/с і більш між поверхнями, які з'єднуються, і супроводжується вибуховим скипанням органічної речовини й виділенням газоподібних продуктів, що виникли при термічному розкладанні у мікрообсягах мікрорельєфу обробки поверхні.

З використанням методів математичного моделювання, виявлено залежність впливу параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості зварного з'єднання. Розроблений зварювальний флюс, що складається з епоксидної смоли ЕД-20, бора аморфного, хлориду заліза у співвідношенні масових часток: бор аморфний – 10-30%; розчин хлорного заліза 0-3% , 7-10%; епоксидна смола – інше, при зварюванні з температурою 1150-1180 0С, зі швидкістю нагрівання 130-200 0С/c, зварювальному тиску стиску 15 МПа, і імпульсному 7 МПа, дозволяє одержувати зварне з'єднання з ударної в'язкістю що відповідає властивостям швидкорізальної сталі та забезпечує експлуатаційні властивості інструмента.

Практичне значення отриманих результатів.

З використанням розробленого науково-обгрунтованого методичного підходу розроблено склад флюсу, визначений оптимальний спосіб нагрівання й параметри режиму зварювання. Розроблено технологію й устаткування для зварювання тиском в активуючому захисному середовищі. Застосування розробки дозволяє зменшити витрати швидкорізальної сталі внаслідок зниження припусків на механічну обробку заготовки. Виключається утворення грата. Відсутні чад і розбризкування. Технологія зварювання й склад флюсу пройшли промисловий іспит в умовах ТОВ “Лабораторія експериментально конструкторських робіт” (м. Краматорськ) і рекомендовані для використання при виготовленні біметалевих заготовок інструмента.

Особистий внесок здобувача.

Автором розроблена й перевірена експериментальним шляхом робоча гіпотеза про утворення з'єднання при зварюванні тиском в активуючому захисному середовищі. Розроблено методичний підхід до проектування складу зварювальних флюсів і методики визначення параметрів режиму зварювання, що враховують взаємодію речовини флюсу з матеріалом, який зварюється. Проведено експериментальні дослідження, їхня обробка, зроблені висновки. З використанням методів математичного моделювання розроблено склад зварювального флюсу, параметри режиму зварювання. У співавторстві розроблений спосіб визначення адсорбційної взаємодії речовин.

Апробація результатів дисертації.

Матеріали дисертації доповідалися й обговорювалися на IХ регіональній науково-технічній конференції ( ПДТУ м. Маріуполь, 2002), 9 Міжнародної науково-технічної конференції “Надійність інструменту та сучасні технологічні системи” м. Краматорськ, 2002, Міжнародної науково-технічної конференції “Сучасні засоби автоматизації і компьютерно-інтегровані технологій” (ДДМА, м.Краматорськ, 2003 ), Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, наукових, інженерно-технічних працівників, аспірантів і студентів за підсумками наукової діяльності академії у період 2002-2003 р. (ДДМА, м.Краматорськ, 2003 ), Міжнародної науково-технічної конференції “Нові досягнення й перспективи розвитку процесів і машин обробки тиском” (ДДМА, м.Краматорськ, 2003 ), 4 міжнародної конференції “Устаткування й технології термічної обробки металів і сплавів” ( Національний науковий центр “Харківський фізико-технічний інститут”, Харків, 2003), міждержавному науковому семінарі “Високоэнергетична обробка матеріалів” м. Дніпропетровськ 2003; на науковому семінарі у Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона, 2004р.; Усеросійської науково-технічної конференції “Технологія, устаткування і підготовка кадрів у зварювальному виробництві ” “МАТІ – Зварювання ХХI вік” м. Москва 2003.

Публікації.

За матеріалами дисертації опубліковано 8 друкованих праць, у тому числі у фахових виданнях за переліком ВАК України 4, 2 доповіді на науково – технічних конференціях, 1 авторське посвідчення СРСР на винахід, 1 патент України на винахід.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку використаної літератури (135 найменування). Обсяг роботи складає 140 сторінок тексту, 30 рисунків, 9 таблиць, 2 додатка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Во вступі обґрунтована актуальність роботи. Сформульовано мету й задачі дослідження. Зазначено методи, об'єкт і суб'єкт дослідження. Сформульовано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів. Зазначено, що при виконанні роботи використані наслідки експериментальних і теоретичних досліджень відомих вчених в галузі металофізики: Л.Н. Ларікова, В.Р. Рябова, В.М. Фальченко, М.А. Криштала, Я.Е. Гегузіна, М.А. Кривоглаза, Ю.И. Петрова, П.А. Савіцева, В.И. Рогова, В.И. Дорофєєва; в галузі фізико-хімічної механіки матеріалів і адсорбційних явищ: П.А. Ребіндера, Г.В. Карпенко, Е.Д. Щукіна А.В. Перцова, Е.А. Амеліой, в галузі фізико -хімічних явищ у дисперсних системах Ю.Г. Фролова, А.Г. Мержанова, В.М. Шкіро, В.В. Болдирева, И.П. Боровінской; в в галузі дослідження технологічних процесів методами планування експериментів: В.З. Бродського, Ф.С. Новіка, Я.Б. Арсова; в галузі зварювання тиском Н.Ф. Казакова, Э.С. Каракозова, В.Э. Тарлавского, В.Г.Панаетова, В.В. Губарєва, Ю.В. Казакова, М.Л. Фінкельштейна, Н.В. Гузєва С.П. Кочарміна, А.П. Семенова, інших авторів. Зазначено особистий внесок здобувача. Викладені дані про апробацію результатів, публікації. Приведено структуру та обсяг роботи.

У розділі 1 здійснено огляд сучасного стану по виготовленню біметалевих заготовок інструмента. Запропоновано удосконалити технологію виготовлення заготовок запровадженням зварювання тиском в активуючому захисному середовищі. Надано відомості про утворення дифузійного з'єднання й методи активації процесу. Формування з'єднання супроводжується складною фізико-хімічною взаємодію. Сучасні теорії, що пояснюють утворення дифузійного з'єднання не враховують адсорбційної дії середовища і дії ефекту

П.А Ребіндера при формуванні з'єднання. Тому не враховується вплив середовища на зміну фізико-хімічних властивостей поверхневого шару матеріалів. Не враховується також вплив фізичних ефектів єнегосилової дії середовища на активацію дифузійних процесів. Запропонована робоча гіпотеза. Її основні положення мають експериментальне й теоретичне обґрунтування. Сформульовано мету й задачі дослідження. Поставлена мета передбачає фізичне й математичне моделювання процесу.

У розділі 2 викладено методики виконання роботи. Сформульований методичний підхід дослідження складається з декількох самостійних методик об'єднаних загальною метою роботи. Розроблено методики і лабораторне устаткування для дослідження механізму утворення з'єднання при зварюванні тиском в активуючому захисному середовищі з використанням методів фізичного моделювання:

- захисні консервуючи властивості сполучної речовини й інгредієнтів флюсу; - відновних властивостей захисного середовища, що утворилося при термічному розкладанні сполучної речовини флюсу;

- впливу сполучного й інгредієнтів флюсу на деформування матеріалу поверхонь, що з'єднуються;

- впливу інгредієнтів флюсу на утворення зварного з'єднання;

-утворення адсорбційно-активного середовища з речовин флюсу при формуванні зварного з'єднання.

Зазначені методики дозволяють відтворити фрагменти фізико-хімічної картини утворення з'єднання і доповнити існуючу модель утворення дифузійного з'єднання.

Описано шкідливі хімічні речовини, застосовувані при проведенні робіт. Дано рекомендації з безпечного ведення робіт.

У розділі 3 викладено експериментальні дослідження параметрів технологічного процесу й інгредієнтів зварювального флюсу. Флюс під час формування з'єднання виконує різні функції. На початку задіяні захисні, консервуючи якості покриття від корозії. При нагріванні і термічному розкладанні сполучної речовини флюс виконує відновні властивості від оксидів на поверхні, що зварюється, активує дифузійні процеси. Флюс сприяє полегшенню деформування мікровиступів обробки за рахунок дії адсорбційно-активного середовища. Крім того, інгредієнти флюсу, що розміщуються на зовнішній поверхні стику повинні надійно захищати металеві поверхні, що зварюються від дії кисню повітря.

У результаті проведених експериментів були отримано нові уявлення про взаємодію інгредієнтів флюсу й поверхні матеріалів, що з'єднуються.

Метою дослідження сполучного й інгредієнтів флюсу в якості захисного покриття є вибір речовини здатної перешкоджати утворенню продуктів корозії на поверхнях, що зварюються.

Експериментальним шляхом виявлені хімічні речовини, необхідні для розробки складу флюсу по хімічній нейтральності й властивостям, що консервують. При дослідженні сполучного й інгредієнтів флюсу встановлено, що в якості захисного покриття може бути використане сполучне флюсу - епоксидна смола ЕД-20, у сумішах з інгредієнтами: хлорним залізом і бором аморфним.

Метою дослідження відновних властивостей захисного середовища є вибір речовини сполучної речовини флюсу.

Доведено, що епоксидна смола ЕД-20 при нагріванні до температури 1200 0С із швидкістю 130 0С /c і більш здатна утворювати в просторі між металевими поверхнями продукти термічного розкладання з активними відновними властивостями і відновлювати зварювану поверхню від оксидів. Найважливішим фактором, що визначає утворення з'єднання при зварюванні тиском, є деформування металу. Воно приводить до взаємодії поверхонь, які з'єднуються. Основними параметрами, що впливають на деформування металу і взаємодію поверхневих шарів, прийнято вважати температуру і тиск. Однак поряд із згаданими факторами має значення фізико-хімічний вплив навколишнього середовища.

Метою дослідження впливу сполучного й інгредієнтів флюсу на деформування матеріалу є експериментальна перевірка й оцінка адсорбційного впливу інгредієнтів флюсу і сполучного при температурах нижче температури термічного розкладання речовини сполучного.

Доведено, що речовина флюсу є адсорбційно-активною і сприяє завдяки цьому полегшенню деформування поверхневого шару металу. При низьких температурах адсорбційну активність виявляють інгредієнти флюсу, а при нагріванні вище температури термічного розкладання речовини сполучного, як інгредієнти, так і продукти синтезу.

Адсорбційну взаємодію оцінювали коефіцієнтом активності КА при дослідженнях на стиск:

( 1)

де Р2- критичне зусилля втрати стійкості при стиску в досліджуваному середовищі;

P1- критичне зусилля втрати стійкості при стиску в інертному середовищі.

Результати проведених досліджень зображені у вигляді стовпчастих діаграм. На рис.1 наведено значення коефіцієнтів активності при іспитах адсорбційного впливу епоксидної смоли ЕД-20, хлористого кобальту, хлорного заліза.

У результаті експериментальних досліджень доведено, що сполучне й інгредієнти флюсу мають властивість адсорбційної дії. Ця властивість, зв'язана як із природою, так і з маркою речовини інгредієнтів флюсу . Марки відрізняються дисперсністю речовини.

При формуванні стику поверхні, що з'єднуються, стикаються по деякій плямі контакту, що розвивається і збільшується за рахунок пластичної деформації поверхневого шару. Відбувається нагрівання поверхонь, що з'єднуються. Зварювальний флюс між поверхнями нагрівається до температур, що для сполучного флюсу стає критичним. Відбувається термічне розкладання сполучної речовини флюсу. Взаємодіють продукти утворені у термічному розкладанні, інгредієнти флюсу і метал поверхонь, що з'єднуються. Умови протікання процесів визначаються фізико-хімічними властивостями інгредієнтів флюсу, температурою, величиною і способом тиску стиску, умовами термічного розкладання і взаємодії інгредієнтів флюсу та поверхонь, що зварюються. Істотний вплив на процес мають умови термічного розкладання органічної сполучної речовини. При цьому утворюються речовини з активними відновними властивостями, а тиск між поверхнями при високих швидкостях нагрівання досягає високих імпульсних значень, що приводить до прискорення дифузійних процесів. У той же час змінюється дисперсність і активність речовини між поверхнями, що з'єднуються, внаслідок цього відбувається утворення нових речовин і адсорбційно-активного середовища, яке сприяє активації процесів дифузії. Доведено, що продукти термічного розкладання сполучного й інгредієнти флюсу утворювали з'єднання в рідкій фазі на поверхні металу. Явище супроводжувалося зміною пружно-пластичних властивостей матеріалу. Це було зафіксовано експериментом. Експериментально підтверджено синтез речовин з інгредієнтів флюсу і продуктів термічного розкладення речовини сполучного. Були виділені продукти синтезу. Металографічне дослідження підтвердило перебування продуктів синтезу в рідкому стані. Експериментальним шляхом доведена наявність підвищеного тиску між поверхнями, що з'єднуються, при термічному розкладанні сполучної речовини флюсу. Експериментальні дослідження підтвердили пропозиції робочої гіпотези і дозволили визначити якісний склад зварювального флюсу і параметри режиму зварювання.

У розділі 4 досліджений вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості зварного з'єднання. Для цього була створена математична модель. Одержання адекватної моделі залежить від правильного вибору параметра оптимізації. Розроблявся підхід до вибору параметра оптимізації.

Це було досягнуто шляхом рішення наступних задач:

- вивченням розроблених і застосовуваних на практиці інструментального виробництва методів оцінки якості зварених заготовок інструмента й вибором найбільш чутливих до впливу параметрів режиму зварювання для використання у якості параметра оптимізації при розробці математичної моделі процесу;

- експериментальною перевіркою правильності вибору параметра оптимізації;

- побудовою математичної моделі.

Вивчали можливість використовувати як параметр оптимізації ударної в'язкості КСU за ДСТ 6996-80. Для цього випробували зварені взірці, із сталі Р6М5К5 із сталлю 45. Форма взірців для випробувань сприяє мінімальним можливостям руйнування при виготовленні, а розмір поперечного переріза сприяє максимальному обрахуванню властивостей. Руйнування при іспитах завжди знаходиться в зоні зварного з'єднання. Тому є можливість одержати кількісну характеристику параметра оптимізації та оперувати нею при побудові математичної моделі. Розроблено математичну модель, що враховує вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості з'єднання. Математична модель для пари матеріалів, що зварюються, сталі Р6М5К5 із сталлю 45 у кодових значеннях має вигляд :

y = 99,1–2,42 x 2 – 0,59 x3 – 3,41 x 4 + 16,65 x 5 + 0,64 x 6 -1,91 z2 +31,77 z3 , (2)

де xi; zi – кодові значення незалежних змінних.

Наявність математичної моделі дозволила одержати аналітичні і графічні залежності ударної в'язкості зварного з'єднання КСU від параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу.

а) б) в)

Рис.3. Вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на ударну в'язкість зварного з'єднання ( у кодовому масштабі)

На рис. 3 а - залежність ударної в'язкості з'єднання від часу зварювання (х2) і змісту розчину хлорного заліза у флюсі (х3), при х4=1; х5 =1; х6=1 ( ударна в'язкість У=0–40 Дж/см2, час Х2=40 – 80с, зміст розчину хлорного заліза Х3 = 0 – 10%, при зварювальному тиску Х4= 30 МПа, температурі зварювання Х5 = 1200 0С, змісті бора аморфного Х6= 30%). На рис. 3 б - залежність ударної в'язкості з'єднання від часу зварювання (х2) і змісту бора аморфного у флюсі (х6), при х3=0,78; х4=1; х5=1(ударна в'язкість У=0–40 Дж/см2, час Х2=40 – 80с, зміст бора аморфного Х6 =10 –30 %, при змісті розчину хлорного заліза Х3 =4,7%, зварювальному тиску Х4= 30 МПа, температурі зварювання Х5 = 1200 0С). На рис. 3 в - залежність ударної в'язкості з'єднання від температури зварювання (х5) і змісту розчину хлорного заліза у флюсі (х3), при х2 = 1,76; х4=1; х5=1 (ударна в'язкість У=0–40 Дж/см2, температура зварювання Х6 =1150 - 1200 0С зміст розчину хлорного заліза Х3 = 0 – 10%, при часі зварювання Х2 =46 с, зварювальному тиску Х4= 30 МПа, змісті бора аморфного у флюсі Х6 = 30% ).

Унаслідок проведених робот побудована математична модель, що враховує вплив параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості з'єднання. Отримано залежності впливу параметрів режиму зварювання і хімічного складу флюсу на властивості зварного з'єднання. На підставі дослідження математичної моделі встановлені параметри режиму зварювання і хімічний склад флюсу. Експериментальним шляхом досліджені фактори, що впливають на активацію процесу утворення з'єднання. Доведено, що речовина флюсу сприяє зміні пружно-пластичних властивостей поверхні матеріалу, що зварюється, підвищує дифузійну активність у поверхневому шарі й активує процес утворення з'єднання. Унаслідок неоднорідності нагрівання і високих тисків у газових міхурах, що створюються при термічному розкладанні сполучної речовини флюсу, відбувається переміщення продуктів флюсу у середині стику із зони із більш високим тиск у зону з низьким тиском. При досягненні визначених швидкостей нагрівання стику формування з'єднання супроводжується виділенням віх продуктів із спалахом і звуковим ефектом. Таке явище цілком підтверджує наявність високого тиску між поверхнями, що з'єднуються. Зварне з'єднання, яке було утворено з таким ефектом, при іспитах завжди мало високу міцність. Мікроструктуру зварного з'єднання вивчали металографічними методами на мікроскопі Neopfot 21 і растровому електронному мікроскопі РЭММА – 202. Мікроструктуру зварного з'єднання стали Р6М5К5 із сталлю 45 приведено на рис.4.

Р6М5К5 сталь 45 х 200 х 5000

а) б)

Рис.4. Мікроструктура зварного з'єднання стали Р6М5К5 із сталлю 45 .

Досліджено, що зварне з'єднання має мікроструктуру аналогічну тієї, що отримана зварюванням тиском у вакуумі. Доведено, що верхня межа швидкостей нагрівання для зварювання при електроконтактному нагріванні складає 200 0С/с.

У розділі 5 описана розробка технології виготовлення заготовок кінцевого інструмента і її промислове застосування.

Моделлю утворення з'єднання обрана така, при якій використовується пастоподібний флюс. Властивостями флюсу є хімічна інертність і здатність оберегти поверхні заготовок від корозії при нормальних температурах. При нагріванні підчас зварювання, флюс повинен утворювати газоподібні продукти термічного розкладання сполучної речовини з активними відновними властивостями. Сполучне флюсу при нормальних температурах не повинне взаємодіяти з іншими інгредієнтами. При нагріванні продукти термічного розкладання сполучного повинні утворювати з інгредієнтами адсорбційно-активні речовини. Це сприяє активації утворення з'єднання. Продукти в мікро обсягах між поверхнями, що зварюються, утворюють речовину, перегріту до критичного стану і високого тиску. Це створює умови сприятливі активуванню дифузійних процесів унаслідок високого імпульсного тиску в тонкому приповерхньому шарі речовини. Крім цього газоподібні продукти термічного розкладення сполучної речовини при виході із зони підвищеного тиску захоплюють із собою дрібні частки інгредієнтів флюсу і виносять їх на зовнішню поверхню шва, створюючи, таким чином, захисний шар. Цей шар при взаємодії з киснем повітря утворює плівки речовин, що перешкоджають проникненню кисню до поверхонь, що зварюються. Передбачається, що ці параметри разом з описаними властивостями флюсу визначають умови утворення з'єднання. Завдяки таким властивостям пастоподібного флюсу, при оптимальному співвідношенні параметрів режиму зварювання й інгредієнтів повинні бути забезпечені якість зварного з'єднання. Отримані дані про режими зварювання й склад зварювального флюсу. Температура зварювання 1150- 12000С, швидкість нагрівання 130-200 0С/с, величина зварювального тиску складає 15 МПа, і імпульсного 7 МПа. При виборі складу флюсу пропонується використовувати наступні співвідношення масових часток: бор аморфний – 10-30%; розчин хлорного заліза 0-3% , 7-10%; епоксидна смола інше. Отримане зварне з'єднання має механічні властивості на статичний розрив, що перевищують властивості стали 45, на ударну в'язкість відповідні властивостям швидкорізальної сталі. Показано характерні руйнування зварених заготовок і інструмента. Іспити інструмента показали, що руйнувань по зоні зварювання не спостерігалося. Інструмент, виготовлений із заготовок отриманих за розробленою технологією показаний на рис.5.

от-ри-ма-них за роз-роб-ле-ною тех-но-логією

Роз-роб-ле-но ус-тат-ку-ван-ня для зва-рю-ван-ня. При-ве-де-но опи-си роз-роб-ле-но-го ус-тат-ку-ван-ня. На-ве-де-но дані про про-ми-сло-ве ви-про-бу-ван-ня й уп-ро-вад-жен-ня роз-роб-ки. Пе-ре-дба-че-но за-без-пе-чен-ня санітарно-гігієнічних ви-мог до про-це-су зва-рю-ван-ня роз-роб-кою ус-тат-ку-ван-ня з улаштуванням місцевого відсмоктувача газів. Роз-роб-ле-на тех-но-логія зва-рю-ван-ня й склад флюсу пройшли промисловий іспит в умовах ТОВ “Лабораторія експериментально конструкторських робіт” (м. Краматорськ) і рекомендовані для використання при виготовленні біметалевих заготовок інструмента.

ВИСНОВКИ

1. Здійснено теоретичне узагальнення і розроблено нове рішення науково-технічної задачі економного використання дорогих високолегованих сталей при виробництві біметалевих заготовок інструмента удосконаленням технології зварювання тиском в активуючому захисному середовищі, що дозволило зменшити поперечні деформації у зоні стику до 0,5 - 4,0 %.

2. Існуючі уявлення про утворення дифузійного з'єднання при зварюванні тиском доповнені відомостями про фізико-хімічну взаємодію флюсу та поверхні, що зварюється. Це дозволило виробити методичний підхід, який враховує хімічну активність інгредієнтів флюсу, вплив адсорбційно-активної речовини флюсу на зміну пружно-пластичних властивостей на зварюваємої поверхні матеріалу, і імпульсної дії тиску середовища, що виникає при швидкісному нагріванні речовини флюсу між поверхнями, що з'єднуються, на активацію утворення з'єднання, і на його підставі здійснити вибір речовин до складу флюсу і визначити параметри режиму зварювання.

3. Експериментально визначено перелік інгредієнтів, що у складі флюсу утворювали консистентну пасту хімічно нейтральну до поверхні, що зварюється, та яка охороняє від агресивних дій зовнішнього середовища, у тому числі, епоксидна смола ЕД-20, хлорид заліза, бор аморфний.

4. Експериментально визначено можливість використання у якості сполучної речовини флюсу епоксидної смоли ЕД – 20. Смола при нагріванні зі швидкістю 130 0С /c і більш розкладається з утворенням у зоні зварного з'єднання продуктів з активними відновлювальними властивостями, що забезпечує очищення поверхонь, які з'єднуються, від оксидів.

5. Експериментально доведено , що речовина флюсу в стику впливає на зміну пружно-пластичних властивостей поверхневого шару матеріалів, що зварюються. Вуглецьводнева сполучна речовина епоксидна смола ЕД-20 і інгредієнти флюсу хлорне залізо і хлористий кобальт зменшують зусилля деформування відповідно на 4, 40, 13 %. Бор аморфний у сумішах із сполучним, у залежності від умісту, зменшують зусилля деформування відповідно в межах 18-33%. При нагріванні в мікрообсягах між поверхнями, що з'єднуються, утворюються адсорбційно-активні продукти синтезу речовини інгредієнтів флюсу, які також сприяють полегшенню деформування поверхні матеріалу.

6. Доведено фізико-хімічний вплив речовини флюсу, що містить органічне сполучне, на активацію процесів утворення з'єднання, що виникає в наслідок перегріву речовини сполучного при швидкостях нагрівання 1300С/с і більш у мікрообсягах між поверхнями, які з'єднуються, і супроводжується вибуховим скипанням і утворенням газоподібних продуктів у мікрообсягах мікрорельєфу обробки поверхні.

7. Доведено, що при зварюванні з електроконтактним нагріванням у наслідок взаємодії поверхонь, що з'єднуються, з речовиною флюсу та дії електричного струму збільшується активуюча дія на процеси утворення з'єднання. Це виявляється в зменшенні часу зварювання у порівнянні із застосуванням для нагрівання струмів високої частоти та вакууму як захисного середовища.

8. Експериментом установлені граничні значення швидкостей нагрівання стику при зварюванні, що відповідають 130-2000С/с. Нижня межа швидкості нагрівання 1300С/с визначається з умови гарантованого одержання з'єднання внаслідок активації поверхні від впливу флюсу і електричного струму. Верхня межа 2000С/с визначена через можливість викривлення форми стику.

9. Із застосуванням методів фізичного й математичного моделювання визначені параметри режиму зварювання. Величина зварювального тиску, що рекомендується, складає 15 МПа, і імпульсного 7 МПа. Температура зварювання 1150 - 12000С. Хімічний склад флюсу в співвідношеннях масових часток: бор аморфний – 10-30%; розчин хлорного заліза 0-3%, 7-10%; епоксидна смола - інше. Застосування цих параметрів режиму зварювання й флюсу, з урахуванням припустимих швидкостей нагрівання стику, забезпечує якість звареного з'єднання з ударною в'язкістю, що відповідає властивостям швидкорізальної сталі.

10. Металографічними дослідженнями визначено, що зварне з'єднання має структуру подібну з'єднанню, що отримано за допомогою зварювання тиском у вакуумі.

11. Розроблена технологія зварювання й склад флюсу пройшли промисловий іспит в умовах ТОВ “Лабораторія експериментально конструкторських робіт” (м. Краматорськ) і рекомендовані для використання при виготовленні біметалічних заготовок інструмента. Економічний ефект від упровадження розробленої технології в умовах ТОВ “Лабораторія експериментально конструкторських робіт” у 2003 р. склав 5,6 тис. грн.

Основний зміст дисертації викладений у наступних публікаціях:

1. Чигарев В.В., Жартовский А.В., Кассов В.Д. Исследование влияния давления и деформации поверхностных слоев на активацию диффузионного взаимодействия // Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. – Краматорськ - Слов’янськ: 2003 – С. 341- 344.

Автором розроблена фізико-хімічна модель дослідження й устаткування. Проведено експериментальні дослідження. Зроблено висновки.

2. Жартовский А.В., Кассов В.Д., Чигарев В.В. Исследование деформирования поверхности материала при воздействии адсорбционно-активной среды //Удосконалення процесів і обладнання обробки тиском в металургії і машинобудуванні. - Краматорськ: 2003 - С.448-451.

Автором розроблені методики дослідження, конструкції устаткування, проведені експериментальні дослідження, зроблені висновки.

3. Жартовский А.В., Кассов В.Д., Чигарев В.В. Повышение надежности концевого инструмента путем оптимизации технологического процесса изготовления заготовок // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем.- Краматорськ: Донбаська державна машинобудівна академія, 2001.- С.181-184.

Автором розроблена й досліджена математична модель утворення з'єднання.

4. Жартовский А.В. Влияние физико-химического воздействия флюса и параметров нагрева на активацию процессов образования соединения // Сборник научных трудов национального горного университета №18. – Днепропетровск 2003. – С. 92 – 97.

Автором розроблена фізико-хімічна модель дослідження й устаткування для дослідження. Проведено експериментальні дослідження. Зроблено висновки.

5. Флюс для диффузионной сварки А. С. №1109294 , СССР, МКИ В 23К 20 / 14 Жартовский А.В. (СССР).- № 3624790 / 25-27; Заявлено 21.07.83; Опубл: 23.08.84, Бюл. 1984, №31

Автором розроблений принцип вибору речовин до складу флюсу. Розроблено і випробуваний флюс. Розроблено формулу винаходу, складений опис.

6. Жартовский А.В., Кассов В.Д., Чигарев В.В. Образование соединения при сварке давлением в активирующей защитной среде // Сборник докладов 4-й Международной конференции “ Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов”. – Харьков 2003. – С. 298 – 302.

Автором запропонована фізико-хімічна модель утворення з'єднання при зварюванні тиском у захисному середовищі, що активує. Зроблено висновки.

7. Чигарев В.В., Кассов В.Д., Жартовский А.В. Исследование образования адсорбционно-активной среды при высокотемпературном синтезе ингредиентов флюса // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции “Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве ”- М.: Министерство образования Российской Федерации, “МАТИ” - Российский Государственный Технический Университет им. К.Э. Циолковского. – 2003. – С.92 - 95.

Автором розроблена фізико-хімічна модель дослідження й устаткування. Проведено експериментальні дослідження. Зроблено висновки.

8. Патент 61467 Україна, МКІ G01N3/08, Спосіб визначення адсорбційної взаємодії речовин / А.В.Жартовський , В.Д. Кассов , В.В.Чигарьов (Україна); 17.11.2003. Бюл. №11.

Автором розроблена фізико-хімічна модель дослідження й устаткування для дослідження. Проведено експериментальні дослідження. Зроблено висновки. Запропоновані формула та опис патенту.

АНОТАЦІЯ

Жартовський А.В. Удосконалення технології зварювання тиском біметалевих заготовок кінцевого інструмента . Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06. – зварювання та споріднені технології. Приазовський технічний університет Міністерства освіти і науки України. Маріуполь 2004.

Дисертаційна робота, присвячена удосконаленню технології зварювання тиском біметалевих заготовок кінцевого інструмента з розробкою раціональних технологічних параметрів процесу в активуючому захисному середовищі. Розроблені методики та лабораторне устаткування для дослідження механізму утворення з'єднання при зварюванні тиском в активуючому захисному середовищі. Існуючі уявлення про утворення дифузійного з'єднання доповнені відомостями про вплив активуючого захисного середовища. Вироблено метод вибору речовин до складу флюсу. Застосовано математичне моделювання. Визначено параметри режиму зварювання. Розроблено зварювальний флюс і параметри режиму зварювання.

Розроблено технологію й устаткування для зварювання тиском в активуючому захисному середовищі. Відсутній грат. Поперечна деформація місця зварювання не перевищує 0,5 - 4 %. Відсутні чад і розбризкування. Розроблена технологія зварювання й склад флюсу пройшли промислові випробування та рекомендовані до використання при виготовленні біметалевих заготовок інструмента.

Ключові слова: біметалева заготовка, зварювання тиском, флюс, середовище, режим зварювання, технологія.

Аннотация

Жартовский А.В. Совершенствование технологии сварки давлением биметаллических заготовок концевого инструмента . Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06. – сварка и родственные технологии. Приазовский технический университет Министерства образования и науки Украины. Мариуполь 2004.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию технологии сварки давлением биметаллических заготовок концевого инструмента путем разработки рациональных технологических параметров процесса в активирующей защитной среде. Разработаны методики и лабораторное оборудование для исследования механизма образования соединения при сварке давлением в активирующей защитной среде.

Основные задачи работы решались экспериментально, путем создания специальных методик исследований и лабораторного оборудования, математического моделирования с использованием в качестве критерия оптимизации ударной вязкости, применялся металлографический анализ. С применением методов математического моделирования исследовано влияние параметров режима сварки и химического состава флюса на свойства сварного соединения. Использовано физическое моделирование процессов происходящих при образовании соединения сваркой давлением в активирующей защитной среде. Установлено влияние ингредиентов флюса и продуктов их взаимодействия на изменение упругопластических свойств поверхностного слоя свариваемых материалов, что позволило снизить поперечные деформации в зоне стыка до величины 0,5 - 4,0 %. .

Установлено существования воздействия флюса на соединяемые поверхности при нагревании и его активирующее влияние на процесс образования сварного соединения, которое усиливается влиянием неравномерного, нестационарного теплового воздействия за счет действия полей термических напряжений и деформаций, явлением “теплового взрыва” при вскипании углеводородного связующего в микрообъемах между соединяемыми поверхностями и высоких давлений при электроконтактном нагреве. Это позволило сократить в 20 раз время образования соединения по сравнению с диффузионной сваркой в вакууме при сохранении близких значений деформации зоны стыка.

Существующие представления об образовании диффузионного соединения дополнены экспериментально подтвержденными сведениями о механизме влияния активирующей защитной среды на активацию диффузионных процессов. Это позволило выработать подход к выбору веществ в состав флюса и определить существенные параметры режима сварки.

Построена математическая модель процесса образования соединения применительно к заданным материалам. Используя методы математического моделирования, установлена зависимость влияния параметров режима сварки и химического состава флюса на свойства сварного соединения. Разработан сварочный флюс и параметры режима сварки. В условиях эксплуатации испытаны рабочие характеристики созданного технологического оборудования, проверены технологические параметры режима сварки и химический состав флюса. Испытан концевой инструмент, изготовленный с применением разработанных технологических параметров и сварочного флюса. Разработана технология и оборудование для сварки давлением в активирующей защитной среде. Применение разработки позволяет уменшить расход быстрорежущей стали за счет снижения припусков на механическую обработку заготовки. Исключается образование грата.поперечная деформация места сварки не превышает 0.5 - 4 %, отсутствует угар и разбрызгивание. Разработанная технология сварки и состав флюса прошли промышленное испытание и рекомендованы для использования при изготовлении биметаллических заготовок инструмента.

Ключевые слова: биметаллическая заготовка, сварка давлением, флюс, среда, режим сварки, технология.

THE SUMMARY

Jartovsky A.W. The improving of pressure welding technology of bimetallic parts of tool. The manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of candidate of engineering science on a specialty 03.05.06 - welding and related technologies. Priazovsky technical university Ministries of education and sciences of Ukraine. Mariupol, 2004.

The dissertation is devoted to improvement of pressure welding technology of bimetallic parts of tool, by workout rational technologies parameters of process: into activates, shielded conditions.

With the purpose of research of mechanism of welding, joint formation, the new knowledge’s about mechanism of influence of activated shielded conditions were added. For the choosing of flux composition and welding parameters the mathematic modelotion ware used.

The technologyunol equipment ware developed for pressure welding into activated shielded conditions. The welding joint across deformations are not more then 0,5 - 4%. The splashes and burning out are absent. The results of this work were used for manufacturing of bimetallic parts of tools by pressure welding into activated shielded conditions.

Key words: pressure welding , activated shielded, bimetallic parts, tool, technology, deformations.

Підписано до друку 14.10.2004 р. Формат 60х90/16

Обсяг 0,9 ум. друк. арк..

Наклад 100 прим. Зам. № 593

ДДМА,84313, м. Краматорськ, вул. Шкадінова, 72