Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Исследование процесса высокочастотной конденсаторной сварки разнородных материалов
НТТМ-2017-0367 | Категория II

Автор:

Инасаридзе Георгий Ильич

Научный руководитель:
Нескоромный Станислав Валерьевич
Организация:
Донской государственный технический университет,
Ростовская область, Ростов-на-Дону
Цель работы
При производстве изделий машиностроения, приборостроения, пищевой и химической промышленности, железнодорожном транспорте, строительстве зачастую приходится сталкиваться с необходимостью получения неразъемных соединений из разнотолщинных, разнородных цветных алюминиевых, медных металлов и их сплавов. Типичными представителями металлоконструкций являются теплоизолирующие панели, фланцы с элементами крепления, короба с крепежными элементами под навесное оборудование, корпусные панели приборов, заземлители, выводы электрохимической защиты, крепежные элементы стяжки узлов тяговых агрегатов и др.
Толщина корпусных изделий металлоконструкций составляет 0,1−5мм, диаметры крепежных элементов от 2 мм и более. В качестве крепежных элементов используются метизы, бонки, гайки, стержни, болты. Соотношение разности толщин свариваемых элементов составляет 1/10−1/50.
Анализ получения таких соединений дуговыми способами сварки показывает, что формирование сварного соединения в условиях повышенных температур интенсифицирует диффузионные процессы, получая химическую неоднородность и образованием хрупких фаз, повышает вероятность прожога и деформаций элементов, возникновения непроваров.
Использование способов сварки с концентрированным источником тепловой энергии и сложной прецизионной оснастки (электронно−лучевая сварка) зачастую экономически нецелесообразно.
Применение способов сварки давлением позволяет ограничить неблагоприятные явления, характерные для сварки плавлением, формировать требуемые структуры и свойства зоны сварного соединения.
При всех способах сварки давлением (диффузионная, холодная сварка, трением, взрывом, магнитно−импульсная) сварное соединение образуется в результате пластической деформации свариваемых поверхностей. В зависимости от температуры в зоне соединения, могут развиваться диффузионные процессы, снижающие качество соединений металлов с ограниченной растворимостью.
Для снижения вероятности развития диффузионных процессов, необходимо:
− снижать перемешивание металлов друг в друге;
− сокращать время пребывания металлов при температурах формирования неблагоприятной структуры.

Целью работы является создание технологических решений применения высокочастотного разряда тока для получения сварных соединений из цветных разнородных и разнотолщинных сплавов изделий общего машино– и приборостроения.
Обзор предметной области
В ИЭС имени Патона в 70-х годах прошлого века была разработана ударная конденсаторная сварка , которая предназначалась для приварки крепежных элементов диаметром не более 3мм. Данная технология использовалась в приборостроении для сварки миниатюрных изделий. Ее развитие отражено в зарубежной технологии CD Stud Welding. Существуют несколько разных способов у этой технологии ,наиболее интересные для сварки разнородных цветных металлов -это способ с пропусканием разряда батареи конденсаторов через свариваемые детали. И в одной и в другой технологии за счет недостаточного давления прижатия свариваемых деталей, объемное взаимодействие свариваемых поверхностей формируется в жидкой фазе. Это обнаружено при выполнении аналитического обзора. В технологии CD Stud Welding используются для защиты зоны сварки от окружающей среды защитные газы, флюсовые кольца. Технология CD Stud Welding предназначена в основном для сварки углеродистых сталей , нержавеющих сталей. В литературных данных отсутствуют сведения об использовании CD Stud Welding для сварки цветных металлов в разнородном состоянии.
В результате проведенного анализа разрядно-импульсных способов сварки с использованием энергии запасенной в батареях конденсаторов можно заключить следующее: получение сварных соединений разнородных, разнотолщинных металлов без интерметаллидных включений является актуальной задачей и требует разработки новых подходов при ее решении, а именно использования супержестких режимов сварки. Таким требованиям соответствует высоковольтная конденсаторная сварка с магнитно-импульсным приводом (ВКС с МИП). Совмещение теплового и механического воздействия на зону соединения свариваемых деталей позволяет на несколько порядков сократить время воздействия, что снижается вероятность образования интерметаллидных включений. Импульсный разогрев для очистки свариваемых поверхностей с последующим магнитно-динамическим давлением позволяет вытеснить из зоны соединения расплавленный металл и локализовать зону термического воздействия, формируя неразъемное соединения ювенильных слоев в твердой фазе, что удовлетворяет качественному сварному соединению их цветных металлов и их сплавов на основе алюминиевых (АМг3, АМг6), медных (М00, М01, М02) и латунных сплавов (Л59, Л63).
Описание результатов проекта
В ходе работ проведенный теоретический анализ аналогичных процессов конденсаторной сварки позволил сформировать гипотезу формирования неразъемных соединений, которая условно разбита на несколько стадий.
Сущность процесса состоит в следующем. В процессе разряда батарей конденсаторов протекающий ток по виткам индуктора создает переменное магнитное поле, которое наводит вихревые токи в толкателе. Взаимодействие вихревых токов в толкателе с магнитным полем индуктора приводит к возникновению магнитного давления Pм, таким образом осуществляется механическое воздействие на стержневой элемент, рис. 1.
Рис 1 Разрядный контур устройства ВКС с МИП
1 – толкатель; 2 – стержневой элемент; 3 – пластина; 4 – диэлектрическая вставка; IР – разрядный ток; PМ – магнитное давление; КУ – коммутирующее устройство; С – емкостный накопитель энергии
Для синхронизации импульсной механической и тепловой нагрузки в цепь генератора импульсных токов магнитно-импульсный привод включен последовательно со свариваемыми деталями.
МИП состоит из плоского индуктора, в рабочей зоне которого размещен толкатель. Длительность разряда тока зависит от числа витков индуктора МИП.
Разработаны и исследуются три технологических приема ВКС с МИП, которые рекомендуются в зависимости от теплофизических свойств и сочетанием разнородных сплавов:
1)первый технологический прием – сварка стержневого элемента с плоской деталью при наличии выступа на торце стержневой детали;
2)второй – сварка деталей с предварительным зазором;
3)третий– сварка с предварительным контактом;
При сварке с выступом стержневого элемента на первой стадии протекающий импульс тока взрывообразно оплавляет и испаряет выступ стержневого элемента ,возникает дуговой разряд ,дуга горит в парах металла .Второй технологический прием - приложенное напряжение порядка несколько тысяч вольт приводит к пробою воздушного промежутка между свариваемыми деталями, возникает дуга горящая в парах металла, третий технологический прием сварка без исходного зазора: протекающий импульс тока через микровыступы поверхностей свариваемых деталей приводит к взрыву этих микровыступов, оплавлению, между деталями возникает зазор ,в котором возбуждается дуговой разряд. При ВКС с МИП не требуется наличие защитных газов или керамических колец, так как пары металла создают естественную защиту зоны сварки от окружающей среды.
На основе теоретического обзора были проведены экспериментальные исследования, которые позволили выявить основные параметры режимов, в первую очередь это вводимая энергия, которая зависит от емкости накопительного блока и напряжения зарядов батарей конденсаторов, во вторых - геометрические параметров сборки (предварительного зазора, геометрии выступа на торце стержневого элемента).
Эти параметры определяют длительность теплового и силового воздействия на зону соединения. При работе над проектом были выявлены оптимальные параметры режимов для сварки стержневых элементов диаметром от 8 до 12 мм в однородном ,разнородном сочетаниях.
Научная новизна состоит в следующем: использование высокой частоты порядка несколько тысяч герц по сравнению с аналогичными способами приварки стержневых элементов, а также импульсных батарей конденсаторов, позволяет локализовать тепловыделение тем самым добиться приварки массивных стержневых элементов к тонколистовой основе с разностью в толщинах 1 / 10-ти и более. Давление создаваемое магнитно-импульсным приводом позволяет полностью вытеснить из зоны сварки расплавленный металл, формируя соединение в твердой фазе.
Описание применимости
Результаты работ могут быть использованы при приварке стержневых крепежных элементов к металлоконструкциям для использования этих изделий в качестве крепежных элементов ,либо навесных, в приборостроении, химической промышленности, автомобилестроении.
Дальнейшее развитие проекта
Для расширения возможностей этого проекта необходимо провести дополнительные исследования по расширению номенклатуры свариваемых цветных металлов особенно в разнородном сочетании и изготовить вместо стационарной оснастки переносной инструмент, позволяющий производить сварку во всех пространственных положениях стержневых элементов на монтаже. Для этого необходимо разработать техническое задание в котором нужно отразить затраты на покупку комплектующих для изготовления переносного инструмента, расходные материалы, такие как стержневые элементы и плоские листы, а также затраты на металлографические исследования и механические испытания. Для расширения возможностей ВКС с МИП необходимо разработать переносное энергетическое оборудование.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru