Том 24 № 2 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Тимофеев С.П., Гринек А.В., Хуртасенко А.В., Бойчук И.П. Технология механической обработки, цифровое моделирование и реализация устройства для контроля формы крупногабаритных деталей................................................................................................................................................................ 6 Шлыков Е.С., Абляз Т.Р., Муратов К.Р. Теоретическое моделирование процесса промывки межэлектродного пространства при копировально-прошивной электроэрозионной обработки изделий, выполненных из полимерных композитных материалов.................................................................................... 25 Логинов Ю.Н., Шимов Г.В., Бушуева Н.И. Деформации в нестационарной стадии прессования прутка из алюминиевого сплава с малым коэффициентом вытяжки.................................................................... 39 Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки.......................... 50 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Мартынова Т.Г., Скиба В.Ю. К вопросу об ограничении неравномерности движения технологической машины в заданных пределах................................................................................. 67 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Бурков А.А., Кулик М.А., Беля А.В., Крутикова В.О. Электроискровое осаждение порошка диборида хрома на нержавеющую сталь AISI 304........................................................................................ 78 Гуляшинов П.А., Мишигдоржийн У.Л., Улаханов Н.С. Влияние борирования и алитирования на структуру и микротвердость низкоуглеродистых сталей............................................................................... 91 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ Рекомендации по написанию научной статьи ...................................................................................................... 102 Подготовка аннотации ...................................................................................................................................... 107 Правила для авторов ......................................................................................................................................... 111 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 119 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 06.06.2022. Выход в свет 15.06.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,0. Уч.-изд. л. 27,9. Изд. № 78. Заказ 189. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 2 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 2 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Timofeev S.P., Grinek A.V., Hurtasenko A.V., Boychuk I.P. Machining technology, digital modelling and shape control device for large parts..................................................................................................................... 6 Shlykov E.S. ,Ablyaz T.R.. Muratov K.R. Theoretical simulation of the process interelectrode space fl ushing during copy-piercing EDM of products made of polymer composite materials................................................ 25 Loginov Yu.N., Shimov G.V., Bushueva N.I. Deformations in the nonstationary stage of aluminum alloy rod extrusion process with a low elongation ratio.............................................................................................. 39 Sundukov S.K. Features of the superposition of ultrasonic vibrations in the welding process........................ 50 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., Martynova T.G., Skeeba V.Yu. On the issue of limiting the irregular motion of a technological machinewithin specifi ed limits.................................................................................................... 67 MATERIAL SCIENCE Burkov A.A., Kulik M.A., Belya A.V., Krutikova V.O. Electrospark deposition of chromium diboride powder on stainless steel AISI 304..................................................................................................................... 78 Gulyashinov P.A., Mishigdorzhiyn U.L., Ulakhanov N.S. Infl uence of boriding and aluminizing processes on the structure and properties of low-carbon steels........................................................................ 91 EDITORIALMATERIALS Guidelines for Writing a Scientifi c Paper ............................................................................................................ 102 Abstract requirements ......................................................................................................................................... 107 Rules for authors ................................................................................................................................................. 111 FOUNDERS MATERIALS 119 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 50 ТЕХНОЛОГИЯ Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки Сергей Сундуков * Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, г. Москва, 125319, Россия https://orcid.org/0000-0003-4393-4471, sergey-lefmo@yandex.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 2 с. 50–66 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-50-66 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 534-8 + 621.9.048.6 + 679.7.027.4 История статьи: Поступила: 25 марта 2022 Рецензирование: 13 мая 2022 Принята к печати: 15 мая 2022 Доступно онлайн: 15 июня 2022 Ключевые слова: Ультразвук Сварка Колебания Кавитация Микроструктура Дендритная ликвация Финансирование: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00185, https://rscf.ru/ project/21-79-00185/ Благодарности: Исследования частично выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов». АННОТАЦИЯ Введение. Основной проблемой получения сварочных соединений является неравномерный нагрев зоны соединения, что приводит к различиям структуры и свойств между металлом шва и основным металлом. Одним из способов интенсификации процесса сварки является применение ультразвуковых колебаний. В результате анализа способов введения ультразвуковых колебаний в ванну расплава для проведения экспериментальных исследований выбран способ наложения колебаний на свариваемые элементы, так как данный способ позволяет оказывать воздействие на протяжении всего сварочного цикла от формирования ванны расплава до полной кристаллизации металла. Методика исследований. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось на пластинах из углеродистой конструкционной стали Ст3 и алюминиевого деформируемого неупрочняемого сплава АМг4. В качестве источника колебаний применялась стержневая магнитострикционная колебательная система, торец которой жестко закреплялся на одной из свариваемых пластин. Для определения мест приложения источника колебаний и зоны сварки предложен метод расчета на основе равенства резонансных частот используемой колебательной системы и собственной частоты свариваемого элемента. Показано, что оптимальными местами для приложения колебаний и проведения сварки будут пучности колебаний, имеющие максимальную амплитуду. Получение швов осуществлялось методом полуавтоматической сварки в среде защитных газов. Результаты и обсуждение. Исследование микроструктуры полученных образцов показало значительное уменьшение доли дендритной ликвации. Изменения структуры являются следствием эффектов, возникающих в жидком расплаве, при введении ультразвуковых колебаний. Основными эффектами являются звуковое давление, кавитация и акустические течения. Возникающие эффекты оказывают влияние на кинетику процесса кристаллизации – увеличивается степень переохлаждения, увеличивается количество образуемых в единицу времени зародышей кристаллизации и уменьшается скорость их роста. Изменения структуры металла шва приводят к повышению качества сварного соединения, у которого снижаются сварочные деформации, увеличивается временное сопротивление и значительно повышается пластичность. Для цитирования: Сундуков С.К. Особенности наложения ультразвуковых колебаний в процессе сварки // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 2. – С. 50–66. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.2-50-66. Введение Сварка является ключевым способом получения неразъемных соединений в различных отраслях машиностроения. Создание прочных связей между атомами или молекулами соединяемых поверхностей с использованием нагрева ______ *Адрес для переписки Сундуков Сергей Константинович, к.т.н., доцент Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ), Ленинградский проспект, 64, 125319, г. Москва, Россия Тел.: 8 (926) 369-19-70, e-mail: sergey-lefmo@yandex.ru или поверхностно-пластического деформирования обеспечивает получение качественного соединения как однородных и разнородных металлов и сплавов, так и их соединения с неметаллическими материалами [1]. Среди существующих видов сварки в настоящее время преобладает применение сварки плавлением. Основной проблемой при проведении данного вида сварки является неравномерный нагрев соединяемых деталей [2]. В результате сварной шов вследствие кристаллизации расплавленных и перемешанных основного и
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 51 TECHNOLOGY присадочного металла имеет литую структуру, вблизи границы сплавления находится зона частичного оплавления основного металла, далее следует зона термического влияния, которая характеризуется изменением структуры под влиянием температур, возникающих по мере удаления от зоны сварки [3]. Из-за различия структур переходы между рассмотренными зонами сопровождаются изменениями механических свойств, что особенно резко выражено при переходе через границу сплавления, которая в связи с этим является слабым местом сварного соединения. Наряду с неравномерностью структуры проблемами сварки являются остаточные напряжения, сварочные деформации и возникновение пористости шва [4–7]. На данный момент для борьбы с рассмотренными недостатками применяются различные методы, которые можно классифицировать на применяющиеся в процессе проведения сварки и после нее. К методам, применяемым в процессе сварки, относятся уравновешивание деформаций за счет рациональной последовательности наложения швов, создание обратных деформаций, жесткое закрепление свариваемых элементов. Методы, применяемые после сварки, это термообработка сварного шва, механическая правка конструкций, термическая правка, поверхностно-пластическое деформирование (ППД) [8]. Одним из эффективных способов минимизации последствий от указанных недостатков также является вибрационная обработка металла, находящегося в расплавленном состоянии [9, 10]. Данный способ воздействия, применительно к кристаллизующемуся металлу, был впервые предложен еще в 1950 году Д.К. Черновым для улучшения структуры слитков после литья. В результате вибраций повышается однородность слитков за счет диспергирования растущих дендритов [11, 12]. Для обеспечения эффективного воздействия на формирование структуры сварного шва, кристаллизация которого в разы быстрее, целесообразно применять высокочастотные вибрации ультразвуковой частоты, что позволит оказывать значительное воздействие за ограниченный временной интервал. Существуют следующие способы применения ультразвуковых колебаний в процессе сварки: – наложение колебаний на электрод [13]; – наложение колебаний на неплавящийся электрод [14]; – передача колебаний на корпус газовой горелки [15]; – сообщение колебаний свариваемым элементам конструкции [16]; – использование дуги как источника ультразвукового излучения [17]. Результаты исследований, проводимых по данным способам, фиксируют положительное влияние на процесс сварки и структуру шва. В частности, в зависимости от метода может увеличиваться глубина проплавления основного металла, снижаться пористость шва, улучшаться условия переноса капель расплавленного металла от электрода к детали, измельчаться микроструктура шва, снижаться доля дендритной ликвации в металле шва, повышение механических свойств [18–22]. Подробнее результаты можно найти в обзорных работах по данной тематике [23, 24]. Влияние ультразвуковой обработки на формирование структуры кристаллизующегося металла шва имеет явный положительный эффект. Тем не менее данные технологии в настоящее время не нашли широкого применения в сварочных процессах по сравнению, например, с ультразвуковым ППД, который применяется для постобработки сварных швов [25–27]. Это можно объяснить рядом причин. 1. Необходимость использования дополнительного оборудования – ультразвукового генератора и колебательной системы. 2. Сложность организации процесса, связанная с согласованием режимов сварки и акустикотехнологических параметров ультразвукового воздействия. 3. Предпочтительно использование более сложных и крупногабаритных магнитострикционных преобразователей, требующих принудительного охлаждения, так как пьезокерамические теряют эффективность при высоких температурах. 4. Повышение энергетических затрат на проведение сварочного процесса. Несмотря на возникающие сложности, возможности применения ультразвуковых колеба-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 52 ТЕХНОЛОГИЯ ний обусловливают интерес к развитию данных технологий. В данной работе приведены результаты исследований по наложению ультразвуковых колебаний на свариваемые элементы, выбору места приложения источника колебаний и зоны проведения сварки. Методика исследований Материалы Для проведения исследований выбраны материалы, широко применяющиеся в сварочном производстве: углеродистая конструкционная сталь обыкновенного качеств Ст3 и деформируемый термически неупрочняемый алюминиевомагниевый сплав АМг4. Пластины для сварки вырезались из листовой заготовки толщиной 4 мм. В качестве присадочного материала применялись сварочные проволоки, подходящие для сварки выбранных материалов: для Ст3 – проволока Св08Х2ГС, для АМг4 – проволока ER5356. Диаметр проволок составлял 0,8 мм. Химические составы материалов и проволок приведены в табл. 1 и 2. Экспериментальная схема и оборудование Исследования проводились в два этапа по схеме, представленной на рис. 1. Первый этап заключался в наплавке шва на пластины толщиной 4 мм и шириной 30 мм и последующем определении изменений в структуре зоны сварки. На втором этапе производилась сварка двух пластин и проводились испытания соединения на растяжение. Длина пластин определялась на основе распределения по ним колебаний (рассмотрено ниже). Для возбуждения колебаний в зоне сварки к пластине 1 через резьбовое соединение 4 присоединялась ультразвуковая стержневая колебательная система, состоящая из магнитострикционного преобразователя 6 и волновода 5, выполненного из титанового сплава. Диаметр Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав сплава АМг4 и проволоки ER5356, масс. % Chemical composition of AMg4 alloy and ER5356 wire, mass. % Сплав АМг4 Fe Si Mn Cr Ti Cu Be Mg Zn Al <0,4 <0,4 0,5...0,8 0,05...0,25 0,02...0,1 <0,05 0,0002...0,005 3,8...4,8 <0,2 Остальное Сварочная проволока ER5356 <0,1 <0,25 0,55 0,12 0,12 – – 5,0 – Остальное Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Химический состав стали Ст3 и проволоки Св08Х2ГС, масс. % Chemical composition of steel St3 and wire Sv08Kh2GS, mass. % Сталь Ст3 C Si Mn Ni Cr Cu S P As Fe 0,14...0,22 0,15...0,3 0,4...0,65 <0,3 <0,3 <0,3 <0,05 <0,04 <0,08 Остальное Сварочная проволока Св08Х2ГС <0,1 0,6...0,85 1,4...1,7 <0,025 1,8...2,2 <0,025 <0,015 <0,013 – Остальное
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 53 TECHNOLOGY Рис. 1. Схема проведения эксперимента: 1 – пластина; 2 – сварной шов; 3 – газовая горелка; 4 – болт; 5 – волновод; 6 – магнитострикционный преобразователь Fig. 1. Design of experiment: 1 – plate; 2 – weld; 3 – welding torch; 4 – bolt; 5 – waveguide; 6 – magnetostrictive transducer волновода соответствует ширине пластины и составляет 30 мм. Для питания колебательной системы использовался ультразвуковой генератор УЗГ 2,0/22 с функциями автоматической подстройки частоты и амплитуды. Данные функции позволяют поддерживать стабильный режим колебаний в условиях повышения температуры и изменения объема пластины, возникающих при сварке. Перед началом сварки поверхность пластины обрабатывалась дисковой металлической щеткой и обезжиривалась. Далее включался ультразвук и производилась сварка. Выключение ультразвука осуществлялось при остывании сварного соединения до 100 С, чтобы все фазовые превращения происходили под действием колебаний. Получение сварного шва производилось методом полуавтоматической сварки в среде защитных газов. В табл. 3 приведены оборудование и режимы сварки для Ст3 и АМг4. Одним из самых важных моментов при проведении сварки с наложением колебаний является определение места их приложения к пластине и места сварки, в котором должно обеспечиваться стабильное ультразвуковое воздействие. Методика определения места приложения колебаний и наложения шва на примере АМг4 В применяемой схеме наложения ультразвуковых колебаний при нормально ориентированном расположении колебательной системы к свариваемой пластине она является излучателем изгибных колебаний. С точки зрения технологического применения оптимальным местом приложения колебаний будет являться одна из пучностей собственных колебаний пластины. Тогда задача сводится к согласованию резонансных частот колебательной системы и пластины. Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Оборудование и режимы сварки Equipment and welding modes Параметры сварки Материал Ст3 АМг4 Тип сварочного аппарата MIG 235 MIG 215AL PULSE Сила сварочного тока, Iсв, А 60 125 Полярность Обратная Обратная Напряжение, Uсв, В 28 22 Скорость подачи проволоки, Vпр, м/мин 1,9 15,2 Защитный газ Углекислый газ Аргон Расход защитного газа, л/мин 8 17,5 Время наплавки, с 12 2
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 54 ТЕХНОЛОГИЯ Так как при проведении исследований используется серийная ультразвуковая колебательная система, имеющая определенную резонансную частоту f, то расчет произведем исходя из необходимости обеспечения равной резонансной частоты пластины fп. Амплитудно-частотная характеристика колебательной системы (рис. 2) снималась на торце волновода индикатором часового типа. Резонансная частота составляет f = 21 800 Гц. Дифференциальное уравнение изгибных колебаний пластины имеет вид [28] 2 2 4 2 0 0 4 2 2 2 0, m m m d d dx c c dx где m – амплитуда колебаний; 0 – круговая частота собственных колебаний; x – координата пластины в продольном направлении; с – скорость распространения продольных колебаний; – радиус инерции поперечного сечения, / , I S где I – момент инерции относительно оси, перпендикулярной плоскости колебаний; S – площадь поперечного сечения. Для используемой пластины прямоугольного сечения (30×4 мм): 3 / 0, 0012. 12 bh bh При соблюдении условия 2 2 0, 05 l (для рассматриваемого случая 0,0006) можно пренебречь Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика ПМС-2,0-22 Fig. 2. Amplitude-frequency characteristic PMS-2.0-22 инерцией вращения, тогда уравнение установившихся колебаний принимает следующий вид: 2 4 0 4 2 0. m m d dx c Решение данного уравнения получено А.Н. Крыловым (1936 г.): 1 2 3 4 , m x x x x C A C B C C C D где C1, C2, C3, C4 – постоянные интегрирования, которые определяются из граничных условий: ch( ) cos( ) / 2; x A kx kx sh( ) sin( ) / 2; x B kx kx ch( ) cos( ) / 2; x C kx kx sh( ) sin( ) / 2. x D kx kx Для определения постоянных необходимо использовать выражения для производных: 1 2 3 4 ( ), m x x x x k C D C A C B C C 2 1 2 3 4 ( ), m x x x x k C C C D C A C B 3 1 2 3 4 ( ). m x x x x k C B C C C D C A Здесь коэффициент k – волновой множитель, зависящий от свойств материала и частоты колебаний: 2 4 , m k EI (1) где E – модуль Юнга материала волновода (для АМг4 E=71 ГПа); m – масса волновода на единицу длины (для рассматриваемого случая m = = bhlρ = 0,03 · 0,004 · 1 · 2670 = 0,320 кг/м), круговая частота ï 2 f , где ï f – резонансная частота собственных колебаний пластины. Для определения характера распространения колебаний в зависимости от условий закрепления пластины воспользуемся алгоритмом, описанным Б.В. Булгаковым (1954 г). По данному алгоритму граничные условия записываются в развернутом виде, что приводит к однородным уравнениям относительно постоянных. Для того чтобы постоянные не равнялись нулю, нужно, чтобы определитель, составленный из коэффициентов системы уравнений, был равен нулю. Расчетная схема показана на рис. 3. Необходимо выбрать место приложения ультразвуковых колебаний x, чтобы в зоне сварки lсв
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 2 2022 55 TECHNOLOGY Рис. 3. Схема расчета изгибных колебаний: lп – длина пластины; x – место приложения ультразвуковых колебаний; lсв – место наложения шва Fig. 3. Scheme for calculating bending vibrations: lp is the length of the plate; x is the place of ultrasonic vibrations application; lweld is the place where the weld is applied был максимум амплитуды колебаний. Для данных условий закрепления (свободные концы пластины с двух сторон): для lуз = 0 и для lуз = lп: 0 m и 0 m , постоянные С3 = 0 и С4 = 0. Подставляя данные значения в решение уравнения колебаний, получим частотное уравнение: ï ï ch( ) cos( ) 1. kl kl Корни данного уравнения: ï / 2, kl n (2) где n = 1, 2, 3... Выразим из уравнения (2) коэффициент k и приравняем к уравнению (1): 2 4 ï / 2 . n m l EI С учетом того, что ï 2 f , получим выражение для определения длины пластины в зависимости от частоты колебаний: ï 2 ï 4 / 2 . 2 n l m f EI (3) Произведем расчет из условия ï Ãö f 21 800 при различном значении n. Расчетные значения занесем в табл. 4. Таким образом, размер пластины, обеспечивающий колебания на резонансной частоте 21 800 Гц, соответствует 7-й моде колебаний и составляет 155 мм (данный размер выбран для проведения исследований). Т а б л и ц а 4 Ta b l e 4 Зависимость резонансной длины пластины от n при частоте 21 800 Гц Dependence of the resonant length of the plate on n at frequency of 21 800 Hz n 1 2 3 4 5 6 7 8 lп 0,031 0,052 0,072 0,093 0,114 0,134 0,155 0,176 k 151,6 Коэффициент k позволяет связать частоту и скорость распространения изгибных колебаний è c : è , k c где è 2 904, 5 c f c м/с, E c – стержневая скорость продольных колебаний (для АМг4 5157 м/с). Зная скорость и частоту, можно найти длину изгибной волны: è è ï 41, 3 c f мм. (4) Таким образом, при сообщении ультразвуковых колебаний в длину пластины укладывается ï è / l l = 3,75 изгибных волны. Учитывая, что края пластины свободны и на них не может быть нуля колебаний, построим график распределения колебаний по пластине (рис. 4).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 2 2022 56 ТЕХНОЛОГИЯ Рис. 4. Распределение колебаний по свариваемой пластине Fig. 4. Distribution of vibrations over the welded plate Узлы колебаний, где амплитуда равна нулю, располагаются на расстоянии длины полуволны со смещением на одну восьмую длины волны x1 = (и/2)i + и/8 (i = 0, 1, 2…), а пучности колебаний с максимальной амплитудой на расстоянии четверти волны от узлов x2 = (и/2)i + + и/8 – и/4. Места расположения сварочного шва и приложения ультразвуковых колебаний должны выбираться в соответствии с расстоянием x2. Таким образом, для проведения экспериментальных исследований торец колебательной системы закреплялся на расстоянии 7/8и, что соответствует 36 мм, а место наложения шва 15/8и, что соответствует 77,5 мм, и находится посередине пластины. В результате аналогичных расчетов для стали Ст3 выбрана длина пластины 130 мм, место закрепления колебательной системы 30 мм, место наложения шва 65 мм. При проведении второй стадии исследований – сварки двух пластин и определении механических свойств соединения использовались такие же размеры. Пластина разрезалась посередине, далее части пластины подваривались по краям таким образом, что между пластинами оставалось расстояние 0,5 мм, разделка кромок не осуществлялась. При такой подготовке образцов передача колебаний ко второй пластине осуществляется через сварочные точки по краям и характер распределения колебаний при этом не изменяется. Время сварки составляло: для АМг4 – 3,5 с, для Ст3 – 16 с. Определение структуры и свойств После проведения наплавки из пластин вырезались образцы для дальнейшего исследования поверхности. Выборка образцов осуществлялась так, что исследуемой поверхностью являлось поперечное сечение, находящееся в середине шва. У полученных образцов исследовались микро- и субмикроструктура. Подготовка образцов для анализа заключалась в заливке их протакрилом, после остывания которого подготавливались шлифы. Микроструктура изучалась на металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ-22 (АО «ЛОМО», Санкт-Петербург). После сварки двух пластин у полученных соединений измерялся прогиб, вызванный усадкой металла. Далее соединения, соответствующие по размеру образцам типа XII в соответствии с ГОСТ 6996–66, испытывались на растяжение. Для измерения прогиба использовался контурограф модели 220 (АО «Протон», Зеленоград), предназначенный для измерения геометрических параметров изделий различной формы. Действие прибора основано на принципе ощупывания неровностей измеряемой поверхности щупом с индуктивным датчиком путем перемещения щупа по измеряемой поверхности и последующего преобразования возникающих при этом механических колебаний щупа в цифровой сигнал. Далее необходимые измерения осуществляются в программе обработки профиля поверхности.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1