Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27
Разработана технология сварки в вакууме дисперсно-упрочненного композитного материала АМг5+23%SiC. Установлено, что при сварке в формирующей матрице с циклическим приложением давления промежуточная прослойка из алюминия технической чистоты насыщается магнием и марганцем, происходит упрочнение просло...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99415 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 / Г.К. Харченко, А.Я. Ищенко, Ю.В. Фальченко, А.Н. Муравейник, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859808149890924544 |
|---|---|
| author | Харченко, Г.К. Ищенко, А.Я. Фальченко, Ю.В. Муравейник, А.Н. Гордань, Г.Н. |
| author_facet | Харченко, Г.К. Ищенко, А.Я. Фальченко, Ю.В. Муравейник, А.Н. Гордань, Г.Н. |
| citation_txt | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 / Г.К. Харченко, А.Я. Ищенко, Ю.В. Фальченко, А.Н. Муравейник, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Разработана технология сварки в вакууме дисперсно-упрочненного композитного материала АМг5+23%SiC. Установлено, что при сварке в формирующей матрице с циклическим приложением давления промежуточная прослойка из алюминия технической чистоты насыщается магнием и марганцем, происходит упрочнение прослойки и повышение прочности на срез сварных соединений.
The technology was developed for vacuum welding of precipitation-hardened composite material AMg5 + 23 % SiC. It was established that the interlayer of commercial-purity aluminium is saturated with magnesium and manganese, the interlayer is hardened, and shear strength of the welded joints grows during welding in the forming matrix with a cyclic application of pressure.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:17:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.4
СВАРКА ДАВЛЕНИЕМ КОМПОЗИТА АМг5+23% SiC
Г. К. ХАРЧЕНКО, д-р техн. наук, чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО, Ю. В. ФАЛЬЧЕНКО, канд. техн. наук,
А. Н. МУРАВЕЙНИК, инж., Г. Н. ГОРДАНЬ, канд. техн. наук
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Разработана технология сварки в вакууме дисперсно-упрочненного композиционного материала АМг5+23%SiC.
Установлено, что при сварке в формирующей матрице с циклическим приложением давления промежуточная
прослойка из алюминия технической чистоты насыщается магнием и марганцем, происходит упрочнение прослойки
и повышение прочности на срез сварных соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка давлением, сварные соеди-
нения, композит, алюминиево-магниевый сплав, упроч-
няющая фаза, прочность соединений, формирующие уст-
ройства, сублимация
В работах [1–4] установлено, что при сварке дав-
лением в твердой фазе композиционных матери-
алов (КМ), имеющих матрицу на алюминиевой
основе, образование качественного сварного со-
единения зависит от содержания магния в ком-
позите и в промежуточной прослойке. В работе
[1] сделано предположение, что магний при диф-
фузионной сварке диффундирует из композита
(Al–Mg–Cu) к стыкуемым поверхностям и взаи-
модействует с оксидом алюминия, что приводит
к разрушению пленки оксида алюминия (рис. 1).
Согласно работе [1] магний, находящийся в ком-
позите, реагирует с оксидом алюминия по сле-
дующей реакции:
Al2O3 + 3Mg = 3MgO + 2Al, (1)
4Al2O3 + 3Mg = 3MgAl2O4 + 2Al. (2)
Подобный механизм взаимодействия магния с
алюминием при диффузионной сварке задолго до
работы [1] был предложен в работе [5]. Он зак-
лючается в том, что в процессе нагрева (без при-
ложения давления) магний сублимирует и оседает
на поверхности алюминия. Процесс сублимации
определяется глубиной вакуума, временем нагре-
ва и температурой. Затем происходит взаимодейс-
твие оксида алюминия с магнием и образуется
шпинель MgAl2O4, через которую атомы алюми-
ния диффундируют быстрее, чем атомы магния
(диаметр атома алюминия меньше диаметра атома
магния).
Прочность соединений композитов группы Al–C
с прослойками из сплавов Al–Mg оценивали ис-
пытаниями на срез [2, 4]. Установлено, что с уве-
личением содержания магния в прослойке от 0,95
до 6 % прочность на срез сварного соединения
возрастает. Авторы работы [2, 4] объясняют уве-
личение прочности тем, что магний, вероятно, свя-
зывает частицы графита в стойкие соединения в
виде карбидов, которые не блокируют процесс
массопереноса в зоне контакта.
Авторами статьи представляется другой меха-
низм влияния содержания магния в металле прос-
лойки на показатели прочности на срез. Известно,
что участок соединения в виде промежуточной
прослойки, металл которой имеет предел теку-
чести меньше, чем металл соседних участков, при-
нято называть мягкими прослойками. Роль пос-
ледних в сварных соединениях композитов вы-
полняют прослойки из технического алюминия и
его сплавов с магнием. В работах О. А. Бакши
[6] показано, что при сдвиге в отличие от рас-
тяжения пластические деформации в мягких прос-
лойках не сдерживаются более прочными частями
соединения, поэтому контактное упрочнение в
них не наблюдается. Таким образом, увеличение
показателей прочности соединений композитов с
прослойками из сплавов алюминия с магнием при
испытаниях на сдвиг обусловлено снижением пре-
© Г. К. Харченко, А. Я. Ищенко, Ю. В. Фальченко, А. Н. Муравейник, Г. Н. Гордань, 2007
Рис. 1. Схемы стадий образования сварного соединения [1]:
а — физический контакт; б — диффузия магния к соединяе-
мым поверхностям; в — взаимодействие магния с оксидом
алюминия; г — металлическая связь
6/2005 27
дела текучести материала прослоек, в которых по-
вышается содержание магния.
Анализ известных публикаций по изучению
свариваемости в твердой фазе дисперсно-упроч-
ненных КМ на алюминиевой основе, содержащих
частицы кремния [1] или углерода [2–4], позволяет
сделать вывод о влиянии магния на сваривае-
мость, т. е. для повышения качества сварных со-
единений следует ускорить процессы его массо-
переноса.
В работе [7] показано, что циклическое воз-
действие давления при сварке в твердом состо-
янии вызывает непрерывное восстановление вы-
сокой скорости пластической деформации соеди-
няемых металлов, инициирует развитие физичес-
кого контакта, повышает количество активных
центров и уменьшает энергию активации обра-
зования химических (металлических) связей, что
в совокупности обусловливает увеличение скорос-
ти химического взаимодействия (возрастание
прочности).
В работе [8] установлено, что циклическое воз-
действие давления приводит к увеличению под-
вижности атомов в металле на несколько поряд-
ков. Причем температура нагружения в этих ус-
ловиях не является доминирующим фактором. По-
казано, что в условиях циклического воздействия
массоперенос происходит по межузельному ме-
ханизму миграции атомов, а подвижность атомов
уменьшается с увеличением их размеров.
Следует отметить, что в литературе нет све-
дений об изменении химического состава прос-
лойки в процессе деформации, а также возмож-
ности уравнивания в процессе сварки давлением
химического состава исходной прослойки из чис-
того алюминия с химическим составом матрицы
композита. Это и послужило целью представлен-
ных ниже исследований.
Исследования проводили на КМ на основе
сплава алюминия АМг5 с 23%-й упрочняющей
фазой SiC, который был изготовлен литейным
способом — замешиванием керамических частиц
SiC в расплав материала матрицы с последующим
прессованием. В исходном состоянии структура
композита представлена α-твердым раствором
алюминия, светлыми включениями интерметалли-
дов Al3Mg2; Al6(FeMn); Mg2Si, и др., присущих
матричному алюминиевому сплаву, и частицам
карбида кремния. Упрочняющие частицы SiC раз-
мером 6…20 мкм достаточно равномерно распре-
делены в объеме матрицы, они имеют угловатую
форму и межчастичное расстояние 3…25 мкм.
Твердость КМ в исходном состоянии составляет
HRB 94…95, химический состав матричного спла-
ва композита приведен в таблице.
Сравнительный анализ свариваемости компо-
зита проводили методом диффузионной сварки в
вакууме (ДСВ) при циклическом приложении дав-
ления в условиях свободной деформации или с
принудительным деформированием зоны контак-
та при использовании формирующих устройств.
Образцы КМ размером 15 15 6 мм сваривали
без прослойки и с применением промежуточной
прослойки из алюминия технической чистоты
АД1 (таблица) толщиной 0,15 мм (данная толщина
прослойки определена как оптимальная в ранее
проведенных авторами исследованиях по свари-
ваемости КМ [3]).
ДСВ проводили при температуре T = 560 °С,
времени сварки t = 15…20 мин, давлении осадки
P = 0,9…1,2 МПа, вакууме в рабочей камере B =
= 1,33⋅10–3 Па. Применяли пять циклов нагруже-
ния при средней продолжительности одного цикла
3 мин. Степень пластической деформации образ-
цов задавали на уровне ε = 40 %. Общее время
процесса сварки (нагрев до температуры сварки
до 60 мин, выдержка под давлением 15…20 мин,
охлаждение изделия) составляло порядка 2,5…3 ч.
Подготовка образцов под сварку заключалась
в снятии напильником нагартованного поверхнос-
тного слоя толщиной порядка 0,2…0,3 мм и за-
чистки шабером. Из основного материала и свар-
ных соединений изготавливали образцы для ме-
ханических испытаний и шлифы для изучения
микроструктуры, исследования которой проводи-
ли на металлографических шлифах в нетравленом
состоянии, после химического травления и элек-
тролитического полирования в уксусно-хлорном
электролите. Химическое травление образцов про-
водили в растворе реактива «Келлера» или в 5%-м
растворе плавиковой кислоты. Исследования мик-
роструктуры выполняли на микроскопах МИМ-8,
«Neophot-32», сканирующем электронном мик-
роскопе GSM-840. Микротвердость образцов
измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при наг-
рузке 0,2 H. Элементный состав определяли на
рентгеновском микроанализаторе CAMEBAX.
Образцы исходного КМ и сварные соединения ис-
пытывали на срез.
Оценку содержания магния на свариваемых
поверхностях КМ и в промежуточной прослойке
после их нагрева перед сваркой (560 °С в течение
30 мин с минимальным давлением, достаточным
только для схватывания по отдельным микровыс-
Химический состав алюминиевого сплава (матрица композита) и промежуточной прослойки, %
Сплав Cu Mg Mn Si Fe Ti Zn Al
АМг5 0,10 4,8...5,8 0,3...0,8 0,5 0,5 0,02...0,1 0,2 Остальное
АД1 0,05 0,05 0,025 0,3 0,3 0,15 0,1 99,3
28 6/2005
тупам) проводили методом растровой микрос-
копии. После нагрева полученные соединения раз-
рушали по линии контакта. На поверхности алю-
миниевой прослойки выявлена повышенная кон-
центрация магния (до 1,6 %).
Таким образом, полученные данные свидетель-
ствуют о том, что на стадии предварительного
нагрева перед приложением сварочного давления
в стыке происходит диффузия магния к сварива-
емым поверхностям, разрушение оксидной пленки
на композите, сублимация магния и его осаждение
на алюминиевой прослойке, т. е. создаются ус-
ловия для восстановления магнием пленки окси-
дов на композите и промежуточной прослойке из
алюминия технической чистоты АД1.
Металлографические исследования сварных
соединений показали, что при непосредственной
сварке КМ с КМ армирующие частицы, интер-
металлиды матрицы, оксиды концентрируются по
линии соединения (ЛС). Особенно четко она вы-
является в местах скопления армирующих частиц
(рис. 2, а), где наблюдаются поры и несплошнос-
ти. Прочность соединений на срез составляет
σср = 9 МПа, что объясняется большой жест-
костью композита и малой пластичностью при-
контактных слоев материала, поэтому в дальней-
шем применяли промежуточную прослойку из
алюминия.
В сварных соединениях КМ, полученных ДСВ
в условиях свободной деформации, в стыке между
прослойкой и матричным алюминием скопления ар-
мирующих частиц не наблюдается (рис. 2, б). Тол-
щина алюминиевой прослойки в процессе сварки
уменьшается со 150 до 100…120 мкм. Микротвер-
дость алюминиевой прослойки составляет 650 МПа.
Оптической микроскопией установлено, что харак-
тер распределения армирующих частиц в зоне свар-
ки не изменяется. Прочность соединений на срез
составляет 20…30 МПа. Разрушение сварных сое-
динений происходит по шву.
Свариваемость КМ с прослойкой АД1 изучали
при циклическом приложении давления и с ис-
пользованием формирующего устройства для ло-
кализации пластической деформации непосредс-
твенно на прослойке и обеспечения в стыке нап-
равленного течения приконтактных слоев металла.
Дефекты в зоне контакта в сварном соединении не
выявлены. Степень деформации прослойки состав-
ляет 46…60 %. Толщина слоя алюминия изменяется
от 80 мкм в центральной части образца до 60 мкм
по его краям, т. е. по краям сварного соединения
прослойка тоньше, чем в его центральной части. Об-
наруженные особенности связаны с тем, что на пе-
риферии стыка более интенсивно действуют сдви-
говые деформации. Микротвердость алюминиевой
прослойки в зоне соединения составляет 750 МПа,
прочность соединений σср = 124…132 МПа, раз-
рушение происходит по основному металлу. Од-
ной из главных отличительных особенностей
сварных соединений, полученных в формирую-
щей матрице, является наличие грата, в который
при сварке вовлекается не только мягкая прос-
лойка, но и прилегающие к ней слои КМ, что
способствует более интенсивному разрушению
оксидной пленки на свариваемых поверхностях.
Микрорентгеноспектральным анализом уста-
новлено, что при сварке в формирующих устройс-
твах происходит насыщение промежуточной
прослойки из АД1 марганцем примерно до 0,1 и
магнием до 3 %. Сравнив исходный химический
состав (см. таблицу) прослойки из алюминия тех-
нической чистоты АД1 и ее состав после сварки
в формирующих устройствах (рис. 3), можно зак-
лючить, что после сварки содержание магния в
прослойке возросло до 60, а марганца — до 4
раз. Таким образом, в стыке исходная промежу-
точная прослойка из АД1 в процессе сварки тран-
сформируется в сплав алюминия Al–Mg, который
имеет более высокие показатели прочности и
более низкие показатели пластичности, чем АД1.
Такое изменение механических свойств промежу-
точной прослойки обусловливает увеличение по-
казателей прочности при испытаниях сварных со-
единений на срез. Если при сварке в свободном
Рис. 2. Микроструктура сварных сое-
динений ( 400), полученных ДСВ без
промежуточной прослойки (а) и с
прослойкой (б)
6/2005 29
состоянии прочность соединения на срез состав-
ляла 20…30, то при сварке с использованием фор-
мирующих устройств прочность соединения со-
ответствует прочности композита — 120…130
МПа, т. е. возрастает до шести раз.
В заключение следует отметить, что разрабо-
танная технология ДСВ композита АМг5 + 23 %
SiC позволяет повысить прочность на срез сварных
соединений до уровня прочности композита бла-
годаря использованию формирующих устройств и
циклического приложения давления сварки, а так-
же упрочнению промежуточной прослойки из
алюминия технической чистоты АД1 в результате
диффузии магния и марганца из матрицы ком-
позита.
1. Bushby R. S., Scott V. D. Joining of particulate silicon carbi-
de reinforced 2124 aluminium alloy by diffusion bonding //
Mat. Sci. and Tech. — 1995. — 11, № 8. — P. 753–758.
2. Сварка дисперсноупрочненного материала Al+4%C /
В. Р. Рябов, Г. К. Харченко, В. П. Гуриенко и др. // Авто-
мат. сварка. — 1996. — № 1. — С. 59–61.
3. Особенности формирования структуры сварных соеди-
нений дисперсно-упрочненного композита Al+4%C при
диффузионной сварке / В. Р. Рябов, А. Н. Муравейник,
Г. К. Харченко, Ю. В. Фальченко // Там же. — 2003. —
№ 12. — С. 7–10.
4. Болотов Г. П., Ганеев Т. Р. Дифузійне зварювання дис-
перснозміцнених композиційних матеріалів групи Al–C
// Вісн. Черніг. держ. техн. ун-ту. Сер. Технічні науки. —
2004. — № 21. — С. 107–110.
5. Диффузионная сварка магния с алюминием в вакууме /
И. Г. Корсунская, А. Н. Люличев, Г. И. Максименко //
Свар. пр-во. — 1970. — №7. — С. 19–21.
6. Бакши О. А. Механическая неоднородность сварных сое-
динений. Ч. 1. — Челябинск: Челяб. политехн. ин-т,
1981. — 56 с.
7. Абрамов В. В., Каракозов Э. С., Петров В. А. Кинетика
образования соединения при сварке в твердом состоянии
статическим и циклическим нагружением с подогревом
// Физика и химия обработки материалов. — 1970. —
№4. — С. 107–113.
8. Массоперенос и фазообразование в металлах при им-
пульсных воздействиях / В. М. Миронов, В. Ф. Мазанко,
Д. С. Герцрикен, А. В. Филатов. — Изд-во Самар. ун-та,
2001. — 231 с.
The technology was developed for vacuum welding of precipitation-hardened composite material AMg5 + 23 % SiC. It
was established that the interlayer of commercial-purity aluminium is saturated with magnesium and manganese, the
interlayer is hardened, and shear strength of the welded joints grows during welding in the forming matrix with a cyclic
application of pressure.
Поступила в редакцию 30.06.2006
Рис. 3. Характер распределения магния в переходной зоне
сварных соединений КМ при ДСВ в формирующих устройс-
твах
Лясоцкая В. С. Термическая обработка сварных соединений титановых сплавов.
— М.: Экомет, 2003. — 352 с.
Рассмотрены фазовые превращения, протекающие при сварочном цикле
и термической обработке в титановых сплавах, структура и свойства свар-
ных титановых соединений, выполненных сваркой плавлением, влияние
примесей на их свойства. Описаны традиционные виды термической об-
работки, включающие отжиг, закалку и старение, применяемые для сварных
соединений титановых сплавов разных структурных классов. Большое вни-
мание уделено новым видам термической обработки, в частности, термо-
циклической, термоводородной, локальной обработке с применением кон-
центрированных источников нагрева (электронным и световым лучом, ТВЧ).
Даны практические рекомендации по технологии термической обработки
разных сварных конструкций из титановых сплавов.
Предназначена для сварщиков, металловедов, инженерно-технических
работников, занимающихся исследованием титановых сплавов и их сварных
соединений.
Справки по телефонам: (095) 699-97-85, 699-96-23, (095) 251-64-95
Факс: (095) 755-90-40, (095) 251-64-95 E-mail: intermet@aha.ru
ПОЛЕЗНАЯ КНИГА
30 6/2005
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-99415 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:17:35Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Харченко, Г.К. Ищенко, А.Я. Фальченко, Ю.В. Муравейник, А.Н. Гордань, Г.Н. 2016-04-28T15:53:07Z 2016-04-28T15:53:07Z 2007 Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 / Г.К. Харченко, А.Я. Ищенко, Ю.В. Фальченко, А.Н. Муравейник, Г.Н. Гордань // Автоматическая сварка. — 2007. — № 6 (650). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99415 621.791.4 Разработана технология сварки в вакууме дисперсно-упрочненного композитного материала АМг5+23%SiC. Установлено, что при сварке в формирующей матрице с циклическим приложением давления промежуточная прослойка из алюминия технической чистоты насыщается магнием и марганцем, происходит упрочнение прослойки и повышение прочности на срез сварных соединений. The technology was developed for vacuum welding of precipitation-hardened composite material AMg5 + 23 % SiC. It was established that the interlayer of commercial-purity aluminium is saturated with magnesium and manganese, the interlayer is hardened, and shear strength of the welded joints grows during welding in the forming matrix with a cyclic application of pressure. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 Pressure welding of composite AMg5+23% SiC Article published earlier |
| spellingShingle | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 Харченко, Г.К. Ищенко, А.Я. Фальченко, Ю.В. Муравейник, А.Н. Гордань, Г.Н. Научно-технический раздел |
| title | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 |
| title_alt | Pressure welding of composite AMg5+23% SiC |
| title_full | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 |
| title_fullStr | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 |
| title_full_unstemmed | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 |
| title_short | Сварка давлением композита АМг5+23% SiC 27 |
| title_sort | сварка давлением композита амг5+23% sic 27 |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/99415 |
| work_keys_str_mv | AT harčenkogk svarkadavleniemkompozitaamg523sic27 AT iŝenkoaâ svarkadavleniemkompozitaamg523sic27 AT falʹčenkoûv svarkadavleniemkompozitaamg523sic27 AT muraveinikan svarkadavleniemkompozitaamg523sic27 AT gordanʹgn svarkadavleniemkompozitaamg523sic27 AT harčenkogk pressureweldingofcompositeamg523sic AT iŝenkoaâ pressureweldingofcompositeamg523sic AT falʹčenkoûv pressureweldingofcompositeamg523sic AT muraveinikan pressureweldingofcompositeamg523sic AT gordanʹgn pressureweldingofcompositeamg523sic |