Контактная точечная сварка композиционного материала КАС1А

В настоящее время в конструкциях авиационной техники осваивается композиционный материал (КМ) КАС1А, у которого матрицей служит фольга толщиной 0,15…0,2 мм из сплава АВ, а наполнителем - проволока ВНС9 диаметром 0,015 мм. Объемное содержание волокон проволоки в матрице составляет 28…30%. Широкое распространение получили соединения типа "полотно-ребро жесткости", где КАС1А используется в виде накладок, оптимальным методом выполнения которых является контактная точечная сварка. Высокая жесткость, малый коэффициент линейного расширения, неоднородность состава и слоистость структуры обусловили специфику формирования соединения при точечной сварке в сравнении с однородными алюминиевыми сплавами. Трудность заключается в том, что упрочняющие стальные волокна КМ препятствуют образованию непрерывной металлической связи в ядре точки из-за отсутствия совместной кристаллизации и взаимного растворения расплавленной матрицы и волокон.

Свариваемость и свойства сварных соединений КАС1А, а также сочетания КАС1А+Д16Т изучались на образцах размерами 20×100 мм, изготовленных из листового материала толщиной 1 мм в упроченном состоянии. Образцы из КАС1А вырезали на электроискровой установке. Сварка приводилась на конденсаторной машине МТК 8004. Величина нахлестки составляла не менее 20 мм. Поверхность перед сваркой была зачищена металлической щеткой и обезжирена ацетоном. Контроль качества сварных соединений выполняли по технологической пробе с разрушением, макро- и микрошлифам.

Свариваемость любого сплава при контактной сварке определяется, главным образом, его деформационной способностью и реакцией на термический цикл. Деформационная способность КАС1А ниже, чем однородных алюминиевых сплавов. Это требует повышенного усилия сжатия при сварке, однако при этом можно раздавить алюминиевую матрицу и выдавить волокла. Вследствие незначительной пластической деформации из-за жесткого каркаса волокон проволоки КАС1А не склонен к образованию трещин в ядре сварной точки, поэтому ковочное усилие можно применять только для снижения остаточных деформаций в сварных конструкциях. Кроме того, жесткость волокон крайне затрудняет деформацию деталей и приводит к тому, что контактные площадки "деталь-деталь" и "электрод-деталь" имеют эллипсную форму без четко очерченных форм. В случае сварки КАС1А+Д16Т со стороны сплава контактная площадка имеет правильную геометрическую форму круга с четкими границами.

Основное условие при сварке КАС1А - не допускать расплавления и изменения формы упрочняющих волокон. Кроме того, при нагреве возможны разупрочнение проволочек и охрупчивание матрицы по границе с волокном. Поэтому время сварки должно быть минимальным.

На процесс сварки и качество сварных точек большое влияние оказывает размер электродов. Учитывая, что литое ядро формируется только за счет расплавления матричного материала, в соединениях КАС1А+КАС1А необходимы большие площади контактирования "электрод-деталь". Это достигается увеличением радиуса сферы до 100…200 мм вместо рекомендованного 50…100 для стандартных алюминиевых сплавов аналогичной толщины. К тому же больший радиус электрода позволил предупредить выплески, которые недопустимы, поскольку полностью сопровождаются образованием "не залечивающихся" внутренних полостей. Предложены следующие режимы сварки: для сочетания материалов КАС1А+КАС1А радиус сферы 100 мм, сварное усилия сжатия электродов 4800 Н; сварочный ток 22 кА, время сварки 0,08 с, напряжение 210 В; для КАС1А+Д16Т при тех же значениях радиуса сферы, сварочного усилия сжатия электродов и напряжения ковочное усилие сжатия составляет 8500 Н, сварочный ток 24 кА, время сварки 0,1 с.

Исследовалась также возможность получения клеесварных соединений из КСА1А м КАС1А+Д16Т с использованием клея ВК39. Клей был равномерно нанесен в местах нахлестки до сварки. Сварка по клею производилась в соответствии с требованиями, предъявляемыми к точечной сварке стандартных алюминиевых сплавов по неметаллическим прослойкам. Выполненные по оптимальным режимам соединения не имели дефектов, о чем свидетельствуют металлографические исследования. В зоне сварной точки соединения КАС1А+КАС1А структура плотная, мелкодендритная, состоящая из раствора на основе алюминия с твердостью Н=39...49 МН/м². Вокруг стальных волокон утолщения ингерметаллического характера отсутствуют. Твердость проволочек в зоне шва составляет 98000…10094 МН/м, что соответствует твердости волокон основного металла. В соединении КАС1А со сплавом Д16Т вследствие большой разницы в теплофизических свойствах литое ядро имеет специфическую грибообразную форму и смещено в сторону сплава Д16Т.

Как показали испытания, прочность соединения из материала КАС1А определяется прочностью матрицы, и при комнатной температуре напряжение среза составляет 100…110 МПа, что соответствует прочности точечно-сварных соединений алюминиевых сплавов. Аналогичной прочностью на срез обладают соединения КАС1А+Д16. Прочность на срез клеесварных соединений из КАС1А и КАС1А+Д16Т в 1,5…2 раза выше, чем без клея. Увеличение температуры испытания до 100 °С или понижение температуры до -60 °С не изменяет напряжение среза, которое составляет 100…130 МПа. Все образцы разрушаются по сварным точкам с вырывом слоев матрицы (для соединения КАС1А) и ядра (для соединения КАСІ А+Д16Т).

Испытания на МЦУ показали, что наибольшей долговечностью обладают клеесварные соединения КАСІ А. При нагрузке 2500 Н образцы простояли без разрушения 1,7…2×10⁶ циклов и были сняты с испытаний.

Была изучена коррозионная стойкость соединений КАС1А и КАС1А+Д16Т. Установлено, что склонность к общей, межкристаллитной и расслаивающейся коррозии сварных точек не ниже, чем основного материала.

Таким образом, проведенные исследования позволили установить свариваемость КАС1А и его сочетания со сплавом Д16Т, его свойства при статических, повторно-статических и усталостных испытаниях, проверить коррозионную стойкость сварных соединений.

Это интересно

Вермикулитовая плита изготавливается из вспученного вермикулита с жаростойкими добавками. В качестве связующего компонента при изготовлении плит применяется неорганический силикат. Вермикулитовые плиты предназначены для теплоизоляции технологического оборудования при максимальной температуре использования 1100 °С. Основное преимущество вермикулитовых плит по сравнению с аналогами (совелитовые, пенодиатомитовых и асбовермикулитовые материалы) это более высокая прочность при максимальной температуре применения. Кроме того, вермикулитовые плиты безвредны для здоровья, т.к. не содержат асбест. Области применения вермикулитовых плит: черная и цветная металлургия, нефтехимия, промэнергетика, цементная, стекловаренная и керамическая промышленность.