Файл: Способов получения биметаллов. Рассмотрены такие методы, как лазерная сварка, сварка трением с перемешивани ем, сварка прокаткой. Описана область применения биметаллических сварных соединений.pdf

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 106
УДК 621.791
А.Е. Морушкин
A.E. Morushkin
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИМЕТАЛЛОВ
METHODS FOR THE PRODUCTION OF BIMETALS
Представлен обзор зарубежной и отечественной литературы на тему способов получения биметаллов. Рассмотрены такие методы, как лазерная сварка, сварка трением с перемешивани- ем, сварка прокаткой. Описана область применения биметаллических сварных соединений.
Ключевые слова: биметаллы, лазерная сварка, диффузионная сварка, сварка прокаткой, сварка трением с перемешиванием.
The paper presents a review of foreign and domestic literature on the methods for the production of bimetals. Considered such methods of obtaining bimetals as laser welding, friction stir welding, weld- ing by rolling. Describes the field of application of bimetallic welded joints.
Keywords: bimetals, laser welding, diffusion welding, roll welding, friction stir welding.
Лазерная сварка нержавеющей стали с латунью.
В последние годы сварные соединения между нержавеющей сталью и латунью широко исполь- зуются в аэрокосмической, машиностроительной, металлургической и холо- дильной промышленностях. Различия в физических свойствах медных спла- вов и стали обычно приводят к трудностям при сварке, а испарение цинка – к образованию дефектов в сварных соединениях. Чтобы решить эту пробле- му, необходимо выбрать подходящий способ сварки. Лазерная сварка счита- ется перспективным методом сварки нержавеющей стали с латунью благода- ря высокой плотности мощности источников, высокой скорости и минималь- ной околошовной зоне [1].
Большинство предыдущих исследований лазерной сварки были ориен- тированы главным образом на соединения из магниевого сплава, алюминие- вых сплавов и стали. Они показали, что можно получить хорошее сварное соединение, используя лазерную сварку.
В работе [2] были проведены экспериментальные исследования по свар- ке латуни и нержавеющей стали. Образцы нержавеющей стали, используе- мые в исследовании, были размером 100×100×0,9 мм, образцы из латуни имели размеры 100×100×0,4 мм. На рис. 1 представлена принципиальная схема сварки латунь – нержавеющая сталь, тип соединения – нахлест.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 107
Рис. 1. Схема получения сварного соединения
Изготовление многослойных композитных материалов диффузионной
сваркой и сваркой прокаткой. Многослойные металлические композиты полу- чили широкое распространение благодаря высоким механическим, электриче- ским и магнитным свойствам. Ламеллярные соединения Сu – Fе являются одни- ми из самых успешных типов композитов, но из-за низкой взаимной раствори- мости металлов разработка хорошей технологии сварки является проблемой.
В работе [3] приведено описание метода диффузии-прокатки для получения многослойного композита из Cu и Fe. Для исследований применялся очищенный лист меди (чистотой 99,99 %, толщиной 2,0 мм) и чистый железный лист (чисто- той 99,3 %, толщиной 2,0 мм). Листы были разрезаны размером 50×100 мм
2
для подготовки образцов к испытаниям. Для того, чтобы произвести первичный композит, листы были обезжирены ацетоном и отполированы.
Во-первых, несколько листов из Cu и Fе были наложены друг на друга попеременно. Далее они были сварены между собой диффузионной сваркой при температуре 850 °C и рабочем давлении 10 МПа в течение 30 мин в ваку- умной печи. Затем образцы были подвергнуты холодной прокатке с коэффици- ентом уменьшения ≤35 % в каждом проходе. Эта процедура повторялась до трех раз. Полученный образец разрезали на половинки или кусочки одинаково- го размера, которые потом сложили вновь, чтобы подвергнуть их повторному циклу. На рис. 2 изображена принципиальная схема процедур обработки.
Данный метод может быть потенциально использован в качестве спосо- ба изготовления многослойных композитов из Cu/Fe. Он позволяет получить хорошую параллельность слоев и большую прочность соединения.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 108
Рис. 2. Схема повторяющегося процесса диффузионной сварки и сварки прокаткой
Сварка трением с перемешиванием. Ротационная сварка трением была изобретена TWI (Technological Welding Institute) в декабре 1991 года.
В соответствии с более традиционными методами сварки трением, кото- рые применяются с начала 1950-х годов, эта сварка производится в твердой фазе, т.е. расплава основных материалов не происходит.
Изначально этот способ сварки предназначался для соединения алюми- ниевых сплавов и других легких материалов. Использование легких материа- лов до сих пор считается одним из основных направлений данного метода.
Ротационная сварка трением является также способом для соединения разно- родных материалов и гибридных структур.
После изобретения эта технология получила всемирное признание, и се- годня ротационная сварка трением используется в научно-исследовательских целях, на производстве в различных отраслях промышленности (например, аэрокосмической, производстве железнодорожных вагонов, скоростных па- ромов, круизных судов, электрических двигателей, холодильников, теплооб- менников, автомобильной промышленности, для производства контейнеров для отходов и в самолетостроении) [4].
При ротационной сварке трением вращается цилиндрический инструмент с буртиком, с фасонным штырем, который медленно погружается в линию соеди- нения между двумя пластинами или плитами, которые нужно соединить между собой. Эти детали должны быть закреплены на подкладке таким образом, чтобы не допустить возникновения усилия отрыва друг от друга соединяемых встык деталей или изменения их положения каким-либо другим образом.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 109
Между износостойким сварочным инструментом и материалом обрабаты- ваемых деталей возникает тепло от трения, которое заставляет материал размяг- чаться без достижения температуры плавления и дает возможность инструменту продвигаться вдоль линии сварки. Пластифицированный материал переносится от ведущей кромки инструмента к ведомой кромке штыря и сковывается тесным контактом между буртиком инструмента и профилем штыря. Он оставляет за собой твердофазное соединение между двумя деталями.
Рис. 3. Схема ротационной сварки трением
Преимущества ротационной сварки трением следующие:
– нет ни сварочной проволоки, ни защитного газа; инструмент не явля- ется разовым (один инструмент обычно используется для выполнения более
1000 м шва в алюминиевых сплавах серии 6000);
– минимальная подготовка поверхности, обычно требуется только обез- жиривание;
– экономно по энергопотреблению, только 20 % затрат тепла по сравне- нию с процессом сварки металлическим электродом в инертном газе;
– не выделяется никаких испарений или токсичных газов, опасных для операторов; операторы и другой персонал не подвергаются воздействию из- лучения от дуги;
– поверхность готова к использованию, так как нет необходимости ни удалять брызги, ни выполнять какую-либо подготовку после сварки; сторона вершины шва является идеальной копией подложки, а верхняя сторона уже имеет отфрезерованную структуру, образованную буртиком.
Таким образом, в данной статье рассмотрено несколько перспективных методов изготовления композитных материалов из разнородных металлов.
Представлены такие способы, как лазерная сварка, совместное применение диффузионной сварки и сварки прокаткой, сварка трением с перемешивани- ем, а также описаны их преимущества.

2016
MASTER`S JOURNAL
№ 1 110
Список литературы
1. Григорьянц А.Г. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008.
 156 с.
2. Microstructures and mechanical properties of H62 brass-316L stainless steel in overlap welded joints by continuous-wave laser / Y. Li, Sh. Hu, J. Shen, L. Liu.
 Lon- don, 2015.
3. Evolution of structure and fabrication of Cu/Fe multilayered composites by a repeated diffusion-rolling procedure / Y. Yang, D. Wang, J. Lin, D. Faraz Khan,
G. Lin, J. Ma // Materials & Design.
 2015.  Vol. 85.  P. 635639.
4. Martinsen K., Hu S.J., Carlson B.E. Joining of dissimilar materials // CIPR
Annals
 Manufacturing Technology.  2015.  Vol. 64, iss. 2.  P. 679699.
Получено 10.12.2015
Морушкин Артем Евгеньевич
 студент, физико-математический фа- культет, Казанский национальный исследовательский технический универси- тет им. А.Н. Туполева, e-mail: morushkin@mail.ru.