14.578.21.0045

Целью реализуемого проекта является совершенствование технологии сварки трением с перемешиванием посредством ультразвукового воздействия и улучшение эксплуатационных характеристик неразъемных соединений алюминиевых сплавов, применяемых для создания легких и надежных конструкций.
Задачи реализуемого проекта:
- создание экспериментального стенда для экспериментальных исследований технологическим режимов сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием;
- подбор параметров технологических режимов сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием, обеспечивающих оптимальную структуру материала сварных соединений алюминиевых сплавов и улучшенные эксплуатационные характеристики;
- получение образцов сварных соединений алюминиевых сплавов Д16, В95, В1469 с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Несмотря на очевидные преимущества сварки трением с перемешиванием (СТП) по сравнению с традиционными методами сварки для соединения трудносвариваемых металлов, существует ряд факторов, ограничивающих ее применение. Существуют проблемы снижения прочности и долговечности СТП соединений, связанные со структурными аспектами. Зарубежные ученые пытаются решать данные проблемы путем подбора инструмента, частоты его вращения и линейной скорости сварки, принудительного охлаждения сварного шва или совмещения СТП с лазерной сваркой корневой части шва. Однако такие методы решают проблемы лишь частично и приводят к значительному увеличению стоимости конечного изделия.
В рамках настоящего проекта предлагается модифицировать процесс СТП путем подвода в зону неразъемного соединения мощного ультразвукового воздействия. Проведенные исследования в области воздействия мощного ультразвука на металлы свидетельствуют о его положительном влиянии на повышение прочности и долговечности материалов. Использование ультразвуковой обработки позволит активировать процессы пластической деформации при меньших силовых нагрузках, изменить структурное состояние металла в зоне шва, а также снизить остаточные напряжения в зоне сварного соединения, что приведет к повышению усталостной прочности и несущей способности сварной конструкции.
Реализация проекта будет способствовать созданию опережающего научно-технического задела в области разработки современного оборудования для формирования неразъемных соединений алюминиевых сплавов с улучшенными показателями прочности и долговечности для повышения надежности элементов конструкций транспортной, ракетно-космической и авиационной техники нового поколения.

При разработке экспериментального стенда сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием проанализированы различные способы подвода ультразвуковых колебаний в область сварного соединения. Проведена конструкторская проработка и анализ различных вариантов конструктивных, схемных решений экспериментального стенда в объеме достаточном для выбора оптимального варианта. 

При выборе режимов сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием выполнена качественная и количественная оценка структурного состояния сварных соединений и прилегающих зон. Проведены микроструктурные исследования с использованием оптической металлографической микроскопии, растровой электронной микроскопии, элементного анализа. Методами компьютерного многоуровневого моделирования проведены теоретические исследования влияния структуры на распределения деформаций и напряжений в области сварного соединения и прилегающих зон. Проведены расчеты квазистатического и динамического нагружения сварных соединений в различных условиях нагружения. Исследован деформационный отклик макроскопических образцов сварных соединений с учетом границ раздела между различными зонами сварного соединения и основным металлом. Результаты моделирования сопоставлены с результатами механических испытаний сварных соединений. На основе данных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования определены параметры сварки, позволяющие оптимизировать микроструктуру материала сварных соединений и прилегающих зон для достижения требуемых механических характеристик. 

Разработан и изготовлен стенд для проведения экспериментальных исследований технологических режимов сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием.  В соответствии с разработанной технологической инструкцией изготовлены экспериментальные образцы неразъемных соединений алюминиевых сплавов Д16, В95, В1469 с улучшенными эксплуатационными характеристиками.Экспериментальные исследования показали, что  ультразвуковое воздействие в процессе сварки трением с перемешиванием приводит к существенному улучшению механических свойств полученных соединений алюминиевых сплавов В1469, Д16Т и В95. Проведенные испытания на растяжение, статический изгиб, ударную вязкость и малоцикловую усталость позволили установить, что происходит улучшение всего спектра механических характеристик. Исследования структурных характеристик показали, что ультразвуковое воздействие в процессе сварки трением с перемешиванием приводит к уменьшению среднего размера нерастворимых выделений вторичных фаз в зоне перемешивания СТП-УЗ соединений, а также к заметному снижению их объемной доли, формированию в зонах перемешивания микроструктуры с преобладанием в ней выделений интерметаллидных фаз когерентных с кристаллической решеткой a-Al твердого раствора, уменьшению уровня микронапряжений во всех структурных зонах влияния сварки трением с перемешиванием. При изготовлении сварных соединений из сплава Д16 методом сварки трением с перемешиванием с УЗ-воздействием уровень остаточных напряжений снижается на 40 %, при изготовлении сварных соединений из сплава В95 с УЗ-воздействием снижается на 100 %, при изготовлении сварных соединений из сплава В1469 с УЗ-воздействием снижается на 50 %. Разработаны рекомендации и предложения индустриальному партнеру по применению в его производственном процессе усовершенствованной технологии сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием. Проведена технико-экономическая оценка результатов выполненных прикладных научных исследований в сравнении с современным научно-техническим уровнем. Разработан проект технического задания на проведение опытно-конструкторских работ по разработке опытного образца установки сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием. Проведено общение результатов прикладных научных исследованием. Полученные результаты являются новыми и соответствуют требованиям технического задания.

Сварка трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием позволяет выполнять сварные соединения со скоростью, в 5-10 раз превышающей скорость сварки традиционными дуговыми методами, без использования защитного газа и присадочного материала. При этом формируются надежные неразъемные соединения, прочностные и усталостные характеристики которых приближаются к характеристикам основного металла. Созданное на основе результатов проекта оборудование позволяет использовать трудносвариваемые термообрабатываемые алюминиевые сплавы, имеющие более высокую удельную прочность, для изготовления легких и надежных конструкций и узлов транспортных и авиакосмических систем.