Введение
В настоящее время в промышленности применяется множество способов печати металлических деталей. Способы основаны на спекании слоя порошка (селективное лазерное плавление – SLM), струйном нанесении металлического порошка (лазерное напыление металла – LMD), и плавлении металлической нити (электронно-лучевое плавление – EBM, наплавка электродуговой сваркой WAAM). В основе ультразвуковой аддитивной технологии (Ultrasound Additive Manufacturing
Technology – UAM) [1 – 3] лежит сварка трением металлических листов под действием давления и ультразвуковых колебаний. UAM представляет собой процесс сварки тонких слоёв металлической фольги слой за слоем с последующей контурной обработкой фрезерованием, т.е. технология представляет собой гибрид аддитивного и субтрактивного производственных процессов.
Ультразвуковая аддитивная технология, по сравнению с другими способами, обладает рядом преимуществ, таких как незначительное воздействие на структуру и фазовый состав материала, возможность использования разнородных материалов для создания изделий, отсутствие необходимости применения вакуума и предварительной очистки элементов соединения [4, 5]. Отдельно необходимо отметить высокую производительность UAM, которая оставляет 250...300 см3/ч, что значительно выше производительности порошковых аддитивных технологий [6].
Для эффективного применения технологии необходим системный выбор параметров обработки, а также разработка оборудования для обеспечения этих параметров.
Режимы обработки
К режимам обработки, оказывающим значительное влияние на механические свойства получаемых изделий, относят: амплитуду ξ и частоту f ультразвуковых колебаний, нормальную силу P, температуру предварительного нагрева и скорость сварки [2, 7]. Ультразвуковая обработка при рациональной комбинации данных параметров, вследствие высокочастотного механического воздействия и локального повышения температуры в зоне контакта металлов, приводит к разрушению оксидных и выгоранию жировых плёнок, и обеспечивает интенсивную диффузию, что приводит к созданию прочного неразъёмного соединения [8, 9].
Кроме того, на структуру и свойства сварного шва оказывает значительное влияние шероховатость поверхности рабочей части излучателя (ролика).
Выбор амплитуды ξ колебаний ролика зависит от толщины и свойств материала. Для тонких слоёв пластичных материалов с невысокой температурой плавления, таких как медь и алюминий, вполне достаточно амплитуд
5...7 мкм. Повышение амплитуды колебательных смещений может приводить к разрушению слоёв фольги. Для соединения материалов с большей температурой плавления и для листов большей толщины необходимо повышение амплитуды до ξ = 10...30 мкм. Учитывая необходимость получения высоких амплитуд колебаний инструмента, в качестве рабочей частоты выбрана f = 22 кГц.
Скорость сварки (скорость подачи поступательного перемещения стола) в широком диапазоне не оказывает значительного влияния на качество соединения. Поскольку скорость высокочастотных продольных перемещений фольги значительно выше скорости прокатывания ролика, продольная подача станка выбирается максимальной для повышения производительности сварки и составляет 800…1000 мм/мин.
Для послойного соединения листов к каждому наносимому слою прикладывается нормальная сила P, которая обеспечивает плотный контакт сопрягаемых поверхностей листов фольги. Прилагаемые ультразвуковые колебания срезают и деформируют неровности, разрушают оксидную пленку на поверхности, благодаря чему образуется взаимная диффузия соединяемых материалов. Для материалов толщиной до 0,5 мм требуемая нормальная сила P прижима не превышает 2 кН.
Предварительный нагрев свариваемых листов позволяет повысить равномерность структуры получаемого шва, а также уменьшить требуемую нормальную силу P прижима ролика к фольге. Наиболее эффективен нагрев до температуры 0,2...0,3 оС от температуры
рекристаллизации свариваемого материала.
Шероховатость рабочей части излучателя (ролика) оказывает значительное влияние как на эффективную передачу колебаний свариваемому соединению, так и на качество шва. Уменьшение шероховатости приводит к проскальзыванию ролика относительно навариваемого слоя фольги, но при этом уменьшается количество пор и других дефектов соединения. Экспериментально установлено, что при шероховатости Ra = 1,25...2,5 мкм толщина диффузионного слоя небольшая и, как следствие, наблюдается низкая прочность сцепления слоёв фольги. С увеличением шероховатости до Ra = 5,0...6,3 мкм увеличивается и качество сварного шва. При дальнейшем повышении среднего арифметического отклонения профиля ролика возрастает пористость соединения.
Технологическая оснастка и оборудование
В качестве станка, с требуемыми размерами и высотой стола и обеспечивающего необходимые перемещения исполнительных механизмов, был использован широкоуниверсальный фрезерный станок 6Т80Ш.
Ультразвуковой модуль послойной сварки листов фольги, устанавливаемый на станок, имеет конструкцию, представленную на рис. 1 [10].
Кронштейн, с закреплёнными на нём ультразвуковой колебательной системой и волноводом, на ласточкином хвосте устанавливается на консоли станка. На основание (подложку) укладывается слой фольги. Ролик волновода прижимается к слою фольги с нормальной силой и, прокатывается по нему, создавая нормальное давление и сдвиговые колебательные смещения слоя. В результате трения оксидная пленка разрушается, и за счёт пластической деформации и тепловыделения происходит диффузия металлов и образование соединения.
В качестве источника колебаний для волновода концентратора использовалась стержневая двухполуволновая магнитострикционная колебательная система ПМС-2,0/22 (ООО «Афалина», Москва, Россия), состоящая из магнитострикционного преобразователя с припаянным к его торцу титановым волноводом, которые находятся в кожухе водяного охлаждения.
Волновод-концентратор (излучатель) изготовлен из стали 40Х, обладающей наименьшим коэффициентом потерь (среди сталей) и позволяющей реализовать амплитуды колебаний рабочей поверхности свыше 25 мкм [11].
При разработке волновода учитывались следующие требования:
– обеспечение наибольшей возможной амплитуды колебаний, касательных к поверхности элементов свариваемого соединения (сдвиговых колебаний), на рабочей поверхности волновода (ролике);
– достаточная для приложения рабочих нагрузок жесткость;
– акустическая изоляция посадочных поверхностей волновода от неподвижных частей установки (кронштейна);
– минимальные потери энергии.
Моделирование излучателя проведено методом конечных элементов при использовании физического модуля механики твердого тела (SolidMechanics) в программном обеспечении ComsolMultiphysics. При моделировании учитывались резонансная частота ультразвуковой колебательной системы, физико-механические свойства стали 40Х и конструктивные особенности излучателя.
В результате моделирования были получены графики распределения амплитуды смещения, амплитуды скорости колебаний, а также пиковых эквивалентных напряжений (по Мизесу) на резонансной частоте (21,21 кГц) по оси симметрии излучателя (рис. 2). Значения пиковых напряжений в материале излучателя не превышают 80 МПа, что значительно ниже значения временного сопротивления стали 40Х.
На основании расчётных данных был изготовлен и испытан излучатель. Измерения амплитуды ξ колебаний показали, что при
ξ = 12 мкм колебательной системы в середине рабочей части излучателя (ролика) разница между расчётными и экспериментальными данными составляет не более 10 %. При расчётной величине ξ = 11,2 мкм, измерениями была зафиксирована ξ = 10 мкм, что обусловлено принятыми допущениями.
Выводы
Ультразвуковая аддитивная технология (UAM) представляет собой процесс диффузионной сварки тонких слоёв металлической фольги под действием давления и ультразвуковых колебаний. Технологическими режимами, определяющими механические свойства и качество получаемых изделий, являются: амплитуда и частота ультразвуковых колебаний, нормальная сила прижима слоёв, температура предварительного нагрева и скорость сварки. Кроме того, значительное влияние на величину получаемого диффузионного слоя и однородность шва оказывает шероховатость рабочего инструмента. Выбор рабочих режимов зависит от толщины и свойств свариваемых материалов.
В качестве устройств, позволяющих реализовать UAM, могут применяться горизонтальные консольные фрезерные станки со специальной оснасткой. В качестве оснастки предложена конструкция ультразвукового модуля послойной сварки листов фольги. Для модуля разработан рабочий инструмент – ступенчатый волновод-концентратор. Его расчёт проведён методом конечных элементов в программном комплексе ComsolMultiphysics. Разработанная модель расчёта учитывает материал волновода и резонансную частоту источника колебаний.
Изготовленный на основании расчётов рабочий инструмент, обеспечивает требуемую амплитуду колебаний на рабочей поверхности инструмента и отсутствие колебаний на поверхностях контакта с неподвижной части модуля. Испытания волновода показали хорошую сходимость результатов моделирования и характеристик инструмента.
