Use of technology of friction stir welding for aluminum alloys

УДК 621.791(031) І. О. ВАКУЛЕНКО, С. О. ПЛІТЧЕНКО, Ю. Л. НАДЕЖДІН (ДІІТ) ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГІЇ ЗВАРЮВАННЯ ТЕРТЯМ З ПЕРЕМІШУВАННЯМ АЛЮМІНІЄВОГО СПЛАВУ В роботі наведені експериментальні дані стосовно впливу режиму зварювання тертям з перемішуванням алюмінієвого сплаву на характер розподілу твердості по перетину зварного шву. Ключові слова: сталь, розтягання, напруження, деформація, падіння напруження, деформаційне старіння, реверсивна деформація На основі аналізу експериментальних даних [1-3], які стосуються технології зварювання тертям, окрім особливостей конструктивного характеру, одним з основних параметрів являється температура розігріву з’єднувальних елементів. Враховуючи, що температура в зоні зварювання не повинна перебільшувати значення початку переходу в рідкий стан можна вважати, що якість зварного з’єднання в значній мірі буде залежати від процесу структурних змін в металі. Обумовлено наведене положення залежністю дифузійного масопереносу металу при пластичній деформації по з’єднувальним поверхням, при формуванні зварного шву. На підставі цього, процес формування зварного з’єднання за умов відсутності розплавлення в значній мірі буде визначатися спроможністю металу до пластичної течії. В свою чергу рівень пластичних властивостей залежить від співвідношення між температурою і швидкістю деформації [4]. Метою роботи являється аналіз процесів, що визначають формування зварного з’єднання за технологією тертям з перемішуванням. Матеріалом для дослідження був сплав на основі алюмінію марки АМг 5 з хімічним складом: 4,8 % Mg, 0,5 % Mn, 0,36 % Fe, у вигляді пластин товщиною 2 мм. З урахуванням експериментальних даних [3, 5] та технічних рішень [3] стосовно геометричних розмірів робочого елемента, для зварювання тертям з перемішуванням (ЗТП) був виготовлений робочий інструмент, форма і розміри якого представлені на рис.1. Аналіз процесів структурних змін в металі поблизу з’єднувальних кромок проводили за допомогою рентгеноструктурних досліджень на дифрактометрі типу ДРОН-1УМ з ви- значенням густини дефектів кристалічної будови і викривлень другого роду. Твердість вимірювали за методом Брінелля з використанням приладу типу ТДМ-1. Рис. 1. Схематичне зображення робочого інструмента для зварювання тертям із перемішуванням: 1 – штифт; 2 – поверхня плеча В процесі занурювання обертаючогося штифта робочого інструмента (рис. 1) в метал, за рахунок виділення теплової енергії від напружень тертя, кромки дуже швидко розігріваються до температур що забезпечують високі показники пластичності. Разом з цим, спрямований масоперенос металу при ротаціонних ефектах від штифта супроводжується обов’язковим відхиленням зони зварювального шву від симетричного вигляду (рис. 2). Рис. 2. Макроструктура перетину зварного шву: 1 – зона виносу металу © І. О. Вакуленко, С. О. Плітченко, Ю. Л. Надеждін, 2012 230 Як показали дослідження, формування зварного шву у випадку недостатньої температури розігріву алюмінієвого сплаву, супроводжується зростанням адгезії металу по поверхні тертя з штифтом, що неодмінно приводе до зниження якості з’єднання в цілому. Так, за умов частоти обертання робочого інструмента 600 хв-1 при швидкості переміщення уздовж з’єднувальних кромок (V) 0,4 мм/с, поверхня шву після розгону метала має дуже високу шорсткість (максимальні немонотонності металу по поверхні складали значення до 0,2-0,3 мм) (рис. 3, а). На підставі цього, з урахуванням впливу якості підготовки поверхні на розвиток процесів втоми при циклічному навантаженні [6], підвищена шорсткість поверхні зварного шву, сформованого по визначеній технології, вже буде обумовлювати підвищення вірогідності зародження осередків руйнування металу. Рис. 3. Вигляд поверхні зварного з’єднання зі сторони поверхні переміщення робочого інструмента: а – ділянка з підвищеною шорсткістю зони термічного впливу; б – ділянка шву з високою якістю Окрім підвищення шорсткості поверхні, за наведеним режимом зварювання, в області кореня зварного шву спостерігається формування дефекту у вигляді повздовжньої тріщини (рис. 4). Таким чином, недостатня температура розігріву кромок з’єднувальних елементів не дає змоги досягти умов необхідного рівня швидкості перемішування металу. Експериментально спостережувані нещільності металу уздовж з’єднувальних поверхонь є додатковим свідченням стосовно впливу температурнодеформаційних параметрів роботи інструмента на якість зварного з’єднання [2, 5]. Підвищення пластичних властивостей алюмінієвого сплаву за рахунок одночасної дії підвищення швидкості переміщення робочого інструменту уздовж шву до величини 0,7 мм/с та частоти обертання до 1000 хв-1 привело до формування достатньо якісної поверхні в зоні розгону металу, над зварним швом (рис. 3, б). Можна вважати, що співвідношення між процеса- ми ковзання та зчеплення металу з поверхнею інструмента зміщується в сторону підвищення частки ковзання. Наведене положення достатньо якісно підтверджується відсутністю формування повздовжньої тріщини та об’ємів металу з локальною нещільністю в області кореня зварного шву. В порівнянні з низьким ступенем розігріву (рис. 3, а), зростання температури супроводжується якісними змінами характеру формування зварного шву. Так, за умов підвищеного зчеплення металу з штифтом та плечем інструменту, формується підвищена концентрація порожнин, що призводе до зниження щільності металу в області максимального масопереносу. В наслідок цього, підвищений тиск що виникає поблизу контактуючих поверхонь (метал-інструмент) компенсується низькою щільністю металу і витискання його з робочої зони інструменту практично не спостерігається. Інша річ, коли частка процесів масопереносу, що обумовлена ковзанням, зростає, а зчеплення зменшується. В наслідок цього щільність металу в зоні тертя зростає, що супроводжується очікуваним позитивним впливом на якість зварного з’єднання. Підтверджується наведене положення практично повною відсутністю низки порожнин та ділянок незварювання (вигляд, подібний повздовжній тріщині) в області кореня зварного шву. Додатковим доказом являється спостережуваний частковий винос матеріалу сплаву у вигляді викривленої фольги (рис. 5). Винос матеріалу із області термічного впливу обумовлений по-перше підвищенням пластичності сплаву від його розігріву до більш високих температур та зростанням питомого напруження. Враховуючи збільшення об’єму металу (пропорційно коефіцієнту термічного розширення) після розігріву до більш високих температур при незмінному напруженні притискування робочого інструменту до з’єднувальних кромок, зайва частка сплаву повинна бути видавлена. Рис. 4. Макроструктура перетину зварного шву з дефектом, який подібний повздовжній тріщині (а) Враховуючи, що в процесі пластичного деформування при підвищених температурах підтримується визначене співвідношення між процесами накопичення і анігіляції дефектів крис- 231 талічної будови, представляє визначений інтерес оцінити частку пластичності, яка може бути зв’язана з дислокаційним механізмом. Рис. 5. Перетин зварного шву: 1 – частковий вин (...truncated)