Effect of Friction Stir Welding Mode and its Direction Relative to the Rolling Direction of 2024 Alloy on the Structure and Mechanical Properties of its Weld Joints

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 22 No. 4 2020 111 MATERIAL SCIENCE Введение Сварка трением с перемешиванием ( СТП ) является процессом сварки давлением , в ходе которого под воздействием вращающегося ин - струмента происходит деформация , фрикцион - ный разогрев , пластическое течение материала и его перенос между свариваемыми заготовками [1]. Температура разогрева материала в процессе СТП ниже температуры его плавления , что от - крывает широкие производственные возможно - сти сварки промышленных трудносвариваемых материалов , к примеру , термоупрочняемых алю - миниевых сплавов . Сочетание параметров режима СТП опреде - ляет характер термомеханического воздействия на свариваемый материал , поэтому критическое изменение даже одного из параметров может привести к формированию дефектов и сниже - нию прочности сварного соединения [2, 3]. Не - маловажным фактором также является ориен - тация свариваемого материала относительно направления сварки , поскольку деформация и размер его исходного структурного зерна , сфор - мированного прокаткой , определяет кинетику деформирования материала и , как следствие , ре - зультирующую структуру и свойства [4]. В месте наибольшего воздействия инстру - мента , называемом зоной перемешивания ( ЗП ), возникает процесс интенсивной пластической деформации свариваемого материала [5, 6], ко - торый обусловливает измельчение его исходно - го зерна с повышением числа высокоугловых границ [7, 8]. В деформируемых алюминиевых сплавах прочность ЗП сварного соединения на - прямую связана с ростом протяженности границ зерен , согласно механизму Холла – Петча [9]. На примере фрикционной обработки деформи - руемого алюминиевого сплава системы AlMg показано , что этот механизм обусловливает по - вышение прочности деформированного матери - ала в ЗП относительно исходного проката [10]. В прилегающей к ЗП зоне термомеханического воздействия ( ЗТМВ ) обычно наблюдается значи - тельная деформация структурных зерен матери - ала , снижение их среднего размера с повышени - ем числа малоугловых границ [11], поэтому ее граница с ЗП , имеющая резкий переход от одно - го типа структуры к другому , часто характеризу - ется разупрочнением материала . Дополнительным фактором , влияющим на прочность сварных соединений термоупроч - няемых алюминиевых сплавов , является ха - рактерный для них механизм дисперсионного упрочнения [12–14]. При СТП таких сплавов в результате воздействия инструмента происхо - дит динамическая рекристаллизация , которой сопутствует растворение , повторное выделение и перераспределение упрочняющих фаз , что мо - жет привести к снижению прочности материала сварного соединения [15–18]. На сегодняшний день исследования процес - сов СТП в основном заключаются в анализе ко - нечных свойств получаемых сварных соедине - ний и их сопоставлении с параметрами режима сварки : усилием внедрения инструмента , его ча - стотой вращения и скоростью перемещения [19, 20]. Но для решения задачи получения прочных и качественных сварных соединений немало - важной также является оценка сопротивления материала деформированию от воздействия сва - рочного инструмента , что достигается монито - рингом ряда параметров непосредственно в про - цессе сварки . Исходя из этого , целью работы является исследование влияния параметров режима свар - ки и ориентации структуры свариваемого мате - риала на протекание процесса сварки трением с перемешиванием , а также на структуру и проч - ность получаемых сварных соединений алюми - ниевого сплава Д 16. Методика исследований Исследуемые в работе сварные соединения получали из листовых заготовок термоупрочняе - мого сплава Д 16. Химический состав исходного сплава исследовали при помощи рентгенофлу - оресцентного спектрометра Niton 3xlt Goldd+. По данным анализа , сплав имеет следующий со - став : Cu 4,8 вес . %; Mg 1,3 вес . %; Mn 0,5 вес . %; Fe 0,3 вес . %; Si 0,1 вес . %; Ti 0,1 вес . %; Zn 0,1 вес . %; Al остальное . Заготовки под свар - ку вырезали в виде пластин толщиной 2,5 мм с размерами 60×250 мм вдоль и поперек направ - ления прокатки исходного материала . Лицевая часть заготовок в месте под сварку была обрабо - тана механически со снятием слоя материала до толщины 2,0 мм . Свариваемые кромки были об - работаны механически для обеспечения их без -