Features of structure formation processes in AA2024 alloy joints formed by the friction stir welding with bobbin tool

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 23 No. 2 2021 99 MATERIAL SCIENCE Введение Сварка трением с перемешиванием ( СТП / CFSW (Conventional friction stir welding) была разработана для получения неразъемных соеди - нений сплавов на основе алюминия , обладаю - щих ограниченной свариваемостью . Одним из типов СТП является сварка инструментом типа “bobbin tool” (BFSW), обеспечивающая син - хронное воздействие на лицевую и тыльную по - верхность свариваемого материала . Это позво - ляет получать сварные соединения различной конфигурации без использования подложки и снизить жесткость сварочного оборудования за счет отсутствия осевого усилия внедрения , ха - рактерного для обычной СТП [1, 2]. Для BFSW также характерно снижение тепловых потерь и градиента температурного воздействия по тол - щине свариваемого материала [3, 4]. В сравне - нии с CFSW это обеспечивает гомогенизацию структуры сварного соединения , снижение вну - тренних напряжений и градиента свойств его ос - новных характерных зон . В работе [5] показано , что при CFSW и BFSW сплава А 6061 свойства полученных соединений сопоставимы между собой , но процесс BFSW имеет более ограни - ченный диапазон допустимых параметров . При сравнении CFSW и BFSW сплава AA6005 [6] было установлено , что при одинаковых параме - трах процесса BFSW позволяет выполнять более прочные соединения . По мнению авторов работ , данные эффекты обусловлены указанными выше особенностями температурного воздействия при BFSW, определяющими кинетику процессов структурообразования в сварном соединении . Указанные особенности делают процесс BFSW эффективным для сварки термически об - рабатываемых алюминиевых сплавов . В работе [7] при выполнении BFSW сплава AA2198 ав - торами получены сварные соединения с проч - ностью 82 % от исходного сплава . При сварке соединений из сплава AA7085 [8] также удалось достичь показателя прочности при разрыве бо - лее 80 % от исходного сплава . С учетом это - го интересным представляется процесс BFSW сплава Д 16, свойства которого определяются его структурно - фазовым состоянием . Оно же , в свою очередь , тесно связано с оказываемым на него термомеханическим воздействием [9, 10], поэтому конечные характеристики сварных со - единений из сплава Д 16 в высокой степени за - висят от параметров процесса сварки [11, 12]. При рассмотрении процесса BFSW параметра - ми , определяющими свойства сварных соеди - нений , являются скорости сварки и вращения инструмента , глубина его внедрения , форма пле - чевой и стержневой части [13–17]. По данным исследований , обусловленные ими температура и скорость деформирования свариваемого мате - риала имеют некоторые интервалы значений , в которых формируются прочные соединения без дефектов . При этом вопросам механизмов фор - мирования структуры в процессе BFSW уделе - но гораздо меньшее внимание . На сегодняшний день имеется несколько работ , моделирующих механизм послойного переноса свариваемого материала в ходе BFSW [18, 19]. Но для решения задачи получения бездефектных и прочных свар - ных соединений сваркой типа BFSW требуется расширенное понимание основных механизмов структурообразования в процессе сварки . Исходя из этого целью работы является ис - следование механизмов формирования струк - туры в сварном соединении сплава Д 16 при изменении скорости сварки в процессе сварки трением с перемешиванием инструментом типа “bobbin tool”. Методика исследований Исследования проводились совместно с ЗАО « Чебоксарское предприятие “ Сеспель ”», с ис - пользованием оригинальных оборудования и инструмента собственной разработки для сварки трением с перемешиванием . Сварные соедине - ния получали при BFSW ( рис . 1, а , б ) заготовок из листового проката сплава Д 16 с размерами 100×250 мм и толщиной 20 мм . Параметры ин - струмента показаны на рис . 1, в . Химический со - став сплава Д 16 приведен в табл . 1. Сварка выполнялась следующим образом : в стык свариваемых кромок с торцевой стороны заготовок вводился сварочный инструмент , вра - щающийся с частотой ω = 250 об / мин . При вве - дении инструмента скорость его перемещения V составляла 5 мм / мин . Далее , после перемещения инструмента на расстояние 15 мм в глубь мате - риала , скорость перемещения увеличивалась через каждые 5 мм до величин 7,5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 мм / мин . Процесс сварки выпол -