On the problem of tool destruction when obtaining fixed joints of thick-walled aluminum alloy blanks by friction welding with mixing

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 23 No. 3 2021 73 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Введение Сварка трением с перемешиванием ( СТП ) – процесс , при котором соединение заготовок раз - личных материалов ( таких как алюминиевые и титановые сплавы , бронзы , стали и др .) проис - ходит без образования жидкой фазы [1 – 3]. Про - цесс сварки осуществляется путем внедрения специального вращающегося инструмента под нагрузкой в стык двух жестко закрепленных за - готовок , который , перемещаясь вдоль стыка , формирует сварное соединение . Ключевым пре - имуществом данного метода является то , что инструмент разогревает материал заготовок до температуры порядка 0,6…0,8 от температуры плавления , благодаря чему материал пластифи - цируется , фрагментируется и за счет адгезион - ного взаимодействия захватывается инструмен - том и послойно переносится , образуя сварной шов [4–6]. При этом в зависимости от сваривае - мого сплава инструменты могут быть изготовле - ны из быстрорежущих сталей [7, 8], жаропроч - ных никелевых сплавов [9] и других материалов , чтобы обеспечить как способность инструмента выдерживать тепловые условия процесса , так и оптимальное адгезионно - диффузионное взаимо - действие для формирования зоны перемешива - ния . Благодаря тому что процесс происходит в твердой фазе , он нашел наибольшее применение в авиационной и ракетно - космической отраслях промышленности , в частности , для сварки высо - копрочных алюминиевых сплавов [10, 11]. Но в большинстве случаев для изготовления деталей авиационно - космического назначения требуется сварка толстостенных сварных заготовок с по - следующим фрезерованием , чтобы обеспечить максимально прочную и жесткую конструкцию . В связи с этим возникает проблема , связанная с получением качественных сварных соединений толщиной 30,0 и более миллиметров : темпера - турное воздействие инструмента в зоне сварки неравномерно , из - за чего требуется контро - лировать параметры СТП , а также подбирать оптимальную форму сварочного инструмента [12]. Например , в работе [13] показано , что при сварке толстостенной заготовки размер зерна в зоне перемешивания изменяется при удалении от верхнего края сварного шва , что приводит к уменьшению микротвердости от верхнего края к нижнему . Помимо этого в работе [14] были сделаны попытки оптимизации нагрева сва - риваемого материала заготовок толщиной до 25,0 мм за счет предварительного нагрева с ис - пользованием специально разработанной под - ложки и лазерного нагревающего устройства . Однако дополнительный нагрев оказывает вли - яние и на выбор параметров сварки . В резуль - тате неоптимально выбранных параметров в сварном соединении могут сформироваться де - фекты , такие как пустоты , дефекты туннельного типа и стыковые линии , а также существует ве - роятность разрушения сварочного инструмента [15–20]. Таким образом , в настоящей работе было проведено исследование неразъемных со - единений алюминиевого сплава АМг 5 толщиной 35,0 мм , изготовленных методом сварки трением с перемешиванием , для выявления закономерно - стей формирования дефектов зоны перемешива - ния и разрушения сварочного инструмента в за - висимости от параметров процесса СТП . Методика исследований Образцы для исследований были получены на специальном оборудовании для сварки тре - нием с перемешиванием в ЗАО « Чебоксарское предприятие “ Сеспель ”», г . Чебоксары , Россия . Для изготовления неразъемных соединений были использованы сварочные инструменты из бы - строрежущей стали с плечами диаметром 50 мм и подвижным пином длиной до 35 мм . Пин ин - струмента имел коническую форму с винтовы - ми канавками и тремя лысками под углом 120º. Сварка образцов проводилась в четырех режи - мах , представленных в таблице . Схема сварки трением с перемешиванием с разрушением ин - струмента и схема вырезки образцов для ис - следований показаны на рис . 1. Полученные неразъемные соединения подвергались элек - троэрозионной резке для получения исследова - тельских образцов в продольном и поперечном сечении сварного шва с использованием станка DK7750. Образцы для металлографических ис - следований были отшлифованы на абразивной бумаге , отполированы с использованием алмаз - ной пасты и подвергнуты химическому травле - нию в реактиве Келлера для выявления микро - структуры материала . Образцы материала с застрявшим в зоне перемешивания инструментом дополнительно