Stir zone material flow patterns during friction stir welding of heavy gauge AA5056 workpieces and stability of its mechanical properties

OBRABOTKAMETALLOV Vol. 23 No. 4 2021 141 MATERIAL SCIENCE Введение Обработка трением с перемешиванием ( ОТП ), или фрикционная перемешивающая об - работка , и сварка трением с перемешиванием ( СТП ) являются практически идентичными про - цессами интенсивной пластической деформа - ции в условиях повышенной температуры [1–3]. Различаются эти технологии в основном целью использования : формирование упрочненного поверхностного слоя или получение неразъем - ного соединения . При погружении вращающе - гося инструмента в заготовку и при дальнейшем его продвижении материал разогревается и под - вергается пластической деформации , происхо - дит фрагментация зеренной структуры , а затем остывание перенесенного материала и его одно - временная рекристаллизация , что приводит к значительным изменениям в структуре матери - ала и его механических свойствах . В основном указанные технологии применяются для сварки или обработки различных алюминиевых спла - вов [4–16]. Наиболее применимыми являются алюминиево - магниевые сплавы АМг 5, АМг 6 [5, 7, 9, 12], сплавы системы Al-Mg-Sc, Al-Mg- Sc-Zr [13, 15], Al-Cu-Li [11], Al-Zn-Mg-Cu [14, 16], Al-Cu-Mg [16] и др . Возможно получение соединений и покрытий на основе разнородных металлов и сплавов системы Al-Cu [17], Cu-Fe [18] и других , а также формирование различных упрочненных композиционных материалов с ме - таллической матрицей [18–20]. Достаточно вы - сокую степень применимости имеет технология фрикционной перемешивающей обработки для упрочнения материалов , полученных методами аддитивных технологий [12, 18]. Обработку тре - нием с перемешиванием можно проводить как по всей толщине заготовки , так и регулировать глубину обрабатываемой области за счет раз - мера инструмента . Сварка трением с перемеши - ванием возможна как встык , так и внахлест , а также с различной разделкой кромок до сварки . В зависимости от толщины заготовки структура зоны перемешивания значительно отличается : в заготовках больших толщин характерного для СТП - или ОТП - образцов толщиной 2…10 мм монолитного ядра не образуется , что подробно показано на примере СТП - соединения из сплава системы Al-Mg-Sc-Zr толщиной 35 мм в работе [13]. В данном случае ввиду большой толщины заготовки и возникающих температурных гра - диентов происходит изменение условий адгези - онного взаимодействия , пластического течения материала и формирования зоны перемешива - ния по сравнению с тонколистовыми заготовка - ми с принципиально отличными показателями отвода тепла . В связи с этим одной из наиболее актуальных задач для исследований является определение закономерности течения матери - ала по контуру инструмента и формирование механических свойств обработанного материа - ла или сварного шва в различных направлениях при проведении обработки или сварки заготовок больших толщин . Целью настоящей работы яв - ляется получение экспериментальных образцов зоны перемешивания большой толщины и ис - следования стабильности ее формирования и однородности механических свойств . Методика исследований Обработка / сварка трением с перемешивани - ем ( фрикционная перемешивающая обработка ) проводилась на установке в ЗАО « Чебоксар - ское предприятие “ Сеспель ” на плитах шириной 200 мм листового проката сплава АМг 5 тол - щиной 35 мм . Обработку / сварку проводили по схеме , представленной на рис . 1. Заготовку 1 обрабатывали инструментом 2 путем внедрения пина 3 при вращении 4 инструмента с последую - щим перемещением вдоль линии стыка 5 . Такая технология была использована не для создания соединения , а с целью определения граничных значений параметров процесса интеллектуаль - ной адаптивной сварки трением с перемешива - нием для плит сплава АМг 5 толщиной 35 мм . Скорость вращения инструмента ( ω ) составляла 250 об / мин , скорость продольного перемещения инструмента ( v ) была 250 мм / мин , сила прижа - тия инструмента к заготовке ( P ) – 3600 кг , угол наклона инструмента составлял 3,0 град . Пара - метры процесса подбирались опытным путем . Длина соединения обрабатываемой области со - ставляла 250 мм . Образцы для механических испытаний вырезали на участке шва 6 . Образцы из зоны обработки 7 вырезали в вертикальном направлении 8 , поперечном направлении 9 и продольном направлении 10 в количестве вось - ми образцов для каждого направления . Размер исследуемой области не соответствует Межго -