ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Одним из типов сварки трением с перемешиванием является сварка инструментом типа «bobbin tool» (BFSW), позволяющая получать сварные соединения различной конфигурации без использования подложки и осевого усилия внедрения, а также снизить тепловые потери и градиент температурного воздействия по толщине свариваемого материала. Это делает процесс BFSW эффективным для сварки алюминиевых сплавов, свойства которых определяются структурно-фазовым состоянием. По данным исследований, температура и скорость деформирования свариваемого материала имеют некоторые интервалы значений, в которых формируются прочные соединения без дефектов. При этом вопросам механизмов формирования структуры в процессе BFSW уделено гораздо меньшее внимание. Поэтому для решения задачи получения бездефектных и прочных сварных соединений сваркой типа BFSW требуется расширенное понимание основных механизмов структурообразования в процессе сварки. Целью работы является исследование механизмов формирования структуры в сварном соединении сплава Д16 при изменении скорости сварки в процессе сварки трением с перемешиванием инструментом типа «bobbin tool». Результаты и обсуждение. Условия формирования сварного соединения в процессе BFSW определяются тепловложением в свариваемый материал, его фрагментацией и пластическим течением по контуру инструмента, которые зависят от соотношения скоростей вращения и перемещения сварочного инструмента. Механизмы формирования соединения основаны на сочетании равно значимых процессов адгезионного взаимодействия в системе «инструмент – материал» и экструзивного выдавливания металла в зону за сварочным инструментом. В сочетании с условиями теплоотвода и конфигурацией системы «инструмент – материал», это приводит к экструзии материала из сварного соединения и его разуплотнению. Результатом является формирование протяженных дефектов. Повышение скорости перемещения инструмента способствует снижению удельного тепловложения, но при сварке протяженных соединений из-за характерных условий теплоотвода количество тепла, выделяющегося в соединении, возрастает. В результате происходит изменение условий протекания процессов адгезионного взаимодействия и экструзивного выдавливания, что приводит либо к росту уже имеющихся, либо к формированию новых дефектов. C учетом комплексности механизмов формирования структуры сварных соединений способом BFSW, получение бездефектных сварных соединений подразумевает обязательное использование различных методов неразрушающего контроля в сочетании с адаптивным регулированием технологических параметров непосредственно в ходе сварочного процесса.

1. The use of bobbin tools for friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, M.M.Z. Ahmed, J.P. Martin, J.G. Perrett, B.P. Wynne // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 638–642. – P. 1179–1184. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.638-642.1179.

2. Fuse K., Badheka V. Bobbin tool friction stir welding: a review // Science and Technology of Welding and Joining. – 2019. – Vol. 24 (4). – P. 277–304. – DOI: 10.1080/13621718.2018.1553655.

3. Microstructural characteristics and mechanical properties of friction stir welded thick 5083 aluminum alloy / M. Imam, Y. Sun, H. Fujii, N. Ma, S. Tsutsumi, H. Murakawa // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2017. – Vol. 48. – P. 208–229. – DOI: 10.1007/s11661-016-3819-6.

4. Simulation on the temperature field of bobbin tool friction stir welding of AA 2014 aluminium alloy / X.M. Liu, J.S. Yao, Y. Cai, H. Meng, Z.D. Zou // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – Vol. 433–435. – P. 2091–2095. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.433-435.2091.

5. A comparative research on bobbin tool and conventional friction stir welding of Al-Mg-Si alloy plates / C. Yang, D.R. Ni, P. Xue, B.L. Xiao, W. Wang, K.S. Wang, Z.Y. Ma // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 145. – P. 20–28. – DOI: 10.1016/j.matchar.2018.08.027.

6. Bobbin and conventional friction stir welding of thick extruded AA6005-T6 profiles / M. Esmaily, N. Mortazavi, W. Osikowicz, H. Hindsefelt, J.E. Svensson, M. Halvarsson, J. Martin, L.G. Johansson // Materials and Design. – 2016. – Vol. 108. – P. 114–125. – DOI: 10.1016/j.matdes.2016.06.089.

7. Semi-stationary shoulder bobbin tool friction stir welding of AA2198-T851 / J. Goebel, M. Reimann, A. Norma, J.F. Dos Santos // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 245. – P. 37–45. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2017.02.011.

8. Comparative study on local and global mechanical properties of bobbin tool and conventional friction stir welded 7085-T7452 aluminum thick plate / W. Xu, Y. Luo, W. Zhang, M. Fu // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34. – P. 173–184. – DOI: 10.1016/j.jmst.2017.05.015.

9. Experimental investigation of fatigue properties of FSW in AA2024-T351 / M. Milcic, Z. Burzic, I. Radisavljevic, T. Vuherer, D. Milcic, V. Grabulov // Procedia Structural Integrity. – 2018. – Vol. 13. – P. 1977–1984. – DOI: 10.1016/j.prostr.2018.12.220.

10. Ultrasonic assisted second phase transformations under severe plastic deformation in friction stir welding of AA2024 / A.A. Eliseev, T.A. Kalashnikova, D.A. Gurianov, V.E. Rubtsov, A.N. Ivanov, E.A. Kolubaev // Materials Today Communications. – 2019. – Vol. 21. – P. 100660. – DOI: 10.1016/j.mtcomm.2019.100660.

11. Microstructural characteristics and mechanical properties of bobbin-tool friction stir welded 2024–T3 aluminum alloy / J. Dong, C. Gao, Y. Lu, J. Han, X. Jiao, Z. Zhu // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. – 2017. – Vol. 24. – P. 171–178. – DOI: 10.1007/s12613-017-1392-7.

12. Влияние режима сварки трением с перемешиванием и ее направления относительно направления прокатки сплава Д16 на структуру и свойства его сварных соединений / А.Н. Иванов, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев, В.А. Бакшаев, И.Н. Ивашкин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 4. – С. 110–123. – DOI: 10.17212/1994-6309-2020-22.4-110-123.

13. Quality improvement of bobbin tool friction stir welds in Mg-Zn-Zr alloy by adjusting tool geometry / G.H. Li, L. Zhou, S.F. Luo, F.B. Dong, N. Guo // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 282. – P. 116685. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116685.

14. Effect of an improved pin design on weld formability and mechanical properties of adjustable-gap bobbin-tool friction stir welded Al-Cu aluminum alloy joints / D. Wu, W.Y. Li, Y.J. Gao, J. Yang, Y. Su, Q. Wen, A. Vairis // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 1182–1188. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.09.015.

15. Microstructural characteristics and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded 2A14-T6 aluminum / H. Zhang, M. Wang, X. Zhang, G. Yang // Materials and Design. – 2015. – Vol. 65. – P. 559–566. – DOI: 10.1016/j.matdes.2014.09.068.

16. Macrostructure, microstructure and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded ZK60 Mg alloy joints / G. Li, L. Zhou, J. Zhang, S. Luo, N. Guo // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, iss. 4. – P. 9348–9361. – DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.05.067.

17. Temperature measurement and control of bobbin tool friction stir welding / S. Chen, H. Li, S. Lu, R. Ni, J. Dong. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 86. – P. 337–346. – DOI: 10.1007/s00170-015-8116-9.

18. Tamadon A., Pons D.J., Clucas D. Structural anatomy of tunnel void defect in bobbin friction stir welding, elucidated by the analogue modelling // Applied System Innovation. – 2020. – Vol. 3. – P. 2. – DOI: 10.3390/asi3010002.

19. Internal material flow layers in AA6082-T6 butt-joints during bobbin friction stir welding / A. Tamadon, D.J. Pons, D. Clucas, K. Sued // Metals. – 2019. – Vol. 9. – P. 1059. – DOI: 10.3390/met9101059.

20. Seidel T.U., Reynolds A.P. Visualization of the material flow in AA2195 friction-stir welds using a marker insert technique // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2001. – Vol. 32. – P. 2879–2884. – DOI: 10.1007/s11661-001-1038-1.

21. A finite element model to simulate defect formation during friction stir welding / Z. Zhu, M. Wang, H. Zhang, X. Zhang, T. Yu, Z. Wu // Metals. – 2017. – Vol. 7. – P. 256. – DOI: 10.3390/met7070256.

22. Formation mechanisms for entry and exit defects in bobbin friction stir welding / A. Tamadon, D.J. Pons, K. Sued, D. Clucas // Metals. – 2018. – Vol. 8. – P. 33. – DOI: 10.3390/met8010033.

23. Microstructural analysis of friction stir butt welded Al-Mg-Sc-Zr alloy heavy gauge sheets / T. Kalashnikova, A. Chumaevskii, K. Kalashnikov, S. Fortuna, E. Kolubaev, S. Tarasov // Metals. – 2020. – Vol. 10 (6). – P. 1–20. – DOI: 10.3390/met10060806.

24. Dislocation physics in the multilevel approach to plastic deformation / E.V. Kozlov, L.I. Trishkina, N.A. Popova, N.A. Koneva // Physical Mesomechanics. – 2011. – Vol. 14. – P. 283. – DOI: 10.1016/j.physme.2011.12.007.

25. Grimes R. Superplastic forming of aluminium alloys // Superplastic forming of advanced metallic materials: methods and applications / ed. by G. Giuliano. – Cambridge; Philadelphia, PA: Woodhead Publishing, 2011. – P. 247–271. – (Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering).