ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Среди технологий изготовления корпусов ракет и летательных аппаратов, морских судов и автомобилей в настоящее время все большее внимание уделяется технологии сварки трением с перемешиванием (СТП). В первую очередь использование данной технологии необходимо там, где требуется выполнять получение неразъемных соединений из высокопрочных алюминиевых сплавов. При этом особенное внимание необходимо уделять сварке толстостенных заготовок, так как неразъемные соединения толщиной 30,0 мм и выше являются целевыми изделиями в ракетно-космической и авиационной отраслях промышленности, но в то же время наиболее подвержены формированию дефектов ввиду неравномерного распределения тепла по высоте заготовки, что может привести к нарушению адгезионного взаимодействия свариваемого металла с инструментом и даже привести к разрушению сварочного инструмента. Целью данной работы являлось выявление закономерностей разрушения сварочного инструмента в зависимости от параметров процесса сварки трением с перемешиванием неразъемных соединений алюминиевого сплава АМг5 толщиной 35,0 мм. В работе были использованы следующие методы исследований: изготовление неразъемных соединений проводилось методом сварки трением с перемешиванием, изготовление образцов для исследований выполнялось методом электроэрозионной резки, исследование образцов выполнялось с использованием методов оптической металлографии. Результаты и обсуждение. В результате проведенных исследований обнаружено, что в образцах алюминиевого сплава толщиной 35,0 мм формируется неоднородная структура по высоте шва, в которой отчетливо выделяются зона влияния плеч инструмента и зона влияния пина, в которой формируются отдельные завихрения материала шва, обусловленные наличием канавок на поверхности инструмента. Показано, что зона влияния плеч наиболее подвержена формированию дефектов туннельного типа из-за низкого нагружающего усилия и высоких скоростей сварки. Выявлено, что разрушение инструмента происходит по касательной к поверхности канавок инструмента за счет высокой нагрузки инструмента и высоких скоростей сварки.
Калашников Кирилл Николаевич
Чумаевский Андрей Валерьевич
Калашникова Татьяна Александровна
Иванов Алексей Николаевич
Рубцов Валерий Евгеньевич
Колубаев Евгений Александрович
Бакшаев Владимир Александрович
1. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2005. – Vol. 50, iss. 1. – P. 1–78. – DOI: 10.1016/j.mser.2005.07.001.
2. Friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, A.J. Leonard, H.R. Shercliff, P.J. Withers // International Materials Reviews. – 2009. – Vol. 54, iss. 2. – P. 49–93. – DOI: 10.1179/174328009X411136.
3. Yu P., Wu C., Shi L. Analysis and characterization of dynamic recrystallization and grain structure evolution in friction stir welding of aluminum plates // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 207. – P. 116692. – DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116692.
4. Material transfer by friction stir processing / A.A. Eliseev, T.A. Kalashnikova, A.V. Filippov, E.A. Kolubaev // Multiscale Biomechanics and Tribology of Inorganic and Organic Systems: In memory of Professor Sergey Psakhie / ed. by G.-P. Ostermeyer, V.L. Popov, E.V. Shilko, O.S. Vasiljeva. – Cham: Springer International Publishing, 2021. – P. 169–188. – DOI: 10.1007/978-3-030-60124-9_8.
5. Friction stir welding of copper: numerical modeling and validation / P. Sahlot, A.K. Singh, V.J. Badheka, A. Arora // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2019. – Vol. 72, iss. 5. – P. 1339–1347. – DOI: 10.1007/s12666-019-01629-9.
6. Hwang Y.M., Fan P.L., Lin C.H. Experimental study on friction stir welding of copper metals // Journal of Materials Processing Technology. – 2010. – Vol. 210, iss. 12. – P. 1667–1672. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2010.05.019.
7. Studies on effect of tool design and welding parameters on the friction stir welding of dissimilar aluminium alloys AA 5052 – AA 6061 / V. RajKumar, M. VenkateshKannan, P. Sadeesh, N. Arivazhagan, K.D. Ramkumar // Procedia Engineering. – 2014. – Vol. 75. – P. 93–97. – DOI: 10.1016/j.proeng.2013.11.019.
8. Tarasov S.Y., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A. A proposed diffusion-controlled wear mechanism of alloy steel friction stir welding (FSW) tools used on an aluminum alloy // Wear. – 2014. – Vol. 318, iss. 1. – P. 130–134. – DOI: 10.1016/j.wear.2014.06.014.
9. Wear of ZhS6U nickel superalloy tool in friction stir processing on commercially pure titanium / A. Amirov, A. Eliseev, E. Kolubaev, A. Filippov, V. Rubtsov // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 6. – DOI: 10.3390/met10060799.
10. Burford D., Widener C., Tweedy B. Advances in friction stir welding for aerospace applications // 6th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference (ATIO). – Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2006. – DOI: 10.2514/6.2006-7730.
11. Development of friction stir welding technologies for in-space manufacturing / W.R. Longhurst, C.D. Cox, B.T. Gibson, G.E. Cook, A.M. Strauss, I.C. Wilbur, B.E. Osborne // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 90, iss. 1. – P. 81–91. – DOI: 10.1007/s00170-016-9362-1.
12. Design and optimization of friction stir welding tool / M. Aissani, S. Gachi, F. Boubenider, Y. Benkedda // Materials and Manufacturing Processes. – 2010. – Vol. 25, iss. 11. – P. 1199–1205. – DOI: 10.1080/10426910903536733.
13. Avettand-Fenoel M.-N., Taillard R. Heterogeneity of the nugget microstructure in a thick 2050 Al friction-stirred weld // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 2015. – Vol. 46, iss. 1. – P. 300–314. – DOI: 10.1007/s11661-014-2638-x.
14. Friction stir welding of thick aluminium welds–challenges and perspectives / M. Imam, Y. Sun, H. Fujii, Y. Aoki, N. MA, S. Tsutsumi, H. Murakawa // Friction Stir Welding and Processing IX / ed. by Y. Hovanski, R. Mishra, Y. Sato, P. Upadhyay, D. Yan. – Cham: Springer, 2017. – P. 119–124. – DOI: 10.1007/978-3-319-52383-5_13.
15. Das B., Pal S., Bag S. Defect detection in friction stir welding process using signal information and fractal theory // Procedia Engineering. – 2016. – Vol. 144. – P. 172–178. – DOI: 10.1016/j.proeng.2016.05.021.
16. Friction stir welding of dissimilar aluminum alloys AA2219 to AA5083 – Optimization of process parameters using Taguchi technique / M. Koilraj, V. Sundareswaran, S. Vijayan, S.R. Koteswara Rao // Materials and Design. – 2012. – Vol. 42. – P. 1–7. – DOI: 10.1016/j.matdes.2012.02.016.
17. Investigation of weld defects in friction-stir welding and fusion welding of aluminium alloys / P. Kah, R. Rajan, J. Martikainen, R. Suoranta // International Journal of Mechanical and Materials Engineering. – 2015. – Vol. 10, iss. 1. – P. 26. – DOI: 10.1186/s40712-015-0053-8.
18. Al-Moussawi M., Smith A.J. Defects in friction stir welding of steel // Metallography, Microstructure, and Analysis. – 2018. – Vol. 7, iss. 2. – P. 194–202. – DOI: 10.1007/s13632-018-0438-1.
19. Wang G., Zhao Y., Hao Y. Friction stir welding of high-strength aerospace aluminum alloy and application in rocket tank manufacturing // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34, iss. 1. – P. 73–91. – DOI: 10.1016/j.jmst.2017.11.041.
20. Dialami N., Cervera M., Chiumenti M. Defect formation and material flow in Friction Stir Welding // European Journal of Mechanics: A, Solids. – 2020. – Vol. 80. – P. 103912. – DOI: 10.1016/j.euromechsol.2019.103912.
21. Chen Z.W., Cui S. On the forming mechanism of banded structures in aluminium alloy friction stir welds // Scripta Materialia. – 2008. – Vol. 58, iss. 5. – P. 417–420. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2007.10.026.
22. Ávila R.E. A variational model for shear stress in friction stir welding based on the weld shape in transverse sections // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2006. – Vol. 14, iss. 4. – P. 689–702. – DOI: 10.1088/0965-0393/14/4/011.
Финансирование:
Работа выполнена в рамках комплексного проекта «Создание производства высокотехнологичного крупногабаритного оборудования интеллектуальной адаптивной сварки трением с перемешиванием для авиакосмической и транспортной отраслей РФ» (соглашение о предоставлении субсидии от 22.11.2019 № 075-11-2019-033), реализуемого ЗАО «Чебоксарское предприятие “Сеспель”», НГТУ и ИФПМ СО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках постановления Правительства РФ от 09.04.2010 № 218.
Благодарности:
Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов».
К проблеме разрушения инструмента при получении неразъемных соединений толстостенных заготовок алюминиевых сплавов сваркой трением с перемешиванием / К.Н. Калашников, А.В. Чумаевский, Т.А. Калашникова, А.Н. Иванов, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев, В.А. Бакшаев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 3. – С. 72–83. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-72-83.
Kalashnikov K.N., Chumaevskii A.V., Kalashnikova T.A., Ivanov A.N., Rubtsov V.E., Kolubaev E.A., Bakshaev V.A. On the problem of tool destruction when obtaining fixed joints of thick-walled aluminum alloy blanks by friction welding with mixing. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2021, vol. 23, no. 3, pp. 72–83. DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.3-72-83. (In Russian).
