ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Основной проблемой получения сварочных соединений является неравномерный нагрев зоны соединения, что приводит к различиям структуры и свойств между металлом шва и основным металлом. Одним из способов интенсификации процесса сварки является применение ультразвуковых колебаний. В результате анализа способов введения ультразвуковых колебаний в ванну расплава для проведения экспериментальных исследований выбран способ наложения колебаний на свариваемые элементы, так как данный способ позволяет оказывать воздействие на протяжении всего сварочного цикла от формирования ванны расплава до полной кристаллизации металла. Методика исследований. Проведение экспериментальных исследований осуществлялось на пластинах из углеродистой конструкционной стали Ст3 и алюминиевого деформируемого неупрочняемого сплава АМг4. В качестве источника колебаний применялась стержневая магнитострикционная колебательная система, торец которой жестко закреплялся на одной из свариваемых пластин. Для определения мест приложения источника колебаний и зоны сварки предложен метод расчета на основе равенства резонансных частот используемой колебательной системы и собственной частоты свариваемого элемента. Показано, что оптимальными местами для приложения колебаний и проведения сварки будут пучности колебаний, имеющие максимальную амплитуду. Получение швов осуществлялось методом полуавтоматической сварки в среде защитных газов. Результаты и обсуждение. Исследование микроструктуры полученных образцов показало значительное уменьшение доли дендритной ликвации. Изменения структуры являются следствием эффектов, возникающих в жидком расплаве, при введении ультразвуковых колебаний. Основными эффектами являются звуковое давление, кавитация и акустические течения. Возникающие эффекты оказывают влияние на кинетику процесса кристаллизации – увеличивается степень переохлаждения, увеличивается количество образуемых в единицу времени зародышей кристаллизации и уменьшается скорость их роста. Изменения структуры металла шва приводят к повышению качества сварного соединения, у которого снижаются сварочные деформации, увеличивается временное сопротивление и значительно повышается пластичность.

1. Wang H., Cen S. Research on microstructure and mechanical properties of CMT and MIG welded joints of A6N01 aluminum alloy // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – Vol. 2185, iss. 1. – P. 012051. – DOI: 10.1088/1742-6596/2185/1/012051.

2. Sundukov S.K., Nigmetzyanov R.I., Fatyukhin D.S. Structure of the weld formed during the application of ultrasonic vibrations // Russian Metallurgy (Metally). – 2021. – Vol. 13. – P. 1667–1672. – DOI: 10.1134/S0036029521130309.

3. Improvement of operational properties of parts permanent joints with ultrasound technologies use / V. Prikhodko, M. Karelina, S. Sundukov, A. Sukhodolya, V. Moiseev // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1353, iss. 1. – P. 012081. – DOI: 10.1088/1742-6596/1353/1/012081.

4. Повышение эксплуатационных свойств сварных швов ультразвуковыми методами / Н.В. Бабченко, О.В. Селиверстова, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2014. – № 1 (36). – С. 44–49.

5. Bhadeshia H.K.D.H. Problems in the welding of automotive alloys // Science and Technology of Welding and Joining. – 2015. – Vol. 20, iss. 6. – P. 451–453. – DOI: 10.1179/15Z.000000000379.

6. Рабкин Д.М., Лозовская А.В., Склабинская И.Е. Металловедение сварки алюминия и его сплавов. – Киев: Наукова думка, 1992. – 158 с. – ISBN 5-12-002022-4.

7. Xiao R., Zhang X. Problems and issues in laser beam welding of aluminum–lithium alloys // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16, iss. 2. – P. 166–175. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2013.10.005.

8. Statnikov E.S., Muktepavel V.O. Technology of ultrasound impact treatment as a means of improving the reliability and endurance of welded metal structures // Welding International. – 2003. – Vol. 17, iss. 9. – P. 741–744. – DOI: 10.1533/wint.2003.3192.

9. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / под общ. ред. В.О. Абрамова и В.М. Приходько. – М.: Янус-К, 2006. – 688 с. – ISBN 5-8037-0314-1.

10. Influence of ultrasound on submicrostructure of weld seam / S.K. Sundukov, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhod’ko, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2021. – Vol. 41, iss. 6. – P. 570–573. – DOI: 10.3103/S1068798X21060228.

11. Influence of high-intensity ultrasound on grain refining performance of Al–5Ti–1B master alloy on aluminium / Y. Han, K. Li, J. Wang, D. Shu, B. Sun // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 405, iss. 1–2. – P. 306–312. – DOI: 10.1016/j.msea.2005.06.024.

12. Thermal melt processing of metallic alloys / U. Dahlborg, M. Calvo-Dahlborg, D.G. Eskin, P.S. Popel // Solidification Processing of Metallic Alloys Under External Fields. – Cham: Springer, 2018. – P. 277–315. – DOI: 10.1007/978-3-319-94842-3_8.

13. Патент № 515608 СССР. Способ ручной электродуговой сварки / Статников Е.Ш., Шевцов Е.М., Меркель М.С., Казанцев В.Ф. – № 2022257/27; заявл. 13.05.1974; опубл. 30.05.1976, Бюл. № 20.

14. Investigation of formation and microstructure of Ti-6Al-4V weld bead during pulse ultrasound assisted TIG welding / C. Chen, C. Fan, X. Cai, S. Lin, Z. Liu, Q. Fan, C. Yang // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 46. – P. 241–247. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.09.014.

15. Process stability of ultrasonic-wave-assisted gas metal arc welding / C. Fan, W. Xie, C. Yang, S. Lin, Y. Fan // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2017. – Vol. 48, iss. 10. – P. 4615–4621. – DOI: 10.1007/s11661-017-4226-3.

16. Cui Y., Xu C., Han Q. Microstructure Improvement in weld metal under the ultrasonic application // Advanced Engineering Materials. – 2007. – Vol. 9, iss. 3. – P. 161–163 – DOI: 10.1002/adem.200600228.

17. Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding / W. Xie, C. Fan, C. Yang, S. Lin // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 476–484. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2015.11.001.

18 Eskin G.I. Broad prospects for commercial application of the ultrasonic (cavitation) melt treatment of light alloys // Ultrasonics Sonochemistry. – 2001. – Vol. 8, iss. 3. – P. 319–325. – DOI: 10.1016/S1350-4177(00)00074-2.

19. Improving arc joining of Al to steel and Al to stainless steel / H. Dong, L. Yang, C. Dong, S. Kou // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 534. – P. 424–435. – DOI: 10.1016/j.msea.2011.11.090.

20. Characteristics of periodic ultrasonic assisted TIG welding for 2219 aluminum alloys / X. Cai, S. Lin, X. Wang, C. Yang, C. Fan // Materials. – 2019. – Vol. 12, iss. 24. – P. 4081. – DOI: 10.3390/ma12244081.

21. Microstructure evolutions and properties of Al–Cu alloy joint in the pulsed power ultrasonic-assisted GMAW / C. Chen, C. Fan, Z. Liu, X. Cai, S. Lin, Y. Zhuo // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2020. – Vol. 33, iss. 10. – P. 1397–1406. – DOI: 10.1007/s40195-020-01066-4.

22. Effect of ultrasound on heterogeneous nucleation in TIG welding of Al–Li alloy / Q.-H. Chen, S.-B. Lin, C.-L. Yang, C.-L. Fan, H.-L. Ge // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2016. – Vol. 29, iss. 12. – P. 1081–1088. – DOI: 10.1007/s40195-016-0483-1.

23. Cunha T.V. da, Bohórquez C.E.N. Ultrasound in arc welding: a review // Ultrasonics. – 2015. – Vol. 56. – P. 201–209. – DOI: 10.1016/j.ultras.2014.10.007.

24. Сундуков С.К., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С. Ультразвуковые технологии при получении неразъемных соединений. Обзор. Ч. 2 // Технология металлов. – 2021. – № 9. – С. 2–8. – DOI: 10.31044/1684-2499-2021-0-9-2-8.

25. Rusinko A. Analytical description of ultrasonic hardening and softening // Ultrasonics. – 2011. – Vol. 51, iss. 6. – P. 709–714. – DOI: 10.1016/j.ultras.2011.02.003.

26. Выбор и оптимизация режимов ультразвукового поверхностного деформирования / В.Ф. Казанцев, Ю.М. Лужнов, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2016. – № 4. – С. 26–32.

27. Stress relaxation due to ultrasonic impact treatment on multi-pass welds / H. Gao, R.K. Dutta, R.M. Huizenga, M. Amirthalingam, M.J.M. Hermans, T. Buslaps, I.M. Richardson // Science and Technology of Welding and Joining. – 2014. – Vol. 19, iss. 6. – P. 505–513. – DOI: 10.1179/1362171814Y.0000000219.

28. Теория сварочных процессов / под ред. В.В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с. – ISBN 5-06-001473-8.

29. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. – М.: Наука, 1970. – 689 с.

30. Rozenberg L.D. On the physics of ultrasonic cleaning // Ultrasonic News. – 1960. – Vol. 4, iss. 4. – P. 16–20.

31. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 519–523. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.

32. Nikitenko S.I., Pflieger R. Toward a new paradigm for sonochemistry: short review on nonequilibrium plasma observations by means of MBSL spectroscopy in aqueous solutions // Ultrasonics Sonochemistry. – 2017. – Vol. 35. – P. 623–630. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2016.02.003.

33. Comparative study on the cavitation erosion and sliding wear of cold-sprayed Al/Al2O3 and Cu/Al2O3 coatings, and stainless steel, aluminium alloy, copper and brass / M. Szala, M. Walczak, L. Latka, M. Winnicki // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 7. – P. 856. – DOI: 10.3390/met10070856.

34. Nolting B.E., Neppiras E.A. Cavitation produced by ultrasonics // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1950. – Vol. 63, iss. 9. – P. 674.

35. A comparison of the effects of ultrasonic cavitation on the surfaces of 45 and 40Kh steels / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2022. – Vol. 12, iss. 1. – P. 138. – DOI: 10.3390/met12010138.

36. Modelling of cavitational erosion in the area of surfaces of smooth contact / V.M. Prikhodko, A.P. Buslaev, S.B. Norkin, M.V. Yashina // Ultrasonics Sonochemistry. – 2001. – Vol. 8, iss. 1. – P. 59–67. – DOI: 10.1016/S1350-4177(99)00048-6.

37. Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders / H. Lais, P.S. Lowe, T.-H. Gan, L.C. Wrobel // Ultrasonics Sonochemistry. – 2018. – Vol. 45. – P. 7–16. – DOI: 10.1016/j.ultsonch.2018.02.045.