ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ • ОБОРУДОВАНИЕ • ИНСТРУМЕНТЫPrint ISSN: 1994-6309 Online ISSN: 2541-819X
Введение. Алюминиевые сплавы широко востребованы в судостроении и авиастроении. В настоящем исследовании особое внимание уделено влиянию двух видов наконечников сварочного инструмента с различной геометрией на характеристики растяжения сварных соединений сплава АА8011. Технология соединения – сварка трением с перемешиванием (СТП) – выбрана из-за уникальных свойств, таких как очень малая ширина зоны термического влияния при соединении в твердом состоянии. На микроструктуру и механические свойства сварного соединения влияет геометрия инструмента и такие параметры, как скорость вращения и перемещения инструмента. Методы исследования. Эксперименты по СТП проводили на универсальном фрезерном станке сварочным инструментом с двумя видами наконечников – в форме усеченного конуса и цилиндра с резьбой – в трех различных режимах (1 – 320 об/мин, 45 мм/мин; 2 – 400 об/мин, 50 мм/мин; 3 – 575 об/мин, 60 мм/мин). Для анализа характеристик соединения были проведены испытания на растяжение и рассчитана максимальная прочность на разрыв, а также для каждого отдельного случая было рассчитано отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла. Результаты и обсуждение. Полученные результаты свидетельствуют о том, что более высокие значения частоты вращения оказывают положительное влияние на прочность сварного соединения в случае использования сварочного инструмента с наконечником как в форме усеченного конуса, так и в форме цилиндра с резьбой. Независимо от частоты вращения и скорости подачи прочность сварного соединения на разрыв и отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла стабильно выше в случае использования сварочного инструмента с наконечником в форме усеченного конуса по сравнению с наконечником в форме цилиндра с резьбой. Независимо от геометрии наконечника прочность сварного соединения на разрыв и отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла максимальны при более высокой частоте вращения инструмента и составляют 123 МПа и 73,6 % для наконечника в форме усеченного конуса и 142 МПа и 85 % для наконечника в форме цилиндра с резьбой при 575 об/мин и 60 мм/мин. Это самые высокие значения по сравнению с 119 МПа и 72,5 % при 320 об/мин, 45 мм/мин; 115 МПа и 70,1 % при 400 об/мин, 50 мм/мин для инструмента с наконечником в форме усеченного конуса;138 МПа и 82,6 % при 320 об/мин, 45 мм/мин и 77,8 % и 130 МПа при 400 об/мин, 50 мм/мин для наконечника в форме цилиндра с резьбой. В целом исследование показывает, что соединения, полученные при помощи инструмента с наконечником в форме цилиндра с резьбой, имеют более высокую прочность на разрыв и отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла, чем соединения, полученные при помощи инструмента с наконечником в форме усеченного конуса. Наибольшие прочность на разрыв и отношение прочности сварного соединения к прочности основного металла – 142 МПа и 84,5 % соответственно – были достигнуты при использовании инструмента с наконечником в форме цилиндра с резьбой при 575 об/мин и 60 мм/мин.
Раджпут Йогендра Сингх
Шарма Авадеш Кумар
Мишра Вибхути Нараян
Саксена Кушал
Дипак Деш
Шарма Шиам Сандер
1. Friction stir butt welding: International patent application No. 9125978.8, PCT/GB92/02203 and GB patent application: 1991 / W.M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham, M.G. Murch, P. Templesmith, C.J. Dawes.
2. Dawes C., Thomas W. Friction stir joining of aluminum alloys // TWI Bulletin. – 1995. – Vol. 6. – P. 124–127.
3. Effects of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminium / C.G. Rhodes, M.W. Mahoney, W.H. Bingel, R.A. Spurling, C.C. Bampton // Scripta Materialia. – 1997. – Vol. 36 (1). – P. 69–75.
4. Microstructural aspects of the friction-stir welding of 6061-T6 aluminum / G. Liu, L.E. Murr, C.S. Niou, J.C. McClure, F.R. Vega // Scripta Materialia. – 1997. – Vol. 37 (3). – P. 355–361.
5. Jata K.V., Semiatin S.L. Continuous dynamic recrystallization during friction stir welding of high strength aluminum alloys // Scripta Materialia. – 2000. – Vol. 43 (8). – P. 743–749.
6. Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminum / S. Benavides, Y. Li, L.E. Murr, D. Brown, J.C. McClure // Scripta Materialia. – 1999. – Vol. 41 (8). – P. 809–815.
7. Friction-based welding processes: friction welding and friction stir welding / D.K. Rajak, D.D. Pagar, P.L. Menezes, A. Eyvazian // Journal of Adhesion Science and Technology. – 2020. – Vol. 34 (24). – P. 2613–2637. – DOI: 10.1080/01694243.2020.1780716.
8. On the FSW of AA2024-T4 and AA7075-T6 T-joints: an industrial case study / F. Acerra, G. Buffa, L. Fratini, G. Troiano // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2010. – Vol. 48. – P. 1149–1157. – DOI: 10.1007/s00170-009-2344-9.
9. Cavaliere P., Cerri E., Squillace A. Mechanical response of 2024–7075 aluminium alloys joined by Friction Stir Welding // Journal of Materials Science. – 2005. – Vol. 40. – P. 3669–3676. – DOI: 10.1007/s10853-005-0474-5.
10. Rajpoot Y.S., Narayanan R.G., Das S. Predicting the effect of tool configuration during friction stir welding by cellular automata finite element analyses // International Journal of Manufacturing Research. – 2018. – Vol. 13 (4). – P. 359–381. – DOI: 10.1504/IJMR.2018.095377.
11. Influence of probe offset distance on interfacial microstructure and mechanical properties of friction stir butt welded joint of Ti6Al4V and A6061 dissimilar alloys / Z. Song, K. Nakata, A. Wu, J. Liao, L. Zhou // Materials & Design. – 2014. – Vol. 57. – P. 269–278. – DOI: 10.1016/j.matdes.2013.12.040.
12. Effect of tool eccentricity on the properties of friction stir welded AA6061 aluminum alloys / L.H. Shah, S. Guo, S. Walbridge, A. Gerlich // Manufacturing Letters. – 2018. – Vol. 15, pt. A. – P. 14–17. – DOI: 10.1016/j.mfglet.2017.12.019.
13. Hussain A.K., Quadri S.A.P. Evaluation of parameters of friction stir welding for aluminium AA6351 alloy // International Journal of Engineering Science and Technology. – 2010. – Vol. 2 (10). – P. 5977–5984.
14. Rajpoot Y.S., Saxena K., Deepak D. A review on the influence of tool pin profile on microstructure and mechanical properties of friction stir welded joints // Advances in Manufacturing Engineering: Select Proceedings of ICFAMMT 2022. – Singapore: Springer, 2022. – P. 119–149. – DOI: 10.1007/978-981-19-4208-2_10.
15. Cam G., Mistikoglu S. Recent developments in friction stir welding of Al-alloys // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23. – P. 1936–1953. – DOI: 10.1007/s11665-014-0968-x.
16. Mikhail J., Ibrahim R., Lathabai S. Effect of tool design on the microstructure and microhardness of friction stir processed 5005-H34 aluminium alloy // Proceedings of SPIE. – 2013. – Vol. 8793: Fourth International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering. – P. 334–340. – DOI: 10.1117/12.2026587.
17. Venkata Rao Ch., Madhusudhan Reddy G., Srinivasa Rao K. Influence of tool pin profile on microstructure and corrosion behaviour of AA2219 Al–Cu alloy friction stir weld nuggets // Defence Technology. – 2015. – Vol. 11 (3). – P. 197–208. – DOI: 10.1016/j.dt.2015.04.004.
18. Formability of similar and dissimilar friction stir welded AA 5182-H111 and AA 6016-T4 tailored blanks / C. Leitao, B. Emílio, B.M. Chaparro, D.M. Rodrigues // Materials & Design. – 2009. – Vol. 30 (8). – P. 3235–3242. – DOI: 10.1016/j.matdes.2008.12.005.
19. Weld temperature effects during friction stir welding of dissimilar aluminum alloys 6061-t6 and 7075-t6 / E.G. Cole, A. Fehrenbacher, N.A. Duffie, M.R. Zinn, F.E. Pfefferkorn, N.J. Ferrier // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2014. – Vol. 71. – P. 643–652. – DOI: 10.1007/s00170-013-5485-9.
20. Sharma N., Khan Z.A., Siddiquee A.N. Friction stir welding of aluminum to copper – an overview // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2017. – Vol. 27 (10). – P. 2113–2136. – DOI: 10.1016/S1003-6326(17)60238-3.
21. Mechanical and metallurgical characterization of friction stir welding joints of AA6061-T6 with AA6082-T6 / P.M.G.P. Moreira, T. Santos, S.M.O. Tavares, V. Richter-Trummer, P. Vilaça, P.M.S.T. De Castro // Materials & Design. – 2009. – Vol. 30 (1). – P. 180–187. – DOI: 10.1016/j.matdes.2008.04.042.
22. Effect of pin length and welding speed on lap joint quality of friction stir welded dissimilar aluminum alloys / Z. Ge, S. Gao, S. Ji, D. Yan // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 98. – P. 1461–1469. – DOI: 10.1007/s00170-018-2329-7.
23. Friction stir welding of lap joints: Influence of process parameters on the metallurgical and mechanical properties / G. Buffa, G. Campanile, L. Fratini, A. Prisco // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 519 (1–2). – P. 19–26. – DOI: 10.1016/j.msea.2009.04.046.
24. Davidson B.S., Neelakrishnan S. Influence of friction stir welding parameters on tensile properties of AA8011 aluminium alloy plate // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. – 2018. – Vol. 15 (1). – P. 93–98. – DOI: 10.1166/jctn.2018.7060.
25. Effect of pin profile and rotational speed on microstructure and tensile strength of dissimilar AA8011, AA01-T6 friction stir welded aluminum alloys / K. Palani, C. Elanchezhian, B. Vijaya Ramnath, G.B. Bhaskar, E. Naveen // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5 (11). – P. 24515–24524. – DOI: 10.1016/j.matpr.2018.10.248.
26. Elangovan K., Balasubramanian V. Influences of pin profile and rotational speed of the tool on the formation of friction stir processing zone in AA2219 aluminium alloy // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 459 (1–2). – P. 7–18. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.12.124.
27. Elangovan K., Balasubramanian V. Influences of tool pin profile and welding speed on the formation of friction stir processing zone in AA2219 aluminium alloy // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 200 (1–3). – P. 163–175. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.09.019.
28. Elangovan K., Balasubramanian V. Influences of tool pin profile and tool shoulder diameter on the formation of friction stir processing zone in AA6061 aluminium alloy // Materials & Design. – 2008. – Vol. 29 (2). – P. 362–373. – DOI: 10.1016/j.matdes.2007.01.030.
29. Chandana R, Saraswathamma K. Impact of tool pin profiles in friction stir welding process – A review // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 76, pt. 3. – P. 602–606. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.12.097.
30. Investigation on effects of variation of tool pin profile in a friction stir welding process by finite element approach for joining dissimilar materials / R. Shimpi, C.S. Kumar, R. Katarane, A.K. Shukla // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 66, pt. 3. – P. 1361–1364. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.05.154.
31. Effect of tool tilt angle on mechanical resistance of AA6082/AA5083 friction stir welded joints for marine applications / G. Di Bella, T. Alderucci, F. Favaloro, C. Borsellino // Procedia CIRP. – 2023. – Vol. 118. – P. 879–884. – DOI: 10.1016/j.procir.2023.06.151.
32. Effect of tool pin shapes on microstructure and mechanical behaviour of friction stir welding of dissimilar aluminium alloys / S. Balamurugan, K. Jayakumar, B. Anbarasan, M. Rajesh // Materials Today: Proceedings. – 2023. – Vol. 72, pt. 4. – P. 2181–2185. – DOI: 10.1016/j.matpr.2022.08.459.
Благодарности:
Выражаем благодарность своим студентам и аспиранту Мохду Ларебу, г-ну Чандрашекхару и г-ну Анкиту Арье за помощь в проведении экспериментов.
Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием / Й.С. Раджпут, А.К. Шарма, В.Н. Мишра, К. Саксена, Д. Дипак, Ш.С. Шарма // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 4. – С. 105–116. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-105-116.
Rajpoot Y.S., Sharma A.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Effect of tool pin profile on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science, 2023, vol. 25, no. 4, pp. 105–116. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-105-116. (In Russian)
