Том 25 № 4 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативнобиблиографическихи наукометрических базах данных Web of Science и Scopus.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Акинцева А.В., Переверзев П.П. Моделирование взаимосвязи силы резания с глубиной резания и объемами снимаемого металла единичными зернами при плоском шлифовании.................................................................................................................... 6 Шарма Ш.С., Йоши А., Раджпут Й.С. Систематический обзор технологий производства металлической пены...................... 22 Карлина Ю.И., Кононенко Р.В., Иванцивский В.В., Попов М.А., Дерюгин Ф.Ф., Бянкин В.Е. Обзор современных требований к сварке трубных высокопрочных низколегированных сталей................................................................................................. 36 Старцев Е.А., Бахматов П.В. Влияние режимов дуговой автоматической сварки на геометрические параметры шва стыковых соединений из низкоуглеродистой стали, выполненных с применением экспериментального флюса.............................. 61 Мартюшев Н.В., Козлов В.Н., Ци М., Багинский А.Г., Хань Ц., Бовкун А.С. Фрезерование заготовок из мартенситной стали 40Х13, полученных с помощью аддитивных технологий.......................................................................................................... 74 Логинов Ю.Н., Замараева Ю.В. Оценка схемы многоканального углового прессования прутков и возможности ее применения на практике................................................................................................................................................................................. 90 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Раджпут Й.С., Шарма А.К., Мишра В.Н., Саксена К., Дипак Д., Шарма Ш.С. Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием.... 105 Чинчаникар С., Гейдж М.Г. Моделирование рабочих характеристик и мультикритериальная оптимизация при токарной обработке нержавеющей стали AISI 304 (12Х18Н10Т) резцами с износостойким покрытием и с износостойким покрытием, подвергнутым микропескоструйной обработке.................................................................................................................................... 117 Гуле Г.С., Санап С., Чинчаникар С. Точение стали AISI 52100 с наложением ультразвуковых колебаний: сравнительная оценка и моделирование с использованием анализа размерностей.................................................................................................... 136 Пивкин П.М., Ершов А.А., Миронов Н.Е., Надыкто А.Б. Влияние формы тороидальной задней поверхности на углы режущего клина и механические напряжения вдоль режущей кромки сверла.................................................................................. 151 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов Р.А., Муратов К.Р., Венедиктов А.Н., Мамадалиев Р.А. Влияние внутренних напряжений на интенсивность коррозионных процессов конструкционной стали......................................................................................................................... 167 Клименов В.А., Колубаев Е.А., Хань Ц., Чумаевский А.В., Двилис Э.С., Стрелкова И.Л., Дробяз Е.А., Яременко О.Б., Куранов А.Е. Модуль упругости и твердость титанового сплава, сформировавшегося в условиях электронного лучевого сплавления при 3D-печати проволокой................................................................................................................................................. 180 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. In situ анализ кристаллической решетки нитридных однокомпонентных и многослойных покрытий ZrN/CrN в процессе термоциклирования............................................................................................................................................... 202 Рубцов В.Е., Панфилов А.О., Княжев Е.О., Николаева А.В., Черемнов А.М., Гусарова А.В., Белобородов В.А., Чумаевский А.В., Гриненко А.В., Колубаев Е.А. Влияние высокоэнергетического воздействия при плазменной резке на структуру и свойства поверхностных слоёв алюминиевых и титановых сплавов............................................................................................... 216 Бобылёв Э.Э., Стороженко И.Д., Маторин А.А., Марченко В.Д. Особенности формирования Ni-Cr покрытий, полученных диффузионным легированием из среды легкоплавких жидкометаллических растворов.................................................................. 232 Бурков А.А., Коневцов Л.А., Дворник М.И., Николенко С.В., Кулик М.А. Формирование и исследование свойств покрытий из металлического стекла FeWCrMoBC на стали 35............................................................................................................ 244 Шарма Ш.С., Хатри Р., Йоши А. Синергетический подход к разработке легкого пористого металлического пеноматериала на основе алюминия с использованием литейно-металлургического метода.................................................................................... 255 Строкач Е.А., Кожевников Г.Д., Пожидаев А.А., Добровольский С.В. Моделирование эрозионного износа титанового сплава высокоскоростным потоком частиц........................................................................................................................................... 268 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 284 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 295 Корректор Е.Е. Татарникова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 01.12.2023. Выход в свет 15.12.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 37,0. Уч.-изд. л. 68,82. Изд. № 209. Заказ 296. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 4 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Aff airs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 4 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Akintseva A.V., Pereverzev P.P. Modeling the interrelation of the cutting force with the cutting depth and the volumes of the metal being removed by single grains in fl at grinding........................................................................................................................................ 6 Sharma S.S., Joshi A., Rajpoot Y.S. A systematic review of processing techniques for cellular metallic foam production................. 22 Karlina Yu.I., Kononenko R.V., Ivantsivsky V.V., Popov M.A., Deryugin F.F., Byankin V.E. Review of modern requirements for welding of pipe high-strength low-alloy steels.......................................................................................................................................... 36 Startsev E.A., Bakhmatov P.V. The infl uence of automatic arc welding modes on the geometric parameters of the seam of butt joints made of low-carbon steel, made using experimental fl ux......................................................................................................................... 61 Martyushev N.V., Kozlov V.N., Qi M., Baginskiy A.G., Han Z., Bovkun A.S. Milling martensitic steel blanks obtained using additive technologies................................................................................................................................................................................ 74 Loginov Yu.N., Zamaraeva Yu.V. Evaluation of the bars’ multichannel angular pressing scheme and its potential application in practice................................................................................................................................................................................................... 90 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Rajpoot Y.S., SharmaA.K., Mishra V.N., Saxena K., Deepak D., Sharma S.S. Eff ect of tool pin profi le on the tensile characteristics of friction stir welded joints of AA8011.................................................................................................................................................... 105 Chinchanikar S., Gadge M.G. Performance modeling and multi-objective optimization during turning AISI 304 stainless steel using coated and coated-microblasted tools........................................................................................................................................................ 117 Ghule G.S., Sanap S., Chinchanikar S. Ultrasonic vibration-assisted hard turning of AISI 52100 steel: comparative evaluation and modeling using dimensional analysis........................................................................................................................................................ 136 Pivkin P.M., Ershov A.A., Mironov N.E., Nadykto A.B. Infl uence of the shape of the toroidal fl ank surface on the cutting wedge angles and mechanical stresses along the drill cutting edge...................................................................................................................... 151 MATERIAL SCIENCE Sokolov R.A., Muratov K.R., Venediktov A.N., Mamadaliev R.A. Infl uence of internal stresses on the intensity of corrosion processes in structural steel....................................................................................................................................................................... 167 Klimenov V.A., Kolubaev E.A., Han Z., Chumaevskii A.V., Dvilis E.S., Strelkova I.L., Drobyaz E.A., Yaremenko O.B., Kuranov A.E. Elastic modulus and hardness of Ti alloy obtained by wire-feed electron-beam additive manufacturing................... 180 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. In situ crystal lattice analysis of nitride single-component and multilayer ZrN/CrN coatings in the process of thermal cycling.......................................................................................................................................................................................... 202 Rubtsov V.E., Panfi lov A.O., Kniazhev E.O., Nikolaeva A.V., Cheremnov A.M., Gusarova A.V., Beloborodov V.A., Chumaevskii A.V., Grinenko A.V., Kolubaev E.A. Infl uence of high-energy impact during plasma cutting on the structure and properties of surface layers of aluminum and titanium alloys................................................................................................................... 216 Bobylyov E.E., Storojenko I.D., Matorin A.A., Marchenko V.D. Features of the formation of Ni-Cr coatings obtained by diff usion alloying from low-melting liquid metal solutions..................................................................................................................................... 232 Burkov А.А., Konevtsov L.А., Dvornik М.И., Nikolenko S.V., Kulik M.A. Formation and investigation of the properties of FeWCrMoBC metallic glass coatings on carbon steel.......................................................................................................................... 244 Sharma S.S., Khatri R., Joshi A. A synergistic approach to the development of lightweight aluminium-based porous metallic foam using stir casting method........................................................................................................................................................................... 255 Strokach E.A., Kozhevnikov G.D., Pozhidaev A.A., Dobrovolsky S.V. Numerical study of titanium alloy high-velocity solid particle erosion.......................................................................................................................................................................................... 268 EDITORIALMATERIALS 284 FOUNDERS MATERIALS 295 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 105 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Влияние геометрии наконечника сварочного инструмента на характеристики растяжения соединений сплава АА8011, полученных сваркой трением с перемешиванием Йогендра Раджпут 1, а,*, Авадеш Шарма 1, b, Вибхути Мишра2, c, Кушал Саксена 1, d, Деш Дипак 1, e, Шиам Шарма3, f 1 Инженерный колледж Раджкия, Майнпури, Уттар-Прадеш, Индия, 205119 2 Инженерный колледж Раджкия, Азамгарх, Уттар-Прадеш, Индия, 276201 3 Манипалский университет, Джайпур, Раджастхан, Индия, 303007 a https://orcid.org/0000-0002-9662-0903, yogendrasingh.rajpoot@recmainpuri.in; b https://orcid.org/0000-0002-2795-6497, aksharma@recmainpuri.in; c https://orcid.org/0000-0002-5039-3573 , vibhooti1810@gmail.com; d https://orcid.org/0000-0001-6982-3636, saxenakushal05@gmail.com; e https://orcid.org/0000-0003-2662-9571, dd08iitd@gmail.com; f https://orcid.org/0000-0002-1510-5871, shyamsunder.sharma@jaipur.manipal.edu Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 4 с. 105–116 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.4-105-116 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.791.14 История статьи: Поступила: 06 июля 2023 Рецензирование: 01 августа 2023 Принята к печати: 15 августа 2023 Доступно онлайн: 15 декабря 2023 Ключевые слова: СТП Геометрия наконечника инструмента Прочность на разрыв при растяжении Благодарности Выражаем благодарность своим студентам и аспиранту Мохду Ларебу, г-ну Чандрашекхару и г-ну Анкиту Арье за помощь в проведении экспериментов. АННОТАЦИЯ 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. Для цитирования: 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: 10.17212/1994-6309-202325.4-105-116. ______ *Адрес для переписки Раджпут Йогендра Сингх, магистр Инженерный колледж Раджкия, Майнпури, 205119, Уттар-Прадеш, Индия Тел.: +917014210761, e-mail: yogendrasingh.rajpoot@recmainpuri.in
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 106 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Введение Сварка трением с перемешиванием, которая была изобретена Уэйном Томасом в компании TWI в 1991 году, хорошо подходит для соединения металлов в твердом состоянии [1, 2]. Алюминиевые сплавы часто применяются в авиационной и автомобильной промышленности, железнодорожном транспорте и при строительстве мостов из-за высокого соотношения прочности и веса, а также коррозионной стойкости [2]. По сравнению с традиционными способами сварки, при сварке трением с перемешиванием материал подвергается интенсивной пластической деформации, в результате чего образуется зона перемешивания с очень мелкими рекристаллизованными зернами [3], называемая зоной динамической рекристаллизации [4–6]. Плавления и повторной кристаллизации не происходит, поэтому материалы соединяются в твердом состоянии. Сварка трением с перемешиванием также характеризуется низким потреблением энергии [7]. Сварка трением с перемешиванием (СТП) имеет особое значение для соединения алюминиевых и магниевых сплавов, поскольку она может значительно уменьшить такие дефекты, как растрескивание при затвердевании, пористость и деформации, которые обычно наблюдаются при сварке плавлением. Эти технологические возможности СТП сделали ее очень практичной для соединения некоторых сплавов. Взаимодействие нижней поверхности инструмента и поверхности наконечника с обрабатываемым материалом приводит к образованию достаточного количества тепла в результате трения, необходимого для приведения материала в мягкое состояние без плавления [8, 9]. Таким образом, поверхность наконечника инструмента играет решающую роль в создании тепла, выделяющегося при трении, течении материала и пластической деформации. Смещение инструмента также является критическим фактором, определяющим выделение тепла при трении наконечника инструмента о материал [10], поэтому оно определяет теплофизические свойства в зоне сварки [11, 12]. Качество соединений зависит от правильного выбора параметров процесса СТП [13, 14]. Как показывает практика, в некоторых исследованиях основное внимание уделяется сварке трением с перемешиванием горяче- и холоднодеформированных алюминиевых сплавов [15] с использованием некоторых специально разработанных инструментов [16], имеющих различные формы наконечников: шестиугольные, пятиугольные и квадратные [17]. Некоторые недавние исследования показали, что СТП способна соединять как одинаковые, так и разнородные алюминиевые сплавы [18–21]. Стыковые соединения при сварке трением с перемешиванием очень распространены в отличие от соединений алюминиевых сплавов внахлестку, которые изучали лишь некоторые исследователи [22, 23]. Дэвидсон и др. [24] исследовали характеристики прочности на растяжение СТП-соединений из алюминия AA8011 при различных параметрах процесса и пришли к выводу, что соединения, полученные при скорости перемещения инструмента 45 мм/мин, скорости вращения инструмента 1400 об/мин и осевом усилии 2,15 кН имеют лучшую прочность на растяжение по сравнению с другими соединениями. Палани и др. [25] получили разнородное СТП-соединение и сосредоточили внимание на влиянии переменных процесса и конструкции инструмента на качество соединений. Таким образом, в этой работе была предпринята попытка определить влияние трех различных профилей наконечников (квадратного, пятиугольного и шестиугольного) и комбинации скорости вращения и перемещения инструмента на свойства СТПсоединений разнородных алюминиевых сплавов AA6061-T6 и AA8011 при растяжении. Применяя СТП, Элангован и Баласубраманиан [26–28] исследовали характеристики пяти наконечников с различной геометрией: в форме цилиндра с резьбой, усеченного конуса, треугольника, квадрата и прямого цилиндра – из алюминиевого сплава AA2219. Хотя предыдущие исследования показали, что геометрия [29–31] или форма [32] наконечников инструмента и скорость сварки влияют на повышение прочности, связь между низкой скоростью сварки и геометрией наконечника инструмента еще не установлена. Таким образом, в настоящем исследовании алюминиевый сплав AA8011 подвергался сварке трением с перемешиванием при низкой скорости сварки с различным профилем наконечника, а влияние на качество соединения оценивалось с точки зрения твердости и прочности соединения.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 107 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Материалы и методы исследования Проведен эксперимент по разработке бездефектных СТП-соединений из сплава AA8011 на вертикально-фрезерном станке. Свариваемые пластины фиксировали на опорной плите прижимами, как показано на рис. 1. На рис. 2 изображено пластическое течение материала в процессе сварки. Химический состав сплава AA8011 приведен в табл. 1. Рассматриваемые параметры процесса включают геометрию наконечников инструмента, как показано на рис. 3, со всеми характеристиками инструмента, указанными в табл. 2, и несколькими комбинациями скорости вращения и скорости перемещения инструмента. Известно, что эти параметры оказывают важное влияние на прочность и другие механические свойства соединения. а б Рис. 3. Геометрия наконечника сварочного инструмента: а – усеченный конус; б – цилиндр с резьбой Fig. 3. Tool pin profi les: a – taper cylindrical; б – threaded cylindrical Рис. 1. Пластины, закрепленные на столе вертикально-фрезерного станка Fig. 1. Plates mounted on the bed of vertical milling machine Рис. 2. Пластическое течение материала в процессе СТП Fig. 2. Material fl ow during FSW Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав сплава AA8011 Chemical Composition of AA8011 Элемент Al Fe Si Cu Mn Mg Zn Содержание, % 97,5–99,1 0,6–0,90 0,5–0,6 0–0,1 0–0,1 0–0,1 0–0,1 Прокатанную пластину толщиной 6 мм нарезали на заготовки необходимых размеров с помощью ручной ножовки. Две пластины расположили рядом для получения стыкового СТП-соединения без разделки кромок. Пластины закрепили на опорной плите, а сварку осуществляли в направлении прокатки. Сварка производилась двумя разными неплавящимися инструментами из стали D2. Химический состав стали D2 приведен в табл. 3. Выбор материала инструмента зависит от свариваемого материала. Для мягких материалов можно использовать инструментальную или нержавеющую сталь, а для твердых материалов необходимы огнеупорные материалы. Оценку механических свойств
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 4 2023 108 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Характеристики инструмента Tool Features Инструмент (A) (B) Геометрия наконечника Усеченный конус Цилиндр с резьбой Диаметр наконечника Основание – 6 мм, вершина – 4 мм 6 мм, резьба с шагом 1,2 мм Длина наконечника 5,7 мм 5,7 мм Диаметр плеча 14 мм 14 мм Т а б л и ц а 3 Ta b l e 3 Химический состав стали D2 Chemical Composition of D2 steel Элемент Содержание, % Элемент Содержание, % C 1,40–1,60 Mo 0,70–1,20 Mn 0,60 V 1,10 Si 0,60 Ni 0,30 Co 1,00 P 0,03 Cr 11,0–13,0 Cu 0,25 S 0,03 Al остальное соединений проводили путем испытания на растяжение стандартных образцов. Сваренные пластины разрезали поперек направления сварки и проводили испытание на растяжение на универсальной испытательной машине с постоянной скоростью деформации, а именно со скоростью траверсы 1 мм/мин. Результаты и их обсуждение Прочность на растяжение основного материала была измерена и использована в качестве эталона для сравнения. На рис. 4, а показан образец основного материала, который был испытан, а на рис. 4, б представлен разрушенный а б Рис. 4. Образцы для испытаний на растяжение: а – перед испытанием; б – после испытания Fig. 4. Tensile test specimens: a – before tensile test; б – after tensile test образец основного материала после испытания на растяжение. В табл. 4 приведены результаты испытаний на растяжение основного материала. Разрушенные образцы сварных соединений показаны на рис. 5 и 7, а диаграммы растяжения, полученные после испытаний на растяжение сварных соединений, изготовленных с использованием инструментов с наконечниками разной формы, представлены на рис. 6 и 8. Результаты показывают, что сварные соединения, выполненные с использованием инструмента с наконечником в форме усеченного конуса и цилиндра с резьбой, имеют меньшую прочность по сравнению с основным материалом.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 4 2023 109 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Рис. 5. Разрушенные образцы после испытания на растяжение соединений, полученных с использованием инструмента с наконечником в форме цилиндра с резьбой Fig. 5. Fractured specimens after tensile test of joints fabricated using threaded cylindrical pin Т а б л и ц а 4 Ta b l e 4 Результаты испытания на растяжение основного материала Tensile test results of base material Пиковая нагрузка, кН Временное сопротивление разрыву при растяжении, МПа Относительное удлинение при разрыве, мм 15,060 167 21,01 а б Рис. 6. Результаты испытания на растяжение сварных соединений, полученных с использованием инструмента с наконечником в форме цилиндра с резьбой: а – гистограмма временного сопротивления разрыву при растяжении; б – кривая зависимости деформации от напряжений Fig. 6. Tensile test result of weld fabricated by cylindrical threaded pin profi le: a – bar chart of UTS; б – stress-strain diagram
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1