ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕРАЗЪЕМНОГО БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АД31 И МЕДИ МАРКИ М1, ПОЛУЧЕННОГО СВАРКОЙ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Сварка, как способ получения неразъёмного соединения, стал применяться довольно давно. Метод электрической сварки, первые сведения о котором опубликовал русский учёный Василий Петров в 1802 году, и который был впервые применен в конце XIX века. Впоследствии способ сварки активно развивался и совершенствовался. Прогресс не стоял на месте и в 1991 году сотрудниками Британский Институт Сварки был запатентован новый метод сварки, названный сваркой трением с перемешиванием (СТП). Основной принцип метода предельно прост: сварка трением с перемешиванием использует вращающийся цилиндрический инструмент специальный формы с плечом/заплечиком (бурт) и штырем/пином (наконечником) в центре, который погружается в линию соединения деталей, подлежащих сварке. За счет вращения инструмента, прижимного усилия и поступательного движения образуется сварное соединение, которое дополнительно формируется заплечиками. Формирование сварного шва происходит с помощью комбинирования операций выдавливания и перемешивания, что как раз и лежит в основе названия метода  – сварка трением с перемешиванием. [3]

СТП обладает рядом преимуществ относительно других методов сварки, а именно:

• в зоне сварки лучше сохраняются свойства основного металла по сравнению со способами сварки плавлением (при использовании послесварочной термообработки алюминиевого сплава серии 6000 прочность достигает 90 – 100 % прочности основного металла);
• соединения имеют меньший уровень остаточных напряжений и деформаций;
• отсутствие присадочного материала и защитного газа;
• меньшие затраты финансовых ресурсов при больших объемах производства;
• возможность автоматизации процесса;
• отсутствие вредных испарений и ультрафиолетового излучения в процессе сварки;
• возможность получения соединений во всех пространственных положениях;
• не требуется придание специального профиля кромкам;
• возможность получения бездефектных швов на сплавах, при сварке плавлением которых сложно получить качественное соединение;
• не требуется удаление поверхностных оксидов перед сваркой, а также шлака и брызг после сварки;
• возможность увеличения скорости сварки без ухудшения свойств;
• благодаря относительной простоте оборудования достигается высокая эффективность использования энергии (для однопроходной сварки алюминиевого сплава  толщиной 12,5 мм требуется около 3 кВт энергии).

К недостаткам способа сварки трением с перемешиванием относятся:

• необходимость мощных подкладок, на которых должны надежно закреплять свариваемые заготовки;
• образование в конце шва отверстия, равного размеру штыря, которое необходимо заполнять с помощью других методов, таких как вварка трением специальных пробок;
• ограничения в применении способа в портативном варианте из-за необходимости закрепления заготовок на подкладке;
• более низкий уровень скорости по сравнению с механизированной дуговой сваркой для некоторых марок сталей;
• отсутствие стандартов на данный способ сварки и проинформированной рабочей силы. [1]

Материал и методы исследования

На станке для сварки трением с перемешиванием (СТП) был соединён внахлёст и сварен алюминиевый сплав АД31 и медь марки М1 (рис. 1). Для проведения микроскопических исследований из определенной части материала с помощью абразивной пилы был вырезан образец, который будет изучаться в поперечном сечении относительно СТП соединения.

Рисунок 1. Схема СТП соединения пластин разнородных металлов: алюминиевого сплава АД31 и меди марки М1

С целью подготовки поверхности микрошлифа для исследований вырезанный в поперечном сечении образец был помещен в специальный зажим из двух пластин. Поверхность образца была зачищена наждачной бумагой разной зернистости (Р400-Р2000), оставшиеся после шлифования мелкие риски были удалены полированием образца алмазной пастой, тонким слоем нанесённой на ткань. После полирования шлиф был промыт дистиллированной водой и высушен фильтровальной бумагой. Подготовленный для травления границ зерен образец алюминиевого сплава использовался реагент Келлера, 1 %-ный раствор NaOH и 0,5 %-ный раствор плавиковой кислоты. Для вытравливания зерен в медной пластине использовался 30% раствор азотной кислоты. [2]

На заключительном этапе материал был подвержен исследованию на микротвёрдость по методу Виккерса при помощи микротвёрдомера «ПМТ-3М». Микротвердость измерялась при нагрузке на индентор P = 50 гр. (0,49 Н), времени выдержки t = 12 с. и с шагом x = 1 мм.

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показано составное макроскопическое изображение неразъёмного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД31 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием. Пунктирными линиями показаны характерные структурные зоны СТП соединения. Зона A – основной металл (ОМ), к ней примыкает зона B, где металл заготовок остается недеформированным и изменяет свою структуру только под воздействием нагрева – зона термического влияния (ЗТВ). Зона C, где металл подвергается значительным пластическим деформациям и нагреву, названа зоной термомеханического влияния (ЗТМВ). Зона D — зона перемешивания (ЗП) или ядро соединения, где происходит динамическая рекристаллизация.

Рисунок 2. Составное макроскопическое изображение неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД31 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием.

A – основной металл (ОМ), B – зона термического влияния (ЗТМ). C ‒ зона термомеханического (ЗТМВ), D — зона перемешивания (ЗП).

Микротвердость измерялась вдоль белой пунктирной линии.

В ходе исследования микротвёрдости по методу Виккерса СТП соединения, индентор с нагрузкой 0,49 Н погружался в соединение по всей длине с шагом 1 мм. Результаты измерения микротвердости представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты измерения микротвёрдости в образце неразъемного биметаллического СТП соединения АД31 и меди М1

На рисунке 3 представлено распределение микротвердости в СТП соединении алюминиевого сплава АД31 и меди М1. Так, анализ распределения микротвердости показал, что перемешивание алюминиевого сплава происходило неоднородно. Скачкообразное изменение микротвердости в зоне перемешивания указывает на то, что индентор находился в зоне интерметаллидного соединения. Характер изменения микротвердости в медной пластине указывает на то, что теплопроводность у меди больше, чем у алюминия, так как ЗТМВ и ЗТВ очень малы по сравнению с аналогичными зонами в алюминиевом сплаве АД31.

Рисунок 3. Распределение микротвердости в поперечном сечении неразъемного биметаллического СТП соединения алюминиевого сплава АД31 и меди М1

На рисунке 4 представлено изображение микроструктуры меди марки М1 и ОМ алюминиевого сплава АД31. Из анализа рисунка 4 а и б следует, что структура зерна в меди значительно изменяется при переходе от зоны ОМ к ЗП. В ОМ зерна имеют четкую форму, однако к ЗТВ они начинают уменьшаться. В ЗТМВ зерна измельчаются и вытягиваются в направлении перемешивания металла, где инструмент от наступающей стороны захватывает металл и перемещает к отступающей стороне. В ЗП зеренная структура становится измельченной, много меньше, чем в ОМ. При этом средний размер зерна в ОМ примерно в 20-30 раз больше, чем в ЗП.

На микрофотографиях (рис. 4 в) показано изображение зерна в ОМ пластины АД31. Видно, что зерно имеет объёмную форму, средний размер зерна составляет 66,425 мкм.

Рисунок 4. Микроскопическое изображение характерных зов в СТП соединении разнородных металлов:

а ‒ ОМ меди при увеличении в х200; б ‒ ЗТМВ и ЗТВ при увеличении в x500; в ‒ ОМ алюминиевого сплава АД31 при увеличении в х200.

Методом просвечивающей электронной дифракционной микроскопии тонких фольг исследованных образцов были получены изображения ЗП, из анализа которых было установлено, что зерна в зоне перемешивания имеют размер в интервале 1,5-2,5 мкм (рис. 6).

Рисунок 6. Светлопольное ПЭМ изображение ЗП в сплаве АД31

Заключение

Результаты экспериментальных исследований образцов биметаллического соединения алюминиевого сплава АД31 и меди марки М1 позволили установить немонотонный (скачкообразный) характер изменения микротвердости в различных зонах сварного соединения. Показанная тенденция изменения микротвердости может свидетельствовать о влиянии градиента температур при переходе от зоны к зоне и об образовании в ЗП интерметаллидных соединений меди и алюминия.

Список литературы:

1. Алюминиевые сплавы в РФ (деформируемые = под мехобработку). Подробная классификация, физические свойства, коррозионные свойства, механические свойства, круглый и профильный алюминиевый прокат, плоский алюминиевый прокат [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://tehtab.ru/Guide/GuideMatherials/Metalls/Aluminium/AluminiumAlloysRF/, свободный. – Загл. с экрана.
2. Металлография алюминия: подготовка микрошлифов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://aluminium-guide.ru/metallografiya-alyuminiya-podgotovka-mikroshlifov/, свободный. – Загл. с экрана.
3. Сварка трением с перемешиванием [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://promsvarka.by/stati/vsyo-o-svarke/svarka-treniem-s-peremeshivaniem/, свободный. – Загл. с экрана.