ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЛИЯНИЯ ОБРАБОТКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АМг-5

Металлические изделия, несмотря на давнюю практику их применения в различных отраслях производства, и в настоящее время не теряют актуальность, так как используются для изготовления различных изделий и конструкций в различных областях: от железнодорожной и автомобильной до космической.

Главным свойством металлов является способность оставаться в работоспособном состоянии при заданных нагрузках в течение продолжительного времени. Большую роль в этом играет подбор сплава соответствующего состава, который бы соответствовал необходимым свойствам. Но, кроме химического состава сплава, также большую роль играет правильная обработка сплава, способствующая повышению механических свойств, а также правильное (качественное) соединение деталей. Поэтому особую важность приобретают развивающийся способ сварки трением с перемешиванием (СТП) и перемешивающая фрикционная обработка.

1. Сварка трением с перемешиванием

В декабре 1991 года была изобретена сварка трением с перемешиванием. Этот вид сварки относится к твердофазным способам образования соединений материалов с использованием трения. Первоначально задумывалось использование данного способа сварки только для алюминия и его сплавов. Однако в настоящее время СТП сваривают как алюминиевые сплавы, так и титановые, медные и стальные. Способом СТП можно получать соединения всех металлов и сплавов с температурой плавления до 1800°C, но при этом возможна сварка и разнородных металлов. [5]

Способ СТП позволяет решать проблемы, которые не могут быть решены сваркой плавлением. Например, известно, что при сварке латуни плавлением происходит испарение цинка, что не только существенно меняет химический состав шва, но также его структуру, механические свойства, ограничивая применение изделий в условиях больших градиентов температур. При этом происходящие процессы могут привести к образованию в области шва большого количества пор, что может негативно влияя на его термостойкости и механических свойствах. Исходя из этого, можно предположить, что метод СТП различных трудно свариваемых материалов более эффективен по сравнению со сваркой плавлением и может обеспечить однородную и бездефектную структуру с высоким уровнем технологических свойств.

1.1  Механизм образования СТП соединения.

Цилиндрический вращающийся инструмент особой формы с заплечиком и наконечником в центре погружается в линию соединения подлежащих сварке плотно прижатых друг другу и зафиксированных на массивной подложке деталей. В результате трения наконечника и заплечика с деталью создаётся достаточное количество тепла для пластической сварки деталей без плавления. Нагретый до пластического состояния металл перемещается из зоны перед штырем в зону за ним, формуется заплечиками и образует сварное соединение в процессе охлаждения. Формирование сварного соединения происходит за счёт комбинации операций перемешивания и выдавливания, что и отражает название «сварка трением с перемешиванием».

1.2 Структура сварного шва

Метод соединения СТП приводит к образованию так называемых «луковых» колец, т.е. концентрических овальных колец, различающихся макроструктурой. Форма ядра шва незначительно отличается в зависимости от сплава. К ядру примыкает сложный профиль, образующий верхнюю часть шва и по ширине немного превышает диаметр плеча инструмента. Диаметр ядра намного больше, чем диаметр штыря инструмента и располагается, как правило, в нижней части соединения.

На основании исследования микроструктуры большого массива соединений различных алюминиевых сплавов выделяются в соединении четыре зоны. Серединой, как было уже сказано, является ядро, оно на протяжении всего сплава составляет сердцевину сварного шва; следующая по направлению от середины шва зона – это зона термомеханического влияния, в ней металл значительно подвергается влиянию высоких температур и влиянию пластической деформации; далее идет зона термического влияния – зона, в которой металл подвергается только нагреву; и последняя, четвертая зона – зона основного металла. [2]

1.3 Преимущества и недостатки СТП

Несмотря на положительные качества по сравнению с другими способами соединения, например, аргонно-дуговой сварки, такие как низкий уровень деформаций и высокая воспроизводимость качества швов, СТП имеет и ряд недостатков. [3]

1.3.1 Преимущества СТП

Сварка трением с перемешиванием имеет следующие положительные особенности:

• отсутствие в процессе сварки дыма, шума и ультрафиолетового излучения;
• возможность получения беспористых швов;
• отсутствие присадочного металла и защитного газа в процессе соединения;
• отсутствие необходимости придания специального профиля кромкам и удаление оксидной пленки перед сваркой;
• возможность получения соединений во всех пространственных положениях;
• процесс сварки может быть легко автоматизированным;
• благодаря относительной простоте оборудования достигается высокая эффективность использования энергии по сравнению с методами плавлением, так для выполнения однопроходной сварки алюминиевого сплава толщиной 12,5 мм нужно всего 3 кВт энергии в целом.

1.3.2 Недостатки СТП

Сварка трением с перемешиванием имеет следующие недостатки:

• необходимость прочных подложек, на которых должны надежно закрепляться заготовки свариваемых материалов;
• образование в конце шва отверстия, равного размеру штыря, которое необходимо заполнять с помощью других методов, таких как сварка трением специальных пробок;
• применение вводных и выводных планок для получения протяженных швов на всю длину заготовок;
• ограничения в применении способа сварки в портативном варианте через закрепление заготовок на подкладке;
• более низкий уровень скорости сварки по сравнению с автоматической дуговой сваркой для ряда сплавов;
• нестабильность свойств образованного при СТП шва в результате одновременного воздействия многофакторных технологических параметров СТП, что не позволяет получать заранее заданную структуру шва и прогнозировать свойства полученного соединения.

2. Перемешивающая фрикционная обработка

Аналогичным процессу СТП является перемешивающая фрикционная обработка или обработка трением с перемешиванием (ОТП). Единственное отличие заключается в том, что в данном случае не происходит соединения двух пластин металлов, пластина изначально является монолитом. Целью данной обработки является измельчение зерна металлаи повышение комплекса механических свойств металлического материала. [1][4]

2.1 Обработка трением с перемешиванием сплава АМг-5

В настоящей работе был исследован образец сплава АМг-5 (сплав 1550 – международная классификация), подвергнутый обработке трением с перемешиванием тремя проходами в одном направлении. Схема обработки трением с перемешиванием исследуемого образца представлена на рисунке 1.

Цель исследования состояла в выявлении изменения микроструктуры металла после ОТП.

Рисунок 1. Схема обработки АМг-5 трением с перемешиванием тремя проходами в одном направлении

Состав сплава АМг-5 представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Химический состав сплава АМг-5

2.2 Результаты ОТП

После обработки пластины сплава АМг-5 был изготовлен образец из поперечного сечения ОТП шва. С образцом была произведена шлифовка шлифовальной бумагой различной зернистости (от P400 до P2000), после чего были произведены полировка образца алмазной пастой и травление реактивом Келлера.

2.2.1 Структура ОТП шва

После проведения шлифовки, полировки и травления образец алюминиевого сплава АМг-5, вырезанный в поперечном сечении после обработки трением с перемешиванием, исследовался под оптическим микроскопом. На рисунке 2 представлено составное макроскопическое изображение исследуемого образца.

Рисунок 2. Составное макроскопическое изображение исследуемого образца алюминиевого сплава АМг-5 после обработки трением с перемешиванием. A) Зона термического влияния (ЗТВ), B) Зона термомеханического влияния (ЗТМВ), C) Зона перемешивания (ЗП)

Из рисунка 2 видно, что по мере приближения

При рассмотрении области основного металла (ОМ) – зоны, не подверженной обработке и термическому и термомеханическому влияниям – обнаруживается структура, имеющая зерна, вытянутые в направлении проката (рис. 3).

Рисунок 3. Микроструктура зерна сплава АМг-5 в основном металле, не подверженном обработке

Размер зерна в зоне основного металла в материале средней зернистости был найден путем непосредственного измерения 50 зерен. При этом средний размер зерна в ОМ составляет d=20,38 мкм.

В результате обработки трением с перемешиванием в зоне перемешивания происходит разрушение исходной структуры сплава и образование ультрамелкозернистой зеренной структуры. При этом независимо от толщины исходных листов размер зерна в зоне перемешивания находится на уровне 4-6 мкм.

Для исследования зеренной структуры зоны перемешивания были проведены исследования на просвечивающем электронном микроскопе, в результате чего, был рассчитан средний размер зерна в ЗП.

2.2.2 Измерение микротвердости образца

При помощи метода Виккерса была измерена микротвердость образца в зонах ОТП. Измерения проведены с шагом 1 мм вдоль горизонтальной оси образца по 15 мм от центра зоны перемешивания в обе стороны. Результаты измерений представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Изменение микротвердости образца алюминиевого сплава АМг-5, полученного после обработки трением с перемешиванием

Выявленное скачкообразное изменение микротвердости указывает на неравномерное перемешивание материала вследствие тройного прохода инструмента. Характер изменений микротвердости коррелирует с выявленными особенностями зонного строения структуры материала после ОТП: в ЗП и ЗТМВ наблюдается уменьшение значений микротвердости, а в ЗТВ ее значительный рост.

2.3 Результаты исследования ОТП

Обработка трением с перемешиванием сплава АМг-5 и последующее исследование микроструктуры образца методом оптической микроскопии позволили обнаружить на поверхности травленого шлифа ярко выраженные полосы, так называемые «луковые кольца», зоны термического и термомеханического влияний, зона перемешивания и зона обычного металла.

После проведения ОТП размер зерен металла от ОМ к ЗП претерпевает значительные изменения и уменьшается приблизительно в 5 раз. Уменьшение размеров зерен и увеличение их количества сопровождается упрочнением материала образца в месте обработки, а также делает материал менее подверженным воздействию внешних негативных воздействий.

Список литературы:

1. Елисеев А.А., Калашникова Т.А., Филиппов А.В., Калашников К.Н., Белобородов В.А., Чумаевский А.В. Механические свойства сплава АМг5 в ультрамелкозернистом состоянии, полученного перемешивающей фрикционной обработкой листового проката различной толщины // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 12-2. – С. 278-283; URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41083 (дата обращения: 15.11.2017).
2. Колубаев Е.А., Колубаев Е.А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 6.;
3. URL: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=11292 (дата обращения: 12.10.2017).
4. Котлышев P.P. Современное состояние соединения металлов способами сварки трением с перемешиванием / P.P. Котлышев, А.Г. Артеменко // Сварочное производство: сб. тр. молодых учёных / ДГТУ. - г. Ростов н/Д, 2008.
5. Рудской А.И., Наумов А.А., Черников Е.В. – Обработка металлов трением с перемешиванием – новый метод интенсивной пластической деформации. // «Цветные металлы. Черные металлы. Специальный выпуск.»; 2014, г. Санкт-Петербург.
6. Сергеева Е.В. Сварка трением с перемешиванием (FSW - Friction Stir Welding) в мировом кораблестроении. Современный уровень развития, перспективы, оборудование. // Российский судостроительный портал; URL: http://shipbuilding.ru/rus/docs/fsw.pdf (дата обращения: 10.12.2017)