ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЙ – МЕДЬ, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ СТП

Сварка трением с перемешиванием (СТП) – новый метод получения сварных соединений. Для сварки используют инструмент в виде стержня, состоящий из двух основных частей: утолщённого заплечника или бурта и выступающего тонкого наконечника – пина. Длину наконечника устанавливают приблизительно равной толщине свариваемой детали, диаметр заплечника – от 1,2 до 25 мм. С помощью СТП сваривают алюминиевые сплавы толщиной до 75 мм за один проход. Сварка трением с перемешиванием позволяет получать нахлёсточные соединения алюминиевых листов толщиной от 0,2 мм, скорость сварки сплава толщиной в 5 мм может достигать до 6 .

Основными параметрами, влияющими на свойства шва при СТП, являются следующие параметры инструмента: скорость перемещения, частота вращения, усилия прижатия и перемещения, геометрические размеры и угол его наклона. Также учитываются условия трения в зависимости от применяемого материала инструмента и свариваемых материалов, а также напряжение течения материала заготовок при температурах, близких к точкам пластической деформации.

Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка свариваемых материалов приводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы наконечник внедрился в них на глубину, примерно равную их толщине, а заплечник коснулся их поверхности. Далее инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки (рис.1). В результате работы сил трения, происходит нагрев металла до пластического состояния, его перемешивание вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади инструмента, движущегося по линии стыка материалов. По окончании сварки инструмент выводят из стыка.

Рисунок 1. Схема сварки трением с перемешиванием, где V_вр – скорость вращения сварочного стержня, V_ср – скорость движения стержня

Из-за асимметрии структуры швов в поперечном сечении сварных соединений, полученных методом СТП, принято различать сторону набегания, где направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону отхода (рис. 1).

Полученный сваркой трением с перемешиванием материал делится на несколько отличающихся друг от друга по свойствам зон: основной металл (ОМ), зона термического влияния (ЗТВ), зона термомеханического влияния (ЗТМВ) и зона перемешивания (ЗП).

К зоне ОМ примыкает ЗТВ, где металл заготовки остаётся недеформированным и изменяет свою структуру лишь под воздействием нагрева. В ЗТМВ металл подвергается и значительным пластическим деформациям, и нагреву. Зона перемешивания – это центр обработки, где происходит динамическая рекристаллизация. Твёрдость металла уменьшается в направлении от ОМ к ЗП. Минимальное значение достигается в ЗТВ за счёт перестраивания, уменьшения плотности дислокаций, либо за счёт обоих механизмов.

Сварка трением с перемешиванием получила статус одного из самых высокоэффективных и выгодных методов создания неразъёмных соединений конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов и имеет следующие преимущества перед другими методами:

• лучшее сохранение свойств основного металла по сравнению со способами сварки плавлением;
• отсутствие ультрафиолетового излучения и вредных испарений в процессе сварки;
• возможность получения прочных бездефектных швов на сплавах вместо склонных к образованию пористости и горячих трещин швам при сварки плавлением;
• отсутствие необходимости в удалении поверхностных оксидов на кромках перед сваркой, шлака и брызг после сварки, использовании присадочного материала и защитного газа, дополнительной термической обработки шва;
• низкое потребление электроэнергии (10% от энергии дуговой сварки, 2,5 % от лазерной сварки);
• отсутствие потери легирующих элементов металлов.

 Однако метод СТП имеет и недостатки, к которым следует отнести:

• наличие крупных металлических подложек с возможностью крепления заготовки в различных пространственных положениях;
• возможность образования канавки в форме наконечника штыря диаметрально шву в случае, если вовремя не остановить статор;
• порча сварных заготовок при поломке механической части привода вращений или статора. [1]

Сварка трением с перемешиванием получает широкое применение во многих производственных отраслях: при сварке ответственных конструкций фюзеляжа, баков, панелей в авиаракетостроении, корпусов маломерных судов в судостроении, а также при производстве железнодорожных вагонов, имеется опыт сварки трубопроводов.

В основном метод применяется для сварки алюминиевых сплавов средней и сравнительно большой толщины. Затруднения могут возникать при соединении заготовок толщиной 0,5 – 3 мм, а также более 40 мм. В связи с этим, а также с возникающими сложностями при обеспечении точности сборки тонкостенных заготовок под сварку, были проведены исследования процесса СТП на специальной экспериментальной установке. Хотя сварка трением с перемешиванием применяется в основном для стыковых и нахлесточных швов, возможно также получение угловых, тавровых, точечных швов. [3]

Обработка трением с перемешиванием (ОТП) представляет собой технологию, родственную методу СТП. Микроструктуры, формируемые в результате ОТП, часто демонстрируют однородное распределение измельченных недеформируемых составляющих, а также сильно измельченную зёренную структуру, и после обработки кованых алюминиевых сплавов 7XXX и 5XXX достигается сверхпластичное поведение. Измельчение зерен является результатом рекристаллизации при быстром термомеханическом цикле обработки, механизмы, определяющие однородное распределение частиц, ещё предстоит выяснить. Технология обработки трением с перемешиванием позволяет увеличить прочность и пластичность материала через уменьшение размера его зёрен. Приобретение данных свойств очень важно для материала в экстремальных условиях, например, в космосе и на МКС. [2]

В лабораторных условиях была произведена обработка трением с перемешиванием образца листового проката из алюминиевого сплава АМг5 толщиной 5 мм с двумя проходами в противоположных направлениях (рис. 2).

Рисунок 2. Схема обработки трением с перемешиванием пластины алюминиевого сплава АМг5. 1. Направления прохода; 2. Зона перемешивания

Вырезанный в поперечном сечении образец АМг5 после ОТП подвергли шлифовке наждачной бумагой различной зернистости (P400 – P2000), после образец был подвергнут полировке алмазной пастой. Далее произведено травление обработанного материала реактивом Келлера (HF – 1 %, HCl – 1,5 %, HNO₃ – 2,5 %, H₂O – 95 %).

После проведены исследования под оптическим микроскопом «АЛЬТАМИ МЕТ 1С». С помощью микротвердомера ПМТ-3М по методу Викерса была измерена твёрдость образца с нагрузкой на индентор P = 50 г, временем выдержки t = 12 с, с шагом x = 1 мм.

На рисунке 3 представлено составное макроскопическое изображение образца АМг5 после обработки трением с перемешиванием (ОТП), полученное с помощью оптического микроскопа. Красной пунктирной линией показаны характерные для сварки трением с перемешиванием зоны.

Результаты исследования микроструктуры позволили обнаружить ярко выраженные полосы, так называемые «луковые кольца», и характерные границы зон влияния, перемешивания и обычного металла.

Рисунок 3. Составное макроскопическое изображение образца АМг5 после обработки трением с перемешиванием (ОТП).

1 – основной металл (ОМ), 2 – зона термического влияния (ЗТВ), 3 – зона термомеханического влияния (ЗТМВ), 4 – зона перемешивания (ЗП).

Микротвердость измерялась вдоль черной пунктирной линии

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

Размер зерна в ОМ существенно отличается от подобных им в ЗП. Средний размер зерна в ОМ был найден через непосредственное измерение размера 50 зёрен на изображениях микроструктуры ОМ (рис.4) и составил .

Установлено, что при обработке трением с перемешиванием размер зёрен уменьшается от ОМ к ЗП примерно в 5 раз, что может свидетельствовать об упрочнении материала в месте обработке.

Рисунок 4. Микроструктура ОМ алюминиевого сплава АМг5

Микротвердость в образце АМг5 после ОТП измерялась вдоль черной пунктирной линии (см. рис. 3) при нагрузке на индентор 50г. с шагом 1 мм от ЗП к ОМ в обе стороны от оси. По результатам измерений построен график распределения микротвёрдости в образце алюминиевого сплава АМг5 после обработки трением с перемешиванием (см. рис. 4).

Рисунок 5. График распределения микротвёрдости в образце алюминиевого сплава АМг5 после обработки трением с перемешиванием

Из рисунка 5 видно, что, несмотря на измельчение зерна, значения микротвёрдости в ЗП скачкообразные, что связано с неравномерным перемешиванием металла ввиду двойного прохода. При этом в ЗТВ наблюдается увеличение микротвердости. Следует отметить, что выявленный экспериментально характер распределения микротвёрдости в образце указывает на неравномерное перемешивание металла в процессе ОТП.

Список литературы:

1. Сварка трением с перемешиванием [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://promsvarka.by/stati/vsyo-o-svarke/svarka-treniem-s-peremeshivaniem/, свободный. – Загл. с экрана.
2. McNelley Friction stir processing (fsp) and superplasticity / McNelley // Letters of materials, Volume 5: T.R., 2015 – 246 – 252.
3. Лукин В.И. Сварка трением с перемешиванием высокопрочного алюминиево-литиевого сплава В-1469 В.И. Лукин, И.П. Жегина, В.В. Овчинников и другие // Сварочное производство. – 2012. – №4.