О поле температур внутри рабочего инструмента, генерируемом в ходе сварки трением с перемешиванием Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 669

О поле температур внутри рабочего инструмента, генерируемом в ходе сварки трением с перемешиванием

С.Ю. Миронов

Белгородский государственный университет, Белгород, 308015, Россия

Данное исследование обусловлено рядом публикаций в научно-технической литературе, в которых отмечался необычный характер поля температур, генерируемого внутри рабочего инструмента в ходе сварки трением с перемешиванием (СТП). В частности, было обнаружено, что температура в области плечиков была выше, чем внутри пина. Данный результат противоречил общепринятой точке зрения о преобладающей роли плечиков инструмента в качестве источника тепла в ходе СТП. Данная работа была предпринята с целью выявления причины наблюдаемого феномена. На основе большой выборки измерений, было установлено, что температура в зоне плечиков, действительно, является относительно низкой. С другой стороны, моделирование методом конечных элементов показало, что этот неожиданный эффект связан с быстрым охлаждением данной области инструмента в результате интенсивного теплоотвода в массивный хвостовик.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием (СТП), температура, метод конечных элементов (МКЭ), термический анализ

DOI 10.55652/1683-805X_2022_25_5_40

Temperature distribution within the friction stir welding tool

S.Yu. Mironov

Belgorod State National Research University, Belgorod, 308015, Russia

This work was motivated by several recent publications in the literature which reported an unexpected temperature distribution within the welding tool during friction stir welding (FSW). It was found that the temperature in the tool shoulder was lower than that in the probe. This result appears to contradict the common assumption that the shoulder plays the dominant role in heat generation during FSW. In an attempt to clarify this issue, we performed direct temperature measurements within the tool and numerical simulations of heat transfer. Extensive measurement data confirmed that temperature within the shoulder is relatively low, which is in agreement with the literature data. Finite element modeling (FEM) showed that the lower temperature results from rapid cooling of the shoulder area due to enhanced heat transfer to the tool shank.

Keywords: friction stir welding (FSW), temperature, finite element modeling (FEM), thermal analysis

1. Введение

Сварка трением с перемешиванием (СТП) представляет собой инновационную технологию получения неразъемных соединений металлических материалов без перевода их в расплав [1-3]. Твердофазный характер данной разновидности сварки позволяет избежать или минимизировать проблемы, связанные с кристаллизацией металла

из расплава и, как следствие, обеспечивает высокое качество сварных соединений даже в материалах, которые традиционно считаются несвари-ваемыми (в частности в алюминиевых сплавах). В результате данная технология считается одним из основных достижений в области соединения материалов за последние несколько лет и привлекает к себе значительный исследовательский интерес.

© Миронов С.Ю., 2022

Интенсивные исследования, проводившиеся в области СТП в течение двух последних десятилетий, убедительно показали, что одним из ключевых параметров данной технологии является температура сварки [1-3]. В частности, считается общепринятым, что данная характеристика оказывает определяющее влияние как на характер пластического течения в ходе СТП, так и на процессы формирования микроструктуры. Иными словами, температура СТП фактически определяет как пригодность того или иного материала к свариванию, так и служебные свойства сварных соединений [1-3]. Таким образом, контроль температуры в ходе СТП имеет ключевое значение.

Вследствие очень больших деформаций, которым подвергается свариваемый материал в ходе СТП, непосредственные измерения температур в зоне перемешивания представляют собой значительную проблему. Как следствие, истинное распределение температур в этой области является фактически неизвестным. Тем не менее считается общепринятым, что основным источником тепла в ходе СТП служит верхняя часть рабочего инструмента, т.е. его плечики. Данная концепция восходит к классической работе Tang с коллегами [4]. В данном исследовании СТП была реализована с использованием двух рабочих инструментов, т.е. обычного (состоящего из плечиков и пина) и модельного (состоящего только из плечиков). Было обнаружено, что температура сварки в обоих случаях была примерно одинаковой. Исходя из этого был сделан вывод, что пин инструмента играет незначительную роль в генерации тепла. Учитывая относительно большую контактную поверхность плечиков, данная концепция представлялась совершенно естественной.

Однако недавние экспериментальные измерения показали, что температура в области плечиков ниже, чем температура в области пина [5-7]. Этот факт явно не вписывается в современные представления о процессе СТП.

Данная работа была предпринята с целью выявления возможной причины этого противоречия. С этой целью непосредственные температурные измерения внутри инструмента были использованы для создания компьютерной модели поля температур.

2. Экспериментальные измерения температуры в ходе СТП

Для измерения температур внутри рабочего инструмента была проведена серия эксперимен-

тов по СТП листов из технически чистого алюминий толщиной 4 мм. Использовался инструмент из углеродистой стали, в область плечиков и пина которого были вмонтированы хромель-алюмелевые термопары (рис. 1). Далее в тексте эти две области измерений обозначены соответственно как «плечики» и «пин». В ходе СТП температурные данные транслировались через беспроводную сеть 2.4 ГГц ZigBee с частотой 30 Гц. Для изучения возможного влияния режима СТП на температуру процесса сварка была реализована при скорости вращения инструмента от 500 до 1000 об/мин и скорости сварки от 300 до 600 мм/мин. Во всех случаях угол наклона инструмента составлял 3°, глубина его погружения 3.5 мм, а протяженность сварного шва 150 мм. Все эксперименты осуществлялись на подложке из нержавеющей стали.

Типичная эволюция температуры внутри плечиков и пина в ходе СТП приведена на рис. 2, а. Следует отметить, что данные представляют обе стадии СТП процесса, т.е. (1) внедрение рабочего инструмента в материал (область резкого повышения температуры) и (2) стадию сварки (область относительно небольших изменений температуры). Видно, что на всем протяжении СТП процесса температура пина была выше, чем температура плечиков. Следует отметить постепенное сокращение разницы температур в процессе сварки.

Влияние режима СТП на величину средней температуры на этапе сварки представлено на рис. 2, б. Из него следует, что относительно низкая температура плечиков была выявлена на всем исследованном диапазоне режимов (21 эксперимент). Интересно отметить, что разница температур между плечиками и пином увеличивалась со скоростью вращения инструмента от 65 К при 600 об/мин до 135 К при 3000 об/мин.

3. Компьютерное моделирование поля температур

Поле температур, формирующееся внутри рабочего инструмента, определяется балансом процессов тепловыделения и теплоотвода. Поскольку плечики характеризуются относительно большей площадью контактной поверхности и линейной скоростью, чем пин, то количество теплоты, генерируемое плечиками, должно быть больше, чем тепловыделение пина [8]. Исходя из этого можно предположить, что относительно низкая температура, выявленная в области плечиков, связана с повышенным теплоотводом.

Рис. 1. Схема рабочего инструмента с вмонтированными термопарами

Интервал усреднения температурных данных

900

а 80(Н

§ 7001

Он ев

3 6001

ев Он

500-

ев Он К

Е 4001

300

200

1 а

-Пин

Плечики

20

40 60 80 Время сварки, с

100 120

900'

з

§<8001 ю о ев

^700-

ев Он К

С

£ 6001 «

К

п

<и 0< О

500-

ти

/у

/а/

■ ¥=300 мм/мин, пин □ ¥=300 мм/мин, плечики о ¥=450 мм/мин, пин о ¥=450 мм/мин, плечики А ¥=600 мм/мин, пин Л ¥=600 мм/мин, плечики

0 1000 2000 3000

Скорость вращения инструмента, об/мин

Рис. 2. Типичная эволюция температуры внутри пина и плечиков в ходе СТП (скорость сварки V = 300 мм/мин, скорость вращения N = 1000 об/мин) (а); зависимость средней температуры на этапе сварки от режима СТП (б) (цветной в онлайн-версии)

Пин Плечики

Рис. 3. Конечно-элементная модель рабочего инструмента (цветной в онлайн-версии)

Для проверки этой простой гипотезы было вычислено поле распределения температур внутри инструмента. С этой целью была разработана его конечно-элементная модель на основе программного обеспечения ABAQUS 6.10 [9]. Для упрощения процесса моделирования был сделан ряд допущений, в частности, пренебрегали наличием резьбы на пине, вогнутой формой плечиков, а также наличием отверстий для термопар. С учетом симметричности рабочего инструмента все вычисления были реализованы только для одной четверти его объема, как показано на рис. 3. Разработанная модель состояла из 92149 шестигранных элементов и включала в себя 99 840 узлов.

Предполагалось, что потери тепла были связаны с его передачей в массивную хвостовую часть инструмента, а также с конвекцией со свободной поверхности плечиков. Коэффициент конвекции был взят равным 30 Вт/(м2 -К), а комнатная температура 293 К. Тепловые характеристики материала инструмента считались постоянными. В частности, плотность материала была взята за 8080 кг/м3, теплоемкость 400 Дж/(кг -К), а теплопроводность 26 Вт/(К- м) [10, 11]. Модель была разработана только для стационарной стадии сварки, т. е. этап внедрения инструмента не учитывался.

В качестве источника тепла принималась поверхность раздела между плечиками (или пином) и свариваемым материалом (штрихованная область на рис. 3, а). Были смоделированы две различные ситуации. В соответствии с одной из них начальная температура пина составляла 700 К, а начальная температура плечиков 500 К (рис. 4, а). Во втором случае исходные температуры пина и плечиков одинаковы и составляют 700 К (рис. 4, б). Эволюция поля температур внутри инструмента для этих двух ситуаций представлена на рис. 5.

Как очевидно из рис. 4 и 5, область плечиков ха-растеризовалась очень высокой скоростью охлаждения. В частности, в ходе первой секунды смоделированного процесса СТП скорость снижения температуры в этой области составляла 350 К/с для обеих смоделированных ситуаций. Как следствие, температура в этой области быстро падала ниже температуры пина (рис. 5). Важно подчеркнуть, что высокая скорость охлаждения плечиков была в основном обусловлена теплоотводом в массивный хвостовик (рис. 4).

Таким образом, несмотря на относительно большую величину тепловыделения в области плечиков, интенсивная потеря тепла способствует формированию сравнительно низкой температуры в этой части рабочего инструмента. Данный

Рис. 4. Конечно-элементная модель эволюции поля температур внутри рабочего инструмента в ходе СТП при различных

начальных температурах плечиков Тр

р-йЬоиЫег "

= 700 К и пина Тр-ргоЬе = 500 (а) и 700 К (б) (цветной в онлайн-версии)

вывод прекрасно соотносится с данными температурных измерений (рис. 2). Более того, постепенное уменьшение разницы температур между плечиками и пином по мере сварки, выявленное в ходе эксперимента (рис. 2, а), скорее всего, связано с постепенным выравниванием поля температур внутри рабочего инструмента.

4. Значение выявленного эффекта

Прежде всего, важно подчеркнуть, что относительно низкая температура плечиков, выявленная в данной работе, не обязательно противоречит общепринятой концепции о доминирующей роли этой части рабочего инструмента при генерации

тепла в ходе СТП. Вследствие существенной разницы в теплоемкости и теплопроводности между материалом инструмента (стали) и свариваемым материалом (алюминием), относительно низкая температура плечиков вовсе не обязательно соответствует относительно низкой температуре приповерхностной области зоны перемешивания.

С другой стороны, можно предположить, что неоднородность температурного поля внутри инструмента, выявленная в данной работе, должна оказывать влияние на характер пластического течения материала в ходе СТП. Таким образом, она в какой-то мере должна обуславливать свариваемость материала и служебные свойства сварных соединений. Иными словами, так или иначе выяв-

Рис. 5. Изменение температуры на поверхности раздела между плечиками и свариваемым материалом (Тр-8ьоиыег) и поверхности раздела между пином и свариваемым материалом (Тр-ргоЬе) для двух модельных ситуаций

ленный эффект заставит пересмотреть устоявшиеся представления о процессе СТП.

Учитывая хорошую воспроизводимость экспериментальных результатов, а также их соответствие литературным данным [5-7], можно допустить, что обнаруженный эффект в той или иной мере является характерным для СТП в целом. Однако степень его проявления должна зависеть от множества факторов, в частности химического состава и особенностей дизайна рабочего инструмента, химического состава и толщины свариваемого материала, режима СТП, материала подложки и т. д.

5. Выводы

В данной работе было исследовано поле температур, формирующееся внутри рабочего инструмента в ходе СТП. Экспериментально установлено, что температура в области плечиков ниже, чем температура в области пина. С помощью конечно-элементного моделирования показано, что данный эффект связан с интенсивным отводом тепла в массивную хвостовую часть инструмента.

Благодарность

Автор признателен Dalong Yi за помощь при

проведении экспериментов и создании компьютерной модели.

Литература

1. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Mater. Sci. Eng. R. - 2005. - V. 50. - P. 178. - https://doi.Org/10.1016/j.mser.2005.07.001

2. Nandan R., DebRoy T., Bhadeshia H.K.D.H. Recent advances in friction-stir welding—Process, weldment structure and properties // Progr. Mater. Sci. - 2008. -V. 53. - P. 980-1023. - https://doi.org/ 10.1016/j.pmat sci.2008.05.001

3. Heidarzadeh A., Mironov S., Kaibyshev R., Cam G., Simar A., Gerlich A., Khodabakhshi F., Mostafaei A., Field D.P., Robson J.D., Deschamps A., Withers P.J. Friction stir welding/processing of metals and alloys: A comprehensive review on microstructural evolution // Progr. Mater. Sci. - 2021. - V. 117. - P. 100752. -https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100752

4. Tang W., Guo X., McClure J.C. Heat input and temperature distribution in friction stir welding // J. Mater. Proc. Technol. - 1998. - V. 7. - P. 163-172. - https:// doi.org/10.1106/55TF-PF2G-JBH2-1Q2B

5. Record J.H., Covington J.L., Nelson T.W., Soren-sen C.D., Webb B.W. A look at the statistical identification of critical process parameters in friction stir welding // Weld. J. - 2007. - April. - P. 97-104.

6. Assidi M., Fourment L., Guerdoux S., Nelson T. Friction model for friction stir welding process simulation: Calibration from weld experiments // Int. J. Mach. Tool. Manuf. - 2010. - V. 50. - P. 143-155. - https:// doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2009.11.008

7. Yi D., Onuma T., Mironov S., Sato Y.S., Kokawa H. Evaluation of heat input during friction stir welding of aluminum alloys // Sci. Technol. Weld. Join. - 2016. -V. 22. - P. 41-46. - https://doi.org/10.1080/13621718. 2016.1183079

8. Schmidt H., Hattel J., Wert J. An analytical model for the heat generation in friction stir welding // Model. Simul. Mater. Sci. Eng. - 2004. - V. 12. - P. 143157. - https://doi.org/10.1088/0965-0393/12/1Z013

9. ABAQUS, Version 6.10. - SIMULIA Inc. (HTML documentation).

10. Metals Handbook. - ASM Int., 1990.

11. ASM Speciality Handbook: Carbon and Alloy Steels. -ASM Int., 1996.

Поступила в редакцию 13.10.2021 г., после доработки 30.01.2022 г., принята к публикации 01.02.2022 г.

Сведения об авторе

Миронов Сергей Юрьевич, д.ф.-м.н., проф. БГНИУ, mironov@bsu.edu.ru, s-72@mail.ru