CC BY
43
УДК 621.791(031)
I. О. ВАКУЛЕНКО, С. О. ПЛ1ТЧЕНКО, Ю. Л. НАДЕЖД1Н (ДПТ)
ВИКОРИСТАННЯ ТЕХНОЛОГИ ЗВАРЮВАННЯ ТЕРТЯМ З ПЕРЕМ1ШУВАННЯМ АЛЮМШГСВОГО СПЛАВУ
В робот наведенi експериментальнi данi стосовно впливу режиму зварювання тертям з перемiшуванням алюмiнieвого сплаву на характер розпод^ твердостi по перетину зварного шву.
Ключовi слова: сталь, розтягання, напруження, деформацiя, падiння напруження, деформацшне старiння, реверсивна деформацiя
На основ1 анал1зу експериментальних даних [1-3], яю стосуються технологИ зварювання тертям, окр1м особливостей конструктивного характеру, одним з основних параметр1в являеть-ся температура роз1гр1ву з'еднувальних елеме-нт1в. Враховуючи, що температура в зош зварювання не повинна перебшьшувати значення початку переходу в рщкий стан можна вважати, що яюсть зварного з'еднання в значнш м1р1 бу-де залежати вщ процесу структурних змш в металл Обумовлено наведене положення зале-жнютю дифузшного масопереносу металу при пластичнш деформаци по з'еднувальним пове-рхням, при формуванш зварного шву. На тд-став1 цього, процес формування зварного з'еднання за умов вщсутносп розплавлення в значнш м1р1 буде визначатися спроможшстю металу до пластично! течи. В свою чергу р1вень пластичних властивостей залежить вщ сшввщ-ношення м1ж температурою 1 швидюстю деформаци [4].
Метою роботи являеться анал1з процес1в, що визначають формування зварного з'еднання за технолопею тертям з перемшуванням.
Матер1алом для дослщження був сплав на основ! алюмш1ю марки АМг 5 з х1м1чним складом: 4,8 % М§, 0,5 % Мп, 0,36 % Бе, у вигляд1 пластин товщиною 2 мм. З урахуванням експериментальних даних [3, 5] та техшчних ршень [3] стосовно геометричних розм1р1в робочого елемента, для зварювання тертям з перемшу-ванням (ЗТП) був виготовлений робочий ш-струмент, форма 1 розм1ри якого представлен! на рис.1. Анал1з процес1в структурних змш в метал1 поблизу з'еднувальних кромок проводили за допомогою рентгеноструктурних досл> джень на дифрактометр1 типу ДРОН-1УМ з ви-
значенням густини дефектов кристал1чно! будо-ви { викривлень другого роду. Твердють вим> рювали за методом Бршелля з використанням приладу типу ТДМ-1.
Рис. 1. Схематичне зображення робочого шструмента для зварювання тертям iз перемшуванням: 1 - штифт; 2 - поверхня плеча
В процес занурювання обертаючогося штифта робочого шструмента (рис. 1) в метал, за рахунок видшення теплово! енерги вщ на-пружень тертя, кромки дуже швидко роз1гр1ва-ються до температур що забезпечують висок показники пластичносто. Разом з цим, спрямо-ваний масоперенос металу при ротацюнних ефектах вщ штифта супроводжуеться обов'яз-ковим вщхиленням зони зварювального шву вщ симетричного вигляду (рис. 2).
Рис. 2. Макроструктура перетину зварного шву:
1 - зона виносу металу
© I. О. Вакуленко, С. О. Плггченко, Ю. Л. Надеждш, 2012
Як показали дослщження, формування звар-ного шву у випадку недостатньо! температури розiгрiву алюмiнieвого сплаву, супроводжуеть-ся зростанням адгезп металу по поверхш тертя з штифтом, що неодмшно приводе до зниження якостi з'еднання в цiлому. Так, за умов частоти обертання робочого iнструмента 600 хв-1 при швидкостi перемiщення уздовж з'еднувальних кромок (V) 0,4 мм/с, поверхня шву пiсля розго-ну метала мае дуже високу шорстюсть (макси-мальнi немонотонностi металу по поверхш складали значення до 0,2-0,3 мм) (рис. 3, а). На пiдставi цього, з урахуванням впливу якосн пiдготовки поверхнi на розвиток процешв вто-ми при циктчному навантаженнi [6], шдвище-на шорстюсть поверхнi зварного шву, сформо-ваного по визначенш технологи, вже буде обу-мовлювати пiдвищення вiрогiдностi зароджен-ня осередкiв руйнування металу.
Рис. 3. Вигляд поверхш зварного з'еднання з1 сторо-ни поверхш перемщення робочого шструмента:
а - дшянка з тдвищеною шорстшстю зони терм1чного впливу; б - дшянка шву з високою яюстю
Окрiм шдвищення шорсткостi поверхнi, за наведеним режимом зварювання, в обласп ко-реня зварного шву спостерiгаеться формування дефекту у виглядi повздовжньо! трiщини (рис. 4). Таким чином, недостатня температура розiгрiву кромок з'еднувальних елеменнв не дае змоги досягти умов необхщного рiвня швидкостi перемiшування металу. Експеримен-тально спостережуванi нещiльностi металу уз-довж з' еднувальних поверхонь е додатковим свщченням стосовно впливу температурно-деформацшних параметрiв роботи iнструмента на яюсть зварного з'еднання [2, 5].
Щцвищення пластичних властивостей алю-мiнiевого сплаву за рахунок одночасно! ди шдвищення швидкосн перемiщення робочого ш-струменту уздовж шву до величини 0,7 мм/с та частоти обертання до 1000 хв-1 привело до формування достатньо яюсно! поверхш в зош роз-гону металу, над зварним швом (рис. 3, б). Мо-жна вважати, що сшввщношення мiж процеса-
ми ковзання та зчеплення металу з поверхнею iнструмента змщуетъся в сторону пiдвищення частки ковзання. Наведене положення достат-ньо яюсно пiдтверджуеться вiдсутнiстю формування повздовжньо! трщини та об'емiв металу з локальною нещшьшстю в обласп кореня зварного шву. В порiвняннi з низьким ступенем розiгрiву (рис. 3, а), зростання температури су-проводжуеться якiсними змiнами характеру формування зварного шву. Так, за умов тдви-щеного зчеплення металу з штифтом та плечем шструменту, формуеться пiдвищена концент-рацiя порожнин, що призводе до зниження щшьносн металу в обласп максимального ма-сопереносу. В наслщок цього, пiдвищений тиск що виникае поблизу контактуючих поверхонь (метал-iнструмент) компенсуеться низькою щiльнiстю металу i витискання його з робочо! зони шструменту практично не спостерiгаеться. 1нша рiч, коли частка процесiв масопереносу, що обумовлена ковзанням, зростае, а зчеплення зменшуеться. В наслщок цього щшьшсть металу в зош тертя зростае, що супроводжуеться очшуваним позитивним впливом на яюсть зварного з'еднання. Щцтверджуеться наведене по-ложення практично повною вщсутнютю низки порожнин та дшянок незварювання (вигляд, подiбний повздовжнш трiщинi) в областi кореня зварного шву. Додатковим доказом являеть-ся спостережуваний частковий винос матерiалу сплаву у виглядi викривлено! фольги (рис. 5). Винос матерiалу iз областi термiчного впливу обумовлений по-перше шдвищенням пластич-ностi сплаву вщ його розiгрiву до бiльш висо-ких температур та зростанням питомого на-пруження. Враховуючи збiльшення об'ему металу (пропорцшно коефiцiенту термiчного ро-зширення) пiсля розiгрiву до бшьш високих температур при незмiнному напруженш прити-скування робочого iнструменту до з'еднуваль-них кромок, зайва частка сплаву повинна бути видавлена.
Рис. 4. Макроструктура перетину зварного шву з дефектом, який под1бний повздовжнш трщиш (а)
Враховуючи, що в процес пластичного де-формування при пiдвищених температурах шд-тримуеться визначене спiввiдношення мiж про-цесами накопичення i аншляци дефекнв крис-
талiчноl будови, представляе визначений ште-рес оцшити частку пластичностi, яка може бути зв'язана з дислокацшним мехашзмом.
Рис. 5. Перетин зварного шву: 1 - частковий винос матер1алу сплаву у вигляд1 фольги
Так, в першому наближенш спiввiдношення напруження при деформуваннi металевих мате-рiалiв може бути оцiнено у виглядк
с = А-О-Ьу/Р, (1)
де с - напруження; А - розмiрний фактор; О - модуль зсуву; Ь - вектор Бюргерса; р - гус-тина дислокацш.
За сшввщношенням (1) пом'якшення дефо-рмованого матерiалу досягаеться за рахунок зменшення густини дислокацш. Наведена мета може бути досягнута двома шляхами. Перший напрямок - це мнращя великокутових границь. При цьому процесс який називають рекристал> зацiею [6], зайвi дислокацп при виходi на гра-ницi зерен ашгшюють, що пiдтверджуеться в> домими експериментальними даними [7]. Дру-гий процес супроводжуеться перебудовою дис-локацшно! структури - це повернення та полношзащя [6].
У загальному виглядi енергiя активацн ди-фузiйних процешв, що визначають мiграцiю границь зерен при рекристашзацн залежать вiд енерги активацн процесiв формування та мн-рацн вакансiй у визначеному мiкрооб'емi мета-лу. На пiдставi цього, у випадку коли концент-ращя вакансiй перебiльшуе термiчно рiвноваж-не значення, енергiя активацн розвитку рекрис-талiзацil знижуеться [8].
Аналiз експериментальних даних по дефор-мацн металевих матерiалiв з рiзним типом кри-статчно1 решiтки, при рiзних температурах i швидкостi деформацн показуе юнування ств-вiдношення мiж процесами деформацшного змiцнення та динамiчного пом'якшення. Так, iз аналiзу характеру змiни мшротвердосп пiсля зварювання алюмiнiевого сплаву можна, за яю-сними ознаками, визначити, яю процеси мають перевагу за умов конкретних параметрiв зварювання. При швидкост обертання 600 хв-1, коли формуеться поверхня високо! шорсткост
в зонi термiчного впливу i областi шву, спосте-рiгаеться екстремальний характер змiни НВ з максимумом по з' еднувальним кромкам (рис. 6). Пюля пiдвищення швидкостi обертання робочого шструменту до 1000 хв-1, а також збшьшення величини подач^ можна вважати досягнутими стабшьш умови процесу зварювання. Поверхня зони термiчного впливу формуеться достатньо яюсною, з низькою шорстю-стю (рис. 3, б). Характер змши НВ мае проти-лежний вигляд: екстремальна залежнiсть, але з мшмумом мiкротвердостi в зонi зварного шву (рис. 7). Значне зниження мшротвердосп в зонi термiчного впливу вказуе на досягнення умов, за яких розвиток процешв динамiчного пом'якшення суттево перебiльшуе вплив деформацшного змiцнення на розвиток структурних змш в алюмiнiевому сплавi. За цих умов можна було б вважати, що при пластичнш деформацн в процес зварювання з перемiшуванням дисло-кацiйний механiзм не реалiзуеться [2].
НВ
■12 -8 -и 0 4 8 12 мм
Рис. 6. Змша твердосп за Бршеллем по перетину зварного шву в залежносп в1д режиму зварювання
II II 1 II 1 II 1 ---ч!----Г----:--------1--- Т\ 1 1 \ 1 1 \ 1 ----1---\- 4-----1--------1--- \ 1 г т ®_____ / - +- - У н------- /
\ \ \ 1 (г*^ "ХЧ^- . ® \ I
Рис. 7. Змша твердосп за Бршеллем по перетину зварного шву в залежносп в1д режиму зварювання
Використання рентгеноструктурного анал> зу для визначення густини дислокацiй i викри-влень другого роду показано, що в металi фольги, яка видавлена, густина дислокацiй переб> льшуе аналогiчну величину основного металу приблизно в 2 рази, по викривленням другого роду на 50 %. Отримаш результати можна роз-
глядати як свщчення впливу деформацшного змщнення на процеси структурних перетворень при пластичнш деформаци за умов зварювання з перемiшуванням.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Gould, J. E. Heat Flow Model for friction stir welding of aluminum alloys [Текст] / J. E. Gould, Z. Feng // Mater. Process. Manuf. Sci. - 1998. - v. 7. -C. 185-194.
2. Reynolds, A. P. Microstructure development in aluminum alloy friction stir welds [Текст] / A. P. Shneider // Friction stir welding and processing. - 2007. - C. 51-70.
3. Patent 5,460,317. United States. Friction welding [Текст] / Thomas, W. M. Nicholas E. D., Needham, J. C. at al.; assignee The Welding Institute Cambridge, United Kingdom; public date: 10.06.1993; public № W093/10935.
4. Вакуленко, И. А. О параметрах пластического течения реверсивно деформируемой при повышенной температуре углеродистой стали [Текст]
/ И. А. Вакуленко, В. П. Колпак, С. Ю. Таран-Жовнир // Черная металлургия. - 1992. - № 4. -С. 39-41.
5. Shneider, J. A. Temperature distribution and resulting metal flow [Текст] / J. A. Shneider // Friction stir welding and processing. - 2007. - C. 37-49.
6. Вакуленко, I. О. Дефекти залiзничних колю [Текст] : монография / I. О. Вакуленко, В. Г. Анофрieв, М. А. Грищенко. - Д. : Маковец-кий, 2009. - 112 с.
7. Вакуленко, И. А. Морфология структуры и деформационное упрочнение стали [Текст]: монография / И. А. Вакуленко, В. И. Большаков. - Д. : Маковецкий, 2008. - 196 с.
8. Бернштейн, М. Л. Структура деформированных металлов [Текст] : учеб. пособие для вузов / М. Л. Бернштейн. - М. : Металлургия, 1977. -431 с.
Надшшла до редколеги 19.12.2011. Прийнята до друку 20.12.2011.
И. А. ВАКУЛЕНКО, С. А. ПЛИТЧЕНКО, Ю. Л. НАДЕЖДИН
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В работе приведены экспериментальные данные по влиянию режима сварки трением с перемешиванием алюминиевого сплава на характер распределения твердости по сечению сварного шва.
Ключевые слова: сталь, растяжение, напряжение, деформация, падение напряжения, деформационное старение, реверсивная деформация
I. A. VAKULENKO, S. A. PLITCHENKO, Y. L. NADEGDIN
USE OF TECHNOLOGY OF FRICTION STIR WELDING FOR ALUMINUM ALLOYS
This paper presents experimental data on the effect of mode of friction stir welding of aluminum alloy on the distribution of hardness over the cross section of the weld.
Keywords: steel, tension, stress, strain, drop stress, deformation ageing, reverse deformation
