Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм
Экспериментально определены геометрические размеры рабочих поверхностей инструментов и требования к подготовке кромок стыковых соединений алюминиевых сплавов, необходимая точность их сборки и фиксации. Установлены диапазоны изменения параметров процесса, обеспечивающие получение бездефектных сварных...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100018 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859688548375986176 |
|---|---|
| author | Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. |
| author_facet | Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. |
| citation_txt | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Экспериментально определены геометрические размеры рабочих поверхностей инструментов и требования к подготовке кромок стыковых соединений алюминиевых сплавов, необходимая точность их сборки и фиксации. Установлены диапазоны изменения параметров процесса, обеспечивающие получение бездефектных сварных соединений.
Geometric dimensions of working surfaces of the tools, requirements to edge preparation of the butt joints on aluminium
alloys, and desired accuracy of their assembly and fixation have been experimentally determined. The ranges of variations
of process parameters, providing defect-free welded joints, have been established
|
| first_indexed | 2025-11-30T23:02:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.14.03
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА СВАРКИ ТРЕНИЕМ
С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ НА ФОРМИРОВАНИЕ ШВОВ
СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
ТОЛЩИНОЙ 1,8…2,5 мм
А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук, чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО, С. В. ПОДЪЕЛЬНИКОВ, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Экспериментально определены геометрические размеры рабочих поверхностей инструментов и требования к под-
готовке кромок стыковых соединений алюминиевых сплавов, необходимая точность их сборки и фиксации. Уста-
новлены диапазоны изменения параметров процесса, обеспечивающие получение бездефектных сварных соединений.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием,
алюминиевые сплавы, параметры процесса, формирование
швов, бездефектность
В последнее десятилетие происходит стремитель-
ное развитие процесса сварки трением с переме-
шиванием (СТП) и расширяются сферы его при-
менения в судостроении, автомобильной про-
мышленности, вагоностроении, при изготовлении
авиационной и космической техники [1–3].
Принцип получения швов при СТП основан
на нагреве металла в зоне соединения до плас-
тического состояния в результате сил трения, пе-
ремещения и пластического деформирования его
в закрытом объеме, ограниченном рабочими по-
верхностями инструмента и подкладкой (рис. 1).
При этом металл не нагревается до температуры
плавления, благодаря чему в швах и зонах тер-
мического влияния степень структурно-фазовых
превращений намного меньше, чем при сварке
плавлением. Улучшенные физико-механические
свойства таких соединений обеспечивают более
высокие эксплуатационные характеристики кон-
струкций, изготовленных с применением СТП [4–
7]. Однако, как и при любом способе сварки, по-
лучить бездефектные соединения при СТП уда-
ется только при определенных параметрах про-
цесса.
Цель данной работы — исследовать влияние
основных параметров процесса СТП и техноло-
гических факторов на формирование качествен-
ных соединений алюминиевых сплавов толщиной
1,8…2,5 мм.
Для проведения исследований использованы
листы из серийных алюминиевых сплавов различ-
ных систем легирования (АМц, АД31, АМг2,
АМг6, В95, 1420 и 1460). Перед сваркой их очи-
щали от смазочных материалов, а затем прово-
дили химическое травление по общепринятой тех-
нологии. Предварительная механическая зачистка
поверхностей не производилась, так как оксидная
плена в процессе сварки разрушается, дисперсно
измельчается и равномерно распределяется по
всему объему шва вращающимся инструментом.
Результаты экспериментальных исследований
показали, что качество формирования швов при
СТП алюминиевых сплавов толщиной 1,8…2,5 мм
главным образом зависит от таких параметров про-
цесса, как размер и конфигурация рабочих повер-
хностей бурта и наконечника инструмента, усилия
прижатия инструмента к поверхностям листов и
глубины его погружения в свариваемый металл,
частоты вращения инструмента и скорости сварки.
Инструмент должен обеспечивать нагрев металла
в зоне сварки до пластического состояния, переме-
шивание его по всей толщине свариваемых кромок
и перемещение в замкнутом объеме при избыточном
давлении. Основное количество теплоты Q выделя-
ется в контактной области в результате трения бурта
и определяется по формуле [5]
Q = 2 ⁄ 3 πµPN(rб
3 – rн
3),
где µ — коэффициент трения; P — давление, ока-
зываемое инструментом на свариваемые листы,
Па; N — частота вращения инструмента, об/с; rб,
© А. Г. Покляцкий, А. Я. Ищенко, С. В. Подъельников, 2008 Рис. 1. Принципиальная схема процесса СТП
10/2008 27
rн — наружный радиус соответственно бурта и
наконечника, мм.
При использовании для СТП инструмента с
малым диаметром бурта объема пластифициро-
ванного металла может оказаться недостаточно
для полного заполнения освобождающегося по-
зади инструмента пространства, что приведет к
образованию в швах дефектов в виде несплавле-
ния. Чрезмерно большой диаметр бурта способ-
ствует формированию широкой лицевой поверх-
ности шва, значительному короблению сварных
соединений и образованию дефектов вследствие
перегрева металла в зоне сварки. Установлено,
что для СТП алюминиевых сплавов толщиной
1,8…2,5 мм оптимальный наружный диаметр бур-
та инструмента должен находиться в пределах
10…12 мм. Кроме того, для обеспечения стабиль-
ности формирования швов на торцевой поверх-
ности бурта необходимо делать небольшое коль-
цевое углубление, обеспечивающее плавное и
непрерывное перемещение пластифицированного
металла и формирование качественной лицевой
поверхности швов. Однако размер его должен
быть таким, чтобы при небольшом заглублении
бурта инструмента перемещающийся металл пос-
тоянно находился под избыточным давлением.
Перемешивание металла по всей толщине сва-
риваемых кромок в процессе сварки происходит
за счет перемещения его вращающимся наконеч-
ником инструмента. Проведенные исследования
позволили определить, что при сварке алюмини-
евых сплавов толщиной 1,8…2,5 мм получить ка-
чественные сварные соединения можно при ис-
пользовании наконечника инструмента в виде
простого усеченного конуса. Для обеспечения ра-
ботоспособности наконечника в условиях воз-
действия на него больших изгибающих усилий,
крутящего момента и сил трения диаметр его воз-
ле торца бурта должен составлять 3,2...3,6 мм, а
при вершине — 2,4…2,6 мм. Во избежание нес-
плавления в корневой части шва длина наконеч-
ника должна составлять (0,90...0,95)δ. Плавное и
равномерное перемещение пластифицированного
металла в процессе сварки обеспечивается бла-
годаря высокой чистоте обработки рабочих по-
верхностей инструмента. Любые заусенцы, выс-
тупы, вмятины или надрывы на этих поверхностях
бурта и наконечника инструмента вызывают пе-
риодическое изменение траектории, скорости и
количества перемещаемого металла, нарушая ста-
бильность формирования и качество швов.
Эскизы некоторых разработанных образцов
инструментов приведены на рис. 2. Рабочий ин-
струмент рекомендуется изготавливать из инстру-
ментальных или нержавеющих мартенситных ста-
лей [8]. Поэтому для сварки использован инстру-
мент, изготовленный из инструментальной стали
Р6М5 с высокими прочностными характеристи-
ками при повышенных (около 600 °С) темпера-
турах.
Слабое прижатие инструмента к поверхностям
деталей в процессе сварки или недостаточное заг-
лубление бурта инструмента в свариваемый ме-
талл приводит к увеличению объема, который
должен заполняться пластифицированным метал-
лом при формировании шва, а следовательно, к
снижению избыточного давления и образованию
несплошностей в швах. В процессе эксперимен-
тальных исследований установлено, что форми-
рование качественных швов обеспечивается при
усилиях прижатия инструмента 5…10 кН и за-
висит от марки свариваемого сплава. При этом
бурт инструмента должен погружаться в свари-
ваемый металл на глубину 0,1…0,2 мм. Чрезмер-
ное его заглубление приводит к перегреву металла
и образованию на лицевой поверхности шва де-
фектов в виде надрывов (рис. 3, а). При неболь-
шом погружении бурта инструмента в сваривае-
мый металл в зоне сварки выделяется недостаточ-
ное количество тепла для обеспечения требуемого
Рис. 2. Эскизы рабочих частей инструментов с конической (а, б) и полусферической (в) канавками на рабочей поверхности
бурта и различной формой наконечников для СТП алюминиевых сплавов толщиной 2 мм
28 10/2008
уровня пластификации, необходимого для качес-
твенного формирования шва объема металла. По-
этому в таких случаях на лицевой поверхности
шва образуются дефекты в виде несплавления
(рис. 3, б). Кроме того, сварку необходимо выпол-
нять «углом вперед» при наклоне инструмента на
2…3°. При этом вращающийся бурт своей задней
кромкой оказывает дополнительное давление на
свариваемый металл, уплотняя металл шва.
Существенное влияние на формирование швов
оказывают частота вращения инструмента и ско-
рость сварки. Тепловыделение в зоне сварки по-
вышается с увеличением количества оборотов ин-
струмента или уменьшением скорости перемеще-
ния его вдоль стыка. При определенном для дан-
ного сплава соотношении частоты вращения ин-
струмента и скорости сварки выделяемой за счет
трения теплоты может оказаться недостаточно для
пластификации требуемого объема металла, что-
бы заполнить всю полость, образуемую наконеч-
ником инструмента. В результате нарушается неп-
рерывность потока, перемещающегося по слож-
ной траектории металла, и в шве образуются внут-
ренние не заполненные металлом полости (рис. 4,
а). При сохранении той же скорости вращения
инструмента и уменьшении скорости его пере-
мещения пластифицированного металла стано-
вится больше, благодаря чему качество сварного
шва улучшается (рис. 4, б). Однако при чрезмер-
ном уменьшении скорости сварки происходит из-
быточное выделение тепла, приводящее к перег-
реву металла, оплавлению легкоплавких эвтектик
на межзеренных границах и образованию внут-
ренних дефектов в виде полостей и несплошнос-
тей (рис. 4, в).
Результаты экспериментов показали, что плас-
тичные низколегированные сплавы (АМц, АМг2,
АД31 и др.) успешно свариваются трением с пе-
ремешиванием в широком диапазоне изменения
скорости сварки (6…40 м/ч) при частоте вращения
инструмента 1420 или 2880 об/мин. Высокопроч-
ные сложнолегированные сплавы (АМг6, 1460,
В95 и др.) необходимо сваривать при более низ-
кой (1420 об/мин) частоте вращения инструмента
и при меньших (6...14 м/ч) скоростях сварки.
Для получения качественных соединений
большое значение имеют точность сборки стыка
под сварку и плотное прилегание кромок в зоне
сварки к подкладке. Исследования поперечных
макрошлифов швов, полученных СТП сплава
АМг2 толщиной 2 мм, показали, что для безде-
фектных швов зазор между свариваемыми кром-
ками должен составлять не более 15 % толщины
свариваемого металла (рис. 5). Существенное вли-
яние на качество формирования швов оказывает
депланация свариваемых кромок, возникающая
вследствие неточности их подгонки и сборки, не-
надежности фиксации заготовок к подкладке или
изменения теплофизических условий в процессе
сварки. При завышении кромки со стороны отхода
инструмента (где векторы направления и пере-
мещения инструмента противоположны по нап-
равлению) часть пластифицированного металла
выдавливается в процессе сварки на лицевой по-
верхности шва в виде грата (рис. 6). Поэтому для
обеспечения качественного формирования швов
депланация кромок не должна превышать 5 % тол-
щины свариваемого металла.
Поскольку для СТП алюминиевых сплавов тол-
щиной 1,8…2,5 мм используются инструменты с
очень тонкими наконечниками, то даже незначи-
тельное их отклонение от оси стыка может привести
к нарушению качества швов. Исследования мак-
рошлифов швов сплава АМг6 толщиной 1,8 мм по-
казали, что допустимое отклонение инструмента от
Рис. 3. Внешний вид ( 2) лицевой поверхности швов, полу-
ченных СТП алюминиевого сплава 1420 толщиной 2 мм при
чрезмерном (а) и недостаточном (б) погружении бурта в
свариваемый металл
Рис. 4. Поперечные макрошлифы ( 20) сварных соединений
сплава АМг6 толщиной 2 мм, полученных СТП при постоян-
ной частоте вращения инструмента 2880 об/мин и различной
скорости сварки: а — vсв = 38; б — 20; в — 8 м/ч
10/2008 29
оси шва не должно превышать 0,5 мм. При боль-
шем их смещении возможно образование дефек-
тов в виде несплавления, поскольку формирова-
ние шва по всей глубине свариваемых кромок
происходит не по центру стыка.
Выводы
1. В результате проведенных исследований опре-
делены оптимальные размеры и формы рабочих
поверхностей буртов, наконечников инструментов,
диапазоны изменения основных параметров про-
цесса и требования к сборке и фиксации кромок
для получения качественных соединений типичных
алюминиевых сплавов толщиной 1,8…2,5 мм.
2. Сварку следует выполнять при наклоне ин-
струмента 2…3° «углом вперед», при постоянном
прижатии и погружении бурта инструмента в сва-
риваемый металл на 0,1…0,2 мм. Отклонение осей
инструмента и стыка допускается не более 0,5 мм,
зазор между свариваемыми кромками — не более
15 %, а депланация кромок — не более 5 % тол-
щины свариваемого металла.
3. Бездефектные швы при СТП пластичных
низколегированных сплавов могут быть получены
СТП в широком диапазоне изменения частоты
вращения 1420…2880 об/мин и скорости пере-
мещения 6…40 м/ч инструмента. Для высокоп-
рочных сложнолегированных сплавов рекоменду-
ются пониженная частота (1420 об/мин) вращения
инструмента и скорость сварки (6…14 м/ч).
1. Pat. 5460317 US. Friction stir butt welding / W. M. Thomas,
E. D. Nicholas, J. C. Needham et al. — Опубл. 1995.
2. Arbegast W. J. Friction stir welding. After a decade of deve-
lopment // Welding J. — 2006. — 85, № 3. — P. 28–35.
3. Enоmoto M. Friction stir welding: research and industrial ap-
plication // Welding Intern. — 2003. — 17, № 5. — P. 341–
345.
4. Defalco J. Friction stir welding vs. fusion welding // Wel-
ding J. — 2006. — 85, № 3. — P. 42–44.
5. Hassan Kh. A. A., Prangnell P. B., Norman A. F. et al. Ef-
fect of welding parameters on nugget zone microstructure
and properties in high strength aluminium alloy friction stir
welds // Sci. and Technol. of Welding and Joining. — 2003.
— 8, № 4. — Р. 257–268.
6. Третяк Н. Г. Сварка трением с перемешиванием алю-
миниевых сплавов (Обзор) // Автомат. сварка. — 2002.
— № 7. — С. 12–21.
7. Покляцкий А. Г., Ищенко А. Я., Яворская М. Р. Проч-
ность соединений тонколистовых алюминиевых спла-
вов, полученных сваркой трением с перемешиванием //
Там же. — 2007. — № 9. — С. 50–53.
8. Tokisue H., Shinoda T. Applications of friction stir welding
into light metals // J. Jap. Institute of Light Metals. — 1999.
— 49, № 6. — Р. 258–262.
Geometric dimensions of working surfaces of the tools, requirements to edge preparation of the butt joints on aluminium
alloys, and desired accuracy of their assembly and fixation have been experimentally determined. The ranges of variations
of process parameters, providing defect-free welded joints, have been established.
Поступила в редакцию 02.06.2008
Рис. 5. Внешний вид лицевой поверхности шва (а, 1,4), полученного СТП при сборке стыка с переменным зазором
(0,2…1,2 мм) между кромками, и поперечные макрошлифы сварных соединений сплава АМг2 толщиной 2 мм при зазоре 0,3
(б) и 0,5 мм (в)
Рис. 6. Внешний вид ( 2) лицевой поверхности шва, полу-
ченного СТП сплава 1420 толщиной 2 мм при чрезмерном
завышении кромки со стороны отхода инструмента
30 10/2008
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100018 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T23:02:25Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. 2016-05-14T19:29:46Z 2016-05-14T19:29:46Z 2008 Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, С.В. Подъельников // Автоматическая сварка. — 2008. — № 10 (666). — С. 27-30. — Бібліогр.: 8 назв. — рос 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100018 621.791.14.03 Экспериментально определены геометрические размеры рабочих поверхностей инструментов и требования к подготовке кромок стыковых соединений алюминиевых сплавов, необходимая точность их сборки и фиксации. Установлены диапазоны изменения параметров процесса, обеспечивающие получение бездефектных сварных соединений. Geometric dimensions of working surfaces of the tools, requirements to edge preparation of the butt joints on aluminium alloys, and desired accuracy of their assembly and fixation have been experimentally determined. The ranges of variations of process parameters, providing defect-free welded joints, have been established ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм Influence of friction stir welding process parameters on weld formation in welded joints of aluminium alloys 1.8-2.5 mm thick Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Подъельников, С.В. Научно-технический раздел |
| title | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| title_alt | Influence of friction stir welding process parameters on weld formation in welded joints of aluminium alloys 1.8-2.5 mm thick |
| title_full | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| title_fullStr | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| title_full_unstemmed | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| title_short | Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| title_sort | влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,8...2,5 мм |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100018 |
| work_keys_str_mv | AT poklâckiiag vliânieparametrovprocessasvarkitreniemsperemešivaniemnaformirovaniešvovsoedineniialûminievyhsplavovtolŝinoi1825mm AT iŝenkoaâ vliânieparametrovprocessasvarkitreniemsperemešivaniemnaformirovaniešvovsoedineniialûminievyhsplavovtolŝinoi1825mm AT podʺelʹnikovsv vliânieparametrovprocessasvarkitreniemsperemešivaniemnaformirovaniešvovsoedineniialûminievyhsplavovtolŝinoi1825mm AT poklâckiiag influenceoffrictionstirweldingprocessparametersonweldformationinweldedjointsofaluminiumalloys1825mmthick AT iŝenkoaâ influenceoffrictionstirweldingprocessparametersonweldformationinweldedjointsofaluminiumalloys1825mmthick AT podʺelʹnikovsv influenceoffrictionstirweldingprocessparametersonweldformationinweldedjointsofaluminiumalloys1825mmthick |