Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием
Рассмотрены особенности формирования швов при сварке алюминиевых сплавов плавлением под воздействием высокотемпературного нагрева и трением с перемешиванием, обеспечивающего формирование шва за счет пластичес-кой деформации металла в зоне сварки. Приведена технологическая схема процесса сварки трени...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2007
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101860 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, М.P. Яворская // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 50-53. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101860 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1018602025-02-09T22:04:05Z Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием Strength of joints of thin-sheet aluminium alloys, produced by friction stir welding Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Яворская, М.Р. Производственный раздел Рассмотрены особенности формирования швов при сварке алюминиевых сплавов плавлением под воздействием высокотемпературного нагрева и трением с перемешиванием, обеспечивающего формирование шва за счет пластичес-кой деформации металла в зоне сварки. Приведена технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием и описаны основные принципы его реализации с помощью сконструированной лабораторной установки. Проа-нализированы показатели прочности и пластичности сварных соединений тонколистовых (1,8…2,4 мм) высокоп-рочных алюминиевых сплавов, полученных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом и трением с пере-мешиванием. The paper deals with the features of weld formation in fusion welding of aluminium alloys under the impact of high-temperature heating and friction stir welding, ensuring weld formation due to plastic deformation of the metal in the welding zone. Technological sequence of friction stir welding process is given and the main principles of its implementation using the designed latoratory unit are described. Strength and ductility indices of welded joints on sheet (1,8...2,4 mm) high-strehgth aluminium alloys produced by nonconsumable-electrode argon-arc and friction stir welding have been analyzed. 2007 Article Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, М.P. Яворская // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 50-53. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101860 621.791.14.03 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Производственный раздел Производственный раздел |
| spellingShingle |
Производственный раздел Производственный раздел Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Яворская, М.Р. Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием Автоматическая сварка |
| description |
Рассмотрены особенности формирования швов при сварке алюминиевых сплавов плавлением под воздействием высокотемпературного нагрева и трением с перемешиванием, обеспечивающего формирование шва за счет пластичес-кой деформации металла в зоне сварки. Приведена технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием и описаны основные принципы его реализации с помощью сконструированной лабораторной установки. Проа-нализированы показатели прочности и пластичности сварных соединений тонколистовых (1,8…2,4 мм) высокоп-рочных алюминиевых сплавов, полученных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом и трением с пере-мешиванием. |
| format |
Article |
| author |
Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Яворская, М.Р. |
| author_facet |
Покляцкий, А.Г. Ищенко, А.Я. Яворская, М.Р. |
| author_sort |
Покляцкий, А.Г. |
| title |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| title_short |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| title_full |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| title_fullStr |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| title_full_unstemmed |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| title_sort |
прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2007 |
| topic_facet |
Производственный раздел |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101860 |
| citation_txt |
Прочность соединений тонколистовых алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий, А.Я. Ищенко, М.P. Яворская // Автоматическая сварка. — 2007. — № 9 (653). — С. 50-53. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT poklâckiiag pročnostʹsoedineniitonkolistovyhalûminievyhsplavovpolučennyhsvarkoitreniemsperemešivaniem AT iŝenkoaâ pročnostʹsoedineniitonkolistovyhalûminievyhsplavovpolučennyhsvarkoitreniemsperemešivaniem AT âvorskaâmr pročnostʹsoedineniitonkolistovyhalûminievyhsplavovpolučennyhsvarkoitreniemsperemešivaniem AT poklâckiiag strengthofjointsofthinsheetaluminiumalloysproducedbyfrictionstirwelding AT iŝenkoaâ strengthofjointsofthinsheetaluminiumalloysproducedbyfrictionstirwelding AT âvorskaâmr strengthofjointsofthinsheetaluminiumalloysproducedbyfrictionstirwelding |
| first_indexed |
2025-12-01T06:16:41Z |
| last_indexed |
2025-12-01T06:16:41Z |
| _version_ |
1850285548038520832 |
| fulltext |
УДК 621.791.14.03
ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ ТОНКОЛИСТОВЫХ
АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ
ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук, чл.-кор. НАН Украины А. Я. ИЩЕНКО, М. Р. ЯВОРСКАЯ, инж.
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены особенности формирования швов при сварке алюминиевых сплавов плавлением под воздействием
высокотемпературного нагрева и трением с перемешиванием, обеспечивающего формирование шва за счет пластичес-
кой деформации металла в зоне сварки. Приведена технологическая схема процесса сварки трением с перемешиванием
и описаны основные принципы его реализации с помощью сконструированной лабораторной установки. Проа-
нализированы показатели прочности и пластичности сварных соединений тонколистовых (1,8…2,4 мм) высокоп-
рочных алюминиевых сплавов, полученных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом и трением с пере-
мешиванием.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием,
алюминиевые сплавы, аргонодуговая сварка неплавящийся
электрод, прочность, твердость, угол загиба
С развитием современных отраслей машиностро-
ения все более возрастают требования к надеж-
ности сварных соединений. В Украине в боль-
шинстве случаев для изготовления сварных
конструкций из алюминиевых сплавов применяют
дуговые и лучевые способы сварки. Они обеспе-
чивают получение неразъемных соединений за
счет формирования швов, образующихся в резуль-
тате расплавления свариваемых кромок под воз-
действием высокотемпературного источника наг-
рева. Вследствие необратимости физико-химичес-
ких процессов, имеющих место в алюминиевых
сплавах при сварке плавлением, в зоне сварки про-
исходят фазовые превращения и образуются зоны
с различными структурами. Отличия в структуре
металла шва и зоны термического влияния при-
водят к неравномерному распределению остаточ-
ных деформаций и напряжений и снижают экс-
плуатационные характеристики соединений. На-
личие в структуре металла оплавленных границ зе-
рен и грубых фазовых включений ограничивает
пластическую деформацию и вызывает увеличение
локальных напряжений на участках, расположен-
ных между границами зерен. Общее напряженное
состояние сварных соединений может превысить
предел текучести и привести к зарождению мик-
ротрещин, которые уменьшают прочность конс-
трукций и инициируют появление усталостных тре-
щин, что снижает ресурсные и эксплуатационные
характеристики сварных изделий.
Характерно также, что современный уровень
развития техники требует применения в сварных
конструкциях различных сплавов, разработанных
на основе более сложных систем легирования и
полученных с использованием новых технологий.
Такие материалы характеризуются необходимым
комплексом физико-механических характеристик
и часто плохо соединяются сваркой плавлением.
Поэтому для получения неразъемных соединений
из алюминиевых сплавов весьма перспективным
является сварка трением с перемешиванием
(СТП), при которой формирование шва обеспе-
чивается за счет локализации выделения теплоты
и пластической деформации металла в зоне сварки
[1, 2].
Макроскопического расплавления металла при
указанном способе сварки не происходит, поэтому
степень структурно-фазовых превращений в ме-
талле шва и зоне термического влияния намного
ниже, чем при сварке плавлением. Это обеспе-
чивает получение более высоких физико-механи-
ческих свойств сварных соединений и наличие
меньшего уровня остаточных напряжений. При
этом вероятность зарождения микротрещин сни-
жается, что способствует повышению ресурсных
и эксплуатационных характеристик сварных со-
единений [3, 4].
Технологический процесс СТП (рис. 1), раз-
работанный в 1991 г. Вэйном Томасом из Бри-
танского института сварки, включает три основ-
ных этапа [5, 6]. На первом вращающийся инс-
трумент 1 погружают в стык соединяемых деталей
4 и 5 таким образом, чтобы рабочая поверхность
бурта 2 инструмента вошла в контакт с их по-
верхностью. В месте контакта нижней поверхнос-
ти вращающегося рабочего наконечника инстру-
мента с деталями выделяется тепло. Это приводит
к пластическому течению металла из-под рабочего
наконечника, в результате чего он постепенно пог-
ружается, увеличивая тем самым площадь соп-
рикасающихся поверхностей и количество тепло-© А. Г. Покляцкий, А. Я. Ищенко, М. Р. Яворская, 2007
50 9/2007
ты, выделяемой за счет трения. После полного
погружения рабочего наконечника на всю толщи-
ну свариваемого металла возникает трение между
поверхностями бурта и деталей. В результате наг-
рева металл переходит в пластическое состояние,
после чего приступают ко второму этапу свар-
ки — перемещению вращающегося инструмента
вдоль линии стыка. Линейное перемещение ин-
струмента приводит к пластическому течению ме-
талла от фронта бурта инструмента к его проти-
воположной стороне, где металл охлаждается и
образует сварной шов 3. Такой шов несиммет-
ричен относительно своей продольной оси, пос-
кольку материал с одной (фронтальной) стороны
вытесняется рабочим наконечником на другую
(тыльную) сторону. На последнем этапе процесса
сварки (в конце шва) инструмент поднимают до
полного выхода его рабочего наконечника из сты-
ка и прекращают его вращение. При этом сва-
риваемые детали жестко закрепляются и прижи-
маются к подкладке во избежание перемещения
или выгиба их в процессе сварки [5, 7].
Для реализации процесса СТП тонколистовых
(1,8…2,5 мм) алюминиевых спла-
вов создана лабораторная установка
(рис. 2), которая позволяет получать
стыковые и нахлесточные соедине-
ния со швом длиной до 400 мм. Ус-
тановка состоит из подвижного сто-
ла, перемещающегося со скоростью
до 40 м/ч, на котором фиксируются
свариваемые детали, и жесткого
каркаса, на котором закреплен асин-
хронный двигатель. С помощью
суппорта осуществляется верти-
кальное перемещение двигателя,
при этом происходит погружение
рабочего наконечника инструмента
в свариваемый металл в начале шва
и выведение его из металла при завершении про-
цесса сварки. Непосредственно на валу электрод-
вигателя закреплен инструмент, вращающийся с
частотой, обеспечиваемой электродвигателем.
На сконструированной установке получали сты-
ковые соединения из алюминиевых сплавов основ-
ных систем легирования толщиной 1,8…2,4 мм.
Механические свойства исследуемых сплавов
приведены в табл. 1.
Сварку трением с перемешиванием осущест-
вляли специальным инструментом с диаметром
бурта 12 мм и коническим рабочим наконечни-
ком, имеющим диаметр у основания 3,5 мм. Ко-
рень шва формировался на плоской подкладке из
нержавеющей стали без канавки. При частоте вра-
щения инструмента 2880 об/мин получение ка-
чественных сварных соединений исследуемых
Рис. 1. Схема процесса СТП алюминиевых сплавов: 1 —
вращающийся инструмент; 2 — рабочая поверхность бурта
инструмента; 3 — сварной шов; 4, 5 — свариваемые детали
Рис. 2. Внешний вид лабораторной установки для СТП тон-
колистовых (1,8…2,5 мм) алюминиевых сплавов
Т а б л и ц а 1. Механические свойства алюминиевых сплавов
Марка сплава
Временное соп-
ротивление σв,
МПа
Предел текучес-
ти σ0,2, МПа
Относительное
удлинение δ, %
Угол загиба α,
град
АМг6 370
359
228
220
21,2
22,3
180
96
1420 459
486
322
311
11,4
15,4
50
52
1201 427
423
303
308
11,9
11,9
60
73
1460 504
486
460
445
8,90
17,7
36
37
Пр и м е ч а н и я . 1. Здесь и в табл. 2 приведены средние значения показателей по
результатам испытаний трех образцов. 2. В числителе приведены значения образ-
цов, вырезанных вдоль проката, в знаменателе — поперек проката.
9/2007 51
алюминиевых сплавов обеспечивалось при ско-
рости сварки 233 мм/мин (рис. 3). Сварные швы
располагались параллельно направлению проката
листов.
Из полученных сварных соединений изготав-
ливали стандартные образцы для механических
испытаний, которые шлифовали с лицевой сто-
роны шва, чтобы сделать основной металл рав-
нотолщинным со швом, и с корневой — чтобы
избежать возможных дефектов в виде несплав-
лений. Кроме того, на отдельных образцах ис-
следовали распределение твердос-
ти в металле швов и зонах тер-
мического влияния, а также оце-
нивали их структурные особен-
ности. Результаты механических
испытаний образцов приведены в
табл. 2.
Анализ результатов показал,
что прочность сварных соедине-
ний алюминиевых сплавов, полу-
ченных СТП, находится на дос-
таточно высоком уровне и превы-
шает показатели, достигнутые при
аргонодуговой сварке непла-
вящимся электродом (АДСНЭ).
Так, например, у сварных соеди-
нений сплавов АМг6 и 1420 вре-
менное сопротивление выше на
Рис. 3. Внешний вид швов, выполненных СТП на алюминие-
вых сплавах 1460 толщиной 2,2 мм (а) и АМг6 толщиной
1,8 мм (б)
Т а б л и ц а 2. Прочностные и пластические свойства сварных соединений
алюминиевых сплавов, полученных способами СТП и АДСНЭ
Марки сваривае-
мых
сплавов
σв, МПа α, град
СТП АДСНЭ СТП АДСНЭ
АМг6 + АМг6 343(с) 313(в) 180 180
1420+1420 362(в) 320(в) 96 82
1201+1201 294(в) 280(в) 180 180
1460+1460 325(в) 305(в) 180 174
1460+1201 310(в) 285(в) 180 176
АМг6+1201 229(а) — 180 —
АМг6+1460 323(в) — 180 —
Пр и м е ч а н и е . При указании места разрушения образцов приняты следующие
обозначения: а — по металлу шва; в — в зоне сплавления шва с основным металлом;
с — по основному металлу в зоне термического влияния.
Рис. 4. Распределение твердости в стыковых соединениях
сплавов 1201 толщиной 2,0 мм (а) и 1460 толщиной 2,2 мм
(б), полученных СТП (1) и АДСНЭ (2)
52 9/2007
30…40 МПа, а у сплавов 1201 и 1460 — на 15…20
МПа. При этом угол загиба сварных соединений
также не ниже, чем у полученных плавлением.
Кроме того, способом СТП успешно сварены меж-
ду собой сплавы АМг6 + 1201 и АМг6 + 1460.
В случае их сварки плавлением очень часто при
кристаллизации расплавленного металла образу-
ются горячие трещины, обусловленные критичес-
ким содержанием магния и меди в свариваемых
сплавах.
Кривые распределения твердости в сварных
соединениях, представленные на рис. 4, показали,
что при использовании высокотемпературного ис-
точника нагрева, применяемого при сварке плав-
лением, происходит значительный нагрев металла
и существенное его разупрочнение в зоне сварки.
При этом литой металл шва имеет минимальную
твердость. Однако поскольку сечение шва уве-
личено за счет усиления, то разрушение всех ис-
следуемых образцов должно происходить по зоне
сплавления шва с основным металлом, что и под-
твердили результаты механических испытаний.
При СТП макроскопического расплавления метал-
ла не происходит — он нагревается только до
пластического состояния. Поэтому распределение
твердости в металле сварного соединения, полу-
ченного СТП, свидетельствует о меньшем тепло-
вом воздействии на все его участки. Кроме того,
металл шва подвергается пластическому дефор-
мированию за счет прижатия рабочей поверхности
инструмента к поверхностям свариваемых листов,
что обеспечивает его более высокую твердость,
чем при сварке плавлением.
Характерной особенностью швов, выполнен-
ных СТП, является их несимметричное располо-
жение относительно продольной оси, о чем сви-
детельствуют кривые распределения твердости
(рис. 4), а также поперечные макрошлифы. Это
особенно четко просматривается на макрошлифах
швов, выполненных СТП на разноименных алю-
миниевых сплавах (рис. 5). Такая форма шва по-
лучается вследствие того, что металл с одной сто-
роны (фронтальной) вытесняется рабочим нако-
нечником инструмента и переносится на другую
(тыльную).
Таким образом, созданная лабораторная уста-
новка для СТП позволяет получать качественные
сварные соединения тонколистовых алюминие-
вых сплавов. Применение этого способа сварки
обеспечивает соединениям более высокий, чем
при АДСНЭ, уровень механических свойств. Про-
цесс формирования швов без макроскопического
расплавления металла, характерного для дуговых
процессов сварки, позволяет соединять способом
плавления трудносвариваемые алюминиевые
сплавы и расширяет возможности применения
разноименных сплавов при изготовлении сварных
конструкций для различных отраслей машиност-
роения.
1. Pat. 5460317 US. Friction stir butt welding / W. M. Thomas,
E. D. Nicholas, J. C. Needham et al. — Publ. Oct. 1995.
2. Kninstrom K.-E., Pekkari B. A novel joining process — fric-
tion stir welding // Svetsaren. — 1997. — № 1/2. — P. 49–
52.
3. Larsson H., Karlsson L. Friction stir welding of AA5083 and
AA6082 aluminium // Ibid. — 2000. — № 2. — P. 6–10.
4. Lanciotti A., Vitali F. Characterisation of friction stir welded
joints in aluminium alloy 6082-T6 plates // Welding Intern.
— 2003. — № 8. — P. 624–630.
5. Третяк Н. Г. Сварка трением с перемешиванием алюми-
ниевых сплавов (Обзор) // Автомат. сварка. — 2002. —
№ 7. — С. 12–21.
6. Dawes C. J., Thomas W. M. Friction stir process welds of
aluminum alloys // Welding J. — 1996. — № 3. — P. 41–
45.
7. Степанов В. В., Конкевич В. Ю., Фролов В. А. Формиро-
вание соединений при сварке трением по способу Fricti-
on Stir Welding // Технология легких сплавов. — 2003. —
№ 1. — С. 58–67.
The paper deals with the features of weld formation in fusion welding of aluminium alloys under the impact of high-temperature
heating and friction stir welding, ensuring weld formation due to plastic deformation of the metal in the welding zone.
Technological sequence of friction stir welding process is given and the main principles of its implementation using the
designed latoratory unit are described. Strength and ductility indices of welded joints on sheet (1,8...2,4 mm) high-strehgth
aluminium alloys produced by nonconsumable-electrode argon-arc and friction stir welding have been analyzed.
Поступила в редакцию 15.02.2007
Рис. 5. Поперечные макрошлифы швов, выполненных СТП на
алюминиевых сплавах 1420 + 1420 толщиной 2,4 мм (а) и
АМг6 + 1420 толщиной 2,0 мм (б)
9/2007 53
|