Friction stir welding technology of aluminum alloy
Authors: Стаценко Владимир Николаевич , Бернавская Майя Владимировна 
Published: September 2024

Проведенные расчеты и эксперименты показали, что при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов типа АМг3 наибольшее значение температуры наблюдается в области задней кромки инструмента, где перемешивание уже закончилось, при этом разница температур на задней и передней кромках инструмента может составлять 50–250 °С. Для выявления скорости разогрева металла пластины из алюминиевого сплава АМг3 за счет трения при неподвижном положении вращающегося инструмента нами проведен эксперимент с использованием четырех хромель-копелевых термопар диаметром 0,2 мм. Термопары зачеканены в пластине на расстояниях 5–10 мм от центра инструмента. В результате экспериментов выявлено, что с увеличением скорости вращения с 70 до 88 рад/с время разогрева от температур 60–100 до 450–500 °С уменьшается со 110 до 30 с. Кроме того, выявлено, что при этом нагреве температура материала под заплечиком имеет одинаковые значения на всей его площади. В результате анализа этих данных предлагается задать цикличный режим движения вращающегося инструмента с периодическими остановками для разогрева материала свариваемых пластин, используя две схемы. По первой схеме измерение температуры свариваемых пластин производится вдоль передней кромки заплечика – при достижении температуры сварки задается время, необходимое для догрева материала в области передней кромки заплечика, вращающийся инструмент перемещается на шаг, равный 0,4–0,5 диаметра заплечика. По второй схеме предлагается использовать расчетное значение времени, необходимое для догрева материала под заплечиком до значения температуры сварки, которое определено по результатам экспериментов для алюминиевого сплава типа АМг3 толщиной 4 мм.

Calculations and experiments have shown that during friction stir welding of aluminum alloys of the AMg3 type, the highest temperature value is observed in the area of the trailing edge of the tool, where stirring has already ended, while the temperature difference at the trailing and leading edges of the tool can be 150–250 °C. To determine the rate of heating of the metal of a plate made of aluminum alloy AMg3 due to friction when the rotating tool is stationary, we conducted an experiment using 4 Chromel-Copel thermocouples with a diameter of 0.2 mm. Thermocouples are stamped into the plate at distances of 5–10 mm from the center of the tool. As a result of experiments, it was revealed that with an increase in rotation speed from 70 to 88 rad/s, the heating time from temperatures of 60–100 °C to 450–500 °C decreases from 110 to 30 s. In addition, it was revealed that during this heating the temperature of the material under the shoulder has the same values over its entire area. As a result of the analysis of these data, it is proposed to set the motion mode of the rotating tool as cyclic with periodic stops to heat up the material of the plates being welded. During stops, heat input from the tool due to friction occurs evenly around the pin and shoulder, and the maximum temperature develops around the pin, and not in the area of the trailing edge of the tool. It is proposed to use two schemes. According to the first scheme, it is proposed to measure the temperature of the plates being welded along the leading edge of the shoulder – when its welding temperature is reached, the rotating tool moves by a step equal to 0.4–0.5 of the diameter of the shoulder. According to the second scheme, it is proposed to use the calculated value of the time required to heat the material under the shoulder to the welding temperature, which was determined from the results of experiments for an aluminum alloy of the AMg3 type with a thickness of 4 mm.