Повышение качества сварных швов, полученных при помощи сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов АМг6

УДК 621.791.14

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ ШВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ АМГ6

И. К. Черных, Е. Н. Матузко, Е. В. Васильев, Е. В. Кривонос

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-113-121

Аннотация — В процессе внедрения технологии сварки трением с перемешиванием в промышленность возникает повышенный интерес к этому процессу: как происходит сварка, что представляет собой сварной шов, какова его структура и где находятся опасные зоны. Целью данного исследования является получение информации о структуре шва, о том, какие температуры возникают в процессе сварки, какое сопротивление на инструмент при сварке оказывает материал, какова прочность сварных швов и в каком месте шва происходит разрыв. Были изготовлены образцы сварных швов, выполненные на различных режимах сварки при частоте вращения инструмента от 315 до 625 об/мин и скорости подачи инструмента от 40 до 125 мм/мин. Непосредственно во время процесса сварки в ходе эксперимента измерялись силы, воздействующие на инструмент, которые достигают 8000-16000 Н (Fz) и 400-1400 Н (Fx) и температура на поверхности инструмента, которая находится в диапазоне 250-400°C. Перед началом сварки осуществлялся предварительный нагрев инструмента и металла до температур в диапазоне от 100°C до 250°C, на качество шва это не оказало значительного влияния. Прочность сварных швов составляет около 80% от прочности основного металла, при этом разрыв происходит не по границе между свариваемыми изделиями, а повторяет форму инструмента. В микроструктуре поперечного сечения шва выделяется зона перемешивания и зона термодеформационного воздействия.

Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, сварной шов, микроструктура, прочность, микрошлиф, АМГ6.

I. Введение

Во всех отраслях машиностроения присутствуют сборочные работы. В зависимости от отрасли сборочные работы могут достигать больших объемов в процентах от общего объема технологического процесса изготовления устройства или машины. Так, например, корпус большого корабля может содержать сварные швы общей длиной до 1000 км, при этом основными сборочными работами при сборке судов являются сварочные работы. Среди других отраслей, в которых основными сборочными работами при сборке таких деталей, как корпуса, емкости и т.п. находятся и авиастроение, ракетостроение, вагоностроение, автомобилестроение. В России технологию сварки трением с перемешиванием внедрила для изготовления автоцистерн фирма ЗАО «Сеспель», также технология отрабатывается на ПО «Полёт», ГКНПЦ им. М. В. Хруничева. Исследование этого процесса ведётся в Московском институте авиационных материалов [1], в Томском политехническом университете [2], в ЮжноУральском государственном университете [3] и других вузах на территории России. вузами и предприятиями оформляются патенты [4-8]. Зарубежные фирмы и исследовательские лаборатории также ведут исследования и работы по внедрению этого процесса, среди них ESAB, SAPA (Швеция), Boeing Eclipse Aviation Corporation (США), EADS (Франция, Германия), Institute Soudure (Франция), DanStir (Дания) и др. [9].

Процесс сварки трением с перемешиванием представляет собой нагрев до пластичного состояния металла в месте стыка при помощи вращающегося инструмента специальной конструкции. Инструмент для СТП состоит из хвостовика, опорного буртика и рабочего стержня (пина) со спиральными канавками для перемешивания металла (рис. 1).

Перспективными направлениями исследований являются сварка титановых сплавов [10] и сварка разнородных металлов [11]. При этом с применением дополнительного воздействия на сварной шов и инструмента специальной конструкции возможно добиться значительного повыше-

Рис. 1. Рабочая часть инструмента для СТП:

1 - рабочий стержень инструмента (пин); 2 - опорный буртик; 3 - спиральные канавки для перемешивания металла

ния производительности сварки и повышения качества сварного шва. Но вместе с тем исследования по сварке алюминиевых сплавов не отходят на второй план, поскольку алюминиевые сплавы используются в таких отраслях, как ракетостроение, кораблестроение, авиастроение, в связи с чем интерес к сварке именно этого материала присутствует постоянно. В данном случае исследования направлены на повышение качества шва и повышение производительности. Предполагается, что прочность сварного шва при определенных условиях может достичь прочности основного металла, для обеспечения такой прочности необходимо изучить микроструктуру сварного шва и исследовать образцы на разрыв для нахождения опасной зоны в сварном шве. Повысить же прочность шва можно как дополнительными воздействиями на металл, так и особенностью конструкции инструмента.

II. Постановка задачи

Для проведения экспериментальных работ имеется следующее оборудование: учебно-исследовательская установка для сварки трением с перемешиванием на базе вертикально-фрезерного станка и инструмент для осуществления сварки (рис. 2).

Рис. 2. Учебно-исследовательская установка для сварки трением с перемешиванием

Станок оборудован исследовательской системой регистрации параметров процесса сварки, которая позволяет непосредственно во время сварки измерять силы Fx (сила, действующая в направлении сварки вдоль шва), Fy (сила, действующая перпендикулярно направлению сварки в плоскости параллельной поверхностям стыкуемых элементов - плоскости сварки) и Fz (сила, действующая в направлении, перпендикулярном плоскости сварки, а также крутящий момент Mz).

Для измерения температуры использовался тепловизор Fluke Ti400, область захватываемого изображения охватывала опорный буртик инструмента и поверхность свариваемых кромок, в этой области максимальная температура возникает на линии контакта буртика со свариваемым материалом. Для растяжения образцов и получения данных об их прочности использовалась система для усталостных испытаний Instron 8802.

Для получения информации о микроструктуре шва необходимо подготовить образцы сварных швов и осуществить их травление.

Имеющееся оборудование позволяет провести испытания сварных швов на прочность и получить информацию как о самом процессе сварке, так и о структуре сварного шва.

III. Теория

1. Процесс сварки

Физика процесса термомеханической сварки предполагает собой термическое и механическое воздействие на свариваемый материал. В процессе сварки трением с перемешиванием нагрев происходит благодаря трению между инструментом и свариваемыми изделиями и пластической деформации, вызванной давлением инструмента на поверхность материала и врезанием рабочего стержня на глубину шва, а также движением подачи.

В проведённом ранее исследовании [12] выяснилось, что температура во время сварки зависит практически в равной степени как от частоты вращения инструмента, так и от подачи, но температура до начала движения инструмента зависит только от частоты вращения инструмента и скорости врезания в металл. Температура в зоне сварки в процессе движения инструмента повышается до определенного диапазона значений, соответ-

ствующему конкретным режимам сварки. Для того, чтобы сделать шов более однородным на всей его длине, проводится исследование возникающих сил и температуры в процессе сварки, также проверяется, повлияет ли предварительный нагрев инструмента и металла до температуры 250°С на силы и температуру после начала движения подачи.

2. Прочность сварного шва

Особенность структуры сварного шва, полученного сваркой трением с перемешиванием в том, что зерна металла в ядре шва сильно деформируются и их размер на порядок меньше размера зерен основного металла, а сама структура шва разделяется на зоны с разным размером зерен. Предполагается, что зона термического влияния не является опасной зоной и прочность её примерно равна прочности основного металла, поскольку термическое влияние, оказываемое на эту зону, незначительно изменяет микроструктуру металла. Опасным местом в поперечном сечении шва является граница между зонами шва, где происходит резкое изменение микроструктуры сварного шва. Таким местом является граница между зонами В и С и между ядром и зоной С (рис. 3).

Сторона наГигання Стропа ш\<ш

Основной чаи1 риал 1она юрчо-меункчгскогл Основной мшсрни.1

влияния ( П МВ) Зона гирмлчсскчн п Зона термического

ВЛИЯНИЯ В.ШНННН

Рис. 3. Схема расположения зон в поперечном сечении сварного шва

На прочность сварного шва и, следовательно, на его структуру также оказывает влияние форма рабочего стержня инструмента, что доказано в исследовании [13]. Для выявления опасных зон сварного шва необходимо иметь представление о структуре сварного шва, в связи с чем были подготовлены образцы для исследования.

IV. Результаты экспериментов В ходе эксперимента были получены образцы сварных швов из алюминиевого сплава АМГ6 толщиной 2 мм на различных режимах частоты вращения инструмента от 315 до 625 об/мин и скорости подачи инструмента от 40 до 125 мм/мин. При этом несколько образцов были подвергнуты предварительному нагреву перед сваркой. Возникающие во время процесса сварки вертикальная составляющая силы и горизонтальная составляющая силы (вдоль стыка деталей) представлены на рис. 4 и 5. Здесь на оси абсцисс отмечено время измерения в инкрементах долей секунд регистрационной системы, значение 1400 соответствует 160 секундам с начала движения инструмента. В обозначении линий на графике первая цифра означает частоту вращения инструмента в об/мин, вторая - скорость подачи инструмента в мм/мин.

Рис. 4. Вертикальная составляющая силы

= 315об/мин; 40мм/мин -630 об/мин; 125 мм/мин - 500 об/мин; 40 мм/мин • 400об/мин; 80мм/мин  500 об/мин; 50 мм/мин

175

Рис. 5. Горизонтальная составляющая силы

Для исследования шва на прочность в зависимости от режимов сварки были подготовлены образцы сечением 60х2 и испытаны на разрыв при скорости растяжения 2 мм/мин. Результаты представлены на рис. 6, табл. 1.

Рис. 6. Растяжение образцов сварных швов. Слева направо 1, 7 - 500 об/мин, 50 мм/мин; 2 - 630 об/мин, 125 мм/мин; 3 - 315 об/мин, 40 мм/мин; 4 - 500 об/мин, 50 мм/мин с предварительным нагревом; 5 - 400 об/мин, 80 мм/мин с предв. нагревом; 6-9 - 500 об/мин, 50 мм/мин с предв. нагревом;

10 - 400 об/мин, 40 мм/мин

ТАБЛИЦА 1

НАГРУЗКА ОТРЫВА ОБРАЗЦОВ СВАРНЫХ ШВОВ

№ образца Нагрузка отрыва, Н

1 37793,62

2 35572,62

3 31405,99

4 37291,45

5 34828,50

6 27322,94

7 36964,35

8 23670,91

9 36163,15

10 38448,54

Для изучения микроструктуры сварного шва на электроэрозионном станке были подготовлены микрошлифы. Вырезание образцов осуществлялось на электроэрозионном станке, шлифовка и полировка осуществлялась вручную, травление происходило в 20% растворе гидроксида натрия. Микрошлифы анализировались при помощи инвертированного микроскопа Axio Observer Alm.

Полученные изображения микроструктуры для наглядности были скомпонованы в полное изображение поперечного сечения сварного шва (рис. 7-10). На изображении тонкими линиями отмечены границы зон, пунктирными линиями отмечена видимая часть ядра сварного шва, утолщенной линией показаны линии, по которым произошло разрушение образца при испытании его на разрыв, о котором упомянуто выше. Масшатбная линейка, находящаяся на изображении слева внизу, соответствует 1600 мкм. 1 - зона термического влияния и основной металл; 2 - зона термомеханического влияния, 3 - ядро шва.

Рис. 8. Микрошлиф шва, полученного при частоте вращения 315 об/мин и подаче 40 мм/мин

Рис. 9. Микрошлиф шва, полученного при частоте вращения 500 об/мин и подаче 40 мм/мин с увеличенными изображениями дефекта типа микротрещина

Рис. 10. Микрошлиф шва, полученного при частоте вращения 630 об/мин и подаче 125 мм/мин с увеличенными изображениями зо хн сварного шва и границ между ними

График температуры на поверхности свариваемых кромок в месте контакта опорного буртика со свариваемым материалом представлен на рис. 11.

Время, сек

500 об/мин, 50 мм/мин

630 об/мин, 63 мм/мин

400 об/мин, 40 мм/мин

Рис. 11. График температуры в зоне сварки для различных режимов

V. Обсуждение результатов Как видно по графикам (рис. 4, 5), от предварительного нагрева (который осуществлялся на следующих режимах: 500 об/мин, 50 мм/мин; 400 об/мин, 80 мм/мин; 500 об/мин, 50 мм/мин) возникающие силы не претерпевают значительных изменений в сравнении с силами во время процесса сварки без предварительного нагрева [12]. Температура, возникающая во время процесса сварки с предварительным нагревом больше на 40-70°С по сравнению с тем же экспериментом, проведенным без предварительного нагрева [12], но повышение температуры сварки не оказало значительного влияния на прочность шва (рис. 6, табл. 1).

На полученных микрошлифах (рис. 7-10) отчетливо видно границу между зоной термомеханического влияния и основным металлом с зоной термического влияния и отчетливо видно ядро шва. Эти зоны можно отличить от основного металла по цвету и микроструктуре. Шов имеет несимметричную структуру, где видно сторону набегания и сторону отхода, их взаимное расположение зависит от направления вращения инструмента.

Ядро шва в общем имеет каплевидную форму, это видно на полученных микрошлифах (рис. 7). Разрыв же образцов сварных швов происходит не по кромке свариваемых пластин, а по линии инструмента. На рис. 7-8 видно, что линия разрыва повторяет образующую конуса, который по размерам совпадает с конусом рабочего стержня инструмента и разрыв проходит около ядра шва по зоне термомеханического влияния. Прочность швов составляет примерно 80% от прочности основного металла (табл. 1) за исключением случаев, когда шов имеет дефекты. Один из возможных дефектов показан на рис. 9. Микротрещины могут уменьшить прочность сварного шва на 40%.

VI. Выводы и заключение

Для получения дополнительной, исчерпывающей информации о процессе сварки необходимо проводить многофакторные эксперименты с варьированием различных факторов, влияющих на качество шва, таких как режимы сварки, форма инструмента и т.д.

Для повышения прочности сварных швов необходимо более глубокое изучение микроструктуры шва. По нашему мнению, прочность шва можно повысить при помощи изменения микроструктуры сварного шва путём термического воздействия. Для этого планируется проводить эксперименты с использованием устройства для местного нагрева, разрабатываемого авторами статьи. По нашему мнению, термическое воздействие во время процесса сварки на свариваемые пластины повлияет на изменение микроструктуры сварного шва, а это приведёт к тому, что на границе зон не будет происходить резкое изменение размера зёрен, что позволит увеличить прочность шва.

Сварные швы, полученные этим методом сварки, имеют более высокую прочность, а сам процесс сварки становится производительнее. Дальнейшее исследование процесса применительно к сварке деталей другой формы, таких как трубы, листовые конструкции сложной геометрической формы позволит более широко использовать этот метод сварки и внедрять его в использование на отечественных предприятиях.

Источник финансирования. Благодарности

Автор благодарит ЦИНИК ПО «Полёт» за предоставленное для исследований оборудование. Также автор благодарит Управление инновационных проектов и коммерциализации технологий и проректора по научной работе ОмГТУ за возможность создания студенческого конструкторского бюро, направление работы которого направлено на изучение этого метода сварки и применение его в промышленности в ракетостроительной и судостроительной отраслях.

Список литературы

1. Лукин В. И., Иода Е. Н., Базескин А. В., Жегина И. П., Котельникова Л. В., Овчинников В. В. Сварка трением с перемешиванием высокопрочного алюминиево-литиевого сплава В-1469 // Сварочное производство. 2012. № 4. С. 45-48.

2 Колубаев Е. А. Особенности формирования структуры сварного соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием // Современные проблемы науки и образования. 2011. № 6. 887 с.

3. Сафин В. Н., Щуров И. А., Федоров В. Б. Отработка технологии сварки трением с перемешиванием для соединения труб из алюминиевых сплавов // Вестник ЮУрГУ. 2012. № 33. С. 117-121

4. Пат. 156976 Российская Федерация, МПК В 23 К 20/12. Установка сварки трением с перемешиванием крупногабаритных конструкций / Алифиренко Е. А., Бакшаев В. А., Васильев И. А., Додон Р. В., Орыщенко А. С., Осокин Е. П., Пименов А. В. № 2015110742/02; заявл. 25.03.15; опубл. 20.11.15, Бюл. № 32.

5. Пат. 2357843 Российская Федерация, МПК В 23 К 20/12. Инструмент для сварки трением с перемешиванием алюминиевых сплавов и способ сварки / Алифиренко Е. А., Зарубин В. М., Орыщенко А.С., Осокин Е.П., Павлова В. И. № 2007128635/02; заявл. 25.07.07; опубл. 10.06.09, Бюл. № 16.

6. Пат. 2630147 Российская Федерация, МПК В 23 К 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием и устройство для его осуществления / Егоров А. В., Шилло Г. В, Макаров Н. В. № 2015124344; заявл. 23.06.15; опуб. 05.09.17, Бюл. № 25.

7. Пат. 2393071 Российская Федерация, МПК В 23 К 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием и инструмент для сварки трением с перемешиванием / Бойцов А. Г., Качко В. В. № 2008148777/02; заявл. 11.12.08; опубл. 27.06. 10, Бюл. № 18.

8. Пат. 2393070 Российская Федерация, МПК В 23 К 20/12. Способ сварки трением с перемешиванием / Крысанов О. Н., Качко В. В., Клиппенштейн А. Д. № 2008148775/02; заявл. 11.12.08; опубл. 27.06.10, Бюл. №18.

9. Карманов В. В., Каменева А. Л., Карманов В. В. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов: сущность и специфические особенности процесса, особенности структуры сварного шва // Вестник ИНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2012. № 32 С. 67-80.

10. Пицык В. С., Муравьев В. И. Применение сварки трением к соединению изделий из титана и его сплавов // Студенческий научный форум: IX Международная студенческая научная конференция, 2017.

11. Григоренко Г. М., Адеева Л. И., Туник А. Ю., Степанюк C. Н., Полещук М. А., Зеленин Е. В. Особенности структуры сварных соединений металлов с различной растворимостью элементов в твердой фазе, полученных сваркой трением с перемешиванием // Автоматическая сварка. 2014. № 4. С. 13-23.

12. Черных И. К.,. Кривонос Е. В., Матузко Е. Н., Васильев Е. В. Исследование процесса сварки трением с перемешиванием пластин из алюминиевого сплава АМГ6 // Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической техники и подготовки инженерных кадров для авиакосмической отрасли: материалы XI Всерос. науч. конф., посвящ. памяти гл. конструктора ПО «Полёт» А. С. Клинышкова. Омск: ОмГТУ, 2017. С. 128-134.

13. R. Palanivel1, P. Koshy Mathews. The tensile behaviour of friction-stirwelded dissimilar aluminium alloys // Materials and technology 45 (2011) 6, 623-626.