Статья: Исследование микроструктуры сплавов, сваренных трением

Исследование микроструктуры сплавов, сваренных трением

Трифунович И.З. студент

3 курс, факультет «Промышленное и гражданское строительство» Академия строительства и архитектуры СамГТУ

Россия, г. Самара Рыбакова Л.Ю.,

Старший преподаватель кафедры «Металлические и деревянные конструкции»

Академия строительства и архитектуры Сам ГТУ

Россия, г. Самара

Аннотация

Статья посвящена рассмотрению микроструктуры разнородных алюминиевых сплавов AA2024-T365 и AA5083-H111, сваренных благодаря процессу трения. Характеристики микроструктуры изобработанных сплавов анализировали при помощи оптической микроскопии. Макро и микроструктуры изначальных и сварнях образцов показали, что параметры сварного шва оказывают существенное влияние на механические и микроструктурные свойства сварныхшвов.

Ключевые слова: Сварка трением с перемешиванием, разнородныеалюминиевыесплавы, микроструктура, скоростьвращенияинструмента, скорость сварки, профильинструмента.

Annotation

The article is devoted to the consideration of the microstructure of dissimilar aluminum alloys AA2024-T365 and AA5083-H111 welded due to the friction process. The microstructure characterization of the processed alloys was carried out using optical microscopy. Macro and microstructures of parent and welded specimens indicated that the weld parameters have a significant effect on mechanical and microstructural properties of the welds.

Keywords:Friction Stir Welding, Dissimilar Aluminum Alloys, Microstructure, tool rotational speed, weld speeds, tool pin profiles.

Сварка трением с перемешиваниемСТсП (англ^БШ - Friction stir welding) широко используется для соединения алюминиевых сплавов в автомобильной промышленности и небольших важных коммерческих областях. Сложность изготовления высокопрочных, выносливых и трещиностойких сварных швов в алюминиевых сплавах уже давно тормозят широкое использование сварки для соединения строительных сооружений в аэрокосмических и морских областях. По данной области выполнено множество исследований, однако они достаточны противоречивы в своих результатах. Так, например, профессор К.Кишаг и соавторы использовали различные профили штифтов для выполнения сварки трением с перемешиванием сплавов АА6061 и АА2024 [1]. Также К.ВтаЬагап и соавторы исследовали влияние расположения материала и скорости вращения инструмента на микроструктуру и прочность на разрыв разнородного трения сварным, литым и деформируемым алюминиевым сплавом АА6061 [2]. Цель данной статьи проиллюстрировать как влияют различные характеристики сварки трением на микроструктуру сплава. сварной шов алюминиевый сплав

Разнородные алюминиевые сплавы 5083-Н111 и 2024-Т351 были сварены трением с перемешиванием. Материалы были получены в листах толщиной 5мм с необходимыми размерами 250x100мм.

Первичные эксперименты проводились при различных параметрах сварки, чтобы выбрать подходящие параметры, которые производят соединения без видимых дефектов.

Процесс СТсП проводился при выбранных параметрах сварки, таких как скорость сварки, скорость вращения, геометрия штифта и расположение материала как указано в таблице 1.

Термообработанная инструментальная сталь Н13 использовалась для

изготовления сварочных инструментов с вогнутыми выступами диаметром 20мм и диаметром 5мм с высотой 4,7мм.

Таблица 1.

Параметры сварки.

Для оценки характеристик соединений образцы вырезали перпендикулярно линии сварки. Растяжимые образцы были размолоты до стандартных размеров в соответствии с ASTM-E8. Металлографические образцы и образцы твердости шлифовали и полировали до 3 мм с использованием алмазной пасты. Были использованы разные реагенты для травления соединений разнородных сплавов. После этого металлографические образцы были исследованы с помощью оптического микроскопа с программным обеспечением для анализа изображений.

Визуальный осмотр образцов выявил различные дефекты, такие как туннель и пустоты в сварном шве (рис.1). Тип и размер этих дефектов можно объяснить недостаточным проникновением из-за недостаточного потока материала под штифтом и вокруг. Это в основномсвязано с низкимилиизбыточнымподводом тепла, что, в свою очередь, не позволило инструментузаполнить зону за штифтом.

Рисунок 1. Дефекты, выявленные в сварномшве

Однако стоит отметить, что поток металла зависит от количества тепла, выделяемого при трении, которое связано со скоростью вращения и скоростью сварки, размером плеча и расстоянием от поверхности сварного шва. Обнаруженные дефекты расположены вблизи корня, вдали от плеча инструмента, оказывающие сильное влияние на прочность соединения.

Микроструктуры базовых сплавов ЛЛ2024 и ЛЛ5083 помогают при оценке влияния параметров сварки на микроструктуры стыков трения (рис.2). В качестве примера показаны микроструктуры трех сварных образцов при различных скоростях вращения и неизменных скоростях сварки 40(мм/мин) (рис.3). Микрофотографии показывают зону перемешивания и зону термомеханического воздействия. Можно заметить, что поведение при перемешивании, а также смешивание разнородных сплавов варьируется от одного образца к другому. Это различие связано с эффективностью перемешивания и количеством выделяемого тепла, как упомянуто в работе исследователя M.Akbari [3]. Тем не менее, замечено, что увеличение произведенного тепла улучшило однородность, а также размер зерна в зоне перемешивания, как показано на рисунке 3.

Рисунок 2. Микроструктурыбазовыхсплавов

Рисунок 3. Микроструктурызоныперемешивания и зонытермомеханическоговоздействия при различныхпрофиляхинструмента

Слой с оченьмелкимиоднородными зернами былсформированподплечом (рис.4). Этотслойимеетразличнуютолщину, котораяотличается от одного образца к другому. Однакобылообнаружено, чтослоиимеютградиентноеувеличениетолщины от центра плеча к его окружности. Этоотклонениесвязано с изменением тепла, производимого через плечоиз-за изменяющихсялинейныхскоростей. Ожидалось, чтоэтислоиулучшают характеристики соединений с точки зренияболеевысокойтвердости и прочности на поверхностисварного шва. Соответственно, можно заметить, что на микроструктурувлияютскорости сварки, которыеконтролируютвыработанноеколичество тепла, данныйвыводсоотносится с исследованиемYoonS. и соавторами [4].

Рисунок 4. Слой, сформированныйподплечом.

Использованные источники

1. Kumar, N., Monga, I. and Kumar, M. (2015) An Experimental Investigation to Find Out the Effect of Different Pin Profile Tools on AA 6061 T6 and AA 2014 T4 with Friction Stir Welding. International Journal for Technological Research in Engineering, 2, 1622-1625.

2. Dinaharan, K., Kalaiselvan, S.J. and Vijay, Raja, P. (2012) Effect of Material Location and Tool Rotational Speed on Microstructure and Tensile Strength of Dissimilar Friction Stir Welded Aluminum Alloys. Archives of Civil and Mechanical Engineering,12, 446-454.

3. Akbari, M., Aliha, M.R.M., Keshavarz, S.M.E. and Bonyadi, A. (2016) Effect of Tool Parameters on Mechanical Properties, Temperature, and Force Generation during FSW. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers , Part L : Journal of Materials : Design and Applications

4. Yoon, S.O., et al . (2012) Friction Stir Butt Welding of A5052-O Aluminum Alloy Plates. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 22, s619-s623.