Особенности процессов структурообразования в соединениях сплава Д16, полученных сваркой трением с перемешиванием с инструментом типа «bobbin tool»

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Введение. Одним из типов сварки трением с перемешиванием является сварка инструментом типа «bobbin tool» (BFSW), позволяющая получать сварные соединения различной конфигурации без использования подложки и осевого усилия внедрения, а также снизить тепловые потери и градиент температурного воздействия по толщине свариваемого материала. Это делает процесс BFSW эффективным для сварки алюминиевых сплавов, свойства которых определяются структурно-фазовым состоянием. По данным исследований, температура и скорость деформирования свариваемого материала имеют некоторые интервалы значений, в которых формируются прочные соединения без дефектов. При этом вопросам механизмов формирования структуры в процессе BFSW уделено гораздо меньшее внимание. Поэтому для решения задачи получения бездефектных и прочных сварных соединений сваркой типа BFSW требуется расширенное понимание основных механизмов структурообразования в процессе сварки. Целью работы является исследование механизмов формирования структуры в сварном соединении сплава Д16 при изменении скорости сварки в процессе сварки трением с перемешиванием инструментом типа «bobbin tool». Результаты и обсуждение. Условия формирования сварного соединения в процессе BFSW определяются тепловложением в свариваемый материал, его фрагментацией и пластическим течением по контуру инструмента, которые зависят от соотношения скоростей вращения и перемещения сварочного инструмента. Механизмы формирования соединения основаны на сочетании равно значимых процессов адгезионного взаимодействия в системе «инструмент – материал» и экструзивного выдавливания металла в зону за сварочным инструментом. В сочетании с условиями теплоотвода и конфигурацией системы «инструмент – материал», это приводит к экструзии материала из сварного соединения и его разуплотнению. Результатом является формирование протяженных дефектов. Повышение скорости перемещения инструмента способствует снижению удельного тепловложения, но при сварке протяженных соединений из-за характерных условий теплоотвода количество тепла, выделяющегося в соединении, возрастает. В результате происходит изменение условий протекания процессов адгезионного взаимодействия и экструзивного выдавливания, что приводит либо к росту уже имеющихся, либо к формированию новых дефектов. C учетом комплексности механизмов формирования структуры сварных соединений способом BFSW, получение бездефектных сварных соединений подразумевает обязательное использование различных методов неразрушающего контроля в сочетании с адаптивным регулированием технологических параметров непосредственно в ходе сварочного процесса.

Об авторах

А. Н. Иванов

Email: ivan@ispms.ru
канд. техн. наук, 1.Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия; 2.Новосибирский государственный технический университет» пр-т К. Маркса 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, ivan@ispms.ru

В. Е. Рубцов

Email: rvy@ispms.ru
канд. физ.-мат. наук, 1.Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия; 2.Новосибирский государственный технический университет» пр-т К. Маркса 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, rvy@ispms.ru

А. В. Чумаевский

Email: tch7av@gmail.com
канд. техн. наук, Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, tch7av@gmail.com

К. С. Осипович

Email: osipovich_k@ispms.tsc.ru
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия, osipovich_k@ispms.tsc.ru

Е. А. Колубаев

Email: eak@ispms.ru
доктор техн. наук, 1.Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, пр. Академический, 2/4, Томск, 634055, Россия; 2.Новосибирский государственный технический университет» пр-т К. Маркса 20, г. Новосибирск, 630073, Россия, eak@ispms.ru

В. А. Бакшаев

Email: bakshaevva@mail.ru
ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель», ул. Ленинградская 36, г. Чебоксары, 428021, Чувашская республика, Россия, bakshaevva@mail.ru

И. Н. Ивашкин

Email: ivashkin_in@mail.ru
ЗАО «Чебоксарское предприятие «Сеспель», ул. Ленинградская 36, г. Чебоксары, 428021, Чувашская республика, Россия, ivashkin_in@mail.ru

Список литературы

  1. The use of bobbin tools for friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, M.M.Z. Ahmed, J.P. Martin, J.G. Perrett, B.P. Wynne // Materials Science Forum. – 2010. – Vol. 638–642. – P. 1179–1184. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/MSF.638-642.1179' target='_blank'>www.scientific.net/MSF.638-642.1179.
  2. Fuse K., Badheka V. Bobbin tool friction stir welding: a review // Science and Technology of Welding and Joining. – 2019. – Vol. 24 (4). – P. 277–304. – doi: 10.1080/13621718.2018.1553655.
  3. Microstructural characteristics and mechanical properties of friction stir welded thick 5083 aluminum alloy / M. Imam, Y. Sun, H. Fujii, N. Ma, S. Tsutsumi, H. Murakawa // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2017. – Vol. 48. – P. 208–229. – doi: 10.1007/s11661-016-3819-6.
  4. Simulation on the temperature field of bobbin tool friction stir welding of AA 2014 aluminium alloy / X.M. Liu, J.S. Yao, Y. Cai, H. Meng, Z.D. Zou // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – Vol. 433–435. – P. 2091–2095. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/AMM.433-435.2091' target='_blank'>www.scientific.net/AMM.433-435.2091.
  5. A comparative research on bobbin tool and conventional friction stir welding of Al-Mg-Si alloy plates / C. Yang, D.R. Ni, P. Xue, B.L. Xiao, W. Wang, K.S. Wang, Z.Y. Ma // Materials Characterization. – 2018. – Vol. 145. – P. 20–28. – doi: 10.1016/j.matchar.2018.08.027.
  6. Bobbin and conventional friction stir welding of thick extruded AA6005-T6 profiles / M. Esmaily, N. Mortazavi, W. Osikowicz, H. Hindsefelt, J.E. Svensson, M. Halvarsson, J. Martin, L.G. Johansson // Materials and Design. – 2016. – Vol. 108. – P. 114–125. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.06.089.
  7. Semi-stationary shoulder bobbin tool friction stir welding of AA2198-T851 / J. Goebel, M. Reimann, A. Norma, J.F. Dos Santos // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 245. – P. 37–45. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.02.011.
  8. Comparative study on local and global mechanical properties of bobbin tool and conventional friction stir welded 7085-T7452 aluminum thick plate / W. Xu, Y. Luo, W. Zhang, M. Fu // Journal of Materials Science and Technology. – 2018. – Vol. 34. – P. 173–184. – doi: 10.1016/j.jmst.2017.05.015.
  9. Experimental investigation of fatigue properties of FSW in AA2024-T351 / M. Milcic, Z. Burzic, I. Radisavljevic, T. Vuherer, D. Milcic, V. Grabulov // Procedia Structural Integrity. – 2018. – Vol. 13. – P. 1977–1984. – doi: 10.1016/j.prostr.2018.12.220.
  10. Ultrasonic assisted second phase transformations under severe plastic deformation in friction stir welding of AA2024 / A.A. Eliseev, T.A. Kalashnikova, D.A. Gurianov, V.E. Rubtsov, A.N. Ivanov, E.A. Kolubaev // Materials Today Communications. – 2019. – Vol. 21. – P. 100660. – doi: 10.1016/j.mtcomm.2019.100660.
  11. Microstructural characteristics and mechanical properties of bobbin-tool friction stir welded 2024–T3 aluminum alloy / J. Dong, C. Gao, Y. Lu, J. Han, X. Jiao, Z. Zhu // International Journal of Minerals, Metallurgy, and Materials. – 2017. – Vol. 24. – P. 171–178. – doi: 10.1007/s12613-017-1392-7.
  12. Влияние режима сварки трением с перемешиванием и ее направления относительно направления прокатки сплава Д16 на структуру и свойства его сварных соединений / А.Н. Иванов, В.Е. Рубцов, Е.А. Колубаев, В.А. Бакшаев, И.Н. Ивашкин // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2020. – Т. 22, № 4. – С. 110–123. – doi: 10.17212/1994-6309-2020-22.4-110-123.
  13. Quality improvement of bobbin tool friction stir welds in Mg-Zn-Zr alloy by adjusting tool geometry / G.H. Li, L. Zhou, S.F. Luo, F.B. Dong, N. Guo // Journal of Materials Processing Technology. – 2020. – Vol. 282. – P. 116685. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2020.116685.
  14. Effect of an improved pin design on weld formability and mechanical properties of adjustable-gap bobbin-tool friction stir welded Al-Cu aluminum alloy joints / D. Wu, W.Y. Li, Y.J. Gao, J. Yang, Y. Su, Q. Wen, A. Vairis // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 58. – P. 1182–1188. – doi: 10.1016/j.jmapro.2020.09.015.
  15. Microstructural characteristics and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded 2A14-T6 aluminum / H. Zhang, M. Wang, X. Zhang, G. Yang // Materials and Design. – 2015. – Vol. 65. – P. 559–566. – doi: 10.1016/j.matdes.2014.09.068.
  16. Macrostructure, microstructure and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded ZK60 Mg alloy joints / G. Li, L. Zhou, J. Zhang, S. Luo, N. Guo // Journal of Materials Research and Technology. – 2020. – Vol. 9, iss. 4. – P. 9348–9361. – doi: 10.1016/j.jmrt.2020.05.067.
  17. Temperature measurement and control of bobbin tool friction stir welding / S. Chen, H. Li, S. Lu, R. Ni, J. Dong. // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 86. – P. 337–346. – doi: 10.1007/s00170-015-8116-9.
  18. Tamadon A., Pons D.J., Clucas D. Structural anatomy of tunnel void defect in bobbin friction stir welding, elucidated by the analogue modelling // Applied System Innovation. – 2020. – Vol. 3. – P. 2. – doi: 10.3390/asi3010002.
  19. Internal material flow layers in AA6082-T6 butt-joints during bobbin friction stir welding / A. Tamadon, D.J. Pons, D. Clucas, K. Sued // Metals. – 2019. – Vol. 9. – P. 1059. – doi: 10.3390/met9101059.
  20. Seidel T.U., Reynolds A.P. Visualization of the material flow in AA2195 friction-stir welds using a marker insert technique // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2001. – Vol. 32. – P. 2879–2884. – doi: 10.1007/s11661-001-1038-1.
  21. A finite element model to simulate defect formation during friction stir welding / Z. Zhu, M. Wang, H. Zhang, X. Zhang, T. Yu, Z. Wu // Metals. – 2017. – Vol. 7. – P. 256. – doi: 10.3390/met7070256.
  22. Formation mechanisms for entry and exit defects in bobbin friction stir welding / A. Tamadon, D.J. Pons, K. Sued, D. Clucas // Metals. – 2018. – Vol. 8. – P. 33. – doi: 10.3390/met8010033.
  23. Microstructural analysis of friction stir butt welded Al-Mg-Sc-Zr alloy heavy gauge sheets / T. Kalashnikova, A. Chumaevskii, K. Kalashnikov, S. Fortuna, E. Kolubaev, S. Tarasov // Metals. – 2020. – Vol. 10 (6). – P. 1–20. – doi: 10.3390/met10060806.
  24. Dislocation physics in the multilevel approach to plastic deformation / E.V. Kozlov, L.I. Trishkina, N.A. Popova, N.A. Koneva // Physical Mesomechanics. – 2011. – Vol. 14. – P. 283. – doi: 10.1016/j.physme.2011.12.007.
  25. Grimes R. Superplastic forming of aluminium alloys // Superplastic forming of advanced metallic materials: methods and applications / ed. by G. Giuliano. – Cambridge; Philadelphia, PA: Woodhead Publishing, 2011. – P. 247–271. – (Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».