СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ (СТП) НА ПРИМЕРЕ НАРАЗЪЕМНОГО БИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СОЕДИНЕНИЯ АЛЮМИНИЙ – МЕДЬ

Основным требованием, предъявляемым к любой конструкции, применяемой в различных отраслях промышленности, является обеспечение высокого уровня работоспособности в течение определенного срока при заданных условиях эксплуатации. В настоящее время одним из эффективных способов выполнения указанных требований получения высококачественных соединений является сварка трением с перемешиванием (СТП).

Метод сварки трением с перемешиванием был разработан в Британском институте сварки в 1991 году. Он относится к твердофазным способам образования соединений материалов с использованием трения. Этот способ соединения разрабатывался для алюминиевых сплавов с целью решения многих проблем, связанных со сваркой плавлением. Дальнейшее развитие метода показал возможность его применения для широкого круга материалов [1].

Выполненные в последние годы исследования показали, что СТП является эффективным способом получения высококачественных соединений конструкций различной геометрии, включая листовые материалы, пространственные профильные конструкции, трубы, восстановления изношенных деталей, модифицирования и улучшения структуры материалов, залечивания трещин и литейных дефектов.

СТП может быть признан универсальной технологией, имеющей большие перспективы в различных отраслях производства. По мнению ведущих мировых экспертов, технология СТП является революционной в области сварки листовых материалов из легких сплавов (алюминиевых и магниевых), она оценивается как ключевая для создания авиационной техники пятого поколения. Толщины свариваемых СТП листовых материалов достигли для алюминиевых сплавов 110 мм, а для сталей и никелевых сплавов 45 мм [2].

Процесс сварки трением с перемешиванием заключается в том, что для сварки используют инструмент в форме стержня, состоящий из двух основных частей: заплечика или бурта (утолщенная часть) и наконечника (выступающая часть). Размеры этих конструктивных элементов выбирают в зависимости от толщины и материала свариваемых деталей. Так, длину наконечника устанавливают приблизительно равной толщине детали, подлежащей сварке, диаметр заплечика может изменяться от 1,2 до 25 мм. Вращающийся с высокой скоростью инструмент в месте стыка вводится в соприкосновение с поверхностью заготовок так, чтобы наконечник внедрился в заготовки на глубину, примерно равную их толщине, а заплечик коснулся их поверхности. После этого инструмент перемещается по линии соединения со скоростью сварки. В результате работы сил трения происходит нагрев металла до пластического состояния, перемешивание его вращающимся инструментом и вытеснение в освобождающееся пространство позади движущегося по линии стыка инструмента. Объем, в котором формируется шов, ограничивается сверху заплечиком инструмента. По окончании сварки вращающийся инструмент выводят из стыка за пределы заготовки. В связи с асимметрией структуры швов в поперечном сечении сварных соединений, полученных сваркой трением с перемешиванием, принято различать сторону набегания, где направление вращения инструмента совпадает с направлением сварки, и противоположную сторону – отхода [3].

Применение СТП связано с высоким качеством получаемых сварных соединений. Перемешивание металла в твердой фазе в условиях «теплой» деформации делает эффект более прочной микроструктуры чем основной материал. Прочность на растяжение и усталостная прочность сварного шва составляет 90% от характеристик основного материала на уровне, обеспечиваемом применением дорогостоящих сварок. СТП может выполняться в различных позициях вертикальной, горизонтальной, под наклоном, и т.д. Обеспечивается возможность сваривания разнородных материалов, термопластичных пластиков и композиционных материалов [4].

Целью работы является  исследование микроструктуры и механических свойств неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием.

В качестве материала исследования выбрано неразъемное биметаллическое СТП соединение из алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1.Физико-химические свойства алюминия и меди представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Физико-химические свойства алюминия и меди.

Схема СТП сплава АД0 и меди М1 представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема СТП сплава АД0 и меди М1

Для подготовки образца к исследованию использовалась шлифовальная бумага различной зернистости (P400-P2000). Для полирования использовалась алмазная паста. Далее происходило травление в два этапа. Сначала сторона Al – реактивом Келлера (HCl , HF, HNO₃, H₂O), затем вторая сторона Cu – FeCl₃, HCl, H₂O.

Для исследования поверхности сварного соединения использовался оптический микроскоп АЛЬТАМИ МЕТ-1С. С помощью оптического микроскопа были получены изображения алюминиевой и медной поверхностей образца, которые затем объединены в одно изображение всей поверхности.

Замеры микротвердости проводились микротвердометром ПМТ3 по методу Виккерса по всей длине образца с нагрузкой P=50 г., шагом 1мм и временем выдержки 12 секунд.

На рисунке 2 показано составное макроскопическое изображение неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД0 и меди марки М1, полученного сваркой трением с перемешиванием. Красными пунктирными линиями показаны характерные структурные зоны СТП соединения.

1) Зона перемешивания (ЗП) – зона, в которой происходит деформация и образуется ядро шва.

2) Зона термомеханического влияния или ЗТМВ – зона вблизи сварочного шва. Характерна небольшая деформация. В данной зоне происходит передача тепла с зоны перемешивания.

3) Зона термического влияния или ЗТВ – зона, в которой зерна почти не отличаются от зерен основного металла, но обладают большей твердостью.

4) Основной металл (ОМ) – зона, которая не подвергается никаким воздействиям.

Рисунок 2. Составное макроскопическое изображение неразъемного биметаллического соединения алюминиевого сплава АД 0 и меди марки М1 полученного сваркой трением с перемешиванием.

1 – зона перемешивания (ЗП), 2 – зона термомеханического влияния (ЗТМВ), 3 – зона термического влияния (ЗТВ), 4 – основной металл (ОМ).

Микротвердость измерялась вдоль белой пунктирной линии

Микротвердость измерялась вдоль белой пунктирной линии (см. рис.3) равноудаленно от поверхностей с шагом 1 мм. Результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Результаты измерений микротвердости образца.

На рисунке 3 показан график распределения микротвердости, из которого следует, что в пластине меди ЗТВ и ЗТМВ она существенно меньше, чем в аналогичных зонах в алюминиевой пластине. Это связано с тем, что температура плавления и теплопроводность у меди выше, чем у алюминия, а метод СТП подразумевает асимметрию при соединении пластин. Инструмент периферийно захватывает медь, вследствие чего разогрев меди происходит в меньшей степени, а скорость теплоотдачи увеличивается.

Рисунок 3. Распределение микротвердости в неразъемном биметаллическом СТП соединении сплава АД0 и меди М1

На рисунке 4а показано увеличенное изображение ОМ меди марки М1. Средний размер зерна d=34.75±25.19 мкм. На рисунке 4б виден резкий переход от ЗТМВ к ОМ, что подтверждает ранее описанные предположения о теплопроводности меди.

Рисунок 4. Увеличенное в 200 крат изображение микроструктуры меди марки М1 в биметаллическом СТП соединении: а) ОМ, б) ЗТМВ и ЗТВ

В пластине алюминия размер зерна значительно уменьшается от ОМ к ЗП. Средний размер зерна в ОМ составляет d=211.36±67.019 мкм, что в 84.5 раз превышает средний размер зерна в ЗП (1,5-2,5 мкм), это можно заметить на рисунке 5.

Рисунок 5. Увеличенное в 50 крат изображение микроструктуры алюминия АД0 в биметаллическом СТП соединении в зоне ОМ

В ходе эксперимента было выявлено, что микротвердость материала в зоне перемешивания выше, чем в зоне термического влияния и в зоне основного металла. В медной пластине пик микротвердости наблюдается в ЗТВ.

Микроструктура исследуемого образца изменяется от ОМ к ЗП как для алюминиевой пластины, так и для меди. Средний размер зерна в ЗП существенно ниже, чем в ОМ.

Список литературы:

1. Всесоюзный конструкторско-технологический Институт Сварочного Производства [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.visp-ltd.com, свободный. – Загл. с экрана;
2. Сварка трением с перемешиванием – Мир Сварки [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://weldworld.ru, свободный. – Загл. с экрана
3. Сварка трением с перемешиванием конструкционных материалов [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://svarka-24.info, свободный. – Загл. с экрана.
4. Промышленный интернет-портал Мир Пром. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://mirprom.ru, свободный. – Загл. с экрана.