Формирование микроструктуры сварных соединений алюминиевых и медных сплавов с помощью сварки трением с перемешиванием

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-10129

НазваниеФормирование микроструктуры сварных соединений алюминиевых и медных сплавов с помощью сварки трением с перемешиванием

Руководитель Рзаев Радмир Адильбекович,

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева" , Астраханская обл

Конкурс №76 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова сварка трением с перемешиванием, разнородные соединения, интерметаллид, алюминиевый сплав, медный сплав, равнопрочные соединения, математическое моделирование

Код ГРНТИ55.00.00, 55.03.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной объем производства сварных конструкций из разнородных металлов и материалов приходится на способы сварки плавлением (СПл) с использованием преимущественно дуговых источников энергии. Однако, эта группа способов сварки имеет существенные недостатки, отрицательно влияющие на свойства и работоспособность сварных соединений: это необходимость нагрева материалов до расплавления; образование жидкой сварочной ванны, после кристаллизации которой формируется сварной шов грубодендритного строения с непрерывными межатомными связями и макро- и микродефектами, присущими дендритной кристаллизации и повышенной длительностью пребывания при высоких температурах; большими остаточными напряжениями; развитой пористостью; различными включениями (оксидными, шлаковыми, вольфрамовыми, интерметаллидными, карбидными и др.); горячими и холодными трещинами. Достаточно распространены способы сварки, в которых используются третьти металлы, имеющие сродство, например, с одной стороны, к алюминию, а с другой – к меди. Однако, они является технологически сложным из-за многоэтапности и зачастую экологически неблагоприятны, поэтому используется для соединения мелких деталей. Начиная с авторского свидетельства СССР 1965 г., и с опубликованием в 1991 г. патента Великобритании, появилась альтернатива СПл - твердофазный способ сварки трением с перемешиванием (СТП). Несмотря на более тридцатилетний период освоения, и промышленного внедрения, СТП демонстрирует, в некотором смысле, свое одностороннее развитие в направлении технического инструментально- машинного совершенствования. Вне интересов этого развития оказались исследования по раскрытию механизмов образования сварных соединений в однородном и, тем более, в разнородных сочетаниях. И как следствие этого, отрицательное влияние на дальнейшее расширение технологических возможностей СТП и реализации новых свойств сварных соединений по сравнению с таковыми, выполненными СПл. Существующие исследования СТП (Р.О. Кайбышев, Р.Р. Котлышев, Ю.Г. Людмирский, М.М. Штрикман, С.Ю. Миронов, R.S. Mishra, H.R. Shercliff, I. Gavalo) не раскрывают механизмы образования сварных соединений в однородном и, тем более, в разнородных сочетаниях, что приводит к ограничению технологических возможностей СТП и реализации свойств сварных соединений по сравнению с таковыми, выполненными СПл.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Державин И.М. Исследование энергетических характеристик процессов сварки трением с перемешиванием алюминиевых и медных сплавов Металлург, Металлург, номер 11, страницы 48-54 (год публикации - 2023)
10.5235/00260827_2023_11_48

2. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Валишева А. Г., Черных И.К. ИССЛЕДОВАНИЕ АКСИАЛЬНОГО УСИЛИЯ ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ ИЗВЕСТИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, №10 (281), с. 63-69 (год публикации - 2023)
10.35211/1990-5297-2023-10-281-63-69

3. Рзаев Р.А., Сундетов М.Х., Валишева А.Г. , Державин И.М., Меркулов Д.И. Distribution of the temperature in friction stir welding of aluminum and copper alloys E3S Web of Conferences, 458, 02005 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202345802005

4. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Державин И.М. STUDY OF ENERGY CHARACTERISTICS OF FRICTION STIR WELDING PROCESSES OF ALUMINUM AND COPPER ALLOYS Metallurgist, 4, c. 1- 8 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1007/s11015-024-01659-9

5. Рзаев Р.А., Гуревч Л.М., Бич Г.В., Нугманов Р.Р. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ЗОН РАЗНОРОДНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ С ПОМОЩЬЮ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ДГТУ, Ростов-на-Дону, Сборник трудов международной научно-технической конференции "Машиностроительные технологические системы " стр. 622- 628. (год публикации - 2023)

6. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Державин И.М., Семенова Л.Э. ВЗАИМОСВЯЗЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ, СИЛОВЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕДНО-АЛЮМИНИЕВОГО СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ Сварка и диагностика, 3, с. 23-29 (год публикации - 2024)
10.52177/2071-5234_2024_03_23

7. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Смирнов В.В., Сундетов М.Х. ВЕРИФИЦИРОВАННОЕ КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМЕЩЕНИЯ СВАРОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА НА СВОЙСТВА СВАРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ Сварка и Диагностика, 5, 2024 (год публикации - 2024)
10.52177/2071-5234_2024_05_35

8. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М, Державин И.М., Меркулов Д.И. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В СВАРНОМ ШВЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЯ И МЕДИ Известия Волгоградского государственного технического университета, 10(293), с. 57-65 (год публикации - 2024)
10.35211/1990-5297-2024-10-293-57-65

9. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Валишева А.Г. Моделирование дефектообразования при сварке трением с перемешиванием алюминия и меди Металлург, 11, с. 113- 117 (год публикации - 2024)
10.25351/00260827_2024_11_113

10. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ИЗВЕСТИЯ ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА, 2(285), с. 64-69 (год публикации - 2024)
10.35211/1990-5297-2024-2-285-64-69

11. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Валишева А.Г. Modeling of defect formation in friction stir welding of aluminum and copper Metallurgist (год публикации - 2025)

12. Рзаев Р.А., Гуревич Л.М., Датская З.Р. ВЛИЯНИЕ СМЕЩЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ОБРАЗОВАНИЕ ЗОН СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВОГО И МЕДНОГО СПЛАВОВ Известия Волгоградского государственного технического университета, 6(289), с. 75-81 (год публикации - 2024)
10.35211/1990-5297-2024-6-289-75-81

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Было рассмотрено влияние параметров режимов СТП (частота вращения инструмента 800-1000 об/мин (ω); скорость сварки 25- 63 мм/мин (v); величина аксиального усилия 4-5 кН (F); величина заглубления заплечика СИ 0.5-1.5 мм (Δ), смещение на медь или на алюминий от 0 до 3 мм (δ), угол наклона относительно оси вращения инструмента от 0 до 5) алюминия и меди на структуру зон сварного шва, на образование дефектов и перемешивания свариваемых материалов. Определены зависимости мощностных, температурных характеристик сварного соединения и величин усилии, прикладываемых к инструменту при различных параметрах СТП. Результаты исследования показывают, что величины осевой силы и генерируемой тепловой мощности влияют на температурную динамику в зонах сварного шва. При сохранении постоянной скорости подачи инструмента аксиальное усилие увеличивается по мере снижения частоты вращения инструмента. При увеличении скорости сварки происходит уменьшение погонной генерируемой теплоты на единицу длины сварного шва, в результате достигаемая в цикле температура снижалась на 2% при 40 мм/мин и на 4% при 63 мм/мин по сравнению со скоростью сварки 25 мм/мин. При фиксированной частоте вращения инструмента и увеличивающейся скорости сварки изменение аксиальной силы незначительно. Из результатов анализа структуры макрошлифов отмечаются следующие особенности: В ядре шва образовался туннельный дефект, выходящий на поверхность сварного соединения при 800 об/мин (25 мм/ми). Образование дефекта вызвана недостаточным прогревом свариваемого материала. При скорости вращения 900 об/мин (25 мм/ми) ЯСШ состоит из почти равновеликих объемов свариваемых металлов, структура ядра имеет вид множества вихреподобных образований, сформировавшихся в результате сдвигово-поворотных воздействий инструмента. При увеличении скорости вращения инструмента до 1000 об/мин(25 мм/ми) происходит, перегрев металла в области шва, что ведет к выдавливанию пластифицированного материала и образованию пластинчатых гратов. При более низких условиях тепловложения при 41 мм/мин свариваемая медь недостаточно пластифицируется и не может течь к вершине шва. Это приводит к образованию дефекта в виде пустот не более 0,2 мм. При более высокой скорости сварки 63 мм/ мин получали сварной шов низкого качества с большим количеством пустот (от 0,2 до 0,5 мм). Как показали исследования, качественный фазовый состав в точках зон сварного шва – обнаружены рефлексы чистой меди, алюминия и интерметаллидов CuAl2, Cu9Al4. Зависимости микротвердости от расстояния вдоль сварного шва, имеют несколько экстремумов. Резкое увеличение твердости до 265 HV (1000 об/мин) происходит в области воздействия пина инструмента. Более высокие значения микротвердости в ЯСШ и ЗТДВ относительно основных металлов могут быть объяснены образованием очень мелких рекристаллизованных зерен алюминия, обогащенных диспергированными частицами меди и ИМФ, и равномерно распределенных в твердом растворе. При скорости вращения инструмента 800 и 900 об/мин максимальное значение микротвердости составляло 245 и 170 HV. При исследовании зависимости механических свойств шва от угла наклона инструмента было выявлено, что наибольшее значение временного сопротивления на разрыв соответствует углу 30. В случае изменения скорости до 800 об/мин значение прочности на разрыв имеет значение 57 МПа. Максимальное значения временного сопротивления соответствует скорости вращения 900 об/мин (78 МПа) и 1000 об/мин (74 МПа). При скорости сварки 900 об/мин разрыв образца произошел со стороны алюминия. При значении скорости сварки в 63 мм/мин временное сопротивление уменьшалось на 15-20%, а для скорости сварки 40 об/мин на 10-14% от максимального значения 78 МПа при 25 мм/мин. Для стыковых соединений меди и алюминия оптимальным является смещение инструмента в сторону меди на 0,5- 1 мм, при которых достигаются наибольшие значения механических свойств СС. Разработанная конечно-элементная эйлерово-лагранжева (CEL) модель сварки трением с перемешиванием алюминия и меди при частоте вращения инструмента 800 - 1000 об/мин и скорости сварки 25 - 63 мм/мин для прогнозирования дефектов и распределения температуре верифицирована с использованием экспериментально изготовленных сварных соединений. Максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными кривыми температуры не превышает 9%, что является вполне приемлемым для оценки температурного поля. Созданная компьютерная CEL модель позволяет прогнозировать размер туннельного дефекта с погрешностью 18-25% и форму пустот, которая является эллиптической при скорости сварки 63 мм/мин, а при скорости 41 мм/ мин становится более округлой. С увеличением скорости вращения с 800 об/мин до 1000 об/мин приводит к уменьшению протяженности дефектов от 0,075 м до 0,002 м, к увеличению эффективности сварки с 27% до 52%. Это способствует улучшению сварных швов на 32%. Положение дефектов подтверждаются снимками радиографического метода контроля, что свидетельствует о применимости модели CEL. На основе проведенных исследований. Разработана методика расчетов режима СТП для стыкового и нахлесточного соединений (алюминий-медь), позволяющая корректировать расчетные значения скорости сварки с данными опыта. Расчеты линейной скорости сварки производятся с учетом температур перехода в СПС, рекристаллизации и полиморфных превращений. https://nauka.tass.ru/nauka/20671885?utm_source=yxnews&utm_medium=mobile&utm_referrer=https%3A%2F%2Fdzen.ru%2Fnews%2Fstory%2F7273cf19-9f5e-568b-ba14-8041700704b5

Публикации

Возможность практического использования результатов
Проведение механических испытании сваренных образцов проводилось в лаборатории разрушающего контроля АО "ЮЦСС"