Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования

С помощью модели процесса сварки трением с перемешиванием изучено влияние конструктивных размеров рабочих поверхностей бурта и наконечника инструмента на особенности перемещения материала в зоне термодинамического воздействия. Показано, что образование неразъемного соединения происходит благодаря пе...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Покляцкий, А.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Назва видання:	Автоматическая сварка
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102186
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования / А. Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 6 (698). — С. 18-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-102186
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1021862016-06-12T03:02:35Z Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования Покляцкий, А.Г. Научно-технический раздел С помощью модели процесса сварки трением с перемешиванием изучено влияние конструктивных размеров рабочих поверхностей бурта и наконечника инструмента на особенности перемещения материала в зоне термодинамического воздействия. Показано, что образование неразъемного соединения происходит благодаря перемещению наконечником инструмента определенного объема пластичного материала и его перемешивания по всей толщине кромок. Форма рабочей поверхности торца бурта инструмента предопределяет траекторию перемещения, скорость движения, равномерность смешивания и степень уплотнения соединяемых материалов при затвердевании. Model of the process of friction stir welding was used to study the influence of structural dimensions of working surfaces of tool shoulder and tip on the features of materials mixing in the thermodynamic impact zone. It is shown that a permanent joint forms due to displacement of a certain amount of ductile material by the tool tip and its mixing across the entire thickness of edges. Shape of working surface of tool shoulder edge predetermines the displacement trajectory, movement speed, uniformity of mixing and degree of compaction of the materials being joined at solidification. 2011 Article Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования / А. Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 6 (698). — С. 18-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102186 621.791.1. ru Автоматическая сварка Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Покляцкий, А.Г. Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования Автоматическая сварка
description	С помощью модели процесса сварки трением с перемешиванием изучено влияние конструктивных размеров рабочих поверхностей бурта и наконечника инструмента на особенности перемещения материала в зоне термодинамического воздействия. Показано, что образование неразъемного соединения происходит благодаря перемещению наконечником инструмента определенного объема пластичного материала и его перемешивания по всей толщине кромок. Форма рабочей поверхности торца бурта инструмента предопределяет траекторию перемещения, скорость движения, равномерность смешивания и степень уплотнения соединяемых материалов при затвердевании.
format	Article
author	Покляцкий, А.Г.
author_facet	Покляцкий, А.Г.
author_sort	Покляцкий, А.Г.
title	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
title_short	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
title_full	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
title_fullStr	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
title_full_unstemmed	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
title_sort	изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Научно-технический раздел
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102186
citation_txt	Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования / А. Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 6 (698). — С. 18-22. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT poklâckijag izučenieosobennostejmassoperenosaprocessasvarkitreniemsperemešivaniemspomoŝʹûfizičeskogomodelirovaniâ
first_indexed	2025-07-07T11:57:51Z
last_indexed	2025-07-07T11:57:51Z
_version_	1836989255364116480
fulltext	УДК 621.791.1 ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ МАССОПЕРЕНОСА ПРОЦЕССА СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) С помощью модели процесса сварки трением с перемешиванием изучено влияние конструктивных размеров рабочих поверхностей бурта и наконечника инструмента на особенности перемещения материала в зоне термодинамического воздействия. Показано, что образование неразъемного соединения происходит благодаря перемещению наконечником инструмента определенного объема пластичного материала и его перемешивания по всей толщине кромок. Форма рабочей поверхности торца бурта инструмента предопределяет траекторию перемещения, скорость движения, рав- номерность смешивания и степень уплотнения соединяемых материалов при затвердевании. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием, моделирование процесса, массоперенос, конструкция нако- нечника инструмента, рабочая поверхность бурта Получение неразъемных соединений в твердой фазе сваркой трением с перемешиванием (СТП) для изготовления сварных конструкций начали применять еще в 1990-х годах. Широкое расп- ространение этот способ сварки получил при со- единении сплавов на основе алюминия и магния, которые отличаются высокой пластичностью в ус- ловиях низкотемпературного нагрева [1–4]. Формирование шва при СТП происходит при нагреве металла в зоне сварки за счет трения до пластического состояния и перемещения под вы- соким давлением в объеме, ограниченном рабо- чими поверхностями инструмента и подкладкой. Основными параметрами СТП являются конс- труктивные особенности и размеры рабочих по- верхностей инструмента, его расположение отно- сительно вертикальной оси и поверхностей сва- риваемых заготовок, прижатие инструмента и глу- бина проникновения его наконечника встык, а также скорость вращения ω и линейного пере- мещения инструмента с определенной скоростью, равной скорости сварки vсв [5, 6]. Эти параметры определяют условия фрикционного нагрева ме- талла в зоне сварки и существенно влияют на значение и ориентацию сил, действующих на пластифицированный металл, а также на скорость и траекторию его перемещения. Понимание за- кономерностей массопереноса в зоне образования неразъемного соединения очень важно для опре- деления оптимальных конструктивных размеров инструмента и параметров процесса сварки, ко- торые обеспечивают выполнение плотных качес- твенных швов. Первые представления о характере перемеще- ния пластифицированного металла при СТП по- лучены с помощью экспериментов, которые ба- зируются на мгновенной остановке движущегося потока материала [7]. Траекторию его движения в характерных зонах соединений оценивали по изменению положения специальных маркеров (очень мелких стальных шариков, медных шпи- лек, медной или титановой фольги, тонкой воль- фрамовой проволоки, прослойки композицион- ных материалов и др.), которые располагали в стыке между свариваемыми кромками или на при- легающих к нему участках [7–10]. Данные об осо- бенностях перемещения металла можно также по- лучить при сварке между собой алюминиевых сплавов различных систем легирования, имеющих разное травление [11], или значительно отлича- ющихся по цвету разнородных материалов [12]. Однако все перечисленные выше способы оценки массопереноса, происходящего при СТП, доволь- но трудоемкие, поскольку при их использовании требуется просвечивание полученных сварных со- единений рентгеновским излучением или подго- товка вырезанных из них шлифов полированием и травлением. С этой целью предложено смоде- лировать процесс СТП, используя в качестве со- единяемых материалов разноцветные бруски пластилина. Сечения в различных плоскостях та- ких соединений, полученные с помощью натя- нутой стальной проволоки диаметром 0,15 мм, без какой-либо дополнительной подготовки поз- воляют проследить за перемещением соединяе- мых материалов в зоне воздействия на них ра- бочей поверхности инструмента. Такая модель, в частности, позволяет оценить влияние конструктивных размеров рабочих повер- хностей инструмента на особенности массопере- носа в процессе СТП. Бруски из пластилина различных цветов сое- диняли между собой встык линейными швами на разработанной в ИЭС им. Е. О. Патона установке для сварки тонколистовых алюминиевых сплавов,© А. Г. Покляцкий, 2011 18 6/2011 а затем исследовали внешний вид и сечения по- лученных соединений. Результаты показали, что при использовании инструмента без проникаю- щего наконечника образование шва по всей тол- щине свариваемых кромок не происходит (рис. 1). Шов формируется только непосредственно под торцевой поверхностью бурта при перемеши- вании очень тонкого слоя металла вследствие вра- щения и перемещения инструмента вдоль стыка. Форма рабочей поверхности торца бурта ин- струмента практически не влияет на глубину шва, но оказывает существенное влияние на условия смешивания материалов, поступающих со сторо- ны набегания инструмента, где направления его вращения и перемещения совпадают (рис. 2, г–е, слева), и отхода, где направления его вращения противоположные (рис. 2, г–е, справа). Кроме то- го, она предопределяет скорость перемещения и траекторию движения перемешиваемых порций соединяемых материалов в определенном огра- ниченном пространстве, а также их степень уп- лотнения при затвердевании, что влияет на ка- чество формирования лицевой поверхности шва. Так, использование инструментов различной кон- фигурации с торцевой рабочей поверхности бурта может привести к изменению на поверхности шва формы чешуек, частоты их чередования и расп- ределения по глубине залегания, плавности пе- рехода от углублений к выпуклостям и др. Результаты исследований показали, что при сварке инструментом с плоской торцевой повер- хностью бурта происходит периодическое нару- шение сплошности потока материала, вследствие чего на лицевой поверхности шва образуется гру- бая чешуйчатость, а местами — отдельные над- рывы, которые ухудшают качество соединений. Наличие на поверхности шва конической или по- лусферической канавки способствует равномер- ному непрерывному перемещению материала и формированию шва с практически гладкой по- верхностью, состоящей из мелких чешуек, нез- начительно отличающихся по толщине. При этом степень перемешивания свариваемых материалов на лицевой поверхности шва существенно зависит от диаметра бурта инструмента. Так, его увели- Рис. 1. Внешний вид лицевой поверхности (а) и поперечного сечения (б) соединения, полученного СТП с использованием инструмента без наконечника Рис. 2. Схемы рабочей части инструментов для СТП с плоской торцевой поверхностью бурта (а), конической (б) и полусферической (в) канавкой на ней и внешний вид лицевой поверхности швов, полученных с использованием соответству- ющих инструментов (г–е) 6/2011 19 чение с 10 до 16 мм приводит к значительному повышению степени измельчения, при этом ли- цевая поверхность шва получается более одно- родной (рис. 3). Наконечник инструмента, кроме нагрева ма- териала в зоне сварки, главным образом должен обеспечить его перемещение и перемешивание по всей толщине стыка. Чтобы проследить за тра- екторией движения материала в процессе сварки непосредственно при перемещении вдоль стыка вращающегося наконечника инструмента, рабо- чую поверхность бурта не прижимали к свари- ваемому материалу. На рис. 4 хорошо видно, как материал переносился наконечником со стороны набегания инструмента (правая сторона шва) к стороне его отхода (левая сторона шва). На ней образовался тонкий слой, который располагался по всей толщине проникновения наконечника. При этом конфигурация боковой поверхности на- конечника инструмента практически не влияла на характер перемещения материала. Под торцом на- конечника также видна тонкая прослойка, нане- сенная из материала, расположенного со стороны набегания инструмента. Однако такое перемещение материала имеет место только в случае, если оно происходит в открытом пространстве, а не в ограниченном объеме. Поскольку в процессе СТП торцевая по- верхность бурта ограничивает перемещение ма- териала в вертикальном направлении, последний переносится наконечником со стороны набегания инструмента к стороне его отхода, а затем в ос- вобождающееся позади наконечника пространс- тво и располагается вдоль оси шва (рис. 5). Рис. 3. Поверхности швов, выполненных СТП с использованием инструментов с диаметром бурта 10 (а), 12 (б), 14 (в) и (г) 16 мм и конической канавкой на их торцевой поверхности Рис. 4. Внешний вид лицевых поверхнос- тей (а, б) и поперечных сечений швов (в, г), полученных СТП без прижатия бурта инструмента к соединяемым материалам при использовании наконечников кони- ческой формы с гладкой боковой поверх- ностью (а, в) и цилиндрической формы с резьбовой нарезкой на боковой поверх- ности (б, г) Рис. 5. Внешний вид сечения вертикальной (а) и горизонталь- ной (б) плоскости стыковых соединений, полученных СТП с использованием инструмента с наконечником конической формы и гладкой боковой поверхностью 20 6/2011 При перемещении наконечником порций од- ного материала, находящегося со стороны набе- гания инструмента, к другому материалу, который располагается со стороны отхода инструмента, в замкнутом пространстве при избыточном дав- лении происходит их частичное перемешивание. Этот процесс можно интенсифицировать при ис- пользовании наконечников с разветвленной, а не гладкой боковой поверхностью. Так, с помощью наконечника, имеющего на боковой поверхности обычную резьбовую нарезку, обеспечивается фор- мирование слоистой структуры шва со стороны отхода инструмента в зоне сплавления его с ос- новным материалом (рис. 6). Однако характер формирования и внешний вид лицевой поверхности шва существенно не зави- сят от геометрии боковой поверхности наконечника инструмента. Влияние геометрических размеров и формы, а особенно нарезок и разветв- лений на боковой поверхности наконеч- ника инструмента усиливается при уве- личении толщины свариваемого мате- риала. Проведенные исследования по- казали, что использование инструмента с гладкой боковой поверхностью нако- нечника в виде усеченного конуса поз- воляет получить качественные швы при СТП материалов толщиной около 3 мм (рис. 7). Так, при СТП даже очень плас- тичных материалов в центральной части стыка ближе к корню шва нередко об- разуется дефект в виде полости. Ста- бильность формирования лицевой поверхности шва при этом также ухудшается, на ней возникают надрывы, и, как следствие, имеет место недос- таточное уплотнение материала под рабочей по- верхностью бурта. Между образующимися на по- верхности стыка слоями, существенно отлича- ющимися как по толщине, так и по высоте, от- сутствует плавный переход, что свидетельствует о периодическом нарушении непрерывности пе- ремещения потока соединяемых материалов. Наличие нарезок и разветвлений на боковой поверхности наконечника инструмента может оказать существенное влияние на процесс фор- мирования шва вследствие изменения направле- Рис. 6. Внешний вид поперечных сечений (а, б) и лицевых поверхностей (в, г) швов, полученных СТП с использованием инс- трумента с наконечником, имеющим глад- кую боковую поверхность (а, в) и резь- бовую нарезку (б, г) Рис. 7. Внешний вид поперечных сечений (а, б) и лицевых поверхностей (в, г) швов, полученных СТП с использованием инс- трументов с гладкой боковой поверх- ностью наконечника в виде усеченного конуса длиной 2,9 (а, в) и 3,2 (б, г) мм Рис. 8. Внешний вид поперечных сечений швов с характерными дефектами, образуемыми вследствие недостаточного прижатия бурта к свариваемым поверхностям при вращении инструмента с наконечниками цилиндричес- кой формы, имеющими нарезку в виде метрической резьбы по часовой стрелке (а) и в противоположном направлении (б) 6/2011 21 ния и траектории перемещения материала в зоне соединения. При этом, безусловно, ориентация на- резки на наконечнике инструмента взаимосвязана с направлением вращения инструмента. Так, ис- пользование одного и того же инструмента с на- конечником цилиндрической формы, имеющим нарезку в виде метрической резьбы, в случае не- достаточного прижатия бурта к свариваемым по- верхностям может привести к образованию дефектов на различных участках шва (рис. 8). При вращении инструмента материал, находящийся в зоне стыка, перемещается резьбовой нарезкой из нижней его части в верхнюю, что приводит к об- разованию несплошностей в корне шва. При из- менении направления вращения инструмента происходит движение материала вдоль нарезки на боковой поверхности наконечника инструмен- та в глубь стыка, вследствие чего в его корневой части формируется плотный шов, а вблизи тор- цевой поверхности бурта появляется полость. Выводы 1. Изучение особенностей массопереноса в зоне тер- модинамического воздействия при моделировании процесса СТП позволило установить, что форми- рование неразъемного соединения происходит вследствие переноса наконечником инструмента определенного объема пластичного материала со свариваемой кромки со стороны набегания инстру- мента к пластифицированному материалу, распо- ложенному на противоположной кромке, их сме- шивания и перемещения под давлением в прост- ранстве, которое освобождается позади наконечни- ка при его движении вдоль стыка. 2. Конструктивные особенности наконечников инструментов обусловливают траекторию движе- ния пластичного материала в зоне образования неразъемного соединения. Для обеспечения ка- чественного формирования швов при увеличении толщины соединяемых кромок свыше 3 мм це- лесообразно применять инструменты с наконеч- никами, имеющими разветвленную боковую по- верхность, что обеспечивает интенсивное пере- мешивание материалов по всей толщине стыка. 3. Конфигурация рабочей поверхности бурта инструмента оказывает влияние на характер пе- ремешивания соединяемых материалов только на лицевой поверхности шва и определяет степень уплотнения пластичного материала позади нако- нечника инструмента. Так, наличие на рабочей поверхности бурта конической или полусферичес- кой канавки способствует равномерному непре- рывному перемещению пластичного материала и формированию практически гладкой поверхности шва с едва различимыми по толщине чешуйками, наличие которых свидетельствует о чередовании слоев соединяемых материалов. 1. Dawes C. J., Thomas W. M. Friction stir process welds alu- minum alloys // Welding J. — 1996. — № 3. — P. 41–45. 2. Arbegast W. J. Friction stir welding after a decade of deve- lopment // Ibid. — 2006. — № 3. — P. 28–35. 3. Kallee S., Nicholas D. Causing a stir in the future // Welding and Joining. — 1998. — № 2. — P. 18–21. 4. Johnsen M. R. Friction stir welding takes off at boeing // Welding J. — 1999. — № 2. — P. 35–39. 5. Okamura H., Aota K., Ezumi M. Friction stir welding of alu- minum alloy and application to structure // J. of Japan Insti- tute of Light Metals. — 2000. — № 4. — P. 166–172. 6. Pietras A., Zadroga L., Lomozik M. Characteristics of welds formed by pressure welding incorporating stirring of the weld material (FSW) // Welding Intern. — 2004. — № 1. — P. 5–10. 7. Colligan K. Material flow behavior during friction stir wel- ding of aluminum // Welding J. — 1999. — № 7. — P. 229– 237. 8. Experimental methods for determining material flow in fric- tion stir welds / B. London, M. Mahoney, W. Bingel et al. // 3rd Intern. symp. on friction stir welding, Kobe, Japan, Sept. 27–28, 2001. — Kobe, 2001. — P. 1–7. 9. Dickerson T., Shercliff H., Schmidt H. A weld marker techni- que for flow visualization in friction stir welding // 4th In- tern. symp. on friction stir welding, Utah, USA, May, 2003. — P. 1–12. 10. Colegrove P. A., Shercliff H. R. Development of trivex fricti- on stir welding tool. Pt 1: Two-dimensional flow modeling and experimental validation // Sci. and Techn. of Welding and Joining. — 2004. — № 4. — P. 345–351. 11. Shibayanagi T. Microstructural aspects in friction stir wel- ding // J. of Japan Institute of Light Metals. — 2007. — № 9. — P. 416–423. 12. Solid state welding between CPTi and AZ31B magnesium alloy using a rotating probe with thread / H. Tanabe, T. Wa- tanabe, R. Yoshida, A. Yanagisawa // Quarterly J. of the Japan Welding Society. — 2007. — № 2. — P. 386–393. Model of the process of friction stir welding was used to study the influence of structural dimensions of working surfaces of tool shoulder and tip on the features of materials mixing in the thermodynamic impact zone. It is shown that a permanent joint forms due to displacement of a certain amount of ductile material by the tool tip and its mixing across the entire thickness of edges. Shape of working surface of tool shoulder edge predetermines the displacement trajectory, movement speed, uniformity of mixing and degree of compaction of the materials being joined at solidification. Поступила в редакцию 01.02.2011 22 6/2011

Изучение особенностей массопереноса процесса сварки трением с перемешиванием с помощью физического моделирования

Репозитарії

Схожі ресурси