Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием
Исследовано влияние материала подкладки, скорости сварки и диаметра бурта инструмента на изменение характера распределения температур в поперечном сечении сварных соединений. Установлено, что образование неразъемных соединений при сварке трением с перемешиванием происходит при температуре не выше...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Назва видання: | Автоматическая сварка |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102878 |
| 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: | Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-102878 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1028782016-06-14T03:03:48Z Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием Покляцкий, А.Г. Научно-технический раздел Исследовано влияние материала подкладки, скорости сварки и диаметра бурта инструмента на изменение характера распределения температур в поперечном сечении сварных соединений. Установлено, что образование неразъемных соединений при сварке трением с перемешиванием происходит при температуре не выше 450 °С. Influence of backing material, welding speed and diameter of tool shoulder on the change of the nature of temperature distribution in welded joint cross-section was studied. It is established that formation of permanent joints in friction stir welding takes place at the temperature not higher than 450 C. 2011 Article Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0005-111X http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102878 621.791.14.01. 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. Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием Автоматическая сварка |
| description |
Исследовано влияние материала подкладки, скорости сварки и диаметра бурта инструмента на изменение характера
распределения температур в поперечном сечении сварных соединений. Установлено, что образование неразъемных
соединений при сварке трением с перемешиванием происходит при температуре не выше 450 °С. |
| format |
Article |
| author |
Покляцкий, А.Г. |
| author_facet |
Покляцкий, А.Г. |
| author_sort |
Покляцкий, А.Г. |
| title |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием |
| title_short |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием |
| title_full |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием |
| title_fullStr |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием |
| title_full_unstemmed |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием |
| title_sort |
особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве амг5м при сварке трением с перемешиванием |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Научно-технический раздел |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/102878 |
| citation_txt |
Особенности распределения температур в тонколистовом алюминиевом сплаве АМг5М при сварке трением с перемешиванием / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 8 (700). — С. 48-51. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Автоматическая сварка |
| work_keys_str_mv |
AT poklâckijag osobennostiraspredeleniâtemperaturvtonkolistovomalûminievomsplaveamg5mprisvarketreniemsperemešivaniem |
| first_indexed |
2025-07-07T12:59:03Z |
| last_indexed |
2025-07-07T12:59:03Z |
| _version_ |
1836993107288129536 |
| fulltext |
УДК 621.791.14.01
ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУР
В ТОНКОЛИСТОВОМ АЛЮМИНИЕВОМ СПЛАВЕ АМг5М
ПРИ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Исследовано влияние материала подкладки, скорости сварки и диаметра бурта инструмента на изменение характера
распределения температур в поперечном сечении сварных соединений. Установлено, что образование неразъемных
соединений при сварке трением с перемешиванием происходит при температуре не выше 450 °С.
К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием,
алюминиевый сплав АМг5М, тонкий лист, стыковые соеди-
нения, термический цикл, распределение температур
При сварке трением с перемешиванием (СТП) ин-
тенсивно происходят процессы деформирования
и перемещения по сложной траектории нагретого
до пластического состояния материала, механи-
ческого измельчения его составляющих, рекрис-
таллизации зерен, диффузии частиц и интенсив-
ного перемещения дислокаций, в результате чего
образуется неразъемное соединение в твердой фа-
зе без расплавления основного материала. Эффек-
тивность протекания этих процессов в значитель-
ной степени зависит от тепловыделения в местах
контакта трущихся рабочих поверхностей инстру-
мента со свариваемым металлом.
На распределение температурных полей в зоне
соединения существенное влияние оказывают
теплофизические характеристики свариваемых
сплавов и параметры процесса сварки. Однако
анализ результатов экспериментальных исследо-
ваний и теоретических расчетов, приведенных в
зарубежных источниках, показывает, что в боль-
шинстве случаев при сварке алюминиевых спла-
вов средних толщин формирование неразъемных
соединений происходит при максимальной тем-
пературе нагрева металла не выше 500 °С, что
составляет около 70…80 % температуры плавле-
ния этих материалов [1–5]. При этом металл в
зоне сварки находится при повышенной темпе-
ратуре очень кратковременно, благодаря чему сте-
пень разупрочнения и снижение его физико-ме-
ханических характеристик значительно меньше,
чем при сварке плавлением [6–9].
При сварке тонколистовых заготовок возни-
кают определенные особенности, обусловленные
изменением характера теплоотвода как в подк-
ладку, на которой происходит формирование не-
разъемного соединения, так и в продольном и по-
перечном направлении основного материала. Кро-
ме того, при вращательно-поступательном дви-
жении рабочего инструмента в зонах контакта его
рабочих поверхностей со свариваемым сплавом
возникают различные термодеформационные ус-
ловия как со стороны набегания инструмента (где
направления векторов его вращения и линейного
перемещения совпадают), так и отхода инструмен-
та, где они имеют противоположные направления.
Цель данной работы — исследование особен-
ностей распределения температур в стыковых со-
единениях тонколистового алюминиевого сплава
АМг5М, выполненных СТП.
Для проведения экспериментальных исследо-
ваний использовали широко применяемый при из-
готовлении различных сварных конструкций алю-
миниевый сплав АМг5М. СТП листов толщиной
2,8 мм осуществляли на сконструированной в
ИЭС им. Е. О. Патона лабораторной установке. Для
получения стыковых соединений использовали спе-
циальные инструменты с диаметром бурта 12 и
14 мм и коническим наконечником. Скорость вра-
щения инструмента составляла 2880 об/мин, а ли-
нейная скорость его перемещения вдоль стыка —
8…20 м/ч. Для сравнения термических циклов
листы из сплава АМг5М сваривали автоматичес-
кой аргонодуговой сваркой неплавящимся элек-
тродом (АДСНЭ) на установке MW-450 («Froni-
us», Австрия) со скоростью 10 м/ч на токе 160 А
с использованием в качестве присадки сварочной
проволоки СвАМг5.
Температуру металла в различных зонах свар-
ных соединений измеряли с помощью хромель-
алюмелевых термопар диаметром 0,1 мм. Резуль-
таты измерений в процессе сварки записывали на
компьютер с помощью модуля аналогового ввода
I-7018P фирмы ICP DAS, используя программу
EZ Data Logger v431. Модуль подключали к
компьютеру с помощью дополнительного преоб-
разователя сигнала EX 9530 с программным обес-
печением DCON Utility v5.1.8.
Анализ полученных результатов показывает,
что характер изменения температуры сваривае-
мого материала обусловлен специфическими ус-
© А. Г. Покляцкий, 2011
48 8/2011
ловиями формирования неразъемного соединения
в твердой фазе. На начальной стадии процесса
СТП, когда вращающийся наконечник инструмен-
та постепенно заглубляется встык, происходит
незначительное увеличение количества тепла, вы-
деляемого в результате трения (рис. 1). При даль-
нейшем погружении рабочего инструмента, когда
возникает контакт между торцевой поверхностью
его бурта и свариваемым материалом (на седьмой
секунде), температура нагрева последнего начи-
нает резко повышаться. Это происходит до тех
пор, пока бурт инструмента не проникнет в сва-
риваемый металл примерно на 0,1 мм, когда меж-
ду подкладкой и рабочими поверхностями инс-
трумента образуется замкнутое пространство,
внутри которого пластифицированный материал,
находясь под высоким давлением, перемещается
по кругу вращающимся инструментом и образует
точечный шов.
Когда, кроме вращательного движения, инс-
трумент начинает осуществлять поступательное
перемещение вдоль стыка для получения линей-
ного шва, то впереди со стороны набегания ин-
струмента образуется зона избыточного давления,
из которой его рабочие поверхности вытесняют
препятствующий их движению нагретый до плас-
тического состояния материал. Этот материал
благодаря поступательно-вращательному движе-
нию инструмента постоянно перемещается в зону,
освобождающуюся позади него. Но по пути туда
он под высоким давлением проталкивается возле
инструмента со стороны его отхода, где уже име-
ется пластифицированный материал, нагретый до
такой же температуры. По-видимому, при возни-
кающем трении между этими объемами материала
происходит незначительное дополнительное теп-
ловыделение, в результате чего температура ме-
талла в зоне формирования неразъемного соеди-
нения всегда со стороны отхода инструмента на
10…15 °С выше, чем со стороны его набегания
(рис. 2).
Нагрев свариваемого материала до максималь-
ных температур происходит вокруг наконечника
инструмента у его основания в зоне примыкания
к рабочей поверхности бурта. Однако при сварке
тонколистовых материалов наконечник инстру-
мента очень короткий. Поэтому значительное ко-
личество тепла, выделяемое вследствие трения,
распространяется в подкладку, на которой фор-
мируется неразъемное соединение. Следователь-
но, одним из эффективных способов повышения
температуры металла в зоне сварки является ис-
пользование подкладок, изготовленных из мате-
риалов с низкой теплопроводностью.
В ходе проведенных экспериментальных ис-
следований установлено, что при использовании
асбоцементной подкладки взамен стальной при
СТП сплава АМг5М толщиной 2,8 мм темпера-
тура металла у края бурта инструмента при тех
же параметрах режима повышается примерно на
20 %. Так, со стороны набегания инструмента сва-
риваемый металл нагревается до 450, а со стороны
его отхода — до 470 °С.
Измерения температур на различном удалении
от оси шва со стороны отхода инструмента поз-
волили установить закономерности распростране-
ния теплового поля при сварке в твердой фазе
стыковых соединений тонколистовых материалов
из алюминиевых сплавов. Полученные результаты
свидетельствуют о том, что при СТП сплава
АМг5М со скоростью 8 м/ч на расстоянии 6 мм
от оси шва металл нагревается до температуры
390 °С (рис. 3, а). При этом максимальное зна-
чение температуры достигается не в тот момент,
когда инструмент располагается напротив термо-
пары, а после перемещения его дальше примерно
на 2 мм. На расстоянии 11 мм от оси шва мак-
симальная температура нагрева металла (250 °С)
достигается при смещении источника нагрева от
термопары почти на 7 мм. С увеличением рас-
стояния от оси шва до 21 мм максимальная тем-
пература нагрева металла снижается до 160 °С
при удалении источника нагрева на 15 мм от тер-
мопары. При дальнейшем увеличении расстояния
от оси шва до 31 и 40 мм максимальная темпе-
Рис. 1. Распределение температуры нагрева сплава АМг5М
на расстоянии 6 мм от центра шва при погружении рабочего
инструмента процесса СТП с диаметром бурта 12 мм и нако-
нечником конической формы (vсв = 8 м/ч)
Рис. 2. Температурные точки металла в соединении СТП
сплава АМг5М со скоростью 8 м/ч
8/2011 49
ратура металла снижается соответственно до 110
и 80 °С. Полученные кривые свидетельствуют о
быстром распространении тепла в поперечном и
продольном направлениях от оси шва при СТП
тонколистовых заготовок из алюминиевого сплава
АМг5М, имеющего большую теплопроводность.
При этом части кривых, соответствующие про-
цессам нагрева и охлаждения металла, имеют не-
симметричный характер. Так, термопара, распо-
ложенная у края бурта, показывает, что если ин-
струмент находится на расстоянии 5 мм до нее,
то металл в этой зоне нагревается приблизительно
до температуры 270 °С, а после перемещения ин-
струмента на такое же расстояние за термопару
температура металла находится на уровне 380 °С,
т. е. охлаждение металла после сварки происходит
медленнее, чем его нагрев. Однако общее время
пребывания металла в процессе сварки при тем-
пературах выше 200 °С не превышает 15 с.
Увеличение скорости линейного перемещения
инструмента вдоль стыка оказывает существенное
влияние на температуру нагрева металла в зоне
сварки. Так, повышение скорости сварки с 8 до
20 м/ч приводит к снижению температуры сплава
АМг5М у края бурта со стороны отхода инстру-
мента с 390 до 350 °С (рис. 3, б). При этом мак-
симальное значение температуры металла в этой
точке достигается при удалении инструмента от
термопары дальше 4 мм. При смещении инстру-
мента за термопару почти на 10 мм на расстоянии
от оси шва 11 мм максимальная температура наг-
рева металла при скорости сварки 20 м/ч состав-
ляет около 220 °С. С увеличением расстояния от
оси шва до 21, 31 и 40 мм максимальный уровень
температуры нагрева металла снижается до 140,
90 и 65 °С соответственно. Однако анализ полу-
ченных сварных соединений показал, что при тем-
пературе нагрева сплава АМг5М, которая дости-
гается при скорости сварки 20 м/ч, не обеспечи-
вается достаточная пластичность материала в зоне
образования неразъемного соединения, вследс-
твие чего в швах возникают внутренние дефекты.
Одним из способов повышения количества вы-
деляемого в зоне сварки тепла может быть уве-
личение диаметра бурта инструмента [10], что
позволяет увеличить площадь его торцевой по-
верхности, контактирующей со свариваемым ма-
териалом. В ходе проведенных эксперименталь-
ных исследований установлено, что при постоян-
ной скорости сварки 8 м/ч использование инс-
трумента с диаметром бурта 14 мм позволяет по-
высить температуру нагрева металла у основания
наконечника со стороны отхода инструмента до
470 °С. При этом пропорциональное повышение
температуры металла наблюдается и в остальных
характерных зонах вокруг рабочих поверхностей
инструмента. Так, при диаметре бурта 14 мм у
его края со стороны отхода инструмента металл
нагревается до температуры 410 °С, что на 20 °С
выше, чем у края бурта диаметром 12 мм. По-
вышение температуры металла в зоне образования
неразъемного соединения приводит к незначи-
тельному снижению скорости его охлаждения и
увеличению времени пребывания при повышен-
ных температурах.
Сравнительный анализ распределения темпе-
ратуры в поперечном (рис. 4) и продольном
(рис. 5) направлениях стыковых соединений
сплава АМг5М свидетельствует о существенном
различии степени нагрева металла при АДСНЭ
и СТП. При АДСНЭ в зоне образования неразъем-
ного соединения происходит полное расплавление
металла. На расстоянии 2 мм от оси шва темпе-
ратура металла находится на уровне 1000 °С, а
вблизи зоны сплавления шва с основным мате-
риалом на расстоянии около 5 мм от оси шва
она приближается к 638 °С — температуре, при
которой только начинается кристаллизация спла-
ва АМг5М. Кроме того, нагрев металла до вы-
соких температур при сварке плавлением обус-
ловливает и более широкую зону термического
влияния. Так, до температур свыше 200 °С сва-
риваемый металл нагревается на расстоянии
19 мм от оси шва, тогда как при СТП в твердой
фазе максимальная температура нагрева металла
Рис. 3. Распределение температуры при СТП стыкового сое-
динения сплава АМг5М со скоростью 8 (а) и 20 м/ч (б) при
различном удалении от оси шва: 6 (1); 11 (2); 21 (3); 31 (4);
40 (5) мм
50 8/2011
в зоне образования неразъемного соединения не
превышает 450 °С, а на расстоянии 5 мм от оси
шва она находится на уровне 410 °С. При этом
нагрев металла до температур свыше 200 °С про-
исходит только на расстоянии 14 мм от оси шва.
В процессе остывания металла при удалении
источника нагрева от места сварки происходит
постепенное снижение его температуры. Поэтому
при АДСНЭ металл в зоне сплавления шва с ос-
новным материалом имеет температуру на 150 °С
выше, чем при СТП даже при перемещении ис-
точника нагрева от этого места на 30 мм. И если
при СТП в твердой фазе температура металла на
расстоянии 5 мм от оси шва снижается ниже
200 °С при удалении источника нагрева на 35 мм,
то при АДСНЭ плавлением — на 75 мм. Сле-
довательно, максимальная температура нагрева
металла в зоне образования неразъемного соеди-
нения и общее время пребывания основного сва-
риваемого материала при высоких температурах
сокращаются, в результате чего уменьшается ве-
роятность протекания необратимых физико-хими-
ческих процессов, приводящих к существенному
снижению механических свойств сварных соеди-
нений и вызывающих их деформацию.
В заключение следует отметить, что качест-
венное формирование швов при СТП стыковых
соединений алюминиевого сплава АМг5М толщи-
ной 2,8 мм обеспечивается при нагреве металла
в зоне сварки до 450 °С, что составляет 79 %
температуры начала его плавления. При этом на
расстоянии 5 мм от оси шва металл нагревается
всего лишь до температуры 410 °С, тогда как при
АДСНЭ он в этой зоне еще находится в расп-
лавленном состоянии при температуре начала
кристаллизации 638 °С. Снижение максимальной
температуры нагрева зоны сварки и сокращение
времени пребывания свариваемого материала при
повышенных температурах окажет положитель-
ное влияние на свойства сварных соединений, по-
лученных СТП.
1. Analysis of friction stir welds using thermocouple measure-
ments / S. G. Lambrakos, R. W. Fonda, J. O. Milewski, J. E.
Mitchell // Sci. and Techn. of Welding and Joining. — 2003.
— № 5. — P. 385–390.
2. Microstructural modeling in friction stir welding of 2000 se-
ries aluminium alloys / H. Shercliff, M. Russell, A. Taylor,
T. Dickerson // Mecanique and Industries. — 2005. — № 6.
— P. 25–35.
3. Temperature analysis in friction stir welding of
ADC12/5052 dissimilar aluminium alloys / M. Kokubo, Y.
Takayama, S. Kazui et al. // J. of Japan Institute of Light
Metals. — 2007. — № 11. — P. 511–517.
4. Colegrove P. A., Shercliff H. R. Experimental and numerical
analysis of aluminium alloy 7075—T7351 friction stir welds
// Sci. and Techn. of Welding and Joining. — 2003. — № 5.
— P. 360–368.
5. Khandkar M. H., Khan J. A., Reynolds A. P. Prediction of
temperature distribution and thermal history during friction
stir welding: input torque based model // Ibid. — 2003. —
№ 3. — P. 165–174.
6. Cederqvist L., Reynolds A. P. Factors affecting the properties
of friction stir welding aluminum lap joints // Welding J. —
2001. — № 12. — P. 281–287.
7. Effect of welding parameters on nugget zone microstructure
and properties in high strength aluminium alloy friction stir
welds / A. A. Hassan, P. B. Prangnell, A. F. Norman et al. //
Sci. and Techn. of Welding and Joining. — 2003. — № 4.
— P. 257–268.
8. Sato Y. Relationship between mechanical properties and
microstructure in friction stir welded Al alloys // J. of the
Japan Welding Society. — 2002. — № 8. — P. 33–36.
9. Chao Y., Wang Y., Miller K. Effect of friction stir welding on
dynamic properties of AA2024-T3 and AA7075-T7351 //
Welding J. — 2001. — № 8. — P. 196–200.
10. Okamura H. Point of application for FSW // Welding Techn.
— 2003. — № 15. — P. 60–69.
Influence of backing material, welding speed and diameter of tool shoulder on the change of the nature of temperature
distribution in welded joint cross-section was studied. It is established that formation of permanent joints in friction stir
welding takes place at the temperature not higher than 450 C.
Поступила в редакцию 18.04.2011
Рис. 4. Распределение температуры в поперечном направ-
лении стыковых соединений сплава АМг5М, полученных
СТП (1) и АДСНЭ (2)
Рис. 5. Распределение температуры в продольном направ-
лении на расстоянии 5 мм от оси шва при СТП (1) и АДСНЭ
(2) стыковых соединений сплава АМг5М
8/2011 51
|