Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения
Приведены результаты исследования структуры и свойств сварных соединений медных пластин, полученных внахлест сваркой трением с перемешиванием (СТП). Соединяли пластины из чистой меди (М0) разной толщины: верхние - 2,5...5 мм, нижние - 16...22 мм. При СТП меди в результате пластической деформации мет...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2015
|
| Назва видання: | Современная электрометаллургия |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115499 |
| 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: | Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, М.А. Полещук, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 44-49. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-115499 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1154992017-04-07T03:02:29Z Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Полещук, М.А. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Энергоресурсосбережение Приведены результаты исследования структуры и свойств сварных соединений медных пластин, полученных внахлест сваркой трением с перемешиванием (СТП). Соединяли пластины из чистой меди (М0) разной толщины: верхние - 2,5...5 мм, нижние - 16...22 мм. При СТП меди в результате пластической деформации металла, нагретого до температуры рекристаллизации, получены качественные сварные соединения без трещин и подрезов между основным металлом и металлом шва, а также пор в зоне соединения. Путем накладывания швов на определенном расстоянии друг от друга можно получить сплошное приваривание более тонкой верхней к массивной нижней пластине (по типу наплавки) с перекрытием зон перекристаллизации при минимальном нагреве и короблении деталей. В процессе деформации и перемешивания металла в твердой фазе создается более плотная микроструктура металла зоны соединения по сравнению с основным материалом. Микротвердость металла швов сопоставима с микротвердостью основного металла, а иногда бывает даже выше за счет измельчения зерна и деформации структуры. Так, при скоростях перемещения 110 мм/мин и вращения инструмента 1400 об/мин образовалось сварное соединение, практически равнопрочное с основным металлом. Проведенные исследования позволяют рекомендовать способ СТП для приварки внахлест медного листа к медной плите кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с целью восстановления его первоначальных размеров. Given are the results of investigation of structure and properties of welded joints of copper plates, produced by overlap friction stir welding ( FSW). The plates of pure copper (M0) of different thickness were joined: upper ones were 2.5...5.0 mm. lower ones – 16...32 mm. In FSW of copper, as a result of plastic deformation of metal, heated up to the temperature of recrystallization, the quality welded joints were produced without cracks and undercuts between the base metal and weld metal, as well as pores in the joining zone. By laying out of welds at a definite distance from one another it is possible to produce the full welding-on of thinner upper to massive lower plate (similar to surfacing) with overlapping the zones of recrystallization at minimum heating and distortion of parts. During the process of deformation and stirring of metal in solid state the more dense microstructure of metal of joining zone is created as compared with the base metal. Microhardness of metal of welds is comparable with hardness of base metal, and sometimes being higher due to refining of grain and deformation of structure. Thus, at rates of displacement 110 mm/min and tool rotation 1400 rpm the welded joint was formed almost equal by strength to the base metal. The carried out investigations can recommend the FSW method for overlap welding of copper sheet to copper plate of moulds of the machines for continuous casting of billets to restore their initial sizes. 2015 Article Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, М.А. Полещук, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 44-49. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 0233-7681 DOI: doi.org/10.15407/sem2015.01.07 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115499 669.187.2 ru Современная электрометаллургия 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 |
Энергоресурсосбережение Энергоресурсосбережение |
| spellingShingle |
Энергоресурсосбережение Энергоресурсосбережение Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Полещук, М.А. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения Современная электрометаллургия |
| description |
Приведены результаты исследования структуры и свойств сварных соединений медных пластин, полученных внахлест сваркой трением с перемешиванием (СТП). Соединяли пластины из чистой меди (М0) разной толщины: верхние - 2,5...5 мм, нижние - 16...22 мм. При СТП меди в результате пластической деформации металла, нагретого до температуры рекристаллизации, получены качественные сварные соединения без трещин и подрезов между основным металлом и металлом шва, а также пор в зоне соединения. Путем накладывания швов на определенном расстоянии друг от друга можно получить сплошное приваривание более тонкой верхней к массивной нижней пластине (по типу наплавки) с перекрытием зон перекристаллизации при минимальном нагреве и короблении деталей. В процессе деформации и перемешивания металла в твердой фазе создается более плотная микроструктура металла зоны соединения по сравнению с основным материалом. Микротвердость металла швов сопоставима с микротвердостью основного металла, а иногда бывает даже выше за счет измельчения зерна и деформации структуры. Так, при скоростях перемещения 110 мм/мин и вращения инструмента 1400 об/мин образовалось сварное соединение, практически равнопрочное с основным металлом. Проведенные исследования позволяют рекомендовать способ СТП для приварки внахлест медного листа к медной плите кристаллизатора машин непрерывного литья заготовок с целью восстановления его первоначальных размеров. |
| format |
Article |
| author |
Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Полещук, М.А. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. |
| author_facet |
Григоренко, Г.М. Адеева, Л.И. Туник, А.Ю. Полещук, М.А. Зеленин, В.И. Зеленин, Е.В. |
| author_sort |
Григоренко, Г.М. |
| title |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения |
| title_short |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения |
| title_full |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения |
| title_fullStr |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения |
| title_full_unstemmed |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения |
| title_sort |
восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов мнлз. структура и свойства металла в зоне соединения |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Энергоресурсосбережение |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/115499 |
| citation_txt |
Восстановительный ремонт слябовых медных кристаллизаторов МНЛЗ. Структура и свойства металла в зоне соединения / Г.М. Григоренко, Л.И. Адеева, А.Ю. Туник, М.А. Полещук, В.И. Зеленин, Е.В. Зеленин // Современная электрометаллургия. — 2015. — № 1 (118). — С. 44-49. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. |
| series |
Современная электрометаллургия |
| work_keys_str_mv |
AT grigorenkogm vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ AT adeevali vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ AT tunikaû vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ AT poleŝukma vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ AT zeleninvi vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ AT zeleninev vosstanovitelʹnyjremontslâbovyhmednyhkristallizatorovmnlzstrukturaisvojstvametallavzonesoedineniâ |
| first_indexed |
2025-07-08T08:55:12Z |
| last_indexed |
2025-07-08T08:55:12Z |
| _version_ |
1837068360809971712 |
| fulltext |
УДК. 669.187.2
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ РЕМОНТ
СЛЯБОВЫХ МЕДНЫХ КРИСТАЛЛИЗАТОРОВ МНЛЗ.
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛА
В ЗОНЕ СОЕДИНЕНИЯ
Г. М. Григоренко, Л. И. Адеева, А. Ю. Туник, М. А. Полещук,
В. И. Зеленин, Е. В. Зеленин
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев-150, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Приведены результаты исследования структуры и свойств сварных соединений медных пластин, полученных внах-
лест сваркой трением с перемешиванием (СТП). Соединяли пластины из чистой меди (М0) разной толщины:
верхние – 2,5...5 мм, нижние – 16...22 мм. При СТП меди в результате пластической деформации металла,
нагретого до температуры рекристаллизации, получены качественные сварные соединения без трещин и подрезов
между основным металлом и металлом шва, а также пор в зоне соединения. Путем накладывания швов на опреде-
ленном расстоянии друг от друга можно получить сплошное приваривание более тонкой верхней к массивной нижней
пластине (по типу наплавки) с перекрытием зон перекристаллизации при минимальном нагреве и короблении
деталей. В процессе деформации и перемешивания металла в твердой фазе создается более плотная микроструктура
металла зоны соединения по сравнению с основным материалом. Микротвердость металла швов сопоставима с
микротвердостью основного металла, а иногда бывает даже выше за счет измельчения зерна и деформации структуры.
Так, при скоростях перемещения 110 мм/мин и вращения инструмента 1400 об/мин образовалось сварное
соединение, практически равнопрочное с основным металлом. Проведенные исследования позволяют рекомендовать
способ СТП для приварки внахлест медного листа к медной плите кристаллизатора машин непрерывного литья
заготовок с целью восстановления его первоначальных размеров. Библиогр. 18, табл. 1, ил. 8.
Ключ е вы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием; рабочий инструмент; режимы сварки; механическое
перемешивание; структура; микротвердость; рентгеноструктурный анализ
Критерием эффективности работы кристаллизато-
ров машин непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)
на металлургических заводах является срок службы
охлаждемых медных плит, формирующих прямо-
угольную полость, в которой происходит затверде-
вание металла заготовки. Применяются преимущес-
твенно медные плиты марки МСр (содержание се-
ребра 0,08...0,12 %), стойкость которых не превы-
шает 100 плавок. В последние годы интенсивно
внедряются плиты с покрытиями из никеля, Ni —Co,
керамики и других материалов. Применение защит-
ных покрытий в несколько раз повышает стоимость
кристаллизаторов, однако снижает потери меди,
расходы на переналадку кристаллизаторов, уве-
личивает их стойкость до 1000 плавок [1—4].
Несмотря на значительные успехи в продлении
срока службы медных плит с покрытиями проблемы
их ремонта остаются актуальными, а создание тех-
нологий восстановления слябовых кристаллизато-
ров МНЛЗ является важным направлением в ме-
таллургии.
Для ремонта медных плит применяются различ-
ные способы (газовая, дуговая, контактная сварка,
высоко- и низкотемпературная пайка). Однако по-
лучить качественное соединение с помощью тради-
ционных способов сварки плавлением довольно
трудно, поскольку медь отличается высокой теп-
лопроводностью – примерно 400 Вт/(м⋅К). При
традиционной сварке плавлением из-за высокой теп-
лопроводности меди требуется большее тепловло-
жение, что может приводить к окислению и короб-
лению медных пластин. Кроме того, после сварки в
металле шва и зоны влияния образуется крупное зер-
но, что вызывает резкое снижение прочности.
Для разрешения указанной проблемы перспек-
тивным представляется использование нового сва-
рочного процесса – сварки трением с перемешива-
© Г. М. ГРИГОРЕНКО, Л. И. АДЕЕВА, А. Ю. ТУНИК, М. А. ПОЛЕЩУК, В. И. ЗЕЛЕНИН, Е. В. ЗЕЛЕНИН, 2015
44
нием (СТП) [5]. Физическая сущность способа
СТП заключается в нагреве деталей путем непосред-
ственного преобразования механической энергии в
теплоту в результате работы сил трения. В процессе
сварки металл не расплавляется, соединение фор-
мируется из металла в пластичном состоянии. Бла-
годаря этой особенности достигается ряд существен-
ных преимуществ, основное из которых заключается
в получении соединения при пониженном тепловло-
жении. Данная технология хорошо развита и успешно
используется для алюминия и его сплавов [6, 7]. Изу-
чаются возможности ее применения для сталей, тита-
новых и магниевых сплавов и т. д. [8—11].
Процесс СТП меди исследовали многие авторы
[12—16], однако он еще не достаточно хорошо раз-
работан. Поскольку температура плавления и теп-
лопроводность у меди намного выше, чем у алюми-
ния, а сварка проходит при значительно большем
тепловложении, следует использовать инструмент,
устойчивый против высоких температур.
Цель настоящей работы заключалась в получе-
нии СТП соединений медных пластин внахлест, ус-
тановлении взаимосвязи между структурными из-
менениями, микротвердостью образцов и режима-
ми, при которых выполняли сварку.
В качестве исходных материалов применяли
пластины из чистой меди (М0) разной толщины:
верхние – 2,5...5,0, нижние 16...22 мм. Пластины
соединяли путем наложения однопроходных швов
на определенном расстоянии друг от друга. Для оп-
ределения оптимальных режимов для СТП чистой
меди сварку выполняли при различных скоростях
передвижения инструмента и расстояниях между
швами. Установка для СТП, рабочий инструмент и
схема процесса приведены на рис. 1.
Сварку выполняли торцом вращающегося ин-
струмента (рис 1, б, в), имеющего выступающий
стержень (пин), который, проникая сквозь верх-
нюю пластину при перемещении, смешивает металл
обеих пластин, образуя шов [12]. Материал инстру-
мента подбирали жаростойким и жаропрочным, что
позволило вести процесс при температурах до
900 °С. В этом температурном интервале медь пере-
ходит в пластичное состояние. Сам инструмент, осо-
бенно пин, подвергается высоким термомеханичес-
ким нагрузкам. На разогретый рабочий стержень
одновременно действуют вращающий момент и зна-
копеременные циклические изгибающие силы. Важ-
ным требованием к материалу инструмента при этих
температурах является достаточно высокая проч-
ность на изгиб.
Особое значение имеет и форма инструмента.
Наилучшие результаты обеспечивает использова-
ние пина конусной формы, поскольку в этом случае
изгибающие нагрузки передаются по касательной
на основное тело инструмента, что очень важно в
случае использования инструмента повышенной
хрупкости [4]. Для получения качественного соеди-
нения подбирались необходимые скорость враще-
ния и осевое давление на инструмент.
Для СТП меди с толщиной верхней приваривае-
мой пластины от 2,5 до 5,0 мм оптимальной явля-
лась боковая нагрузка 2⋅104 Н при осевой нагрузке
до 5⋅104 Н и оборотах примерно 1200 об/мин. Ско-
рость перемещения инструмента составляла
80 мм/мин, температура в зоне перемешивания
достигала 900 °С.
Металлографические исследования образцов
сварных соединений (полированных и после хими-
ческого травления в концентрированной 50%-й азот-
ной кислоте) осуществляли на оптическом микро-
скопе «Неофот-32», дюраметрический анализ – на
твердомере М-400 фирмы «Leco» при нагрузке
0,249 и 0,496 Н. Рентгеноструктурный фазовый
анализ выполняли на дифрактометре ДРОН-УМ1
в медном излучении CuKα.
Металлографические исследования структуры
поперечного сечения сварного соединения, получен-
ного при сварке двух медных пластин толщиной 5
и 22 мм, при однопроходном воздействии инстру-
мента показали, что соединение является плотным
без трещин и пустот. В соединении зафиксированы
зоны, представленные на рис. 2. Основной металл
(зона I) показан на рис. 2, б. Структура металла
привариваемой пластины (зона II) представляла со-
бой равноосные зерна размером 15...120 мкм с ред-
кими двойниками (рис. 2, в). Микротвердость основ-
ного и привариваемого металлов пластины составляла
соответственно (1145±60) и (1195±40) МПа.
Типичным для швов, полученных способом СТП
как встык, так и внахлест, является наличие ядра,
состоящего из овальных концентрических окруж-
ностей виде «годичных» колец. Образование ядра
связано с процессами перемешивания металла в
пластическом состоянии наконечником рабочего ин-
струмента. Сверху к ядру примыкает перекристал-
лизованный участок равноосного мелкого зерна
верхней пластины, вместе с ядром образующие шов
сварного соединения. В центре соединения находит-
Рис. 1. Общий вид установки (а), рабочий инструмент (б), схема процесса СТП (в): 1 – изделие; 2 – инструмент со специальным
профилем; 3 – заплечик
45
ся ядро диаметром около 9 мм (зона III) с харак-
терными концентрическими деформационными
кольцами (рис. 2, в). В зоне III происходит ди-
намическая рекристаллизация перемешиваемых ме-
таллов. Структура ее металла состоит из равноос-
ных зерен размером 5...30 мкм, микротвердость –
(1157±50) МПа. Вокруг ядра расположены зоны
термического (IV) и термомеханического влияния
(V) (рис. 2). В зоне IV произошла полная пере-
кристаллизация с образованием зерна такого же
размера, как и в ядре. Следы деформации устране-
ны в результате аккумуляции тепла в металле шва.
В зоне V металл нагревается и подвергается плас-
тической деформации. Протяженность этих зон –
соответственно 300...350 и 400 мкм (рис. 2, д). Мик-
ротвердость их составляет соответственно (1145±
±80) и (1170±30) МПа. На рис. 3 приведена струк-
тура металла этого же сварного соединения в про-
дольном сечении шлифа.
Исследование тепловых процессов при СТП ме-
ди показало [17], что температура вблизи инстру-
мента достигает максимальных значений (850 °С)
и удерживается очень короткое время. Температур-
ный интервал, определяющий ЗТВ, также сохраня-
ется в течение нескольких секунд. Деформация в
локальном объеме способствует образованию струк-
туры металла, существенно отличающейся от основ-
ного металла. Это приводит к возникновению на-
пряжений между отдельными элементами структу-
Рис. 2. Структура металла сварного соединения (поперечный разрез), полученного при СТП медных пластин: а – общий вид;
б – основной металл; в – металл верхней пластины; г – ядро соединения; д – зона термомеханического влияния; а – ×3;
б—д – ×100
Рис. 3. Структура металла сварного соединения (продольный разрез), полученного при СТП медных пластин: а – общий вид;
б – верхняя пластина; в, г – ядро соединения; д – ЗТВ и ЗТМВ; е – основной металл; а – ×3; б—д – ×100
46
ры (структурными напряжениями), т. е. напряже-
ниям второго рода.
Для измерения уровня этих напряжений приме-
няли способ рентгеновской дифрактометрии [18].
Исследовали металл шва сварного соединения, по-
лученного при СТП пластин меди одинаковой тол-
щины (по 5 мм). Для сравнения изучали исходную
медную пластину после термообработки (650 °С).
По рентгенограммам образцов основного металла
(рис. 4, а) и металла шва (рис. 4, б) определены
области когерентного рассеивания (ОКР) и напря-
жения второго рода в относительных единицах
(Δα/α). Область ОКР для основного металла сос-
тавляет 73 нм, что больше, чем для металла шва
(30 нм). Это свидетельствует о том, что металл шва
под воздействием термодеформационного цикла
имеет большее количество несовершенств кристал-
лической решетки и, следовательно, кристаллизу-
ется в более мелкозернистую структуру. Напряжен-
ное состояние в металле шва в относительных
единицах составляет 0,0008, в основном металле –
0,0003. Несмотря на то, что напряжения второго
рода в металле швов в 2,5 раза больше, чем в отож-
женном основном металле, по уровню эти напря-
жения незначительны. Еще одна существенная осо-
бенность СТП – данный способ сварки позволяет
накладывать последующий шов на каком угодно
расстоянии от предыдущего.
На рис. 5 представлены три сварных шва, про-
ложенных на расстоянии 21...25 мм друг от друга
без перекрывания зон приварки и ЗТВ (режимы
сварки аналогичны приведенным). При определен-
ных условиях можно получить сплошную приварку
одной пластины к другой по типу наплавки при
минимальном нагреве и короблении детали. Таким
образом, как показывают наши исследования и при-
веденные в работах [6, 9, 11—14], при правильно
подобранных режимах СТП статическая прочность
в испытаниях на растяжение и изгиб, относительное
удлинение, ударная вязкость, усталостная проч-
ность, т. е. почти все механические параметры ме-
талла соединения, находятся на уровне, соответст-
вующему основному металлу или близкому к нему.
При сварке способом СТП двух медных пластин
различной толщины изучали влияние скорости
сварки и расстояния между центрами швов на струк-
туру и микротвердость металла полученных соеди-
нений. Пин-инструмент проходил сквозь тонкую
верхнюю пластину, погружаясь в нижнюю за линию
раздела двух свариваемых деталей. Режимы СТП
приведены в таблице. Получено четыре сварных
шва при разных скоростях продольного перемеще-
ния (56...160 мм/мин) и постоянной скорости вра-
щения инструмента (1400 об/мин). Расстояние
между центрами швов изменялось от 16 до 19 мм
(рис. 6). Диаметр заплечника составлял 31 мм, ин-
струмент изготовлен из WC—Co.
Макроструктура поперечного сечения сварных
швов, выполненных при различных скоростях пере-
мещения инструмента, представлена на рис 6. Уста-
новлено, что в процессе СТП получены качествен-
ные соединения двух медных пластин разной тол-
щины (2,5 и 16,0 мм). Пор и непроваров в зоне
сварных соединений не обнаружено.
При металлографическом исследовании микро-
структур обнаружено, что структура основного ме-
талла состоит из крупных (100...1000 мкм) зерен с
двойниками. Изменение скорости перемещения ин-
струмента (от 56 до 160 мм/мин) не оказывает су-
щественного влияния на структуру металла свар-
ных соединений. Во всех случаях в результате про-
хождения инструмента в верхнем наплавленном
слое происходит динамическая перекристаллиза-
ция и образуется мелкозернистая структура с раз-
мером равноосных зерен от 20 до 100 мкм. Глубина
этой зоны составляет 3...5 мм.
Рис. 4. Рентгенограмма основного металла (а) и металла шва
сварного соединения Cu/Cu (б), полученного способом СТП
Рис. 5. Макроструктура (×3) металла трехшовного сварного сое-
динения, полученного внахлест способом СТП
Режимы СТП и характеристики свариваемых материалов
№
шва
Свариваемые
слои
Толщина
слоев,
мм
Скорость
перемещения
инструмента,
мм/мин
Нагрузка,
1⋅10
4
Н
Расстояние
между
центрами
швов, мм
1 Верхний
медный
2,5 56 Боковая
2
1—2 – 16
2 80 2—3 – 17
3 Нижний
медный
16,0 110 Осевая
5
3—4 – 19
4 160
Примечание. 1. Глубина проникновения инструмента –
5,5 мм. 2. Скорость вращения инструмента – 1400 об/мин.
3. Сечение шлифов по направлению к сварке – поперечное.
47
Под перекристаллизованным металлом верхнего
слоя образуется зона ядра овальной формы со слабо
очерченными прерывистыми «годичными» кольца-
ми, глубина которой колеблется от 2 до 5 мм. Размер
зерна в ней соизмерим с размером зерна перекрис-
таллизованного металла верхней пластины. В зоне
перехода от перекристаллизованного металла ядра
к основному металлу обнаружена плохо травящаяся
полоса. Очевидно, ее образование связано с дефор-
мационными процессами, которые происходят на
границе двух зон – зоны перемешивания и ЗТВ.
В этой полосе регистрируются цепочки дисперсных
оксидных включений (рис. 6).
Как показывают исследования, при СТП вна-
хлест легкоплавких металлов расстояние между
швами, равное 1/2 диаметра заплечика, обеспечи-
вает приварку пластин между собой. При сварке
меди зоны перемешивания металла швов перекры-
вают друг друга (рис. 7). Даже максимальное рас-
стояние между центрами швов (19 мм) при данном
диаметре заплечника (31 мм) позволяет получить
сплошную линию приварки верхней пластины и
нижней. Таким образом, при использованных режи-
мах сварки выделялось количество тепла, необхо-
димое для пластификации и перемешивания мате-
риала свариваемых деталей и образования качест-
венного сварочного соединения по типу наплавки.
При СТП достигается высокое качество сварки.
В процессе деформации и перемешивания металла
в твердой фазе создается более плотная микрострук-
тура зоны соединения, сопоставимая с основным
Рис. 6. Макро- (а) и микроструктура (б—д) металла сварных соединений, полученных при различных скоростях передвижения
инструмента, об/мин: д – v1 = 56; г – v2 = 80; в – v3 = 110; б – v4 = 160; а – ×3; б—д ×200
Рис. 7. Структура областей перекрытия между швами: а – 1 и 2; б – 2 и 3; в – 3 и 4, ×15
Рис. 8. Отношение микротвердости различных участков шва HV
к микротвердости основного металла HVо.м
48
материалом. Микротвердость металла швов дости-
гает 80...90 % микротвердости основного металла,
а иногда даже выше из-за измельчения зерна
(рис. 8). Так, при скорости перемещения
110 мм/мин и скорости вращения инструмента
1400 об/мин образовалось сварное соединение,
практически равнопрочное с основным металлом.
Микротвердость металла участков шва (металла
верхней пластины и ядра) по отношению к основному
металлу составляет соответственно 98 и 107 %.
Выводы
1. Процесс СТП меди, проводимый без расплавле-
ния основного металла за счет пластической дефор-
мации металла, нагретого до температуры рекрис-
таллизации при оптимальных режимах сварки, поз-
воляет получить качественное сварное соединение.
2. Путем наложения параллельных швов на оп-
ределенном расстоянии друг от друга можно полу-
чить сплошное приваривание более тонкой верхней
к массивной нижней пластине (по типу наплавки)
при минимальном нагреве и короблении деталей.
3. В процессе деформации и перемешивания ме-
талла в твердой фазе создается более плотная мик-
роструктура зоны соединения по сравнению с основ-
ным материалом.
4. Проведенные исследования позволяют реко-
мендовать способ СТП для приварки внахлест медного
листа к медной плите кристаллизатора МНЛЗ с целью
восстановления его первоначальных размеров.
1. Радиальный слябовый кристаллизатор со щелевыми кана-
лами и никелевым покрытием стенок / А. А. Макрушин,
А. В. Куклев, Ю. М. Айзин и др. – М.: Металлургиз-
дат, 2005. – С. 38—41.
2. Масато Т. Кристаллизаторы установок непрерывной раз-
ливки стали от «Mashima Kosan». Электроплакирование и
термическое напыление: Междунар. науч.-практ. семи-
нар. – Екатеринбург, 2009. – С. 1—19.
3. Improvement in continuous casting mold technology the
first fully ceramic Е coated molds / K. Goode, D. Preshaw,
B. Stalker et al. // Iron & Steel Technology. – 2008. –
7, № 2. – C. 74—76.
4. Упрочнение наплавкой трением с перемешиванием нике-
лем медных стенок кристаллизаторов машин непрерывно-
го литья заготовок / Г. М. Григоренко, В. И. Зеленин,
П. М. Кавуненко и др. // Зб. наук. ст. за результатами,
отриманими в 2010—2012 рр., цільової комплексної прог-
рами НАН України «Проблеми ресурсу і безпеки експлуа-
тації конструкцій, споруд та машин». – Киев: ІЕЗ
ім. Є. О. Патона НАН України, 2012. – С. 369—372.
5. Pat. 9125978.8 GB, МПК PCTrGB92. Friction stir butt
welding / W. M. Thomas. – Publ. 01.12.91.
6. Ищенко А. Я., Лабур Т. М. Сварка современных конст-
рукций из алюминиевых сплавов. – Киев: Наук. думка,
2013. – 415 с.
7. Карманов В. В., Каменева А. Л., Карманов В. В. Сварка
трением с перемешиванием алюминиевых сплавов: сущ-
ность и специфические особенности процесса, особенности
структуры сварного шва // Аэрокосмическая техни-
ка. – 2012. – № 32. – С. 67—80.
8. Эрикссон Л. Г., Ларссон Р. Ротационная сварка трением,
научные исследования и новые области применения // Тех-
нология машиностроения. – 2003. – № 6. – C. 81—84.
9. Kwon Y. J., Shigematsu I., Saito N. Dissimilar friction stir
welding between magnesium and aluminium alloys // Ma-
terials Letters. – 2008. – 62. – P. 3827—3829.
10. Zhou L., Liu H. J. Effect of 0.5 wt.% hydrogen addition on
microstructural evolution of Ti—6Al—4V alloy in the friction
stir welding and post-weld dehydrogenation process //
J. Materials characterization. – 2011. – 62. – 1036—1041.
11. Ueji R., Fujii H. b, Cuib L. Friction stir welding of ultra-
fine grained plain low-carbon steel formed by the martensite
process // J. Mater. Sci. and Eng. – 2006. – A 423. –
P. 324—330.
12. Технология восстановительного ремонта слябовых крис-
таллизаторов МНЛЗ наплавкой трением с перемешива-
нием / Ю. Н. Никитюк, Г. М. Григоренко, В. И. Зеле-
нин и др. // Современ. электрометаллургия. – 2013. –
№ 3. – С. 51—55.
13. Microstructure and mechanical properties of friction stir
welded pure Cu plates / Y. Sun, N. Xu., Y.Morisada,
H. Fujii // Transaction of JWRI. – 2012. – 41,
№ 1. – Р. 53—58.
14. Effect of friction stir welding parameters on the microstruc-
ture and mechanical properties of the dissimilar Al—Сu jo-
ints / P. Xue, D. R. Ni, D. Wang et al. // Mater. Sci.
and Eng. – 2011. – 528. – P. 4683—4689.
15. Sun Y. F., Fujii H. Investigation of the welding parameter
dependent microstructure and mechanical properties of fric-
tion stir welded pure copper // Ibid. – 2010. – 527. –
P. 6879—6886.
16. Hwang Y. M., Fan P. L., Lin C. H. Experimental study on
Friction Stir Welding of copper metals // J. of materials
processing technology. – Sun Yat-Sen University No. 70,
Lien-Hai Rd., Kaohsiung 804, Taiwan-210, (2010). –
P. 1667—1672.
17. Savolainen K. Friction stir welding of copper and microst-
ructure and properties of the welds // Doctoral dissertati-
on for the degree of Doctor of Science in Technology. –
Espoo, Finland: Aalto University School of Engineering,
2012. – 174 p.
18. Кристаллография, рентгенография и электронная микро-
скопия / Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов,
Л. Н. Расторгуев. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с.
Given are the results of investigation of structure and properties of welded joints of copper plates, produced by overlap
friction stir welding ( FSW). The plates of pure copper (M0) of different thickness were joined: upper ones were
2.5...5.0 mm. lower ones – 16...32 mm. In FSW of copper, as a result of plastic deformation of metal, heated up to
the temperature of recrystallization, the quality welded joints were produced without cracks and undercuts between the
base metal and weld metal, as well as pores in the joining zone. By laying out of welds at a definite distance from one
another it is possible to produce the full welding-on of thinner upper to massive lower plate (similar to surfacing) with
overlapping the zones of recrystallization at minimum heating and distortion of parts. During the process of deformation
and stirring of metal in solid state the more dense microstructure of metal of joining zone is created as compared with
the base metal. Microhardness of metal of welds is comparable with hardness of base metal, and sometimes being higher
due to refining of grain and deformation of structure. Thus, at rates of displacement 110 mm/min and tool rotation
1400 rpm the welded joint was formed almost equal by strength to the base metal. The carried out investigations can
recommend the FSW method for overlap welding of copper sheet to copper plate of moulds of the machines for continuous
casting of billets to restore their initial sizes. 18 Ref., 1 Table , 8 Figures.
K e y w o r d s : friction stir welding; working tool; welding modes; mechanical stirring; structure; microhardness;
X-ray diffraction microanalysis
Поступила 30.12.2014
49
|