Анализ структуры и распределения температуры в сварном шве дюралюминиевого сплава при сварке трением с перемешиванием

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

С помощью теоретического и экспериментального методов анализа проведена оценка влияния диффузионных и деформационных процессов на химический состав и структуру сварного соединения пластин из алюминиевого сплава (AlCuMg) в условиях сварки трением с перемешиванием. Для воспроизведения температурных условий в зоне сварки и оценки возможных причин изменений структуры и фазового состава материала в области сварного шва применены методы математического моделирования тепловых процессов. Полученные теоретические расчеты проверены и подтверждены с помощью экспериментальных методов структурного анализа (рентгеноструктурный анализ, сканирующая электронная микроскопия) и измерения микротвердости. Обнаружено изменение содержания кремния, меди и алюминия в составе твердого раствора исследуемого материала, а также изменение фазового состава (снижение количества фазы Al12Fe3Si и появление фазы AlCuFeMnSi), что связано с массопереносом в зоне сварного шва в условиях сварки трением с перемешиванием.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Н. В. Казанцева

Институт физики металлов УрО РАН им. М.Н. Михеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: kazantseva@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

Г. В. Щапов

Институт физики металлов УрО РАН им. М.Н. Михеева

Email: kazantseva@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

А. В. Царьков

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Email: kazantseva@imp.uran.ru

Калужский филиал

Россия, Калужская область, Калуга, 248000

И. В. Ежов

Институт физики металлов УрО РАН им. М.Н. Михеева

Email: kazantseva@imp.uran.ru
Россия, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Ahmed M.M.Z., El-Sayed Seleman M.M., Fydrych D., Çam G. Friction Stir Welding of Aluminum in the Aerospace Industry: The Current Progress and State-of-the-Art Review // Materials. 2023. V. 16. P. 2971.
  2. Tang W., Guo X., Mcclure J.C., Murr L.E., Nunes A. Heat input and temperature distribution in friction stir welding // J. Mat. Proc. Mfgt. Sci. 1998. V. 7. P. 163–172.
  3. Mishra R.S., Rani Preety. Friction stir welding of aluminum alloy and the effect of parameters on weld quality – A Review // Intern. J. Research in Eng. Innovation. 2018. V. 2. № 3. P. 280–292.
  4. Муравьёв В.И., Бахматов П.В., Мелкоступов К.А. К вопросу актуальности исследования сварки трением с перемешиванием конструкций из высокопрочных алюминиевых сплавов // Ученые записки. 2010. № 11–1(2). С. 110–125.
  5. Наумов А.А., Ожегов М.А., Смелянский Р.И., Алали Алхалаф А., Поляков П.Ю. Физико-механические процессы соединения тонких листов алюминия при сварке трением с перемешиванием встык // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26. № 2. С. 88–102.
  6. Бродова И.Г., Зельдович В.И., Хомская И.В. Фазово-структурные превращения и свойства цветных металлов и сплавов при экстремальных воздействиях // ФММ. 2020. Т. 121. № 7. С. 696–730.
  7. Макаров С.В., Плотников В.А., Лысиков М.В., Колубаев Е.А. Накопление деформации и акустическая эмиссия в алюминиево-магниевом образце, полученном сваркой трением с перемешиванием // Письма о материалах. 2020. Т. 10. № 1. С. 27–32.
  8. Wu T., Zhao F., Luo H., Wang H., Li Y. Temperature Monitoring and Material Flow Characteristics of Friction Stir Welded 2A14-T6 Aerospace Aluminum Alloy // Materials. 2019. V. 12. P. 3387.
  9. Silva A.C.F., De Backer J., Bolmsjö G. Temperature measurements during friction stir welding // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2017. V. 88. P. 2899–2298.
  10. Naumov A., Morozova Yu., Isupov F., Golubev Y., Michailov V. Temperature Influence on Microstructure and Properties Evolution of Friction Stir Welded Al-Mg-Si Alloy // Key Eng. Mater. 2019. V. 82. P. 122–128.
  11. Nakamura T., Obikawa T., Yukutake E., Ueda S., Nishizaki I. Tool Temperature and Process Modeling of Friction Stir Welding // Modern Mechan. Eng. 2018. V. 8. P. 78–94.
  12. Chen C.M., Kovacevic R. Finite element modeling of friction stir welding – thermal and thermomechanical analysis // Intern. J. Machine Tools & Manufacture. 2003. V. 43. P. 1319–1326.
  13. McClure J.C., Tang W., Murr L.E., Guo X., Feng Z., Gould J.E. Thermal model in friction stir welding / in 5th Int’l. Trends in Welding Research Conference Proceedings. 1998. P. 590–596.
  14. Frigaard O., Grong Ø., Midling O.T. A Process Model for Friction Stir Welding of Age Hardening Aluminum Alloys // Metal. Mater. Trans. A. 2001. V. 32A. P. 1189–1200.
  15. Mathers G. The Welding Aluminium and its Alloys. Woodenhead Publishing Ltd. 2002.
  16. Staley J.T., Tiryakioğlu M. The Use of TTP Curves and Quench Factor Analysis for Property Prediction in Aluminum Alloys. Advances Metal. of Aluminum Alloys, Proceedings of the James T. Staley Honorary Symposium on Aluminum Alloys. 2001. P. 6–15.
  17. Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке / 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 572 с.
  18. Марочник стали и сплавов. Электронный ресурс. [http://www.splav-kharkov.com/mat_start.php?name_id=1438.]
  19. Hu Y. Microstructural Characterization and Phase Diagram Calculation of a Less Known Al–Fe–Mn–Si Phase in a SiCp/2014Al Composite // Microscopy and Microanalysis. 2019. V. 25. P. 859–865.
  20. Wang S.C., Starink M.J. Review of precipitation in Al–Cu–Mg(–Li) alloys // Int. Mater. Rev. 2005. V. 50. P. 193–215.
  21. Foss S., Olsen A., Simensen C.J., Taftù J. Determination of the crystal structure of the π-AlFeMgSi phase using symmetry- and site-sensitive electron microscope techniques // Acta Crystal. B. 2003. V. 59(1). P. 36–42.
  22. Воробьев Р.А., Сорокина С.А., Евстифеева В.В. Фазовый состав деформируемых алюминиевых сплавов Д16 и с количественной оценкой пережога разных стадий развития // Изв. вузов. Цветная металлургия. 2020. № 1. C. 68–78.
  23. Czerwinski F. Thermal Stability of Aluminum Alloys // Materials. 2020. V. 13. P. 3441.
  24. Styles M., Hutchinson C., Chen Y., Deschamps A., Bastow T. The competition between metastable and equilibrium S (Al2CuMg) phase during the decomposition of Al–Cu–Mg alloys // Acta Mat. 2012. V. 60. P. 6940–6951.
  25. Zhang F., Levine L.E., Allen A.J., Campbell C.E., Creuziger A.A., Kazantseva N., Ilavsky J. In situ structural characterization of ageing kinetics in aluminum alloy 2024 across angstrom-to-micrometer length scales // Acta Mater. 2016. V. 111. P. 385–398.
  26. Колобнев И.Ф. Термическая обработка алюминиевых сплавов. М.: Металлургиздат, 1960. 421 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием: а – общий вид; б – разрез шва; в – вид сверху; г – рабочий инструмент.

Скачать (223KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Термические циклы трех точек поверхности, расположенных в центре шва, на расстоянии, равном радиусу пина и радиусу заплечика.

Скачать (80KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение температур по продольному сечению в центре ядра сварного соединения (поверхность пластины Z=0; нижняя поверхность Z=10 мм).

Скачать (88KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Область сварного соединения, поперечное сечение, оптическая металлография: 1 – ядро; 2 – зона термомеханического воздействия; 3 – зона термического воздействия.

Скачать (151KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Дифрактограммы, полученные с различных участков сварного соединения: (а) исходное состояние; (б) зона термического воздействия; (в) зона термомеханического воздействия; (г) ядро.

Скачать (448KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микроструктура и химический анализ исследованного сварного соединения: (а) – исходное состояние; (б) – зона термического воздействия; (в) – зона термомеханического воздействия; (г) – ядро.

Скачать (694KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Направление анализа микроструктуры и химического состава ядра сварного соединения.

Скачать (169KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Микроструктура ядра сварного шва, соответствующая рис. 7: (а) – область 1; (б) – область 2; (в) – область 3.

Скачать (336KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Содержание легирующих элементов (а) и количество Al (б) в твердом растворе в зоне ядра сварного соединения.

Скачать (119KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Диаграмма изотермического распада переохлажденного и пересыщенного твердого раствора в сплаве А2024 [24].

Скачать (135KB)
Метаданные