RU2679787C1 - Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li - Google Patents
Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679787C1 RU2679787C1 RU2017143621A RU2017143621A RU2679787C1 RU 2679787 C1 RU2679787 C1 RU 2679787C1 RU 2017143621 A RU2017143621 A RU 2017143621A RU 2017143621 A RU2017143621 A RU 2017143621A RU 2679787 C1 RU2679787 C1 RU 2679787C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tool
- joint
- lithium alloys
- strength aluminum
- strength
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
Изобретение может быть использовано для получения стыковых соединений алюминиевых сплавов, имеющих низкую свариваемость - высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li. Вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения с заплечиком, погружают в стык на 0,90-0,95 их толщины до контакта заплечика с их поверхностью и перемещают вдоль стыка под углом α к нормали поверхности свариваемых деталей в плоскости их стыка. Перемещают инструмент со скоростью Vсв=(0,1-0,19)⋅ω, где ω - частота вращения рабочего инструмента, об/мин, при этом направление угла наклона совпадает с направлением сварки, а угол наклона инструмента составляет α=1,5-2,0°. Способ позволяет получить сварные соединения высокопрочных алюминий-литиевых сплавов высокого качества, в которых отсутствуют дефекты, с высоким уровнем механических характеристик (предел прочности σ, угол изгиба α, ударная вязкость KCU), имеющие пониженную шероховатость поверхности сварного шва с R≈40 мкм, что позволяет значительно повысить усталостные характеристики соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов. 3 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к области сварки и может быть использовано для получения стыковых соединений алюминиевых сплавов, имеющих низкую свариваемость - высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li.
Из уровня техники известен способ сварки трением с перемешиванием, при котором сварку осуществляют в три этапа (US 5460317 А, B23K 20/12, В29С 65/06, B29L 7/00, опубл. 24.10.1995 г.). На первом этапе вращающийся с высокой скоростью инструмент цилиндрической или ступенчатой формы с заплечником погружают в стык соединяемых деталей на глубину, примерно равную их толщине. На втором этапе, после вхождения заплечника инструмента в контакт с поверхностью деталей, погружение останавливают и включают перемещение инструмента вдоль линии соединения. На третьем этапе (по окончании сварки) вращающийся инструмент поднимают и выводят из стыка. Недостатком данного способа сварки трением с перемешиванием (СТП) является повышенный износ инструмента при его введении в стык деталей, а также его поломки в процессе сварки листов толщиной 5-6 мм из-за недостаточного разогрева корневой части соединения.
Известен способ сварки трением с перемешиванием, при котором предварительно в стыке соединяемых деталей выполняют сквозное отверстие диаметром больше диаметра наконечника инструмента, после чего вращающийся инструмент погружают в отверстие до соприкосновения заплечника с поверхностью деталей. После вхождения заплечника инструмента в контакт с поверхностью деталей погружение останавливают и включают перемещение инструмента вдоль линии соединения (W.M. Thomas, E.D. Nicholas, E.R. Watts, D.G. Staines. Friction Based Welding Technology for Aluminium. Materials Science Forum Vols. 2002. pp. 1543-1548). Недостатком данного способа является частый выход инструмента из строя из-за скалывания наконечника в корневой части соединения, а также послойное расположение оксидных пленок в сварном шве, что приводит к существенному снижению прочностных свойств соединений, особенно при циклических нагрузках.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов, при котором на стыке деталей предварительно выполняют сквозное отверстие, в которое погружают вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения с заплечиком, до контакта заплечика с поверхностью деталей, при этом ось отверстия располагают под углом α к нормали к поверхности деталей в плоскости их стыка, определяемом соотношением α=(0,8÷1,0)δ, диаметр отверстия задают в пределах D=d+(0,10÷0,15) мм, наконечник заглубляют в стык на (0,90÷0,95)δ, где δ - толщина деталей, а скорость перемещения инструмента вдоль стыка деталей регулируют в пределах 0,20-0,35 мм/об (v/ω=(0,20-0,35) (RU 2247639 C1, B23K 20/12, B23K 103/10, опубл. 10.03.2005 г.). Существенным недостатком данного способа является снижение прочности сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li при статическом нагружении из-за образования подплавлений в структуре металла шва в результате его перегрева (повышенное тепловложение) при скорости сварки более 0,25 мм/об и снятие эффекта термической обработки, а также снижение усталостных характеристик получаемых соединений вследствие формирования концентраторов напряжений в виде грубой шероховатости поверхности шва (Rz>70-80 мкм).
Технической задачей и техническим результатом заявленного изобретения является повышение прочности сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li при статическом нагружении и усталостных характеристик соединений при переменных нагрузках за счет сварки трением с перемешиванием, обеспечивающей пониженный уровень тепловложения, что вызывает минимальное разупрочнение основного материала и уменьшение шероховатости поверхности сварного шва (Rz≤40 мкм).
Поставленный технический результат достигается с помощью способа сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li, при котором вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения с заплечиком, погружают в стык на 0,90-0,95 их толщины до контакта заплечика с их поверхностью и перемещают вдоль стыка под углом α к нормали поверхности свариваемых деталей в плоскости их стыка, причем вращающийся инструмент перемещают со скоростью Vсв=(0,1-0,19)⋅ω, где ω - частота вращения рабочего инструмента, об/мин, при этом, направление угла наклона совпадает с направлением сварки, а угол наклона инструмента составляет α=1,5-2,0°.
При перемещении вращающегося инструмента металл соединяемых деталей, разогретый до пластичного состояния за счет тепла, выделяющегося при трении заплечика о поверхность соединяемых деталей, формирует шов. Для оценки влияния параметров процесса сварки трением с перемешиванием на шероховатость поверхности сварного шва, вводится параметр коэффициент тепловложения (n), характеризующий тепло, переданное материалу во время сварки трением с перемешиванием, и определяющийся отношением скорости вращения инструмента к скорости сварки.
На фиг. 1 (а, б, в) изображена лицевая поверхность шва высокопрочного алюминий-литиевого сплава В-1469 (В-1461) системы Al-Cu-Li, выполненного способом сварки трением с перемешиванием при различных соотношениях n=ω/Vсв: на фиг. 1(а) n=3, на фиг. 1(б) n=7, на фиг. 1(в) n=18; на фиг. 2 (а, б, в) показаны изображения поверхности шва при 50-кратном увеличении в режиме оптического микроскопа при различных соотношениях n; на фиг. 3 приведен диапазон режимов сварки трением с перемешиванием, обеспечивающих оптимальный уровень механических свойств и уменьшение шероховатости поверхности сварных швов; Наличие шероховатости сварного шва на уровне 70-80 мкм приводит к образованию многоочагового разрушения, которое развивается от неровностей поверхности и приводит к снижению долговечности. Сварные соединения с пониженной шероховатостью поверхности шва показывают высокие значения малоцикловой усталости (МЦУ). Ухудшение чистоты поверхности (Rz≥70-80 мкм) существенно снижает усталостные характеристики сварных соединений.
При различных значениях коэффициента тепловложения существенно изменяется качество формирования сварного шва. При малых значениях коэффициента (n<5, т.е. Vсв>0,2ω) инструмент вращается слишком медленно по сравнению со скоростью его перемещения, как следствие, переданного тепла недостаточно для пластичного течения материала в зоне сварки. Соединение образуется с дефектами и значительными задирами на поверхности шва (фиг. 1(a), фиг. 2(a), фиг. 3).
При увеличении значения коэффициента n=5…10, т.е. Vсв=(0,1-0,2)ω, количество переданного тепла увеличивается, вследствие чего металл переходит в пластифицированное состояние, тем самым удается достичь оптимального качества сварного соединения без очагов подплавления в микроструктуре и с наиболее гладкой поверхностью шва (фиг. 1(б), фиг. 2(б)).
Однако, при достижении высоких значений коэффициента (n>10…12, т.е. Vсв<0,1ω) температура сварки приближается к температуре плавления, в результате этого на поверхности шва образуется значительный грат со следами оплавления обрабатываемой поверхности (фиг. 1(в), фиг. 2(в)).
Установлено, что разрушение образцов при испытаниях на кратковременную прочность происходит либо по центру шва, либо по зоне термомеханического влияния с образованием хрупкого излома. Механические свойства сварных соединений сплавов В-1469 и В-1461 системы Al-Cu-Li представлены в таблице 2.
Экспериментально было установлено влияние технологии СТП на характеристики МЦУ сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1469 и В-1461 системы Al-Cu-Li. Результаты испытаний представлены в таблице 3.
Основные требования к качеству сварного соединения были следующими:
- полное отсутствие дефектов;
- шероховатость поверхности сварного шва до 40 мкм;
- прочность не менее 80% от прочности свариваемого материала (высокопрочный алюминий-литиевый сплав);
- значение малоцикловой усталости более 150 килоциклов при σmax нетто=196 Мпа;
- пластичность по углу изгиба более 50°.
Сварку образцов из высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1469 и В-1461 системы Al-Cu-Li толщиной 5 мм осуществляли на лабораторной установке для СТП. Для сварки применяли инструмент, состоящий из конического наконечника высотой 4,8 мм и заплечника диаметром 16 мм. Инструмент был изготовлен из стали марки Р18. Для оценки качества поверхности сварного шва, соответствующей различным значениям коэффициента n, были проведены замеры шероховатости сварного шва, результаты которых приведены в таблице 1. Было установлено, что минимальная шероховатость поверхности сварного шва соответствует области значений n, равным 5-10 и скорости перемещения инструмента Vсв=(0,1-0,2)⋅ω, где ω - частота вращения рабочего инструмента, об/мин.
При величине угла менее 1,5° наблюдается больший износ инструмента, в случае если угол больше 2,5° наблюдаются возмущения в переносе металла на периферийной части заплечика и формирование в центральной части шва несплошностей.
При погружении инструмента в стык менее 0,9 от толщины свариваемых деталей наблюдается непровар. При погружении более 0,95 от толщины корневой валик формируется неравномерно, с отдельными утолщениями.
С помощью графика коэффициента тепловложения n (фиг. 3) можно эмпирически получить оптимальный диапазон режимов сварки трением с перемешиванием высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469, который обеспечивает повышенную чистоту поверхности шва применительно к используемому оборудованию. Этот диапазон представляет собой пятиугольник, ограниченный значениями коэффициентов тепловложения от 5 до 10, частотой вращения инструмента 500-800 об/мин и скоростью сварки 50-130 мм/мин, которому соответствует максимальный уровень механических характеристик сварных соединений (отсутствие дефектов, максимальный уровень механических характеристик, пониженная шероховатость поверхности сварного шва).
Использование заявленного способа, позволяет получить сварные соединения высокопрочных алюминий-литиевых сплавов высокого качества, в которых отсутствуют дефекты, и обладающих высоким уровнем механических характеристик (предел прочности σв, угол изгиба α, ударная вязкость KCU) (табл. 2), имеющих пониженную шероховатость поверхности сварного шва с Rz≈40 мкм, что позволяет значительно повысить усталостные характеристики соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов (табл. 3).
Claims (1)
- Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений из высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы Al-Cu-Li, при котором вращающийся инструмент, состоящий из наконечника в виде тела вращения с заплечиком, погружают в стык на 0,90-0,95 их толщины до контакта заплечика с их поверхностью и перемещают вдоль стыка под углом α к нормали поверхности свариваемых деталей в плоскости их стыка, отличающийся тем, что вращающийся инструмент перемещают со скоростью Vсв=(0,1-0,19)⋅ω, где ω - частота вращения рабочего инструмента, об/мин, при этом направление угла наклона совпадает с направлением сварки, а угол наклона инструмента составляет α=1,5-2,0°.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017143621A RU2679787C1 (ru) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017143621A RU2679787C1 (ru) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2679787C1 true RU2679787C1 (ru) | 2019-02-12 |
Family
ID=65442798
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017143621A RU2679787C1 (ru) | 2017-12-13 | 2017-12-13 | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2679787C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2126738C1 (ru) * | 1994-03-28 | 1999-02-27 | Дзе Велдинг Институт | Способ сварки трением с перемешиванием и нерасходуемый щуп для его осуществления |
US20030111515A1 (en) * | 2000-07-20 | 2003-06-19 | Gerhard Scheglmann | Method and device for friction stir welding with simultaneous cooling |
RU2247639C1 (ru) * | 2003-05-27 | 2005-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российская самолетостроительная корпорация "МиГ" | Способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов |
EP1600240A1 (fr) * | 2004-04-27 | 2005-11-30 | Snecma | Procédé de bouchage, par soudage par friction, d'un trou d'une pièce métallique, utilisation d'une barre métallique et d'une pièce support de palier pour la mise en oeuvre du procédé |
-
2017
- 2017-12-13 RU RU2017143621A patent/RU2679787C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2126738C1 (ru) * | 1994-03-28 | 1999-02-27 | Дзе Велдинг Институт | Способ сварки трением с перемешиванием и нерасходуемый щуп для его осуществления |
US20030111515A1 (en) * | 2000-07-20 | 2003-06-19 | Gerhard Scheglmann | Method and device for friction stir welding with simultaneous cooling |
RU2247639C1 (ru) * | 2003-05-27 | 2005-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российская самолетостроительная корпорация "МиГ" | Способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов |
EP1600240A1 (fr) * | 2004-04-27 | 2005-11-30 | Snecma | Procédé de bouchage, par soudage par friction, d'un trou d'une pièce métallique, utilisation d'une barre métallique et d'une pièce support de palier pour la mise en oeuvre du procédé |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Çam et al. | The effect of weld parameters on friction stir welding of brass plates | |
Rao et al. | Influence of structural integrity on fatigue behavior of friction stir spot welded AZ31 Mg alloy | |
Imani et al. | Improving friction stir welding between copper and 304L stainless steel | |
Shinde et al. | Low cost friction stir welding: a review | |
Buffa et al. | Influence of joint geometry on micro and macro mechanical properties of friction stir spot welded joints | |
Suri | An improved FSW tool for joining commercial aluminum plates | |
Simoncini et al. | Micro-and macro-mechanical properties of pinless friction stir welded joints in AA5754 aluminium thin sheets | |
Khourshid et al. | Friction stir welding study on aluminum pipe | |
Shazly et al. | Friction stir welding of polycarbonate sheets | |
Dabeer et al. | Perspective of friction stir welding tools | |
RU2679787C1 (ru) | Способ сварки трением с перемешиванием стыковых соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов системы al-cu-li | |
Andres et al. | Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties of rfssw lap joints of thin AL7075-T6 sheets | |
Abdulkadhum et al. | Mechanical behavior of friction stir welded high-density polyethylene sheets | |
Kalashnikov et al. | Strength properties of ultrasonic-assisted laser welded stainless steel 321 | |
Khourshid et al. | Analysis and design of Friction stir welding | |
Yan et al. | Effect of lateral offset on microstructure and strength of friction stir welded 2A14-T6 aluminum alloy | |
Ethiraj et al. | Comparative study on conventional and underwater friction stir welding of copper plates | |
RU2247639C1 (ru) | Способ сварки трением стыковых соединений из алюминиевых сплавов | |
Ethiraj et al. | Friction stir welding of nylon-6: effect of process parameters on mechanical and microstructural properties | |
Saeedy et al. | Experimental study on the effects of rotational speed and attack angle on high density polyethylene (HDPE) friction stir welded butt joints | |
Prasad et al. | Influence of tool shoulder geometry on microstructure and mechanical properties of friction stir welded 2014-T6 Aluminium Alloy | |
RU2277465C1 (ru) | Способ сварки трением и инструмент для его осуществления | |
Sayer et al. | The influence of friction stir welding parameters on the mechanical properties and low cycle fatigue in AA 6063 (AlMgSi0. 5) alloy | |
Ma'arif et al. | The Influence of Current on Laser Welding on Mechanical Properties and Micro Structures of Dissimilar Metal Joints | |
Asadi | Experimental investigation to limit the effecting of friction stir welding factors on the strength of AA6061-T651 |