Cварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава 95 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 106 Гнатенко И.А.*, Заболотный С.Д.*, Лисовенко А.А.*, Лукаш В.А*, Цап И.В.**, Присяжнюк П.Н.** *Институт сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля, г. Киев, Украина ** Ивано-Франковский национальный тех- нический университет нефти и газа, г. Ива- но-Франковск, Украина E-mail: pavlo1752010@gmail.com СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95 УДК 621.791 Рассмотрена возможность сваривания алюминиевого сплава В95, исследовано микроструктуру сварного соединения, определены основные зоны, исследовано фазовый состав. При сваривании трением с перемешиванием алюминиевого сплава в его структуре выявлено три зоны. Установлено, что при сваривании данным методом размер зерна сплава уменьшается в 10 раз(с 50 мкм до 5 мкм). Ключевые слова: сваривание трением с перемешиванием, алюминиевый сплав, структура, размер зерна сплава. Вступ С развитием авиационно-космической техники расширилось использование неметаллических композиционных материалов. Наряду с высокоресурсными сплавами типа дуралюмина, широко исполь- зуются сложнолегированные алюминиевые сплавы. [1–3]. Наиболее высокопрочными алюминиевыми сплавами являются термоупрочняемые сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu [4, 5]. Сплав этой системы В95 (7075) применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при 100-120 ºС в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны и т.д.; сило- вые каркасы строительных сооружений и т.п.) [6–8]. При изготовлении сложных деталей и массивных изделий возникает потребность в сварке от- дельных частей материала. Изучению этого процесса и посвящена данная работа. Исследовалась струк- тура сварного шва на примере алюминиевого сплава В95. Так как этот сплав не рекомендуют сваривать электронно-лучевой сваркой, а только капельной, все больше стали использовать инновационный метод – сварка трением с перемешиванием (СТП), который широко используется для сваривания алюминие- вых, магниевых и других сплавов [9–11]. В [7] указано, что алюминиевые сплавы, легированные Cu, Mg, Zn и т. п. подвергаются упроч- няющей термической обработке. А легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ог- раниченной переменной растворимости и промежуточные фазы: CuAl2, MgZn2 и др. Легирующие эле- менты образуют с алюминием пересыщенные твердые растворы. В процессе термической обработки (го- могенизации и горячей обработки давлением) происходит распад твердых растворов с образованием тонкодисперсных частиц интерметаллидных фаз, которые упрочняют сплав. Автор работы [8] считает, что наибольшее упрочнение сплавов достигается благодаря MgZn2, Mg2Si и S-фазы (Al2CuMg), имею- щих сложную структуру и состав, отличный от α-твердого раствора на основе Al. Основная часть В данной работе приведены результаты структурных исследований обазцов алюминиевого спла- ва В95, свареных методом сварки трением с перемешиванием (СТП), схема которого приведена на рис. 1. Сваривались пластины размером 150 х 400 толщиной 10 мм вдоль длинной стороны. Принцип сварива- ния таким способом подробно рассмотрен в [12]. Структуру материала до и после сваривания изучали на оптическом микроскопе МИМ-8М при разных увеличениях, фазовый состав исходного материала и сварного соединения определяли методом рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-2. При исследовании микроструктуры сплава до сваривания (рис. 2) установлено, что средний раз- мер зерен твердого раствора на основе алюминия составляет 50 мкм. Cварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава 95 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 107 Рис. 1 – Схема сваривания материала методом трения с пе- ремешиванием: 1-корпус инструмента; 2-основной металл;3-зона сварки с перемешиванием Рис. 2– Микроструктура алюминиевого сплава В95 в состоя- нии проката (исходный образец), полученная на оптическом микроскопе МИМ-8М, увеличение ×225 Ниже приведен внешний вид образца, полученного в результате сваривания. При этом на рис.3а показан не травленый образец, когда никаких следов сварного соединения не заметно, а на рис 3.б - тот же, но протравленый, на котором четко выделяется не только зона сварного шва но и две другие зоны тепло-физической картины его формирования. а б Рис. 3 – Общий вид сварного образца: до травления (а) и поле травления (б) Анализируя отмеченные зоны тепло-физической картины формирования сварного соединения заметим, что скорость окисления при травлении реактивом в зонах отличается. При этом максимальная скорость окисления соответствует зоне 2, которая наиболее сильно окислена в результате травления. Зо- на 1 характеризуется высокой коррозионной стойкостью и при травлении не окисляется. Зона 3 занимает промежуточное состояние между зонами 1 и 2, хотя она располагается как бы за зоной сваривания. Ана- лиз ее структуры показывает, что она отличается от микроструктуры основного материала (см. рис. 4), что, возможно, она претерпевает изменения в результате нагрева в процессе сваривания сплава. После сваривания микроструктура сварного шва и прилегающих к ней зон имеют структуру от- личную от исходного состояния алюминиевого сплава. На рис. 4 приведены микроструктуры материала до сваривания и после сваривания (зона 3- края пластин после сваривания). а б Рис. 4– Микроструктура сплава В95, увеличение × 225: а- до сваривания; б- после сваривания, зона 3. Cварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава 95 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 108 Возможно такое отличие в структуре сплава до сваривания и после, связано с тем, что в процессе нагрева при сваривании, зона нагрева распространяется достаточно широко вглубь свариваемых пластин, вследствие чего в структуре зоны 3 происходят изменения, приводящие к снятию структурного упрочне- ния. При рассмотрении структуры зоны 1 и зоны 2 можно наблюдать границу между сварным швом и исходной структурой сплава (рис. 5). Рис. 5 – Микроструктура сварного шва, изображение получено на оптическом микроскопе МИМ- 8М, увеличение × 225 На рис. 5 четко можно наблюдать измельчение зерна, средний размер которого уменьшился в ре- зультате сваривания трением с перемешиванием с 50 мкм (в исходном состоянии, см. рис. 2) до 5 мкм, то есть при сваривании размер зерна алюминиевого сплава В95 уменьшается в 10 раз. В работе [13] указывается, что при сваривании трением с перемешиванием сплава АА2219-Т87 также в зоне сваривания образуются три различные микроструктурные зоны. Можно отметить, что об- разование такого количества зон по-видимому характерно для такого способа сваривания. Проведенный рентгеноструктурный анализ поверхности образца на наличие интерметаллидных фаз информации о составе фаз не дал. Поскольку не удалось зафиксировать других фаз кроме алюминия. (рис. 6). 0 20 40 60 80 100 120 140 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1 2 3 (4 2 0 ) 8% (3 3 1 ) 8% (4 0 0 ) 2% (2 2 2 ) 7% (3 1 1 ) 24 % (2 2 0 ) 22 % (2 0 0 ) 4 7% (1 1 1 ) 1 00 % I, в ід н. о д. 2θ, ° Рис. 6 – Рентгенограмма разных зон сварного соединения: 1 — Зона 3- свариваемые части материала, 2 — Зона 2 – переход- ная зона, 3 — Зона 1- зона сваривания. Cварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава 95 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 109 Рентгенодифракционные исследования показали, что зерна в середине сварного соединения рас- положены хаотично, поскольку в зоне 2 не наблюдается текстурирование образца. Тогда как для осталь- ных зон наблюдается перераспределение интенсивности пиков: снижается высота линии 111 и повыша- ется высота линии 400. Выводы На наш взгляд, разупорядочение кристаллов вследствие перемешивания в зоне трения, должно отражаться на изменении механических свойств в зоне сварного шва в сравнении с основным сплавом. В результате проведенной работы можно сделать вывод, что применение метода сваривания трения с перемешиванием к сплаву В95 приводит к образованию нескольких зон в структуре материала. Эти зоны по своему химическому составу не изменяются, но отличаются коррозионной стойкостью и структурой. В сплаве после сваривания происходит разупорядочение кристаллов, что может отразится на физико-механических свойствах материала. Возможно, в результате сваривания уменьшается пресс- эффект, нагрев до 300 ºС при сваривании приводит к снятию структурного упрочнения. Поэтому необхо- димо искать новые технологические приемы сваривания подобных сплавов. Література 1. Фридляндер И.Н., Сенаторова О.Г., Ткаченко Е.А., Молостова И.И. Развитие и применение высокопрочных сплавов системы Al–Zn–Mg–Cu для авиакосмической техники // В сб. «75 лет. Авиаци- онные материалы. Избранные труды «ВИАМ» 1932–2007»: Юбилейн. науч.-техн. сб. / Под общ. ред. Е.Н. Каблова. – М.: ВИАМ. 2007. – С. 157–163. 2. Осинцев О.Е., Конкевич В.Ю. Высокопрочные быстрозакристалли-зованные алюминиевые сплавы систем Al–Zn–Mg и Al–Zn–Mg–Cu // Технология легких сплавов. – 2010. – № 1. – С. 157–163. 3. Нго Тхань Бинь, Н.А. Джиндо, А.Б. Семенов, Б.И. Семенов ТИКСОФОРМИНГ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al—Zn—Mg—Cu Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. “Машиностроение”. 2012 4. В.М. Белецкий, Г.А. Кривов. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, примене- ние) справочник / Под общей редакцией академика РАН И.Н. Фридляндера. К.: Коминтех, (2005), 315с. 5. Д.Е. Педун, В.П. Пойда, В.В. Брюховецкий, А.В. Пойда, Т.Ф. Сухова, А.Л. Самсоник, В.В. Литвиненко, Е.А. Спиридонов. Высокотемпературная структурная сверхпластичность и частичное плав- ление высокопрочного сплава 1933 системы Аl-Mg-Zn-Cu-Zr. Вісник ХНУ, № 1019, серія «Фізика», вип. 16, 2012 6. Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / Под ред. Н. Пейтона, К. Гамильто- на: Пер. с анг. М.: Металлургия, (1985), 218с. 7. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; Под общ. Ред. Б.Н. Арзамасова. – 2-е изд., испр. И доп. – М.: Ма- шиностроение, 1986. – 384 с. 8. Металловедение и термическая обработка металлов/ Ю.М. Лахтин. Изд. 3 –е перераб. И доп. – М., «Металлургия», 1983. 9. Моделирование тепловых процессов для улучшения структуры металлов и сплавов методом трения с перемешиванием /А.Л. Майстренко, В.М. Нестеренков, В.А. Дутка, В.А. Лукаш, С.Д. Заболот- ный1, В.Н. Ткач//Автоматическая сварка, № 1. – 2015. – С.5–14 10. Friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, A.J. Leonard, H.R. Shercliff , P.J. Withers // Int. Mater. Rev. – 2009. – 54, № 2. – P. 49–93. 11. Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом на- плавки трением с перемешиванием / В.И. Зеленин, М.А. Полещук, Е.В. Зеленин и др. // Породоразру- шающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения. – 2010. – Вып. 13. – С. 476–479. 12. Инструменты для стыковых, нахлесточных, тавровых сварочных соединений, наплавки и клепки трением с перемешиванием. // Научно-технический журнал «Технологические системы» 1(78)2017 с. 97 13. Сриниваса Рао Г., Субба Рао В. В., Котесвара Рао С.Р. Микроструктура и коррозия в солевом тумане сваренного трением с перемешиванием алюминиевого сплава АА2219/ Металлофизика и новей- шие технологии, том 37, выпуск 4. Поступила в редакцію 28.03.2018 Cварка трением с перемешиванием алюминиевого сплава 95 Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 1 110 Gnatenko I.A., Zabolotnyj S.D. Lisovenko A.A., Lukash V.A, Tsap I.V., Prisjazhnjuk P.N. Welding with friction with mixing aluminum alloys V95 The possibility of welding an aluminum alloy V95 considered, the microstructure of the welded joint investigated, the main zones are determined, and the phase composition investigated. When welded by friction with stirring of an aluminum alloy, three zones are revealed in its structure. It is established that when welding by this method, the grain size of the alloy decreases by a factor of 10 (from 50 μm to 5 μm). Keywords: friction stir welding, aluminum alloy, structure, grain size of the alloy. References 1. Fridljander I.N., Senatorova O.G., Tkachenko E.A., Molostova I.I. Razvitie i primenenie vysokoprochnyh splavov sistemy Al–Zn–Mg–Cu dlja aviakosmicheskoj tehniki // V sb. «75 let. Aviaci-onnye materialy. Izbrannye trudy «VIAM» 1932–2007»: Jubilejn. nauch.-tehn. sb. / Pod obshh. red. E.N. Kablova. – M.: VIAM. 2007. – S. 157–163. 2. Osincev O.E., Konkevich V.Ju. Vysokoprochnye bystrozakristalli-zovannye aljuminievye splavy sistem Al–Zn–Mg i Al–Zn–Mg–Cu // Tehnologija legkih splavov. – 2010. – № 1. – S. 157–163. 3. Ngo Than' Bin', N.A. Dzhindo, A.B. Semenov, B.I. Semenov TIKSOFORMING VYSOKOPROChNYH SPLAVOV SISTEMY Al—Zn—Mg—Cu Vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. Ser. “Mashinostroenie”. 2012 4. V.M. Beleckij, G.A. Krivov. Aljuminievye splavy (sostav, svojstva, tehnologija, primene-nie) spravochnik / Pod obshhej redakciej akademika RAN I.N. Fridljandera. K.: Kominteh, (2005), 315s. 5. D.E. Pedun, V.P. Pojda, V.V. Brjuhoveckij, A.V. Pojda, T.F. Suhova, A.L. Samsonik, V.V. Lit- vinenko, E.A. Spiridonov. Vysokotemperaturnaja strukturnaja sverhplastichnost' i chastichnoe plavle-nie vysokoprochnogo splava 1933 sistemy Al-Mg-Zn-Cu-Zr. Vіsnik HNU, № 1019, serіja «Fіzika», vip. 16, 2012 6. Sverhplasticheskaja formovka konstrukcionnyh splavov / Pod red. N. Pejtona, K. Gamil'to-na: Per. s ang. M.: Metallurgija, (1985), 218s. 7. Materialovedenie: Uchebnik dlja vysshih tehnicheskih uchebnyh zavedenij. B.N. Arzamasov, I.I. Sidorin, G.F. Kosolapov i dr.; Pod obshh. Red. B.N. Arzamasova. – 2-e izd., ispr. I dop. – M.: Mashi-nostroenie, 1986. – 384 s. 8. Metallovedenie i termicheskaja obrabotka metallov/ Ju.M. Lahtin. Izd. 3 –e pererab. I dop. – M., «Metallurgija», 1983. 9. Modelirovanie teplovyh processov dlja uluchshenija struktury metallov i splavov metodom trenija s peremeshivaniem /A.L. Majstrenko, V.M. Nesterenkov, V.A. Dutka, V.A. Lukash, S.D. Zabolot-nyj1, V.N. Tkach//Avtomaticheskaja svarka, № 1. – 2015. – S.5–14 10. Friction stir welding of aluminium alloys / P.L. Threadgill, A.J. Leonard, H.R. Shercliff , P.J. Withers // Int. Mater. Rev. – 2009. – 54, № 2. – P. 49–93. 11. Vosstanovlenie plit mednyh kristallizatorov nepreryvnoj razlivki stali metodom naplavki treniem s peremeshivaniem / V.I. Zelenin, M.A. Poleshhuk, E.V. Zelenin i dr. // Porodorazru-shajushhij i metalloobrabatyvajushhij instrument – tehnika i tehnologija ego izgotovlenija i primene-nija. – 2010. – Vyp. 13. – S. 476–479. 12. Instrumenty dlja stykovyh, nahlestochnyh, tavrovyh svarochnyh soedinenij, naplavki i klepki treniem s peremeshivaniem. // Nauchno-tehnicheskij zhurnal «Tehnologicheskie sistemy» 1(78)2017 s. 97 13. Srinivasa Rao G., Subba Rao V. V., Kotesvara Rao S.R. Mikrostruktura i korrozija v sole-vom tumane svarennogo treniem s peremeshivaniem aljuminievogo splava AA2219/ Metallofizika i no-vejshie tehnologii, tom 37, vypusk 4.