Технология и оборудование получения утолщённых кромок под сварку трением с перемешиванием

Введение. Сварка трением с перемешиванием находит широкое применение за счет определенных преимуществ этого способа. Рассмотрены факторы, снижающие прочность соединений, выполненных из высокопрочных алюминиевых сплавов. При сваривании плоских листов эффективным способом повышения прочности сварного шва является утолщение их кромок. В работе предложен способ такого утолщения, разработана установка, проведен расчет и эксперименты.

Материалы и методы. Разработано лабораторное оборудование, позволяющее одновременно выполнять утолщение двух кромок, которые подлежат сварке. Основным элементом этого оборудования является стальной валик, который прокатывается по кромкам двух заготовок и создает их утолщение за счет пластической деформации. Эта же установка может быть использована и для процесса сварки трением с перемешиванием. Для расчёта геометрии утолщённых кромок и параметров деформирующего ролика, зависящих от величины осадки кромок, разработана математическая модель на основе контактной задачи для упругого (ролик) и упругопластичного (заготовки) тел с билинейным законом упрочнения. Построена трехмерная упрощенная геометрическая модель установки, которая учитывает ее симметрию. На поверхностях контакта выбраны специальные контактные конечные элементы и произведено сгущение конечноэлементной сетки. Численная реализация модели осуществлена в пакете ANSYS.  

Результаты исследования. Теоретическая модель позволяет оценивать напряжённо-деформированное состояние взаимодействующих элементов. На основе разработанной конечноэлементной модели проведены расчеты параметров утолщенных кромок и определена геометрия утолщённых кромок. На разработанном лабораторном оборудовании проведены натурные эксперименты по утолщению кромок заготовок. Результаты эксперимента подтверждают адекватность разработанной теоретической модели и расчетов на ее основе. Показана возможность регулирования размеров утолщённых кромок.

Обсуждение и заключение. Предложена технология получения утолщённых кромок в местах выполнения сварных швов, которая позволит снизить металлоёмкость конструкций и обеспечить несущую способность сварных соединений не ниже аналогичных характеристик основного металла. Разработана теоретическая модель процесса и проведен численный эксперимент, позволяющие выбрать параметры технологического процесса. 

1. Сварка трением с перемешиванием — плюсы и минусы / В. А. Фролов, А. Н. Иванюхин, А. Н. Сабанцев [и др.] // Сварочное производство. — 2008. — №10. — С. 12–19.

2. Pengfei Yu. Analysis and characterization of dynamic recrystallization and grain structure evolution in friction stir welding of aluminum plates / Yu. Pengfei, Wu. ChuanSong, Lei Shi // Acta Materialia. — 2021. — Vol. 207. — P. 116692. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116692

3. Defalco, J. Friction stir welding vs. fusion welding / J. Defalco // Welding J. — 2006. — Vol. 85 (3). — P. 42–44.

4. Okamura, H. Friction stir welding of aluminum alloy and application to structure / H. Okamura, K. Aota, M. Ezumi // J. of Jap. Institute of Light Metals. — 2000. — Vol. 50 (4). — P. 166–172. https://doi.org/10.2464/jilm.50.166

5. Лукьянов, В. Ф. Производство сварных конструкций (изготовление в заводских условиях) / В. Ф. Лукьянов, В. Я. Харченко, Ю. Г. Людмирский. — Ростов-на-Дону : Терра Принт, 2006. — 336 с.

6. Котлышев, Р. Р. Расчет температур при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов / Р. Р. Котлышев, Л. Г. Шучев, А. В. Крамской // Вестник Донского государственного технического универистета. — 2010. — Т. 10, №5 (48). — С. 693–699.

7. Котлышев, Р. Р. Сварка трением с перемешиванием / Р. Р. Котлышев: моногр. — Ростов-на-Дону : Издательский центр ДГТУ, 2012. — 135 с.

8. Покляцкий, А. Г. Сварка трением с перемешиванием –эффективный способ повышения эксплуатационных характеристик конструкций / А. Г. Покляцкий, А. Я. Ищенко, В. Е. Федорчук // Автоматическая сварка. — 2010. — № 4. — С. 45–50.

9. Virendra Pratap Singh. Mechanical and microstructural properties evolutions of various alloys welded through cooling assisted friction-stir welding: A review / Virendra Pratap Singh, Surendra Kumar Patel, Basil Kuriachen // Intermetallics. — 2021. — Vol. 133. — P. 107122. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2021.107122

10. Mrinal Sahu. Optimization of process parameters of friction stir welded joints of marine grade AA 5083 / Mrinal Sahu, Atanu Paul, Subhas Ganguly // Materials Today: Proceedings. 2021. — Vol. 44(2). — P. 2957–2962. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.938

11. Optimization of friction stir welding parameters during joining of AA3103 and AA7075 aluminium alloys using Taguchi method / Anil Raj, J. Pratap Kumar, Anil Melwin Rego [et al.] // Materials Today: Proceedings, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.246

12. Effects of cryogenic and annealing treatment on microstructure and properties of friction stir welded TA15 joints / Xianglai Xu, Xueping Ren, Hongliang Hou, Xian Luo // Materials Science & Engineering A. — 2021. — Vol. 804. — P. 140750. https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.140750

13. High-strength joint of nuclear-grade FeCrAl alloys achieved by friction stir welding and its strengthening mechanism / Yanying Hu, Yunqiang Zhao, Yongbing Peng [et al.] // Journal of Manufacturing Processes. — 2021. — Vol. 65. — P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.03.007

14. An investigation of the impact of axial force on friction stir-welded AA5086/AA6063 on microstructure and mechanical properties butt joints / R. Ramamoorthi, K. P. Yuvaraj, C. Gokul [et al.] // Materials Today: Proceedings. — 2021. — Vol. 37 (2). — P. 3159–3163. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.050

15. Sucharitha, M. Experimental investigations on the effect of tool rotational speed on mechanical properties and microstructure of friction stir welded AZ31 Mg alloy / M. Sucharitha, B. Ravi Sankar, P. Umamaheswarrao // Materials Today: Proceedings, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.11.788

16. Kareem N. Salloomi. Coupled Eulerian-Lagrangian prediction of thermal and residual stress environments in dissimilar friction stir welding of aluminum alloys / Kareem N. Salloomi, Sanaa Al-Sumaidae // Journal of Advanced Joining Processes. — 2021. — Vol. 3. — P. 100052. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2021.100052