A STUDY OF JOINT WELD MICROSTRUCTURE AFTER FRICTION WELDING IN THE PRODUCTION OF COMBINED COMPOSITE PARTS

Andreeva S. A.; Dalskaya G. Y.; Demin V. L.; Yudin G. A.; Tyurina S. A.

doi:10.23670/IRJ.2023.129.26

A STUDY OF JOINT WELD MICROSTRUCTURE AFTER FRICTION WELDING IN THE PRODUCTION OF COMBINED COMPOSITE PARTS

Research article

Yudin G. A.

Demin V. L.

Dalskaya G. Y.

Andreeva S. A.

DOI:

https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.129.26

Issue: № 3 (129), 2023

Suggested:

09.01.2023

Accepted:

27.02.2023

Published:

17.03.2023

1142

13

XML

PDF

Abstract

Friction welding is a method of joining materials in the solid phase, in which the junction zone is heated due to the work against frictional forces generated on the welded surfaces, which are in relative motion and pressed against each other by the normal force

, , .

Destruction and removal of contaminants is achieved by thermal effect, mechanical wear and the plastic flow of the metal along the sliding surface. After the desired welding temperature is reached in the joint zone and a certain material deformation is achieved, the relative motion of the workpieces stops almost immediately, and the welding process ends with the natural cooling of the product. Specifics of the method are associated with the kinetics of heat release and plastic deformation of materials

, , .

In the work, we chose an auger conveyor with a working part made of wear-resistant MCM with aluminium matrix and a fastening part made of aluminium alloy AK4 as a model combined composite part. Composition of MCM AK4 – reinforcing elements SiC and B4C in different ratios (5%B4C; 5%B4C+10%SiC; 20%SiC).

The composite material was made by introducing reinforcing particles by mechanical mixing into the melt and, after crystallization, 12 mm diameter rods were extended from the melt. For friction welding, AK4 and MKM rods with different reinforcing fillers were used. Welding was carried out on the machine MST-31 at different modes. The study of the plastic flow of AK4 and AKM alloys in the welding zone showed that the volume fraction of the filler, regardless of its nature, significantly affects the plastic deformation of the material at friction welding temperatures. Studies of the microstructure of the weld and the weld zone showed that the extrusion process has a rather strong effect both on the microstructure of AK4 alloy and on the microstructure of MCM, the volume fraction of the filler, regardless of nature, significantly affects the plastic deformation of the material at friction welding temperatures. An increase in the heating pressure from 0.12 to 0.2 MPa and a further increase in forging pressure from 0.18 to 0.3 MPa resulted in the formation of a crack in the MCM near the weld line. Measurements of microhardness showed that the hardness in the weld zone using friction welding in AK4 alloy increased by 23%, and the geometric shape of the prints suggests that there are no internal stresses in the weld zone.

Keywords:

friction welding, microstructure, combined part, weld joint, weld zone, structural transformations, composite material.

1. Введение

Номенклатура свариваемых материалов достаточно широка: малоуглеродистые, углеродистые, инструментальные, высоколегированные стали различных классов, алюминиевые, медные, титановые сплавы, цирконий как в однородном, так и в разнородных сочетаниях, термопласты

, .

Для сварных соединений, получаемых этим методом, в большинстве случаев характерны высокие (не ниже основного материала) показатели механических свойств и высокая их стабильность. Разброс показателей прочности и пластичности 5,7-10%. В шве отсутствуют поры, раковины, инородные включения. Структура мелкозернистая, зерно равноосное. Это объясняется спецификой процесса сварки трением, при котором обеспечиваются эвакуация из зоны соединения всякого рода загрязнений, значительная пластическая деформация металла нагретой зоны при малой ее протяженности, а сами соединяемые поверхности изолированы от контакта с воздухом

, , , .

Целью нашей работы являлось исследование влияния различных факторов на качество сварного соединения, получаемого методом сварки трением на примере шнека героторного мотора с рабочей частью из износостойкого МКМ с алюминиевой матрицей и крепежной части из алюминиевого сплава АК.

2. Объекты и методы исследования

В качестве матричного сплава был выбран жаропрочный алюминиевых сплав АК4. (см. табл. 1).

Таблица 1 - Химический состав сплава АК4

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.26.1

Состав, %	Cu	Fe	Mg	Ni	Ti	Zn	Mn	Si	Al
Справочник	1,9-2,5	0,8-1,3	1,4-1,8	0,8-1,3	-			0,5-1,2
АК4	2,5	1,1	1,6	1,0	0,06	0,06	0,06	-	Ост.

Основными фазами, определяющими свойства сплава, являются AlFeSi, Al2CuMg, Al4CuMg5Si4 (увеличение жаропрочности), FeNiAl9 (увеличивает эффект термической обработки, механические свойства и жаропрочность), Cu2FeAl7 (снижает механические свойства сплава)

.

Для изучения влияния материала, объемной доли и размеров частиц исследовались композиционные материалы на основе алюминиевого сплава АК4 (табл. 13) с армирующими элементами SiC и B4C в различном соотношении (см. табл. 2).

Таблица 2 - Номера и состав образцов

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.26.2

Номер образца	Количество замешанных частиц
1	+ 5%B4C
2	+5%B4C+10%SiC
3	+20%SiC

Композиционный материал изготавливался введением армирующих частиц методом механического замешивания (см. рис.1), который заключается в следующем: тигель со слитком АК4 помещался в электрическую печь и нагревался до температуры 7000С, далее в расплав опускался импеллер, скорость вращения которого 200 об/мин. Далее в воронку расплава, образованную вращением импеллера, вводился по желобу определенное объемное содержание наполнителя.

Рисунок 1 - Схема получения МКМ методом механического замешивания

После перемешивания наполнителя в расплаве суспензия переливалась в изложницу для кристаллизации. Далее из полученного материала экструзией изготавливались стержни диаметром 12 мм. (см. рис.2).

Рисунок 2 - Процесс экструзии

Физико-механические свойства сплава АК4 и композитов на его основе представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Физико-механические свойства сплава АК4 и композитов на его основе

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.26.5

	При t=200С
Количество замешанных частиц	σВ, МПа	σ0,2, МПа	σ, %	HB
АК4	433	307	18,5	117
+5%B4C	421	365	2,8	128
+5%B4C+10%SiC	457	425	2	130
+20%SiC	465	427	2,3	136

Для исследования были изготовлены образцы, имеющие форму цилиндра с габаритами, длина 60 мм, диаметр 12 мм. Схема и режимы сварки трением представлены в таблице 4 и на рис.3.

Таблица 4 - Режимы сварки машиной МСТ-31

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.26.6

№	Режим
№	Частота вращения, мин-1	Величина осадки при нагреве, мм	Давление при нагреве, МПа	Давление при проковке, МПа
1	960	5	0,12	0,18
2	960	5	0,2	0,3
3	960	5	0,12	0,18

Рисунок 3 - Схема сварки трением:

1 - вязкий слой; 2 - сплав АКМ; 3 - АК4; 4 - зона смешивания

Исследование пластического течения сплава АК4 и АКМ в зоне сварки проводилось следующим образом: из сваренных модельных образцов (см. рис.4.) изготавливались шлифы в продольном направлении модельных образцов (см. рис.5).

Рисунок 4 - Сваренные модельные образцы

Рисунок 5 - Шлифы в продольном направлении модельных образцов

Панорамные снимки микроструктуры образцов представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Панорамные снимки микроструктуры образцов:

а - с содержанием 5% B4C; б - с содержанием 20% SiC; в - с содержанием 5% B4C + 10% SiC

Примечание: травление на зерно в смеси кислот

3. Обсуждение полученных результатов

На панорамных снимках хорошо видно пластическое течение металла и линия тока. Следует отметить, что пластическое течение металла во всех образцах идентично и составляет у КМ с содержанием 5% B4C – 8 мм по длине, у КМ с содержанием 20% SiC – 2мм, у КМ с содержанием 5% B4C и 10%SiC – 4 мм, а у сплава АК4, у всех образцов, порядка 14 мм. Отсюда можно сделать вывод, что объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением.

На первом этапе исследовалась микроструктура сплава АК4. Как говорилось выше пруток для сварки трением из сплава АК4 так же, как и МКМ изготавливался методом экструзии. На рисунке 7 хорошо видна полосчатая микроструктура, фазы направлены вдоль линии экструзии.

Рисунок 7 - Полосчатая микроструктура АК4

В то же время в околошовной зоне (см. рис.8 а, б) наблюдается изгиб полосчатости микроструктуры в направлении обратном вращению образца при сварке. Также следует отметить, что происходит некоторое дробление фаз (рис.6. а, рис.7. а).

Рисунок 8 - АК4 + (5% B4C+ 10%SiC). Околошовная зона АК4

В экструдированном прутке из МКМ (5% B4C) частицы располагаются достаточно равномерно (см. рис. 9.) и все частицы ориентированы большой осью вдоль линии экструзии.

Рисунок 9 - Экструдированный пруток АК4+5% B4C

Хотя в некоторых местах наблюдаются конгломераты частиц (см. рис.10.) со значительной объемной долей армирующего наполнителя, имеющие глобулярную форму. Известно, что конгломераты практически всегда после процесса механического замешивания имеют глобулярную форму. Переход геометрической формы конгломератов с глобулярной на эллипсоидную можно отнести за счет экструзии. Микропустот в структуре материала не наблюдается.

Также хорошо видно, что из конгломератов с очень высокой объемной долей глобулярной формы при изготовлении шлифов механическим методом часть армирующего наполнителя из центра выпало и частицы наполнителя в таких конгломератах остались только по периферии.

Рисунок 10 - Конгломераты частиц глобулярной формы

В околошовной зоне (см. рис.11.) также, как и в образцах АК4 видно изменение направления ориентации структуры обратное вращению при сварке трением. Также хорошо видны дефекты в виде сильно вытянутых пор, образованных в процессе пластической деформации околошовной зоны (такие поры могли образовываться как за счет перемещения слоев материала в процессе разогрева с последующим давлением, так и за счет образования новых кластеров в процессе течения материала. А при изготовлении шлифа часть частиц вырвалось из центральной части).

Рисунок 11 - Структура околошовной зоны МКМ

В зоне шва (см. рис.12) четко проглядывается линия разделения МКМ и АК4, направление тока материалов практически перпендикулярно главной оси образцов. Частицы в МКМ ориентированы в направлении, совпадающем вращению и только в некоторых местах ближе к краю шва, наблюдаются отдельные частицы в матрице образцах АК4, что говорит о достаточно сильном перемешивании в зоне шва сплава АК4 и МКМ.

Рисунок 12 - Зона шва МКМ и АК4

Для изучения влияния объемной доли на структуру материала в зоне сварки трением в материал МКМ с 5% B4C дополнительно механическим перемешиванием вводилось 10% SiC. Структура МКМ с такой объемной долей наполнителя представлена на рисунке 13. Из рисунка 13 (а) видно, что после экструзии наблюдается некоторая полосчатость структуры образованная зонами с повышенным содержанием объемной доли наполнителя.

Рисунок 13 - Структура МКМ (5% B4C + 10% SiC)

В околошовной зоне также, как и в образце с содержанием 5% B4C видно изменение направления течения материала. Практически все частицы наполнителя ориентированы главной осью вдоль направления течения (см. рис.14).

Рисунок 14 - Околошовная зона КМ (5% B4C)

Дополнительное образование конгломератов в этой зоне не наблюдается.

В шовной зоне см. (рис. 15) хорошо видна граница между двумя образцами. Частицы наполнителя практически не мигрируют в образец АК4 также хорошо видна трещина вблизи границы шва в МКМ (см. рис.16 а,б).

Рисунок 15 - Шов

Рисунок 16 - Трещина вблизи границы шва

Такой дефект может быть образован за счет увеличение давления при нагреве с 0,12 до 0,2 МПа и при дальнейшем увеличении давления при проковке с 0,18 до 0,3 МПа. На рисунке 17 хорошо видно, что трещина заполнена мелкодисперсными включениями. Это могут быть разрушенные в процессе сварки частицы армирующей фазы.

Рисунок 17 - Трещина в зоне шва

Для продолжения исследования влияния объемной доли было решено повысить ее до 20% SiC. Характер микроструктуры образца МКМ идентичен образцу из МКМ 5% B4C+ 10% SiC. Также наблюдается полосчатость образованная, частицами с более высокой объемной долей. Конгломератов не наблюдается (см. рис.18).

Рисунок 18 - Структура МКМ (АК4 + 20% SiC)

В околошовной зоне (см. рис.19.) наблюдается образование сильно вытянутых конгломератов с очень высокой долей наполнителя. Частицы строго ориентированы главной осью вдоль направления течения материала.

Рисунок 19 - Околошовная зона МКМ (АК4 + 20% SiC)

В шве (см. рис.20) четко просматривается граница между двумя образцами. И только на периферии сварного шва присутствует достаточно большой конгломерат частиц, внедренный в образец АК4 (см. рис.21) образованный отрывом части образца из МКМ в процессе перемешивания в зоне шва.

Рисунок 20 - Шов АК4+20%SiC

Рисунок 21 - Шов, периферия

Снижение давления при нагреве и проковке с 0,2 и 0,3 МПа до 0,12 и 0,18 МПа соответственно позволило избежать образования трещины в МКМ вблизи границы шва.

Микротвердость определялась на микротвердомере серии Durascan фирмы EMCO-TEST по методу Виккерса. Снимки размеров и геометрической формы отпечатков на образце АК4 представлены на рисунке 22.

Рисунок 22 - Снимки размеров и геометрической формы отпечатков на образце АК4:

а-и - точки замеров (см. табл. 5)

Микротвердость определялась с шагом 2мм. Исследовались области:

- вблизи околошовной зоны АК4;

- в околошовной зоне АК4;

- в зоне сварного шва;

- в околошовной зоне КМ.

Результаты замеров представлены в таблице № 5 и сведены в зависимость (см. рис.23).

Таблица 5 - Результаты замеров твердости

DOI:10.23670/IRJ.2023.129.26.27

Обозначение точки	Позиция X	Позиция Y	Твердость (Сред.) МПа	Диагональ			H min	H max
Обозначение точки	Позиция X	Позиция Y	Твердость (Сред.) МПа	0	1	2	H min	H max
а	0	0	114	0,04041	0,0396	0,0412	70	140
б	0,2	0	103	0,04239	0,0425	0,0423	70	140
в	0,4	0	103	0,04239	0,0435	0,0413	70	140
г	0,6	0	108	0,04134	0,0406	0,0421	70	140
д	0,8	0	112	0,04064	0,0405	0,0408	70	140
е	1,0	0	115	0,04760	0,0484	0,0468	70	140
ж	1,2	0	115	0,04023	0,0408	0,0396	70	140
з	1,4	0	117	0,03982	0,0398	0,0399	70	140
и	1,6	0	127	0,03818	0,0382	0,0381	70	140

Рисунок 23 - Результаты замеров твердости

Как видно из рисунка 21, судя по геометрической форме отпечатков, остаточные внутренние напряжения в околошовной зоне практически отсутствуют, тогда как известно, что при любом виде электро- или газосварки в околошовной зоне всегда присутствуют остаточные напряжения, появляющиеся из-за перекристаллизации сварного шва и являющиеся факторами, снижающими механические характеристики материала изделия. Поэтому после газо- и электросварки всегда рекомендуется термическая обработка для снятия остаточных напряжений, что является дополнительной энергоемкой технологической операцией.

Анализ полученной зависимости позволяет сделать вывод о прочности сварного шва в исследуемых соединениях. Можно заметить, что со стороны сплава АК4 по мере приближения к сварному шву твердость несколько возрастает. Полученные результаты позволяют сказать, что ожидаемая прочность сварного шва будет по крайней мере не ниже прочности исходного сплава АК4 и такой метод изготовления комбинированной детали шнек героторного насоса может быть перспективным.

На основании проведенных исследований был изготовлен натурный образец «шнек героторного насоса» (см. рис.24).

Рисунок 24 - Натурный образец «Шнек героторного насоса»

4. Заключение

Проведенные металлографические исследования показали следующее:

- процесс экструзии достаточно сильно влияет как на микроструктуру сплава АК4, так и на микроструктуру МКМ;

- объемная доля наполнителя независимо от природы значительно влияет на пластическую деформацию материала при температурах сварки трением;

- увеличение давления при нагреве с 0,12 до 0,2 МПа и при дальнейшем увеличении давления при проковке с 0,18 до 0,3 МПа привело к образованию трещины в МКМ вблизи линии сварного шва.

Замеры микротвердости показали, что твердость в околошовной зоне при использовании сварки трением в сплаве АК4 повысилась на 23%, а геометрическая форма отпечатков говорит о том, что внутренние напряжения в зоне сварки отсутствуют.

Метод изготовления комбинированной детали шнека героторного насоса сваркой трением может быть перспективным.

Additional materials

Not specified

Financing

Авторы не получали финансовой поддержки для проведения исследования, написания и публикации статьи

Acknowledgements

none

Conflicts of interests

Not specified

References

Dric A.M. Tehnologicheskie osobennosti svarki treniem s peremeshivaniem dispersno-uprochnennogo aljumomatrichnogo kompozicionnogo materiala [Technological Specifics of Friction Stir Welding of Dispersion-Strengthened Alumina Matrix Composite Material] / A.M. Dric, V.V. Ovchinnikov, A.M. Gubin // Tehnologija legkih splavov [Light Alloy Technology]. — 2021. — 3. — p. 11-20. [in Russian]
Shtrikman M.M. Sostojanie i razvitie processa svarki treniem linejnyh soedinenij [Status and Development of Friction Welding of Linear Joints] / M.M. Shtrikman // Svarochnoe proizvodstvo [Welding Production]. — 2007. — 10. — p. 25-32. [in Russian]
Shavnev A.A. Metody soedinenija aljuminievyh kompozicionnyh materialov [Methods of Joining Aluminium Composites] / A.A. Shavnev, E.I. Kurbatkina, D.V. Kosolapov // Aviacionnye materialy i tehnologii [Aviation Materials and Technology]. — 2017. — 3(48). — p. 35-42. [in Russian]
Baranova L.V. Metallograficheskoe travlenie metallov i splavov. Sprav [Metallographic Etching of Metals and Alloys] / L.V. Baranova, Je.L. Demina. — M.: Metallurgija, 1986. — 256 p. [in Russian]
Kobernik N.V. Svarka plavleniem dispersnouprochnennyh aljumomatrichnyh kompozicionnyh materialov (obzor) [Fusion Welding of Dispersion Strengthened Alumina Matrix Composites (overview)] / N.V. Kobernik // Svarka i diagnostika [Welding and Diagnostics]. — 2007. — 3. — p. 34-40. [in Russian]
Frolov V.A. Svarka treniem s peremeshivaniem termicheski uprochnjaemogo splava V95 sistemy Al–Zn–Mg–Cu [Friction Stir Welding of Al-Zn-Mg-Cu System Heat-Strengthened Alloy B95] / V.A. Frolov, V.Ju. Konkevich, P.Ju. Predko [et al.] // Svarochnoe proizvodstvo [Welding Production]. — 2013. — 3. — p. 21-26. [in Russian]
Kumar G.H. Mechanical Behaviour of Friction Stir Welding on Aluminium Based Composite Material / G.H. Kumar, B. Vishwanath, R. Purohit [et al.] // Materials Today. — 2017. — Iss. 4. — P. 5336-5343. — DOI: 10.1016/j.matpr.2017.05.044.
Sutton M.A. Microstructure Studies of Friction Stir Welds in 2024–T3 Aluminum / M.A. Sutton, B. Yang, A.P. Reynolds // Materials Science and Engineering. — 2002. — 323(2002). — p. 160-166. — DOI: 10.1016/S0921-5093(01)01358-2
Jata K.V. Continuous Dynamic Recrystallization during Friction Stir Welding of High Strength Aluminum Alloys / K.V. Jata, S.L. Semiatin // Scripta Materialia. — 2000. — Vol. 43. — Iss. 8. — p. 743-749. — DOI: 10.1016/S1359-6462(00)00480-2
Jata K.V. Evolution of Texture, Micro Structure and Mechanical Property Anisotropy in an Al-Li-Cu Alloy / K.V. Jata, S. Panchanadeeswaran, A.K. Vasudevan [et al.] // Materials Science and Engineering. — 1998. — Vol. 257. — Iss. 1. — p. 37-46. — DOI: 10.1016/S0921-5093(98)00822-3
Christy J. Review of Recent Trends in Friction Stir Welding Process of Aluminum Alloys and Aluminum Metal Matrix Composites / J. Christy, A.-H.I. Mourad, M.M.Sherif [et al]. // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. — 2021. — Vol. 31. — Iss. 11. — p. 3281-3309. — DOI: 10.1016/S1003-6326(21)65730-8
Nemenenok B.M. Sposoby poluchenija nerazemnyh soedinenij splavov na osnove aljuminija i titana [Methods of Producing Permanent Bonded Joints of Aluminium-Titanium Alloys] / B.M. Nemenenok, I.V. Rafal'skij, P.E. Lushhik [et al.] // Lit'e i metallurgija [Casting and Metallurgy]. — 2020. — 1. — p. 56–64. — DOI: 10.21122/1683-6065-2020-1-56-64 [in Russian]

Review

All articles are peer-reviewed. But the reviewer or the author of the article chose not to publish a review of this article in the public domain. The review can be provided to the competent authorities upon request.