| 2015 №01 (08) | 2015 №01 (02) |
Журнал «Автоматическая сварка», № 1, 2015, с. 5-14
Моделирование тепловых процессов для улучшения структуры металлов и сплавов методом трения с перемешиванием
А.Л. Майстренко1, В.М. Нестеренков2, В.А. Дутка1, В.А. Лукаш1, С.Д. Заболотный1, В.Н. Ткач1
1 Ин-т сверхтвердых материалов им. В.Н. Бакуля НАНУ. 04074, г. Киев-074, ул. Автозаводская, 2. Е-mail: alcon@ism.kiev.ua
2 ИЭС им. Е.О. Патона НАНУ. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Реферат
Разработана компьютерная модель температурного поля в инструменте и деталях в процессе их сварки трением с перемешиванием. Моделирование температурного поля выполнено для обеих последовательных стадий процесса сварки: погружения штыря рабочего элемента инструмента в детали (1-я стадия) и поступательного движения погруженного штыря в детали (2-я стадия). Математическая модель представляет собой нелинейное уравнение нестационарной теплопроводности, в котором на 2-й стадии сварки учитывается поступательное движение штыря. Тепловые источники, возникающие в процессе сварки, описываются двумя составляющими: первая учитывает мощность источников тепла, обусловленных трением на поверхностях контакта инструмента с деталями, вторая – тепловыделение, вызванное механическим деформированием материала деталей. Выполнены математическое моделирование и экспериментальное исследование температурного поля в инструменте из кубического нитрида бора (кубонита) и твердого сплава, а также в медных деталях в процессе сварки трением. На основе согласования численных и экспериментальных результатов установлена адекватность разработанной модели. Показано, что использование сверхтвердых материалов (кубонита и твердого сплава) для изготовления рабочих элементов инструмента дает возможность обеспечить термомеханическую стойкость инструмента в процессе сварки. Показана также возможность повышения прочности сварных соединений деталей из магниевого сплава МЛ10 в результате применения трения с перемешиванием для модифицирования структуры поверхностных слоев свариваемых поверхностей деталей с их последующей электронно-лучевой сваркой. Библиогр. 27, табл. 1, рис. 14.
Ключевые слова: математическое моделирование, сварка трением с перемешиванием, температурное поле, инструмент из сверхтвердых материалов, модифицирование структуры, электронно-лучевая сварка
Поступила в редакцию 20.10.2014
Подписано в печать 24.12.2014
1. Intern. pat. PCT/GB92/02203; Pat. 9125978.8 GB; Pat. 5,460,317 US. Friction stir butt welding / W M. Thomas, E.D. Nicholas, J.C. Needham et al. – Publ. Dec., 1991.
2. Штрикман М.М. Состояние и развитие процесса сварки трением линейных соединений (Обзор) // Свароч. пр-во. – 2007. – № 10. – С. 25–32.
3. Восстановление плит медных кристаллизаторов непрерывной разливки стали методом наплавки трением с перемешиванием / В.И. Зеленин, М.А. Полещук, Е.В. Зеленин и др. // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения. – 2010. – Вып. 13. – С. 476–479.
4. Backer J.D., Bolmsjo G., Christiansson A.K. Temperature control of robotic friction stir welding using the thermoelectric effect // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2014. – № 70. – P. 375–383.
5. Pat. 005893507A US. Auto-adjustable pin tool for friction stir welding / R.J. Ding, P.A. Oelgoetz. – Publ. Apr. 13, 1999.
6. Friction stir welding and processing: 2007 ASM International / Eds R.S. Mishra, M.W. Mahoney, 2007. – 352 p. //www.asminternational.org.
7. Review: friction stir welding tools / R. Rai, A. De, H.K.D.H. Bhadeshia, T. DebRoy // Sci. and Technol. Welding and Joining. – 2011. – 16, № 4. – P. 325–342.
8. Friction stir welding of 20 mm thickness 1018 steels / R.J. Steel, J. Peterson, S. Sanderson et al. // Proc. of the twentysecond international offshore and polar engineering conf. Rhodes, Greece, June, 17–22, 2012. – 2012. – P. 238–243.
9. Buffa G., Fratini L., Shivpuri R. Finite element studies on friction stir welding process of tailored blanks // Computers and Structures. – 2008. – 86. – P. 181–189.
10. Three-dimensional heat and material flow during friction stir welding of mild steel / R. Nandan, G.G. Roy, T.J. Lienert, T. DebRoy // Acta Materialia. – 2007. – 55. – P. 883–895.
11. 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. 49–93.12. Kumbhar N.T., Bhanumurthy K. Friction stir welding of Al 6061 alloy // Asian J. Exp. Sci. – 2008. – 22, № 2. – P. 63–74.
13. Modelling of precipitation during friction stir welding of an Al–Mg–Si alloy / D. Carron, P. Bastid, Y. Yin, R.G. Faulkner // Technische Mechanik. – 2010. – 30, № 1–3. – P. 29–44.
14. Steady state thermomechanical modelling of friction stir welding / A. Bastier, M. H. Maitournam, K. van Dang, F. Roger // Sci. and Technol. Welding and Joining. – 2006. – 11. – P. 278–288.
15. Якимов А.В., Слободяник П.Т., Усов А.В. Теплофизика механической обработки. – Киев–Одесса: Либідь, 1991. – 240 с.
16. Nandan R., DebRoy T., Bhadeshia H.K.D.H. Recent advances in friction stir welding – process, weldment structure and properties // Progress in Materials Science. – 2008. – 53. – P. 980–1023.
17. Математичне моделювання теплового стану елементів технологічного вузла в процесі швидкісного електроспікання алмазовмісних композитних матеріалів / А.Л. Майстренко, В.А. Дутка, В.П. Переяслов, С.А. Іванов // Сверхтв. материалы. – 1999. – № 4. – С. 26–35.
18. Синтез, спекание и свойства кубического нитрида бора / А.А. Шульженко, С.А. Божко, А.Н. Соколов и др. – Киев: Наук. думка, 1993. – 256 с.
19. Варгафтик Н.Б. Теплофизические свойства веществ: Справ. – М.; Л.: Техноэнергоиздат, 1956. – 367 с.
20. Справочник по сталям и методам их испытаний / Под общ. ред. В.К. Григоровича. – М.: Металлургиздат, 1958. – 920 с.
21. Туманов В.И. Свойства сплавов системы карбид вольфрама – кобальт. – М.: Металлургия, 1971. – 95 с.
22. http://www.cniga.com.ua/index.files/cuprum.htm.
23. Таблицы физических величин: Справ. / Под ред. акад. И.К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с.
24. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справ. / Под общ. ред. В.А. Григорьева, В.И. Зорина. – М.: Энергоиздат, 1982. – 510 с.
25. Uyyuru R.K., Kailas S.V. Numerical analysis of friction stir welding process // J. Materials Eng. and Performance. – 2006. – 15, № 5. – P. 505–518.
26. On the choice of tool material in friction stir welding of titanium alloys / G. Buffa, L. Fratini, F. Micari, L. Settineri // Proc. of NAMRI/SME. – 2012. – 40. – P. 1–10.
27. Лавриненко В.И., Смоквина В.В., Солод В.Ю. Особенности морфологии порошков из кубического нитрида бора и их направленное использование в шлифовальном инструменте // Сучасні технології в машинобудуванні. – 2013. – Вип. 8. – С. 56–65.