Istraživanje procesa zavarivanja trenjem i miješanjem između T2 bakra i H62 mesinga različitih materijala
Sažetak: Istraživanja procesa zavarivanja trenjem uz miješanje provedena su na različitim materijalima bakra T2 i mesinga H62. Eksperimentalno su analizirani nastanak šava, mikrostruktura spojeva i mehanička svojstva spojeva bakra i mesinga s različitim debljinama ploča pod različitim procesnim parametrima. Raspodjela dva materijala u spoju i fazni sastav na spoju analizirani su iz mikroskopske perspektive. Eksperimenti pokazuju da se odgovarajućim parametrima procesa zavarivanja može dobiti spoj bakra i mesinga odlične strukture i performansi, a na spoju spoja postoji prelazna zona. , prelazni materijal širine od oko 1 do 10 μm. Studija je također otkrila da su mikrotvrdoća i prosječna vlačna čvrstoća spoja između mesinga i bakra.
Ključne riječi: zavarivanje trenjem; različiti metali; bakar; mesing; parametri zavarivanja
CLC klasifikacioni broj: TG453 Identifikacioni kod dokumenta: A
U savremenoj industriji često je potrebno zavariti materijale različitih svojstava u kompozitne dijelove kako bi se zadovoljili ne samo različiti zahtjevi performansi, već i uštedi vrijedni materijali i smanjenje troškova. Međutim, zbog velikih razlika u performansama između različitih metala, kombinacije su različite i zahtjevi za njihove spojeve su različiti, pa je različite metale obično mnogo teže zavariti od istog metala.
Zavarivanje trenjem (FSW) je metoda zavarivanja koja koristi toplinu trenja kao izvor topline, poznata i kao tehnologija zavarivanja u čvrstoj fazi. Od svog nastanka ova metoda je privukla široku pažnju domaćih i stranih istraživača i uspješno se koristi. Uglavnom se koristi za zavarivanje aluminijskih legura. Postupno se proširio na zavarivanje legura magnezija, legura bakra, legura titana, nehrđajućeg čelika i drugih materijala [1~6]. Trenutno postoji nekoliko izvještaja o istraživanjima zavarivanja različitih metala trenjem uz miješanje [7]. Ovaj članak Test FSW procesa uglavnom je proveden na različitim metalima od T2 bakra i H62 mesinga. Proučavani su procesni parametri koji utječu na kvalitetu spoja bakar-mjed i fazne komponente koje nastaju tokom procesa zavarivanja. Također je proučavana mikrostruktura šava i svojstva spoja. Analizirana su mehanička svojstva.
1. Eksperimentalne metode
Test koristi T2 bakar debljine 2 mm i mesing H62 i T2 bakar debljine 4 mm i mesing H62 kao eksperimentalne materijale. Na specijalnoj mašini za zavarivanje trenjem sa mešanjem SW-3LM-015, eksperiment FSW je izveden na ploči bakra i mesinga. Eksperiment Prilikom zavarivanja legura bakra, koristite frikcionu glavu prikladnu za zavarivanje legura bakra. Dužina igle za miješanje je 0,2 mm do 0,3 mm kraća od debljine zavarene ploče. Ugao između pravca i vertikalne linije površine obratka je 2 stepena. Promjenom parametara procesa možemo postići najbolje rezultate. Optimalan oblik i kvalitet spoja. Nakon što je zavarivanje završeno, odrežite željeni uzorak u smjeru okomitom na zavar. Pripremljeni metalografski uzorak korodira se rastvorom hlorovodonične kiseline (10 g FeCl3, 6 ml HCl, 40 ml H2O, 60 ml C2H5OH). Prilikom jetkanja, prvo se ugravira bakrena strana, a zatim mesingana strana. Nakon graviranja, optički mikroskopi velikih razmjera MEF3 i ADVANCE 8D rendgenska difrakcija korišćeni su za analizu strukture i objekata zone spoja. Analiziran je fazni sastav, te mikrotvrdoća i mehanička svojstva spojeva.
2. Eksperimentalni rezultati i analiza
2.1 Utjecaj parametara procesa na formiranje površine zavara
Tokom procesa zavarivanja trenjem, s obzirom da je temperatura napredne strane niža od one na povratnoj strani, a toplotna provodljivost i temperatura tališta crvenog bakra su veće od onih kod mesinga, mesing se uglavnom postavlja na naprednu stranu i crveni bakar se stavlja na povratnu stranu prilikom zavarivanja. Eksperiment Neki od korištenih parametara procesa zavarivanja prikazani su u Tabeli 1. Tabela 1. Parametri procesa zavarivanja trenjem i miješanjem različitih materijala od bakra i mesinga.
Slika 1 prikazuje formiranje površine zavarivanja T2 bakra i H62 mesinga debljine 2 mm tokom zavarivanja trenjem u različitim procesnim uslovima. Gornja strana slike je prednja strana - mesing, a donja strana povratna strana - bakar. Sa slike 1c, iz d se može vidjeti da kada je radni komad tanak, brzina rotacije glave trenja ima veći utjecaj na formiranje površine. Kada je brzina rotacije 700 r/min, izbor brzine zavarivanja je relativno velik, tako da iako je brzina zavarivanja povećana, brzina zavarivanja Formiranje površine šava počinje da se pogoršava. To je zato što povećanje brzine rotacije uvelike povećava unos topline po jedinici dužine zavara, što pogoršava svojstva tečenja materijala. Drugi način povećanja topline je povećanje pritiska ramena glave trenja. Budući da je ploča tanka, toplina nastala trenjem ramena igra glavnu ulogu. Pri istoj brzini rotacije, doprinos pritiska u ramenu toplini je različit. Slike 1a i 1b su kada brzina rotacije ostaje nepromijenjena, a brzina zavarivanja se mijenja. Na dobijenom dijagramu oblikovanja površine, zbog velike količine pritiska i topline koju stvara glava trenja na slici 1b, prsten za formiranje površine djeluje neujednačeno po veličini.
2.2 Mikrostruktura zgloba i fazna analiza
Slika 2 je morfologija poprečnog presjeka spoja FSW od bakra i mesinga H62 debljine 4 mm. Desna strana slike je prednja strana - mesing, a lijeva je povratna strana - bakar. Kao što se može videti sa slike, razlika između crvenog bakra i mesinga Mešanje se uglavnom dešava u zoni zavarenog grumena, i ta dva teku jedno u drugo. U području grudnjaka zavara nalazi se prstenasta struktura luka, predstavljena sa A na slici [8]. Glavna komponenta u ovoj oblasti je mesing, a crveni bakar je dopiran samo u maloj količini. U međuvremenu, mješovita površina je velika
U nekim područjima obje su izbočine u obliku blokova velike površine povezane zajedno. Materijal koji se prenosi tokom procesa miješanja mesinga na desnoj (prednjoj strani) je uglavnom unutar raspona promjera ramena i sredine igle za miješanje, pokretana ramenom. Plastični metal na strani koja napreduje pokriva metalnu površinu na povratnu stranu, dok se lijevi bakar (povratna strana) pomiče preko središta zrna zavarenog šava na stranu koja napreduje vođena rotacijom ramena osovine i igle za miješanje. Materijal blizu ramena može doći do vruće strane napredne strane. Mehanički pogođena zona. Metal u zoni zrna zavara se miješa i miješa jedan s drugim zbog jake plastične posmične deformacije i tečenja [9,10]. Protok metala u ovoj zoni zapravo se kreće oko igle za miješanje prema određenim pravilima. Konačno, formira se prstenasta struktura luka na A na slici. Iz analize situacije toka bakra na slici, može se vidjeti da je protok materijala na prednjoj strani podijeljen u tri situacije: jedna je da metal blizu kraja igle za miješanje teče naprijed odozdo prema gore; drugi je tok prstena luka se pojavljuje u sredini igle za mešanje, ali na prednjoj strani, ovaj tok je u skladu sa smerom protoka na kraju; treće, fenomen plastičnog vrtloga pojavljuje se na obrascu toka prstena luka. Bakar B koji se pojavljuje na prednjoj strani je prema gore od kraja igle za miješanje. Teče naprijed umjesto da se kreće sa iste visine bakra oko stražnje strane igle za miješanje. Slična situacija se događa i u spoju tanke ploče T2/H62. Zbog male debljine, dva materijala su povezana zajedno u nagnutoj ravni, au zrnu vara Područje gdje se pojavljuje malo crvenog bakra je potpuno pomiješano u mesingu.
Slika 3 je dijagram mikrostrukture različitih dijelova u odnosu na sliku 2. Iz slike se vidi da su veličina i oblik zrna u svakom dijelu zgloba različiti, a zbog postojanja mješovitih zona, situacija u zglobu je složenija. Slika 3a prikazuje površinu matičnog materijala bakra, za razliku od zavarivanja iste vrste bakra, zrna bakra u blizini površine mesinga značajno se povećavaju, kao što je prikazano na slici 3b, 3d. To je zato što su koeficijenti toplotne provodljivosti na obje strane glave trenja različiti. Budući da je temperatura crvenog bakra visoka, toplotna provodljivost je dobra. , velika količina topline se prenosi sa strane bakra, a bakar blizu mesingane strane nalazi se u području zrna vara, a provodljivost topline na obje strane je spora, što rezultira dugim vremenom zadržavanja visoke temperature u ovoj oblasti, što uzrokuje rast zrna bakra u ovoj oblasti. Na strani mesinga, jer je ulazna toplota previsoka, zrna izrastaju u gruba zrna jednakog osa. U području zrna šava, budući da dva materijala nisu jednolično pomiješana, oblik zrna se značajno povećava u području gdje je bakar malo pomiješan, dok su u zrnima pojedinačnog bakra u tom području znatno veća od onih kod mesinga, a zrna mesinga su fina i ravnomjerno raspoređena, kao što je prikazano na slici 3c. Slika 3f prikazuje mikrostrukturu mesingane termomehanički pogođene zone na prednjoj strani. U poređenju sa povratnom stranom, ovo područje ima očiglednu granicu, sa dvije razdjelne linije. Dvije strane su sastavljene od zrna s očiglednim razlikama u veličini. Analizirajući makroskopsku sliku, utvrđeno je da su linije razdvajanja na obje strane površine zrna šava u osnovi simetrične u odnosu na područje zrna šava. To je uzrokovano niskom temperaturom topljenja mesinga. U slučaju crvenog bakra i mesinga dolazi do međuprodukcije na spoju blok veza, ali je područje prodiranja izuzetno usko. U spoju T2/H62, iako zrna na strani bakra prolaze kroz dinamičku prekristalizaciju i dinamički oporavak tokom procesa zavarivanja, u poređenju sa mesinganom stranom, zrna su manja. Promjena veličine čestica nije očigledna. S druge strane, kod različitih metalnih zavarenih spojeva, uvjeti spajanja na granici dva materijala igra važnu ulogu u mehaničkim svojstvima spoja. Prema makroskopskom prikazu spoja, može se vidjeti da je većina oblika veze dva materijala sastavljena od. Sastoji se od područja sa očiglednim linijama razdvajanja, sa samo nekoliko mješovitih zona. Iz spojeva na slici 4 može se vidjeti da na spoju postoje faze koje se razlikuju od dva materijala, širine oko 10 μm, i raspodjele u obliku traka duž linije spoja. Slika Crna faza se infiltrira u bijelu fazu na spoju u 3a, što ukazuje da su dva materijala uglavnom povezana metalnim vezama. ADVANCE 8D rendgenska difrakcija korišćena je za faznu analizu na spoju, kao što je prikazano na slici 5. Analizom je utvrđeno da se pored baznih materijala bakra i mesinga, u spoju pojavljuje i metalno jedinjenje Cu5Zn8.
2.3 Analiza mehaničkih svojstava spojeva
Slika 6 je raspodjela vrijednosti mikrotvrdoće izmjerenih na određenim udaljenostima duž smjera od bakra do mesinga na poprečnom presjeku spoja T2/H62. Slika 6a je spoj dobiven kada je debljina ploče 4 mm i brzina rotacije 600 o/min. Raspodjela vrijednosti tvrdoće. U eksperimentu, prosječna vrijednost tvrdoće bakrenog osnovnog materijala je 95HV, a prosječna vrijednost tvrdoće mesinganog osnovnog materijala je 160HV. Celokupna distribucija krivulje je niska (bakar) - fluktuira u nižem opsegu, povećavajući (mesing) opadajuću. Postoji trend rasta. Budući da je tvrdoća osnovnog materijala od mesinga veća od tvrdoće crvenog bakra, mikrotvrdoća se značajno povećava u zoni prijelaza od crvenog bakra do mesinga. Postoji fenomen omekšavanja u cijelom zglobu. U poređenju sa crvenim bakrom, vrednost tvrdoće mesinga se više smanjuje. Velika, pala je za 40 ~ 60HV, dok je tvrdoća crvenog bakra pala samo za 10 ~ 20HV. Slika 6b prikazuje utjecaj procesa zavarivanja na vrijednost mikrotvrdoće spoja. Sa slike se vidi da je brzina rotacije 450 o/min, a brzina zavarivanja. Vrijednost mikrotvrdoće spoja na 80 mm/min je veća od one spoja pri većoj brzini rotacije i većoj brzini zavarivanja. Ovaj fenomen je posebno očigledan na strani mesinga, dok razlika u mikrotvrdoći na strani bakra nije značajna. Ovo je povezano sa tačkom topljenja i toplotnom provodljivošću njih dvoje. Pošto mesing ima nisku tačku topljenja, lakše je omekšati od bakra na višim temperaturama, tako da se tvrdoća mesinga smanjuje više od bakra. Budući da je ploča za zavarivanje relativno tanka, brzina rotacije tarne glave Doprinos toplini vara je relativno velik, tako da velika brzina rotacije stvara više topline, što ima veliki utjecaj na spoj i pojavu omekšavanja. je ozbiljan. Povećava se vrijednost tvrdoće u području zrna šava, što je povezano sa velikim brojem jednoličnih i finih zrna u ovoj oblasti. Budući da je granična linija T2/H62 vrlo uska, a vrh tvrdoće metalnog jedinjenja Cu5Zn8 u ovoj oblasti se u osnovi ne mjeri na slici. Iako je jedinjenje metala pronađeno u faznoj analizi, zbog malog sadržaja ima veći utjecaj na mehanička svojstva spoja. Mala. Sa površine loma uzorka, može se vidjeti da se lom nije jednostavno slomio od spoja dva materijala, već je puknuo prema bakrenoj strani u području zrna šava. Na površini loma pojavio se miješani međusloj od mesinga i bakra, a spoj je bio očigledan prije loma. Vrat je duktilna fraktura. U testu zatezanja spoja s debljinom ploče od 2 mm, većina lomova se dogodila na strani bakra, a ne na njenom spoju.
Slika 7 je poređenje istezanja i vlačne čvrstoće zavarenih spojeva dobivenih zavarivanjem bakra i mesinga sa debljinom ploče od 2 mm pri različitim parametrima procesa. Sa slike se može vidjeti da je prosječna vlačna čvrstoća spojeva u osnovi ista kao i bakrenih spojeva. Vlačna čvrstoća je jednaka. Kada je brzina rotacije glave trenja 600 o/min i brzina zavarivanja 55 mm/min, izduženje spoja je maksimalno, a zatezna čvrstoća također može dostići maksimum pod različitim kombinacijama brzine rotacije i brzine zavarivanja. Maksimalna vrijednost. Ali sveukupno, kvalificirani spojevi se mogu dobiti održavanjem brzine rotacije između 450 i 600 o/min, a dobivene vrijednosti istezanja spoja i vlačne čvrstoće su relativno idealne. Kada se brzina rotacije poveća na 700 o/min, budući da povećanje brzine rotacije povećava unos topline spoja, raspon odabira brzine zavarivanja se sužava. Kada je brzina zavarivanja nepravilno odabrana, izduženje spoja i vlačna čvrstoća značajno se smanjuju, čime se povećava poteškoća u kontroli kvalitete zavarivanja.
image.png
3. Zaključak
1) Odabirom odgovarajućih parametara procesa zavarivanja može se ostvariti zavarivanje trenjem i miješanjem različitih metala od bakra i mesinga, a struktura spoja i performanse su odlične.
2) Zbog različitih fizičkih svojstava bakra i mesinga, postoji velika razlika u veličini zrna bakra i mesinga u spoju bakra i mesinga nakon zavarivanja. Zrna mesinga u zoni zavarivanja su rafinirana, dok se zrna bakra pojavljuju u određenoj mjeri. U spoju postoji prelazni materijal između bakra i mesinga. Analiza difrakcije rendgenskih zraka pokazuje da se radi o Cu5Zn8, a širina prelazne zone je oko 1 do 10 μm.
3) Nakon zavarivanja, mikrotvrdoća spoja omekšava u različitim stepenima, a amplituda omekšavanja na strani mesinga je veća od one na strani bakra. Lom spoja nastaje na strani bakra, a prosječna vlačna čvrstoća spoja je između vlačne čvrstoće mesinga i bakra. .
