НИТУ «МИСиС», Москва, Россия:

Н. А. Белов, профессор кафедры обработки металлов давлением, докт. техн. наук, эл. почта: nikolay-belov@yandex.ru
К. А. Цыденов, магистрант кафедры обработки металлов давлением
Н. В. Летягин, инженер кафедры обработки металлов давлением, канд. техн. наук
С. О. Черкасов, аспирант кафедры обработки металлов давлением

На примере горячекатаного листа из алюминиевого сплава Al – 2 Cu – 2 Mn – 0,4 Si – 0,2 Zr % (мас.) рассмотрена возможность получения соединений, обеспечивающих высокие механические свойства и термическую стабильность, сваркой трением с перемешиванием (СТП). Из негомогенизированного слитка данного сплава толщиной 40 мм на лабораторном прокатном стане при температуре 350 ^oC был получен лист толщиной 4 мм (степень обжатия 90 %). После прокатки из листа были вырезаны карточки, которые были соединены методом двухсторонней СТП по двум режимам. Для режима 1 усилие прижима инструмента составило 7551,12 Н при скорости продольного движения инструмента 0,3 м/мин, а для режима 2 — 7256,92 Н и 0,125 м/мин cоответственно. Частота вращения инструмента для двух режимов была одинаковой— 800 об/мин. Структура и свойства соединений были изучены до и после отжига при температуре 400 ^oC в течение 3 ч. Установлено, что экспериментальный сплав обладает высокой термической стабильностью, благодаря чему после СТП в зонах сварного шва и термического влияния снижение твердости не превышает 10 % и остается практически неизменным после отжига. Показано, что метод СТП позволяет получить высокое качество сварных соединений, сохраняя практически исходную прочность (σ_в = 280–290 МПа) при существенном повышении относительного удлинения δ (от 3 до 12–16 %). Повышение пластичности обусловлено формированием в зоне шва ультрамелкозернистой структуры (размер зерна менее 5 мкм), что можно объяснить протеканием динамической рекристаллизации в процессе СТП. Совокупность полученных результатов позволяет считать перспективным применение метода СТП для получения равнопрочных и термически стабильных соединений листового проката экспериментальных сплавов системы Al – Cu – Mn (Si, Zr), структура которых отличается от марочных сплавов серии 2ххх более высоким содержанием Mn-содержащих дисперсоидов.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 20-19-00249.

1. Дриц А. М., Овчинников В. В. Сварка алюминиевых сплавов. — М. : ИД «Руда и Металлы», 2020. — 476 с.
2. Heidarzadeh A., Mironov S., Kaibyshev R., Cam G., Simar A. et al. Friction stir welding/processing of metals and alloys: a comprehensive review on microstructural evolution // Progress in Materials Science. 2021. Vol. 117. P. 100752.
3. Leon J. S., Bharathiraja G., Jayakumar V. A review on friction stir welding in aluminium alloys // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 954, No. 1. P. 012007.
4. Attah B. I., Lawal S. A., Akinlabi E. T., Bala K. C., Adedipe O. et al. Friction stir welding of some selected high strength aluminium alloys // Cogent Engineering. 2021. Vol. 33. P. 232–237.
5. Verma S., Kumar V., Kumar R., Sidhu R. S. Exploring the application domain of friction stir welding in aluminum and other alloys // Materials Today: Proceedings. 2021. Vol. 50. P. 1032–1042.
6. Mir F. A., Khan N. Z., Siddiquee A. N., Parvez S. Joining of aluminium matrix composites using fr iction stir welding: a review // Journal of Materials: Design and Applications. 2022. Vol. 236, Iss. 5. P. 917–932.
7. Mishra R. S., Ma Z. Y. Friction stir welding and processing // Materials science and engineering: R: reports. 2005. Vol. 50, No. 1-2. P. 1–78.
8. Threadgill P. L., Leonard A. J., Shercliff H. R., Withers P. J. Friction stir welding of aluminium alloys // International Materials Reviews. 2009. Vol. 54, Iss. 2. P. 49–93.
9. Pouranvari M., Sharahi H. J., Movahedi M. Effect of liquation on the tensile properties of cast Mg – 9Al – 1Zn alloy fusion welds // Science and Technology of Welding and Joining. 2020. Vol. 25, No. 8. P. 698–705.

10. Kang M., Kim C. A review of joining processes for high strength 7xxx series aluminum alloys // Journal of Welding and Joining. 2017. Vol. 35, No. 6. P. 79–88.
11. Дриц А. М., Нуждин В. Н., Овчинников В. В., Конюхов А. Д. Исследование усталостной долговечности основного металла и сварных соединений листо в из сплава 1565ч // Цветные металлы. 2015. № 12. P. 88–93. DOI: 10.17580/tsm.2015.12.17
12. Pat. US5460317A. Friction welding / W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needham et al. ; published: 24.10.1995.
13. Magalhães V. M., Leitão C., Rodrigues D. M. Friction stir welding industrialisation and research status // Science and Technology of Welding and Joining. 2018. Vol. 23, No. 5. P. 400–409.
14. Wang G., Zhao Y., Hao Y. Friction stir welding of high-strength aerospace aluminum alloy and application in rocket tank manufacturing // Journal of Materials Science and Technology. 2018. Vol. 34, No. 1. P. 73–91.
15. Nosrati H. G., Yazdani N. M., Khoran M. Double-sided friction stir welding of AA 2024-T6 joints: Mathematical modeling and optimization // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2022. Vol. 36. P. 1–11.
16. Yang C., Wu C. S., Shi L. Phase-field modelling of dynamic recrystallization process during friction stir welding of aluminium alloys // Science and Technology of Welding and Joining. 2020. Vol. 25, No. 4. P. 345–358.
17. Дриц А. М., Овчинников В. В. Свойства сварных соединений литейных алюминиевых сплавов, полученных сваркой трением с перемешиванием // Цветные металла. 2020. № 1. P. 76–83. DOI: 10.17580/tsm.2020.01.11.
18. Meng X., Huang Y., Cao J., Shen J., dos Santos J. F. Recent progress on control strategies for inherent issues in friction stir welding // Progress in Materials Science. 2021. Vol. 115. P. 100706.
19. Dong P., Li H., Sun D., Gong W., Liu J. Effects of welding speed on the microstructure and hardness in friction stir welding joints of 6005A-T6 aluminum alloy // Materials and Design. 2013. Vol. 45. P. 524–531.
20. Xu Z. Z., Liu C. Y., Zhang B., Huang H. F., Cheng W. Effects of base metal state on the microstructure and mechanical properties of Al – Mg – Si alloy friction stir-welded joints // Journal of Manufacturing Processes. 2020. Vol. 56. P. 248–257.
21. Belov N. A., Alabin A. N., Matveeva I. A. Optimization of phase composition of Al – Cu – Mn – Zr – Sc alloys for rolled products without requirement for solution treatment and quenching // Journal of Alloys and Compounds. 2014. Vol. 583. P. 206–213.
22. Belov N., Korotkova N., Akopyan T., Tsydenov K. Simultaneous increase of electrical conductivity and hardness of Al – 1.5 wt.% Mn alloy by addition of 1.5 wt.% Cu and 0.5 wt.% Zr // Metals. 2019. Vol. 9, Iss. 12. P. 1246.
23. Belov N. A., Korotkova N. O., Cherkasov S. O., Yakovleva A. O. Effect of iron and silicon concentrations on the phase composition and microstructure of wrought alloy Al – 2 wt.% Mn – 2 wt.% Cu // The Physics of Metals and Metallography. 2021. Vol. 122, Iss. 11. P. 1095–1102.
24. Belov N. A., Akopyan T. K., Korotkova N. O., Timofeev V. N., Shurkin P. K. Effect of cold rolling and annealing temperature on structure, hardness and electrical conductivity of rapidly solidified alloy of Al – Cu – Mn – Zr system // Materials Letters. 2021. Vol. 300. P. 130199.
25. ГОСТ 11069–2001. Алюминий первичный. Марки. — Введ. 01.01.2003. — М. : Издательство стандартов, 2001.
26. ГОСТ 859–2001. Медь. Марки. — Введ. 01.03.2002. — М. : Издательство стандартов, 2001.
27. ГОСТ 1583–93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. — Введ. 01.01.1997. — М. : Издательство стандартов, 1993.
28. ГОСТ Р 53777–2010. Лигатуры алюминиевые. Технические условия. — Введ. 01.07.2010. — М. : Издательство стандартов, 2010.
29. Высоцкий И. В., Малофеев С. С., Миронов С. Ю., Кайбышев Р. О. Оптимизация процесса сварки трением с перемешиванием алюминиевого сплава АА6061-Т6 // Физическая мезомеханика. 2019. Т. 22, № 6. С. 58–83.
30. ГОСТ 2999–75. Металлы и сплавы. Метод измерения твердости по Виккерсу. — Введ. 01.07.1976. — М. : Издательство стандартов, 1975.
31. ГОСТ 11701–84. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент. — Введ. 01.01.1986. — М. : Издательство стандартов, 1984.
32. Niu P., Li W., Yang X., Vairis A. Effects of microstructural asymmetries across friction stir welded AA2024 joints on mechanical properties // Science and Technology of Welding and Joining. 2018. Vol. 23, Iss. 1. P. 58–62.
33. Белов Н. А. Фазовый состав промышленных и перспективных алюминиевых сплавов. — М. : Издательский дом МИСиС, 2010. — 511 с.