Наукоемкие технологии и оборудование в промышленности и строительстве

Статья

Наименование Обеспечение технологичности конструкций при сварке трением с перемешиванием на стадии выбора материалов. Часть 3: Свариваемость конструкционных сталей
Авторы Харламов Ю. А., д. т. н., проф.
Денисова Н. А., к. т. н., доц.
Петров П. А., к. т. н., доц.
Орлов А. А., ст. преп.
Раздел Машиностроение
Год 2024 Выпуск 77 Страницы 77 - 95
УДК 621.658.512(035):621.791.14 EDN UGCVJF
Аннотация Показана актуальность разработки и исследования технологий сварки конструкционных сталей трением с перемешиванием в твердой фазе. Рассмотрены особенности сварки трением с перемешиванием конструкционных сталей, основные технологические и конструктивные факторы, влияющие на формирование микроструктуры получаемых сварных соединений и технологическую свариваемость сталей. Описаны особенности технологической свариваемости основных видов конструкционных сталей: углеродистых, двухфазных высокопрочных, легированных, хромоникелевых коррозионностойких сталей аустенитного класса, разнородных сталей между собой. Сварка сталей трением с перемешиванием позволяет избежать нежелательных фазовых превращений в сварных соединениях по сравнению со сваркой плавлением, получать швы с уменьшенной зоной термического влияния и более высокими механическими и коррозионностойкими свойствами. К инструменту для сварки сталей трением с перемешиванием предъявляются более высокие требования по сравнению со сваркой алюминиевых сплавов. Инструменты для сварки сталей должны обладать комплексом более высоких требований: механической прочностью и ударной вязкостью, высокими теплостойкостью и износостойкостью, достаточной теплопроводностью, низкой физико-химической активностью по отношению к соединяемым сталям и др. Оборудование для сварки сталей трением с перемешиванием должно быть более жестким по сравнению со сваркой сплавов алюминия, оснащено прецизионными шпинделями и системами охлаждения.
Реферат Цель. Анализ и обобщение мирового опыта исследований и разработок по сварке трением с перемешиванием конструкционных сталей, формирование предложений по перспективным направлениям развития технологий и оснащения производств для СТП стальных конструкций, а также разработка конструкторско-технологических рекомендаций.
Методика. Рассмотрен алгоритм сварки трением с перемешиванием конструкционных и хромоникелевых коррозионных сталей. Сформирована методика по улучшению технологического процесса сварки трением с перемешиванием различных марок сталей при серийном производстве.
Результаты. Рассмотрены особенности свариваемости СТП углеродистых, двухфазных и хромоникелевых коррозионных сталей. С учетом проведенного анализа сформированы предложения по улучшению технологии сварки трением с перемешиванием стальных заготовок. Полученные результаты дадут возможность улучшить показатели технологичности сварных конструкций на всех этапах их жизненного цикла.
Научная новизна. В данной статье выполнены исследования по сварке трением с перемешиванием конструкционных сталей, проанализирована их свариваемость и микроструктура сварного шва с учетом мирового опыта. Предложена методика по улучшению технологического процесса сварки трением с перемешиванием различных марок сталей при серийном производстве. Методика учитывает условия эксплуатации, свариваемость материала, параметры сварных соединений и прочностные характеристики конструкции.
Практическая значимость. Предложенная методика может быть использована проектными организациями и производителями при разработке и производстве сварных конструкций. Это позволит повысить эффективность сварного шва, снизить стоимость изделий, а также обеспечить их надежность и долговечность.
Ключевые слова сварка трением с перемешиванием, свариваемость сталей, микроструктура металла, инструмент, микротвердость.
Финансирование
Список источников
1. Sorensen C. D., Nelson T. W. Friction Stir Welding of Ferrous and Nickel Alloys // Friction Stir Welding and Processing (05112G). USA, Ohio: ASM International, 2007. Chapter 6. P. 111–121.
2. Verma S. Misra J. P. A Critical Review of Friction Stir Welding Process // DAAAM International Scientific Book. Vienna, Austria: DAAAM International, 2015. Chapter 22. P. 249–266. DOI: 10.2507/daaam.scibook.2015.22.
3. Friction stir welding/processing of metals and alloys: A comprehensive review on microstructural evolution / A. Heidarzadeh [et. al] // Progress in Materials Science. 2020. Vol. 117 (100752). 68 p. EDN ZYMTSH. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100752
4. Mohan D. G., Wu C. A Review on Friction Stir Welding of Steels // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2021. Vol. 34. Article number: 137. 29 p. DOI: 10.1186/s10033-021-00655-3
5. Padhy G. K., Wu C. S., Gao S. Friction stir based welding and processing technologies — processes, parameters, microstructures and applications: A review // Journal of Materials Science & Technology. 2018. Vol. 34 (1). P. 1–38. DOI: 10.1016/j.jmst.2017.11.029
6. Biswas P., Mandal N. R. A study on laser assisted friction stir welding of C–Mn steel plates // Advances in Marine Structures — Proceedings of the 3rd International Conference on Marine Structures MARSTRUCT 2011. 2011. P. 539–548.
7. Effect of heat-input on pitting corrosion behavior of friction stir welded high nitrogen stainless steel / H. Zhang [et al.] // Journal of Materials Science & Technology. 2019. № 35 (7). P. 1278–1283. DOI: 10.1016/j.jmst.2019.01.011
8. Fujii F., Chung Y. D., Sun Y. F. Friction stir welding of AISI 1080 steel using liquid CO2 for enhanced toughness and ductility // Science and Technology of Welding and Joining. 2013. № 18 (6). P. 500–506. DOI: 10.1179/1362171813Y.0000000128
9. Galvanic and asymmetry effects on the local electrochemical behavior of the 2098-T351 alloy welded by friction stir welding / M. X. Milagre [et al.] // Journal of Materials Science & Technology. 2020. № 45. P. 162–175. DOI: 10.1016/j.jmst.2019.11.016
10. Wang X., Morisada Y., Fujii H. Flat friction stir spot welding of low carbon steel by double side adjustable tools // Journal of Materials Science & Technology. 2021. № 66. P. 1–9.
11. Friction Stir Weld Evaluation of DH-36 and Stainless Steel Weldments / M. Posada [et al.] // Friction Stir Welding and Processing, TMS. 2001. P. 159–171.
12. Friction Stir Welding of DH-36 Steel [Electronic resource] / T. J. Lienert, W. Tang, J. A. Hogeboom, L. G. Kvidahl / Proceedings of the Fourth International Symposium on Friction Stir Welding, May 14–16, 2003 (Park City, UT), TWI. Paper on CD.
13. Friction stir welding of ultrafine grained plain low-carbon steel formed by the martensite process / R. Ueji [et al.] // Materials Science and Engineering: A. 2006. Vol. 423. Iss. 1–2. P. 324–330. DOI: 10.1016/j.msea.2006.02.038
14. Friction Stir Welding Studies on Mild Steel / T. J. Leinert, W. L. Stellwag Jr., B. B. Grimmett, R. W. Warke // Welding Journal. 2003. № 82 (1). P. 1-s–9-s.
15. Kulekci M. K., Esme U., Buldum B. Critical analysis of friction stir-based manufacturing processes // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2016. № 85 (5–8). P. 1687–1712.
16. Arbegast W. J. Using process forces as a statistical process control tool for friction stir welds // Proceedings of the Friction Stir Welding and Processing III, TMS Annual Meeting, San Francisco, CA, USA. 2005. P. 193–204.
17. Effect of friction stir welding speed on the microstructure and mechanical properties of a duplex stainless steel // T. Saeid, A. Abdollah-zadeh, H. Assadi, F. MalekGhaini // Materials Science and Engineering. 2008. № 496. P. 262–268.
18. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded ferrite-martensite DP700 steel / M. Mahmoudiniya, A.-H. Kokabi, S. Kheirandish, L. A. I. Kestens // Materials Science and Engineering: A. 2018. Vol. 737. P. 213–222.
19. Study of Microstructure and mechanical properties of friction stir welded ferrite-martensite DP700 steel / M. Mahmoudiniya, L. A. I. Kestens, S. Kheirandish, A.-H. Kokabi // Advanced Materials Letters. 2019. № 10 (7). P. 515–518.
20. Ahmad B., Galloway A., Toumpis A. Numerical optimization of laser assisted friction stir welding of structural steel // Science and Technology of Welding and Joining. 2019. № 24 (6). P. 548–558.
21. Analysis of high-power diode laser heating effects on HY-80 steel for laser assisted friction stir welding applications / M. Wiechec [et al.] / World Journal of Engineering and Technology. 2017. № 5 (1). P. 97–112. DOI: 10.4236/wjet.2017.51009
22. Johnson R., dos Santos J., Magnasco M. Mechanical Properties of Friction Stir Welded S355 C–Mn Steel Plates [Electronic resource] // Proceedings of the Fourth International Symposium on Friction Stir Welding, (Park City, UT), TWI, 2003. Paper on CD.
23. Friction Stir Welding of Quenched and Tempered C–Mn Steel / C. J. Sterling [et al.] / Friction Stir Welding and Processing II, TMS. 2003. P. 165–171.
24. Friction Stir Welding of API Garde 65 Steel Pipes / Z. Feng, R. Steel, S. Packer, S. A. David // ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Conference. Paper No: PVP2009-77248. P. 775–779. DOI: 10.1115/PVP2009-77248
25. Friction Stir Welding of HSLA-65 Steel for Shipbuilding / P. J. Konkol, J. A. Mathers, R. Johnson, J. R. Pickens / Journal of Ship Production. 2003. Vol. 19. Iss. 3. P. 159–164. DOI: 10.5957/jsp.2003.19.3.159
26. Evaluation of Friction Stir Welded HSLA-65 [Electronic resource] / M. Posada [et al.] // Proceedings of the Fourth International Symposium on Friction Stir Welding, (Park City, UT), TWI, May 14–16, 2003. Paper on CD.
27. P. Konkol. Characterization of Friction Stir Weldments in 500 Brinell Hardness Quenched and Tempered Steel [Electronic resource] // Proceedings of the Fourth International Symposium on Friction Stir Welding, (Park City, UT), TWI, May 14–16, 2003. Paper on CD.
28. A Microstructural Study of Friction Stir Welded Joints of Carbon Steels / A. Ozekcin [et al.] // ISOPE (Toulon, France), International Society of Offshore and Polar Engineers. 2004. P. 284–288.
29. Microstructural evolution in friction stir welding of high-strength line pipe steel / H. Cho [et al.] // Materials & Design. 2012. № 34. P. 258–267.
30. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded 18cr–2mo ferritic stainless steel thick plate / J. Han [et al.] // Materials & Design. 2014. № 63. P. 238–246. DOI: 10.1016/j.matdes.2014.05.070
31. Structure, Properties, and Residual Stress of 304L Stainless Steel Friction Stir Welds / A. P. Reynolds, W. Tang, T. Gnaupel-Herold, H. Prask // Scr. Mater. 2003. Vol. 48. Iss. 9. P. 1289–1294.
32. FSW of Austenitic Stainless Steels [Electronic resource] / A. P. Reynolds [et al.] // Proceedings of the Third International Symposium on Friction Stir Welding, (Kobe, Japan), TWI. 2001. Paper on CD.
33. Mechanical Property and Microstructural Evaluation of Friction Stir Welded AL-6XN / M. Posada, J. DeLoach, A. P. Reynolds, J. P. Halpin / Trends in Welding Research, Proceedings of the Sixth International Conference, April 15–19, (Pine Mountain, GA), ASM International. 2002. P. 307–311.
34. Rapid Formation of the Sigma Phase in 304 Stainless Steel during Friction Stir Welding / S. H. C. Park [et al.] // Scr. Mater. 2003. Vol. 49. Iss. 12. P. 1175–1180.
35. Characterization of mechanical properties, fatigue-crack propagation, and residual stresses in a microalloyed pipeline-steel friction-stir weld / J. W. Sowards [et al.] // Materials & Design. 2015. № 88. P. 632–642.
36. Kim Y. G., Kim J. S., Kim I. J. Effect of process parameters on optimum welding condition of DP590 steel by friction stir welding // Journal of Mechanical Science and Technology. 2014. № 28 (12). P. 5143–5148.
37. Chiteka K. Friction stir welding of steels: A review paper // IOSR Journal of Mechanical and Civil Engineering. 2013. № 9 (3). P. 16–20.
38. Metallurgical and Mechanical Properties of Friction Stir Welded Stainless Steels [Electronic resource] / K. Okamoto [et al.] // Proceedings of the Fourth International Symposium on Friction Stir Welding, May 14–16, (Park City, UT), TWI. 2003. Paper on CD.
39. Shashi Kumar S., Murugan N., Ramachandran K. K. Identifying the optimal FSW process parameters for maximizing the tensile strength of friction stir welded AISI 316L butt joints // Measurement: Journal of the International Measurement Confederation. 2019. № 137. P. 257–271.
40. Kumar S. S., Murugan N., Ramachandran K. K. K. Effect of tool tilt angle on weld joint properties of friction stir welded AISI 316L stainless steel sheets // Measurement. 2020. № 150, (107083). DOI: 10.1016/j.measurement.2019.107083
41. Mishra R. S., Ma Z. Y. Friction stir welding and processing // Materials Science and Engineering R: Reports. 2005. № 50 (1–2). P. 1–78.
42. Imam M., Sun Y., Fujii H. Interface controlled plastic flow using accelerated cooling in friction stir welding of pure iron // National Meetings of JWS, June 30. 2017. № 100. P. 162–163.
43. Nelson T. W., Rose S. A. Controlling hard zone formation in friction stir processed HSLA steel // Journal of Materials Processing Technology. 2016. № 231. P. 66–74.
44. Review: Friction stir welding tools / R. Rai [et al.] // Science and Technology of Welding and Joining. 2011. № 16 (4). P. 325–342.
45. Microstructural analysis of friction stir welded ferritic stainless steel / H. H. Cho [et al.] // Materials Science and Engineering A. 2011. № 528 (6). P. 2889–2894.
46. Interface behavior and mechanical properties of 316L stainless steel filling friction stir welded joints / L. Zhou, W. L. Zhou, Y. X. Huang, J. C. Feng // Int. J. of Adv. Manuf. Technol. 2015. № 81. P. 577–583.
47. Friction Stir Welding of SAF 2507 (UNS S32750) Super Duplex Stainless Steel / R. J. Steel [et al.] // Paper PO346, Proceedings of Stainless Steel World. KCI Publishing, 2004. № 16. P. 27–31.
48. Gradient characteristics and strength matching in friction stir welded joints of Fe–18Cr–16Mn–2Mo–0.85N austenitic stainless steel / D. Du [et al.] // Materials Science and Engineering A. 2014. № 616. P. 246–251.
49. Friction stir processing of A-286 stainless steel: Microstructural evolution during wear / O. O. Tinubu [et al.] // Wear. 2016. № 356–357. P. 94–100.
50. Structural response of superaustenitic stainless steel to friction stir welding / S. Mironov [et al.] // Acta Materialia. 2011. № 59 (14). P. 5472–5481.
51. Microstructural evolution in friction stir welding of high-strength linepipe steel / H. H. Cho [et al.] // Materials and Design. 2012. № 34. P. 258–267.
52. Evolution of microstructure and crystallographic texture during dissimilar friction stir welding of duplex stainless steel to low carbon-manganese structural steel / S. Rahimi, T. N. Konkova, I. Violatos, T. N. Baker // Metall Mater Trans A. 2019. № 50. P. 664–687. DOI: 10.1007/s11661-018-5023-3
53. Investigation of microstructure and mechanical properties of friction stir welded dissimilar St37/St52 joints / G. İpekoğlu [et al.] // Mater. Res. Express. 2019. № 6: 046537. 7 p. DOI: 10.1088/2053-1591/aafb9f
54. Mechanical properties of friction stir welded St 37 and St 44 steel joints / T. Küçük¨omero˘glu, S. M. Aktarer, G. İpekoğlu, G. Çam // Mater. Test. 2018. № 60. P. 1163–1170. DOI: 10.3139/120.111266
55. Microstructural characterization in dissimilar friction stir welding between 304 stainless steel and st37 steel / M. Jafarzadegan // Mater. Charact. 2012. № 74. P. 28–41.
56. Microstructure and mechanical properties of a dissimilar friction stir weld between austenitic stainless steel and low carbon steel / M. Jafarzadegan [et al.] // J. Mater. Sci. Technol. 2013. № 29 (4). P. 367–672.
57. Dissimilar friction stir welding of duplex stainless steel to low alloy structural steel / B. P. Logan, [et al.] // Sci Technol Weld Joining. 2016. № 21. P. 27–35. DOI: 10.1179/1362171815Y.0000000063
58. Dissimilar Friction Stir Welding of Carbon Steel and Stainless Steel: Some Observation on Microstructural Evolution and Stress Corrosion Cracking Performance / M. J. B. Matlan [et al.] // Trans Indian Inst Met. 2018. № 71 (4). P. 2553–2564.
59. Microstructure and mechanical properties of dissimilar friction stir welded type 304 austenitic stainless steel to Q235 low carbon steel / H. Wang [et al.] // Mater. Charact. 2019. № 155: 109803. DOI: 10.1016/j.matchar.2019.109803
60. Sharma G., Dwivedi D. K. Study on microstructure and mechanical properties of dissimilar steel joint developed using friction stir welding // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2017. № 88. P. 1299–1307.
61. The metallurgical bonding and high temperature tensile behaviors of 9Cr-1W steel and 316L steel dissimilar joint by friction stir welding / B. He [et al.] // J. Manuf. Processes. 2019. № 44. P. 241–251.
62. Interface microstructure evolution of dissimilar friction stir butt welded F82H steel and SUS304 / Y. D. Chung, H. Fujii, Y. Sun, H. Tanigawa // Mater. Sci. Eng. A. 2011. № 528. P. 5812–5821.
63. Dissimilar friction stir welding between UNS S31603 austenitic stainless steel and UNS S32750 superduplex stainless steel / M. C. Theodoro, V. F. Pereira, P. R. Mei, A. J. Ramirez // Metall. Mater. Trans. B. 2015. № 46 (3). P. 1440–1447. DOI: 10.1007/s11663-015-0302-5
64. Influence of friction stir welding conditions on joinability of oxide dispersion strengthened steel/F82H ferritic/martensitic steel joint / H. Serizawa [et al.] // Nucl. Mater. Energy. 2016. № 9. P. 367–371.
65. Microstructure and properties of CLAM/316L steel friction stir welded joints / W. Tang, X. Yang, S. Li, H. Li // J. Mater. Process Technol. 2019. № 271. P. 189–201.
66. Mechanical properties and microstructure of dissimilar friction stir welds of 11Cr–Ferritic/Martensitic steel to 316 stainless steel / Y. S. Sato // Metall. Mater. Trans. A. 2015. № 46. P. 5789–5800.
67. Microstructure and mechanical properties of friction stir spot-welded IF/DP dissimilar steel joints / R. Sarkar, S. Sengupta, T. K. Pal, M. Shome // Metall. Mater. Trans. A. 2015. № 46 P. 5182–5200.
68. Derazkola H. A., Khodabakhshi F., Simchi A. Evaluation of a polymer-steel laminated sheet composite structure produced by friction stir additive manufacturing (FSAM) technology // Polym. Test. 2020. № 90 (6). 106690. 9 p. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2020.106690
69. Microstructure and mechanical properties of dissimilar friction stir welds in austenitic-duplex stainless steels / W. Wang, Y. Hu, M. Zhang, H. Zhao // Mater. Sci. Eng. A. 2020. № 787 (3). 139499. DOI: 10.1016/j.msea.2020.139499
70. Friction stir lap welding of stainless steel and plain carbon steel to enhance corrosion properties / G. R. Argade, S. Shukla, K. Liu, R. S. Mishra // J. Mater. Process Technol. 2018. № 259. P. 259–269.
71. Simulation and experimental study of underwater dissimilar friction-stir welding between aluminium and steel / A. Eyvazian [et al.] // J. Mater. Res. Technol. 2020. № 9. P. 3767–3781.
72. Modifications of grain-boundary structure by friction stir welding in the joint of nano-structured oxide dispersion strengthened ferritic steel and reduced activation martensitic steel / W. Han [et al.] // Scr. Mater. 2015. № 105. P. 2–5. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2015.04.012
Полный текст
Сайт ДонГТУ | Сайт библиотеки ДонГТУ
2013 © ДонГТУ. Все права защищены.