Верификация температурных полей в процессе сварки трением с перемешиванием

Abstract

В процессе сварки трением с перемешиванием температурные поля в зоне соединения определяют физическую возможность пластического течения разогретого материала и получения качественного формирования структуры шва. В данной работе поставлена задача сопоставления расчетных и экспериментальных результатов исследования распределения температур в пластине из алюминиевого сплава АМг3 вокруг инструмента и под ним. Экспериментальные исследования проведены на лабораторном стенде, в котором на пластине из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 4 мм закреплены 8 термопар, расположенных вдоль одной линии, находящейся в поперечном сечении относительно направления движения вращающегося инструмента. Инструмент для моделирования процесса сварки трением с перемешиванием и нагрева рабочей пластины имеет заплечик диаметром 22 мм. Для измерения сигналов от термопар используется аналогово-цифровой преобразователь «Термодат-22М5». По данным изменения температур от разных термопар по времени для заданной скорости перемещения инструмента определяются координаты нахождения разных изотерм и их геометрия. Расчетные исследования проведены по математической модели, основанной на схеме движущегося точечного источника в предельном состоянии, при этом инструмент представлен совокупностью элементарных источников нагрева, равномерно распределенных по его площади. Результаты исследований приведены в виде расчетных и экспериментальных полей температур пластины при скоростях вращения инструмента 90 рад/с и сварки 0,4 и 1,63 мм/с. Основным результатом проведенных исследований является то, что температура материала в зоне перемешивания составляет по расчету 500 °С, по эксперименту 510–520 °С. Наибольшее значение температуры наблюдается не в зоне перемешивания вокруг пина, а в области задней кромки инструмента. В результатах экспериментов асимметрия изотерм относительно линии сварки выражена значительно. In the process of friction stir welding, the temperature fields in the joint zone determine the physical possibility of plastic flow of the heated material and obtaining a high-quality formation of the weld structure. In this paper, we set the task of comparing the calculated and experimental results of studying the temperature distribution in a plate made of AMg3 aluminum alloy around and under the tool.Experimental studies were carried out on a laboratory bench, in which 8 thermocouples are fixed on a AMg3 aluminum alloy plate 4 mm thick, located along one line, located in a cross section relative to the direction of movement of a rotating tool. The tool for simulating the process of friction stir welding and heating of the working plate has a shoulder with a diameter of 22 mm.To measure signals from thermocouples, an analog-to-digital converter "Termodat-22M5" is used. According to the temperature changes from different thermocouples over time for a given tool travel speed, the coordinates of the location of different isotherms and their geometry are determined.Computational studies were carried out according to a mathematical model based on the scheme of a moving point source in the limiting state, while the tool is represented by a set of elementary heating sources uniformly distributed over its area.The research results are presented in the form of calculated and experimental temperature fields of the plate at tool rotation speeds of 90 rad/s and welding speeds of 0,4 and 1,63 mm/s. The main result of the research is that the temperature of the material in the mixing zone is 500 0C according to the calculation, 510–520 °С according to the experiment. The highest temperature value is observed not in the mixing zone around the pin, but in the region of the trailing edge of the tool. In the experimental results, the asymmetry of the isotherms with respect to the welding line is significantly pronounced.