Моделирование тепловых процессов для улучшения структуры металлов и сплавов методом трения с перемешиванием

Abstract

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.

Developed was a computer model of temperature field in tool and parts in process of their friction stir welding. Modeling of the temperature field was carried out for both successive stages of welding process, i.e. plunging of pin of tool operating element into part (1st stage) and progressive motion of plunged pin in part (2nd stage). The mathematical model represents itself a nonlinear equation of transient heat conduction, which takes into account progressive pin movement during the 2nd stage of welding. Two constituents describe the heat sources, appearing in welding. The first one considers power of heat sources, caused by friction of tool with parts on contact surfaces, the second one takes into account heat generation, promoted by mechanical deformation of part material. Mathematical modeling and experimental examination of temperature field were carried out for tool from cubic boron nitride (cubonit) and hard alloy as well as copper parts during FSW. Adequacy of developed model was determined based on correlation of numerical and experimental results. It is shown that application of superhard materials (cubonit and hard alloy) for manufacture of tool operating elements gives a possibility to provide thermo-mechanical resistance of tool during welding. A possibility is also shown for increase of strength of welded joints of parts from magnesium alloy ML10, gained as a result of application of FSP for modifying of structure of surface layers in parts to be welded with their further electron beam welding.