Исследование микроструктуры и механических свойств твердофазных соединений меди, полученных ультразвуковой сваркой

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00617

НазваниеИсследование микроструктуры и механических свойств твердофазных соединений меди, полученных ультразвуковой сваркой

Руководитель Назаров Айрат Ахметович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук , Республика Башкортостан

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые слова ультразвуковая сварка, твердофазное соединение, микроструктура, механические свойства, механизмы соединения, молекулярно-динамическое моделирование

Код ГРНТИ29.19.13

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальных проблем, связанных с развитием одного из перспективных методов твердофазного соединения металлов - ультразвуковой сварки (УЗС). Технологическая значимость этого метода в последние годы возросла как в связи с расширением областей применения точечной УЗС, обусловленным развитием ультразвуковой техники, так и в связи с недавним изобретением технологии ультразвуковой консолидации листовых материалов, которая стала одним из перспективных методов аддитивного производства. Ультразвуковое аддитивное производство (УЗАП) основано на шовной ультразвуковой сварке тонких пластинок и фольг и имеет большой потенциал применения. Повышение прочностных свойств зоны ультразвуковой сварки для заданных пар материалов актуально и для точечной УЗС, и для УЗАП. Эта задача требует более глубокого понимания эволюции микроструктуры материалов при ультразвуковой сварке в зависимости от условий сварки и исходного состояния соединяемых материалов, на достижение которого и направлен настоящий проект. Процесс УЗС является многопараметрическим, качество соединений зависит от амплитуды (мощности) ультразвука, времени сварки, конкретного оборудования (поверхности инструмента и наковальни), статического усилия, прижимающего свариваемые листы к наковальне и друг к другу, состояния поверхности листов, их толщины и т.д. В процессе сварки происходит интенсивное трение листов, высокоскоростная знакопеременная деформация сдвига, значительное повышение температуры, это вызывает структурные изменения в материале, особенно в области сварного шва. Связь эволюции микроструктуры в процессе сварки, свойств полученных соединений с этими многочисленными параметрами изучена недостаточно. Практически неизученным остается влияние на характеристики полученных УЗС соединений исходной микроструктуры материала. Это определяет научную значимость и актуальность решения задач систематического исследования связи между параметрами сварки, исходным состоянием материалов и эволюцией их микроструктуры в процессе УЗС и прочностными свойствами полученных этим методом соединений. Настоящий проект направлен на исследование эволюции микроструктуры при ультразвуковой сварке на примере материала, для соединения которого этот метод широко используется – для меди. В рамках проекта будут проведены систематические экспериментальные исследования влияния параметров сварки (времени, усилия сжатия), исходного состояния материалов (степени шероховатости поверхности, исходной микроструктуры и, соответственно, прочности и твердости), рельефа поверхности сварного инструмента на микроструктуру и прочность сварных соединений меди, роли в формировании сварного соединения процессов трения, сдвиговой деформации и температуры. Параллельно с экспериментами будут проведены теоретические исследования процессов, происходящих при ультразвуковой сварке, на атомном уровне методом молекулярной динамики. Использование современных методов экспериментального исследования структуры материалов, в частности, дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), позволит на новом уровне, более детально изучить изменения микроструктуры материалов при УЗС, а методы, основанные на молекулярной динамике, позволят моделировать атомные механизмы таких быстропротекающих процессов, как УЗС, что определяет новизну ожидаемых результатов. Кроме того, принципиальной новизной обладает исследование влияния на конечную структуру сварного соединения и его прочность исходной структуры и, соответственно, прочности и твердости соединяемых материалов. Для получения образцов соединений будет использована установка для ультразвуковой сварки, созданная коллективом. Для структурной аттестации исходных материалов и полученных УЗС соединений будут использованы современные экспериментальные методы структурных исследований, главным образом, растровая электронная микроскопия и метод дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), которые позволят осуществить количественную аттестацию микроструктуры сварных соединений. Структурные исследования будут также сопровождаться измерениями микротвердости различных характерных областей поперечного сечения образцов соединений. Основным способом оценки механических свойств соединений будет являться метод механических испытаний на срез, обычно применяемый для испытания всех видов соединений листовых материалов, планируется также проведение испытаний на отрыв U-образных образцов. С помощью растровой электронной микроскопии будут также анализироваться поверхности разрушения. Для сварки будут использованы образцы с различной исходной микроструктурой – листы в состоянии поставки или отжига (крупнозернистые материалы), ультрамелкозернистые образцы, полученные методами интенсивной пластической деформации (кручением под высоким давлением или всесторонней изотермической ковкой с последующей прокаткой). Для моделирования будет применен метод молекулярной динамики, реализованный в широко используемой свободно распространяемой программе LAMMPS. Для описания межатомных взаимодействий будет использован потенциал метода внедренного атома. Исходные атомные модели будут создаваться по оригинальным методам с использованием собственных программ. Моделированием с помощью молекулярной динамики будут изучены процессы, имитирующие УЗС «заготовок» с нанорельефом поверхности различной высоты и формы, включающие нанокристаллические системы, содержащие границы зерен, а также системы, в которых приложение сдвиговых знакопеременных смещений вызывает только сдвиговую деформацию или комбинацию трения со сдвиговой деформацией, что позволит установить относительную роль нанорельефа поверхности, границ зерен, трения и деформации в формировании микроструктуры и генерации тепла при УЗС. При экспериментальных исследованиях будет осуществляться измерение температуры в процессе сварки меди. Методом точечной УЗС будут получены образцы соединений меди с различными исходными структурами (крупнозернистой, ультрамелкозернистой) при различных значениях статического усилия прижима, времени сварки, при различных толщинах и состояниях поверхности свариваемых листов, различными инструментами. Количественная аттестация структуры, исследование механических свойств и поверхностей разрушения позволит установить зависимости качества и прочности соединений от множества параметров сварки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Назаров А.А.,Бачурин Д.В., Ни З.Л. Atomistic simulation of ultrasonic welding of copper Metals, V. 12, № 12, Art. # 2033 (год публикации - 2022)
10.3390/met12122033

Публикации

1. Янг Ж., Ни З., Назаров А.А., Йе Ф. Effect of alcohol on the mechanical and electrical properties of ultrasonic spot welded Cu/Cu joints Metals, V. 13, Art. 21 (год публикации - 2023)
10.3390/met13010021

2. Ни З.Л., Ли Б.Х., Лю И., Хуанг Л., Назаров А.А., Ванг С.С., Юан З.П., Йе Ф.С. Numerical analysis of ultrasonic spot welding of metal sheets: a review Science and Technology of Welding and Joining, V. 28. No. 9. P. 841-864. (год публикации - 2023)
10.1080/13621718.2023.2260625

3. Мария А. Мурзинова, Эльвина Р. Шаяхметова, Айгуль А. Мухаметгалина, Айрат А. Назаров Local plastic deformation and quality of Cu-Cu joints obtained by ultrasonic welding Metals, V. 13, Art.1661 (год публикации - 2023)
10.3390/met13101661

4. М.А. Идрисова, Р.Т. Мурзаев, А.А. Назаров Simulation of ultrasonic welding of copper: dependence on the amplitude of vibrations Letters on Materials, V. 14, No. 1, P. 45-50 (год публикации - 2024)
10.48612/letters/2024-1-45-50

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Методом молекулярной динамики (МД) проанализировано поведение пор в процессе ультразвуковой сварки (УЗС) нанокристаллической системы под различными давлениями. Показано, что соединение формируется путем постепенного расширения областей контакта, а первоначальные полости трансформируются в пору, размер которой уменьшается с повышением давления. При некотором давлении происходит полное залечивание поры и образование сплошного соединения. Нанокристалл, образовавшийся в результате соединения, имеет повышенный атомный объем, что связано с релаксацией поры под действием сдвиговых деформаций. Неупругая часть относительного увеличения объема составляет 1.4%. Избыточный объем сосредоточен в границах зерен нанокристалла. В предположении, что стадия трения при УЗС имеет место, пока в зоне контакта сохраняются участки без схватывания, а чистая сдвиговая деформация - при полном отсутствии таких участков, построены атомные модели, в которых имеются поверхностные неровности. Рассчитаны напряжения сдвига, профили скоростей и температур в системе при моделируемой УЗС под давлением от 0.75 до 1.5 ГПа. Температурное поле и напряжения изменяются незначительно с повышением давления. Полностью разделить роли трения и деформации в МД не удается, поэтому вклады этих процессов учтены в дальнейшем в моделировании методом конечных элементов. Совместно с китайской группой проведено конечно-элементное моделирование УЗС листов меди через прослойку наночастиц того же материала и без прослойки. Получено хорошее совпадение результатов расчета температуры и глубины внедрения зубцов сварной головки с результатами измерений. Проведен сравнительный анализ распределений температуры и микротвердости в области сварной точки при различных временах сварки. Микротвердость соединения снижается с увеличением времени сварки и во всех случаях ниже микротвердости исходного листа. Вне сварной точки по мере удаления от ее центра микротвердость постепенно увеличивается до исходных значений. Получено значение деформации, при котором образуется хорошее соединение, равное 0.11; оно близко к значению 0.15, полученному в наших экспериментах. В результате обширных экспериментальных исследований с помощью новой установки УУСМ 6-20 с использованием инструмента с пирамидальными насечками и варьированием усилия сжатия, амплитуды, энергии при сварке листов разной толщины получены эмпирические зависимости между силовыми, амплитудными и энергетическими характеристиками установки, а также связи между параметрами сварки и характеристиками соединений. Установлены зависимости прочности, работы и моды разрушения, рельефа поверхностей разрушения, микроструктуры соединений от параметров сварки. Увеличение сжимающего усилия, амплитуды колебаний и энергии сварки приводят к увеличению площади очагов схватывания на поверхностях разрушения образцов. Разрушение очагов схватывания сопровождается появлением участков с развитым ячеистым микрорельефом, где ячейки вытянуты в направлении сдвига при растяжении. Даже после сварки под давлением, близким к пределу текучести меди, и при высокой энергии сварки, на поверхностях разрушения присутствуют участки, в которых соединение не сформировалось. Во всех случаях в зоне соединения происходит измельчение исходной микроструктуры. Выполненные эксперименты продемонстрировали надежную работу установки УУСМ 6-20, позволили опробовать различные режимы УЗС и выявить условия, обеспечивающие повышение механических свойств сварных соединений. В целом, установка позволяет получать качественные соединения листов меди толщиной по меньшей мере до 1.2 мм. Это лучшее отечественное оборудование для УЗС металлов и может быть рекомендовано к широкому использованию. С использованием инструмента со сварочными площадками одинаковых размеров, с насечками высотой 0.35 мм в виде зубцов и пирамидок, получены сравнительные данные о свойствах и микроструктуре образцов, сваренных инструментами с разным профилем. При сварке зубчатым инструментом с увеличением энергии от 750 до 1250 Дж усилия и работа разрушения соединений возрастают незначительно, от 1830 до 1944 Н и от 1.04 до 1.60 Дж, соответственно. При использовании пирамидального инструмента эти показатели прочности с ростом энергии увеличиваются больше: от 1322 до 1947 Н и от 0.20 до 1.40 Дж. Анализ рельефа поверхностей разрушения показал, что при одинаковой энергии сварки площадь, занятая очагами схватывания, больше при использовании инструмента с зубчатым рельефом. В обоих случаях образуются зоны термомеханического влияния или зоны соединения, ширина которых варьируется вдоль шва от 10 до 150 мкм, и микроструктура заметно отличается от наблюдаемой в объемах пластин. В зонах соединения всех образцов наблюдаются равноосные зерна размерами до 3 мкм и малой долей субграниц. Между мелкими зернами располагаются более крупные (8-30 мкм) вытянутые и изогнутые зерна с развитой субструктурой. Из полученных результатов следует, что использование инструмента с зубчатым профилем предпочтительнее, чем с пирамидальным, при энергиях УЗС до 1000 Дж. Получены сравнительные данные о структуре и свойствах соединений пластин меди, имеющих крупнозернистую (КЗ) и ультрамелкозернистую (УМЗ) исходную структуру (размеры зерен 8.4 и 1.2 мкм, соответственно). Установлено, что, независимо от исходной структуры меди, температура в зоне соединения изменяется одинаково и увеличивается до 420 С при Е = 750 Дж и 560 С при Е=1500 Дж. Наибольшие усилия разрушения сварных соединений F=3190 и 3148 Н получены для УМЗ пластин после сварки с энергией Е=350 и 500 Дж, соответственно. Увеличение Е от 350 до 500 Дж сопровождается изменением моды разрушения с разрушения по поверхности соединения на разрушение с отрывом сварной точки (полным или частичным), и с дальнейшим ростом Е значения F уменьшаются до 2416 Н при Е=1500 Дж. Образцы из пластин с исходной КЗ структурой демонстрируют наибольшие значения F=2482 Н после сварки при Е=1000 Дж. Дальнейшее увеличение Е при сварке КЗ пластин значимо не влияет на величину F, но, как и в предыдущем случае, приводит к изменению моды разрушения образцов. Величина работы разрушения сварных соединений не зависит от типа исходной структуры соединяемых пластин. В отличие от соединений пластин с КЗ структурой, на поверхностях разрушения образцов соединений УМЗ пластин шиферный макрорельеф выражен слабо, несваренные участки в центре сварной точки отсутствуют, хотя есть на ее периферии. УЗС с энергией Е=500-1500 Дж сопровождается увеличением размера зерен в объеме пластин с исходной УМЗ структурой от 1.2 мкм до 5.1 мкм при Е=750 Дж (Т=420 С) и до 13.1 мкм при Е=1500 Дж (Т=560 С). В зонах соединения всех образцов присутствуют слои, состоящие из равноосных зерен размерами до 2 мкм и беспористые участки с зернами 5-7 мкм. Таким образом, УЗС пластин меди с исходной УМЗ структурой обеспечивает получение соединений, прочность которых в 1.5-1.8 раза выше прочности соединений КЗ пластин, уже при энергиях 375-500 Дж.

Публикации

1. Ни З.Л., Ма Дж.С., Лиу И., Ли Б.Х., Назаров А.А., Ли Х., Юан З.П., Линг З.С., Ванг Х.Х. Numerical analysis of ultrasonic spot welding of Cu/Cu joints Journal of Materials Engineering and Performance (год публикации - 2024)

2. Мурзаев Р.Т.,Идрисова М.А., Назаров А.А. Моделирование ультразвуковой сварки нанокристаллической меди Фундаментальные проблемы современного материаловедения (год публикации - 2025)

3. Мухаметгалина А.А., Шаяхметова Э.Р., Мурзинова М.А., Назаров А.А., Саркеева А.А. Effect of surface state on the quality of copper joints produced by ultrasonic welding Letters on Materials, V. 14, No 3, P. 190-197 (год публикации - 2024)
10.48612/letters/2024-3-190-197

4. Ни З.Л., Ли Б.Х., Назаров А.А., Ма Дж.С., Юан З.П., Ванг Х.Х., Ли Х. Simulation of ultrasonic welding of Cu/Cu joints with an interlayer of Cu nanoparticles Materials Today Communications, V. 39, Art. 109330 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtcomm.2024.109330