Features of the superposition of ultrasonic vibrations in the welding process

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The main problem in obtaining welded joints is the nonuniform heating of the joint zone, which leads to differences in the structure and properties of the weld metal and the base metal. One of the ways to intensify the welding process is the use of ultrasonic vibrations. As a result of the analysis of methods for introducing ultrasonic vibrations into the melting zone, a method of superimposing vibrations on the elements to be welded was chosen for experimental studies. This method makes it possible to influence the welded elements throughout the entire welding cycle from the melt bath to complete crystallization of the metal. Methods. Experimental studies were carried out on plates made of carbon structural steel St3 (ASTM A568M, AISI 1017, DIN 17100) and aluminum deformable non-hardened alloy AMg4 (EN AW-5086, AW-AL Mg4, 5086). As a source of oscillations, a rod magnetostrictive oscillatory system was used, the end of which was rigidly fixed on one of the welded plates. To determine the places of application of the oscillation source and the welding zone, a calculation method is proposed based on the equality of the resonant frequencies of the used oscillatory system and the natural frequency of bending vibrations of the welding component. It is shown that the optimal places for the application of vibrations and welding will be the antinodes of oscillations, which have the maximum amplitude. Welds were obtained by the method of semi-automatic gas metal arc welding.  Results and Discussion. Microstructural study of obtained samples showed a significant decrease in the proportion of dendritic segregation. The changes in the structure are the result of the effects that occur in the liquid melt when ultrasonic vibrations are introduced. The main effects are sound pressure, cavitation and acoustical streaming. The structure change mechanism consists in the dispersion of growing dendrites and crystallization nuclei under the action of shock waves and cumulative jets that occur when cavitation bubbles collapse. The formed fragments of dendrites are new crystallization nuclei that propagate through the melt pool under the action of acoustic currents. Then the process is repeated.  The resulting effects affect the kinetics of the crystallization process – the degree of supercooling increases, the number of crystallization nuclei formed per unit time increases, and the rate of its growth decreases. Changes in the structure of the weld metal lead to an increase in the quality of the welded joint, which reduces welding deformations, increases the tensile strength and significantly increases ductility.

About the authors

S. K. Sundukov

Email: sergey-lefmo@yandex.ru
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, sergey-lefmo@yandex.ru

References

  1. Wang H., Cen S. Research on microstructure and mechanical properties of CMT and MIG welded joints of A6N01 aluminum alloy // Journal of Physics: Conference Series. – 2022. – Vol. 2185, iss. 1. – P. 012051. – doi: 10.1088/1742-6596/2185/1/012051.
  2. Sundukov S.K., Nigmetzyanov R.I., Fatyukhin D.S. Structure of the weld formed during the application of ultrasonic vibrations // Russian Metallurgy (Metally). – 2021. – Vol. 13. – P. 1667–1672. – doi: 10.1134/S0036029521130309.
  3. Improvement of operational properties of parts permanent joints with ultrasound technologies use / V. Prikhodko, M. Karelina, S. Sundukov, A. Sukhodolya, V. Moiseev // Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – Vol. 1353, iss. 1. – P. 012081. – doi: 10.1088/1742-6596/1353/1/012081.
  4. Повышение эксплуатационных свойств сварных швов ультразвуковыми методами / Н.В. Бабченко, О.В. Селиверстова, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2014. – № 1 (36). – С. 44–49.
  5. Bhadeshia H.K.D.H. Problems in the welding of automotive alloys // Science and Technology of Welding and Joining. – 2015. – Vol. 20, iss. 6. – P. 451–453. – doi: 10.1179/15Z.000000000379.
  6. Рабкин Д.М., Лозовская А.В., Склабинская И.Е. Металловедение сварки алюминия и его сплавов. – Киев: Наукова думка, 1992. – 158 с. – ISBN 5-12-002022-4.
  7. Xiao R., Zhang X. Problems and issues in laser beam welding of aluminum–lithium alloys // Journal of Manufacturing Processes. – 2014. – Vol. 16, iss. 2. – P. 166–175. – doi: 10.1016/j.jmapro.2013.10.005.
  8. Statnikov E.S., Muktepavel V.O. Technology of ultrasound impact treatment as a means of improving the reliability and endurance of welded metal structures // Welding International. – 2003. – Vol. 17, iss. 9. – P. 741–744. – doi: 10.1533/wint.2003.3192.
  9. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / под общ. ред. В.О. Абрамова и В.М. Приходько. – М.: Янус-К, 2006. – 688 с. – ISBN 5-8037-0314-1.
  10. Influence of ultrasound on submicrostructure of weld seam / S.K. Sundukov, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhod’;ko, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2021. – Vol. 41, iss. 6. – P. 570–573. – doi: 10.3103/S1068798X21060228.
  11. Influence of high-intensity ultrasound on grain refining performance of Al–5Ti–1B master alloy on aluminium / Y. Han, K. Li, J. Wang, D. Shu, B. Sun // Materials Science and Engineering: A. – 2005. – Vol. 405, iss. 1–2. – P. 306–312. – doi: 10.1016/j.msea.2005.06.024.
  12. Thermal melt processing of metallic alloys / U. Dahlborg, M. Calvo-Dahlborg, D.G. Eskin, P.S. Popel // Solidification Processing of Metallic Alloys Under External Fields. – Cham: Springer, 2018. – P. 277–315. – doi: 10.1007/978-3-319-94842-3_8.
  13. Патент № 515608 СССР. Способ ручной электродуговой сварки / Статников Е.Ш., Шевцов Е.М., Меркель М.С., Казанцев В.Ф. – № 2022257/27; заявл. 13.05.1974; опубл. 30.05.1976, Бюл. № 20.
  14. Investigation of formation and microstructure of Ti-6Al-4V weld bead during pulse ultrasound assisted TIG welding / C. Chen, C. Fan, X. Cai, S. Lin, Z. Liu, Q. Fan, C. Yang // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 46. – P. 241–247. – doi: 10.1016/j.jmapro.2019.09.014.
  15. Process stability of ultrasonic-wave-assisted gas metal arc welding / C. Fan, W. Xie, C. Yang, S. Lin, Y. Fan // Metallurgical and Materials Transactions A. – 2017. – Vol. 48, iss. 10. – P. 4615–4621. – doi: 10.1007/s11661-017-4226-3.
  16. Cui Y., Xu C., Han Q. Microstructure Improvement in weld metal under the ultrasonic application // Advanced Engineering Materials. – 2007. – Vol. 9, iss. 3. – P. 161–163 – doi: 10.1002/adem.200600228.
  17. Effect of acoustic field parameters on arc acoustic binding during ultrasonic wave-assisted arc welding / W. Xie, C. Fan, C. Yang, S. Lin // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 476–484. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.11.001.
  18. Eskin G.I. Broad prospects for commercial application of the ultrasonic (cavitation) melt treatment of light alloys // Ultrasonics Sonochemistry. – 2001. – Vol. 8, iss. 3. – P. 319–325. – doi: 10.1016/S1350-4177(00)00074-2.
  19. Improving arc joining of Al to steel and Al to stainless steel / H. Dong, L. Yang, C. Dong, S. Kou // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 534. – P. 424–435. – doi: 10.1016/j.msea.2011.11.090.
  20. Characteristics of periodic ultrasonic assisted TIG welding for 2219 aluminum alloys / X. Cai, S. Lin, X. Wang, C. Yang, C. Fan // Materials. – 2019. – Vol. 12, iss. 24. – P. 4081. – doi: 10.3390/ma12244081.
  21. Microstructure evolutions and properties of Al–Cu alloy joint in the pulsed power ultrasonic-assisted GMAW / C. Chen, C. Fan, Z. Liu, X. Cai, S. Lin, Y. Zhuo // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2020. – Vol. 33, iss. 10. – P. 1397–1406. – doi: 10.1007/s40195-020-01066-4.
  22. Effect of ultrasound on heterogeneous nucleation in TIG welding of Al–Li alloy / Q.-H. Chen, S.-B. Lin, C.-L. Yang, C.-L. Fan, H.-L. Ge // Acta Metallurgica Sinica (English Letters). – 2016. – Vol. 29, iss. 12. – P. 1081–1088. – doi: 10.1007/s40195-016-0483-1.
  23. Cunha T.V. da, Bohórquez C.E.N. Ultrasound in arc welding: a review // Ultrasonics. – 2015. – Vol. 56. – P. 201–209. – doi: 10.1016/j.ultras.2014.10.007.
  24. Сундуков С.К., Нигметзянов Р.И., Фатюхин Д.С. Ультразвуковые технологии при получении неразъемных соединений. Обзор. Ч. 2 // Технология металлов. – 2021. – № 9. – С. 2–8. – doi: 10.31044/1684-2499-2021-0-9-2-8.
  25. Rusinko A. Analytical description of ultrasonic hardening and softening // Ultrasonics. – 2011. – Vol. 51, iss. 6. – P. 709–714. – doi: 10.1016/j.ultras.2011.02.003.
  26. Выбор и оптимизация режимов ультразвукового поверхностного деформирования / В.Ф. Казанцев, Ю.М. Лужнов, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2016. – № 4. – С. 26–32.
  27. Stress relaxation due to ultrasonic impact treatment on multi-pass welds / H. Gao, R.K. Dutta, R.M. Huizenga, M. Amirthalingam, M.J.M. Hermans, T. Buslaps, I.M. Richardson // Science and Technology of Welding and Joining. – 2014. – Vol. 19, iss. 6. – P. 505–513. – doi: 10.1179/1362171814Y.0000000219.
  28. Теория сварочных процессов / под ред. В.В. Фролова. – М.: Высшая школа, 1988. – 559 с. – ISBN 5-06-001473-8.
  29. Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Т. 3. Физические основы ультразвуковой технологии. – М.: Наука, 1970. – 689 с.
  30. Rozenberg L.D. On the physics of ultrasonic cleaning // Ultrasonic News. – 1960. – Vol. 4, iss. 4. – P. 16–20.
  31. Mason T.J. Ultrasonic cleaning: An historical perspective // Ultrasonics Sonochemistry. – 2016. – Vol. 29. – P. 519–523. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2015.05.004.
  32. Nikitenko S.I., Pflieger R. Toward a new paradigm for sonochemistry: short review on nonequilibrium plasma observations by means of MBSL spectroscopy in aqueous solutions // Ultrasonics Sonochemistry. – 2017. – Vol. 35. – P. 623–630. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2016.02.003.
  33. Comparative study on the cavitation erosion and sliding wear of cold-sprayed Al/Al2O3 and Cu/Al2O3 coatings, and stainless steel, aluminium alloy, copper and brass / M. Szala, M. Walczak, L. Latka, M. Winnicki // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 7. – P. 856. – doi: 10.3390/met10070856.
  34. Nolting B.E., Neppiras E.A. Cavitation produced by ultrasonics // Proceedings of the Physical Society. Section B. – 1950. – Vol. 63, iss. 9. – P. 674.
  35. A comparison of the effects of ultrasonic cavitation on the surfaces of 45 and 40Kh steels / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2022. – Vol. 12, iss. 1. – P. 138. – doi: 10.3390/met12010138.
  36. Modelling of cavitational erosion in the area of surfaces of smooth contact / V.M. Prikhodko, A.P. Buslaev, S.B. Norkin, M.V. Yashina // Ultrasonics Sonochemistry. – 2001. – Vol. 8, iss. 1. – P. 59–67. – doi: 10.1016/S1350-4177(99)00048-6.
  37. Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders / H. Lais, P.S. Lowe, T.-H. Gan, L.C. Wrobel // Ultrasonics Sonochemistry. – 2018. – Vol. 45. – P. 7–16. – doi: 10.1016/j.ultsonch.2018.02.045.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».