CC BY
2324 East European Scientific Journal #1(65), 2021 ...2;...,..
УДК 621.791.76
ГРНТИ 81.35.17
Hushchin Kostiantyn Vitaliiovych
junior researcher Ziakhor Ihor Vasyliovych Ph.D,. deputy head of department Samotriasov Serhii Mykhailovych deputy head of department Zavertannyi Myroslav Sergiiovych junior researcher
Department of butt welding, E.O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine - Kyiv, Ukraine
FORMATION OF 2219-T87 ALUMINIUM ALLOY FLASH BUTT WELDING JOINTS
Гущин Константин Витальевич
младший научный сотрудник Зяхор Игорь Васильевич к.т.н., заместитель заведующего отделом Самотрясов Сергей Михайлович заместитель заведующего отделом Завертанный Мирослав Сергеевич младший научный сотрудник Отдел стыковой сварки, Институт электросварки им. Е. О.Патона НАН Украины - Киев, Украина
ФОРМИРОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 2219-Т87 ПРИ КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКЕ ОПЛАВЛЕНИЕМ
Abstract. Ensuring satisfactory strength indicators when welding thermomechanically hardened aluminum alloys is an urgent problem in the manufacture of aircraft structures. In the present work conditions of flash butt welding joints formation of 2219-T87 aluminum alloy studied. It is established that resistance preheating of samples to be welded to the temperature 200°C with subsequent flashing process up to 15 s duration, and upsetting with forced formation at the pressure value at least 500 MPa, ensure a defect-free welded joints. The strength values of welded joints are 76% base metal level without postweld heat treatment. Analysis of the microstructure indicates the formation of welded joints through a thin melted layer and a significant effect of severe plastic deformation during upsetting on the morphology change of the secondary phase particles of the 2219-T87 alloy.
Аннотация. Обеспечение удовлетворительных показателей прочности при сварке TepMoMexaHmecra упрочненных алюминиевых сплавов является актуальной проблемой при изготовлении конструкций летательных аппаратов. В настоящей работе исследовали условия формирования соединений алюминиевого сплава 2219-Т87 при контактной стыковой сварке оплавлением. Установлено, что предварительный нагрев сопротивлением свариваемых образцов до температуры 200 °С с последующим оплавлением на протяжении 15 с и осадкой с принудительным формированием при значении давления не ниже 500 МПа, обеспечивают качественное соединение без дефектов. Предел прочности соединений сплава 2219-Т87, полученных по разработанной технологии КССО без последующей термической обработки, составляет 76% уровня основного металла. Анализ микроструктуры свидетельствует о формировании сварных соединений через тонкий слой расплава и о существенном влиянии интенсивной пластической деформации при осадке на изменение морфологии частиц вторичных фаз сплава 2219-Т87.
Ключевые слова: контактная стыковая сварка оплавлением, формирование соединений, алюминиевый сплав, механические свойства.
Key words: flash butt welding, joint formation, aluminum alloy, mechanical properties.
Введение
Дисперсионно -твердеющие алюминиевые сплавы системы АЬ^-Мп благодаря высокой удельной прочности широко используются в конструкции изделий космической и авиационной техники, в частности изделий криогенного назначения - топливных баков ракет, оболочки фюзеляжа и несущих элементов конструкции самолетов [1-3]. Алюминиевый сплав 2219 является
наилучшим выбором среди дисперсионно-твердеющих сплавов при изготовлении баков для ракетного топлива длительного хранения в наземных условиях и баков для криогенного ракетного топлива мобильных пусковых установок. Для достижения максимального уровня прочности сплав 2219 поставляется в термомеханически упрочненном состоянии Т87, которое достигается термообработкой на твердый раствор,
деформационным упрочнением со степенью деформации 7% и последующим искусственным старением [4, 5].
При изготовлении изделий авиационной и космической техники из сплава 2219-Т87 используют различные способы сварки (электронно-лучевую, дуговую [6], трением [7,8], контактную стыковую оплавлением [9, 10]), отличающихся термическим воздействием на металл шва, влияющим на эксплуатационные характеристики сварной конструкции.
Минимизировать разупрочнение сплава можно при условии, если длительность нагрева до температур выше критических (приводящих к неблагоприятным структурным превращениям) не превышает определённых пределов [4]. Такой температурный цикл при сварке проблематично обеспечить вследствие высокой теплопроводности алюминиевых сплавов. Например, соединения, выполненные аргонодуговой сваркой
неплавящимся электродом (TIG) и сваркой трением с перемешиванием (FSW), имеют предел прочности на уровне 0,6... 0,65 от уровня показателей основного металла сплава 2219-Т87 [6-8].
Кроме того, термический цикл сварки изделий из сплава 2219-Т87 может снижать коррозионную стойкость соединений вследствие коагуляции (укрупнения) частиц упрочняющей фазы CuAl2 по границам зерен в зоне термического влияния шва и соответствующего локального снижения концентрации легирующих элементов в этих участках. Высокотемпературная термическая обработка изделия после сварки позволяет в значительной степени восстановить структуру и механические свойства шва, однако при производстве крупногабаритных конструкций является трудноосуществимой задачей. Поэтому актуальной проблемой является разработка
Химический состав
технологии сварки изделии из термомеханически упрочненных сплавов, обеспечивающих без последующей высокотемпературной термической обработки соединений, уровень прочности, удовлетворяющий разработчиков изделий космической и авиационной техники.
Перспективным процессом изготовления продольного (стрингер-фитинг) и поперечного (обечайки, шпангоуты) силового набора летательных аппаратов является контактная стыковая сварка оплавлением (КССО). Этот способ сварки давлением обеспечивает высокое стабильное качество соединений, объединяет в едином цикле сборочные и сварочные операции, не требует применения вспомогательных расходных материалов [9, 10]. При условии выполнения термической обработки, показатели прочности соединений, выполненных КССО, достигают 100% от уровня основного металла алюминиевых сплавов.
Цель работы состояла в изучении формирования соединений прессованных профилей из сплава 2219-Т87 при контактной стыковой сварке оплавлением без последующей термической обработки, определение уровня разупрочнения сплава в зависимости от режима сварки.
Материалы и методы исследований
Исследования проводились на образцах сечением 60*15 мм длиной 200 мм, вырезанных из прессованных профилей сплава 2219-Т87 вдоль направления проката. Химический состав исследуемого сплава приведен в табл.1.
Опытные сварки проводили на лабораторной сварочной машине К607, оборудованной сварочным трансформатором мощностью 75 кВА и приводом осадки, обеспечивающим создание осевого усилия до 1000 кН.
Таблица 1
сплава 2219 [4,5]
Элемент Al Си Mn Mg Si Zr V Zn Fe Ti
содержание, % осн. 5,86,8 0,20,4 <0,2 <0,2 0,10,25 0,050,15 <0,1 <0,3 0,020,1
Макроструктуру соединений оценивали визуальным осмотром с использованием лупы Levenhuk Zeno Multi ML7 при увеличении х3.. .10. Металлографические исследования проводили на шлифах, вырезанных поперек сварного стыка, с использованием оптического микроскопа Neophot-32 при увеличении х25, х 100, ><400. Подготовку поверхности шлифов проводили на шлифовально-полировальном станке Steuers LaboPol-5. Для выявления зеренной структуры образцов полированную поверхность травили в реактиве Келлера (0,5HF-1,8HCl-2,7HNO3-95H2O (об. %)) и 0,5%-ном водном растворе плавиковой кислоты. Исследование распределения твердости HRB в зоне соединений проводили при помощи стационарного твердомера NOVOTEST ТС-БВР при нагрузке 600 Н (диаметр шарика 1/16") с шагом 1.2 мм,
испытания образцов сварных соединений на растяжение - на машине ЦДМ-10 с максимальным усилием 100 кН.
В процессе отработки режимов сварки проводился «экспресс-анализ» качества сварных соединений - загиб образцов с надрезом по линии соединения до разрушения. Качество соединений оценивали по наличию (отсутствию) дефектов типа оксидных плён при визуальном осмотре изломов разрушенного образца. При отработке режимов КССО стремились минимизировать время сварки с целью уменьшения разупрочнения металла. По такой методике определены режимы КССО, которые обеспечивают отсутствие дефектов по линии соединения.
Результаты исследований.
Процесс сварки КССО образцов сплава 2219-
Т87 включал в себя несколько стадий: предварительный подогрев сопротивлением, оплавление, осадку. Обязательным условием получения качественных соединений из алюминиевых сплавов при КССО является принудительное формирование стыка, при этом ширина зоны интенсивной деформации практически равна припуску на осадку. Степень деформации деталей 1 (рис. 1) в зоне соединения увеличивается в процессе осадки по мере
сближения формирующих устройств 2, установленных в токоподводящих зажимах 3 сварочной машины. С помощью формирующих устройств создают объемно-напряженное состояние в стыке для исключения расслоения свариваемого металла и обеспечивают удаление образующегося при сварке грата 4, в результате чего сварное изделие практически не нуждается в механической зачистке.
Рисунок 1
Схема КССО с формированием соединения: 1 - детали; 2 - формирующие устройства; 3 - токоподвод; 4 - грат, 1СВ - припуск на сварку
Для обеспечения требуемого температурного поля для проведения процесса осадки при КССО с принудительным формированием стыка проводили предварительный подогрев образцов
сопротивлением (проходящим током) при значении тока до 12под=20 кА. Максимальную температуру подогрева задавали равной Тпод=200 °С, поскольку нагрев до данной температуры не приводит к снижению прочности сплава 2219-Т87. Дальнейшее повышение температуры приводит к активному протеканию процессов возврата и рекристаллизации, а также коагуляции и укрупнению упрочняющих фаз [11].
В процессе отработки режима КССО по методике «экспресс-анализа» корректировали значения припусков на оплавление и осадку до тех
пор, пока в изломах соединений отсутствовали недопустимые дефекты, в частности оксидные пленки (рис. 2). Оптимальные температурные условия деформации при осадке определяли из условий горячего прессования сплава [12]. При условии равенства пределов текучести и прочности свариваемого сплава в зоне деформации создаются оптимальные условия формирования соединения при осадке. В данном случае обеспечивается получение сварных соединений с минимальным уровнем внутренних напряжений при отсутствии микротрещин и других дефектов. Для получения качественных соединений сплава 2219-Т87 необходимо обеспечить нагрев оплавлением зоны пластической деформации до температуры не менее 400 °С.
б)
Рисунок 2 - Изломы сварного соединения: а - с дефектами (оксидные пленки), б - без видимых дефектов
По результатам экспериментов параметры процесса оплавления устанавливали в пределах: вторичное напряжение и2опл=5...6 В, скорость оплавления Vопл=2...18 мм/с; параметры осадки -максимальная скорость VOc=180...250 мм/с, давление Рос=300...600 МПа, при этом общий припуск на оплавление и осадку изменяли в пределах 1св=40 .60 мм.
Установлено, что предварительный нагрев сопротивлением образцов до Тпод=200 °С с последующим оплавлением на протяжении 15 с и осадкой при значении давления не ниже 500 МПа обеспечивают формирование качественного
сварного соединения без каких-либо дефектов (рис. 2, б).
Результаты исследований структуры основного металла (ОМ), макро- и микроструктуры сварных соединений приведены на рис. 3-5. Микроструктура основного металла сплава 2219-Т87 (рис. 3) характеризуется выраженной текстурой с деформированными в направлении проката зернами и большим количеством вторичных фаз различной дисперсности, расположенных в виде «цепочек» на отдельных участках, преимущественно по границам зерен, и более равномерно внутри зерен.
" : ____ - -Тх; •
^ - о.
¿о- • "••■; •• а»:. ■. '
: 9 - • -о .о- 1 Г '
^ • - " -Ф Л : - Г. ,■;••'
'Г- 'S'. V ^
... ~ •«> ,50 мкм • -14-
б;
Рисунок 3 - Микроструктура основного металла сплава 2219-Т87
По мере приближения к линии соединения наблюдается изменение ориентации зерен, причем направление волокон проката в зоне термомеханического влияния постепенно меняется до 90о по сравнению с исходным направлением зерен ОМ и совпадает с направлением экструзии металла в процессе деформации при осадке (рис. 4). В результате экструзии металла в зазор между формирующими устройствами происходит
частичное растворение выделений вторичных фаз -их размер уменьшается, скопления в виде «цепочек» частично разрушаются, частицы становятся обособленными. Такая структура свидетельствует о существенном влиянии интенсивной пластической деформации при осадке с принудительным формированием на морфологию выделений вторичных фаз.
Рисунок 4 - Макроструктура сварного соединения
В сварном соединении отсутствуют дефекты типа оксидных пленок, расслоений, эвтектических образований, а в зоне термического влияния не наблюдаются скопления частиц вторичных фаз по границам зерен, снижающих коррозионную стойкость соединений (рис. 5,а). Размер частиц
вторичных фаз в центре стыка (зона шириной 150.200 мкм) составляет 1.2 мкм (рис. 5,б), что значительно меньше такого для ОМ сплава, и свидетельствует о полном растворении частиц при сварке и повторном их выделении в дисперсном виде при охлаждении.
Рисунок 5 - Микроструктура сварного соединения
Анализ микроструктуры соединения подтверждает формирование соединения через тонкий слой расплава, что является необходимым условием качественной сварки алюминиевых сплавов.
Характер распределения твердости в зоне соединения (рис. 6) показывает, что ширина зоны
термического влияния составляет около 28 мм, а максимальная величина снижения твердости не превышает 15%. Снижение твердости обусловлено структурными преобразованиями в зоне соединения сплава 2219-Т87 под влиянием термического и деформационного воздействия в процессе сварки.
< -1
--100 on 8
OüV ЯП HRb - (P=600N,
7П 01/16")
lU en
СП mm
8 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 ) 2 4 6 8 10 12 14 16 1
Рисунок 6 - Распределение твердости (Р=600 Н) в зоне сварного соединения
Результаты испытаний на разрыв образцов основного металла (ОМ) и сварных соединений (СС) сплава 2219-Т87 приведены в табл. 2.
Таблица 2
Образец Св, МПа Go,2, МПа 85, % Угол загиба аО KCV, Дж/см2 (Т=20ОС) Коэф. Прочн. Св сс/Св ом
ОМ 486 413 10,9 37 13,9 -
СС 372 263 4,3 33 16,6 0,76
Предел прочности соединений, полученных по разработанной технологии КССО без последующей термической обработки, составляет 76% уровня основного металла.
Выводы:
1. Установлено, что предварительный нагрев сопротивлением образцов сплава 2219-Т87 до
температуры 200 °С с последующим оплавлением на протяжении 15 с и осадкой с принудительным формированием при значении давления не ниже 500 МПа, обеспечивают формирование качественных соединений без дефектов.
2. Микроструктура металла в зоне соединения свидетельствует о существенном влиянии
ив Ш1
интенсивной пластической деформации при осадке с принудительным формированием на морфологию выделений вторичных фаз. В результате экструзии металла в зазор между формирующими устройствами происходит частичное растворение частиц вторичных фаз - их размер уменьшается, скопления в виде «цепочек» частично разрушаются.
3. Предел прочности соединений сплава 2219-Т87, полученных по разработанной технологии КССО, составляет 76% уровня основного металла.
Литература:
1. Гуреева М.А., Грушко О.Е. Алюминиевые сплавы в сварных конструкциях современных транспортных средств // Конструкционные материалы. 2009. С.27-41.
2. Aviation maintenance technician handbook -Airframe Volume 1 - U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration Flight Standards Service, Oklahoma City -2018. URL: http://www.faa.gov
3. Davis J.R. Aluminu and aluminum alloys // ASM Speciality Handbook, ASM International; 1993.
4. ASTM B209: Standard Specification for Aluminum and Aluminum-Alloy Sheet and Plate. URL: https://www.astm.org/Standards/B209.htm
5. Aluminum Standards and Data / Aluminum Association Inc., 2013. URL:https://www.aluminum.org/news/aluminum-association-completes-2013 -edition-aluminum-standards-and-data
УДК 004.9
ГРНТИ 20.01.07
6. Santhana Babu A.V., Giridharan P.K., Ramesh Narayanan P. et al. Experimental investigations on tensile strength of flux bounded tig welds of AA2219-T87 aluminum alloy // Journal of advanced manufacturing systems. 2014. Vol. 13, № 2. Р.103-112. https://doi.org/10.1142/S0219686714500073
7. Arora K.S., Pandey S., Schaper M., Kumar R. Effect of process parameters on friction stir welding of aluminum alloy 2219-T87 // International journal of advanced manufacturing technology.2010. 50(9). Р.941-952 https://doi.org/10.1007/s00170-010-2560-3
8. Du Y., Li H., Yang L., Luo C. Accurate measurement of residual stresses of 2219-T87 aluminum alloy friction stir welding joints based on properties of joints // Journal of Mechanical Science and Technology. 2018. Vol. 32(1). Р.139-147. https://doi.org/10.1007/s12206-017-1215-9.
9. Кучук-Яценко С.И. Контактная стыковая сварка оплавлением. Киев: Наук. думка; 1992.
10. Barbosa C., Dille J., Delplancke J.-L. et al. A microstructural study of flash welded and aged 6061 and 6013 aluminum alloys // Materials Characterization. 2006. Vol. 57. Issue 3. Р.187-192. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2006.01.002
11. Shanmugasundaram T., Murty B.S., Sarma V.S. Development of ultrafine grained high strength Al- Cu alloy by cryorolling // Scripta Materialia. 2006. Vol. 54. Issue 12. P.2013-2017. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.03.012
12. Щерба В.Н. Прессование алюминиевых сплавов. М: «Интермет Инжиниринг»; 2001.
Жукова Татьяна Ивановна
кандидат экономических наук, ведущий научный сотрудник Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Информатика и управление"
Российской академии наук" Россия г. Москва
ЦИФРОВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ: ПРИРОДОПОДОБНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОРПОРАТИВНОЙ СРЕДЕ 1
Аннотация. В статье проанализирована логика возникновения архитектуры цифровых экосистем как природоподобной технологии, позволяющей решить ключевую задачу проектирования и обслуживания эффективных вычислительных сред путем автоматизации поиска новых алгоритмов. Рассматривается преемственность основных элементов и принципов существования экосистем и их цифровых аналогов. Проанализирована смена парадигмы функционирования бизнеса от линейных цепочек создания стоимости к цифровым экосистемам.
Abstract. The article analyzes the logic of the emergence of the architecture of digital ecosystems as a naturelike technology that allows to solve the key problem of designing and maintaining efficient computing environments by automating the search for new algorithms. The continuity of the main elements and principles of the existence of ecosystems and their digital analogues is considered. The paradigm shift of business functioning from linear value chains to digital ecosystems is analyzed.
Ключевые слова: цифровые экосистемы, цифровая экономика, коллаборативная среда, природоподобные технологии.
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант №17-29-07048 офи_м)
