CC BY
21
УДК 621.791.754.6
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-3-16-20
СВАРКА МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧЕННЫХ СЕЛЕКТИВНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ПЛАВЛЕНИЕМ
Андрей Валерьевич Федоренков, Тахир Наилевич Азизов, канд. техн. наук,
Борис Абдулхаевич Хасянов
АО «ММП им. В.В. Чернышева», Москва, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация. Развитие аддитивных технологий не только открывает новые возможности для изготовления изделий, но и ставит новые задачи для специалистов сварочного производства: интеграция деталей в сборки, исправление дефектов печати, изготовление деталей, превышающих размеры рабочего стола 3D-принтера. Сварка аддитивных материалов требует особого подхода из-за особенностей структуры синтезированных материалов. В данной работе на плоских образцах, изготовленных методом селективного лазерного плавления из сплавов AlSi10Mg, CoCr MP1 и ПС-КХМ 20/45, осуществлен выбор оптимальных параметров режима сварки, выполнен радиографический контроль, металлографические исследования и определен предел прочности полученных сварных соединений. Представленные результаты рекомендуются к сведению для разработчиков изделий, специалистов аддитивного и сварочного производства.
Ключевые слова: аддитивные технологии; селективное лазерное плавление; сварка АДС; свариваемость; AlSi10Mg; MP1; ПС-КХМ 20/45
Welding of Materials Produced by Selective Laser Melting. Andrey V. Fedoren-kov, Cand of Sci. (Eng.) Takhir N. Azizov, Boris A. Khasyanov
JSC «MMP named after V.V. Chernyshev», Moscow, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract. The development of additive technologies not only opens up new opportunities for manufacturing of products, but also poses new challenges to welding specialists: integrating parts into assemblies, correction of printing defects, and manufacturing of parts that exceed the size of a 3D printer worktable. Welding of materials produced by additive technologies requires a special approach because of the structure peculiarities of the built up materials. In this work, using flat specimens made from SLM AlSi10Mg, CoCr MP1, and PS-KKhM 20/45 alloys, the optimal welding parameters were selected, radiographic control and metallographic studies were performed, and the ultimate strength of the welded joints was determined. The presented results are recommended to inform product designers and specialists in additive and welding production.
Keywords: additive technologies; selective laser melting; argon arc welding; welda-bility; AlSi10Mg; MP1; PS-KKhM 20/45
Аддитивное производство захватило воображение производственного сообщества, поскольку обладает революционным потенциалом в ряде направлений [1]. По мнению специалистов, развитие генеративного дизайна явилось причиной бурного развития аддитивных технологий, так как традиционные технологии (литье, ковка, сварка, обработка металлов резанием и давлением) в настоящее
время уже не могут обеспечить потребность современных конструкторских решений [2].
Однако для изготовления деталей, превышающих размеры рабочего стола 3D-принтера, для интеграции деталей в крупные сборки, а также для исправления дефектов печати традиционная технология сварки по-прежнему востребована.
Целью данной работы является оценка свариваемости синтезированных сплавов
Рис.1. Поры в сварном соединении синтезированного сплава AlSi10Mg
AlSi10Mg, CoCr MP1 и ПС-КХМ 20/45, полученных методом селективного лазерного плавления (СЛП). Принцип изготовления изделий данным способом заключается в послойном расплавлении металлического порошка лучом лазера в заполненной инертным газом камере. Геометрия изделия и траектория перемещения луча задается CAD-моделью.
В данной работе были исследованы сварные соединения плоских образцов (200*100*3 мм) из следующих материалов: синтезированный алюминиевый сплав AlSi10Mg + AlSi10Mg, синтезированный кобальт-хромовый сплав CoCr MPI + CoCr MPI, а также сочетание синтезированного кобальт-хромового сплава ПС-КХМ 20/45 (СЛП) с хромоникелевой сталью 08Х15Н5Д2Т (ЭП 410, листовой прокат).
AlSi10Mg - наиболее широко используемый алюминиевый сплав из-за его простоты печати в сочетании с такими физическими свойствами, как малый вес, хорошая механическая прочность, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая коррозионная стойкость.
Технологическая сложность сварки алюминиевых сплавов заключается в наличии на поверхности плотной, тугоплавкой окисной пленки Al2O3, способной адсорбировать газы, особенно водяной пар.
Сварку образцов выполняли в среде защитного газа (аргон) неплавящимся электродом. Предварительно удаляли оксидную пленку химическим травлением.
Выполняли визуальный и рентгенографический контроль качества сварных швов, металлографические исследования.
Х50
В сварных швах присутствует большое количество мелких и крупных пор величиной до 1,2 мм (рис. 1).
Для проведения механических испытаний изготавливали образцы в соответствии с ГОСТ 1497-84. Выполнены испытания сварных образцов и образцов материала А1БИ0Мд (основной материал). Механические свойства образцов основного материала соответствуют требованиям сертификата. Предел прочности сварных швов составил 29,3-58,15 % от прочности основного материала при норме не менее 80 %. Примечательно, что наиболее высокая прочность 58,15 % отмечается в начале сварного соединения и последовательно снижается до 29,3 % к окончанию шва. Наблюдается повышение твердости сварных швов 50,0-72,0 ИРВ при норме для данного материала 50 ± 6 ИРВ. Относительное удлинение составило не более 1 %.
Явная пористость сварных швов материала А1-БИ0Мд также была обнаружена в исследованиях отечественных и иностранных авторов [1, 3, 5].
Согласно некоторым результатам исследований, образование пор может быть явно уменьшено с помощью различной подготовки поверхности, разделки кромок и режимов сварки [4].
После получения первых результатов были опробованы следующие технологические приемы по уменьшению газовой пористости:
а б
Рис. 2. Образцы с Х-образной (а) и ^образной (б) формами кромок
— X- и V- образная разделка кромок для вывода газовых пор;
— корректировка режимов сварки;
— попеременно-импульсная подача аргона и гелия для защиты сварочной ванны.
Для первой группы образцов выполняли Х-образную разделку кромок под 45°, второй группы образцов - ^образную разделку кромок под 45°.
Окисную пленку удаляли механической зачисткой свариваемых поверхностей, для присадочной проволоки применяли травление.
Сварку первой группы образцов выполняли в среде защитного газа (аргон) неплавящимся электродом, второй группы образцов - с попеременно-импульсной подачей аргона и гелия для защиты сварочной ванны. Опробованы различные значения силы тока от 55 до 110 А, частоты от 50 до 150 Гц, баланс полупериодов от -15 до +25 %. В качестве присадочного материала использовали сварочную проволоку св. АК-5 ГОСТ 7871—75.
По результатам исследований сварных швов образцов первой и второй групп отмечается большое количество мелких и крупных пор.
При Х-образной разделке кромок выявлено наибольшее количество крупных пор (рис. 2, а). Причиной повышения количества крупных пор является выполнение двустороннего шва. Такая форма разделки кромок не способствует интенсивному выходу пор из сварочной ванны.
При ^образной разделке кромок отмечается увеличение количества мелких пор (рис. 2, б). Вероятной причиной образования пор является применение попеременно-импульсной подачи аргона и гелия. С усилением перемешивания расплавленного металла сва-
рочной ванны, вероятно, повышается интенсивность образования пористости.
Основное скопление пор в швах образцов двух групп наблюдается по границам сварных швов. Данная локализация говорит о необходимости выбора оптимальной разделки кромок, способствующей снижению пористости сварного шва.
После анализа полученных результатов были изготовлены образцы с односторонней разделкой кромки под 70°.
Окисную пленку удаляли механической зачисткой свариваемых поверхностей, для присадочной проволоки использовали травление. Перед сваркой образцы предварительно подогревали до 300 °С.
Сварку образцов выполняли ручной дуговой сваркой в среде аргона неплавящимся электродом за 3 прохода по режиму: сила тока 55 А, частота 115 Гц, баланс полупериодов +10 %.
Применение данных технологических приемов позволило снизить количество пор в сварном шве (рис. 3).
Кобальт-хромовый сплав ^^ MP1. Жаропрочные сплавы на основе кобальта, легированные тугоплавкими элементами, успешно используются в деталях газотурбинных двигателей [6]. В настоящее время сплавы системы Со-Сг-Ni-W-Ta применяют для отливок деталей соплового аппарата, топливных форсунок, горелок и деталей сопла [7]. Вероятность образования трещин в отливках из кобальт-хромовых сплавов существенно ниже, чем в отливках высоколегированных никелевых сплавов. Кобальтовые сплавы превосходно свариваются [6].
Аргонодуговая сварка синтезированных образцов также показала хорошую свариваемость.
При рентгенографическом и визуальном контроле после сварки недопустимых дефектов не выявлено.
Рис. 3. Сварной шов синтезированного сплава AlSi10Mg
Ш у <"Х< МШ ■ - \ • • .ij?^.:'- - - . • ■
Рис. 4. Сварной шов синтезированного сплава CoCr MP1
Рис. 5. Сварной шов синтезированного сплава CoCr Mp1 после термической обработки
Рис. 6. Сварной шов ПС-КХМ20/45 + ЭП410
Выполнены металлографические исследования образцов после сварки (рис. 4), а также после сварки и термической обработки для снятия остаточных напряжений (рис. 5). Дефекты сварных швов отсутствуют.
Предел прочности сварных швов составляет более 80 % от нижнего предела прочности основного материала по сертификату, твердость сварных швов 35-38 ИРС, что соответствует требованиям нормативной документации.
ПС-КХМ20/45 + 08Х15Н5Д2Т (ЭП410). Целью опробования сварки образцов синтезированного сплава ПС-КХМ20/45 с коррозион-ностойкой жаропрочной сталью 08Х15Н5Д2Т (ЭП410) является применение данного сочетания материалов в деталях и сборочных единицах газотурбинных двигателей.
Отработку режимов и сварку образцов проводили на автоматической установке для ар-гонодуговой сварки продольных швов.
Сварку образца № 1 выполняли с присадочной проволокой св. ЭП-367 02 ГОСТ 2246-70, образец № 2 сваривали без присадочного материала, образец № 3 - с присадочным материалом ПС-КХМ20/45 02.
При визуальном и рентгенографическом контроле сварных швов недопустимых дефектов не выявлено.
Выполнены металлографические исследования образцов после сварки (рис. 6). Дефекты сварных швов отсутствуют.
Механические испытания показали, что предел прочности сварных швов материалов ПС-КХМ20/45 + ЭП410 составляет 75-77 % от прочности материала ПС-КХМ20/45.
Однако прочность полученных сварных швов ниже прочности композиции материалов ЭП410У-Ш + ЭП410У-Ш на 31,1-35,2 % в зависимости от присадочного материала. Такое снижение прочности обусловлено меньшим пределом прочности материала ПС-КХМ20/45 948,9-960,7 МПа (96,83-98,03 кг/мм2) по сравнению со сталью ЭП410 1287,9-1336,9 МПа (131,42-136,42 кг/мм2).
Выводы
1. Образцы синтезированного алюминиевого сплава А18И0Мд имеют ограниченную свариваемость. По сравнению с аналогичными литейными сплавами в сварных швах присутствует большое количество пор, которые влияют на прочностные характеристики соединений. Данное явление может возникать по причине низкой скорости поглощения энергии материалом.
Образование пор при сварке плавлением может быть уменьшено с помощью различной
подготовки поверхности, разделки кромок и режимов сварки.
В дальнейших исследованиях должны быть подробно изучены механические свойства сварных соединений и влияние влаги, содержащейся в химическом составе порошка для печати.
2. Образцы синтезированных кобальт-хромовых сплавов ПС-КХМ20/45 и СоСг МР1 обладают хорошей свариваемостью и потенциально могут применяться в сварных узлах из жаропрочных сталей и сплавов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Gill M., Terry E., Abdi Y. et al. Joining Technologies for Metal Additive Manufacturing in the Energy Industry // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (TMS). 2020. 72. Р. 4214-4220.
2. Борисенко Д.Н., Борисенко Е.Б., Жохов А.А., Колесников Н.Н., Прохоров Д.В., Редькин Б.С. Оборудование и технология изготовления профилированных изделий из тугоплавких металлов (W, Mo, Nb) способом 3D-печати // Материалы V международной конференции. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Москва. 22 марта. 2019 [Электронный ресурс]. М.: ВИАМ, 2019. С. 25-28.
3. Jarmo Makikangasa, Timo Rautioa, Aappo Mus-takangasa, Kari Mantyjarvia. Laser welding of Al-Si10Mg aluminium-based alloy produced by Selective Laser Melting (SLM). 2019 The Author(s). Published by Elsevier B.V. Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 17th Nordic Laser Material Processing Conference.
4. Lei Wang, Yanhong Wei, Wenyong Zhao, Xiao-hong Zhan, Lvbo She. Effects of welding parame-
ters on microstructures and mechanical properties of disk laser beam welded 2A14-T6 aluminum alloy joint // Journal of Manufacturing Processes. 2018. 31. Р. 240-246.
5. Федотов С.А., Рожкова Ю.Н., Федотова Н.С., Митрошков И.А. Исследование свариваемости и межкристаллитной коррозии образцов из сплава AlSi10Mg, полученных методом селективного лазерного плавления // Материалы VII Международной конференции. Аддитивные технологии: настоящее и будущее. Москва. 7-8 октября. 2021 [Электронный ресурс] М.: НИЦ «Курчатовский институт» - ВИАМ, 2021. С. 62-72.
6. Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A Technical Guide. 2nd Edition. ASM International. 2002. 439 p.
7. Reuchet J., Remy L. High temperature low cycle fatigue of MAR-M 509 superalloy I: the influence of temperature on the low cycle fatigue behaviour from 20 to 1100 °C // Materials Science and Engineering. 1983. Vol. 58. P. 19-32.
REFERENCES
1. Gill M., Terry E., Abdi Y. et al. Joining Technologies for Metal Additive Manufacturing in the Energy Industry // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society (TMS). 2020. 72. P. 4214-4220.
2. Borisenko D.N., Borisenko Ye.B., Zhokhov A.A., Kolesnikov N.N., Prokhorov D.V., Red'kin B.S. Oborudovaniye i tekhnologiya izgotovleniya profili-rovannykh izdeliy iz tugoplavkikh metallov (W, Mo, Nb) sposobom 3D-pechati // Materialy V mezhdunarodnoy konferentsii. Additivnyye tekhnologii: nastoyashcheye i budushcheye. Moskva. 22 marta. 2019 [Elektronnyy resurs]. M.: VIAM, 2019. S. 25-28.
3. Jarmo Makikangasa, Timo Rautioa, Aappo Mus-takangasa, Kari Mantyjarvia. Laser welding of Al-Si10Mg aluminium-based alloy produced by Selective Laser Melting (SLM). 2019 The Author(s). Published by Elsevier B.V. Peer-review under responsibility of the scientific committee of the 17th Nordic Laser Material Processing Conference.
4. Lei Wang, Yanhong Wei, Wenyong Zhao, Xiao-hong Zhan, Lvbo She. Effects of welding parame-
ters on microstructures and mechanical properties of disk laser beam welded 2A14-T6 aluminum alloy joint // Journal of Manufacturing Processes. 2018. 31. P. 240-246.
5. Fedotov S.A., Rozhkova Yu.N., Fedotova N.S., Mi-troshkov I.A. Issledovaniye svarivayemosti i mezh-kristallitnoy korrozii obraztsov iz splava AlSi10Mg, poluchennykh metodom selektivnogo lazernogo plav-leniya // Materialy VII Mezhdunarodnoy konferentsii. Additivnyye tekhnologii: nastoyashcheye i budushcheye. Moskva. 7-8 oktyabrya. 2021 [Elektronnyy resurs] M.: NITS «Kurchatovskiy institut» - VIAM, 2021. S. 62-72.
6. Donachie M.J., Donachie S.J. Superalloys: A Technical Guide. 2nd Edition. ASM International. 2002. 439 p.
7. Reuchet J., Remy L. High temperature low cycle fatigue of MAR-M 509 superalloy I: the influence of temperature on the low cycle fatigue behaviour from 20 to 1100 °C // Materials Science and Engineering. 1983. Vol. 58. P. 19-32.
