CC BY
13
УДК 621.791.14
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-2-20-28
СВОЙСТВА И СТРУКТУРА СПЛАВА 1565ч В ЗОНЕ ПЕРЕСЕЧЕНИЯ ШВОВ СТП
Александр Михайлович Дриц1, канд. техн. наук, Виктор Васильевич Овчинников2, докт. техн. наук, профессор,
Руслан Борисович Резцов2, аспирант
1Самарский металлургический завод, Москва, Россия, e-mail: dritsam@gmail.com 2Московский политехнический университет (Мосполитех), Москва, Россия, e-mail: vikov1956@mail.ru
Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований особенностей формирования структуры сплава 1565чМ в зоне пересечения швов, выполненных сваркой трением с перемешиванием (СТП). Установлено, что в зоне пересечения двух швов наблюдается снижение среднего размера зерна в шве с 5,2 до 3,3 мкм. Измерения усилия перемещения инструмента показали, что при переходе с участка сварки сплава 1565чМ на участок пересечения с предварительно выполненным швом оно снижается с 11,75 до 3,8 кН. Металл в зоне пересечения двух швов СТП обладает более высокими прочностными свойствами, но несколько меньшим относительным удлинением по сравнению с металлом зоны перемешивания одиночного шва. При испытании на статическое растяжение наиболее высокие прочностные свойства продемонстрировали образцы с продольным расположением шва по отношению к направлению приложения нагрузки. Образцы с пересекающимися швами уступали им по прочности примерно на 10-15 %.
Ключевые слова: алюминиевый сплав 1565чМ; сварка трением с перемешиванием; пересечение швов; механические свойства; микроструктура
Properties and Structure of the 1565ch Alloy in the FSW Welds Intersection Zone. Cand. of Sci. (Eng.) Alexander M. Drits1, Dr. of Sci. (Eng.), Professor Viktor V. Ovchinnikov2, Рostgraduate student Ruslan B. Reztsov2
1 Samara Metallurgical Plant, Moscow, Russia, e-mail: dritsam@gmail.com
2 Moscow Polytechnic University (MosPolytech), Moscow, Russia, e-mail: vikov1956@mail.ru
Abstract. The results of experimental studies of the structure formation features of the 1565chM alloy in the zone of intersection of welds made by friction stir welding (FSW) are presented. A decrease in the average grain size from 5.2 to 3.3 microns was observed in the intersection zone of two welds. Measurements of the tool movement force showed that when moving from the 1565chM alloy welding area to the intersection area with a pre-made weld, this value decreases from 11.75 to 3.8 kN. The metal in the intersection zone of two FSW welds has higher strength properties, but somewhat lower elongation as compared to that of the stir zone of a single weld. In the static tension tests, the highest strength properties had specimens with a weld co-directional to the load direction. Specimens with intersecting welds were inferior to them in strength by about 10-15 %.
Keywords: 1565chM aluminum alloy; friction stir welding; intersection of welds; mechanical properties; microstructure
Введение
Сварка трением с перемешиванием находит в настоящее время широкое применение при создании сварных конструкций из алюминиевых сплавов [1-6]. Формирование неразъемного соединения при сварке трением с перемешиванием (СТП) протекает в твердой фазе без расплавления основного металла, что позволяет избежать появления в швах алюминиевых сплавов таких характерных для сварки плавлением дефектов, как горячие трещины, поры и включения оксидной пленки. Ввиду невысоких температур нагрева соединения в процессе сварки наблюдается снижение разупрочнения металла в зоне термического влияния и протяженности указанной зоны. Сварка трением с перемешиванием характеризуется также отсутствием существенных деформаций свариваемых конструкций после сварки, что во многих случаях исключает необходимость их механической правки.
Она активно используется при изготовлении различных типов плит охлаждения. В конструкции таких плит наблюдаются протяженные швы, выполняемые на станках с числовым программным управлением, которые в отдельных зонах пересекаются с предварительно выполненными СТП прямолинейными швами. По требованию конструкторской документации в швах плит охлаждения не допускается течи охладителя, и швы должны быть герметичными.
Поэтому представляет интерес исследование структуры и свойств материала в зоне пересечения швов, выполненных СТП, и наличие в данной зоне возможных дефектов.
Материал и методики исследования
Эксперименты проводили на листах толщиной 5 мм из алюминиевого сплава 1565чМ, химический состав которого приведен в табл. 1.
Механические свойства листов из сплава 1565чМ после отжига представлены в табл. 2.
Стыковые соединения листов из сплава 1565чМ выполняли сваркой трением с перемешиванием на экспериментальной установке, созданной на базе модернизированного вертикального фрезерного станка с числовым программным управлением марки MECOF-СБ-1040 (Италия) в комплекте со сборочно-сварочной оснасткой.
Установка оборудована системой регистрации параметров процесса сварки, которая позволяет непосредственно во время сварки измерять силы Рх (сила, действующая в направлении сварки вдоль шва), Ру (сила, действующая перпендикулярно направлению сварки в плоскости, параллельной поверхностям стыкуемых элементов - плоскости сварки) и (сила, действующая в направлении, перпендикулярном плоскости сварки), а также крутящий момент Мг.
Режим сварки трением с перемешиванием (частота вращения инструмента, скорость перемещения инструмента, усилие прижима инструмента к свариваемым листам, угол наклона инструмента в плоскости свариваемого стыка) выбирали из условия получения плотного шва без дефектов в виде несплошностей (табл. 3).
СТП осуществляли инструментом в виде державки со сменным наконечником, состоящим из буртика и стержня, на поверхности которого выполнена винтообразная канавка
Таблица 2
Механические свойства листов
толщиной 5 мм из сплава 1565чМ
в отожженном состоянии
Временное Условный Относи-
Марка сопротив- предел тельное
сплава ление ав, текучести удлинение
МПа 0О,2, МПа 8, %
1565ч 355 215 18,5
Таблица 1
Химический состав (% мас.) листов толщиной 5 мм из сплава 1565чМ
Марка сплава А1 Мд Мп 7п Си Сг Fe Б1
1565ч Осн. 5,80 0,63 0,68 0,08 0,10 0,090 0,20 0,10
Таблица 3 Параметры режима сварки трением с перемешиванием листов толщиной 5 мм из сплава 1565чМ
Толщина, мм Частота вращения инструмента, об/мин Скорость сварки, мм/мин Угол наклона инструмента в плоскости стыка, град. Усилие прижатия инструмента к поверхности деталей, кН
5,0 750-800 130-160 2 2,1-2,6
глубиной 0,8 мм. Стержень диаметром 4,0 мм имел высоту 4,8 мм для гарантированного соединения свариваемых листов по всей их толщине. Инструмент изготовлен из инструментальной стали Р18.
Временное сопротивление соединений определяли на образцах по ГОСТ 6996-66 с шириной рабочей части 15 мм. Образцы испытывали на универсальной электромеханической машине Инстрон 5980. Для испытаний на статический изгиб применяли образцы шириной 10 мм, вырезанные поперек шва.
Для определения механических свойств соединений в зависимости от расположения шва относительно направления прилагаемой нагрузки при испытаниях использовали образцы, представленные на рис. 1.
Макро- и микроструктуру сварных соединений, а также характер их разрушения исследовали с помощью цифрового стереоскопического микроскопа МоНе DM-39C-N9GO-A. Для
чччччччччччччччччччч ччччччччччччччччч k ччччччччччччччччччч
а
h б
ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ /Xчччччччч' чЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ
ччччччччччччччччччччч ЧЧЧЧЧЧЧ //ЧЧЧЧЧЧЧЧ 'о чЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ
в
Рис. 1. Образцы для испытаний на статическое растяжение:
а - с продольным расположением шва; б - с поперечным расположением шва; в - с пересекающимися швами (шов заштрихован)
выявления макро- и микроструктуры образцы соединений подвергали травлению в реактиве Келлера (5 % HCl, 5 % HNO3, 5 % HF, 85 % H2O).
Для исследования структуры поверхности излома соединений после испытаний на статическое растяжение применяли сканирующий электронный микроскоп Carl Zeisse evo-50 с приставкой для определения содержания легирующих элементов в различных зонах сварного соединения.
Шлифы и образцы для измерения твердости вырезали поперечно направлению сварки, а также с учетом контроля структуры всех зон (зона перемешивания, зона термомеханического воздействия, зона термического влияния, основной металл) на расстоянии 30 мм от центра шва по обе стороны и шириной 10 мм.
Для измерения твердости использовали твердомер Metkon Duroline MH-6. Для определения твердости по Виккерсу была использована нагрузка 1 кг и время выдержки 10 с.
Качество сварных соединений оценивали с использованием рентгеновской компьютерной томографии. Ограничением оптической и электронной микроскопии является способность исследовать только поверхность объекта. Однако для исследования материалов и поиска дефектов этого недостаточно, так как искомые дефекты не обязательно выходят на поверхность, но также могут находиться внутри объекта исследования. Для решения задачи нахождения дефектов подходит метод компьютерной рентгеновской томографии.
Этим методом можно получать объемные изображения объектов, включая внутреннюю структуру. Благодаря относительно большой проникающей способности рентгеновских лучей, компьютерная томография позволяет проводить неразрушающий контроль и, в ограниченном объеме, химическую характеристику внутренней структуры материалов.
Система компьютерной томографии включает в себя источник рентгеновского излучения (рентгеновская трубка), систему управления образцом, детектор излучения и компьютерную систему для анализа данных. Рентгеновская трубка излучает рентгеновский пучок, который проецирует на детектор изображения (теневые проекции) образца под разными углами в то время, когда образец или трубка с детектором совершают вращение. Полученные данные могут быть проанализированы на компьютере и реконструированы в объемное изображение исследуемого объекта.
Результаты исследований и их обсуждение
На первом этапе исследований с помощью рентгеновской компьютерной томографии было оценено качество соединений, особенно в зоне пересечения швов, на наличие внутренних дефектов (рис. 2).
Результаты исследования полученных соединений с пересекающимися швами отразили отсутствие внутренних дефектов в виде несплош-ностей и трещин в области пересечения швов.
При наложении пересекающихся швов с одинаковыми параметрами режима СТП наблюдалось существенное изменение усилия перемещению инструмента в зависимости от его положения относительно зоны пересечения (рис. 3).
Результаты замеров усилия перемещению инструмента в точках, показанных на рис. 3, приведены на рис. 4. При движении инструмента вдоль линии обработки (точка 1) наблюдается самая значительная величина указанного усилия 11,9 кН. В зоне подхода инструмента к пересечению с ранее выполненным швом усилия перемещению инструмента снижаются до 10,2 кН (точка 2). При движении инструмента по металлу первой ранее обработанной зоны перемешивания с мелкими ре-кристаллизованными зернами механическое сопротивление снижается до 3,8 кН (точка 3).
С выходом из зоны перемешивания первого шва (точка 4) усилие перемещению инструмента вновь повышается до 9,3 кН. Затем (точка 5) инструмент выходит на необработанную поверхность и усилие противодействия перемещению инструмента повышается 12,0 кН (см. рис. 4).
Из полученных результатов следует, что сопротивление перемещению инструмента уменьшается при движении через материал зоны перемешивания при сохранении всех остальных
Рис. 2. Изображение участка пересечения швов на мониторе компьютера, полученное с помощью рентгеновской компьютерной томографии
Рис. 3. Пересекающиеся швы СТП на сплаве1565чМ:
1-5 - точки замера усилия, действующего на инструмент
2 3 4 5
Точки замера усилия
Рис. 4. Изменение усилия перемещения инструмента в зависимости от расположения его относительно зоны пересечения швов сплава 1565чМ
Рис. 5. и
условий постоянными. Мелкозернистая структура этой зоны, образованная предыдущим проходом инструмента для обработки изначально крупнозернистого металла, требует меньше энергии для деформации и перемешивания материала. Это свидетельствует о реализации зерногранично-го скольжения как основного деформационного механизма при фрикционной перемешивающей обработке.
Результаты исследований формирования структуры и особенностей пластического течения материала при перекрестных проходах сваркой трением с перемешиванием показали, что данный процесс значительно зависит от структуры материала.
Области перекрытия между проходами при сварке трением с перемешиванием характеризуются наличием четко выраженных зон термомеханического воздействия, образованных между накладывающимися зонами перемешивания. Эти зоны обладают слоистой структурой, образованной потоками металла в зоне перемешивания (рис. 5).
Соединение, выполненное каждым из пересекающихся проходов вне зоны наложения швов, имеет характерные зоны: зона перемешивания, зона термомеханического воздействия, зона термического влияния и зона шва. Металл в зоне термомеханического воздействия (ЗТМВ) характеризуется вытянутыми и повернутыми по направлению деформации зернами, но также зернами, состоящими из более мелких равноосных зерен. Это свидетельствует о частичной рекристаллизации зоны, близкой к зоне перемешивания (ЗП).
В отличие от ЗП и ЗТМВ, зона термического влияния (ЗТВ) не подвергается деформации, а только тепловому воздействию в ходе всего процесса сварки. Этого влияния достаточно для изменения микроструктуры и механических свойств материала [7].
Макроструктура соединения в зоне шва (а) в области пересечения двух швов (б)
Для микроструктуры зоны перемешивания в области наложения пересекающихся швов (рис. 5, б) отмечается, как и в случае единичного шва, мелкозернистая равноосная структура. Можно наблюдать также «луковичную» структуру.
Металл в зоне термомеханического воздействия области пересечения швов не имеет четко выраженной деформации зерен, как в случае единичного шва, а выражен рекристаллизован-ной структурой с размером зерна 5,2-5,9 мкм.
Зона термического влияния в этом случае при травлении проявляется весьма слабо. В табл. 4 приведены результаты измерения размеров
Таблица 4 Размер зерна и микротвердость швов сплава 1565чМ и зоны их пересечения
Характеристика Металл шва Металл области пересечения швов
Средний размер зерна, мкм 5,2-5,9 3,3-3,7
Микротвердость НУ, ГПа 0,89-0,91 0,92-0,94
а б
Рис. 6. Микроструктура зоны перемешивания шва СТП сплава 1565чМ (а) и области пересечения двух швов (б)
зерна в зоне перемешивания и микротвердости как отдельных швов, так и зоны их пересечения.
Из данных табл. 4 следует, что размер зерна в зоне перемешивания области пересечения швов уменьшился с 5,2-5,9 до 3,3-3,7 мкм. При этом среднее значение микротвердости изменилось несущественно.
Уменьшение среднего размера зерна в зоне перемешивания в области пересечения швов
иллюстрируется данными металлографического анализа (рис. 6).
Металлографические исследования также выявили, что в результате двойного перемешивания в области пересечения швов наблюдается примерно двухкратное уменьшение размера фаз.
Результаты механических испытаний образцов, вырезанных из различных областей сварных швов листов из сплава 1565чМ представлены в табл. 5. Для определения временного сопротивления металла зоны перемешивания и области пересечения швов использовались образцы, показанные на рис. 7.
В результате проведенных испытаний образцов, вырезанных по вышеуказанной схеме, произошло разрушение всех образцов строго в зоне ядра сварного шва и области пересечения двух швов.
При этом среднее значение максимального напряжения при разрушении образцов, вы-
Яцро шва
б
Рис. 7. Схема вырезки образцов из ядра одиночного шва сплава 1565чМ (а) и области пересечения двух швов (б)
Таблица 5 Механические свойства металла шва СТП сплава 1565чМ и области пересечения двух швов
Образец Временное сопротивление ав, МПа Условный предел текучести а02, МПа Относительное удлинение 8, % Угол изгиба а, град.
Основной металл 355 215 18,5 95
Металл шва СТП 370 209 28 180
Металл зоны пересечения швов 380 238 22 175
Таблица 6 Временное сопротивление образцов при испытании на статическое растяжение
Образец Временное сопротивление ав, МПа Характер разрушения
Рис. 1, а 338 Поперек основного металла и металла продольного шва
Рис. 1, б 360 По основному металлу на расстоянии 5-8 мм от границы поперечного шва ЗТВ
Рис. 1, в 350 Поперек основного металла и металла продольного шва на расстоянии 2-5 мм от границы поперечного шва
Рис. 7, а 370 Разрушение по металлу шва (зоне перемешивания)
резанных вдоль шва СТП и из области пересечения двух швов оказались очень близкими по величине (370 и 380 МПа соответственно) и выше временного сопротивления основного металла 355 МПа (см. табл. 5). Полученный результат может быть объяснен только с позиций влияния сформированной при сварке в этой части шва однородной бездефектной структуры с малым размером зерна.
Следует также обратить внимание на то, что относительное удлинение образцов, вырезанных из области пересечения швов, снижается по сравнению с относительным удлинением металла шва СТП.
Результаты механических испытаний образцов с различным расположением шва относительно направления прикладываемой нагрузки приведены в табл. 6. В ней представлены средние данные по результатам испытаний трех образцов на вариант.
Из полученных результатов испытаний видно, что наиболее высоким значением временного сопротивления обладают образцы с продольным расположением шва относительно направления нагрузки. Разрушение образца
происходит поперек металла шва и зоны термического влияния (рис. 8, а).
Разрушение образцов с поперечным расположением шва происходит по зоне термического влияния (рис. 8, б). У образцов с пересекающимися швами наблюдается комбинированный характер разрушения: поперек основного металла и металла продольного
б
Рис. 8. Характер разрушения образцов с продольным (а) и поперечным (б) швом
при испытаниях сварных соединений сплава 1565чМ на статическое растяжение
а б
Рис. 9. Микроструктура поверхности разрушения образцов ядра сварного шва (а)
и области пересечения швов (б)
шва на расстоянии 2-5 мм от границы поперечного шва. При этом значение временного сопротивления всех испытанных образцов уступает значению временного сопротивления металла зоны перемешивания.
Фрактографические исследования поверхности излома образцов зоны перемешивания отдельного шва и в области пересечения швов выявили в обоих случаях разрушения вязкого характера (рис. 9).
В обоих случаях разрушение носило транс-кристаллитный характер с формированием развитого ямочного микрорельефа (см. рис. 9). Заметной разницы в размере ямок не обнаружено, скопления крупных частиц и дефектов в виде трещин и расслоений не наблюдали.
Таким образом, результаты металлографических исследований и механических испытаний, а также неразрушающего контроля с помощью рентгеновской томографии показали, что область наложения двух швов при сварке трением с перемешиванием не является потенциально дефектной областью и обладает высоким уровнем механических свойств.
Заключение
1. В результате металлографических исследований, механических испытаний и рентгеновской томографии показано, что область пересечения швов, выполненных сваркой
трением с перемешиванием на алюминиевом сплаве 1565чМ, не является дефектной.
2. На входе инструмента в область пересечения швов отмечено снижение величины усилия противодействия его перемещению с 11,9 до 3,8 кН.
3. Средний размер зерна ядра шва при пересечении швов составляет 3,3-3,7 мкм при размере зерна в ядре шва СТП 5,2-5,9 мкм.
4. Металл зоны перемешивания в области пересечения швов обладает наиболее высоким значением временного сопротивления 380 МПа, которое на 8-9 % превосходит временное сопротивление основного металла. При этом относительное удлинение металла ядра зоны перемешивания в области пересечения швов ниже относительного удлинения шва СТП примерно на 20 %.
5. Наиболее высоким значением временного сопротивления обладают образцы с продольным расположением шва относительно направления нагрузки. Разрушение образца происходит поперек металла шва и зоны термического влияния. У образцов с пересекающимися швами наблюдается комбинированный характер разрушения: поперек основного металла и металла продольного шва на расстоянии 2-5 мм от границы поперечного шва. При этом значение временного сопротивления всех испытанных образцов уступает значению временного сопротивления металла зоны перемешивания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дриц А.М., Овчинников В.В. Сварка алюминиевых сплавов. М.: Руда и металлы, 2017. 440 с.
2. Фролов В.А., Иванюхин А.Н., Сабанцев А.Н. и
др. Сварка трением с перемешиванием - плюсы и минусы // Сварочное производство. 2008. № 10. С. 12-19.
3. Карманов В.В., Каменева А.Л., Карманов В.В.
Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов: сущность и специфические особенности процесса, особенности структуры сварного шва // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2012. № 32. С. 67-80.
4. Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиа-
космической промышленности //Сварка и диагностика. 2013. № 2. С. 47-51.
5. Овчинников В.В. Технологические особенности сварки трением с перемешиванием алюминиевых и магниевых сплавов (обзор) // Машиностроение и инженерное образование. 2016. № 4. С. 22-45.
6. Ищенко А.Я., Подъельников С.В., Покляцкий А.Г. Сварка трением с перемешиванием алюминиевых сплавов (обзор) // Автоматическая сварка. 2007. № 11. С. 32-38.
7. Дриц А.М., Овчинников В.В., Резцов Р.Б. Дефекты, возникающие при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов системы А1-Мд, и способы их устранения // Технология легких сплавов. 2022. № 4. С.14-25.
REFERENCES
1. Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Svarka alyuminiyevykh splavov. M.: Ruda i metally, 2017. 440 s.
2. Frolov V.A., Ivanyukhin A.N., Sabantsev A.N. i dr.
Svarka treniyem s peremeshivaniyem - plyusy i minusy // Svarochnoye proizvodstvo. 2008. № 10. S. 12-19.
3. Karmanov V.V., Kameneva A.L., Karmanov V.V. Svarka treniyem s peremeshivaniyem alyuminiyevykh splavov: sushchnost' i spetsificheskiye oso-bennosti protsessa, osobennosti struktury svarnogo shva // Vestnik PNIPU. Aerokosmicheskaya tekhnika. 2012. № 32. S. 67-80.
4. Lukin V.I., Ospennikova O.G., Ioda Ye.N., Pan-teleyev M.D. Svarka alyuminiyevykh splavov v avia-kosmicheskoy promyshlennosti //Svarka i diagnos-tika. 2013. № 2. S. 47-51.
5. Ovchinnikov V.V. Tekhnologicheskiye osobennosti svarki treniyem s peremeshivaniyem alyuminiyevykh i magniyevykh splavov (obzor) // Mashinostroyeniye i inzhenernoye obrazovaniye. 2016. № 4. S. 22-45.
6. Ishchenko A. Ya., Pod''yel'nikov S.V., Poklyat-skiy A.G. Svarka treniyem s peremeshivaniyem alyuminiyevykh splavov (obzor) // Avtomaticheskaya svarka. 2007. № 11. S. 32-38.
7. Drits A.M., Ovchinnikov V.V., Reztsov R.B. De-fekty, voznikayushchiye pri svarke treniyem s peremeshivaniyem alyuminiyevykh splavov sistemy Al-Mg, i sposoby ikh ustraneniya // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2022. № 4. S. 14-25.
