CC BY
18
Ij|p tl316.fm Page 36 Thursday, October 13, 2016 10:19 AM ^^
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
УДК 621.791:669.715
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРА ЗЕРНА ЛИСТОВ ИЗ СПЛАВА 1565чМ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ СТП
А.М. Дриц, канд. техн. наук (ЗАО «Алкоа - СМЗ», e-mail: [email protected]),
В. В. Овчинников, докт. техн. наук (МГМУ «МАМИ»), А.В. Михайловская, канд. техн. наук, М.С. Кищик (НИТУ «МИСиС»)
Приведены результаты исследований влияния исходного размера зерна в структуре алюминиевого сплава 1565чМ на механические свойства сварных швов, выполненных сваркой трением с перемешиванием, а также на размер зерна ядра шва. Показано, что на размер зерна ядра шва большое влияние оказывает конструкция инструмента и, особенно, параметры винтовой канавки.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы; сплавы системы Al-Mg; листы; сварка трением с перемешиванием; механические свойства; размер зерна в ядре шва.
The Effect of Grain Size in a 1565chM Alloy Sheets Structure on a Structure and Properties of Joints Made by the Friction Stir Welding Technique. A.M. Dritz, V.V. Ovchinnikov, A.V. Mikhailovskaya, M.S. Kishchik.
The results of studies concerning the effect of initial grain size in a 1565chM aluminium alloy structure on mechanical properties of joints made by the friction stir welding technique, as well as on grain size in the weld kernel are shown. It has been found that „ tool design and especially helical groove parameters have a very significant effect on „
grain size in the weld kernel.
Key words: aluminium alloys; Al-Mg system alloys; sheets; friction stir welding; mechanical properties; grain size in the weld kernel.
Введение
В последние годы отмечается расширение применения алюминиевых сплавов в качестве конструкционных материалов, помимо авиационной и космической техники, в автомобильной промышленности при изготовлении объектов коммерческого транспорта (сварные цистерны бензо- и цементовозов), скоростных пассажирских поездов, грузовых железнодорожных вагонов [1, 2].
Для изготовления упомянутых конструкций из алюминиевых сплавов используют методы сварки плавлением. В то же время сварка плавлением алюминиевых сплавов с ультра -мелкозернистой структурой (УМС) неизбежно приводит к росту размера зерна в шве, околошовной зоне и снижению комплекса механических свойств соединений. Поэтому особый интерес для их соединения представляют ме-
тоды сварки в твердой фазе, когда формирование шва происходит без образования жидкой ванны расплавленного металла.
Из таких методов наиболее перспективным для указанных целей является сварка трением с перемешиванием (СТП), при которой соединение деталей происходит за счет локализации выделения теплоты и пластической деформации в зоне формирования соединения. При сварке трением с перемешиванием образование неразъемного соединения происходит с помощью стального сварочного инструмента [3-6].
Собственно процесс сварки заключается в следующем (рис. 1): свариваемые заготовки прижимаются к основанию приспособления, что необходимо для предотвращения перемещения или подъема свариваемых деталей в ходе сварки. Цилиндрический инст-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Зона, проваренная сваркой трением
Задняя часть
румент, закрепленный в патроне сварочной машины, приводится во вращение. Затем инструмент подводят к началу стыка деталей и с помощью определенного усилия профилированный стержень инструмента (рис. 2) опускают до соприкосновения его нижней поверхности с поверхностью свариваемых деталей. При соприкосновении нижней поверхности вращающегося стержня с поверхностью деталей возникает трение, которое инициирует выделение теплоты в месте контакта. Это приводит к формированию пластического течения металла из-под стержня, в результате чего стержень погружается в детали, а нагретый до пластичного состояния металл начинает его «обтекать». После полного погружения стержня кромки буртика сварочного инструмента оказывают силовое воздействие на поверхность металла.
В зоне контакта поверхности буртика с поверхностью свариваемых деталей также возникает трение и интенсифицируется нагрев поверхности. За счет этого в данной зоне металл начинает переходить в пластичное состояние. Затем вращающийся инструмент начинает движение вдоль линии стыка свариваемых деталей вплоть до конца сварного соединения. При движении инструмента возникает пластическое течение свариваемого металла от фронта рабочего инструмента на
Направление движения инструмента
Рис. 2. Стадии процесса СТП стыкового соединения
Передняя часть
Г
Рис. 1. Схема процесса сварки трением с перемешиванием (СТП) стыковых соединений алюминиевых сплавов
его тыльную сторону, где происходит охлаждение металла.
В конце соединения инструмент начинают медленно поднимать до верхних слоев металла до полного извлечения вращающегося инструмента из свариваемых деталей. После этого вращение инструмента прекращают и детали извлекают из сварочного приспособления.
Целью данной работы являлось исследование влияния величины зерна в структуре листовых полуфабрикатов термически неуп-рочняемого алюминиево-магниевого сплава 1565ч в отожженном состоянии на размер зерна в различных структурных зонах соединения, полученного сваркой трением с перемешиванием, и механические свойства соединений.
Материалы и методика исследования
В качестве основного (свариваемого) материала использовали листы толщиной 3,5 мм из термически неупрочняемого алюминие-во-магниевого сплава 1565ч в отожженном состоянии (1565чМ).
Сплав марки 1565чМ относится к термически неупрочняемым алюминиево-магние-вым сплавам с содержанием 5,1-6,0% Мд, 0,45-1,0 % Zn и модифицирующих добавок -циркония, хрома, титана, ванадия, а также c ограниченным количеством примесей кремния и железа, что способствует измельчению зеренной структуры металла и обеспечивает
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
упрочнение сплава. Гарантированные механические свойства сплава 1565ч в отожженном состоянии при комнатной температуре составляют: ств 1 330 МПа; ст0,2 1 170 МПа и 8 1 15% [7], что на 20-25% выше уровня свойств сплава АМг5М.
В работе использовали листовые полуфабрикаты из сплава 1565чМ двух видов: по-
Таблица 1 Механические свойства листов из сплава 1565ч толщиной 3,8 мм, изготовленных по различным технологиям
Технология изготовления сплава ств, МПа ст02, МПа 8, %
Серийная технология (СТ) Сплав с ультрамелким зерном 355-359 350-355 185-200 210-213 18-20 23-25
Примечание. Приведены минимальные и максимальные данные, полученные при испытаниях десяти образцов.
Таблица 2 Режимы однопроходной сварки трением с перемешиванием листов из сплава 1565ч
Частота вращения инструмента, об/мин Скорость сварки, мм/мин Угол наклона инструмента в плоскости стыка(против часовой стрелки), град Усилие прижатия буртика инструмента к по -верхности деталей, кН
710 225 4 2,3-2,7
Рис. 3. СТПлистов из сплава 1565ч на сварочной установке на базе станка с числовым программным управлением марки МЕСОР Св—1040
лученные по серийной технологии (СТ) прокатки с зерном размером 40-70 мкм и листы с ультрамелким зерном (УМЗ) с зерном размером 8-12 мкм. Процесс изготовления листов с мелкозернистой структурой включал горячую прокатку, отжиг при температуре ниже сольвуса сплава, холодную прокатку с регламентированной степенью деформации, отжиг.
Механические свойства листов из сплава 1565ч, изготовленных по серийной технологии и с ультрамелким зерном, в отожженном состоянии приведены в табл. 1.
Стыковые соединения листов из сплава 1565ч выполняли сваркой трением с перемешиванием на экспериментальной установке, созданной на базе вертикального фрезерного станка с числовым программным управлением марки МЕООР 08-1040 (Италия) в комплекте со сборочно-сварочной оснасткой (рис. 3) [8].
Основными параметрами процесса СТП являются: сила, действующая на инструмент в процессе сварки; скорость сварки усв; частота вращения инструмента; угол наклона инструмента а; глубина погружения заплечика инструмента; геометрия инструмента; предварительный нагрев или охлаждение [9].
Режим СТП (частота вращения инструмента, скорость перемещения инструмента, усилие прижима инструмента к свариваемым листам) выбирали из условия получения плотного шва без дефектов и несплошностей.
Образцы размером 350 х 350 мм сваривали в нижнем положении с использованием технологической оснастки, обеспечивающей надежную фиксацию свариваемых деталей в процессе сварки. Швы стыковых соединений выполняли поперек направления прокатки листов. Режимы СТП образцов представлены в табл. 2.
Для сварки использовали инструмент в виде державки со сменным наконечником, состоящим из буртика и стержня, на поверхности которого выполнена винтообразная канавка глубиной 0,8 мм [10]. Стержень диаметром 3,5 мм имел высоту 4,0 мм для гарантированного соединения свариваемых листов по всей их толщине. Инструмент изготовлен из инструментальной стали Р18 (рис. 4).
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
J«-Им«'-!'
Рис. 4. Сварочный инструментдля СТПлистов из сплава 1565ч
Прочность соединений определяли на образцах по ГОСТ 6996-66 с шириной рабочей части 15 мм. Образцы испытывали на универсальной электромеханической испытательной машине Инстрон 5980. Для испытаний на статический изгиб применяли образцы шириной 10 мм, вырезанные поперек шва.
Макроструктуру сварных соединений, а также характер их разрушения исследовали с помощью цифрового стереоскопического микроскопа Motic DM-39C-N9GO-A. Для выявления макро- и микроструктуры образцы соединений подвергали травлению в реактиве Келлера (5 % HCl, 5 % HNO3, 5 % HF, 85 % H2O).
Более детальный анализ макроструктуры соединений листов из с УМЗ показал, что в зоне ядра шва и зоне термомеханического воздействия могут образовываться рыхлоты и мелкие поры диаметром 0,08-0,14 мм (рис. 7).
Результаты механических испытаний соединений листов, имеющих разный размер зерна,приведены в табл.3.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что прочность соединения при обеих технологиях прокатки листов примерно одинакова. Разрушение образцов происходит по основному металлу на расстоянии 12-18 мм от границы шва.
Значения ударной вязкости металла на границе шва и основного металла для случая сварки сплава с ультрамелкозернистой структурой превышают значения для листов, полученных по серийной технологии.
Радиус изгиба сварных соединений на 180° для соединений, выполненных на листах, полученных по обеим технологиям, свидетельствует о большей пластичности металла шва.
Результаты экспериментов и их обсуждение
Анализ внешнего вида соединений, выполненных СТП на листах из сплава 1565чМ, полученных по обеим технологиям, показал, что на выбранном режиме обеспечивается формирование швов с блестящей поверхностью и наличием следов от вращающегося буртика (заплечника) (рис. 5).
Макроструктура соединений листов из сплава 1565чМ независимо от технологии их получения определяется присутствием всех характерных зон для данного вида сварки: зоны ядра шва, зоны термомеханического воздействия, зоны термического влияния и зоны основного металла (рис. 6).
■нммя
ШШШШш
Рис. 5. Внешний вид шва с лицевой стороны на листах из сплава 1565чМ:
а - по серийной технологии; б - с ультрамелким зерном
: - -
Ш'Ш
ШМшШ
Рис. 6. Макроструктура соединения листов из сплава 1565чМ с УМЗ, выполненного сваркой трением с перемешиванием, х 8
1 - ядро шва; 2 - зона термомеханического влияния; 3 - зона термического влияния; 4 - зона основного металла
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 7. Микропоры в соединении листов из сплава 1565чМ с УМЗ, х 320
Временное сопротивление металла шва при СТП сплава 1565чМ (СТ) составляет 360 МПа, а при СТП сплава 1565чМ (УМЗ) -390 МПа. Разрушение образца после испытаний происходит по ядру шва в плоскости, расположенной под углом 45-50° к плоскости действия сосредоточенной разрушающей нагрузки .
Результаты анализа микроструктуры сварных соединений исследуемого сплава показывают, что в сварном ядре зерно мелкое и имеет практически глобулярную форму для листов, полученных по обеим технологиям (рис. 8, а, б, д, е). Очертания зерен имеют достаточно четкую границу по сравнению с основным металлом. Это позволяет предположить, что на границах зерен находится одна из составляющих фаз сплава.
Граница между сварным швом и следующей за ней зоной термомеханического воз-
действия (ЗТМВ) (см. рис. 8, а, д) для данного сплава весьма отчетлива. Здесь так же, как и в самой ЗТМВ, наблюдается более крупнозернистая структура по сравнению с ядром шва. При этом большинство зерен слегка вытянуты в горизонтальном направлении, что свидетельствует о проходящих в этой области деформациях.
На границе между ЗТМВ и следующей за ней зоной термического влияния (ЗТВ) наблюдается переход от относительно мелкозернистой структуры к структуре с достаточно крупными зернами, вытянутыми в горизонтальном направлении. Границы зерен ярко выражены, что, вероятнее всего, свидетельствует о наличии в них фаз, свойственных данному сплаву.
Размер зерна определяли методом секущих по ГОСТ 21073.3-75. Исследования влияния исходного размера зерна в структуре листов из сплава 1565чМ на размер зерна ЗТМВ и ядра шва показали, что величина зерна в последнем примерно одинакова для листов, изготовленных по обеим технологиям. Размер зерна шва находится в пределах 3,9-5,4 мкм (рис. 9).
Размер зерна в ЗТМВ для листов, полученных по серийной технологии, составляет 17,5 мкм, в то время как для листов с УМЗ он составляет 10,6 мкм. Соотношение между размером зерна в ЗТМВ и размером зерна в ядре шва составляет 3,24 для листов СТ и 2,71 для листов УМЗ.
Большие различия наблюдаются между листами сплава СТ и УМЗ в воздействии процесса СТП на изменение размера зерна основного металла в области ЗТМВ. Так, для
Таблица 3 Механические свойства соединений листов из сплава 1565чМ толщиной 3,8 мм, выполненных СТП
Технология получения листов Временное сопротивление соединения стВ, МПа Временное сопротивление металла шва , МПа Относительное удлинение 8, % Ударная вязкость, Дж/см2 Угол изгиба а, град
шов граница шва и основного металла
Серийная (СТ) С ультрамелким зерном (УМЗ) 342-350 36 0 340-355 34 7 352-368 36 0 380- 41 5 39 2 5 ,2-6,3 5,8 4 ,2-5,5 4,7 45-78 62 75-9 0 78 34-40 3 6 44-6 0 5 5 180 180
Примечание. Приведены результаты испытаний 10 образцов на вариант.
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
Рис. 8. Структура некоторых участков сварного соединения СТП листов из сплава 1565чМ:
а, д - область ядра шва и зоны термомеханического воздействия; б, е - область ядра сварного шва; в, ж - зона термомеханического воздействия; г, з - область зоны термического влияния и основного металла; а, б, в, г - листы с ультрамелким зерном (УМЗ); д, е, ж, з - листы, изготовленные по серийной технологии (СТ)
ж
з
"Ф
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
"Ф"
Таблица 4 Размер зерна в ядре шва при СТП листов из сплава 1565чМ с УМЗ
Параметры Глубина резьбовой канавки на стержне инструмента, мм
1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
Размер зерна, мкм Наличие внутренних дефектов 5,5 Несплавлен набегания и 4,7 ия на участке нструмента 4,2 Внутр в шва 3,9 енние де х отсутс 3,3 фекты твуют 2,9 Микротр ры в стр 2,7 ещины и уктуре со« 2,6 микропо-динения
ОМ
зтмв
ЯШ
Рис. 9. Изменение размера зерна листов из сплава 1565ч с исходным стандартным зерном (СТ) иульта-мелкозернистым (УМЗ) после СТП:
ОМ - основной металл; ЗТМВ - зона термомеханического воздействия; ЯШ - ядро шва
листов, полученных по сериинои технологии, размер зерна уменьшается с 55 до 17,5 мкм (т. е. в 3,14 раза), в то время как для листов с УМЗ размер зерна уменьшается не так значительно (с 12 до 10, 6 мкм, т. е. в 1,13 раза).
Было исследовано влияние глубины резьбовой канавки на стержне рабочего инструмента на размер зерна в металле ядра шва. Глубина резьбовой канавки (высота гребней резьбы) определяет соотношение между процессами трения и резания при СТП [11]. В табл. 4 представлены результаты исследования влияния глубины резьбовой канавки на стержне инструмента на размер зерна в ядре шва при СТП листов из сплава 1565чМ с УМЗ.
Из представленных данных следует, что размер зерна в ядре шва уменьшается с уменьшением глубины винтовой канавки на стержне инструмента. В то же время существуют три области, определяющие качество шва. Первая область глубины винтовой ка-
навки 1,2-1,4 мм, где наблюдается преобладание процессов резания при движении инструмента, характеризуется образованием участков несплавления на участке набегания инструмента. Вторая область - это резьбовая канавка малой глубины 0,2-0,4 мм или ее полное отсутствие. В этом случае при формировании соединения преобладают процессы трения и наблюдаются большие нагрузки на инструмент. В структуре соединения присутствуют микротрещины и микропоры.
Оптимальная глубина резьбовой канавки составляет 0,6-1,0 мм, при которой оптимально сочетаются процессы трения и резания при формировании соединения .
Для снятия напряжений в сварных деталях после сварки возможно применение отжига при температуре 320-500 °С с выдержкой 40 мин. Указанный режим может быть также применен для термофиксации конструкции после сварки путем нагрева в печи вместе с приспособлением.
Было выполнено исследование влияния температуры отжига на величину размера зерна в ядре шва, полученного СТП (табл. 5).
Установлено, что кинетика роста размера зерна зависит от технологии получения лис-
Таблица 5 Влияние температуры отжига на размер зерна (мкм) в ядре шва сплава 1565ч, полученного СТП (время выдержки 40 мин)
Технология получения листов Температура отжига, °С
320 350 400 450 500
Серийная 9,8 10,2 10,8 11,4 12,6
технология
Ультра мелкозер- 4,6 4,7 4,9 6,7 7,5
нистая структура
-Ф-
-Ф-
-Ф-
-Ф-
МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ
тов из сплава 1565чМ. Так, у листов УМЗ существенный рост размера зерна отмечается с 450 °С, а у листов, полученных по серийной технологии, уже с 320 °С. Но при этом размер зерна все равно остается очень небольшим (12,6 и 7,5 мкм соответственно).
На основе полученных результатов можно утверждать, что в процессе СТП, несмотря на сопутствующий нагрев свариваемых пластин, не происходит значительного увеличения исходного размера зерна листов с УМЗ, что открывает перспективу использования сварных заготовок для изготовления штампованных деталей с большими степенями вытяжки в условиях сверхпластической деформации и гидроштамповки.
Заключение
Исследованы свойства сварных соединений листов из сплава 1565чМ, выполненных сваркой трением с перемешиванием, при различном размере зерна в исходной структуре. Установлено, что сварные соединения листов с ультрамелкозернистой структурой имеют более высокие прочностные свойства как соединения в целом, так и металла ядра соединения.
Установлено влияние исходного размера зерна в структуре листов из сплава 1565чМ на размер зерна ЗТМВ и ядра шва. Показано, что величина зерна в ядре шва примерно одинакова для листов, изготовленных по серийной технологии и с УМЗ-структурой. Размер зерна шва находится в пределах 3,9 и 5,4 мкм. Различие существенное, хотя в обоих случаях зерно мелкое.
Соотношение между размером зерна в зоне термомеханического воздействия и размером зерна в ядре шва составляет 3,24 для листов серийной технологии и 2,71 для листов с УМЗ.
Показано, что оптимальная глубина резьбовой канавки на стержне составляет 0,6-1,0 мм, при которой оптимально сочетаются процессы трения и резания при формировании соединения.
На основе полученных результатов можно констатировать, что в процессе СТП, несмотря на сопутствующий нагрев (420-440 °С) свариваемых пластин, не происходит существенного увеличения исходного размера зерна листов с УМЗ, что открывает перспективу использования сварных заготовок для изготовления штампованных деталей с большими степенями вытяжки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дриц А.М., Овчинников В.В., Растопчин Р.Н.
Технологические свойства листов из свариваемого алюминиевого сплава 1565ч для производства цистерн // Технология легких сплавов. 2012. № 3. С. 20-29.
2. Дриц А.М., Овчинников В.В., Нуждин В.Н., Конюхов А.Д. Исследование усталостной долговечности основного металла и сварных соединений листов из сплава 1565ч // Цветные металлы. 2015. № 12. С.88-93.
3. Семенов Б.И., Семенов А.Б., Солодилов С.А. Локальное механическое перемешивание металлов в твердом состоянии внедренным инден-тером // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. № 8. С. 11-19.
4. Силис М.И., Барабохин Н.С., Логунов А.В. и др. Структура и свойства сварных соединений алюминиевых деформируемых сплавов, полученных методом фрикционной сварки // Технология легких сплавов. 2007. № 1. С. 47-53.
5. Бахматов П.В., Муравьев В.И., Мелкосту-пов К.А. Исследование параметров сварки трением с перемешиванием высокопрочного алюминиевого сплава В95Т2 // Сварочное производство. 2010. № 6. С.17-19.
6. КотлышевР.Р., Чуларис А.А., ЛюдмирскийЮ.Г. Гипотеза образования соединения при сварке
трением с перемешиванием // Сварка и диагностика. 2010. № 4. С. 31-34.
7. Орыщенко А.С., Барахтина Н.Н., Дриц А.М., Соседков С.М. Алюминиево-магниевый сплав 1565ч для криогенного применения // Цветные металлы. 2012. № 11. С. 84-89.
8. Дриц А.М., Овчинников В.В., Малов Д.В. Механические свойства сварных соединений сплавов 1565чМ и 1460Т1 в разноименном сочетании, полученных сваркой трением с перемешиванием // Заготовительные производства в машиностроении. 2015. № 6. С. 11-17.
9. Покляцкий А.Г., Ищенко А., Подъельников С.В. Влияние параметров процесса сварки трением с перемешиванием на формирование швов соединений алюминиевых сплавов толщиной 1,82,5 мм // Автоматическая сварка. 2008. № 10. С. 27-30.
10. Лукин В.И., Овчинников В.В., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д., Скупов А.А. Сварка трением с перемешиванием высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469 // Сварочное производство. 2015.№ 7. С. 21-25.
11. Овчинников В.В. Современные наукоемкие технологии в сварочном производстве // Наукоемкие технологии. 2011. № 5. С. 35-45.
