Научная статья на тему 'ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА Al–Cu–Li–Mg, ВЫПОЛНЕННЫХ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ'

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА Al–Cu–Li–Mg, ВЫПОЛНЕННЫХ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
97
15
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
алюминиевый сплав / система легирования Al–Cu–Li–Mg / волоконный лазер / присадочная проволока / режим сварки / механические свойства / структура / aluminum alloy / Al–Cu–Li–Mg alloys / fiber laser / filler wire / welding mode / mechanical properties / structure

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Александр Михайлович Дриц, Виктор Васильевич Овчинников

Представлены результаты экспериментальных исследований механических свойств и структуры алюминиевого-литиевого сплава системы Al–Cu– Li–Mg, полученных при различных режимах лазерной сварки. Использование для сварки волоконного лазера увеличивает эффективность КПД процесса. Применение присадочной проволоки при лазерной сварке позволяет регулировать состав металла шва и его структуру, снижать требования к сборке соединения под сварку и повышать механические свойства получаемых соединений. Получены сварные соединения сплава типа 2099 с коэффициентами прочности 0,78 и 0,73 при сварке с проволоками состава 1 и Св1587 соответственно.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Александр Михайлович Дриц, Виктор Васильевич Овчинников

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

An Infl uence of Filler Wire Composition on Mechanical Properties of Al–Cu–Li–Mg Alloy Joints Produced by Laser Welding

Results of experimental studies of the mechanical properties and structure of Al–Cu–Li–Mg alloy obtained under various modes of laser welding are presented. The use of a fiber laser for welding increases the efficiency of the process. The use of filler wire in laser welding makes it possible to control the composition of the weld metal and its structure, reduce the requirements for assembling the joint to be welded and improve the mechanical properties of the resulting joints. Welded joints of a 2099-type alloy with welding strength coefficients of 0.78 and 0.73 were obtained when welded with the use wires of composition 1 and Св1587, respectively.

Текст научной работы на тему «ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА Al–Cu–Li–Mg, ВЫПОЛНЕННЫХ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ»

УДК 621.791.72:621.375.826

001: 10.24412/0321-4664-2022-2-20-31

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ПРИСАДОЧНОЙ ПРОВОЛОКИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ СПЛАВА А!-Си-Ы-Мд, ВЫПОЛНЕННЫХ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКОЙ

Александр Михайлович Дриц1, канд.техн.наук, Виктор Васильевич Овчинников2, докт.техн.наук

1Арконик - СМЗ, Москва, Россия, dritsam@gmail.com

2Московский политехнический университет (Мосполитех), Москва, Россия

Аннотация. Представлены результаты экспериментальных исследований механических свойств и структуры алюминиевого-литиевого сплава системы Al-Cu-Li-Mg, полученных при различных режимах лазерной сварки. Использование для сварки волоконного лазера увеличивает эффективность КПД процесса. Применение присадочной проволоки при лазерной сварке позволяет регулировать состав металла шва и его структуру, снижать требования к сборке соединения под сварку и повышать механические свойства получаемых соединений. Получены сварные соединения сплава типа 2099 с коэффициентами прочности 0,78 и 0,73 при сварке с проволоками состава 1 и Св1587 соответственно.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, система легирования Al-Cu-Li-Mg, волоконный лазер, присадочная проволока, режим сварки, механические свойства, структура

An Influence of Filler Wire Composition on Mechanical Properties of Al-Cu-Li-Mg Alloy Joints Produced by Laser Welding. Cand. of Sci. (Eng.) Alexander M. Drits1, Dr. of Sci. (Eng.) Viktor V. Ovchinnikov2

1 Arconic - SMZ, Moscow, Russia, dritsam@gmail.com

2 Moscow Polytechnic University (Moscow Polytech), Moscow, Russia

Abstract. Results of experimental studies of the mechanical properties and structure of Al-Cu-Li-Mg alloy obtained under various modes of laser welding are presented. The use of a fiber laser for welding increases the efficiency of the process. The use of filler wire in laser welding makes it possible to control the composition of the weld metal and its structure, reduce the requirements for assembling the joint to be welded and improve the mechanical properties of the resulting joints. Welded joints of a 2099-type alloy with welding strength coefficients of 0.78 and 0.73 were obtained when welded with the use wires of composition 1 and Св1587, respectively.

Key words: aluminum alloy, Al-Cu-Li-Mg alloys, fiber laser, filler wire, welding mode, mechanical properties, structure

Введение

Алюминий и его сплавы широко применяются в современном промышленном производстве. Обеспечение возросших требований к служебным характеристикам изделий реализуется путем создания новых сплавов для

изготовления сварных конструкций, особенно авиационной техники. Основой таких сплавов является система А1-Си-Ы-Мд, которая модифицирована за счет легирования литием, скандием и рядом других элементов. Вследствие уникального комплекса характеристик (высоких механических свойств при низкой

плотности и повышенном модуле упругости) применение таких сплавов позволяет повысить параметры сварных конструкций и вывести их на качественно новый уровень.

Исследования свариваемости перечисленных сплавов наиболее распространенным дуговым источником нагрева показали, что основные трудности их сварки заключаются в следующем: 1) склонность сплавов к образованию кристаллизационных трещин; 2) наличие пор и оксидных включений в металле шва; 3) образование крупнозернистой структуры в шве, рекристаллизация и оплавление зерен в околошовной зоне; 4) возникновение высоких напряжений и деформаций.

Согласно полученным экспериментальным результатам, часть трудностей преодолима при дуговой сварке с использованием специальных технологических приемов в виде применения сложнолегированных присадочных материалов, физического воздействия на сварочную ванну, последующей термической обработки и др. [1, 2]. Все это усложняет и удорожает технологический процесс изготовления конструкции в целом.

Перспективное направление для преодоления указанных трудностей - это применение высококонцентрированных источников нагрева, из которых наиболее эффективным в рассматриваемом случае является лазерный луч [3-6].

Высокая концентрация энергии в малом по площади пятне лазерного луча позволяет получать швы с объемом сварочной ванны в несколько раз меньше, чем при дуговой сварке. Малый объем расплавленного металла и специфическая форма шва в ряде случаев улучшают условия кристаллизации и тем самым свойства сварных швов [7, 8].

Лазерной сварке присущи высокие скорости реализации процесса, которые в несколько раз превышают скорости дуговой сварки. Бесконтактный подвод энергии предотвращает попадание металлических включений в металл сварного шва.

Общей закономерностью для всех термически упрочняемых алюминиевых сплавов является образование зоны разупрочнения, размер которой зависит от природы сплава, его химического состава и тепловложения при сварке. Под воздействием термического цикла сварки металл в ЗТВ подвергается нагреву на 18-20 °С ниже температуры ликвидуса.

Термический цикл с высокими скоростями нагрева и охлаждения позволяет существенно сократить зону термического влияния, что предотвращает фазовые и структурные превращения в околошовной зоне, приводящие к разупрочнению, снижению коррозионной стойкости и т. д.

Помимо особенностей процесса лазерной сварки на свойства и структуру сварных соединений в большой мере может влиять химический состав присадочной проволоки [9].

Цель данной работы заключалась в изучении особенностей формирования структуры, склонности к образованию трещин и механических свойств сварных соединений сплава системы Д!-Ои-Ь1-Мд, выполненных лазерной сваркой, в зависимости от химического состава применяемой присадочной проволоки.

Материал и методики исследования

В качестве материала для исследований использовали образцы листа из сплава системы Д!-Ои-Ы-Мд толщиной 3 мм и размерами 300 х 100 мм. Химический состав исследуемого сплава представлен в табл. 1.

Плотность сплава 2,64 г/см3, интервал плавления 582-649 °С.

Механические свойства исследуемого сплава в состоянии поставки после закалки и искусственного старения приведены в табл. 2.

Микроструктура листов из исследуемого сплава состоит из крупных зерен с сильно выраженной текстурой деформации (рис. 1).

Поверхность образцов под лазерную сварку подготавливали путем удаления жировой

Химический состав исследуемого сплава (типа 2099) Таблица 1

Содержание легирующих элементов, % мас.

Си Мп Мд и 7п Ре Б1 И Ве

2,75 0,36 0,26 1,66 0,46 0,06 0,04 0,09 0,0001 0,08

Таблица 2

Механические свойства листов из сплава Al-Cu-Li-Mg (типа 2099)

Временное Условный Относительное

сопротивление 0в, МПа предел текучести а02, МПа удлинение 8, %

446 365 9,2

смазки, которой покрыты полуфабрикаты при консервации. Торцы свариваемых кромок обрабатывали механически на фрезерном станке. После удаления жировой смазки и фрезерования свариваемых кромок образцы подвергали размерному химическому травлению с удалением поверхностного слоя на глубину 0,05-0,08 мм с каждой стороны образца, затем их осветляли в 30 %-м растворе ИМ03.

Непосредственно перед сваркой торцевую поверхность свариваемых кромок, а также лицевую поверхность и поверхность со сторону проплава на расстоянии 5-10 мм от кромки зачищали шабером до металлического блеска. Указанный метод подготовки поверхности дает возможность избежать дефектов при сварке и, в первую очередь, пористости.

Исходя из условий максимального проплав-ления и качества шва, наибольший эффект при газовой защите металла сварочной ванны

при лазерной сварке достигается при использовании в качестве защитного газа гелия. Корневую часть соединения защищали аргоном, подаваемым в формирующую подкладку. Защита шва с двух сторон является обязательным условием лазерной сварки алюминиевых сплавов. Расход гелия составлял 7-8 л/мин, а аргона - 2-3 л/мин.

Для проведения исследований были изготовлены присадочные проволоки диаметром 1,0 мм как стандартных составов, так и экспериментальных (табл. 3). Стандартные присадочные проволоки получали путем про-

Рис. 1. Микроструктура листа из сплава Al-Cu-Li-Mg в направлении прокатки (х125)

Таблица 3 Химический состав присадочных проволок (диаметр 1,0 мм)

Марка проволоки Содержание легирующих элементов, % мас.

Cu Mn Ti Zr V Be Fe Si Zn Mg Sc

Св1201 6,2 0,3 0,1 0,18 0,09 - 0,3 0,2 0,1 0,02 -

Св1217 11,2 0,3 0,11 0,20 0,10 - 0,3 0,2 0,1 0,02 -

СвАК5 - - 0,15 - - - - 5,62 - - -

СвАМг63 - 0,63 - 0,19 - 0,003 0,3 0,2 0,1 6,22 -

Св1587 0,03 0,48 0,02 0,10 0,09Cr 0,002 0,14 0,12 0,01 4,82 0,15

Св1575 0,03 0,42 0,03 0,18 0,12Cr 0,001 0,06 0,10 0,05 6,00 0,23

1 6,5 0,30 0,12 0,15 0,08 0,0005 0,09 0,05 0,05 0,02 0,20

2 8,11 0,30 0,10 0,13 0,08 0,0005 0,09 0,05 0,04 0,02 0,18

3 5,1 0,38 0,10 - - - 0,12 0,04 - 3,82 -

4 5,02 0,31 0,08 0,10 - - 0,12 0,04 - 3,66 0,20

ДЗО

: г $

50

200

а б

Рис. 2. Образцы для определения временного сопротивления сварного соединения (а) и металла шва (б)

пускания заготовки диаметром 3 мм через алмазную фильеру с формированием скальпированного слоя, не требующего химического травления перед сваркой.

Процесс изготовления опытных присадочных проволок включал выплавку заданного состава отливок диаметром 100 мм и длиной 250 мм, их механическую обработку, прессование до получения прутка диаметром 3 мм, волочение прутка до диаметра проволоки 1 мм.

Механические свойства сварных соединений определяли в соответствии с ГОСТ 699666. При испытании сварных соединений на статическое растяжение применяли образцы тип XIV (рис. 2, а). Данный тип образцов применяли для определения предела текучести и относительного удлинения сварного соединения.

До испытаний механическим путем удаляли выпуклость и проплав шва до уровня поверхности основного металла. При расчете относительного удлинения базу испытаний выбирали величиной 20 мм.

Для определения прочности металла шва в стыковом соединении (его временного сопротивления) использовали образец тип XXIV (рис. 2, б). Утолщение шва снято до испытаний механическим путем до уровня основного металла. Острые кромки плоского образца закруглены радиусом 0,8-1,0 мм путем сглаживания напильником вдоль кромки.

Испытания на угол изгиба осуществляли на образцах размером 10 х 100 мм с использованием оправки диаметром, равным 2 толщинам основного материала.

Для механических испытаний сварных соединений применяли разрывную машину марки иТБ-100 при шкале 100 кН.

Влияние состава присадочной проволоки на коэффициент трещинообразования при ла-

зерной сварке исследовали на образцах типа «рыбий скелет» (проба Хоулдкрофта) размерами 130 х 90 мм (рис. 3). Коэффициент трещинообразования определяется по формуле:

где

Ктр -

^тр - длина трещины, мм;

^ - длина рабочей части образца, мм.

При лазерной сварке с присадочной проволокой для увеличения доли участия металла присадочной проволоки в формировании шва на образце пробы «рыбий скелет» по его оси выполняли канавку глубиной 1,5 мм и шириной 1,5 мм.

Для определения влияния объема присадочной проволоки в формировании шва на комплекс механических свойств соединений использовали специальную разделку кромок (рис. 4). При этом величина И изменялась от 0 до 2,2 мм.

Схема процесса лазерной сварки с присадочной проволокой показана на рис. 5, а режимы лазерной сварки - в табл. 4.

Рис. 3. Образец пробы «рыбий скелет»

для определения коэффициента трещинообразования сплава типа 2099 при лазерной сварке

В качестве источника нагрева использовали излучение оптоволоконного лазера УЬБ-ОЬ с максимальной мощностью излучения 10 кВт. Сварку проводили со сквозным проплавлением.

Рис. 4. Образец для варьирования доли участия присадочной проволоки в формировании шва

Рис. 5. Схема процесса лазерной сварки с подачей присадочной проволоки:

1 - лазерный луч; 2 - плазма; 3 - парогазовый канал; 4 - сварочная ванна; 5 - металл шва; 6 - основной металл; 7 - присадочная проволока; Усв - скорость сварки

Таблица 4 Режимы лазерной сварки исследуемого сплава

Толщина листа, мм Скорость сварки Мощность излучения, кВт

м/мин м/ч

3,0 1 60 3,2

1,6 96 3,6

2 120 4,2

3 180 5,7

4 240 6,2

4,8 288 6,7

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).

Микроструктуру соединений исследовали на оптическом микроскопе Olympus GX-71.

Микротвердость различных зон сварного соединения измеряли на приборе ПМТ-3М. Шаг замера микротвердости составлял 0,2 мм.

Исследование изломов проводили на электронном микроскопе Carl Zeisse evo-50 при увеличении 1000-4000. Для исследований использовали образцы после испытаний на прочность при статическом растяжении.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Распределение легирующих элементов в металле шва при лазерной сварке исследовали на установке CAMEBAX, для чего использовали поперечные микрошлифы сварных соединений.

Результаты исследований и их обсуждение

Определение коэффициента трещинооб-разования при лазерной сварке исследуемого сплава осуществляли в двух вариантах: без присадочной проволоки и с присадочными проволоками. Лазерную сварку осуществляли на скорости 60 м/ч при защите сварочной ванны с лицевой стороны гелием и со стороны проплава аргоном с расходом 2 л/мин.

Эксперименты показали, что в случае лазерной сварки без присадочной проволоки наблюдается образование трещины по оси шва (табл. 5). В результате обработки полученных данных установлено, что при сварке без присадочной проволоки коэффициент трещиноо-бразования составляет 68,2 %.

Варьирование скорости сварки при соответствующем изменении мощности излучения позволило выявить факт снижения коэффициента трещинообразования с ростом скорости сварки, а при скорости сварки более 3 м/мин образование трещины по оси шва полностью устраняется.

Эксперименты показали, что при лазерной сварке исследуемого сплава применение присадочной проволоки позволяет полностью устранить трещинообразование.

проведены испытания сварных соединений на временное сопротивление и угол изгиба. Полученные результаты приведены в табл. 6.

На основе анализа полученных результатов для дальнейших исследований были выбраны опытная присадочная проволока состава 1 и серийная присадочная проволока Св1587. Для указанных марок присадочных проволок помимо определения временного сопротивления и угла изгиба при испытаниях были установлены значения условного предела текучести и временного сопротивления металла шва (табл. 7).

Сравнение полученных данных показывает, что сварные соединения, выполненные с присадочной проволокой опытного состава 1, имеют более высокие значения механических свойств.

Значение коэффициента прочности сварного соединения сплава системы А1-Си-и-Мд при сварке с проволоками состава 1 и Св1587 составили 0,78 и 0,73 соответственно.

На рис. 7 представлена макроструктура сварных соединений исследуемого сплава при сварке без присадочной проволоки и с проволокой состава 1. Следует отметить, что применение при лазерной сварке присадочной проволоки позволяет получать соединения без прожога при зазоре в стыке 0,5-0,6 мм против 0,10-0,15 мм в случае сварки без присадки.

Было выявлено влияние скорости лазерной сварки на механические свойства сварных соединений. Лазерную сварку осуществляли без присадочной проволоки и с проволокой

а б

Рис. 6. Структура центральной части шва при лазерной сварке исследуемого сплава

на скорости 1 (а) и 4 м/мин (б), х250

Таблица 5 Коэффициент трещинообразования при лазерной сварке без присадки

Скорость сварки, м/мин Ширина шва, мм Длина трещины, мм Базовая длина образца, мм Коэффициент трещино-образования Ктр, %

с лицевой стороны со стороны проплава

1 3,1 3,0 116 135 85,9

1,6 3,0 2,5 92 68,2

2 2,8 1,6 0 28,4

3 2,7 1,6 0 0

4 2,6 1,0 0 0

4,8 2,5 1,0 0 0

Металлографическим анализом выявлено, что при увеличении скорости лазерной сварки с 1 до 4 м/мин наблюдается измельчение дендритной ячейки в структуре (рис. 6)

Так как все исследованные марки присадочных проволок показали одинаковые результаты в отношении снижения трещинообразова-ния при лазерной сварке исследуемого сплава, то выбор рационального химического состава присадочной проволоки следует выполнять исходя из комплекса свойств получаемого соединения.

Предварительно для выбора рационального состава присадочной проволоки были

состава 1 и Св1587. Полученные результаты (средние данные испытаний 5 образцов) приведены в табл. 8.

Из табл. 8 следует, что увеличение скорости сварки до 3 м/мин приводит к росту вре-

менного сопротивления соединений во всех исследованных вариантах. Дальнейшее увеличение скорости сварки до 4 м/мин приводит к снижению временного сопротивления сварных соединений, выполненных без присадки

Таблица 6 Механические свойства сварных соединений при лазерной сварке с проволоками различного состава

Вид образца Марка присадочной проволоки Временное сопротивление 0в, МПа Угол изгиба а, град.

Основной металл - 440-446 25-30

Сварное Св1201 325-337 30-34

соединение Св1217 334-348 25-31

СвАМг63 310-318 37-45

Св1587 315-322 42-48

Св1575 310-325 40-47

Состав 1 340-354 45-52

Состав 2 327-338 30-39

Состав 3 300-308 40-48

Состав 4 305-316 35-41

Таблица 8 Влияние скорости сварки с присадкой и без присадки на механические свойства сварных соединений

Свойства Скорость сварки, м/мин

1 2 3 4

Сварка без присадочной проволоки

Временное сопротивление ств, МПа 289 318 350 305

Угол изгиба а, град. 15 23 22 10

Сварка с присадочной проволокой состава 1

Временное сопротивление ств, МПа 347 348 362 368

Угол изгиба а, град. 26 28 31 20

Сварка с присадочной проволокой Св1587

Временное сопротивление ств, МПа 319 326 357 321

Угол изгиба а, град. 45 42 46 40

Таблица 7 Механические свойства сварных соединений при лазерной сварке с проволоками состава 1 и Св1587

Марка проволоки Временное сопротивление 0в, МПа Условный предел текучести а02, МПа Угол изгиба а, град. Временное сопротивление металла шва аЩ\ МПа

Состав 1 342-353 347 315-326 320 45-52 49 282-299 287

Св1587 315-322 319 290-299 294 42-48 45 265-290 277

Рис. 7. Макроструктура сварного шва исследуемого сплава при лазерной сварке без проволоки (а) и с присадочной проволокой состава 1 (б), х6

и с проволокой Св1587. При сварке с проволокой состава 1 временное сопротивление соединений даже несколько возрастает.

Для случая лазерной сварки без присадки и с присадочной проволокой состава 1 наблюдается рост значений угла изгиба до скорости 3 м/мин, а при скорости сварки 4 м/мин значения угла изгиба заметно снижаются. Для случая сварки с присадочной проволокой Св1587 наблюдается такая же зависимость значений угла изгиба от скорости сварки, только она менее выражена.

Исследования механических свойств сварных соединений показывают, что при скорости сварки 3 м/мин наблюдается лучшее сочетание значений временного сопротивления и угла изгиба. Структура металла шва и зоны сплавления представлена на рис. 8.

При повышении скорости сварки свойства ухудшаются - временное сопротивление и угол изгиба снижаются. После лазерной сварки со скоростью 6-8 м/мин наблюдается образование в зоне сплавления дендритов в плоскости шлифа в виде «снежинок». Подобная структура образуется при сверхвысоких скоростях охлаждения и наличии центров кристаллизации, которыми могут являться дисперсоиды.

Практически на всех режимах лазерной сварки не наблюдается структурных изменений в зоне термического влияния. Можно отметить лишь

резкии переход от структуры литои зоны к структуре основного металла. ТакоИ результат особенно важен для термоупрочняемых сплавов.

При испытаниях сварных соединении на растяжение их разрушение происходило по зоне сплавления при сварке с присадкои и по металлу шва при сварке без присадки.

Результаты проведенного исследования позволили выявить специфическую особенность лазерной сварки - высокое значение предела текучести сварного соединения. Эта особенность может быть связана с существующей неоднородностью микроструктуры шва - от недендритнои в центре до дендрит-нои в зоне сплавления. Так как в сплавах системы Al-Cu- Li-Mg упрочнение достигается либо пересыщением твердого раствора, либо дисперсионным твердением.

Можно предположить, что при лазерной сварке под деиствием концентрированного источника энергии возможно изменение химического состава металла шва по отношению к исходному химическому составу сплава. Результаты измерения содержания легирующих элементов в швах представлены в табл. 9.

Анализ данных табл. 9 показывает, что при лазерной сварке без присадки, когда выгорание легирующих элементов наиболее интенсивное, ощутимых потерь меди, магния, лития и цин-

едкйЗ

а б

Рис. 8. Микроструктура металла шва (а) и зоны сплавления (б) при скорости сварки 4 м/мин, х200

Таблица 9 Содержание легирующих элементов в металле шва сплава типа 2099 при лазерной сварке без присадки

Присадка Скорость сварки, м/мин Содержание легирующих элементов, %

Си Мд и

Без присадки 1,6 2,50 0,48 1,40 0,25

4 2,55 0,55 1,68 0,39

Состав 1 1,6 3,0 0,41 1,48 0,30

Св1587 1,6 2,59 0,53 1,44 0,32

Таблица 10 Микротвердость различных зон сварного соединения (скорость сварки 1,6 м/мин; нагрузка 10 г)

Присадочная проволока Доля участия проволоки, % Микротвердость, МН/м2

центр шва зона сплавления основной металл

Без присадки 0 190,2 226,2 245,2

Св1217 7,5 190,2 217,7 248,5

22,5 211,4 215,6 245,2

Св1587 7,5 179,7 211,4 245,2

22,5 133,2 215,6 251,6

Таблица 11 Влияние доли присадочной проволоки на механические свойства сварного соединения сплава типа 2099

Свойства Доля участия присадочной проволоки, %

0 7,5 15 22,5

Сварка с присадочной проволокой состава 1

Временное сопротивление ств, МПа 318 342 352 368

Угол изгиба а, град. 23 50 46 40

Сварка с присадочной проволокой Св1587

Временное сопротивление ств, МПа 319 320 315 310

Угол изгиба а, град. 25 48 53 55

ка не происходит. Это, по-видимому, связано с установлением равновесия между жидким металлом сварочной ванны и плазменной фазой над ней по содержанию упомянутых элементов.

Распределение микротвердости по сечению сварного соединения для сварки с присадочными проволоками состава 1 и Св1587, а также без присадки приведено в табл. 10. Изменение твердости по сечению шва сплава типа 2099 без присадки при скорости сварки 1,6, 2,5 и 4,8 м/мин показано на рис. 9.

Из представленных результатов видно, что увеличение доли присадки состава 1 приводит к росту микротвердости металла шва. В тоже время при сварке с присадочной проволокой Св1587 увеличение доли присадки сопровождается снижением микротвердости металла шва.

С повышением скорости сварки в условиях сварки без присадки твердость литого металла шва растет.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Для исследования влияния доли присадочной проволоки в формировании шва на комплекс механических свойств соединений использована специальная разделка кромок (см. рис. 4). Результаты исследования влияния доли присадочной проволоки на механические свойства сварных соединений представлены в табл. 11.

Рис. 9. Изменение твердости по сечению шва исследуемого сплава при скорости сварки 1,6 (1), 2,5 (2) и 4,8 (3) м/мин (сварка без присадочной проволоки)

Полученные результаты показывают, что при увеличении доли участия присадочной проволоки состава 1 наблюдается рост временного сопротивления сварного соединения при одновременном снижении значений угла изгиба. Для присадочной проволоки Св1587 картина иная. Увеличение доли ее участия в формировании шва сопровождается небольшим снижением временного сопротивления сварного соединения при росте значений угла изгиба.

В процессе отработки лазерной сварки сплава системы А!-Ои-Ы-Мд были выбраны режимы, обеспечивающие получение качественных сварных соединений с требуемыми геометрическими параметрами шва, а также отсутствием таких дефектов, как поры и горячие трещины

Исследования нетравленых шлифов на растровом электронном микроскопе показали, что в сварных швах, выполненных без приса-

дочного материала, по границам зерен наблюдаются участки микрорыхлоты (рис. 10, а). Наличие таких дефектов в сварном шве, особенно вблизи зоны сплавления, может привести к снижению механических характеристик. При лазерной сварке с проволокой Св1587 количество таких дефектов значительно меньше (рис. 10, б), а при использовании в качестве присадки опытного состава 1 удается практически избежать их появления (рис. 10, в).

Влияние выявленных дефектов на механические свойства сварных соединений можно проследить по результатам фракто-графических исследований образцов после испытаний на ударный изгиб. Для образцов, полученных лазерной сваркой без присадочного материала, в изломах присутствуют вторичные трещины, развивающиеся по участку с рыхлотой (рис. 11). Использование при лазерной сварке присадочных материалов при-

. '- с * " ] + 1 ^ у " - .1. л}

1 я? 1 ' - / V ^ н " ^

: л"...

1 ;>•,

1 ' ' --- , . " , Ч ч " ' «-'-Г./ Ч*/*" .**. *Г ■ 4 ■ V г. , 'V . * ' \ л-

201<У Х500 50|11Г| 5634 14 63 ВЕС 20^ Х500 50ит 5641 11 63 ВЕС

\

20№ ХБОО 5620 14 63 ВЕС

Рис. 10. Микроструктура сварных соединений сплава системы А1-Си-и-Мд:

а - без присадки; б - с Св1587; в - с проволокой состава 1

Рисунок 11. Строение излома образца сплава типа 2099:

а - трещина по участку с рыхлотой; б - рыхлота

Рис. 12. Выделения на границах в зоне шва сварного соединения из сплава типа 2099:

а - с присадкой Св1587; б - с присадкой состава 1

водит к снижению вероятности образования вторичных трещин.

Исследования выделений упрочняющих фаз в сварных соединениях сплава системы А1-Си-и-Мд, выполненных лазерной сваркой с присадочными материалами марок Св1587 и опытной присадкой состава 1, позволили установить, что после сварки в зоне термического влияния наблюдается неравномерное выделение упрочняющих фаз.

Структура центральной зоны представляет собой участки алюминиевой матрицы, разделенные прослойками фазы, содержащей медь. Также в структуре наблюдаются округлые

включения, имеющие в своем составе магний и медь в меньшем количестве, чем в прослойках (рис. 12). В прослойках также присутствует небольшое количество скандия. В твердом растворе выраженных флуктуаций по составу не наблюдается.

Заключение

1. Установлено, что применение при лазерной сварке сплава системы А!-Си-Ы-Мд присадочных материалов иного химического состава, чем основной материал, позволяет улучшить формирование сварного шва и

переходной зоны, снизить вероятность образования микрорыхлот по границам зерен, что в конечном итоге повышает комплекс механических свойств сварных соединений.

2. На основе выполненных исследований для лазерной сварки сплава системы Al-Cu-Li-Mg может быть рекомендована присадочная проволока опытного состава 1 на основе системы Al-Cu с добавками скандия и циркония.

3. Увеличение скорости лазерной сварки способствует повышению временного сопротивления соединения как при сварке с присадочной проволокой, так и для сварки без присадки. При сварке сплава системы Al-Cu-Li-Mg с проволокой состава 1 наилучшее

сочетание свойств достигается при скорости 2,5-3 м/мин.

4. Установлено, что при лазерной сварке сплава системы А!-Си-Ы-Мд на высокой скорости происходит формирование специфической микронеоднородности структуры сварного шва -уменьшение размеров дендритов в центре шва.

5. С применением присадочных материалов при лазерной сварке сплава системы А1-Си-ЬММд устраняется образование горячих трещин. При этом временное сопротивление сварных соединений возрастает на 10-13 %. Коэффициенты прочности сварных соединений сплава типа 2099 при сварке с проволоками состава 1 и Св1587 составили 0,78 и 0,73 соответственно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сварка и свариваемые материалы: Справ. Т.1. Свариваемость материалов. М.: Металлургия, 1996. 528 с.

2. Дриц А.М., Овчинников В.В. Результаты исследований свариваемости высокопрочных сплавов системы А!-Си-1_1-Мд, легированных серебром, скандием, цирконием // Технология легких сплавов. 2011. № 1. С. 29-38.

3. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 660 с.

4. Шиганов И.Н., Холопов А.А., Трушников А.В., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д., Скупов А.А. Лазерная сварка высокопрочных алюминий-литиевых сплавов с присадочной проволокой //Сварочное производство. 2016. № 6. С. 44-50.

5. Скупов А.А., Пантелеев М.Д., Щербаков А.В., Шеин Е.А., Белозор В.Е. Лазерная сварка панелей фюзеляжа из алюминиевого В-1579 и алюми-

ний-литиевого В-1481 сплавов // Сварочное производство. 2019. № 3. С. 43-48.

6. Бондарев А.А., Бондарев Андр. А. Лазерная сварка алюминиевых сплавов (Обзор) // Автоматическая сварка. 2001. № 12. С. 21-29.

7. Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю., Машин В.С. и др. Особенности лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом высокопрочных алюминиевых сплавов // Автоматическая сварка. 2009. № 12. С. 28-35.

8. Аннин Б.Д., Фомин В.М., Карпов Е.В., Маликов А.Г., Черепанов А.Н. Разработка технологии лазерной сварки алюминиевого сплава 1424 с высокой прочностью соединения // Прикладная механика и техническая физика. 2015. Т.56. № 6. С.14-21.

9. Шиганов И.Н., Шахов С.В., Лукин В.И., Йода Е.Н., Лоскутов В.М. Особенности лазерной сварки тер-моупрочненного алюминиевого сплава АД37 // Сварочное производство. 2003. № 12. С. 34-39.

REFERENCES

1. Svarka i svarivayemyye materialy: Sprav. T. 1. Svari-vayemost materialov. M.: Metallurgiya, 1996. 528 s.

2. Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Rezultaty issledovaniy svarivayemosti vysokoprochnykh splavov sistemy Al-Cu-Li-Mg, legirovannykh serebrom, skandiyem, tsirkoniyem // Tekhnologiya lyogkikh splavov. 2011. № 1. S. 29-38.

3. Grigoryants A.G., Shiganov I.N., Misyurov A.I. Tekhnologicheskiye protsessy lazernoy obrabotki. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2006. 660 s.

4. Shiganov I.N., Kholopov A.A., Trushnikov A.V., Ioda Ye.N., Panteleyev M.D., Skupov A.A. Lazer-naya svarka vysokoprochnykh alyuminiy-litiyevykh splavov s prisadochnoy provolokoy //Svarochnoye proizvodstvo. 2016. № 6. S. 44-50.

5. Skupov A.A., Panteleyev M.D., Shcherbakov A.V., Shein Ye.A., Belozor V.Ye. Lazernaya svarka pan-eley fyuzelyazha iz alyuminiyevogo V-1579 i alyumi-

niy-litiyevogo V-1481 splavov // Svarochnoye proizvodstvo. 2019. № 3. S. 43-48.

6. Bondarev A.A., Bondarev Andrey A. Lazernaya svarka alyuminiyevykh splavov (Obzor) // Avto-maticheskaya svarka. 2001. № 12. S. 21-29.

7. Shelyagin V.D., Khaskin V. Yu., Mashin V.S. i dr. Os-obennosti lazerno-dugovoy svarki plavyashchimsya elektrodom vysokoprochnykh alyuminiyevykh splavov // Avtomaticheskaya svarka. 2009. № 12. S. 28-35.

8. Annin B.D., Fomin V.M., Karpov Ye.V., Malikov A.G., Cherepanov A.N. Razrabotka tekhnologii lazernoy svarki alyuminiyevogo splava 1424 s vysokoy proch-nostyu soyedineniya // Prikladnaya mekhanika i tekh-nicheskaya fizika. 2015. T. 56. № 6. S.14-21.

9. Shiganov I.N., Shakhov S.V., Lukin V.I., Yoda Ye.N., Loskutov V.M. Osobennosti lazernoy svarki termou-prochnennogo alyuminiyevogo splava AD37 // Svarochnoye proizvodstvo. 2003. № 12. S. 34-39.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.