Особенности формирования сварного соединения при сварке трением с перемешиванием алюминиевого сплава

Подробности

Опубликовано 15.05.2016 12:02

Просмотров: 3511

Одним из главных направлений снижения массы конструкции и, тем самым, повышения весовой эффективности современных изделий авиакосмической техники является применение алюминиево-литиевых сплавов.

За рубежом алюминиево-литиевые сплавы широко применяют ведущие производители авиационной техники (Airbus, Boeing, Bombardier и др.). Большинство сплавов за рубежом разработаны на базе системы AI—Си—Li, в основном фирмами Alcoa и Alcan: 2297, 2099, 2195, в России — ГНЦ РФ ФГУП "ВИАМ".

Изготовление крупногабаритных сварных конструкций из высокопрочных алюминиеволитиевых сплавов связано с большими сложностями вследствие значительной их склонности к образованию горячих трещин.

В большинстве публикаций подтверждены преимущества СТП по сравнению с другими технологическими процессами сварки по показателям остаточных напряжений, возможности получения соединений сплавов с ограниченной свариваемостью, трудоемкости, экологичности, а также по всему комплексу механических характеристик сварных соединений. Кроме того, при использовании СТП по сравнению с методами сварки плавлением значительно снижается количество дефектов на 1 м шва.

Однако в случае отклонения от оптимальных значений основных технологических параметров сварки (скорости перемещения и частоты вращения инструмента, усилия прижатия, угла наклона инструмента и его конструкции) возникают дефекты в сварном шве, отличные от дефектов, характерных для сварки плавлением. Поэтому поиск причин образования дефектов, их идентификация и выбор методов контроля для корректировки технологических параметров весьма актуальны.

В данной работе исследовали заготовки из плит сплава В-1469 в закаленном состоянии (Т)и после закалки и искусственного старения (Т1), полученные СТП на экспериментальной установке на базе вертикально-фрезерного станка и на установке TWI (Великобритания). На опытной установке сваривали заготовку толщиной 4 мм, а на установке — толщиной 30—35 мм.

Для предотвращения расхождения кромок при отработке технологического процесса СТП заготовок толщиной 4 мм стыковое соединение фиксировали на прихватах, выполненных в начале и конце стыка ручной аргонодуговой сваркой.

Установили, что причина снижения механических свойств сварных соединений - наличие различного рода дефектов ("тоннельный дефект", схватывание с подкладкой, оплавление металла, рыхлота, расслоение), возникновение которых связано с конструкцией инструмента и оснастки, а также режимами сварочного процесса.

К дефектам, связанным с инструкцией инструмента, можно отнести непровары. Их можно наблюдать на сварных соединениях, полученных СТП с использованием инструмента с гладким рабочим стержнем. Так называемый "тоннельный дефект" также может быть вызван конструкцией инструмента. С учетом требований интенсивного перемешивания металла выбрали конструкцию инструмента, рабочий стержень которого имеет форму усеченного конуса со спиральной нарезкой на поверхности.

С целью исключения образования дефектов типа непроваров (при недостаточной глубине погружения инструмента в стык) или приваривания деталей к подкладке (при большой глубине погружения) в процессе сварки поддерживали глубину погружения инструмента, равную 0,8—0,9 толщины свариваемого металла, а также использовали формирующую подкладку с низкой теплопроводностью (титановый сплав).

Наибольшее количество дефектов, возникающих при СТП, связаны с режимами сварки. Из-за несоблюдения режима может возникать расслаивание металла или недостаточный его разогрев, что может привести к поломке рабочего стержня инструмента из-за высоких изгибающих нагрузок или к образованию недостаточно перемешанной "глыбообразной" структуры. Результаты исследований показали, что для данного сплава оптимальное формирование сварного соединения на образцах толщиной 4 мм достигается при скорости вращения инструмента со = 1000 об/мин, скорости сварки 130 мм/мин и угле наклона инструмента а = 2°, при которых обеспечивается необходимый нагрев металла заготовок и получение бездефектного сварного соединения.

Влияние скорости вращения инструмента и скорости сварки (50, 75 и 125 мм/мин) на внешний вид соединения при сварке плит толщиной 35 мм.

Для оценки качества соединений и выявления внешних и внутренних дефектов использовали следующие методы контроля: внешний осмотр, рентгеновский, капиллярный методом красок, ультразвуковой.

Для рентгеновского контроля применяли рентгеновский аппарат с мягким излучением при ускоряющем напряжении не более 40 кВ. В данном исследовании применяли рентгеновский аппарат "Руслан" с регистрацией дефектов на пленку РТК.

Рентгеновским контролем выявляют все дефекты типа несплошностей, полостей и "тоннельного". Данный метод не позволяет выявить "слипание" в корне шва.

Наличие "тоннельного" дефекта в соединении можно определить визуально, если подвергнуть осмотру кратер от инструмента.

При капиллярном контроле сварных соединений применяли два вида реактивов: ИМ15-В (реактивы, смываемые ацетоном, уровень чувствительности 1—2 мкм) и реактивы SPOTCHECK компании MAGNA-FLUX (реактивы на водной основе, уровень чувствительности 1—10 мкм). Оба вида реактивов выявляют поверхностные дефекты, а также слипание в корне шва. Картина дефекта при использовании реактива ИМ15-В получается более четкой.

При контроле соединения, у которого не был удален корень шва наряду с выявлением слипания по середине шва с корневой стороны капиллярный метод идентифицирует границы выступающего металла в качестве дефекта. В случае зачистки корня шва заподлицо с поверхностью образца выявляется только слипание по оси шва.

Для ультразвукового контроля использовали преобразователь (с углом наклона пьезопластинки 67°), создающий поверхностную волну. Для приема сигнала применяли стандартный дефектоскоп с частотой 2,5 МГц.

С помощью ультразвукового контроля выявили наличие слипания в корне шва на тех же участках сварного шва, на которых дефекты были выявлены капиллярным методом.

Как уже отмечалось, наибольшее количество дефектов, возникающих при СТП, связаны с параметрами режима сварки, и гарантированно выявляется методом рентгенографического контроля. Скорость вращения инструмента значительно влияет на выделяющуюся в ходе процесса теплоту.

Установили, что при определенных соотношениях между частотой вращения инструмента и скоростью сварки наблюдается образование непровара в шве со стороны набегания инструмента. Этот дефект может как выходить на лицевую поверхность шва, так и располагаться в пределах толщины свариваемого металла. В первом случае наличие непровара выявляется визуальным осмотром, а во втором — рентгеновским контролем.

При превышении частоты вращения инструмента оптимального значения для данной скорости сварки могут возникать локальные оплавления металла, что сопровождается снижением механических характеристик сварного соединения.

В случае, когда длина рабочего стержня инструмента меньше толщины свариваемых образцов на 0,5—1,0 мм, в корне соединения образуется четко выраженный непровар. Наличие непровара определяется визуально, а также с помощью рентгеновского контроля и метода красок.

При оптимальном соотношении между толщиной образца и длиной рабочего стержня инструмента наблюдается сквозное формирование деформированной структуры на всю толщину образцов. В отдельных случаях с корневой стороны соединения металлографическим анализом выявили наличие слипания высотой 0,15—0,22 мм, которое не затрагивает сечение образца. Такой тип дефекта выявляется только ультразвуковым или капиллярным методом контроля.

В процессе исследований при изготовлении образцов для механических испытаний выявлено наличие на отдельных образцах несплошностей в металле шва.

Выявление таких дефектов не представляет особой сложности для капиллярного метода контроля (на вырезанном образце для механических испытаний), но довольно проблематично при контроле сварного образца до механической обработки.

Таким образом, основные виды дефектов СТП (несплошности, "тоннельный" дефект, непровары, слипания) гарантированно выявляются методом рентгеновской дефектоскопии. Для выявления несплавления "слипания" в корне шва целесообразно применять капиллярный и ультразвуковой методы контроля.

СТП на промышленной установке TWI плит из сплава В-1469 толщиной 30—35 мм позволила получить качественные сварные соединения с формированием равноосной мелкозернистой структуры зерна размером 5—11 мкм в ядре сварного соединения и отсутствием дефектов в шве и переходной зоне.

Для заготовок, полученных на установке TWI, оценку механических свойств проводили на образцах, вырезанных из различных зон по высоте сварного соединения и на целых образцах толщиной 30 мм непосредственно после сварки и проведения старения по режиму: 160 °С, 40 ч (см. таблицу).

Результаты механических испытаний показали, что прочность сварного соединения плит из сплава В-1469Т составляет 0,8—0,85 прочности основного материала при высоких значениях ударной вязкости и хорошей пластичности. Применение термической обработки сварного соединения по режиму термической обработки основного материала позволяет повысить уровень прочности сварного соединения до 0,9 прочности основного материала в состоянии Т1. Сварные соединения, выполненные на плите в состоянии Т1, имеют прочность, равную приблизительно 0,7 прочности основного материала.

Оценка механических свойств по высоте сварного соединения, выполненного на установке TWI, показала, что максимум прочности соответствует средней части соединения, а минимум — нижней. Ударная вязкость сварных соединений имеет высокие значения: 400—600 кДж/м2. Значения пластичности аналогичны значениям, полученным при сварке на опытной установке заготовок толщиной 4 мм. Различия в значениях ударной вязкости можно объяснить тем, что при сварке на опытной установке происходит худшее формирование соединения и возникновение большего количества дефектов.

Фрактографический анализ показал, что причиной снижения механических свойств сварных соединений, выполненных СТП, может быть наличие таких структурных дефектов, как слоистость, которая возникает при недостаточном перемешивании металла рабочим инструментом. Повторные проходы СТП позволяют устранить данный дефект и повысить механические свойства сварных соединений. Так же использование предохранителей помогает держать сварочную дугу стабильной и постоянной.

При увеличении скорости вращения инструмента возникает вероятность образования рыхлот и оплавлений по границам зерен, что обусловлено повышенным разогревом соединения при сварке, и также может вызывать снижение механических свойств.

Выводы

1.            Установлено, что при сварке трением с перемешиванием алюминиевых сплавов возможно возникновение дефектов в виде несплошностей, расслоений, рыхлот, "слипания", а также специфического "тоннельного" дефекта, большинство из которых связаны с параметрами режима сварки и гарантированно выявляются методом рентгенографического контроля. Для выявления "слипания" в корне шва целесообразно применять капиллярный и ультразвуковой методы контроля.

2.            Для каждой марки сплава и толщины свариваемых деталей при использовании конкретной формы рабочего инструмента должно существовать определенное соотношение между частотой вращения инструмента и скоростью сварки, при котором обеспечивается получение бездефектных швов с максимальными значениями механических свойств.

3.            Прочность сварных соединений плит из сплава В-1469 для различных вариантов термической обработки материала перед сваркой составляет 0,7—0,85 прочности основного материала при высоких значениях ударной вязкости и пластичности.