Сварка трением с перемешиванием пластин различной толщины сплава системы Al-Mg-Sc

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 669.295

СВАРКА ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ ПЛАСТИН РАЗЛИЧНОЙ ТОЛЩИНЫ СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg-Sc

С.С. Малофеев, В.А. Кулицкий

Изучено влияние толщины свариваемых пластин сплава 1570С на структуру и механические свойства шва, полученного сваркой трением с перемешиванием. В процессе такой сварки в шве формируется рекристаллизованная мелкозернистая микроструктура. Показано, что увеличение толщины соединяемых пластин с 4,3 до 7,3 мм приводит к уменьшению среднего размера зерна в зоне сварного шва с 2,2 до 1,5 мкм соответственно. При этом предел прочности сварного шва слабо зависит от толщины и составляет 360-370 МПа. Обсуждаются особенности микроструктуры, сформированной в зоне сварного шва, ее влияние на механические свойства сварных соединений.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, сварка трением с перемешиванием, мелкозернистая структура, прочность.

Friction Stir Welding of Al-Mg-Sc Alloy Plates Differed in Thickness.

S.S. Malofyeev, V.A. Kulitsky.

The effect of thickness of welded 1570С alloy plates on a structure and mechanical properties of welds made by the friction stir welding technigue has been investigated. In the process of this welding a fine-grained recrystallized structure is developed in welds. It is shown that an increase in thickness of the plates to be welded from 4.3 up to 7.3 mm results in a reduction of mean grain size in the weld zone from 2.2 down to 1.5 ^m respectively. Therewith ultimate weld strength depends on thickness weakly and is 360-370 MPa. Features of a microstructure developed in the weld zone, the effect of microstructure on mechanical properties of weld joints are discussed.

Key words: aluminium alloy, friction stir welding, fine-grained structure, strength.

Введение

Алюминиевые сплавы системы А1-Мд-вс достаточно хорошо зарекомендовали себя в различных областях промышленности благодаря сочетанию высокой прочности и пластичности [1, 2]. Как правило, для изготовления неразъемных конструкций из этих сплавов используют аргонодуговую сварку. Данному методу свойственны такие недостатки, как пористость, коробление конструкций, горячие трещины и др., которые снижают прочность получаемых конструкций [3, 4]; прочность сварного шва не превышает 85 % от прочности основного материала. Поэтому разработка новых технологий сварки, которые обеспечи-

вают равнопрочность неразъемных конструкций из сплавов системы А1-Мд-вс, является актуальной задачей.

В последнее время получил широкое распространение новый способ сварки - сварка трением с перемешиванием (СТП) [5, 6-11]. Он позволяет не только соединять несвари-ваемые традиционными методами алюминиевые сплавы, но и получать высокие механические свойства в сварных соединениях [3, 4, 6]. В процессе СТП в зоне перемешивания в сварном шве происходит интенсивное зеренное измельчение за счетдинамической рекристаллизации [12-15]. Сформированная микроструктура и получаемые свойства

-Ф-

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

в значительной степени зависят не только от дизайна, скорости вращения и подачи сварочного инструмента во время СТП, но и от толщины соединяемых деталей, что объясняется особенностями теплоотвода в процессе сварки [16]. Следует отметить, что сочетание СТП с лазерной сваркой и получением прессованных панелей сложной формы позволило создать интегральные конструкции нового поколения для авиастроения и ракетостроения из алюминиевых деталей, что обеспечивает почти 10 %-ную экономию веса и 15 %-ное снижение стоимости по сравнению с клепаными соединениями. Одним из перспективных сплавов для этих отраслей промышленности является 1570С, в котором высокая прочность сочетается с высокой трещинос-тойкостью. Наибольший эффект может дать применение этого сплава для интегральных конструкций. Однако в настоящее время отсутствует информация о механических свойствах сварных швов листов из этого сплава, полученных СТП. В настоящей работе рассматривается влияние параметров СТП на структуру и свойства пластин сплава 1570С толщиной 4,3; 5,8 и 7,3 мм.

Материал и методы

Используемый в работе алюминиевый сплав 1570С с химическим составом А1—5,41 Мд-0,37 Мп-0,29 П-0,2 вс-0,09 гг-0,07 Fe-0,04 Б1 (% мас.) был отлит полунепрерывным методом. Затем слиток гомогенизировали на воздухе при 360 °С в течение 8 ч с последующей экструзией при 380 °С со степенью обжатия -50 %. Затем из слитка вырезали вдоль направления деформации пластины толщиной 4,3; 5,8 и 7,3 мм.

Сварку трением с перемешиванием осуществляли на установке Ассивйг фирмы GTC. Использовали инструмент с диаметром плечиков и зонда 16,8 и 6,2 мм соответственно (рис. 1). Длина зонда достигала 4 мм. Из-за несоответствия длины сварочного инструмента и толщины пластин их проваривали с двух сторон вдоль направления экструзии. Скорость вращения равнялась 800 об/мин при скорости подачи инструмента 75 мм/мин.

Прижимная сила

Направление сварки было перпендикулярно направлению деформации.

Характеристики статической прочности и пластичности измеряли при растяжении плоских образцов, вырезанных вдоль направления деформации, согласно ГОСТ 1497-84. Образцы для испытаний сварных соединений вырезали поперек направления сварки и испытывали согласно ГОСТ 6996-66. Толщина образцов для механических испытаний была равна толщине пластин. Испытания проводили на электромеханической машине Instron 5882 при комнатной температуре и скорости деформирования 2 мм/мин.

Микроструктуру исследовали с помощью оптического микроскопа Olympus GX71 на поперечном сечении сварного соединения, подвергнутого механической шлифовке и полировке. Перед изучением на сканирующем электронном микроскопе FEI Quanta 600 образцы подвергали электролитической полировке в растворе 75 % CH3OH + 25 % HNO3. Оценивали размер зерна d, долю большеуг-ловых границ f и средний угол разориентиров-ки 9 высокоразрешающим методом обратного рассеяния электронов (EBSD) с помощью программы TSL OIM Analysis 5. Погрешность доли высокоугловых границ и средний угол разориентировки составил не более 2 %. Белые и черные линии указывают мало- (от 2 до 15°) и высокоугловые (свыше 15°) границы соответственно. Исследования микроструктуры сварного шва проводили в зоне перемешивания (ЗП), которую определяли визуально.

Результаты и их обсуждение

Микроструктура и свойства сплава 1570С. Микроструктура пластин алюминиевого спла-

И412_.& Page 74 Wednesday, Febгuaгy 13, 2013 10:58 ЛМ

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

а

б

Рис. 2. Микроструктура алюминиевого сплава 1570С в исходном состоянии:

а - оптическая микроскопия, б - EBSD-изображение

Таблица 1 Механические свойства алюминиевого сплава 1570С в исходном состоянии и после СТП при 800 об/мин со скоростью подачи 75 мм/мин

Образец Толщина сварного шва, мм МПа МПа 8, %

Основной материал - 275 410 22,5

СТП 4,3 5,8 7,3 - 360 365 370 -

ва 1570С представлена на рис. 2. В состоянии поставки сплав имеет неоднородную частично рекристаллизованную бимодальную структуру, состоящую из двух типов зерен, вытянутых вдоль направления экструзии. Первый тип представлен крупными зернами со средним размером ^ около 93 ± 9 мкм в продольном и около 30 ± 3 мкм в поперечном направлениях. Внутри этих зерен наблюдается однородная сетка малоугловых границ (рис. 2, а). Второй тип представлен мелкими зернами размерами 4,6 ± 0,5 и 2,3 ± 0,2 мкм в продольном и поперечном направлениях соответственно, которые не содержат малоугловых границ (рис. 2, б). Удельный объем этих зерен незначителен и не превышает 2 %. Они расположены преимущественно по границам крупных зерен. Результаты EBSD-анализа показали, что средний угол разориентировки границ зерен в исходном состоянии сплава составил 10,5°, доля большеугловых границ -18 %.

Результаты механических испытаний представлены в табл. 1. Образцы из экструдиро-ванного сплава 1570С при испытании на растяжение показали предел текучести 275 МПа, а предел прочности достиг 410 МПа. При этом относительное удлинение до разрушения сплава составило 22,5 %.

Структура и механические свойства сварных швов. Внешний осмотр и оптическая микроскопия сварных швов различной толщины не выявили каких-либо дефектов в виде пор или непровара. Структура ЗП швов представлена на рис. 3. В результате совместного влияния интенсивной пластической деформации и температуры при СТП в ЗП сварных швов формируется рекристаллизованная мелкозернистая равноосная структура [3]. Следует отметить, что в теле зерен практически отсутствуют малоугловые границы и не наблюдается развитой субструктуры, как в исходном материале. С уменьшением толщины свариваемых пластин происходит постепенный рост зерна с 1,5 мкм до 2,2 мкм (табл. 1, рис. 4). Данное явление авторы [16] связывают с особенностями теплоотвода из зоны перемешивания в процессе СТП. Следует отметить, что в отличие от среднего размера зерна толщина пластин практически не влияет на долю БУГ и средний угол разориентировки. Эти величины для швов различной толщины практически одинаковы и находятся в интервале 89-90 % и 38-39° соответственно (табл. 2).

ЯП я

и 111 и 001 101

Рис. 3. Микроструктура зоны перемешивания сварных соединений пластин сплава 1570С толщиной 4,3

И412_.& Ра§е 75 Шеа^аау, РеЪгиагу 13, 2013 10:58 АМ

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Таблица 2

Данные микроструктуры зоны перемешивания швов сплава 1570С после СТП при 800 об/мин со скоростью подачи 75 мм/мин

Образец Толщина сварного Размер зерна, Угол раз-ориентировки, град Доля БУГ,

шва, мм мкм %

Основной - 93/30* 10,5 18

материал

СТП 4,3 2,2 39 90

5,8 1,7 38 90

7,3 1,5 38 89

* В числителе указан продольный размер, а в знаменателе - поперечный размер зерен.

375

- 370

365

- 360

355

4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 Толщина шва, мм

Рис. 4. Зависимости размера зерна d в зоне перемешивания и предела прочности о-„ от толщины швов алюминиевого сплава 1570С при СТП

Разница в микроструктуре в ЗП обусловливает различия в механических свойствах сварных швов. Как видно из табл. 2, изменения механических свойств коррелируют с микроструктурными изменениями - уменьшение размеров зерна приводит к увеличению прочностных и пластических характеристик швов. В целом прочностные свойства полученных сварных швов достаточно близки к свойствам основного материала. Наилучшими прочностными свойствами обладает шов толщиной 7,3 мм, предел прочности которого достигает 90 % от ав сплава 1570С в исходном состоянии и составляет 370 МПа (см.

табл. 1, рис. 4). При уменьшении толщины свариваемых пластин до 5,8 и 4,3 мм значение ав сварного соединения немного снижается до 365 и 360 МПа, что составляет 89 % и 88 % от предела текучести основного материала (см. табл. 1, рис. 4).

Таким образом, в результате проведенных исследований микроструктуры и механических свойств сварных соединений пластин сплава 1570С различной толщины установлено, что в результате СТП в зоне перемешивания формируется новая рекристаллизо-ванная мелкозернистая равноосная структура со средним размером зерна 1,5-2,2 мкм. При увеличении толщины свариваемых пластин происходит формирование более мелкозернистой структуры, что объясняется особенностями теплоотвода фрикционного тепла от зоны перемешивания [16]. Сварные швы характеризуются отсутствием каких-либо дефектов и обладают высокой прочностью, достигающей 90 % от прочности основного материала. Исследования показали, что СТП позволяет соединять пластины различной толщины и получать близкие к равнопрочным с основным материалом соединения. Наилучшими прочностными свойствами обладает сварной шов толщиной 7,3 мм. Как было отмечено выше, данный шов также обладает структурой с наименьшим размером зерен около 1,5 мкм в ЗП.

Выводы

1. Сварка трением с перемешиванием пластин алюминиевого сплава 1570С со скоростью вращения 800 об/мин и скоростью подачи 75 мм/мин приводит к формированию рекристаллизованной мелкозернистой равноосной структуры со средним размером зерна от 1,5 мкм при толщине соединяемых пластин 7,3 мм до 2,2 мкм при 4,3 мм.

2. СТП пластин различной толщины позволяет получать швы с высокими прочностными свойствами. Толщина соединяемых пластин слабо влияет на прочностные характеристики сварных швов, предел прочности которых достигает 360-370 МПа. Наилучшими прочностными свойствами обладает шов толщиной 7,3 мм - предел прочности 370 МПа.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Filatov Yu.A., Yelagin V.I., ZakharovV.V. // Mater. Sci. Eng. 2000. V. 280A. Р. 97-101.

2. Захаров В.В., Елагин В.И., Филатов Ю.А. и др.

Перспективы применения алюминиевых сплавов со скандием в промышленности // Технология легких сплавов. 2006. № 4. С. 20-28.

3. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Mater. Sci. Eng. R. 2005. V. 50. P. 1-78.

4. Threadgill P.L., Leonard A.J., Shercliff H.R., Withers P.J. Friction stir of aluminium alloys // International Materials Reviews. 2009. V. 54. P. 49-93. Midling O.T., Kvale J.S., Dahl O. // Proc. 1st Int. Symp. on «Friction stir welding». Thousand Oaks, CA, USA, June 1999, TWI.

Price D.A., Williams S.W., Wescott A. et al.

Distortion control in welding by mechanical tensioning // Sci. Technol. Weld. Join. 2007. 12. P. 620-633.

7. Ray J. Delta 4 fleet goes from: «Medium» to «Heavy» // Spaceflight Now. 2002. № 12.

8. Johnsen M.R. Friction stir welding takes off a Boe-ning // Weld. J. 1999. V. 78. P. 35-39.

9. Waldron D.J., Roberts R.W. // Proc. Conf. on «Aerospace automated fastening», Long Beach, CA, USA, September 1998, SAE. P. 15-17.

10. Christner B., McCoury J., Higgins S. Development and testing of friction stir welding (FSW) as

5.

6.

a joining method for primary aircraft structure // Proc. 4th Int. Symp. on «Friction stir welding», Park City, UT, USA, May 2003, TWI. P. 57-68.

11. Kawasaki T., Makino T., Todori S. et al. Application of friction stir welding to the manufacturing of next generation 'A-train' type rolling stock // Proc. 2nd Int. Symp. on «Friction stir welding», Gothenburg, Sweden, June 2000, TWI. P. 502-511.

12. Jata K.V., Semiatin S.L. Continuous Dynamic Re-crystallization During Friction Stir Welding of High Strength Aluminum Alloys // Scr. Mater. 2000. V. 43. P. 743-749.

13. Heinz B., Skrotzki B. Characterization of a Friction-Stir-Welded Aluminum Alloy 6013 // Metall. Mater. Trans. B. 33A. 2002. P. 489-498.

14. Charit I., Mishra R.S. High strain rate superplasticity in a commercial 2024 Al alloy via friction stir processing // Mater. Sci. Eng. A 359. 2003. P. 290-296.

15. Kumar N., Mishra R.S., Huskamp C.S., Sanka-ran K.K. Microstructure and mechanical behavior of friction stir processed ultrafine grained Al-Mg-Sc alloy // Mater. Sci. Eng. A 528. 2011. P. 5883-5887.

16. Khodir S.A., Shibayanagi T., Naka M. Control of hardness distribution in friction stir welded AA2024-T3 aluminum alloy // Mater. Trans. 2006. V. 47. № 6. P. 1560-1567.

_

Работа выполнена на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием Белгородского государственного университета при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.132.21.1581.