Особенности оценки свойств сварных соединений при оптимизации технологии сварки разнородных материалов

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

УДК 621.791.55:669.715

ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ СВОЙСТВ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ПРИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Е.В. Никитина, докт. техн. наук, А.А. Уваров, аспирант, П.Ю. Предко, аспирант

Предложен метод оценки пластичности различных зон сварных соединений, позволяющий оценить уровень свойств локальных зон соединения (шов, околошовная зона, основной металл). Рассмотренный метод позволяет выявить наиболее слабые участки, что важно при разработке технологии сварки разнородных сплавов для получения сварного соединения с однородными свойствами шва.

Ключевые слова: сварка, локальные зоны шва, пластичность, методика испытаний.

Features of the Estimation of Weld Joint Properties in the Case of Technology Optimization for Welding of Dissimilar Materials. Ye.V. Nikitina, A.A. Uvarov, P.Yu. Predko.

This paper presents a method for estimating plasticity of various welded joint zones, which provides evaluation of properties of the local joint zones (weld, heat-affected zone and base metal). This method provides possibility to identify the weakest areas, that is important for development of the welding technology especially for dissimilar alloys to produce welded joints with uniform properties of welds.

Key words: welding, local weld zones, plasticity, test procedure.

Сварные и паяные соединения разнородных материалов характеризуются выраженной анизотропией свойств, вызванной как технологией их получения (литые или деформированные), так и технологией сварки (в твердом состоянии или через жидкую прослойку). Наличие локальных зон с различными свойствами является главной особенностью таких конструкций. В связи с этим при оценке работоспособности необходимо иметь сведения о механических свойствах каждой зоны, а также свойствах, характеризующих границу раздела между зонами.

Неразъемным соединениям (сварным и паяным) присущи несколько характерных зон с принципиально различными структурными, физическими и химическими свойствами, в частности, для выполненных сваркой в твердом состоянии - это основной металл, гра-

ница соединения, металл вблизи границы соединения.

В зависимости от области применения сварных соединений для получения соединений с заданным уровнем свойств применяют такие традиционные способы соединений, как сварка плавлением и диффузионная сварка, а также перспективный способ сварки в твердом состоянии - сварка трением с перемешиванием. Для швов, выполненных сваркой плавлением, выделяют следующие зоны: основной металл, зона термического влияния, высокотемпературная зона, металл шва; для паяных соединений - основной металл, диффузионная зона, паяный шов; для сварки трением с перемешиванием - основной металл, зона термического влияния, зона термомеханического влияния, ядро.

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

В общем случае неразъемное соединение можно представить как нерегулярный композиционный материал, характеризующийся наличием нескольких зон с квазиоднородными свойствами. Работоспособность неразъемного соединения определяется наиболее слабой зоной и «запасом» свойств смежных зон.

Традиционные способы механических испытаний [1] предназначены либо для испытания всего сварного соединения в целом, либо для испытания свойств металла шва и не позволяют дифференцированно оценивать свойства зон малой протяженности (порядка 0,5-1 мм). Улучшая при отработке технологии сварки свойства металла шва за счет введения рациональных добавок легирующих компонентов через проволоки, флюсы, покрытия, фольги и припои, добиваются высоких свойств шва, не акцентируя внимания на тот факт, что работоспособность конструкции в целом не возрастает и при испытаниях сварной конструкции разрушение происходит не по зоне шва.

Поскольку состав, структура, конфигурация и свойства отдельных зон сварного соединения связаны не на прямую, особенно

_ F2 ^ »

я? Lct2

Рис. 1. Оценка пластичности локальных зон:

а, б, в - испытание металла шва, вдоль границы сплавления, основного металла соответственно; г -устройство для испытаний, установленное на МБС-9

при сварке разнородных материалов, не корректно оптимизировать технологию сварки только по показателям свойств металла шва. Предлагается при выборе предпочтительных технологических вариантов, во-первых, обращать внимание на свойства наиболее слабой зоны и, во-вторых - на обеспечение как можно более однородных свойств.

Для выявления наиболее опасной (слабой) зоны неоднородного материала предлагается метод экспресс-оценки пластичности отдельных локальных зон анализируемого соединения материала.

Метод оценки пластичности локальных зон сварных соединений по углу изгиба осуществляется при испытании тонких образцов (соотношение толщины свариваемого материала к толщине образца 10:1 или 15:1) в специальном устройстве (рис. 1).

Структура в зоне соединения при СТП не имеет аналогов среди соединений, полученных разными способами сварки плавлением и давлением [3].

При СТП в ядре, имеющем несимметричную форму, формируется сверхмелкая структура из равноосных зерен. При СТП отсутствует кристаллографически ориентированная связь между металлом ядра и металлом зоны термомеханического влияния [2]. Резкий переход от одного типа структуры к другому может обусловить заметное снижение работоспособности соединения. Форма и размер ядра, конфигурация зоны термомеханического влияния по обе стороны от ядра (так называемые advancing side и retreating side) [4], также как и параметры структуры в указанных зонах, определяются режимами сварки. Поэтому при отработке технологии сварки испытание локальных зон на пластичность будет играть еще большую роль, чем при сварке плавлением.

В предлагаемой методике испытаний плоско-параллельные образцы вырезают из перпендикулярного к плоскости соединения сечения сварного соединения. Поверхность реза обрабатывают абразивными материалами до тех пор, пока соотношение ширины образца к его толщине s не будет в пределах от 10:1 до 15:1. Такое соотношение обеспечивает создание плоского напряженного со-

в

-Ф-

-Ф-

-Ф-

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

стояния в процессе испытании с соотношением главных напряжении а1/а2 ~ 2. В приготовленном для испытании образце намечают для испытания локальные зоны с квазиоднородным металлом: металл зоны соединения, металл вблизи границы различных зон соединения, основной металл. При испытаниях нагрузку (пуансон) последовательно прикладывают в следующих направлениях: сначала параллельно оси металла соединения (I-I), затем перпендикулярно границе зон соединения (II-II), а затем в области основного металла (III-III). За процессом нагружения наблюдают под микроскопом. Испытания ведут до появления микротрещины, визуально различимой при увеличении не менее 20 крат, после чего фиксируют место зарождения микротрещины, а затем определяют угол изгиба а, град. При этом все значения а получают при изгибе одного образца по следующей методике: нагружение I-I, измерение а, разрушение (долом), нагружение II-II, измерение а, разрушение и т.д. На рис. 1 показана последовательность испытаний: сначала зоны соединения (направление приложения рабочей поверхности пуансона I-I), затем границы зоны соединения (направление приложения рабочей поверхности пуансона II-II) и основного металла (направление приложения рабочей поверхности пуансона III-III). Направления главных напряжений а1 и G2 на трех

9080701

S 60

ö 50 40 30 20 10

МШ (1,1 % Li) * - - -

ВАЛ16

МШ (0,6 % Li) —х

1420

ВТ0 1420

III I

жх

II

III I

0

3 4  Mg, %

Рис. 2. Зависимость пластичности различных зон сварного соединения от содержания магния и схема испытаний:

МШ - металл шва; ОМ - основной металл, ВТО - высокотемпературная область зоны термического влияния; приведены данные испытаний семи образцов

этапах испытании представлены на горизонтальных проекциях образца.

Предложенный способ использовали при отработке технологии получения следующих узлов:

1) литосварные узлы из сплавов ВАЛ 16 и 1420, полученные аргонодуговой сваркой с различными присадочными проволоками (рис. 2);

2) биметаллические соединения элементов двигателя из сплавов ВТ1 и МБ, полученные диффузионной сваркой по различным схемам (см. таблицу).

II

2

5

6

7

Влияние режима диффузионной сварки на пластичность соединения*

Схема соединения Параметры режима Наиболее слабая зона

т т Температура tos, °C Время выдержки при температуре сварки т, мин

15 30 45

ттт- —ттт

I т Угол изгиба а, град

Ti-Cu 620 720 80 50 127 10 107 10 Граница сплавления То же

Ti-V-Cu *Приведены средние 620 720 значения пяти Разрушение при изготовлении 180 испытаний. 46 180 108 180 » Нет

ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

При отработке технологии выполнения литосварного узла было учтено, что в соответствии с эксплуатационными требованиями присадочный материал должен обеспечивать минимальный разброс свойств в различных зонах сварного соединения и минимальную пористость в них, не ухудшать стойкость к образованию горячих трещин и коррозионные свойства сварного соединения.Учет последних факторов накладывает ограничение на введение дополнительных легирующих элементов в шов: основными легирующими элементами могут быть только магний и литий. Было проведено исследование влияния содержания Мд (3-7,5 %) и и (0,6-1,1 %) на пластичность металла шва и высокотемпературной области зоны термического влияния (рис. 2). Как следует из анализа полученных данных, наиболее низкий уровень пластичности имеют основной металл со стороны ВАЛ16: аомВАЛ16 = 58 ± 5° Необходимо отметить, что во всем диапазоне исследованных составов пластичность металла шва выше, чем пластичность зоны сплавления и пластичность соединяемых материалов. При увеличении содержания магния в шве наблюдается снижение пластичности металла шва, пластичность же зоны сплавления увеличивается. Оптимальное сочетание свойств зон сварного соединения (равная пластичность всех зон) обеспечивается при содержании магния в металле шва в пределах от 5,5 до 6,5 %. Использование присадочной проволоки с содержанием 6-6,5 % Мд (при долях участия не ниже 40 %) позволило обеспечить герметичность сварного соединения с минимальной разницей в пластичности различных зон сварного соединения.

При получении биметаллических соединений ВТ1 + МБ основным требованием было обеспечение возможно более высокой плас-

тичности, поскольку биметаллические соединения в последующем подвергались значительному формоизменению. В системе Ti-Cu имеются три области гомогенности на основе интерметаллидных фаз, в связи с чем при непосредственной сварке титанового сплава с медью возможно образование от одного до трех слоев интерметаллидных фаз.

В таблице приведен пример отработки режима диффузионной сварки титана с медью, где в качестве параметра оптимизации взят угол изгиба по схеме I-I. Показано, что оптимальными являются режимы:

- для соединения Ti - Cu: t = 620 °C, т = 30 мин;

- для соединения Ti-V-Cu: t = 720 °C, т = 15-45 мин.

Поскольку при сварке через барьерный слой ванадия достигается максимальная пластичность (а = 180°) в достаточно широком интервале выдержек при температуре 720 °C, именно этот технологический вариант и был выбран при изготовлении биметаллического материала.

Выводы

1. Предложена методика оценки пластичности характерных локальных зон сварных соединений разнородных материалов.

2. Испытаны литосварные узлы из сплавов ВАЛ 16 и 1420, полученные аргонодуговой сваркой с различными присадочными проволоками, и биметаллические соединения элементов двигателя из сплавов ВТ1 и МБ, полученные диффузионной сваркой по различным схемам. Проведенные испытания позволили определить свойства локальных зон, выявить наиболее опасные зоны и обоснованно выбрать технологический вариант сварки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Испытания материалов: справоч. / Под ред. Х. Блю-менталя - М.: Металлургия, 1979. С. 49-50. Степанов В.В., Конкевич В.Ю., Фролов В.А. Формирование соединений при сваркетрением по способу Friction Stir Welding // Технология легких сплавов. 2003. № 1. С. 58-67. Фролов В.А., Шанюхин А.Н., Собанцев А.Н. и др. Сварка трением с перемешиванием - плюсы и

2.

3.

минусы // Сварочное производство. 2008. № 10. С.12-29.

4. Leonard A.J. Microstructure and Ageing Behaviour of FSWs in Aluminium Alloys 2014AT651 and 7075-T651. TWI, Granta Park, Great Abington, Cambridge, CB1 6AL, UK.

-Ф-

-Ф-