Свойства сварных соединений литейного алюминиевого сплава вал10, полученных сваркой плавлением и трением с перемешиванием

СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЛИТЕЙНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ВАЛ 10, ПОЛУЧЕННЫХ СВАРКОЙ ПЛАВЛЕНИЕМ И ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ Андреева Людмила Павловна, кандидат технических наук, доцент Овчинников Виктор Васильевич, доктор технических наук, профессор Кабанцев Алексей Вячеславович, студент Карпухина София Дмитриевна, студент Московский политехнический университет

Представлены результаты механических испытаний сварных соединений литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10, полученные многопроходной ручной аргонодуговой сваркой с присадочной проволокой Св1203 и двух-проходной сваркой трением с перемешиванием. Для повышения прочностных свойств сварных соединений сплава ВАЛ 10 может быть рекомендована последующая термическая обработка сварных соединений после сварки, включающая закалку и искусственное старение.

Ключевые слова: литейные алюминиевые сплавы, сплав ВАЛ 10, сварка, аргонодуговая сварка, сварка трением с перемешиванием, присадочная проволока, механические свойства, структура, термическая обработка.

Расширение применения литых деталей из алюминиевых сплавов в различных отраслях машиностроения делает весьма актуальным разработку технологии сварки литейных алюминиевых сплавов.

Из упомянутых литейных алюминиевых сплавов весьма перспективным является сплав ВАЛ 10, относящийся к системе А1-Си-Мп и по химическому составу отличается от сплава АЛ 19 несколько меньшим содержанием меди и марганца, наличием добавки кадмия и большей чистотой по примесям кремния и железа.

Микроструктура литого сплава ВАЛ 10 характеризуется наличием значительного количества фазы СиА12, входящей в состав эвтектики а+СиА12, несколько меньшим (по сравнению со сплавом АЛ 19) количеством фазы А112Мп2Си, а также наличием отдельных пластинчатых частиц фазы А13Т1.

В структуре сплава после термической обработки наблюдаются фазы А12Мп2Си и А13Тц фаза СиА12 и кадмий полностью переходят в твердый раствор при нагреве под закалку. Пережог так же, как в сплаве АЛ 19, сопровождается оплавлением эвтектики а+СиА12[1-6].

Целью работы является исследование возможности сварки литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10 сваркой плавлением (многопроходная ручная аргонодуговая сварка) и сваркой трением с перемешиванием (СТП).

Исследования проводились в два этапа. На первом этапе работы была исследована возможность аргонодуговой сварки и сварки трением с перемешиванием литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10.

Для этого были изготовлены отливки в виде плит размерами 110х250 мм и толщиной 15 мм. Плиты проходили термообработку по режиму: закалка

(535 °С, 7 часов) + закалка (545 °С, 9 часов) + искусственное старение (160 °С, 4 часа).

Перед сваркой выполняли фрезерование свариваемых заготовок до толщины 10 мм. Это позволило полностью устранить с поверхности заготовок литейную корку.

Химический состав литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10 приведен в таблице 1. В таблице 2 представлены механические свойства основного металла до сварки.

Таблица 1 - Химический состав сплава ВАЛ 10

Марка сплава Легирующие элементы, масс % Примеси

А1 Мп И Си Mg 2п Сё Бе

ВАЛ 10 Осн. 0,350,80 0,150,30 4,5-5,1 < 0,05 < 0,1 0,070,30 < 0,15 < 0,10

Таблица 2 - Механические свойства сплава ВАЛ1 0

Марка сплава Предел прочности при растяженииоВ, МПа Условный предел текучести 00,2, МПа Относительное удлинение 55, % Ударная вязкость кси, кДж/м2

ВАЛ 10 480-485 380-390 4-5 170-180

Для сварки образцов сплава ВАЛ 10 и сплава 01205 использовалиприса-дочную проволокуСв01203 (6,4-6,52%Си; 0,28-0,29%Мп; 0,11-0,13%Т1; 0,22%7п; 0,01%Mg; 0,05-0,08%У).

Заготовки перед сваркой обезжиривали ацетоном, затем поверхности стыка подвергали шабрению. Присадочную проволоку перед сваркой травили в щелочной ванне с последующим осветлением в 30%-ом растворе азотной кислоты.

Режим аргонодуговой сварки образцов сплава ВАЛ 10 приведены в таблице 3.

Аргонодуговую сварку пластин толщиной 10 мм осуществляли с V-образной разделкой кромок с углом раскрытия 70° и притуплением 1,5 мм. Для ручной аргонодуговой сварки пластин сплава ВАЛ10 использовали источник питания «Форсаж-315», оснащенный горелкой РГА-150.

Сварку образцов трением с перемешиванием осуществляли на экспериментальной установке, созданной на базе модернизированного вертикального фрезерного станка с ЧПУ. В качестве рабочего инструмента использовали специальный инструмент, состоящий из стержня диаметром 5 мм и длиной 6 мм с винтовой канавкой глубиной 0,4 мм. Диаметр заплечика инструмента составлял 18 мм. Рабочий инструмент был изготовлен из стали Р18.

Таблица 3 - Параметры режима аргонодуговой сварки образцов ВАЛ 10

Толщина материала, мм Ток дуги, А Расход аргона, л/мин Диаметр вольфрамового электрода, мм Диаметр присадочной проволоки, мм Количество проходов, шт. Разделка кромок

10 135-140 11 4,0 4,0 3 У-образная с притуплением

В таблице 4 приведены параметры режима сварки трением с перемеши-ваниемисследуемого литейного алюминиевого сплава.

Таблица 4 - Параметры режима сварки трением с перемешиванием образцов ВАЛ 10 толщиной 10 мм

Частота вращения инструмента ю, об/мин Скорость сварки усв, мм/мин Осевое усилие прижатия инструмента Н Схема сварки соединения

650-800 220-240 28500-32000 Сварка с двух сторон

После сварки все образцы подвергались рентгеновскому контролю.Механические свойства сварных соединений и основного металла определяли на цилиндрических образцах с диаметром рабочей части 5 мм по ГОСТ 6669-66. Предел прочности металла шва определяли на образцах в виде пластин шириной 20 мм и толщиной 8 мм(рис. 1), вырезанных из сварных образцов и имеющих концентраторы в виде фрезеровок диамет-

Для повышения прочностных характеристик сварного соединения были опробованы четыре режима последующей термической обработки (таблица 5).

Таблица 5 - Режимы термической обработки сварных соединений сплава

ВАЛ10

Номер режима Первая ступень закалки Вторая ступень закалки Искусственное старение

1 535 °С, 7 час. 160 °С, 6 час.

2 535 °С, 10 час. 545 °С, 9 час. 160 °С, 24 час

3 535 °С, 1,5 час. 160 °С, 24 час

4 535 °С, 4 час. 160 °С, 24 час

Металлографические исследования включали анализ макро и микроструктуры сварных соединений с использованием оптического микроскопа марки Вгеввег8ЫепсеМТЬ-201.

В результате рентгеновского контроля на некоторых образцах, выполненных ручной аргонодуговой сваркой, обнаружены оксидные пленки и поры (рис.2). В швах, полученных СТП, поры полностью отсутствовали.

Рисунок 2 - Поры (а) и оксидные включения (б) в металле шва сплава ВАЛ10 при ручной многопроходной аргонодуговой сварке, х115

Результаты прочностных испытаний сварных образцов из сплава ВАЛ10 приведены в табл. 6.

Таблица 6 - Механические свойства сварных соединений из сплава

ВАЛ 10 толщиной 10 мм

Вид образца Предел прочности при растяжении оВ, МПа Коэффициент прочности Угол изгиба а, град. Ударная вязкость

Сварное соединение Металл шва сварного соединения К кси, кДж/см2

Основной ме- 445,9 - - 27 10,0

талл

Сварное со- 202 192 45,3 43 44,2

единение Ар-

ДЭС

Сварное со- 334,6 336,7 75,1 55 60,2

единение СТП

Разрушение образцов сварных соединений с усилением и проплавом, выполненных ручной аргонодуговой сваркой, происходило по зоне термического влияния. Образцы, подготовленные к испытаниям в соответствии с рисунком 1, разрушались только по сварному шву.

Обращает на себя внимание факт существенного повышения коэффициента прочности сварного соединения с 45,3 (для ручной аргонодуговой сварки) до 75,1 (для СТП).

В результате проведенных испытаний образцов, вырезанных из металла швавдоль и поперек направлению сварки, произошло разрушение всех образцов строго в зоне ядрасварного шва. При этом среднее значение максимального напряжения приразрушении образцов, вырезанных вдоль и поперек направления сварки, оказалось очень близким и составило около 334,5-336,2 МПа (рисунок 3), т.е.выше прочности основного металла (445,9 МПа).

Рисунок 3 - Фрактограмма поверхности разрушения образцов ядра шва: а - вдоль направления сварки; б - поперек направления сварки

В обоих случаях разрушение носило транскристаллитный характер сформированием развитого ямочного микрорельефа (рисунок 3). Замет-нойразницы в размере ямок не обнаружено, скопления крупных частиц и дефектовв виде трещин и расслоений не наблюдалось.

Частота вращения инструмента в ряде работ принимается за основной параметр режима сварки, оказывающий влияние на температуру в зоне перемешивания, приэтом с повышением частоты вращения под действием силы трения наблюдаетсяповышение температуры пластифицированного металла, снижение пределатекучести металла и реализация процесса пластического деформированиематериала [7].

Основное внимание при отработке технологии сварки уделялось поиску оптимального режимасварочного процесса, позволяющего получить сварное соединение сминимальным количеством дефектов.

Сварка опытных образцов осуществлялась по четырем заданнымрежи-мам для каждой толщины свариваемых пластин, при этом варьировались-такие параметры сварочного процесса как: частота вращения инструмен-

та,скорость движения инструмента относительно заготовки (скорость подачи), усилие прижима инструмента к свариваемым пластинам.

Численное значение коэффициента тепловложенияопределялось как отношение скорости подачи инструмента к частоте вращения [8, 9]. Варьируемые параметры режима сварки трением с перемешиванием литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10 приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Параметры режимов сварки трением с перемешиванием пластин сплава ВАЛ 10 толщиной 10^ мм

Номер Усилие при- Частота вращения инструмента (ю), об/мин Скорость Коэффициент

режима сварки жима инструмента Р, Н подачи (Гсв), мм/мин тепловложения (п), мм/об

1 28000 650 220 0,34

2 28000 800 220 0,27

3 28000 650 240 0,37

4 28000 800 240 0,30

Установлено, что коэффициенты прочности сварных соединений и величина временного сопротивления для пластин, по режимам 2 и 3, были близки к наиболее высокими по величине.

Разрушение этих образцов происходило в зоне термомеханического влияния на «отступающей» стороне вращения рабочего инструмента по линии стыка. На рисунке 4 показан характерный вид поверхности разрушения после испытаний на статическое растяжение и приведена фракто-грамма поверхности излома этих образцов. Из полученных результатов следует, что процесс разрушения проходил в две стадии - раскрытие материала по линии стыка в нижней части сварного шва с последующим доло-мом остального объема материала.

В структуре образцов, сварка которых была выполнена с самыми высокими значениями частоты вращения инструмента наблюдается образование дефекта в виде несплошности на наступающей стороне шва (рисунок 5). Можно предположить, что образование этого дефекта происходит вследствие чрезмерно высокой скорости поступательного движения инструмента относительно заготовки, когда увлекаемый инструментом слой металла не успевает заполнять пространство позади этого инструмента.

Протяженность дефекта заметно повлияла на показатель прочности сварного соединения, это следует из результатов испытаний образцов, сварка которых выполнялась на режиме 1.

При воздействии динамических нагрузок снижение прочности будет более заметным, поскольку в этих условиях дефект будет активно играть роль концентратора напряжений. При снижении скорости подачи инструмента до 170-190 мм/мин дефект не обнаруживался.

в

Рисунок 4 - Поверхность разрушения

сварного шва без дефектов

Рисунок 5 - Дефект в виде несплошности на поверхности разрушения сварного образца при испытании на растяжение

Послойный металлографический анализ показал, что дефект расположен в ядре шва, справа по ходу движения инструмента, на границе с основным металлом. Несплошность представляет собой периодическую пористую структуру с периодом, близким к периоду кольцевой структуры на лицевой стороне шва, сформированной заплечиком рабочего инструмента. Поры ориентированы вдоль линий пластического течения материала и представляют собой микропустоты неправильной формы.

Присутствие такого рода дефекта не только влияет на снижение прочности при статическом растяжении сварного соединения, но правомерно предположить, что произойдет снижение усталостной долговечности, поскольку в этих условиях вышеописанный поверхностный дефект будет играть роль концентратора напряжений и приводить к формированию усталостной трещины материала в зоне перемешивания [10].

Повышение частоты вращения инструмента и заметное уменьшение усилия прижима свариваемых пластин сопровождается появлению дефекта в виде линия стыка в прикорневой зоне сварного шва (рисунок 6).

Рисунок 6 - Линия стыка на поперечном сечении сварного шва

Подобный дефект наблюдался при сварке с повышенной частотой вращения инструмента в сочетании с недостаточной силой прижима свариваемых пластин. Он хорошо проявляется при визуальном осмотре вследствие наличия оксидной пленки, а также других загрязнений, которые присутствовали на кромках соединяемых пластин перед началом сварки.

Данный дефект является наиболее опасным из-за своей значительной протяженности. Форма стыковой линии хорошо обнаруживается на металлографических шлифах при слабом травлении, при статическом растяжении образцов с таким дефектом поверхность разрыва материала повторяет ее очертания. При анализе поверхности разрыва методом растровой электронной микроскопии видны слои луковичной структуры сварного шва (рисунок 6, б).

Ширина полос луковичной структуры должна оказывать существенное влияние на траекторию распространения трещины. Металлографические исследования образцов, полученных при сварке трением с перемешиванием, показали, что при статическом растяжении начальная трещина образуется в корне шва на линии стыка и распространяется вдоль нее, до тех пор, пока направление линии стыка не совпадет с направлением растяжения. Дальнейшее разрушение осуществляется в направлении максимальных касательных напряжений. Таким образом, наличие линии стыка является причиной разрушения образцов при низких растягивающих напряжениях.

При одновременном уменьшении скорости подачи и частоты вращения инструмента наблюдалось появление областей «разрыхления». В изломе образцов были заметны также несплошности материала глубиной от 60 до 120 мкм (рисунок 7).

Рисунок 7 - Дефекты зоны перемешивания в виде "разрыхления" (а) и

несплошностей

С целью повышения механических свойств сварных соединений сплава ВАЛ 10 были опробованы два режима последующей термической обработки:

Режим 1: закалка 535 °С, выдержка 1,5 часа + искусственное старение 160 °С, выдержка 24 часа;

Режим 2: закалка 535 °С, выдержка 4 часа + искусственное старение 160 °С, выдержка 24 часа.

Результаты механических испытаний сведены в таблица 8.

Полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что термическая обработка сварных соединений сплава ВАЛ10 по режиму 2 в большей степени способствует повышению уровня прочности сварного соединения и металла шва, хотя при этом наблюдается некоторое снижение пластичности, о чем свидетельствует уменьшение значений угла изгиба.

Таблица 8 - Механические свойства сварных соединений из сплава ВАЛ 10, _прошедших после сварки термообработку по режимам 1 и 2_

Способ Режим тер- Предел проч- Предел Зона разруше- Угол

сварки мической ности сварно- прочно- ния изги-

обработки го сти ме- ба,

после свар- соединенияов талла шва град.

ки , МПа овш, МПа

Ар- Режим 1 385 339 По сварному 13,4

ДЭС Режим 2 442 390 шву и по линии сплавления 10,2

СТП Режим 1 395 349 По зоне пере- 38

Режим 2 445 461 мешивания 33,6

На основании результатов проведенных исследований можно заключить:

1. Использование присадочной проволоки Св1203 при ручной аргоноду-говой сварке сплава ВАЛ 10 обеспечивает удовлетворительное формирование соединений и достаточно высокий уровень механических свойств.

2. Сварка трением с перемешиванием обеспечивает увеличение коэффициента прочности соединений литейного алюминиевого сплава ВАЛ 10 до 0,75, что существенное выше, чем при ручной аргонодуговой сварке (0,45).

3. С целью повышения прочностных свойств сварных соединений сплава ВАЛ 10 рекомендуется последующая термическая обработка сварных соединений после сварки по режимам:

а) закалка 535°С, выдержка 1,5 часа + 160 °С, 24 часа;

б) закалка 535°С,выдержка 4 часа + 160 °С, 24 часа.

Список литературы

1. Овчинников В.В., Рязанцев В.И. Дуговая сварка жаропрочных алюминиевых сплавов. // Заготовительные производства в машиностроении. 2008. - №2. - С.17-24.

2. Гуреева М.А., Грушко О.Е., Овчинников В.В. Свариваемые алюминиевые сплавы в конструкции транспортных средств. // Заготовительные производства в машиностроении. 2009. -№3. - С.11-21.

3. Манаков И.Н., Овчинников В.В. Исследование свариваемости литейного сплава ВАЛ8 с деформируемыми сплавами АМг6 и В-1341 // Научная перспектива. 2011. - №1. - С.62-63.

4. Овчинников В.В. Современные наукоёмкие технологии в сварочном производстве. // Наукоемкие технологии. 2011.-№5.-С.35-45.

5. Овчинников В.В. Наукоемкие технологии сварки в производстве объектов транспорта из алюминиевых сплавов. // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. - №5. - С.3-9.

6. Дриц А.М., Овчинников В.В. Сварка алюминиевых сплавов (монография). - М.: Издательство "Руда и металлы", 2017. - 440 с.

7. Половцев В.А. Служебные характеристики алюминиевых сплавов 1201 и АМг6, выполненные фрикционной сваркой / В.А. Половцев, М.М. Штрикман, Г.В. Шилло // Сварочное производство. - 2005. - № 12. - С. 8-14.

8. Фролов В.А. Сварка трением с перемешиванием термически упрочняемого сплава В95 системы Al-Zn-Mg-Cu. / В.А. Фролов, В.Ю. Конкевич, П.Ю. Предко, В.В. Белоцерковец // Сварочное производство. - 2013. - № 3. - С. 21-26.

9. Лукин В.И. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности / В.И. Лукин, О.Г. Оспенникова, Е.Н. Иода, М.Д. Пантелеев // Сварка и диагностика. - 2013. - № 2. - С. 47-51.

10. Шанявский А.А. Масштабные уровни процессов усталости металлов // Физическая ме-зомеханика. - 2014. - Т. 17, № 6. - С. 87-98.

Andreeva Lyudmila Pavlovna, candidate of technical Sciences, associate Professor

Victor V. Ovchinnikov, doctor of technical Sciences, Professor

Kabantsev Alexey Vyacheslavovich, the student of the

Karpukhina Sofia Dmitrievna, student

Moscow technical University

PROPERTIES OF WELDED JOINTS OF ALUMINUM ALLOY FOUNDRY ВАЛ 10 OBTAINED BY FUSION WELDING AND FRICTION STIR

Presents the results of mechanical tests of welded joints of aluminium alloy foundry ВАЛ 10 received multi-pass manual TIG welding with filler wire Св1203 and two-pass friction welding with stirring. To improve the strength properties of welded joints of the alloy VAL10 can be recommended subsequent heat treatment of welded joints after welding, including hardening and artificial aging.

Keywords: casting aluminum alloys, alloy VAL10, welding, argon arc welding, friction welding with mixing, filler wire, mechanical properties, structure, heat treatment.