Статьи
Исследованы особенности формирования структуры и свойства сварных соединений алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469, выполненны лазерной сваркой (ЛС). Установлено, что применение присадочных материалов системы Al–Cu (Св-1201 и Св-1217) улучшает формирование сварного шва, повышает механические свойства сварных соединений, снижает вероятность образования дефектов типа пор и рыхлот. Для сварных соединений, выполненных ЛС как без присадочного материала, так и с присадками Св-1201 и Св-1217, отсутствует склонность к РСК и МКК. Последующая термическая обработка по режиму Т1 несколько снижает коррозионную стойкость.
Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 10.8. «Технологии сварки плавлением новых конструкционных материалов» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года»)
Введение
Во ФГУП «ВИАМ» разработаны высокопрочные алюминий-литиевые сплавы третьего поколения марок В-1461 и В-1469. Сплав В-1469 рекомендован для элементов, работающих на сжатие длительно во всеклиматических условиях до температур 150°С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры и другие детали фюзеляжа). К сплаву В-1461 предъявляются основные требования по высокому уровню ресурсных характеристик и сохранению высокой прочности и пластичности в широком интервале рабочих температур – от -250 до +160°С. Сплав предназначен для применения в виде листов, плит и прессованых профилей для обшивки и внутреннего силового набора фюзеляжа современных самолетов различного назначения. Применение данных сплавов в сварных конструкциях позволит снизить массу изделий на 10–15% по сравнению с клепаными [1–4].
Все сложности при изготовлении сварных конструкций из высокопрочных сплавов системы Al–Cu–Li связаны с их склонностью к образованию горячих трещин и разупрочнением под воздействием термического цикла сварки. Применение такого высококонцентрированного источника энергии, как лазерный, в сочетании с присадочной проволокой, позволяет получить качественно новые результаты, недоступные при традиционных способах сварки.
Благодаря высокой концентрации энергии лазерного луча образуется малый объем сварочной ванны и тем самым значительно снижаются деформации свариваемых деталей по сравнению с традиционной аргоно-дуговой сваркой. Высокие скорости нагрева и охлаждения позволяют существенно уменьшить зону термического влияния. Тем самым снижается эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению материала, трещинообразованию и снижению коррозионной стойкости сварных соединений [4–9]. Введение присадочной проволоки в расплав сварочной ванны позволяет повысить технологичность путем повышения стойкости к образованию горячих трещин сварного соединения. При этом достигаются оптимальные характеристики прочности и пластичности сварных соединений [10–14].
Материалы и методы
В данной работе исследовали свойства, структуру и коррозионную стойкость сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469, выполненных лазерной сваркой.
Лазерную сварку (ЛС) листовых полуфабрикатов толщиной 2–3 мм проводили в состоянии Т1 (закалка+искусственное старение) с использованием иттербиевого волоконного лазерного источника фирмы «ИРЭ-Полюс» марки ЛС-5 мощностью 5 кВт. Фокусировку лазерного излучения, передаваемого к месту обработки по волокну, осуществляли фокусирующей головкой Precitec YW50.
Стыковые сварные соединения выполняли как с использованием присадочных проволок Св-1201 (система Al–6Cu) и Св-1217 (система Al–10Cu–Sc) диаметром 1,2 мм, так и без присадочного материала.
Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (σв, α, KCU) сварных соединений соответствовали ГОСТ 6996–66 и ГОСТ 1497–84.
Исследования микроструктуры проводили на оптическом комплексе Leica. Фрактографические исследования образцов после испытаний на ударный изгиб проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-6490LV. Определяли стойкость сварных соединений к расслаивающей (РСК) и межкристаллитной коррозии (МКК) в лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 9.904–82 и ГОСТ 9.021–74 соответственно.
Испытания на РСК сварных соединений проводили в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 2 в течение 2 сут.
Испытания на МКК сварных соединений проводили в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 2 в течение 6 ч при 30°С.
Коррозионную стойкость сварных соединений определяли после ЛС и после полной термической обработки по режиму Т1 (закалка+искусственное старение).
Результаты
С применением волоконного лазерного источника проводили исследование влияния технологических параметров (Wл, Vсв) лазерной сварки с присадочным материалом на качество формирования сварного соединения (занижение шва, провисание корня шва, размеры верхней и корневой части шва в соответствии с ГОСТ 30242–97) листовых полуфабрикатов из алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469. При выборе режимов сварки изменяли параметры мощности излучения (Wл) и скорости сварки (Vсв). Мощность излучения выбирали в диапазоне от 1 до 3 кВт в зависимости от толщины свариваемого материала и от характера формирования шва. Скорость сварки изменяли в пределах от 1 до 2,5 м/мин исходя из условий формирования наиболее благоприятной геометрической формы шва. Скорость подачи проволоки (Vп.п) и параметры фокусировки (f, ΔF) оставались постоянными. Выбран способ защиты сварных соединений и определен расход защитных газов (аргон, гелий). Визуальный контроль показал, что на швах отсутствуют поверхностные дефекты, геометрические параметры сварных швов соответствуют требованиям ГОСТ 28915–91. По результатам рентгеновского контроля установлено, что в швах отсутствуют дефекты типа трещин, пор и оксидных включений. На основании полученных результатов выбраны оптимальные параметры ЛС.
Применение присадочного материала при ЛС улучшает формирование сварного шва и повышает механические свойства сварных соединений (табл. 1). При этом прочность сварных соединений повышается на 7–20%, а ударная вязкость – на 7–30% в зависимости от марки сплава и состава присадочного материала. Оптимальное сочетание прочности и пластичности получено для сварных соединений сплава В-1469 с присадкой Св-1201 и для сварных соединений сплава В-1461 с присадкой Св-1217.
Таблица 1
Механические характеристики сварных соединений сплавов
В-1461 и В-1469
Сплав |
Присадочный материал |
σв, МПа |
KCU, кДж/м2 |
α, град |
В-1461 |
Св-1201 |
315 |
105 |
35 |
Св-1217 |
335 |
105 |
35 |
|
Без присадки |
275 |
80 |
35 |
|
В-1469 |
Св-1201 |
340 |
170 |
65 |
Св-1217 |
350 |
140 |
55 |
|
Без присадки |
335 |
150 |
55 |
Для микроструктур сварных швов сплавов системы Al–Cu характерно наличие хрупких интерметаллидных ободков по границам зерен или дендритных ветвей, что обуславливает пониженную пластичность. Особенно это касается высоколегированных высокопрочных сплавов, к которым относятся сплавы В-1461 и В-1469.
Полученные значения механических свойств в значительной степени связаны со структурой сварных соединений. В связи с этим исследовано влияние состава присадочного материала на структурные особенности сварных соединений сплавов (рис. 1).
Структура сварного шва при ЛС характеризуется повышенной неоднородностью и резко отличается в центре шва и периферийной зоне (рис. 1, а, в, д). В переходной зоне при кристаллизации формируются последовательно чередующиеся мелкие равноосные и столбчатые кристаллы (рис. 1, б, г, е). Присутствует мелкая и более крупная субдендритная структура с размером зерна от 5 до 180 мкм. Зона структурных изменений основного металла после сварки весьма незначительна и составляет не более 100 мкм. Происходит резкий переход от структуры литой зоны к структуре основного металла.
Рис. 1. Микроструктура сварных соединений сплава В-1461 без присадки (а, б), с присадкой Св-1201 (в, г) и Св-1217 (д, е)
Высокие скорости охлаждения при ЛС приводят к неравновесным условиям кристаллизации, при которых возможно образование микрорыхлот (оплавлений по границам зерен) глубиной до 1 мкм. Наличие таких дефектов в сварном шве, особенно вблизи зоны сплавления, может привести к снижению механических характеристик [15].
Следует отметить, что при аргоно-дуговой сварке алюминий-литиевых сплавов подобные дефекты практически полностью отсутствуют, следовательно, их появление связано с наличием больших скоростей кристаллизации, типичных для процесса ЛС.
Влияние подобных дефектов на механические свойства сварных соединений можно проследить по результатам фрактографических исследований образцов после испытаний на ударный изгиб (KCU). В изломах образцов, полученных ЛС без присадочного материала, присутствуют вторичные трещины, развивающиеся по участку с рыхлотой (рис. 2 и 3). Разрушение образцов проходило преимущественно внутризеренно с формированием ямочного рельефа с различным размером ямок. В изломах образцов из сплава В-1461 при снижении значений KCU со 111 (сварка с присадкой Св-1201) до 74 кДж/м2 (сварка без присадки) присутствуют мелкие поры и рыхлоты, по которым при испытании развиваются вторичные трещины. При ЛС с присадочным материалом Св-1217 количество таких дефектов значительно меньше, при ЛС с присадкой Св-1201 они практически отсутствуют. Для сварных соединений сплава В-1469 характерны более высокие значения KCU как в случае сварки с присадочным материалом (KCU=175 кДж/м2), так и при сварке без присадки (KCU=161 кДж/м2). Рыхлоты присутствуют только в сварных швах, выполненных без присадки.
Рис. 2. Рыхлота в изломе образцов из сплавов В-1461 (а) и В-1469 (б) при лазерной сварке без присадки
Рис. 3. Вторичные трещины в изломе образца из сплава В-1461
Таким образом, использование при ЛС присадочных материалов приводит к снижению вероятности образования вторичных трещин, хотя рыхлоты в отдельных образцах присутствуют. Наиболее вязкое строение изломов в образцах наблюдается при использовании присадочной проволоки марки Св-1201.
Проведены испытания сварных соединений на стойкость к расслаивающей и межкристаллитной коррозии (табл. 2).
Таблица 2
Результаты испытаний сварных соединений на стойкость к расслаивающей (РСК)
и межкристаллитной коррозии (МКК)
Присадочный материал |
Технологический вариант |
Склонность к РСК, балл |
Склонность к МКК, мм |
||||
основной металл |
околошов- ная зона |
сварной шов |
основной металл |
околошов- ная зона |
сварной шов |
||
Сплав В-1461-Т1 |
|||||||
Св-1201 |
ЛС |
4 |
3 |
3 |
Нет |
Нет |
0,06 |
ЛС+Т1 |
8 |
8 |
6 |
0,12 |
0,18 |
Нет |
|
Св-1217 |
ЛС |
4 |
3 |
3 |
Нет |
Нет |
0,06 |
ЛС+Т1 |
8 |
8 |
6 |
0,06 |
0,09 |
Нет |
|
Без присадки |
ЛС |
4 |
3 |
3 |
Нет |
Нет |
Нет |
Сплав В-1469-Т1 |
|||||||
Св-1201 |
ЛС |
5 |
4 |
3 |
0,12 |
Нет |
Нет |
ЛС+Т1 |
6 |
6 |
3 |
0,06 |
0,09 |
0,12 |
|
Св-1217 |
ЛС |
5 |
4 |
3 |
0,06 |
Нет |
Нет |
ЛС+Т1 |
7 |
7 |
4 |
0,12 |
0,12 |
0,09 |
|
Без присадки |
ЛС |
5 |
3 |
3 |
0,06 |
Нет |
Нет |
Анализ результатов показал, что для сварных соединений, выполненных ЛС без присадочного материала и с присадками Св-1201 и Св-1217, отсутствует склонность к РСК и МКК. Для сварных соединений, прошедших термическую обработку по режиму Т1, коррозионная стойкость несколько снижается.
Заключение
Применение при ЛС высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469 присадочных материалов на основе системы Al–Cu (Св-1201 и Св-1217) позволяет менять склонность к горячеломкости, структуру металла шва и переходной зоны, а также снижает вероятность образования дефектов типа рыхлоты по границам зерен, что в конечном итоге повышает комплекс механических свойств сварных соединений. Для сварных соединений, выполненных лазерной сваркой без присадочного материала и с присадками Св-1201 и Св-1217, склонность к РСК и МКК отсутствует.
2. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Оспенникова О.Г. Перспективные алюминиевые сплавы и технологии их соединения для изделий авиакосмической техники // Тез. докл. 2-й Междунар. конф. и выст. «Алюминий–21. Сварка и пайка». 2012. С. 8.
3. Антипов В.В. Стратегия развития титановых, магниевых, бериллиевых и алюминиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 157–167.
4. Грушко О.Е., Овсянников Б.В., Овчинников В.В. Алюминиево-литиевые сплавы: металлургия, сварка, металловедение. М.: Наука, 2014. 296 с.
5. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Жегина И.П. и др. Особенности и перспективы сварки алюминий-литиевых сплавов // Авиационные материалы и технологии. М.: ВИАМ, 2002. Вып.: Технология производства авиационных металлических материалов. С. 3–12.
6. Каблов Е.Н., Лукин В.И., Оспенникова О.Г. Сварка и пайка в авиакосмической промышленности // Сварка и безопасность: Матер. Всерос. науч.-практич. конф. 2012. Т. 1. С. 21–30.
7. Лукин В.И., Оспенникова О.Г., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Сварка алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности // Сварка и диагностика. 2013. №2. С. 47–52.
8. Шиганов И.Н., Холопов А.А., Трушников А.В. и др. Лазерная сварка высокопрочных алюминий-литиевых сплавов с присадочной проволокой // Сварочное производство. 2016. №6. С. 44–50.
9. Lukin V.I., Shalin R.E., Efremov I.S., Yarovinskii Yu.U. Design and fabrication of large structures of aluminium-lithium alloys for aerospace technology // Welding International. 1997. V. 11. №5. P. 387–392.
10. Шиганов И.Н., Шахов С.В., Холопов А.А. Лазерная сварка алюминиевых сплавов авиационного назначения // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2012. №5. С. 34–50.
11. Хохлатова Л.Б., Блинков В.В., Кондратюк Д.И., Рябова Е.Н., Колесенкова О.К. Структура и свойства сварных соединений листов из сплавов 1424 и В-1461, изготовленных лазерной сваркой // Авиационные материалы и технологии. 2015. №4 (37). С. 9–13. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-9-13.
12. Milewski J.O., Lewis O.K., Wittig J.E. Microstructural Evaluation of Low and High Duty Cycle Nd:YAG Laser Beam Welds in 2024-T3 aluminum // Welding Journal. 1993. V. 72. №7. P. 341–346.
13. Лукин В.И., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д., Скупов А.А. Влияние термической обработки на характеристики сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2015. №4. Ст. 06. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.07.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-4-6-6.
14. Аннин Б.Д., Фомин В.М., Антипов В.В., Иода Е.Н., Карпов Е.В., Маликов А.Г., Оришич А.М., Черепанов А.Н. Исследование технологии лазерной сварки алюминиевого сплава 1424 // Доклады Академии наук, 2015. Т. 465. №4. С. 1–6.
15. Морозова Л.В., Исходжанова И.В. Исследование закономерностей изменения рельефа поверхности образцов из алюминий-литиевых сплавов методом лазерной микроскопии // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. журн. 2014. №10. Ст. 08. URL: http://www.viam-works.ru (дата обращения: 07.07.2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-10-8-8.
2. Kablov E.N., Lukin V.I., Ospennikova O.G. Perspektivnye alyuminievye splavy i tehnologii ih soedineniya dlya izdelij aviakosmicheskoj tehniki [Perspective aluminum alloys and technologies of their connection for products of aerospace equipment] // Tez. dokl. 2-j Mezhdunar. konf. i vyst. «Alyuminij–21. Svarka i pajka». 2012. S. 8.
3. Antipov V.V. Strategiya razvitiya titanovyh, magnievyh, berillievyh i alyuminievyh splavov [Strategy of development of titanium, magnesium, beryllium and aluminum alloys] //Aviacionnye materialy i tehnologii. 2012. №S. S. 157–167.
4. Grushko O.E., Ovsyannikov B.V., Ovchinnikov V.V. Alyuminievo-litievye splavy: metallurgiya, svarka, metallovedenie [Aluminum-lithium alloys: metallurgy, welding, metallurgical science]. M.: Nauka, 2014. 296 s.
5. Kablov E.N., Lukin V.I., Zhegina I.P. i dr. Osobennosti i perspektivy svarki alyuminij-litievyh splavov [Features and welding perspectives aluminum-lithium alloys] // Aviacionnye materialy i tehnologii. M.: VIAM, 2002. Vyp.: Tehnologiya proizvodstva aviacionnyh metallicheskih materialov. S. 3–12.
6. Kablov E.N., Lukin V.I., Ospennikova O.G. Svarka i pajka v aviakosmicheskoj promyshlennosti [Welding and the soldering in the aerospace industry] // Svarka i bezopasnost: Mater. Vseros. nauch.-praktich. konf. 2012. T. 1. S. 21–30.
7. Lukin V.I., Ospennikova O.G., Ioda E.N., Panteleev M.D. Svarka alyuminievyh splavov v aviakosmicheskoj promyshlennosti [Welding of aluminum alloys in the aerospace industry] // Svarka i diagnostika. 2013. №2. S. 47–52.
8. Shiganov I.N., Holopov A.A., Trushnikov A.V. i dr. Lazernaya svarka vysokoprochnyh alyuminij-litievyh splavov s prisadochnoj provolokoj [Laser bonding high-strength aluminum-lithium alloys with filler wire] // Svarochnoe proizvodstvo. 2016. №6. S. 44–50.
9. Lukin V.I., Shalin R.E., Efremov I.S., Yarovinskii Yu.U. Design and fabrication of large structures of aluminium-lithium alloys for aerospace technology // Welding International. 1997. V. 11. №5. P. 387–392.
10. Shiganov I.N., Shahov S.V., Holopov A.A. Lazernaya svarka alyuminievyh splavov aviacionnogo naznacheniya [Laser bonding of aluminum alloys of aviation assignment] // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser.: Mashinostroenie. 2012. №5. S. 34–50.
11. Hohlatova L.B., Blinkov V.V., Kondratyuk D.I., Ryabova E.N., Kolesenkova O.K. Struktura i svojstva svarnyh soedinenij listov iz splavov 1424 i V-1461, izgotovlennyh lazernoj svarkoj [Structure and properties of welded joints of sheets from 1424 and V-1461 alloys made by laser welding] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №4 (37). S. 9–13. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-4-9-13.
12. Milewski J.O., Lewis O.K., Wittig J.E. Microstructural Evaluation of Low and High Duty Cycle Nd:YAG Laser Beam Welds in 2024-T3 aluminum // Welding Journal. 1993. V. 72. №7. P. 341–346.
13. Lukin V.I., Ioda E.N., Panteleev M.D., Skupov A.A. Vliyanie termicheskoj obrabotki na harakteristiki svarnyh soedinenij vysokoprochnyh alyuminijlitievyh splavov [Heat treatment influence on characteristics of welding joints of high-strength aluminum-lithium alloys] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2015. №4. St. 06. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 07, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2015-0-4-6-6.
14. Annin B.D., Fomin V.M., Antipov V.V., Ioda E.N., Karpov E.V., Malikov A.G., Orishich A.M., Cherepanov A.N. Issledovanie tehnologii lazernoj svarki alyuminievogo splava 1424 [Research of technology of laser bonding of aluminum alloy 1424] // Doklady Akademii nauk, 2015. T. 465. №4. S. 1–6.
15. Morozova L.V., Ishodzhanova I.V. Issledovanie zakonomernostej izmeneniya relefa poverhnosti obrazcov iz alyuminij-litievyh splavov metodom lazernoj mikroskopii [Research of patterns of change of a relief of a surface of samples from aluminumlithium alloys a method of laser microscopy] // Trudy VIAM: elektron. nauch.-tehnich. zhurn. 2014. №10. St. 08. Available at: http://www.viam-works.ru (accessed: July 07, 2016). DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-10-8-8.