Статьи

 




dx.doi.org/ 10.18577/2307-6046-2016-0-10-7-7
УДК 621.791.724
В. И. Лукин, Е. Н. Иода, М. Д. Пантелеев, А. А. Скупов
ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ АЛЮМИНИЙ-ЛИТИЕВЫХ СПЛАВОВ

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 AlCu (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») 

Ключевые слова: лазерная сварка, алюминий-литиевые сплавы, механические свойства, термическая обработка, фрактографические исследования, металлографические исследования, laser welding, aluminum-lithium alloys welding, mechanical properties, heat treatment, fractographic research, metallographic research.

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.


ЛИТЕРАТУРА REFERENCE LIST
1. Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. 2015. №1 (34). С. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33
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.
1. Kablov E.N. Innovacionnye razrabotki FGUP «VIAM» GNC RF po realizacii «Strategicheskih napravlenij razvitiya materialov i tehnologij ih pererabotki na period do 2030 goda» [Innovative developments of FSUE «VIAM» SSC of RF on realization of «Strategic directions of the development of materials and technologies of their processing for the period until 2030»] // Aviacionnye materialy i tehnologii. 2015. №1 (34). S. 3–33. DOI: 10.18577/2071-9140-2015-0-1-3-33.
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.
Вы можете оставить комментарий к статье. Для этого необходимо зарегистрироваться на сайте.