Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Разработка метода модифицирования сварного шва скандием, при лазерной сварке сплавов системы Al-Cu-Li И Al-Mg-Li
13 марта 2018             

Автор: А.Г. МАЛИКОВ, канд. техн. наук, с.н.с.( ИТПМ СО РАН, г. Новосибирск) Маликов А.Г. - 630090, Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, e-mail: smalik@ngs.ru
 

Введение

 
При создании авиационно-космической техники применяются современные высокопрочные Al-Li сплавы [1]. Применение Li позволяет уменьшить удельную массу алюминиевых сплавов. Высокими механическими характеристиками обладают
термоупрочняемые сплавы системы Al-Cu-Li, сплавы системы Al-Mg-Li, обладают средней прочностью и являются сверхлёгкими [1-3].
 
В настоящее время производятся детальные исследования как свойств этих сплавов [4-5], так и возможности создания различных методов получения неразъемных соединений, исследуются перспективы сварки трением с перемешиванием, аргонодуговой сварки, лазерной сварки [6-13] с прочностью, близкой к прочности основного материала. Анализ результатов по лазерной сварке сплавов системы Al-Cu-Li и Al-Mg-Li показал, что относительная прочность сварных соединений алюминиевых сплавов составляют k=0,75-0,85 от прочности основного материала в зависимости от системы легирования и технологии подготовки поверхности [6], без дополнительной обработки сварного соединения. Для повышения прочностных характеристик сварных соединений сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Mg-Li необходимо проводить дополнительную механическую и термическую обработку шва. Так, в работах [11] исследовано влияние различных видов деформирования сварного соединения на его прочность. Показано, что для алюминиевого сплава 1424 (системы Al-Mg-Li) прочность сварного соединения после деформационной обработки составила 0,95 прочности основного сплава. В работе [9] проведены комплексные экспериментальные исследования механических свойств лазерной сварки алюминиево-литиевого сплава (системы Al-Cu-Li) В-1469. Установлено, что применение термообработки (отжиг, закалка и искусственное старение) позволяет получить прочность сварного соединения 0,85 от прочности основного сплава в состоянии поставки Т1. Дополнительная пост обработка сварного шва приводит к увеличению времени и усложнению технологического процесса изготовления деталей из алюминиевых сплавов.

В последние годы вызывает большой интерес по модифицированию сварных соединений нанодисперсными тугоплавкими частицами, редкоземельными химическими элементами, различными по составу присадочными проволоками [10, 12-14] с целью изменение химического состава и управление микроструктурой сварного шва и повышению прочностных свойств. Использование редкоземельных элементов является наиболее перспективными в модифицировании сварного шва.
 
Редкоземельный элемент скандий (Sc) оказывает значительное влияние на изменения механических свойств алюминия. Упрочняющее действие скандия объясняется его большой способностью пересыщать твердый раствор алюминия при кристаллизации сплава. Высокая эффективность модифицирующего действия Sc объясняется размерно-структурным соответствием кристаллической решетке алюминия и первичных частиц Al3Sc, которые образуются в пред кристаллизационный период и служат зародышами зерен алюминиевого твердого раствора [15]. Известно, что Sc в качестве легирующего элемента, при создании лигатуры алюминиевых сплавов повышает прочностные характеристики для Al-Mg сплавов и Al-Cu сплавов [16]. Наличие Sc в Al-Mg сплаве заметно уменьшает растворимость магния в алюминии. Исследование структуры слитков при литье Al-Сu сплавов показало, что добавки скандия сильно измельчают зерно и повышают прочность сплава. Целью данной работы является разработка метода модифицирование шва редкоземельным элементом Sc при лазерной сварке сплавов системы Al-Cu-Li и Al -Mg-Li. Изучение макро и микроструктуры сварного шва.
 

Материалы и методика эксперимента

 
В работе использовались высокопрочные промышленные авиационные алюминиевые сплавы (производство ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод») системы Al-Mg-Li сплав 1420 и Al-Cu-Li сплав 1441. Химический состав (%, масса) сплавов 1420 и 1441 приведен в таблице 1. 
Таблица 1
Химический состав алюминиевых сплавов
 
Наименование сплава Cu Mg Li Zn Zr Mn Ti
Al-Mg-Li(1420)   5,8-6,2 1,8-2,2 0.05  0,01 0,1-0,25  
Al-Cu-Li(1441) 1,6-1,9 0.7-1,1 1,7-2,0
0.26 0.04 0.07
 
 
Лазерная сварка (ЛС) алюминиевых сплавов толщиной 1,4 мм осуществлялась на АЛТК "Сибирь-1", включающем непрерывный СО2-лазер с мощностью до 8 кВт, разработанный в ИТПМ СО РАН. Лазерное излучение фокусировалось на поверхности сплава с помощью ZnSe-линзы с фокусным расстоянием 254 мм. Для защиты сварного шва и корня использовался инертный газ гелий. Макро- и микроструктура сварных швов исследованы на оптическом микроскопе Olympus LEXT OLS3000.


Результаты экспериментов и обсуждение

 
На первоначальном этапе для выбранных алюминиевые сплавы системы Al-Mg-Li (1420) и Al-Cu-Li (1441) производилась оптимизация процесса ЛС по энергетическим параметрам: мощность лазерного излучения, положение фокального пятна лазерного излучения относительно поверхности заготовки скорость сварки, для получения без внешних дефектов в виде трещин, не проваров, подрезов сварных соединений.
 

В результате были найдены оптимальные энергетические параметры лазерного воздействия для получения без внешних дефектов сварных соединений. Оптимальные параметры без внешних дефектов в виде трещин, не проваров, подрезов сварных соединений ЛС составили для сплава системы Al-Mg-Li (1420) мощность излучения W = 3 кВт, сплав системы Al-Cu-Li (1441) W = 3 кВт, скорость сварки V = 4 м/мин и заглубление фокуса от верхней границы листа -3 мм для обеих систем.

На оптимальных режимах ЛС была изучена макроструктура сварных соединений двух систем Al-Mg-Li и Al-Cu-Li. Были измерены ширины шва сверху и снизу так же были изготовлены шлифы для расчета площади и объема сварного соединения.

Разработка технологии подготовки и активации частиц скандия для нанесения на алюминиевые сплавы перед процессом сварки. Для оптимизации технологии нанесения была выбрана фракция порошка Sc 40-80 мкм. Далее происходила активация и дробление частиц Sc в планетарной мельнице АГО-2, время активации, составило 60 с. На рис. 1 представлены частицы Sc (увеличение 10X) серебристого цвета с жёлтым отливом, до активации и после. Произошло дробление крупных частиц.
 
Разработка метода модифицирования сварного шва скандием, при лазерной сварке сплавов системы  Al-Cu-Li И Al-Mg-Li Разработка метода модифицирования сварного шва скандием, при лазерной сварке сплавов системы  Al-Cu-Li И Al-Mg-Li
Рис. 1. Фотография частиц Sc: а) до активации; б) после активации
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Технологии нанесения частиц Sc на алюминиевые сплавы, осуществлялся методом аддитивности. Sc наносился на поверхность с помощью изготовленного, жесткого калибра с прорезью, толщиной 100 мкм, материал нержавеющей сталь. Масса нанесения составляла ≈0,6-0,8% от массы сварного шва. Частицы Sc разравнивались с помощью титановой
пластинки по поверхности сплавов. Практически делался моно слой. Закрепление частиц осуществлялось с помощью слабого раствора БФ-6 на бутаноле. Образец с закрепленными частицами Sc незначительно нагревался для испарения спирта.

Далее осуществлялся процесс сварки на раннее найденных оптимальных режимах без Sc, при мощности излучения 3 кВт и скорости сварки 4 м/мин. на данном режиме ЛС произошло интенсивное кипение и разрушение сварного шва. Для предотвращения разрушения сварного шва мощность излучения уменьшили. Процесс ЛС далее осуществлялся при мощностях 1,6; 2; 2,4 кВт, и скорости сварки 4м/мин. С ростом мощности в сварном шве наблюдается крупные поры, приводящие к охрупчиванию сварного шва. На мощности 1,6 кВт наблюдается не провар. Оптимальная мощность без разрушения сварного шва и отсутствие не провара составило 2 кВт, при этом наблюдалась пористость. Было сделано предположение, что скорость процесса высока. Частицы Sc не успевают про взаимодействовать с другими элементами и не происходит равномерного перемешивания Sc в сварном шве. При выбранной мощности 2 кВт, скорость процесса лазерной сварки уменьшили в 2 раза. Стоит заметить, что скорость ЛС 4 м/мин для образцов без Sc является оптимальной, при более низких скоростях сварной шов не качественный. В результате уменьшения скорости сварки в 2 раза получили без внешних дефектов сварной шов.
 

На данном режиме ЛС сравнили микро и макроструктуры сварного шва со Sc и без Sc. Применение Sc повлияло на макроструктуру сварного шва, исчезла чешуйчатость характерная для классической лазерной сварки.
 
На рис. 2 представлены микроструктуры поперечных шлифов сварных швов без Sc и с Sc, на оптимальных режимах процесса лазерной сварки.
 
Разработка метода модифицирования сварного шва скандием, при лазерной сварке сплавов системы  Al-Cu-Li И Al-Mg-Li Разработка метода модифицирования сварного шва скандием, при лазерной сварке сплавов системы  Al-Cu-Li И Al-Mg-Li
Рис. 2. Фотография поперечного шлифа сварного шва и основного сплава без Sc и с Sc: а) система Al-Mg-Li, сплав 1420; б) система Al-Cu-Li,сплав 1441.
 
Как видно из рис. 2, на оптимальном режиме ЛС, Sc повлиял на микроструктуру сварного шва, особенно для системы Al-Cu-Li сплав (1441).
 

Выводы

 
Разработана методика применения скандия в сварных соединениях и получены сварные соединения без дефектов. Изучено влияния скандия на структуру сварных соединений. Результаты проведенных экспериментов показали, что применения скандия в процессе лазерной сварки, изменяет микро и макроструктуру сварного соединения, особенно
для системы Al-Cu-Li.

Список литературы

1. Rioja R.J., Liu J. The evolution of Al-Li base products for aerospace and space applications // Metallurgical and Materials Transactions A. - 2012. - Vol. 43. - P. 3325-3337.
2. High-strength structural silver-alloyed underdensity Al-Cu-Li-Mg alloy / I. Fridlyander, O. Grushko, V. Shamrai, G. Klochkov // Metal Science and Heat Treatment. - 2007. - Vol. 49. - P.279-283.
3. Thermally stable aluminum-lithium alloy 1424 for application in welded fuselage / I. Fridlyander, L. Khokhlatova, N. Kolobnev, K. Rendiks, G. Tempus // Metal Science and Heat Treatment. - 2002. - Vol. 44. - P. 3-8.
4. Ber L.B., Teleshov V.V., Ukolova O.G. Phase composition and mechanical properties of wrought aluminum alloys of the system Al-Cu-Mg-Ag-Xi // Metal Science and Heat Treatment. - 2008. - Vol. 50. - P. 220-227.
5. Gazizov M., Kaibyshev R. Effect of pre-straining on the aging behavior and mechanical properties of an Al-Cu-Mg-Ag alloy // Materials Science & Engineering. - 2015. - Vol. 625. - P.119-130.
6. Olatunji O.O., Taban E. Trend and innovations in laser beam welding of wrought aluminum alloys // Welding in the World. - 2016. - Vol. 60. - P. 415-457.
7. Fatigue lifetime and tearing resistance of AA2198 Al-Cu-Li alloy friction stir welds: effect of defects / T. Le Jolu, T.F. Morgeneyer, A. Denquin, A.F. Gourgues-Lorenzon // International Journal of Fatigue. - 2015. - Vol. 70. - P. 463-472.
8. Drits A.M., Ovchinnikov V.V. Weldability and properties of welds of high-strength aluminum alloys of the Al-Cu-Li system // Metal Science and Heat Treatment. - 2012. - Vol. 53. - P. 445-449.
9. Комплексное исследование лазерной сварки высокопрочного сплава В-1469 / Б.Д. Аннин, В.М. Фомин, Е.В. Карпов, А.Г. Маликов, А.М. Оришич // Авиационные материалы и технологии. - 2016. - № 3. - С. 9-16.
10. Zhang X., Yang W., Xiao R. Microstructure and mechanical properties of laser beam welded Al-Li alloy 2060 with Al-Mg filler wire // Materials and Design. - 2015. - Vol. 88. - P. 446-450.
11. Исследование технологии лазерной сварки алюминиевого сплава 1424 / Б.Д. Аннин, В.М. Фомин, В.В. Антипов, Е.Н. Иода, Е.В. Карпов, А.Г. Маликов, А.М. Оришич, А.Н. Черепанов // Доклады Академии наук. - 2015. - Т. 465. - С. 419-424.
12. Влияние добавок скандия на свариваемость сплавов системы Al-Mg / В.И. Лукин, А.А. Скупов, М.Д. Пантелеев, Е.Н. Иода // Сварка и диагностика. - 2016. - №1. - С. 3-5.
13. Скупов А.А., Иода Е.Н., Пантелеев М.Д. Новые присадочные материалы для сварки высокопрочных алюминий-литиевых сплавов // Труды ВИАМ. - 2016. - № 9. - С. 30-37.
14. Наномодифицирование сварных соединений при лазерной сварке металлов и сплавов / А.М. Оришич, А.Н. Черепанов, В.П. Шапеев, Н.Б. Пугачева. - Новосибирск:Сибирское научное издание, 2014. - 229 с.
15. The scandium effect in multicomponent alloys / S. Riva, K.V. Yusenko, N.P. Lavery, D.J. Jarvis, S.G.R. Brown // International Materials Reviews. - 2016. - Vol. 61. - P. 203-228.
16. Легкие и жаропрочные сплавы и их обработка: к 80-летию со дня рождения А.Ф. Белова. - М.: Наука, 1986. - 304 с.
 
Опубликовано в Актуальные проблемы в машиностроении. Том 4. № 1. 2017 Инновационные технологии в машиностроении

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru