автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка метода повышения свариваемости AL-MG-LI сплавов путем регулирования технологической прочности металла околошовной зоны

р Г 5 ОД

На правах .рукописи

1 3 Г.1Д11 1лП7

НАСТИЧ Сергей Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ СВАРИВАЕМОСТИ АЫЛМЛ СПЛАВОВ ПУТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ МЕТАЛЛА ОКОЛОШОВНОЙ ЗОНЫ

Специальность 05.03.06. - Технология и машины сварочного

производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени Кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э.Баумана и Всероссийском институте авиационных материалов

кандидат технических наук, доцент ЯКУШИН Б.Ф. кандидат технических наук, с.н.с. ЛУКИН В.И.

доктор технических наук, профессор БАДЬЯНОВ Б.Н., кандидат технических наук, доцент МИСЮРОВ А.И.

НПО им. Лавочкина

Зашита диссертации состоится "/«£"*' МйХ 1997 г. в (0_ часов на заседании диссертационного совета К 053.16.03 в Московской государственном техническом университете имени Н.З.Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваш отзыв на автореферат в 1 экз., заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им.Н.Э.Баумана.

Телефон для справок 267-09-63 ^

Автореферат разослан " 1997 г.

Гирш В.И.

Научный руководитель -Научный консультант -

Официальные оппоненты: Ведущее предприятие -

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА }?.т.н., доцент

Подписано к печати ^ / СЗ . /9У/Х ,

Тип. МГТУ

Тираж 10(3 экз.

Объем 1 п.л.

Заказ N

ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Сверхлегкие высокопрочные термоуп-рочняемые алюминиевые сплавы системы А1-М^-1Л типа 1420 являются перспективным конструкционным материалом для изделий авиа-космической техншш, поскольку они обладают повышенными удельными характеристиками прочности и упругости по сравнен™ с- деформируемыми алюминиевыми сплавами системы А1-Мг. Сварные конструкции этого типа относятся к изделиям ответственного назначения, что обуславливает высокие требования к надежности сварных соединений. Однако при введен™ (1,8-2,3 X) усложняется химический и фазовый состав сплавов и наблюдается снижение их свариваемости, проявляющееся в увеличении склонности к горячим трещинам.

. При сварке полуфабрикатов из сплавов типа 1420, полученных деформированием, наиболее вероятным видом дефектов являются горячие трешины в околошовной зоне (ОИЗ) и по зоне сплавления, исправление этих дефектов наиболее трудоемко, а технологические И металлургические способы их предотвращения весьма ограничены. По современным представлениям, сопротивляемость А1-Мд-1Л сплавов горячим трещинам в 011В и по зоне сплавления определяется нерегулируемыми при сварке химическим составом и структурой полуфабрикатов.

Особенностью полуфабрикатов из АЬМд-И сплавов, вызывающей повышенный риск образования горячих трещин, является наличие значительной межкристаллитной ликванионной неоднородности по М? и 1Л, Формирующейся при затвердевании и при горячей пластической деформации, уровень которой различен в отдельных участках кованых, прессованных и штампованных полуфабрикатов.

Для обеспечения свариваемости полуфабрикатов из А1-М£-1Л сплавов необходимы количественные сведения о комплексе показателей свариваемости при изменении степени ликвационной неоднородности полуфабрикатов по Мд и 1Л, состоящем из показателей сплошности и прочности сварных соединений.

Дель работы.. Повышение свариваемости А1-Мд-Ь1 сплавов путем снижения уровня ликвационной неоднородности в зоне сварки и учета исходной структуры полуфабрикатов.

Методы исследования. Варьирование уровня ликвационной неоднородности осуществлялось путем применения в исследованиях свариваемости модельных сплавов, в которых изменялось содержание

магния (2,8-6,«), лития (1,35-3,20%) и скандия (0-0,19%). Сопротивляемость образованию горячих трещин в 0I1B определялась показателями "Температура нижней границы температурного интервала хрупкости"(Тнгтих) и "Критический темп деформации "(ВКр), полученными путем моделирования термо-деформационного цикла сварки злектроконтактным нагревом, а также показателем "Критическая скорость растяжения"(VKP), измеряемым по ГОСТ 26 389-84 (растяжение металла шва в процессе кристаллизации). Температура измерялась при помощи зачеканенной в шейку образца термопары хромель- алюме ль диаметром 0,2 мм и фиксировалась прибором КСП-4 и микропроцессорной АСУ машины МИС-1М. Темп деформации оценивался по абсолютному удлинению в связи с наличием тепловой и механической неоднородности образцов при сварке и при имитационном нагреве. Статистическая обработка данных проведена по методу наименьших квадратов. Испытания на малоцикловую усталость при знакопостоянной растягивающей нагрузке с отношением Ртах/РпигНЭ.З) и прочность при статическом растяжении проводились на испытательной машине EUS-100 (Германия). Коррозионная стойкость оценивалась по времени до разрушения При выдержке под растягивающими напряжениями в коррозионной среде (ЗХМаС1+0,1%СНзС00Н+0,1%СНзС0-ONa). Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе "Versamet-2 UNION 7455" фирмы "Melrltsu Selkl"(Hno-ния). При этом оеренное строение металла выявлялось с помощью цветного травления (анодное оксидирование в электролите бо-ро-фтористой кислоты, травление НС1 или концентрированной НзР04). .

Научная новизна. В результате проведенных комплексных исследований свариваемости Al-Mg-Li модельных сплавов типа 1420, содержащих 1,35-3,20% L1 и 2,8-6,4% Mg и свариваемых аргоно-ду-говой сваркой неплавящимся электродом с . присадочным металлом согласно технологическим рекомендациям НИАТ и ВИАМ, установлено, что:

- повышение содержания L1 > 2% при Б,5-6.5% Mg приводит к формированию на границах зерен ликвационных полос из s-фазы (А1гМгШ, что вдвое уменьшает сопротивляемость горячим трещинам в ОШЗ для зон ликвационной неоднородности горячедеформированных полуфабрикатов (штамповок и поковок) по сравнению с тонколистовым прокатом того же сплава в связи с расширением температурного 2

интервала хрупкости (ТИХ) до температур 525-530°С;

- сечения поверхностей ВКР=Г([ХМ?], [%Ш) и Тнгтих* С СЖМйЗ , С%Ш) плоскостями постоянных концентраций Мг и

представляют собой нисходящие части парабол;

- существует пропорциональная связь между прочностью в СИЗ и запасом деформационной способности металла ОШЗ в ТИХ, проявляющаяся в снижении прочности сварного соединения при частичном исчерпании пластичности металла в ТИХ, вызываемом повышенной ликвацией (при содержании Мг>б,0% и Ь1>2,0%) или интенсивным развитием сварочных деформаций.

Практическая ценность работы:

- создано лабораторное компьютеризированное оборудование для испытаний на свариваемость металла ОШЗ по методике имитации сварочного цикла:

- получены количественные зависимости сопротивляемости горячим трещинам в СИВ от степени ликвационной неоднородности полуфабрикатов, обусловленной изменением содержания 1Л и Ме;

- установлена зависимость механических свойств сварных соединений из Л1-Ми~!Л сплавов от степени исчерпания деформационной способности в температурном интервале хрупкости;

- разработаны рекомендации по повышению надежности и свариваемости конструкций из горячедеформированных полуфабрикатов А1-Мг-1Л сплавов путем регулирования химического состава и исходной структуры сплавов.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на российской научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники "Сварка-95"" проводимой ПГТУ в г.Пермь и на заседании кафедры "Машины и автоматизация сварочных процессов" МГТУ им.Н1Э.Баумана 12.05.1995.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов по работе и приложений. Выполнена на 117 машинописных листах, содержит 53 рисунка, 16 таблиц и 112 наименований использованных литературных источников.

. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Глава 1. Посвящена анализу проблем, возникающих при сварке несущих конструкций типа баков-отсеков из полуфабрикатов А1-Мя-1Л сплавов типа 1420 (содержащих 4,6-6,0% Мг и 1,9-2,3*

Li). Рассмотрены характеристики сплавов, особенности структурного строения полуфабрикатов, а также вероятные причины и механизм образования горячих трещин по зоне сплавления и в ОШЗ сварных соединений AL-Mg-Li сплавов. Показана необходимость оценки влияния ликвационной неоднородности и исходной структуры полуфабрикатов на сопротивляемость образованию горячих трещин в ОШЗ и по зоне сплавления. .

Применение несущ« штампа-сварных конструкций из сверхлегких высокопрочных Al-Mg-Li сплавов типа 1420 позволило повысить характеристики авиа-космической техники. Однако, это вызвало проблему появления дефектов типа горячих трещин в 0UB. Они вызывают наибольшие трудности при сварке, в том числе при исправлений дефектов из-за недопустимости многократных подварок.

Проблеме повышения свариваемости Al-Mg-Ll сплавов посвящены работы Денисова Б.С., Илюшенко Р.В., Ищенко А.Я., Лукина В.И., Овчинникова В.В, Патона Б.Е., Рязанцева В.И., Фридляндера И.Н., C.E.Cross, J.R.Pickéns, E.W.Lee, J.J.Witters и др., в которых определены составы сплавов и технология их сварки, позволяющие предотвратить поры и горячие трещины. В этих работах не определены количественные показатели механических свойств в ТИХ, что затрудняет идентификацию возникающих горячих трещин. Поскольку сопротивляемость горячим трещинам основного металла определяется металлургическими факторами, т.е. химическим составом и структурой полуфабрикатов, то при случайном образовании горячих трещин в 0UB правомерно назвать ряд причин: непостоянство химического состава свариваемых заготовок из-за ликвационной неоднородности; окисление границ зерен; укрупнение зерен вследствие .аномалий горячего деформирования и рекристаллизации, в том числе при сварочном нагреве; увеличение темпа деформации в ТИХ вследствие затрудненной усадки.

Основной причиной горячих трещин в ОШЗ следует считать днкващюнную неоднородность, проявляющуюся в локальном повышении концентрации Mg и Li в отдельных зонах на границах зерен и обра- -зоваиии полос пнтерметаллидной з-фазы (Al¿MgLi). Возникновение ликвационной неоднородности возможно при литье, а ее усиление -при изготовлении полуфабрикатов деформированием, так как в зонах интенсивного течения и локального перегрева металла происходит обогащение границ зерен'атомами Li и Ме с образованием s-фазы. 4

При сварке концентрация Mg и И на границах зерэн повышается под действием термического цикла из-за процессов растворения d'-фазы (AI3LÍ) и дополнительного образования s-фазы, диффузии, контактного плавления между Интерметаллидами и твердым раствором. В условиях стесненной усадки на оплавленных границах черен образуются рыхлоты, являющиеся очагами горячих трещин.

Решение проблемы свариваемости полуфабрикатов Al-Mg-Li сплавов может быть достигнуто в результате комплексной оценки различных по!сазателей свариваемости, с помощью которых будет оп^ тимизирован химсостав свариваемого металла, даны рекомендации по снижению ликвационной неоднородности полуфабршсатов и ослаблению технологического наследования.

В диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Выбор метода испытаний и совершенствование оборудования для получения зависимостей количественных показателей сопротивляемости образованию горячих трещин от ликвационной неоднородности для основного металла и металла зоны сплавления.

2. Определение влияния химического состава металла шва и ОШЗ на показатели свариваемости.

3. Выявление степени влияния исходной структуры и фактора технологического наследования, т.е. суммарной поврежденности металла ОШЗ при сварке на прочность сварных конструкций.

4. Разработка рекомендаций по повышению технологической прочности при сварке на надежность конструкций из Al-Mg-Lí сплавов типа 1420.

Глава 2. Посвящена выбору показателей сопротивляемости горячим трещинам и методик испытаний для получения этих показателей.

Для комплексной оценки свариваемости необходимо осуществить количественную оценку сопротивляемости металла шва и зоны термического влияния к образовании горячих трещин по показателям, физически связанными с образованием горячих трещин и характеристиками металла в ТИХ, 'а также обеспечить репродуктивность результатов и максимально возможную чувствительность.

В главе дана классификация методов испытаний, на горячие трещины, интенсивно развивающихся в различных странах и базирующихся на теории технологической прочности Прохорова И.Н. Рассмотрены показатели сопротивляемости горячим трешинач, представ-

5

ленные в работах Ноьикова И.И., Шоршорова М.Х., Черкышовой Т.А., Якушина Б.Ф., и'Пкеп К., бгап^оп Н. к др. Развивающиеся современные методы оценки сопротивляемости горячим трещинам разделяются на несколько групп: технологические, машинные, расчет-на-зксперименхальные и расчетно-статистические. Из-за отсутствия достаточной базы данных по сопротивляемости горячим трещинам по зоне' оплаьлешш и в С1£) сплавов типа-1420, для решения задач настоящего исследования выбран экспериментальный метод оценки, позволяющий накопить данные для расчетно-отатистической оценки.

Экспериментальные методы оценки делят на качественные и количественные. Б технологических методах испытаний используют естественное нагружение от усадки при сварке, а в машинных - наг-ружение внешними, силами с контролируемой динамикой. Преимущество машинных испытаний - количественные и репродуцируемые результаты, позволявшие сравнивать материалы друг с другом и получать функциональные зависимости.

При машинных испытаниях с использованием внешнего нагрулсе-ния необходимо произвести моделирование терыо-ыеханических пара-мэтров сварочного цикла, и целью упрощения выбрано точно дозируемое внешнее нагрумение, а неизбежное нагрумение образца от собственной усадки (закрепления) поддерживается малым по сравнению с уровнем внешнего нагрукения, что достигается особой формой образца, отдельным измерением деформации от температурной усадки и (или) системой управления оборудованы. Таким образом, можно отделить факторы структуры, металлургии от факторов нагружения, изучить и количественно измерить воздействие отдельных факторов.

При машинных испытаниях за критерий образования горячих трешин обычно принимали' критический темп деформации (ВКр), критическую деформацию и,-р) и суммарную (ТО.) или максимальную (МСЬ) длину трещин. Показатели, учитывающие длину трещин и применяемые в зарубежных методиках испытаний-изгибом, являются условными, так как не имеют физической связи с характеристиками металла в ТИХ. Поэтому, наиболее обоснованно применение критерия Вкр. Упрощенным вариайюм этого типа испытаний является определение критической скорости растяжения ('/¿р или Акр), при этом Невозможно сравнить показатели А1;р, полученные с разными термическими циклами сварки, т.к. при линейном задании темпа машинной деформации во времени накопленное значение цеформании в ТИХ 8а-г")

висит от времени пребывания в ней сварного шва.

Критический темп деформации, определяемой нрч нарастании перемещений по линейному закону в ТИХ, равен отношению критической величины перемещения кромок свариваемых элементов , п ТИХ к протяженности ТИХ. Показатель Вкр пригоден для сравнения сопротивляемости горячим трещинам независимо от условий испытаний" при его определении, поскольку он зависит только от пластичности металла и протяженности ТИХ.

В экспресс-методе испытаний выбрано определение показателя ВКр в режиме имитации в образцах термо-деформационных циклов сварки. Метод универсален и позволяет проводить количественную оценку -свариваемости металла шва и зоне термического влияния по всем показателям технологической и эксплуатационной прочности, регулировать в широких пределах силовой и тепловой факторы сварочного цикла в независимых соотношениях, воспроизводить циклы любых способов сварки в сочетании с промежуточной термообработкой. Отмечается сокращение затрат времени, труда и материалов.

В настоящей работе впервые для оценки сопротивляемости горячим трещинам металла ОШЗ алюминиевых сплавов применен показатель ВКр наряду с дополнительным показателем Тнгтих- Это стало возможным благодаря использованию нового компьютеризированного оборудования, воспроизводящего термические циклы металла ОШЗ с точностью ± 1...3°С, поскольку у сплавов со сложным фазовым составом температура плавления интерметаоидных фаз ниже температуры солидуса матрицы и сильно зависит от колебаний химического состава сплавов.

Первой особенностью применяемой методики является схема нагружения растяжением, которая позволяет определять прочность испытуемого металла, в отличие от' нагружения изгибом, применяемого в зарубежных методиках Тгагт8гез(;га1п1, Уагеэ^а^Ь, МУТ и др. Вторая особенность методики состоит в комбинации двух испытаний: растяжение образца при имитации термо-деформационного цикла сварки й растяжение кристаллизующегося сварного соединения . (МВТУ-ЛГО-1). Это позволило оценить прочность сопряженных зон в ТИХ, т.е. определить свариваемость соединения как в целом, так и отдельных его зон (шва,' ' зоны сплавления и 0123) и исследовать свойства одного образца в условиях суммирования пластической деформации при различных температурах, т.е. в условиях технологи-

чесжого наследования.

Глава 3L Посвящена исследованию влияния ликвационной неоднородности металла сплавов на сопротивляемость образованию горячих трещин.

Влиянию ликвационной неоднородности и повреждениости кристаллического строения полуфабрикатов на свойства Al-Mg-Li сплавов ncKjiausgHu работы Лукина В.И., ГрушкоО.Е., Денисова B.C., однако в них не содержатся данные по количественной оценке свариваемости сплавов с зонами повышенного содержания Mg и Li.

Химический состав свариваемого сплава является решающим фактором сопротивляемости образованию горячих трещин в ОШЗ и по зоне сплавления, так как эти боны не подвергаются металлургическому воздействию через присадочную проволоку, а разрушение как правило идет по зоне сплавления и основному металлу.

Для оценки связи ликвационной неоднородности с показателями свариваемости необходимо выявить одиночное и совместное влияние Li и Mg на эти показатели в сплавах без So и со Sc при содержании легирующих и примесных элементов (Zr, Si, Са, Na, Fe) в определенных паспортом сплава 1420 пределах. Это было выполнено путем изготовления и испытаний на свариваемость комплекта модельных сплавов, химический состав которых имел варьирование в пределах 2,8-6,47. Иг и 1,35-3,20% Li для воспроизведения дисперсии химического состава полуфабрикатов при ликвации Mg и Li.

При исследовании сопротивляемости образованию горячих трещин сложнолегированных сплавов важно знать температурные, интервалы хрупкости и кристаллизации сплавов и проводить испытания в зтиу. интервалах. Интервалы кристаллизации определяли с помощью дифференциального термического анализа по методике института им. Байкова. Установлено, что повышение содержания Mg и Li приводит к увеличению объема легкоплавких интерметаллидных фаз и их эв~ тектик с твердым раствором, которое понижает температуру равновесного солидуса с 544 до 510°С при изменении Li от 1,35 до 3,2%, a Mg от 2,В до 6,4%. Эффективный интервал кристаллизации и ТИХ расширяются, и повышаете:« вероятность образования горячих трещин в ОШЗ.

Испытания на определение температуры, нижней границы ТИХ СГнгтих) для выявления протяженности ТИХ проводились на образцах размером 1В0.ч19х2,2 мм с шейютй. Эксперимент проводили на Новой

В . ' ' -

испытательной машине МИС-1М, оборудоьаыюи АСУ от встроенного микропроцессорачто позволило выдерживать один термический цикл для всех образцов партии с точностью ¿1...3°С. Нагрев образцов осуществлялся проходящим через них электрическим током.

Для определения Тщ-тих образцы из основного металла предварительно переводили в структурное состояние металла ОШЗ вблизи линии сплавления путем имитации термического цикла сварки, рассчитанного по программе на ЭВМ. Значения Тнгтих находили по температуре резкого падения прочности металла на этапе нагрева по термическому циклу со скоростью, соответствующей участку ОШЗ у линии сплавления. Нагружение и разрушение образцов осуществлялось за счет энергии сжатой пружины. Наименьшая Тнгтих составляла 520°С, что не противоречит данным дифференциального термического анализа (плавление фаз на границах зерен при нагреве происходит при 520°С, а кристаллизация - при 5Ю°С).

По описанной методике тагае определялось изменение пластичности сплавов вблизи Тнгтих по относительному сужению (4-). Площадь поперечного сечения шейки образцов измерялась на оптическом микроскопе после имитации термического цикла сварки (Б!) и после разрыва образцов при повторном нагреве под нагрузкой (Бг). Выявлено, что температуры резкого снижения прочности и пластичности для исследованных' модельных А1-Мй--1л сплавов практически совпадают. Показано, что количественная оценка пластичности А1-1АНЛ сплавов вблизи Тнгтих затруднена из-за особенностей сплавов: газовой пористости, склонности к расслоениям при температурах более 500°С и интенсивного окисления поверхности образцов.

Критический темп деформации в ТИХ определяли на описанных выше образцах с использованием машины МИС-Ш при имитации тер-мо-деформационного сварочного цикла. После достижения максимальной температуры, определяемой по расчетной программе для точки ОШЗ у линии сплавления, образцы растягивали на этапе охлаждения ДО Тнгтих с увеличивающейся в серии образцов скоростью. Использование в АСУ Машины ШС-1М обратной связи по усилию и перемещению позволило отрабатывать механизмом растяжения деформацию от температурной усадки.

По результатам испытаний на определение ТнгТИХ и В>:р получены регрессионные зависимости (по методу наименьших квадратов): Тнгтих 772,22 + 7Д«5*(Ше) 125,Зб*(*1.П " 1,04л(%Ыз)г н ■

о

+ 20,4Э*(%ь1')г - б,51*(%Мв)*(ХШ. °С; Вкр » 0,03404 + 0,00171*(ХМг) - 0,01599*(Д.1) + 0,00033*(Ш£)2 + + 0,00446*(Х1Л)2 - 0.00269М%Мд)*Ц1Л), мм/°С Сечения, поверхностей Тщ-тих и Вкр плоскостями постоянных концентраций Ме и 1Л представляют собой нисходящие части парабол. Легирование сплавов 0,15-0,20Х Бс позволяет уменьшить ширину ТИХ на 25~30°С к повысить ВКр на 40-50Х.

Для определения взаимного влияния основного и присадочного металлов на образование горячих трещин в сварном соединении проводились' испытания по методике МВТУ-ЛТП-1, предусматривающей растяжение кристаллизующегося металла сварного соединения с определением критической скорости растяжения Укр (или Акр)■

Результаты испытаний по методике МВТУ-ЛТП-1 подтверждают повышение сопротивляемости образованию горячих трещин у сплавов, содержащих до 0,2% 2с по сравнению со сплавами без Бс как в случае сварки с серийной присадочной проволокой Св АМгбЗ, так и при сварке без присадки и с присадочной проволокой аналогичного -химического состава. При микроструктурном анализе сварных соединений отмечено, что в зоне сплавления сплавов со Бс размер верна на порядок мельче, чем у сплавов без Зс.

Выявленное расширение ТИХ и снижение сопротивляемости горячим трещинам при увеличении содержания И и М? в исследованных модельных сплавах подтверждает предположение о решающей роли ликвационной неоднородности полуфабрикатов по Ы и М(? в процессе образования в ОШЗ А1-Мд-1Л сплавов горячих трещин, которые относятся к ликвационному типу.

Глава 4. Посвящена исследованию прочности сварных соединений А1-Мг-1Л" сплавов в зависимости от исчерпания деформационной способности.металла в ТИХ под воздействием термо-деформационного сварочного цикла по принципу технологического наследования.

В сварных конструкциях летательных аппаратов, являющихся изделиями ответственного назначения, вероятно снижение прочности под действием сварочного цикла. В работах Волченко.В.Н. показана возможность оценки потенциальной надежности сварных соединений после изменений, которые вносятся в основной металл технологическим процессом сварки.

По гипотезе Якушина Б.Ф. надежность сварных конструкций может снижаться в результате суммирования поврежденностй металла 10

на различных этапах термо-деформационного щша сварки и последующей эксплуатации. В результате этого возможно накопление дефектов структуры, не выявляемых при неразрушающем контроле, и падение уровня эксплуатационных структурно-чувствительных свойств сварного соединения.

Анализ литературных данных показывает, что основные изменения структурного и фазового состояния, вызывающие склонность к образованию горячих трещин при сварке, металл А1-М<г-1Л сплавов приобретает на стадии горячего деформирования подуфабршсатов. Начальная поврежденность в металле может усиливаться при сварке из-за частичного исчерпания деформационной способности металла преимущественно в ТИХ. Следующий этап накопления поврезденности - при термообработке сварного соединения, а затем - при эксплуатации.

Согласно гипотезе о технологическим наследовании суммирование высокотемпературных повреждений кристаллического строения с низкотемпературными возможно из-за одинакового механизма пластической деформации - межзеренного проскальзывания. Согласно Чер-нышовойТ.А., при внутризеренной деформации • происходит выход дислокаций на границы зерен с образованием на них клиновидных пор и повышения сегрегации примесей на границах, что усиливает склонность к межзеренному проскальзыванию и к снижению структурно-чувствительных механических свойств.

Поскольку в зонах ликвадиснной неоднородности полуфабрикатов А1-Мг-С1 сплавов отмечено снижение показателей сопротивляемости 'горячим трещинам, то в этих зонах запас деформационной способности сплава снижен. При совпадении мест сварки с зонами ликвационной неоднородности, что адекватно сварке при интенсивном развитии сварочных деформаций, может происходить частичное исчерпание запаса деформационной способности, что при отсутствии горячих треит вызывает снижение эксплуатационных свойств.

Предполагалось наличие нелинейной зависимости механических структурночувствитедьных свойств от интенсивности высокотемпературных деформаций: б^^((ск^'сГп/МекрЛШ). По предварительным результатам существенное снижение свойств отмечалось при к>0,5.

Оценивали степень снижения эксплуатационных структурно-чувствительных свойств сварных соединений (коррозионной стон-тести и малошниовой усталости) по отнсшешпо к осисвному металлу

11

для образцов с различным уровнем запаса технологической прочности. Для определения зависимостей этих свойств от исчерпания деформационной способности металла для каждого эксперимента были подготовлены образцы, подвергнутые воздействию термо-деформационного цикла сварки с темпом деформации в ТИХ В=0,8*ВКр, т.е. без зародышей горячих трещин, что подтверждено результатами ультразвукового контроля, проведенного в лаборатории контроля МГТУ им.Н.З.Баумана.

Испытания на коррозионную стойкость проводились в специально изготовленном рычажном приспособлении. По результатам испытаний, образцы, подвергнутые только термическому циклу, проявили снижение коррозионной стойкости на 30-40Х, а образцы с В=0,8*ВКр показали снижение еще на 30 %, хотя все образцы по результатам ультразвукового контроля были признаны годными. Испытания на малоцикловую устачость проводились на испытательной машине .EUS-100 с частотой нагружения 16 Гц. Выявлено снижение выносливости (до 40 X) для образцов после обработки по термо-де-формационному циклу сварки с близким к критическому темпом де-v'Формации в ТИХ по сравнению с необработанными образцами.

Анализ фрактограмм очага разрушения показал наличие в изломе плоских зон хрупкого разрушения и меньшей, чём в недеформиро-ванном металле, глубины ямок пластической деформации. Это свидетельствует о поврежденности кристаллической структуры металла под действием термо-деформационного цикла сварки • с близким к критическому темпом деформации в ТИХ и ее склонности к хрупкому межзеренному разрушению при накоплении поврежденности от процессов сварки и эксплуатации.

Установлено, что в результате " подкритического исчерпания деформационной способности металла ОШЗ Al-Mg-Ll сплавов при сварке, .происходит ваметное снижение эксплуатационных свойств сварных соединений, что может служить причиной уменьшения их надежности. Повышение запаса стойкости против образования горячих трещин является универсальным способом обеспечения как сплошности, так и требуемого уровня механических свойств» Одним из таких мероприятий является легирование сплавов скандием.

Глава 5. 'Посвящена выработке требований к современному испытательному оборудованию и списанию принципиальных особенностей . новой испытательной машины МИС-1М о микропроцессорной АСУ. 12

Современные высоколегированные сплавы (в том числе сплавы типа 1420) имеют сложный фазовый состав с легкоплавкими неравновесными эвтектическими соединениями и интерметаллидами, у которых температурные границы существования часто располагаются в непосредственной близости друг от друга. Это затрудняет проведение исследований металла ОШЗ и идентификацию дефектов.

Осуществление системной оценки свариваемости предусматривает многократные испытания в различных температурных интервалах хрупкости в соответствии с теорией технологического наследования дефектов при сварке. Методически это осуществляется последовательной оценкой повреждаемости структуры металла, выражающейся в снижении сопротивляемости трещинам различной природы и падении уровня структурно-чувствительных свойств сварного соединения на универсальных образцах, пригодных для различных испытаний.

Новое оборудование должно отличаться повышенной точностью как дозирования нагрева и деформации, так и регистрации и измерения показателей свариваемости. Это достигается при снижении, роли субъективного фактора путем применения ЭВМ для управления испытаниями.

В различных странах испытания по методикам с имитацией сварочного цикла проводятся на оборудовании типа МВТУ-ЛТП-3, ЙМЕТ-ЦНИИЧМ, Т11егтогез1ог-\|7 и ИееЫе. Эти машины, кроме компьютеризированной ШееЫе 3500 (США) последнего поколения, не в полной мере отвечают современным требованиям.

Для комплексной оценки свариваемости различных материалов и оптимизации сварочных процессов в МГТУ им.>Н.Э.Баумана при участии автора настоящей работы создана серия опытных образцов испытательных машин серии МИС. В проведенных исследованиях применялась машина МИС-1М, отличающаяся автоматизированной микропроцессорной системой управления.

Машина позволяет проводить испытания по следующим методикам:

- имитация термодеформационного сварочного цикла для оценки механических свойств и критического темпа высокотемпературного деформирования (ВКр) в условиях шва и околошовной зоны;

- растяжение кристаллизующегося металла шва с различной скоростью для определения Укр и ВКр с фиксированием сопротивления деформированию по мере охлаждения;

- изгиб кристаллизующегося металла шва на оправке ударом или с

13

изменяемой скоростью (Transvarestralnt, Varestraint) для определения температурного интервала хрупкости (ТИХ).

' Микропроцессорная систе./а управления машиной позволяет воспроизводить задаваемые по программе термо-деформационные циклы с большой'точностью (± 1...3°С), запоминать результаты эксперимента и проводить его просмотр. . Машина коммутируется с персональным компьютером типа IBM- PC/AT для вывода информации на экран компьютера и последующей обработки результатов. '

При имитации сварочного цикла нагрев образца осуществляется электроконтактным способом с помощью сварочного трансформатора, управляемого через симистор. Охлаждение образца обеспечивается путем сочетания подогрева и охлаждения при обдуве газом, включаемом с помощью электропневмоклапана.

Высокая четкость воспроизведения термо-'деформационного цикла сварки без переходных процессов на переходах к изотермическим выдержкам достигнута применением пропорционально-интегрального закона управления всеми параметрами термического и деформационного циклов.

Выявлена проблема возможного раскачивания системы при изотермических выдержках ив-за отклонения частоты сети от стандартного значення при малых углах открытия симистора нагрева. Проблема решена путем отслеживания величины угла открытия симистора как функции от длины полуволны синусоиды напряжения предыдущего • шага (отдельно для положительной и отрицательной полуволн). При определении момента включения симистора данного полупериода од, новременно определяется длина полуволны для следующего.

Применение новой испытательной Машины МИС-1М впервые поаво-' лило провести, в МГТУ им.Н.Э.Баумана и ВИАМ ряд комплексных исследовательских работ по определению показателей свариваемости сложнолегировакных легких сплавов. .

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

i. На основании анализа литературных данных установлено, что склонность к образованию горячих трещин в околошовной зоне сварных соединений горячедеформированных полуфабрикатов Al-Mg-Ll сплавов типа 1420 обусловлена наличием на границах зерен протяженных строчечных включений s-фазы ШгМгШ, возникающих иа-за . ликвационной неоднородности сплавов по литию и магнию. 14 '

2. Для комплексной оценки свариваемости предложено использовать сочетание методик с имитацией термо-деформационного сварочного цикла и с растяжением кристаллизующегося металла шва. Это позволяет определять: 1) нижнюю границу температурного интервала хрупкости; 2) критический темп деформации в шве и околошовной зоне; 3) механические свойства сварного соединения в условиях варьирования сварочных деформаций до подкритического уровня.

3. Высокая точность при реализации используемых методик достигнута в результате применения микропроцессорной системы управления испытательным оборудованием. Система отличается регулированием всех параметров термического и деформационного циклов по пропорционально-интегральному закону и точным фазовым управлением включением нагрева.

4. Установлено, что уменьшению сопротивляемости горячим трещинам при содержании Ll>2,2% и Mg>6,4% соответствует снижение температуры нижней границы температурного интервала хрупкости до температуры плавления s-фазы ШгМдЩ (527 °С). Это подтверждает решающую роль количества и расположения s-фазы в процессе образования ликвационных горячих трещин по зоне сплавления и в околошовной зоне.

5. Проведена количественная оценка сопротивляемости горячим трещинам по критерию "критический темп деформации". По экспериментальным данным получена следующая регрессионная зависимость: Вкр- 0,03404 + 0,00171*(%Мг) - 0,01599*(%Li) + 0,00033*(XMg)2. +

+ 0,00446*(7.L1)2 - 0,00269*(%Mg)*ULi) , MM/°C.'

6. Установлено, что сварка по зонам ликвационной неоднородности с содержанием более 6% Mg й 2Х L1 вызывает существенное снижение деформационной способности металла околошовной зоны. В этом случае при отсутствий горячих трещин в сплавах типа 1420 выявлено снижение структурно-чувствитель них эксплуатационных свойств на 40-60%. Отмеченное явление объясняется накоплением поврежденности кристаллической структуры металла при сварке и эксплуатации.

7. Рекомендуется . для повышения надежности ответственных сварных 'конструкций из горячедеформиро8анкых полуфабрикатов Al-Mg-Ll сплавов типа 1420 обеспечивать запас стойкости против образования горячих треошн не ниже 60% путем выполнения сварки

16

вне участков ликвационной неоднородности по Мг и П. Легирование сплавов типа 1420 скандием повышает сопротивляемость горячим трещинам на 40-60% и является универсальным способом обеспечения как сплошности, так и требуемого уровня механических свойств.

8. Разработаны технологические рекомендации, применение которых позволило в лабораторных условиях увеличить сопротивляемость горячим трещинам в околошовной зоне, а также повысить эксплуатационные свойства сварных соединений ив А1-Мв-1-1 сплавов типа 1420.

Испытательная машина МИС-1М с микропроцессорной системой управления внедрена в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Основное содержание диссертации отражено в работах:

1. Якушин Б.Ф., Настич С.Ю. Совершенствование экспресс-метода оценки свариваемости алюминиевых сплавов // Сварочное производство.- 1995.- N 4.- С. 30-31.

2. Якушин Б.Ф., Настич С.Ю. Технологическое наследование повреждаемости при сварке // Современные проблемы сварочной науки и техники: Материалы российской научно-технической конференции.- Пермь, 1995,- Ч.1.- С. 164-166.

3. Якушин Б.Ф., Хачатуров А.А., Настич С.Ю. Компьютерная имитация термодеформационных циклов сварки при испытаниях н* свариваемость // Сварочное производство.-* 1996.- N в.- С. 38-40.

4. Лукин. В.И., Якушин1 Б.Ф.', Настич С.Ю. О свариваемости сверхлегких А1-Мг-Ы сплавов // Сварочное производство.- 1996.► N 12.- С, 15-20.