Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение алюминиевых сплавов и особенности их сварки при производстве авиационной техники, литературный обзор 11
1.1. Алюминиевые сплавы, применяемые в авиастроении 11
1.2. Применение сварки для изготовления деталей авиационной техники. 17
1.3. Обоснование эффективности применения лазерной сварки 23
1.4. Особенности формирования структуры алюминиевых сплавов при лазерной сварке 29
Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2. Материалы, методики и оборудование для исследований 38
2.1 Характеристики алюминиевых сплавов, исследованных в работе 38
2.2 Лазерное оборудование и технологическая оснастка 41
Механизм перемещения деталей. 47
Фокусирующая оптика 48
Организация газовой защиты 50
2.3 Исследование механических свойств сварных соединений 55
2.4. Микроструктурные исследования 58
Выводы по главе 2 62
ГЛАВА 3. Исследование технологических особенностей лазерной сварки деформируемых алюминиевых сплавов 63
3.1. Особенности теплового воздействия лазерного излучения на алюминиевые материалы в зоне сварки 63
3.2 Технологические особенности подготовки поверхности и защиты шва от окисления в процессе лазерной сварки алюминиевых сплавов....80
3.2.1. Подготовка поверхности 80
стр. 3.2.2 Современные представления о процессах, протекающих при сварке непрерывным лазерным излучением высокой мощности...83
3.2.3. Влияние расхода газа на формирование сварного шва 85
3.3 Обоснование выбора оптимальных режимов лазерной сварки
исследуемых алюминиевых сплавов 98
Выводы по главе 3 118
ГЛАВА 4 Исследование закономерностей изменения механических свойств и структуры сварных соединений алюминиевых сплавов в зависимости от режимов и особенностей лазерной сварки 120
4.1 Исследование зависимости механических свойств сварных соединений
от параметров лазерной сварки алюминиевых сплавов АД-37, 1424,
01570, В96ЦЗ 120
4.1.1. Исследование механических свойств сплава 01570 121
4.1.2. Исследование механических свойств сплава АД37 126
4.1.3. Исследование механических свойств сплава 1424 137
4.1.4. Анализ результатов испытаний на механическую прочность образцов из сплава В96ЦЗ 140
Выводы по разделу 4.1 143
4.2 Исследование микроструктуры сварных соединений алюминиевых сплавов, полученных лазерной сваркой 144
4.2.1. Исследование макро- и микроструктуры сварных швов сплава 01570 145
4.2.2 Исследование макро- и микроструктуры сварных швов сплава АД37 153
4.2.3 Исследование микроструктуры сварных швов сплава 1424 166
4.2.4 Исследование макро- и микроструктуры сварных швов сплава
В96цЗ 173
Выводы по разделу 4.2 179
4.3. Исследование взаимосвязи структуры и свойств сварных соединений алюминиевых сплавов при лазерной сварке 180
Выводы по главе 4 185
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 186
ЛИТЕРАТУРА 188
ПРИЛОЖЕНИЕ Технологические рекомендации по сварке алюминиевых сплавов 01570,1424, АД-37, в96цЗ 196
1. Введение 196
2. Общие положения 196
3. Требования к прочности сварных соединений из алюминиевых сплавов выполненных лазерной сваркой .200
4. Требования к основным и вспомогательным материалам 202
5. Требования к подготовке свариваемых поверхностей деталей и их хранению перед лазерной сваркой 203
5.1. Геометрические требования к подготовке поверхностей 203
Химико-механические требования к подготовке поверхностей 203
6. Хранение заготовок после подготовки поверхности 211
7. Требования к технологической оснастке сварочному стапелю и лазерному оборудованию 213
8. Требования к сборке деталей под лазерную сварку 215
9. Рекомендуемые технологические параметры лазерной сварки указанных алюминиевых сплавов толщиной до 2 мм 216
Ю.Требования к качеству сварных соединений 218
11. Техника безопасности 219
12.Требования к клиновидному защитному соплу для лазерной сварки....220
- Алюминиевые сплавы, применяемые в авиастроении
- Характеристики алюминиевых сплавов, исследованных в работе
- Особенности теплового воздействия лазерного излучения на алюминиевые материалы в зоне сварки
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из наиболее актуальных проблем научно-технического прогресса авиационной, ракетной и космической техники является проблема повышения весового совершенства изделий. Основной путь решения этой проблемы - создание новых материалов с более высокими эксплуатационными свойствами и технологий изготовления оригинальных конструкций.
Для обеспечения возросших требований к служебным характеристикам изделий были созданы новые сплавы для изготовления сварных конструкций авиационной и космической техники. Основой этих сплавов является система Al-Mg, которая легирована такими элементами как литий , скандий и другие. Применение сплавов систем Al-Mg-Sc и Al-Mg-Li-Sc, Al-Mg-Si-Cu благодаря уникальному комплексу характеристик - высоким механическим свойствам при низкой плотности и повышенном модуле упругости, позволяет поднять параметры сварных конструкций на качественно новый уровень.
Исследования свариваемости этих сплавов наиболее распространённым дуговым источником нагрева показали, что основные трудности их сварки заключаются в следующем: 1) склонность сплавов к образованию кристаллизационных трещин; 2) наличие пор и оксидных включений; 3) образование крупнозернистой структуры в шве, рекристализация и оплавление зерен в околошовной зоне; 4) возникновение высоких напряжений и деформаций. Многочисленными исследованиями установлено, что часть этих трудностей преодолима при дуговой сварке с использованием специальных технологических приёмов в виде применения сложнолегированных присадочных материалов, физического воздействия на
сварочную ванну, последующей термической обработки и др. Всё это усложняет и удорожает технологию изготовления изделия в целом.
Другой, принципиально отличный путь преодоления указанных трудностей - это применение высококонцентрированных источников нагрева, из которых наиболее эффективным в данном случае является лазерный луч.
Однако, до настоящего времени комплексного исследования особенностей сварки мощным лазерным лучом алюминиевых сплавов, легированных литием и скандием, как альтернативы дуговой сварке, не проводилось, поэтому постановка данной работы весьма актуальна.
Цель работы
Целью работы является обеспечение свариваемости и снижение короблений за счёт использования лазерного источника нагрева как альтернативного традиционному аргоно-дуговому для листовых конструкций толщиной от 1,5 до 3 мм из алюминиевых сплавов систем Al-Mg-Sc и Al-Mg-Li-Sc, Al-Mg-Si-Cu и Al-Zn-Mg-Cu.
Задачи исследования
1. Разработка методик и специальной технологической оснастки для
исследования особенностей технологии лазерной сварки алюминиевых
сплавов.
Теоретическое и экспериментальное исследование влияния технологических параметров лазерной сварки в широком диапазоне скоростей ( от 60 до 480 м/ч) на формирование сварных соединений, геометрические характеристики проплавлення и образование дефектов.
Отработка технологии сварки листовых материалов из алюминиевых сплавов излучением мощного С02 лазера.
Изучение стойкости исследуемых материалов к образованию дефектов в виде пор, окисных включений и горячих трещин в зависимости от технологических особенностей лазерной сварки.
Исследование зависимости комплекса механических свойств и особенностей структурных превращений в шве и зоне термического влияния от режимов и технологии лазерной сварки.
6. Разработка технологических рекомендаций по лазерной сварке
исследуемых алюминиевых сплавов.
Методы исследований.
В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Для расчетов тепловых процессов использовалась программа «LaserCAD». Эксперименты по сварке проводились с применением СОг лазера фирмы Spectra Physics. Для определения свойств сварных соединений использовались испытательные машины, оптические, и электронные микроскопы, а также рентгенографическое оборудование. Обработка полученных изображений проводилась с применением специализированных аналитических программ «ВидеоТест» и «Image Pro Plus». Статистическая обработка полученных данных проводилась в стандартных программах Microsoft Excel и Statistica.
Научная новизна.
1. Определена область оптимальных параметров режимов лазерной сварки алюминиевых сплавов систем Al-Mg-Sc и Al-Mg-Li-Sc, Al-Mg-Si-Cu толщиной от 1,3 до 3,0 мм по следующим критериям: ширина шва в верхней и нижней части при сквозном проплавлений 2-2,5 мм, время пребывания
металла околошовной зоны при температурах 300-400 С 0,8-1,0 с, максимальные скорости охлаждения металла в шве 3000-3500 С/с. Установлено, что эти критерии достигаются за счёт формирования сварочной ванны в испарительном режиме с каналом проплавлення, который реализуется при плотности мощности 0,4-0,7x10 Вт/см , погонной энергии 35-50 кДж/м и скоростях сварки 150-180 м/час.
Установлено, что наличие в алюминиевых сплавах системы Al-Mg содержания Li в пределах от 1,5 до 1,75% и Sc в пределах от 0,15 до 0,3% при лазерной сварке на оптимальных режимах приводит к образованию специфической для данных материалов первичной структуры швов в виде хаотического смешения слоев мелких зерен ( до 5 мкм). Формирование такой структуры связано с периодичным переносом порций жидкого металла по стенкам канала из головной части сварочной ванны в хвостовую за счёт сил, действующих в канале проплавлення, и последующим охлаждением со скоростью до 3000 град/сек. Показано, что образование подобных структур обеспечивает сопротивляемость данных сплавов к появлению кристаллизационных трещин и высокие механические свойства.
Установлено, что при лазерной сварке на оптимальных режимах термоупрочнённых сплавов систем Al-Mg-Si-Cu, Al-Mg-Li-Si в околошовной зоне практически полностью отсутствует фаза оплавленных эвтектик и укрупнение зерна за счёт времени пребывания металла околошовной зоны в области температур выше 400 С не более 0,8- 1,0 сек. Это препятствует снижению свойств термоупрочнённого металла околошовной зоны и развитию условий для образования горячих трещин.
На защиту выносятся следующие положения:
Лазерная сварка алюминиевых сплавах системы Al-Mg с содержанием Li в пределах от 1,5 до 1,75% и Sc в пределах от 0,15 до 0,3% приводит к образованию специфической для данных материалов первичной структуры швов в виде хаотического смешения слоев мелких зерен ( до 5 мкм), что связано с периодическим переносом порций жидкого металла по стенкам канала из головной части сварочной ванны в хвостовую за счёт сил, действующих в канале проплавлення, и последующим охлаждением со скоростью до 3000 град/сек.
Для обеспечения наилучших свойств сварных соединений и отсутствия дефектов сварку исследуемых алюминиевых сплавов лазерным лучом необходимо вести в испарительном режиме с образованием парогазового канала при плотности мощности 0,4-0,7x106 Вт/см2 и погонной энергии в диапазоне 35-50 кДж/м.
Практическая ценность.
Полученные в работе результаты позволят:
1. Исключить образование дефектов в виде пор, окисных включений и
кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне без использования
специальной присадочной проволоки, механических и магнитных
воздействий на сварочную ванну, а также других технологических приёмов,
что необходимо при АрДС;
2. Обеспечить достаточно высокий уровень механических свойств
сварных соединений без применения присадочной проволоки.
10 Апробация работы.
Основные положения работы доложены на научных семинарах кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» и кафедры «Сварка и диагностика» МГТУ им. Баумана, на 22-ой научно-технической конференции «Сварка Урала-2003», на международном симпозиуме «Образование через Науку-2005», на 5-ой международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров-2006», также на первой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности» Москва, ОАО «Сухой» 2002 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.
Алюминиевые сплавы, применяемые в авиастроении
Проектирование и производство самолетов выполняется с учетом чрезвычайно жестких условий их эксплуатации, которыми являются: высокие скорости полета, многократно повторяющиеся пиковые нагрузки, форсированные режимы эксплуатации, решается задача минимизации габарита и массы, обеспечения качества и надежности работы конструкции и ее агрегатов [1,5].
Самолетные конструкции в процессе эксплуатации подвергаются комбинированным динамическим, повторно-статическим, статическим видам на-гружения, вызывающим в материалах напряжения растяжения, сжатия, сдвига, комбинации различных видов деформации [ 5 ]. Материалы для авиационных конструкций должны сочетать в себе «взаимоисключающие» свойства, обеспечивающие максимальную эксплуатационную надежность изделия при высокой массовой эффективности. Использование таких материалов, как алюминиевые, магниевые, титановые сплавов, высокопрочные стали, композиционные материалы, обеспечивает не только существенное снижение массы конструкции, что может быть реализовано в повышении экономичности самолетов, их энерговооруженности, увеличения дальности полета, грузоподъемности, но и рост ресурса, уменьшение затрат на производство и эксплуатацию летательных аппаратов [ 7 ].
Осуществление идеи создания цельносварного самолёта представляет важную интегрирующую ступень комплексного развития многих направлений научно-технического прогресса, обеспечивает разработку и изготовление поколений самолётов, по своим параметрам превосходящих достижения сегодняшнего дня. Алюминиевые сплавы продолжают оставаться основным конструкционным материалом авиастроения, что во многом объясняется появлением усовершенствованных алюминиевых сплавов, в том числе с уменьшенной плотностью композиции Al-Li, а также сплавов с повышенной прочностью легированных Sc [ 7 ].
По способам получения алюминий и его сплавы обычно делят на две группы: деформируемые и литейные. Критерием, разделяющим эти сплавы, является предел растворимости элементов в твердом растворе. Деформируемые сплавы имеют концентрацию легирующих элементов меньше предела растворимости и при нагреве могут быть переведены в однофазное состояние, при котором обеспечивается их высокая деформационная способность. Концентрация легирующих элементов в литейных сплавах превышает их предельную растворимость в алюминии. Поэтому эти сплавы имеют эвтектику, наличие которой обеспечивает сплавам хорошие литейные свойства (жидко-текучесть), но ухудшает их способность к деформации [1].
Другой классификационный признак учитывает применение термической обработки. Большинство элементов, входящих в состав алюминиевых сплавов, обладает ограниченной растворимостью, зависящей от температуры, что обеспечивает сплавам способность упрочняться термообработкой. Поэтому деформируемые сплавы разделяются на термически неупрочняемые -твердые растворы, имеющие концентрацию легирующих элементов ниже предела растворимости при комнатной температуре, и термически упрочняемые - сплавы, имеющие концентрацию легирующих элементов сверх этого предела [3].
Характеристики алюминиевых сплавов, исследованных в работе
Для сварных авиационных конструкций используются деформируемые сплавы двух основных групп: термически неупрочняемые и термически упрочняемые. В данной работе исследовались одни из последних перспективных разработок отечественной металлургической промышленности в области деформируемых алюминиевых сплавов указанных групп. Исследование свариваемости этих материалов лазерными источниками энергии ранее не проводилось, также сведения по сварке другими сварочными источниками крайне ограничены.
Из группы деформируемых нетермоупрочняемых алюминиевых сплавов исследовалась перспективная система Al-Mg-Sc-Zr. Особенностью этой системы является легирование алюминий-магниевых сплавов скандием и цирконием. Исследовалась свариваемость сплавов 01570, 01523.
Сплав 1570 рекомендуется для изготовления топливных баков. В отличие
от известного сплава АМгб, сплав 1570 при добавках скандия в количестве от 0,15 до 0,5% при определенных условиях обработки значительно повышает прочность отожженных деформированных полуфабрикатов (предел текучести в 1,5-2,0 раза) при сохранении других важных качеств AI-Mg-сплавов - высокой коррозионной стойкости и хорошей свариваемости. Сплав 01570 является наиболее прочным промышленным термически неупрочняемым алюминиевым сплавом. На тонких листах Ов 400 МПа, а 0 2 300 МПа, 5 12 %.[ 3 ]. Исследовалась сварка листов толщиной 1-3 мм.
Малолегированный сплав 01523 обладает уникальным сочетанием прочностных, коррозионных, технологических, электрических и теплофизических характеристик. Сплав предназначен для систем терморегулирования космических аппаратов, проводов специальных приборов, ядерных установок и тому подобных конструкций. Механические свойства исследованных листов составляют: Ов = 290-320 МПа; О0 2 = 240-270 МПа; 8=18-20 [ 7 ].
Химический состав исследованных материалов представлен в таблице 1.
Исследовалась сварка листов толщиной 2-2,5 мм.
Во второй группе термически упрочняемых деформируемых сплавов нами были выбраны системы: Al-Cu-Mg-Si, Al-Mg-Li и Al-Zn-Mg-Cu, как наиболее перспективные с точки зрения свариваемости и сочетания физических и механических свойств для изготовления авиационных конструкций.
В рамках системы Al-Cu-Mg-Si в настоящее время разработан коррози-онностойкий, свариваемый сплав АД37 с добавками Zr и переходных металлов (Mn, Cr, Ni, Sc), в виде листов толщиной 1,5 и 3,0 мм. Сплав разработан для внешней обшивки фюзеляжа и внутреннего набора самолетов [ 2 ].
Сплав АД37 имеет показатели прочности на 15-30% выше по сравнению с известными сплавами этой системы АД31, АДЗЗ, АД35, АВ, лучшую коррозионную стойкость, чем сплавы типа Д16чТ при сравниваемых характеристиках прочности, трещиностойкости и вязкости разрушения.
Применение сплава АД37 при замене сплавов типа Д16чТ позволит повысить надежность эксплуатации и в 1,5-2 раза коррозионную стойкость снизить трудоемкость изготовления деталей и увеличить в 1,5-2 раза межремонтные сроки.
Сваривались холоднокатаные листы, прошедшие термическую обработку в виде закалки и искусственного старения, что создаёт опасность разупрочнения в околошовной зоне после сварки.
Механические свойства материала составляли (Ув = 400-450 МПа; СУ0,2 =
340-390 МПа; 5=10-12%; сопротивление коррозии (РСК)-2-3 балла; глубина межкристаллитной коррозии (МКК) 0,1 мм, сопротивление коррозионному растрескиванию - (J кр 300 МПа.
В системе Al-Mg-Li был исследован сплав 1424, который также является термоупрочняемым. Этот сплав одна из последних модификаций алюминий - литиевых свариваемых сверхлегких сплавов серии 1420,1421,1423, разработанных под руководством И.Н. Фридляндера. Создание таких сплавов позволило впервые в мире изготавливать сварные конструкции, облегченные на 10-15 % по сравнению с обычными конструкциями из алюминиевых сплавов. Эти сплавы сочетают низкую плотность (2,47 г/см3), высокий модуль упругости (7,8x104 МПа) с высокой коррозионной стойкостью и высокими удельными характеристиками, превосходящими традиционные алюминиево-магниевые сплавы [ 4 ].
class3 Исследование технологических особенностей лазерной сварки деформируемых алюминиевых сплавов class3 63
Особенности теплового воздействия лазерного излучения на алюминиевые материалы в зоне сварки
Материалы АД37, 1424, В96ЦЗ, исследуемые в настоящей работе, являются термоупрочняемыми и поэтому применяются в состоянии закалки и искусственного старения. После сварки таких материалов, в результате фазовых и структурных превращений, наблюдается их разупрочнение в шве и ОШЗ [42]. Поэтому важнейшей задачей является минимизация теплового воздействия лазерного излучения на свариваемый материал. Оценить такое воздействие можно такими параметрами как: форма и размеры сварочной ванны, температура в ближайших точках, прилегающих к шву (ОШЗ) и время пребывания металла в этих точках при данных температурах, а также скорость кристаллизации и охлаждения металла сварочной ванны.
Наиболее высокие механические свойства достигаются у исследуемых алюминиевых сплавов при полной термической обработке: закалка + старение. Такая обработка первоначально обеспечивает образование пересыщенного твердого раствора без полиморфного превращения, а затем происходит его распад с образованием зон Гинье-Престона или некогерентных частиц стабильной фазы [42].
Температура плавления исследуемых сплавов составляет примерно 660 С. Температура нагрева под закалку, а также начала нонвариантных превращений, например, сплава 1424 равна приблизительно 449-498 С. Согласно работе [67] отмечены следующие варианты превращений:
при 498 С - Ж + LiAl -»aa,+ MgLiAl2;
при 472 С - Ж + MgLiAl2 -»a + Mg,7AlI2;
при 456 С Ж + Mgi7Ali2 aal+ Mg2Al3.
Фаза Р (Mg2Al3) имеет температуру плавления 449 С.
Пребывание металла в интервале температур 400-300 С вызывает отжиг (перестаривание).
Лазерная сварка - высокоинтенсивный тепловой процесс. Луч резко (за 0,1-0,2 с) нагревает до парообразного состояния [47] крайне малый объем металла, который под влиянием гидродинамических сил закручивается [48] и малыми долями осаждается на сравнительно холодных стенках сварочной ванны, где происходит интенсивный теплоотвод (до 1x10 С/сек). Поэтому, лазерная сварка должна оказывать минимальное разупрочняющее воздействиє на термоупрочненный материал, сохраняя и даже увеличивая начальную концентрацию фаз.
В процессе изготовления сварных конструкций режим лазерной сварки можно изменять в весьма широких пределах. При подборе режима учитывают как производительность процесса, так и качество сварки. Главным критерием качества сварки является прочность соединения, как в процессе кристаллизации (технологическая прочность), так и при рабочих температурах (эксплуатационная прочность). Если производительность процесса прямо пропорциональна скорости сварки, то технологическая и эксплуатационная прочности в зависимости от скорости сварки имеют сложный и неоднозначный характер, а количественные зависимости до конца ещё не изучены.
Известно, что увеличение скорости сварки приводит к снижению темпа внутренней деформации в интервале образования горячих трещин [37]. Влияние режима сварки на величину температурного интервала хрупко-сти(ТИХ) и пластичности металла в ТИХ для рассматриваемых материалов изучена не достаточно. Эти факторы являются структурочувствительными элементами и зависят от режима сварки. Например, при сварке со скоростью от 36 м/ч происходит срастание кристаллитов передними гранями, что может по данным ряда работ [ 22 ], увеличивать концентрацию легкоплавких примесей в центре шва и расширять интервал образования горячих трещин.
На основании определения эксплуатационных свойств, эффективности процесса ЛС, а также литературных данных можно сформулировать условия обеспечения надежности сварных соединений:
1.Обеспечение запаса технологической прочности за счет появления объемной схемы кристаллизации в верхней и центральной частях металла шва.
2.Обеспечение минимального разупрочнения и деформации ОШЗ при нахождении её в ТИХ при сварке за счет минимального теплового воздействия и уменьшения потенциальной энергии остаточных напряжений.
3.Сокращение времени теплового воздействия на ОШЗ до значений, исключающих растворение упрочняющих фаз.
4.Получение качественного формирования шва с плавным переходом к основному металлу, исключающим большие угловые деформации.
5.Проведение процесса сварки с максимальной эффективностью.
