Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава

Рассмотрены микроструктура, фазовый состав и микротвердость металла сварных соединений из алюминиево-медного сплава (Al 2218), выполненных импульсной дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитных газов, в состоянии после сварки и последующей термической обработки. Термическая обработка сн...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Алапати, Р., Двиведи, Д.К.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2009
Schriftenreihe:	Автоматическая сварка
Schlagworte:	Научно-технический раздел
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100694
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава / Р. Алапати, Двиведи Д.К. // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 26-32. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-100694
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1006942025-02-09T09:39:44Z Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава Microstructure and hardness of Al--Cu alloy (A2218) welded joints produced by GTAW Алапати, Р. Двиведи, Д.К. Научно-технический раздел Рассмотрены микроструктура, фазовый состав и микротвердость металла сварных соединений из алюминиево-медного сплава (Al 2218), выполненных импульсной дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитных газов, в состоянии после сварки и последующей термической обработки. Термическая обработка снижает твердость металла сварных соединений. Высокая частота импульсов (100 Гц) способствует достижению более мелкозернистой структуры металла шва по сравнению с частотой 50 Гц. Термическая обработка приводит к значительному уменьшению доли второй фазы в металле ЗТВ и шва в результате сфероидизации эвтектического кремния. This paper describes the microstructure, phase analysis and microhardness of Al-Cu (A2218) alloy welded joints produced by pulse gas tungsten arc welding process in as welded and heat-treated condition. Welded joints were produced by two combinations of pulse parameters. Decrease in hardness was observed with postweld heat treatment of welded joints. Higher pulse frequency of 100 Hz showed finer grain structure of weld metal as compared with that at low pulse frequency 50 Hz. Heat treatment led to significant reduction in fraction of second phase constituents in HAZ and weld metal, and spheroidization of the eutectic silicon took place. 2009 Article Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава / Р. Алапати, Двиведи Д.К. // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 26-32. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100694 621.791.754 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Научно-технический раздел Научно-технический раздел
spellingShingle	Научно-технический раздел Научно-технический раздел Алапати, Р. Двиведи, Д.К. Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава Автоматическая сварка
description	Рассмотрены микроструктура, фазовый состав и микротвердость металла сварных соединений из алюминиево-медного сплава (Al 2218), выполненных импульсной дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитных газов, в состоянии после сварки и последующей термической обработки. Термическая обработка снижает твердость металла сварных соединений. Высокая частота импульсов (100 Гц) способствует достижению более мелкозернистой структуры металла шва по сравнению с частотой 50 Гц. Термическая обработка приводит к значительному уменьшению доли второй фазы в металле ЗТВ и шва в результате сфероидизации эвтектического кремния.
format	Article
author	Алапати, Р. Двиведи, Д.К.
author_facet	Алапати, Р. Двиведи, Д.К.
author_sort	Алапати, Р.
title	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
title_short	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
title_full	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
title_fullStr	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
title_full_unstemmed	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
title_sort	структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2009
topic_facet	Научно-технический раздел
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/100694
citation_txt	Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава / Р. Алапати, Двиведи Д.К. // Автоматическая сварка. — 2009. — № 4 (672). — С. 26-32. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT alapatir strukturaitverdostʹmetallasvarnyhsoedinenijalûminievomednogosplava AT dvivedidk strukturaitverdostʹmetallasvarnyhsoedinenijalûminievomednogosplava AT alapatir microstructureandhardnessofalcualloya2218weldedjointsproducedbygtaw AT dvivedidk microstructureandhardnessofalcualloya2218weldedjointsproducedbygtaw
first_indexed	2025-11-25T09:55:01Z
last_indexed	2025-11-25T09:55:01Z
_version_	1849755719446822912
fulltext	УДК 621.791.754 СТРУКТУРА И ТВЕРДОСТЬ МЕТАЛЛА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЛЮМИНИЕВО-МЕДНОГО СПЛАВА Р. АЛАПАТИ, Д. К. ДВИВЕДИ (Индийский техн. ин-т, г. Рурки, Индия) Рассмотрены микроструктура, фазовый состав и микротвердость металла сварных соединений из алюминиево-медного сплава (Al 2218), выполненных импульсной дуговой сваркой вольфрамовым электродом в среде защитных газов, в состоянии после сварки и последующей термической обработки. Термическая обработка снижает твердость металла сварных соединений. Высокая частота импульсов (100 Гц) способствует достижению более мелкозернистой структуры металла шва по сравнению с частотой 50 Гц. Термическая обработка приводит к значительному умень- шению доли второй фазы в металле ЗТВ и шва в результате сфероидизации эвтектического кремния. К л ю ч е в ы е с л о в а : импульсная ТИГ сварка, алюми- ниево-медный сплав, частота импульсов, микроструктура, микротвердость, термическая обработка, разупрочнение ЗТВ В авиации и автомобилестроении, где широко применяют термообработанные алюминиево-мед- ные сплавы, детали часто изготавливают с при- менением таких сварочных процессов, как дуго- вая сварка металлическим или вольфрамовым электродом в среде защитных газов. Отмеченные сплавы характеризуются более широким диапа- зоном температур, в которых наступает затвер- девание, и склонностью к дисперсионному твер- дению, что делает их чувствительными к терми- ческому циклу, которому подвергается основной металл во время сварки [1, 2]. Часто возникает проблема растрескивания и разупрочнения метал- ла ЗТВ соединений из алюминиево-медных спла- вов [1, 3]. В работах [3–10] приведены результаты исследований по растрескиванию сварного шва из алюминиево-медного сплава. В работах [4, 5] рассмотрено применение различных методик из- мельчения зерна для улучшения работоспособнос- ти алюминиево-медных сварных соединений и уменьшения склонности к растрескиванию. В ра- ботах [6, 7] отмечено, что ликвационное растрес- кивание обусловлено наличием меди и сущест- вует допустимый уровень содержания меди во избежание специальных типов растрескиваний. В работе [8] показано, что растрескивание алюми- ниево-медных сплавов 2219 происходит из-за не- достатка расплавленного металла с обратной сто- роны шва для заварки трещин. Дальнейшее изучение металлографических ас- пектов металла сварных соединений алюминие- во-медных сплавов будет способствовать про- мышленному применению надежных сварных конструкций из них. Данное исследование про- водили с целью изучения влияния параметров им- пульсной дуговой сварки вольфрамовым элект- родом в среде защитных газов и послесварочной термической обработки на структуру и твердость соединений из крупнозернистых литых алюми- ниево-медных сплавов (наиболее подвержены растрескиванию). Методика эксперимента. В данном исследо- вании алюминиево-медный сплав 2218 выбирали из серии 2000. Сплав был изготовлен литьем в песчаную форму в виде пластин размером 100 50 7 мм из основных сплавов Al-10 % Mg, Al-30 % Ni, Al-50 % Cu и Al-50 % Si и чистого алюминия (99,99 %). Номинальный состав алюминиевого сплава 2218 следующий, мас. %: 4,0 Cu; 1,5 Mg; 2,0 Ni; 92,5 Al (кремний отсут- ствует). В качестве присадочного материала для сварки двух алюминиево-медных сплавов исполь- зована присадка А-405 (Al-5 % Si), уменьшающая склонность алюминиево-медных сплавов к раст- рескиванию. Сварку стыковых соединений из алюминиево- медного сплава выполняли со скоростью пере- мещения дуги 60 мм/мин 2%-м торированным вольфрамовым электродом полуавтоматом CE- BORA 360. Во время сварки применяли систему BUG-O для перемещения горелки с постоянной скоростью. Во время сварочного процесса под- держивали следующие параметры: dэл = 3,0 мм; Uд = 18 В; Iсв = 125 A; Imax = 282 A; lд = 2,5 мм; защитный газ — аргон; fимп для образца № 1 со- ответственно 100 и № 2 — 50 Гц; ПВ — соот- ветственно 30 и 35 %. Оценку тепловложения E проводили на при- мере сварки валика на пластине швами из алю- миниево-цинкомагниевого сплава. Потребляемую энергию оценивали с помощью следующего урав- нения [9]: E (Дж/мм) = Uд (В)⋅Iср (A)/vсв (мм/с), где Iср = ((IвTв) + (IрTр))/(Tв + Tр). © Р. Алапати, Д. К. Двиведи, 2009 26 4/2009 С целью изучения влияния послесварочной термической обработки (Т6) на твердость и мик- роструктуру сварного шва сварные соединения обрабатывали при температуре 510 °С в течение 4 ч, затем проводили закалку в воде при ком- натной температуре и искусственное старение при температуре 175 °С в течение 6 ч. Образцы вырезали из сварного соединения, по- перечное сечение которого полировали с по- мощью стандартной металлографической проце- дуры. Перед микроскопическим исследованием отполированные образцы протравливали реакти- вом Келлера. Микроснимки различных зон, таких как сварной валик, линия сплавления, ЗТВ и ос- новной металл, были получены с помощью мик- роскопа Leitz MM-6 c разной степенью увеличе- ния. Фазовый анализ проводили с использованием компьютерной программы Image для просмотра изображений. Микротвердость по Виккерсу измеряли на од- ной стороне сварного соединения с середины шва до основного металла с интервалом 1 мм при наг- рузке 100 г, используя прибор для испытания микротвердости Leitz. Твердость измеряли как в состоянии после сварки, так и после термообра- ботки. Результаты и обсуждения. Из рис. 1 видно, что, начиная от основного металла и до металла шва, наблюдаются значительные изменения в микроструктуре. Микроснимки показали умень- шение доли низкоплавящихся фаз по межзерен- ной границе в металле ЗТВ по сравнению с ос- новным металлом, что можно объяснить раство- рением частиц второй фазы под влиянием тер- мического цикла сварки, которому подвергается металл вблизи границы сплавления в ЗТВ. Об- наружено, что зернистая структура в центре шва более мелкая, чем возле границы сплавления. Это происходит главным образом из-за изменений ус- ловий затвердевания (структурное переохлажде- ние) от границы сплавления шва до его центра. Высокий коэффициент G/R (где G — реальный температурный градиент; R — скорость роста) на границе сплавления шва приводит к крупнозер- нистой столбчатой структуре по сравнению с той, что наблюдается в центре шва [2, 10]. В металле шва также видны межзеренные трещины, которые формируются в основном в результате усадочного напряжения, наблюдаемого при затвердевании низкоплавящихся фаз по границе зерен, так как именно в этой области локализуются остаточные усадочные напряжения. Недостаточное количес- тво низкоплавящихся точечных фаз, особенно пе- ред конечной стадией затвердевания, может быть основной причиной образования межзеренных трещин в металле шва, в котором не обеспечива- Рис. 1. Микроструктура основного металла (а), металла ЗТВ (б), границы сплавления (в) и металла шва (г) сварного соединения сплава 2218 4/2009 27 ется заварка появляющихся трещин с помощью наполнения расплавленным металлом с обратной стороны [11]. На рис. 2, а светлая протравленная область была идентифицирована как твердый раствор алюминия (α-A1), а энергодисперсионный анализ того же участка показал, что он главным образом содержит алюминий и другие элементы в очень малых количествах. Энергодисперсионный анализ второй фазы (рис. 2, б) на границе зерен показал, что он богат легирующими элементами. Низкоп- лавящаяся фаза по границе зерен содержит, мас. %: 14,32 Cu, 8,26 O2, 1,57 Mg, 12,66 Ni и сба- лансированный алюминий. Энергодисперсионный спектр металла ЗТВ и металла шва показаны на рис. 3, результаты анализа изображений различных областей сварных соединений в состоянии после сварки и термической обработки приведены в табл. 1. Энергодисперсионный спектр металла ЗТВ (94,89 % Al; 2,0 % Cu; 1,10 % O2; 1,55 % Mg; 0,46 % Ni, рис. 3, а) указывает на более низкую кон- центрацию легирующих элементов, возможно, за счет гомогенизации и растворимости насыщен- ных фаз, богатых легирующими элементами. Энергодисперсионный анализ металла шва (84,29 % Al, 6,41 % Cu, 3,37 % O2, 0,6 % Mg, 1,99 % Ni, 3,16 % Si) показал наличие кремния и меди, что указывает на растворимость, вызванную плавлени- ем основного металла и смешиванием с присадоч- ным металлом (рис. 3, б). Обнаружено также, что на микроструктуру ме- талла шва оказывают влияние параметры импуль- сов. Так, сварные соединения, выполненные с ис- пользованием частоты импульсов 100 Гц, пока- зали более мелкую структуру, чем при частоте Рис. 2. Микроструктура и энергодисперсионный спектр распределения элементов в основном металле: а — твердый раствор алюминия; б — низкоплавящаяся фаза на границе зерен Т а б л и ц а 1. Характеристики микроструктуры сплава 2218 № образца fимп, Гц (ПВ, %) Средняя величина зерен α-Al, мкм Объем доли α-Al, % Средний размер зерна эв- тектики, мкм Объем доли эвтекти- ки, % 1 100 (35) 100 (35) 28,5 23,64 42,1 68,2 32,0 8,90 47,9 30,6 2 50 (30) 50 (30) 24,82 14,10 35,5 46,8 42,4 16,4 59,3 56,9 3 100 (30) 100 (30) 51,36 19,9 57,3 51,2 28,48 17,9 55,3 48,6 4 50 (35) 50 (35) 50,11 12,65 57,3 16,3 20,30 51,5 36,2 73,7 Пр и м е ч а н и я . 1. Образцы № 1, 2 — образцы металла шва, 3, 4 — металла ЗТВ. 2. В числителе приведены данные после сварки, в знаменателе — после термообработки. 28 4/2009 Рис. 3. Микроструктура и энергодисперсионный анализ металла ЗТВ (а) и металла шва (б) сварного соединения сплава 2218 Рис. 4. Микроструктура металла шва, полученная при частоте импульсов 50 (а) и 100 Гц (б), после сварки 4/2009 29 Рис. 5. Микроструктура основного металла (а), металла ЗТВ (б) и границы сплавления (в) после термической обработки Рис. 6. Микроструктура металла шва, полученного при частоте импульсов 50 (а) и 100 Гц (б) после термической обработки 30 4/2009 50 Гц (рис. 4). Эти наблюдения имеют отношение к более ранним разработкам [2–4, 9–11]. Послес- варочная термическая обработка (Т6) сварных со- единений показала существенные изменения в микроструктуре всех зон — основного металла, металла ЗТВ, границ сплавления и металла шва (рис. 5, 6), а также привела к сокращению доли кристаллов второй фазы (рис. 6). Микроструктура послесварочных образцов, которые прошли тер- мическую обработку, показала, что она ведет к растворению низкоплавящихся фаз по границе зе- рен, и в то же время происходит сфероидизация эвтектического кремния в металле шва. Сокра- щение доли вторичных частиц и мелких выде- лений из металла шва и ЗТВ должно уменьшить микротвердость. Микротвердость металла шва, полученная при частоте импульсов 100 Гц, оказалась выше, чем полученная при частоте 50 Гц (табл. 2). Увели- чение микротвердости металла шва может про- исходить в результате измельчения зерен α-Al при более высокой частоте импульсов. Изменение твердости в зависимости от расстояния от центра шва приведено на рис. 7, 8. Как видно из рис. 7, частота импульсов оказывает большее влияние на микротвердость в состоянии после сварки, чем при термической обработке, однако влияние пос- лесварочной обработки на микротвердость от цен- тра шва до основного металла более очевидно (рис. 8). После термической обработки твердость заметно уменьшается, что может быть обуслов- лено возвратом и перестариванием выделений вблизи линии сплавления и в металле ЗТВ, пос- кольку алюминиево-медные сплавы, как известно, имеют склонность к перестариванию во время сварки [2]. Понижение твердости также может быть объяснено укрупнением алюминиевых зерен и растворением частицы второй фазы в матрице алюминия. Обнаружено, что твердость металла шва в условиях термической обработки ниже, чем в состоянии после сварки при обеих импульсных частотах. К тому же послесварочная закалка уве- личила согласованность показателей твердости металла шва и ЗТВ. В заключение следует отметить, что доля низ- коплавящейся вторичной фазы, богатой легиру- ющими элементами и проходящей по границе зе- рен, уменьшается с приближением от основного металла к границе сплавления. Более высокая частота импульсов (100 Гц) приводит к более мелкой структуре зерен в ме- талле шва по сравнению с более низкой частотой импульсов (50 Гц). Термическая обработка приводит к существен- ному сокращению доли составляющей второй фа- зы в металле ЗТВ и металле шва, при этом про- исходит сфероидизация эвтектического кремния. Послесварочная термообработка приводит к значительному снижению твердости металла шва и ЗТВ, однако согласованность распределения твердости от основного металла до границы сплавления шва увеличивается. 1. Dudas J., Handins F. R. Preventing weld cracks in high strength aluminum alloys // Welding J. — 1966. — № 6. — P. 241–249. 2. Sindo Kou. Welding metallurgy. — 2nd ed. — New York: John Wiley & Sons, 2003. Рис. 7. Распределение микротвердости в металле сварного соединения, выполненного при частоте импульсов 100 (1) и 50 Гц (2), в состоянии после сварки (а) и последующей тер- мической обработки (б) Рис. 8. Распределение микротвердости в металле сварного соединения, выполненном после сварки (1) и последующей термообработки (2) и частоте импульсов 50 (а) и 100 Гц (б) Т а б л и ц а 2. Микротвердость металла шва соединений сплава 2218 № образца fимп, Гц ПВ, % Микротвердость (HV) в условиях после сварки после термообработки 1 100 35 122,2 71,2 2 50 30 109,8 74,25 4/2009 31 3. Ma T., Den Ouden G. Softening Behaviour of Al–Mg–Zn al- loys due to welding // Mater. Sci. and Eng. A. — 1999. — 266. — P. 198–204. 4. K. Prasada Rao. Fusion zone grain refinement in GTA welds using magnetic arc oscillation and current pulsing // Proc. of the National conf. on recent advances in materials processing (RAMP-2001), 7–8 Sept., 2001. — 2001. — P. 176–196. 5. Grain refinement through arc manipulation techniques in Al–Cu welds / K. Rao, S. R. Madhusudan Reddy, G. Kama- raj, M. K. P. Rao // Mater. Sci. and Eng. A. — 2005. — 404. — P. 227–234. 6. Haung C., Kou S. Liquation cracking in full penetration Al– Cu welds // Welding J. — 2004. — № 2. — P. 50–58. 7. Haung C., Kou S. Liquation mechanisms in multi component aluminum alloys during welding // Ibid. — 2004. — № 10. — P. 211–222. 8. Gupta R. K., Narayan Murty S. V. S. Analysis of crack in aluminium alloy AA2219 weldment // Eng. Failure Analysis. — 2006. — № 13. — P. 1370–1375. 9. Manti R., Dwivedi D. K., Agarwal A. Pulse TIG welding of two Al–Mg–Si alloys // Mater. Eng. and Performance (ac- cepted). 10. Manti R., Dwivedi D. K., Agarwal A. Microstructure and hardness of Al–Mg–Si weldments produced by pulse GTA welding // Intern. J. of Advance Manufacturing Technology. — 2008. — 36, № 3/4. — P. 269–263. 11. Manti R., Dwivedi D. K. Influence of pulse TIG welding pa- rameters on microstructure and microhardness of Al–Mg–Si alloys weld joints // Intern. conf. on advances in materials processing and characterization, Chennai: Anna University, 2006, 28–30 Aug. — P. 524–531. The paper deals with the microstructure, phase composition and microhardness of metal in welded joints of aluminium-copper alloy (Al 2218) made by gas-shielded tungsten-electrode pulsed-arc welding in as-welded condition and after heat treatment. Heat treatment lowers the hardness of welded joint metal. High frequency of pulses (100 Hz) promotes achievement of a more fine-grained structure of weld metal compared to 50 Hz frequency. Heat treatment leads to a significant reduction of the share of the second phase in the metal of the HAZ and weld as a result of eutectic silicon spheroidization. Поступила в редакцию 11.06.2008 ЭЛЕКТРОЛИТНО-ПЛАЗМЕННАЯ ОБРАБОТКА Процесс ЭПО осуществляется на установках, имеющих следующую схему. Изделие уста- навливают на стандартный манипулятор. Под изделие, которое является катодом, подводят электролитный нагреватель, включенный в электрическую цепь как анод. Электролит из бака подается насосом в нагреватель и замыкает электрическую цепь между электродом (сетчатым анодом) и поверхностью изделия через электролит (водный раствор соли). Преобразование электрической энергии в тепло идет в слое плазмы, приграничном изделию (катоду). Плазмообразующим материалом является электролит на водной основе, поэтому им же осу- ществляется охлаждение нагретой поверхности. Для повышения производительности обработ- ку можно выполнять несколькими нагревателями одновременно. ЭПО повышает работоспособ- ность изделия в 2-3 раза. Технология позволяет в широких пределах изменять скорость нагрева и охлаждения (50–400 оC/c) и соответственно толщину закаленного слоя (от 0,1 до 10 мм). Контакты: Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, 03680, Украина, Киев-150, ул. Боженко, 11, отд. № 6. Тел.: (38044) 287 26 88 32 4/2009

Структура и твердость металла сварных соединений алюминиево-медного сплава

Institution

Ähnliche Einträge