Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин

Определена стойкость швов против зарождения и распространения трещин при растяжении образцов с концент- ратором, полученных сваркой трением с перемешиванием и аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом пластичных низколегированных и высокопрочных сложнолегированных алюминиевых сплавов толщиной 1,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2011
1. Verfasser: Покляцкий, А.Г.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2011
Schriftenreihe:Автоматическая сварка
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102916
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:Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуата- ционных трещин / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 10 (702). — С. 7-11. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102916
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1029162025-02-09T09:56:03Z Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин Resistance of welds of thin-sheet aluminium alloys against initiation and propagation of in-service cracks Покляцкий, А.Г. Научно-технический раздел Определена стойкость швов против зарождения и распространения трещин при растяжении образцов с концент- ратором, полученных сваркой трением с перемешиванием и аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом пластичных низколегированных и высокопрочных сложнолегированных алюминиевых сплавов толщиной 1,8 мм. Показано, что швы, полученные при сварке без расплавления металла, имеют более высокую стойкость против зарождения и распространения эксплуатационных трещин. Weld resistance to crack initiation and propagation at tension of samples with a stress raiser obtained by friction stir welding and nonconsumable electrode argon-arc welding of ductile low-alloyed and high-strength complex-alloyed aluminium alloys 1.8 mm thick was determined. It is shown that welds obtained in welding without metal melting, have a higher resistance to in-service crack initiation and propagation. 2011 Article Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуата- ционных трещин / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 10 (702). — С. 7-11. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102916 621.791.76:669.71. 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
Покляцкий, А.Г.
Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
Автоматическая сварка
description Определена стойкость швов против зарождения и распространения трещин при растяжении образцов с концент- ратором, полученных сваркой трением с перемешиванием и аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом пластичных низколегированных и высокопрочных сложнолегированных алюминиевых сплавов толщиной 1,8 мм. Показано, что швы, полученные при сварке без расплавления металла, имеют более высокую стойкость против зарождения и распространения эксплуатационных трещин.
format Article
author Покляцкий, А.Г.
author_facet Покляцкий, А.Г.
author_sort Покляцкий, А.Г.
title Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
title_short Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
title_full Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
title_fullStr Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
title_full_unstemmed Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
title_sort стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуатационных трещин
publisher Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate 2011
topic_facet Научно-технический раздел
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102916
citation_txt Стойкость швов тонколистовых алюминиевых сплавов против зарождения и распространения эксплуата- ционных трещин / А.Г. Покляцкий // Автоматическая сварка. — 2011. — № 10 (702). — С. 7-11. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
series Автоматическая сварка
work_keys_str_mv AT poklâckijag stojkostʹšvovtonkolistovyhalûminievyhsplavovprotivzaroždeniâirasprostraneniâékspluatacionnyhtreŝin
AT poklâckijag resistanceofweldsofthinsheetaluminiumalloysagainstinitiationandpropagationofinservicecracks
first_indexed 2025-11-25T14:23:10Z
last_indexed 2025-11-25T14:23:10Z
_version_ 1849772572284026880
fulltext УДК 621.791.76:669.71 СТОЙКОСТЬ ШВОВ ТОНКОЛИСТОВЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРОТИВ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТРЕЩИН А. Г. ПОКЛЯЦКИЙ, канд. техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины) Определена стойкость швов против зарождения и распространения трещин при растяжении образцов с концент- ратором, полученных сваркой трением с перемешиванием и аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом пластичных низколегированных и высокопрочных сложнолегированных алюминиевых сплавов толщиной 1,8 мм. Показано, что швы, полученные при сварке без расплавления металла, имеют более высокую стойкость против зарождения и распространения эксплуатационных трещин. К л ю ч е в ы е с л о в а : сварка трением с перемешиванием, аргонодуговая сварка неплавящимся электродом, тонколис- товые алюминиевые сплавы, эксплуатационные трещины При изготовлении сварных конструкций различ- ного назначения широко используют пластичные низколегированные и высокопрочные сложноле- гированные алюминиевые сплавы. Для получения неразъемных соединений в большинстве случаев применяют различные способы сварки плавлени- ем. При этом сварной шов образуется в результате расплавления определенного объема соединяемых материалов и присадочной проволоки в общей сварочной ванне и последующей их кристалли- зации в защитном инертном газе. Полученные швы имеют литую дендритную крупнокристал- лическую структуру, вследствие чего их механи- ческие свойства, как правило, уступают таковым основного материала [1, 2]. Избежать расплавления металла в зоне фор- мирования шва и максимально сохранить в свар- ных узлах свойства исходных материалов удается использованием сварки в твердой фазе трением с перемешиванием [3, 4]. В результате нагрева алюминиевого сплава за счет трения в зоне сварки только до пластического состояния, интенсивного перемешивания, деформирования в ограниченном объеме и уплотнения его рабочими поверхнос- тями инструмента в шве формируется мелкодис- персная структура, а основной материал в зоне термического влияния разупрочняется меньше, чем при сварке плавлением. Благодаря этому по- вышаются временное сопротивление таких сое- динений при одноосном растяжении образцов [5– 7], усталостная прочность их при циклических нагрузках [8, 9] и стойкость против коррозии в агрессивных средах [10, 11], а также снижаются уровни остаточных напряжений и деформаций [12, 13]. Однако для оценки работоспособности сварных конструкций часто большое значение имеет стойкость швов против зарождения и рас- пространения трещин в процессе эксплуатации. Целью настоящей работы была оценка стойкости швов тонколистовых алюминиевых сплавов, вы- полненных аргонодуговой сваркой неплавящимся электродом (АДСНЭ) и сваркой трением с пере- мешиванием (СТП), против зарождения и расп- ространения трещин. Исследованы широко применяемые при изго- товлении различных сварных конструкций плас- тичные низколегированные (АМцН и АМг2М) и высокопрочные сложнолегированные алюминие- вые сплавы (АМг6М, 1201, 1420 и 1460). Листы толщиной 1,8 мм сваривали способом автомати- ческой АДСНЭ со скоростью 20 м/ч на установке MW-450 («Fronius», Австрия) на токах 130…145 А с использованием в качестве приса- док полосок из соответствующих сплавов (для сплава АМцН и АМг2М) или сварочных проволок СвАМг6, СвАМг63 (для сплавов АМг6М и 1420) и Св1201 (для сплавов 1201 и 1460). Способ СТП осуществляли на лабораторной установке, скон- струированной в ИЭС им. Е. О. Патона. Для получения стыковых соединений исполь- зовали специальный инструмент с коническим на- конечником и буртом диаметром 12 мм. Скорость вращения инструмента составляла 1420 об/мин, а линейная скорость его перемещения вдоль сты- ка — 18…14 м/ч. Характеристики сопротивления разрушению основного материала и швов сварных соединений определяли на образцах Кана [14] с острым (R = = 0,1 мм) надрезом длиной 11 мм (рис. 1), обеспе- чивающим зарождение трещины при относительно низком энергетическом уровне с помощью универ- сальной испытательной машины РУ-5. Надрез рас- полагали таким образом, чтобы его вершина сов- падала с осью шва. При этом площадь попереч- ного сечения образцов составляла 44,75 мм2. Для каждого образца временное сопротивление при внецентренном растяжении σр и удельную работу© А. Г. Покляцкий, 2011 10/2011 7 распространения трещины (УРРТ) определяли с помощью полученных в ходе испытаний диаг- рамм нагрузка–деформация. Результаты исследований показали, что наи- более высокой пластичностью отличается сплав АМцН. Даже наличие концентратора в виде острого (R = 0,1 мм) надреза не всегда приводит к за- рождению трещины у его вершины, и образец при его растяжении может разрушаться за пре- делами критической зоны, в которой этот надрез расположен (рис. 2, а). Если же трещина все-таки зарождается у вер- шины концентратора напряжений, то при растя- жении образца процесс ее распространения про- исходит очень медленно (рис. 3, а). Значение вре- менного сопротивления при растяжении таких об- разцов из основного материала сплава АМцН на- ходится на уровне 261 МПа. Испытания образцов сварных соединений, по- лученных АДСНЭ, показали, что образующаяся возле концентратора напряжений трещина расп- ространяется по металлу шва (рис. 2, б). Зарож- дение и распространение трещин при растяжении таких образцов происходит намного быстрее, чем в основном материале (рис. 3). При этом значение временного сопротивления металла шва сущест- венно ниже, чем у основного материала и нахо- дится на уровне 191 МПа. В образцах, полученных в твердой фазе спо- собом СТП, трещина, зародившаяся у вершины концентратора, смещается в зону термомехани- ческого воздействия (рис. 2, в). При этом вре- менное сопротивление металла в этой зоне при- мерно такое же, как и в металле швов, выпол- ненных плавлением, и составляет 192 МПа, а диа- грамма, отражающая характер зарождения и рас- пространения трещины, очень похожа на полу- ченную при испытании образцов, выполненных АДСНЭ (рис. 3, а). Зарождение трещин в металле швов происхо- дит легче, чем в основном материале, но стойкость швов против распространения зародившейся у вершины концентратора напряжений трещины выше по сравнению с основным материалом. Об этом свидетельствуют значения УРРТ, которые для образцов, выполненных СТП и АДСНЭ, сос- Рис. 1. Схема образца Кана для определения временного сопротивления металла и УРРТ в условиях изгиба и растя- жения Рис. 2. Внешний вид разрушенных образцов основного материала (а) и сварных соединений сплава АМцН, полученных способом АДСНЭ (б) и СТП (в) Рис. 3. Диаграмма нагрузка–деформация, полученная при ис- пытании образцов основного материала (1) и сварных соеди- нений сплавов АМцН (а), АМг2М (б) и АМг6М (в), выполненных способом СТП (2) и АДСНЭ (3) 8 10/2011 тавляют соответственно 7,0 и 6,9 Дж/см2, а у ос- новного материала — всего 4,5 Дж/см2. Низколегированный алюминиевый сплав АМг2М также имеет достаточно высокую плас- тичность, поэтому концентратор в виде острого надреза не вызывает мгновенного зарождения и распространения трещины (рис. 3, б). Значение временного сопротивления таких образцов нахо- дится на уровне 256 МПа. В образцах, полученных способом АДСНЭ, тре- щина распространяется по металлу шва, a их вре- менное сопротивление при растяжении составляет 214 МПа. При испытании образцов, полученных способом СТП, трещина переходит из центральной части шва в зону сопряжения его с основным ма- териалом. Значение временного сопротивления та- ких швов находится на уровне 270 МПа. Зарождение и распространение трещин при растяжении образцов легче происходит в швах, сваренных неплавящимся электродом. Так, УРРТ при их испытании достигает 4,9 Дж/см2, что сос- тавляет 68 % значения этого показателя у образ- цов, полученных СТП, хотя основной материал сплава АМг2М имеет более высокую стойкость против зарождения и распространения трещины, чем металл швов. Сплав АМг6М также характеризуется доста- точно высоким уровнем пластичности. Процесс зарождения трещины у вершины концентратора напряжений происходит плавно, но распростра- няется она значительно быстрее, чем в низколе- гированных сплавах (рис. 3, в). Значение времен- ного сопротивления образцов основного матери- ала этого сплава находится на уровне 415 МПа. В образцах, полученных способом АДСНЭ, рас- пространение зародившейся у вершины острого надреза трещины происходит по металлу шва. Вре- менное сопротивление металла такого шва ниже по сравнению с основным материалом и состав- ляет 361 МПа. При растяжении образцов, выпол- ненных способом СТП, трещина смещается в зону сопряжения шва с основным материалом, а значение их временного сопротивления находится на уровне 436 МПа. Распространение трещины при растяжении в образцах, выполненных с применением СТП, про- исходит даже медленнее, чем в основном мате- риале. Так, УРРТ в металле шва таких образцов находится на уровне 8,8 Дж/см2, тогда как для сплава АМг6М этот показатель равен 5,7 Дж/см2, в металле швов, полученных сваркой плавлением, — 4,7 Дж/см2. Фрактографический анализ поверхностей из- ломов образцов сварных соединений, полученных СТП, свидетельствует о вязком характере разру- шения швов (рис. 4). В центральной части шва у вершины концентратора в виде острого надреза на поверхности излома отчетливо выделяются мелкие ямки с тонкими гребнями. Мелкодиспер- сная структура швов обеспечивает большую сум- марную протяженность границ зерен, что препят- ствует резкому повышению концентрации напря- жений и сдерживает распространение магистраль- ной трещины по металлу шва. Растяжение таких образцов из сплава 1201 с концентратором напряжений в виде острого над- реза приводит к быстрому зарождению и расп- ространению трещины (рис. 5, а). Временное соп- ротивление основного материала (сплава 1201) составляет около 479 МПа. В образцах сварных соединений сплава 1201, полученных АДСНЭ, зарождающаяся у вершины острого надреза трещина распространяется по ме- таллу шва. Временное сопротивление металла швов составляет приблизительно 335 МПа. При испытании образцов, выполненных способом СТП, трещина смещается в зону сопряжения с основным материалом. Временное сопротивление металла в этой зоне достигает 449 МПа. Мини- мальное значение УРРТ в основном материале (2,7 Дж/см2) свидетельствует о том, что процесс распространения трещины в нем происходит лег- че, чем в металле швов, полученных как в твердой фазе, так и плавлением. Высокопрочный алюминиево-литиевый сплав 1420 более хрупкий, чем сплав АМг6М, поэтому Показатели сопротивления разрушению при растяжении образцов Кана из алюминиевых сплавов и их соедине- ний, полученных способами СТП и АДСНЭ Свариваемый сплав Способ сварки Присадочны й материал Временное сопротивление σр, МПа УРРТ, Дж/см2 АМцН — — 261 4,5 СТП — 192 7,0 АДСНЭ АМцН 191 6,9 АМг2М — — 256 9,5 СТП — 270 7,2 АДСНЭ АМг2М 214 4,9 АМг6М — — 415 5,7 СТП — 436 8,8 АДСНЭ СвАМг6 361 4,7 1201 — — 479 2,7 СТП — 449 3,8 АДСНЭ Св1201 335 3,7 1420 — — 458 2,6 СТП — 385 4,3 АДСНЭ СвАМг63 421 5,3 1460 — — 571 8,5 СТП — 410 4,5 АДСНЭ Св1201 366 2,7 10/2011 9 и зарождение трещины у вершины острого над- реза происходит при растяжении образца основ- ного материала значительно быстрее (рис. 5, б), а зародившаяся трещина распространяется прак- тически мгновенно. Значение временного сопро- тивления основного материала сплава 1420 на- ходится на уровне 458 МПа. Образовавшаяся у вершины острого надреза трещина в образцах, полученных сваркой плав- лением, распространяется по металлу шва, а в об- разцах, выполненных СТП, смещается в зону соп- ряжения шва с основным материалом. Временное сопротивление таких образцов составляет 421 и 385 МПа. При этом характер зарождения и рас- пространения трещин в металле швов, получен- ных в твердой фазе, приблизительно такой же, как и в основном материале (рис. 5, б). Распространение трещины, образующейся у вер- шины острого надреза, наиболее легко происходит в основном материале, у которого минимальное зна- чение УРРТ составляет 2,6 Дж/см2. Для швов, по- лученных как в твepдoй фaзe, так и плавлением, этот показатель существенно выше — соответствен- но 5,3 и 4,3 Дж/см2. Сплав 1460 также отличается невысокой плас- тичностью, вследствие чего зарождение трещины при растяжении образца основного материала про- исходит практически так же быстро, как и у сплава 1420, а распространение — несколько медленнее, примерно как у сплава 1201 (рис. 5, в). Значение временного сопротивления образцов основного ме- талла сплава 1460 составляет около 571 МПа. Распространение трещины в образцах, выпол- ненных сваркой плавлением, происходит по ме- таллу шва, а временное сопротивление металла таких швов составляет приблизительно 366 МПа. В образцах, полученных СТП, трещина смещается в зону сопряжения шва с основным материалом. При этом металл имеет более высокое значение временного сопротивления — 410 МПа. Распространение трещины, образующейся у вершины надреза, легче происходит в металле шва, полученного АДСНЭ, для которого УРРТ составляет всего 2,7 Дж/см2. Для металла шва, выполненного в твердой фазе, этот показатель намного выше (4,5 Дж/см2) и равняется 53 % уровня основного материала. Фрактографический анализ поверхностей из- ломов швов, выполненных на сплаве 1460 СТП Рис. 4. Фрактограммы (×500) поверхностей разрушения шва (а) и зоны сопряжения его с основным материалом (б), полученные при испытании образцов сплава АМг6М, выполненных способом СТП Рис. 5. Диаграмма нагрузка–деформация, полученная при ис- пытании образцов основного материала (1) и сварных соеди- нений сплавов 1201 (а) и 1420 (б) и 1460 (в), выполненных способом СТП (2) и АДСНЭ (3) 10 10/2011 (рис. 6), показывает, что они имеют вид, типичный для пластических материалов, которым свойс- твенно высокоэнергоемкое разрушение по вязко- му механизму. Бороздчатый вид рельефа форми- руется в результате пластического смещения ма- териала при растяжении образцов. В зоне соп- ряжения шва с основным материалом существен- но увеличивается протяженность плоских участ- ков рельефа, свидетельствующих о большей хруп- кости материала с такой структурой. Поэтому тре- щина, инициированная острым надрезом в цен- тральной части шва, в процессе растяжения об- разца смещается в зону сопряжения шва с ос- новным материалом, где она распространяется при более низких уровнях концентрации напря- жений и требует меньших энергетических затрат. Таким образом, сопротивление разрушению швов алюминиевых сплавов АМг2М, АМг6М, 1201 и 1460, выполненных в твердой фазе СТП, имеют более высокие значения, чем у сваренных плавле- нием. Это свидетельствует об их более высокой стойкости против зарождения и распространения трещин. Швы, отличающиеся сверхвысокой пластич- ностью низколегированного сплава АМцН, выпол- ненные как в твердой фазе, так и сваркой плавлением, имеют одинаковые значения временного сопротив- ления и УРРТ. При сварке плавлением сплава 1420 и применении присадочного материала обеспечива- ются более высокие показатели сопротивления раз- рушению швов, чем при СТП. 1. Рабкин Д. М., Лозовская А. В., Склабинская И. Е. Метал- ловедение сварки алюминия и его сплавов / Отв. ред. В. Н. Замков. — Киев: Наук. думка, 1992. — 160 с. 2. Машин В. С., Покляцкий А. Г., Федорчук В. Е. Механи- ческие свойства соединений алюминиевых сплавов при сварке плавящимся и неплавящимся электродом // Авто- мат. сварка. — 2005. — № 9. — С. 43–49. 3. А. с. 195846 СССР, МПК 23 В к 35/02. Способ сварки ме- таллов трением / Ю. В. Клименко. — Опубл. 04.05.67, Бюл. № 10. 4. Intern. Pat. Application PCT/GB 92/02203. Friction stir butt welding / W. M. Thomas, E. D. Nicholas, J. C. Needham. — Publ. 1991. 5. Pietras A., Zadroga L. Rozwoj metody zdrzewania tarciowe- go z mieszaniem materialu zgrzeiny (FSW) i mozliwosci jej zastosowania // Biuletyn Instytutu Spawalnictwa w Gliwi- cach. — 2003. — № 5. — S. 148–154. 6. Structure and mechanical properties of ADC 12 and A5083 dissimilar friction stir welded joints / F. Ye, T. Tsumura, T. Komazaki, K. Nakata // Trans. JWPJ. — 2006. — № 1. — P. 53–56. 7. Служебные характеристики соединений алюминиевых сплавов 1201 и АМг6, выполненных фрикционной свар- кой / В. А. Половцев, М. М. Штрикман, Г. В. Шило и др. // Свароч. пр-во. — 2005. — № 2. — С. 8–14. 8. Kluken A., Ranes М. Aluminium bridge constructions — welding technology and fatigue properties // Svetsaren. — 1995. — № 3. — P. 13–15. 9. Ericsson M., Sandstrom R. Influence of melding speed on the fatigue of friction stir welds, and comparison with MIG and TIG // Intern. J. of Fatigue. — 2003. — № 25. — P. 1379–1387. 10. Enomoto M. Friction stir welding: research and industrial ap- plications // Welding Intern. — 2003. — № 5. — P. 34l– 345. 11. Фрикционная сварка листовых конструкций из алюми- ниевых сплавов 1201 и АМг6 / М. М. Штрикман, В. А. Половцев, Г. В. Шило и др. // Свароч. пр-во. — 2004. — № 4. — С. 41–47. 12. Lanciotti A., Vitali F. Characterization of friction welded joints in aluminium alloy 6082-T6 plates // Welding Intern. — 2003. — № 8. — P. 624–630. 13. Jata K. V., Sankaran K. K., Ruschau J. J. Friction stir wel- ding effects on microstructure and fatigue of aluminum alloy 7050-T7451 // Metallurgical Transactions А. — 2000. — № 31. — P. 2181–2192. 14. Качанов Л. М. Основы механики разрушения. — М.: На- ука, 1974. — 311 с. Weld resistance to crack initiation and propagation at tension of samples with a stress raiser obtained by friction stir welding and nonconsumable electrode argon-arc welding of ductile low-alloyed and high-strength complex-alloyed aluminium alloys 1.8 mm thick was determined. It is shown that welds obtained in welding without metal melting, have a higher resistance to in-service crack initiation and propagation. Поступила в редакцию 11.04.2011, в окончательном варианте 06.05.2011 Рис. 6. Фрактограммы (×500) поверхностей разрушения шва (а) и зоны сопряжения его с основным материалом (б), полученные при испытании образцов сплава 1460, выполненных способом СТП 10/2011 11