При электронно-лучевой и лазерной сварке алюминиево-литиевых сплавов следует строго регламентировать тепловложение, используя пульсирующие режимы сварки.

Дата публикации: 22/08/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Рассмотрены технологические возможности повышения прочности и вязкости разрушения сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов для обеспечения надежности и безопасной эксплуатации конструкций.
Доктором технических наук Лабур Т.М. из ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины, показано, что благодаря использованию при сварке низкой погонной энергии и новых модифицированных сварочных проволок с уменьшенным количеством вредных примесей обеспечивается достаточный уровень механических свойств во всех структурных зонах соединений. На протяжении длительного периода времени металловеды, технологи и конструкторы пытались создать цельносварные конструкции аэрокосмической техники взамен обычных сборно-клепанных.
Это предопределяет острую необходимость в разработке высокопрочных хорошо свариваемых алюминиевых сплавов с высокой удельной прочностью.
Потребовалась также разработка конструкций с широким использованием различных сборно-сварных и монолитных элементов: прессованных панелей, лонжеронов и профилей разъемов, крупногабаритных листовых штамповок для деталей крыла и фюзеляжа.
Решить эти задачи стало возможным с появлением нового класса высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих литий: Аl-Li-Mg (1420, 1421, 1423, 1424) и Аl-Li-Cu (1450, 1451, 1460, 1461, 1463, 1464, 1468) с пределом прочности соответственно 400...420 и 500...550 МПа, которые хорошо свариваются различными способами сварки.
Этому способствовало уникальное сочетание свойств, которыми характеризуются алюминиево-литиевые сплавы, а именно: высокие значения прочности и модуля упругости при малом удельном весе, что отличает их от традиционных алюминиевых сплавов. А сравнительно малая скорость роста усталостных трещин сплавов, высокие значения критического коэффициента интенсивности напряжений, малоцикловой усталостной долговечности, сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением, расслаивающей и межкристаллитной коррозии позволяют отнести их к классу наиболее перспективных материалов для создания образцов новой техники с улучшенными тактико-техническими параметрами. Эти особенности алюминиево-литиевых сплавов были использованы при создании цельносварного алюминиевого самолета, где впервые применили гермосиловые баковые отсеки каркасной конструкции. Однако в ходе изготовления и эксплуатации были выявлены отдельные недостатки как собственно конструкции, так и сплава 1420, в частности, его низкая пластичность, которые впоследствии были нивелированы путем введения добавок редкоземельных металлов в состав сплавов, разработки новой технологии плавки и разливки, а также использования рационального проектирования конкретных деталей и узлов.
Высокая удельная прочность и повышенный модуль упругости алюминиево-литиевых сплавов позволяют сократить массу конструкции на 8... 15 %.
Новые конструктивные решения обеспечили уменьшение количества подкрепляющих элементов и герметизирующих материалов, что дополнительно снижает массу на 12 %. Такой эффект использования алюминиево-литиевых сплавов в изделиях аэрокосмической техники позволил существенно повысить технико-экономические характеристики изделия, что весьма важно для сокращения расходов на топливо и улучшения летных показателей.
Целью данной работы являлось обобщение опубликованных результатов исследований о влиянии термического цикла сварки на структуру и свойства соединений алюминиево-литиевых сплавов и обоснование технологических путей повышения надежности сварных конструкций при эксплуатации. К настоящему времени преодолены технологические трудности получения качественных сварных соединений, связанные с разупрочнением металла, образованием неоднородной структуры в различных участках, а также внутренних дефектов — пор и оксидных плен.
Результаты исследования особенностей формирования сварных соединении алюминиево-литиевых сплавов при сварке плавлением стали основой для разработки оригинальных технологий сварки, использование которых обеспечивает получение плотных швов с высокими значениями физико-механических свойств.
Прочность соединений, полученных дуговой сваркой, составляет при этом 75...85 % уровня прочности основного металла.
Использование электронно-лучевой (лазерной – прим.ред.) сварки позволяет получить соединения с прочностью, близкой к основному металлу.
В этом случае протяженность ЗТВ существенно сокращается по сравнению с соединениями, выполненными дуговой сваркой. Улучшение свойств отмечается не только в металле шва, но и в наиболее слабой зоне соединений — на границе его сплавления с основным металлом, что обусловлено образованием мелкокристаллической структуры в шве. Тем не менее, как оказалось, перегрев металла во время сварки вызывает снижение уровня критического коэффициента интенсивности напряжения в большей степени, особенно в зоне сплавов, по сравнению с традиционными сплавами систем легирования Аl-Мg-Мn и Аl-Сu-Мn.
Развитие охрупчивания алюминиево-литиевых сплавов в зоне нагрева увеличивает вероятность зарождения трещин в соединении в условиях эксплуатации.
Проблема защиты сварных конструкций от преждевременного разрушения, являющаяся одной из острейших для народного хозяйства, тесно связана с экономикой. Потери металла при разрушении исчисляются миллиардами гривен в год.
В связи с этим в процессе создания новых изделий аэрокосмической техники необходимо учитывать влияние технологических факторов сварки на особенности формирования структуры в различных зонах соединений алюминиево-литиевых сплавов и причины, вызывающие охрупчивание металла. Разработка и реализация комплекса мероприятий позволит повысить уровень прочности и вязкости разрушения сварных соединений и улучшить их работоспособность в различных условиях эксплуатации.
Появление условий для ускоренного зарождения и распространения трещин вблизи хрупких фазовых включений обусловлено характерным оплавлением структурных составляющих, которое возникает в алюминиевых сплавах под влиянием температуры неравновесного солидуса при сварке. Образование в межзеренном пространстве протяженных хрупких участков из пересыщенных и интерметаллидных фаз, затрудняющих пластическую деформацию металла, связано с его продолжительным пребыванием в условиях высоких температур (673...773 К), сопровождающих сварочный процесс.
Последнее приводит как к интенсивному развитию неоднородности структуры, так и распределению легирующих элементов и примесей, содержащихся в различных зонах сварных соединений, к их сегрегации вдоль границ зерен. По мере увеличения объемной доли таких участков в структуре сварного соединения отмечается повышение уровня концентрации напряжения, на что указывает образование плоских участков рельефа вдоль границ кристаллитов и зерен на изломах разрушенных образцов.
Это сопровождается снижением характеристик сопротивления разрушению: номинального разрушающего напряжения металла σр от 340 до 265 МПа, критического коэффициента интенсивности напряжения Кс от 29,5 до 21,5 МПа√м, критического раскрытия трещины δС от 0,14 до 0,03 мм, энергии зарождения Jс и удельной работы распространения трещины (УРРТ) соответственно от 5,8 и 7,5 до 2,5 и 3,8 Дж/см². Увеличение концентрации напряжения в результате наличия геометрического или механического надреза, включая усталостную трещину уменьшает на 40...55% значение критическогого коэффициента интенсивности напряжения Кс, определяющего условия разрушения.
Диапазон разброса значений данного показателя сопротивления разрушению изменяется в зависимости от радиуса остроты концентратора напряжений и напряженно-деформированного состояния структурных зон сварных соединений. Так, в металле шва он составляет 10 %, а в зонах сплавления и термического влияния — 20...25 %, что существенно отличается от сплавов систем Аl-Мg и Аl-Сu, не содержащих литий.
Неодинаковое влияние концентратора напряжения на показатель вязкости разрушения Кс в зонах сварных соединений обусловлено различным количеством обогащенных литием фаз, выделяющихся вдоль границ кристаллитов шва и зерен основного металла в процессе термического воздействия сварки.
Особенно резко оно проявляется в образцах соединений, вершина надреза в которых совмещена с границей сплавления шва с. основным металлом.
Обнаруженная зависимость связана с особенностями формирования структуры данной зоны соединения в условиях кристаллизации металла после сварочного нагрева. При дуговых способах сварки в структуре зоны сплавления отмечаются утолщенные границы зерен, наличие их тройных стыков и значительное количество оплавленных фаз. Увеличение плотности выделений вторичных фаз и укрупнение включений интерметаллидных фаз в металле ЗТВ вызывают образование участков с неблагоприятной структурой в виде отдельных скоплений или каркаса, повторяющего границы зерен.
При сварке электронным лучом обнаружена преимущественно полиэдрическая структура с редкими включениями оплавленных фаз.
Размеры и расположение фазовых включений в межзеренном пространстве, особенно на границе сплавления шва с основным металлом, влияют на концентрацию напряжения и объемную долю хрупких участков, т. е. на условия зарождения трещин в сварных соединениях алюминиево-литиевых сплавов. Наличие таких структурных участков вдоль границ зерен наряду с полосами сдвига, образующимися в процессе изготовления полуфабрикатов, ограничивает пластическую деформацию и способствует росту объёмно-напряженного состояния в сварных соединениях.
Полосы сдвига, являясь местами, ослабленными из-за локализации деформации, как бы предопределяют хрупкий характер зарождения трещин в металле ЗТВ на участках контакта полосы скольжения с границей кристаллита или зерна.
Суммарное действие приложенных напряжений и локальной концентрации напряжений в окрестности фаз и полос сдвига становится причиной интенсивного зарождения трещин как по телу, так и вдоль границы контакта с матрицей. Аналогичная зависимость сопротивления разрушению от состояния структуры в зонах сварного соединения прослеживается и по характерному изменению критического раскрытия трещины δС и энергии ее зарождения (J-интеграла). Граница сплавления шва с основным металлом отличается минимальными значениями сопротивления разрушению по сравнению с другими структурными зонами сварного соединения, что необходимо учитывать при проектировании изделий ответственного назначения. Показатели Кс и δс данной зоны соединения соответственно 23 МПал/м и 0,04 мм.
Значения Jс и УРРТ, отражающие особенности и характер зарождения и распространения трещины, зависят от химического состава свариваемых сплавов. У сплава 1421 (содержит магний) они составляют соответственно 3,1 и 4,5 Дж/см², медьсодержащий сплав 1460 имеет большие значения JС (4,0 Дж/см²) и УРРТ (6,2 Дж/см²).
Установленные закономерности изменения свойств соединений алюминиево-литиевых сплавов свидетельствуют о значительном влиянии структурного состояния границ кристаллитов швов и зерен основного металла в зоне сварочного нагрева на прочность сцепления матрицы с выделениями фаз, определяющей склонность металла к хрупкому разрушению.
Особенно опасно наличие концентратора напряжения в металле сварных соединений для сложных условий эксплуатации конструкции, когда в результате действия турбулентного потока воздуха происходит изменение схемы нагружения или скорости деформации, а увеличение высоты полета приводит к изменению температуры.
Указанные эксплуатационные факторы приводят к дополнительной потере пластических свойств металла в конструкции, хотя при этом может иметь место увеличение прочности соединений до 400...420 МПа вследствие деформационного или низкотемпературного упрочнения. Степень снижения пластичности и вязкости разрушения зависит от объемной доли хрупких локальных участков, сформировавшихся в межзеренном промежутке при нагреве, и уровня рабочего напряжения. Достигая критического значения, в условиях эксплуатации (в соответствии с теорией Гриффитса они приводят к зарождению трещины и определяют последующий характер ее распространения.
Повышенную склонность соединений алюминиево-литиевых сплавов к охрупчиванию можно объяснить их высокой степенью легирования по сравнению с другими высокопрочными базовыми сплавами систем легирования Аl-Мg-Мn и Аl-Сu-Мn, вследствие чего образуется избыточное количество фаз в межзеренном промежутке.
Их наличие и размеры препятствуют релаксации напряжений сплавов в процессе пластической деформации, что приводит к накоплению напряжений и возникновению вблизи фаз неблагоприятной дислокационной структуры компланарного типа, выявляемого после разрушения образцов при испытании. Хрупкое разрушение в этом случае происходит в результате протекания хотя и интенсивного, однако сильно локализованного пластического течения, которое может протекать при очень низком уровне сдвиговых напряжений и приводить при этом к возникновению мощных и опасных скоплений дислокаций, создающих условия для зарождения трещин.
Эту особенность алюминиево-литиевых сплавов связывают со склонностью лития к плоскому скольжению в ходе его перераспределения вдоль границ зерен, следствием которого является снижёние пластичности.
Снижение содержания лития в сплаве (до 1,7...1,9 мас. %) способствует увеличению в 1,5 раза такого показателя пластичности как относительное удлинение.
По результатам экспериментальных исследований установлено, что благоприятные теплофизические условия сварки обеспечивают способы, отличающиеся минимальным тепловложением: сварка пульсирующей дугой (10...13 х 105 Дж/м) или электронным лучом (1,2...1,4 х 105 Дж/м), что позволяет соответственно в 4 и 10 раз сократить протяженность участков, в которых присутствуют хрупкие межкристаллитные прослойки в швах и межзеренные в металле ЗТВ, а также микропустоты в зоне сплавления.
Такое состояние структуры сварных соединений обеспечивает повышение сопротивления металла зарождению трещин. Значение показателя σр в отдельных зонах соединений в этом случае увеличивается на 70... 100 МПа, а Кс — на 20...25 %. Улучшение качества металла обеспечивает повышение свойств не только в металле шва, но и в наиболее слабой зоне сварных соединений — на границе его сплавления с основным металлом. Уменьшение чувствительности металла к концентраторам напряжений создает предпосылки для обеспечения надежной эксплуатации сварных деталей и узлов из алюминиево-литиевых сплавов при производстве несущих панелей, отсеков и конструкции фюзеляжа в целом. При этом замена клепаных нахлесточных соединений на стыковые позволяет сократить количество поперечных швов путем использования длинномерных заготовок.
Положительное влияние на уровень физико-механических свойств алюминиево-литиевых сплавов также оказывает использование режимов двухступенчатого отжига с промежуточной деформацией до 3 %. Такая технологическая операция обеспечивает формирование благоприятной структуры сплавов, которая оказывает влияние на уровень характеристик сопротивления разрушению.
Введение правки после закалки подавляет процесс укрупнения хрупкой фазы, ускоряя растворение упрочняющей фазы δ, и несколько уменьшает ее размеры, что повышает значение показателя вязкости разрушения Кс на 10 %.
Улучшение показателей надежности достигается также путем оптимизации химического состава металла шва путем введения в состав присадочной проволоки скандия в пределах 0,4...0,6 %.
При этом не только снижается склонность алюминиево-литиевых сплавов к образованию горячих трещин, но и обеспечиваются высокие значения показателей вязкости разрушения: σр = З10...320 МПа, Кс = 25...28 МПа√м, δС = 0,05...0,07 мм, Jс = 4...6 Дж/см², УРРТ = 8...10 Дж/см².
Уровень прочности металла шва возрастает на 20 %, а относительное удлинение составляет 7 %.
Этому способствует формирование мелкокристаллитной и субзеренной структуры швов вследствие полного размерно-структурного сходства дисперсных частиц алюминида скандия Аl3Sс с матрицей. Наличие скандия в основном металле тормозит процессы рекристаллизации, протекающие при сварке алюминиевых сплавов, что сокращает протяженность зоны разупрочнения.
Отмеченный эффект очень важен для производства сварных конструкций аэрокосмической техники.
Он позволяет ослабить степень регламентации температурновременных условий сварки, ограничивающих склонность алюминиево-литиевых сплавов к разупрочнению, поскольку протяженность ЗТВ зависит не только от способа сварки, но и от химического состава сплава.
Как показали исследования, действие сварочного нагрева на прочность и вязкость металла сварных соединений проявляется в меньшей степени у сплавов, содержащих магний в качестве основного легирующего компонента, чем у сплавов с медью. Это обусловлено способностью магния в большей степени, чем добавка меди, ускорять процессы выделения упрочняющей фазы δ' и увеличивать тем самым их плотность в объеме металла. Следует отметить, что сплавы типа 1460, легированные медью, удовлетворительно работают при криогенных температурах в контакте с жидким кислородом, водородом и гелием.
Характеристики прочности и пластичности сплавов и их сварных соединений при этом возрастают с понижением температуры.
Такая особенность сплавов позволяет использовать их в сложных по геометрии сварных конструкциях топливного бака космических летательных аппаратов при обеспечении высоких эксплуатационных свойств сварных соединений и их герметичности.
Использование сплавов типа 1460 в конструкции бака американской ракеты «Дельта» позволили снизить массу бака с 2259 до 1430 фунтов.
Повышению надежности сварных соединений также способствует сокращение в структуре сплава объемной доли интерметаллидных фаз, которые содержат примеси щелочных и щелочноземельных элементов (натрия, кальция, бария, калия). Даже тысячные доли процента их в составе сплавов оказывают отрицательное влияние на свойства сварных соединений в результате снижения температуры плавления фаз, выделяющихся по границам зерен, что делает их опасными для развития разрушения.
Находясь у границ зерен, они вследствие высокой химической активности по отношению к алюминию уменьшают поверхностную энергию металла на внутренних свободных поверхностях, например, на берегах имеющихся микротрещин, и тем самым повышают склонность металла к охрупчиванию и развитию трещин.
При этом уровень характеристик пластичности и вязкости разрушения снижается на 30...40 %, а ухудшение прочности не отмечается.
Ограничение количества вредных примесей в составе сплава до 0,01 % сокращает негативное влияние границ кристаллитов и зерен на процессы зарождения трещин, увеличивает количество вязких участков рельефа изломов, что повышает уровень σр на 20 % и Кс на 40 % при δС = 0,05 мм, Jс = 4 Дж/см², УРРТ = 5,2 Дж/см².
Максимальный эффект достигается только при равномерном распределении интерметаллидных фаз в объеме металла. При этом характер разрушения соединений в зоне сплавления изменяется с интеркристаллитного на транскристаллитный. Обобщив результаты исследования сварных соединений алюминиево-литиевых сплавов, можно утверждать, что состояние границ зерен в структурных зонах, образующихся под влиянием термического цикла сварки, определяет уровень физико-механических свойств и характер разрушения соединений.
Состояние границ зерен зависит от количества легирующих элементов и примесей, наличия в исходном металле скоплений фаз, расположенных вдоль линии проката.
Отрицательное воздействие сварки проявляется лишь в случае образования протяженных участков шва и ЗТВ с неблагоприятной структурой, формирующихся в процессе нагрева металла с высокой погонной энергией.
Для предотвращения подобного явления при сварке алюминиево-литиевых сплавов следует строго регламентировать тепловложение, используя пульсирующие режимы дуговой сварки или электронно-лучевую (лазерную) сварку, которые характеризуются высокой концентрацией вводимого тепла. В этом случае сварные соединения имеют необходимые значения прочности и вязкости разрушения, что важно для изделий аэрокосмической техники при работе в экстремальных условиях, включая широкий температурный интервал (20.. .5000 К).
В итоге наряду со снижением массы изделия решается задача обеспечения хорошей технологичности конструкции, а также надежной эксплуатации при безопасном повреждении в течение длительного периода работы.
Это подтверждают имеющиеся примеры применения алюминиево-литиевых сплавов и их сварных соединений в конструкциях силовых оболочек самолетов, вертолетов и топливных баков ракет для космических средств многоразового использования.

Источник: «Автоматическая сварка», 2011, №4, с.35-40

Статьи по теме: