Właściwości strefy spływu w złączu zgrzewanym metodą FSW stopu AW-7020

Transkrypt

1 DUDZIK Krzysztof 1 CHARCHALIS Adam 2 Właściwości strefy spływu w złączu zgrzewanym metodą FSW stopu AW-7020 WSTĘP Stopy aluminium to materiał, który znajduje szerokie zastosowanie w światowym przemyśle, również okrętowym. Zastosowanie stopów aluminium do budowy kadłubów statków i okrętów wzrasta, gdyż stopy te umożliwiają znaczne zmniejszenie masy konstrukcji okrętowych w porównaniu z masą konstrukcji stalowych. Przez zastosowanie stopów aluminium można osiągnąć zmniejszenie tej masy o około 50%, co pozwala na zwiększenie wyporności statku, a przy zachowaniu wyporności na zwiększenie nośności albo prędkości oraz polepszenie stateczności. Z tych powodów wykorzystuje się stopy aluminium między innymi do budowy kadłubów i nadbudówek. Wśród spawalnych stopów aluminium do przeróbki plastycznej najpopularniejsza pozostaje wciąż grupa stopów układu Al-Mg (seria 5xxx), o dobrej spawalności i względnie dobrych własnościach w warunkach eksploatacyjnych. Zaletą tych stopów jest ich względna niewrażliwość na korozję warstwową i korozję naprężeniową, wadą mała wytrzymałość złączy spawanych, nie przewyższająca 300 MPa. W latach 90-tych duże zainteresowanie wzbudziły stopy układu Al-Zn-Mg (seria 7xxx). Charakteryzują się one wyższymi właściwościami wytrzymałościowymi od właściwości wytrzymałościowych stopów Al-Mg. Wadą stopów Al-Zn-Mg jest skłonność do korozji naprężeniowej i warstwowej. Wieloletnie badania wykazały, że na odporność tych stopów na korozję naprężeniową wpływa między innymi obróbka cieplna, skład chemiczny i technologia spawania (metoda spawania, rodzaj materiałów dodatkowych, rodzaj złącza) [1-7]. Praktycznie wszystkie złącza spawane, tradycyjnymi metodami MIG lub TIG, stopów tej grupy nie posiadają wystarczającej odporności na korozję naprężeniową lub korozję warstwową i dlatego wciąż jedynymi materiałami na kadłuby jednostek lekkich pozostają stopy grupy 5xxx (Al-Mg). Alternatywą dla tradycyjnych metod spawalniczych takich jak MIG czy TIG może okazać się zgrzewanie tarciowe Friction Stir Welding (FSW). W metodzie tej do nagrzewania i uplastyczniania materiału zastosowano narzędzie z obrotowym trzpieniem umieszczone w miejscu łączenia dociśniętych blach. Po wprawieniu w ruch obrotowy narzędzia z trzpieniem, nagrzaniu ciepłem tarcia i uplastycznieniu materiału blach w bezpośrednim jego sąsiedztwie, następuje wolne przesuwanie się całego układu wzdłuż linii styku. Ponieważ jest to metoda zgrzewania w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia materiału, własności wytrzymałościowe uzyskane tą metodą złączy mogą być wyższe, niż uzyskane technikami spawania łukowego (MIG, TIG). Główną zaletą tej metody jest łatwość uzyskiwania złączy o wysokich, powtarzalnych własnościach [6, 9, 13]. Ponieważ w metodzie FSW zgrzewanie występuje w stanie stałym do materiałów spajanych doprowadzane są dużo mniejsze ilości ciepła niż przy tradycyjnym spawaniu. To znacząco ogranicza wielkość strefy wpływu ciepła. Badania stopów Al-Zn-Mg spajanych metodą MIG i TIG poddanych działaniu agresywnego środowiska morskiego wykazały niską odporność na korozję naprężeniową i warstwową występującą właśnie w strefie wpływu ciepła [7]. Możliwość zastosowania w przemyśle okrętowym stopu serii 7xxx, bardziej wytrzymałego niż powszechnie stosowane stopy serii 5xxx, uwarunkowane jest znalezieniem metody spajania, która zapewni jego odporność na korozję w wodzie morskiej. Celem prowadzonych badań było określenie właściwości mechanicznych i korozyjnych w strefie spływu złącza zgrzewanego metodą FSW w porównaniu do materiału rodzimego i zgrzeiny. 1 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska 81-87, kdudzik@am.gdynia.pl 2 Akademia Morska w Gdyni; Wydział Mechaniczny; Gdynia; ul. Morska 81-87, achar@am.gdynia.pl 3304

2 1 METODYKA BADAŃ Do badań użyto blach o grubości g = 12 mm wykonanych ze stopu aluminium EN AW-7020 przesyconego i starzonego (stan T6). Skład chemiczny stopu 7020 podano w tabeli 1. Tab. 1. Skład chemiczny stopu 7020 Skład chemiczny (% mas.) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Al 0,30 0,35 0,10 0,24 1,30 0,14 4,70 0,08 0,07 reszta Badania przeprowadzono na stanowisku zbudowanym na bazie konwencjonalnej frezarki pionowej FYF32JU2, przystosowanej do zgrzewania metodą FSW. Stanowisko wyposażono w konieczne oprzyrządowanie: uchwyty sztywnego mocowania blach oraz układ chłodzenia narzędzia. Schemat procesu zgrzewania oraz nazwy poszczególnych obszarów złącza przestawiono na rysunku 1. V n V z D a z h d Rys. 1. Schemat procesu mieszania materiału podczas zgrzewania FSW [10] gdzie: V n - prędkość obrotowa narzędzia, [obr/min], V z - prędkość zgrzewania (posuw), [mm/min]; α z - kąt pochylenia narzędzia w stosunku do materiału zgrzewanego, [ ]; d - średnica trzpienia mieszającego uplastyczniony metal zgrzeiny, [mm]; h - długość trzpienia [mm]; D - średnica wieńca oporu oddziaływującego na powierzchnię zgrzeiny (lico), [mm]. 2). Złącza zgrzewano dwustronnie, doczołowo, przy zastosowaniu tych samych parametrów (tabela Tab. 2. Parametry zgrzewania FSW blach ze stopu 7020 D [mm] Wymiary trzpienia d [mm] h [mm] Kąt nachylenia narzędzia a z [ ] Prędkość obrotowa trzpienia V n [obr/min] Prędkość liniowa zgrzewania V z [mm/min] 25,0 10,0 5,8 88, Grubość zgrzewanej blachy wynosiła g = 12 mm i była jednostronnie frezowana na grubość 10 mm, w części stykowej. Odpowiednio sztywne mocowanie blach zapewniło oprzyrządowanie 3305

3 zgrzewarki. Poza zapewnieniem ogólnej czystości blach, nie stosowano żadnego środka odtłuszczającego miejsca styku łączonych elementów. Podczas badań stosowano narzędzie z trzpieniem typu TRI-FLUTE, wykonane ze stali szybkotnącej gatunku HS6-5-2 (SW7M). Jak wykazały próby wstępne, narzędzie wykonane z takiej stali spełnia warunki stawiane narzędziom zgrzewającym, przeznaczonym do zgrzewania blach ze stopów aluminium serii 5xxx i 7xxx. Oznacza to, że jest ono odporne na działanie temperatur w jakich zachodzi proces uplastycznienia, mieszania i przeciskania metalu wokół trzpienia oraz nie występuje nadmierne klejenie materiału blachy do wieńca oporu. 1.1 Statyczna próba rozciągania W celu określenia właściwości mechanicznych blach wykonanych ze stopu 7020 przeprowadzono statyczną próbę rozciągania. Stosowano próbki płaskie wycięte prostopadle do kierunku walcowania. Badania wykonano w temperaturze otoczenia, czyli + 20 C ± 2. Próby rozciągania przeprowadzono na próbkach płaskich zgodnie z Polskimi Normami PN-EN ISO 4136:2011 oraz PN-EN ISO :2010 z użyciem maszyny wytrzymałościowej typu EU-40 o zakresie siły do 200 kn ± 1. Podczas badań rejestrowano takie parametry jak: wytrzymałość na rozciąganie R m, umowną granicę plastyczności R p0,2 oraz wydłużenie względne A. 1.2 Próba twardości Pomiary twardości w przekrojach poprzecznych złączy spajanych przeprowadzono metodą Vickers a HV5 zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy PN-EN ISO :2006 przy użyciu twardościomierza HPO-10. Obciążenie wgłębnika wynosiło 49 N. 1.3 Badania odporności na korozję elektrochemiczną Badania przeprowadzono metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS) zgodnie z ASTM G 3 i ASTM G 106. Zastosowano układ trójelektrodowy a czynnikiem korozyjnym był 3,5 % wodny roztwór NaCl (zastępcza woda morska). Do realizacji badań wykorzystano potencjostat Atlas 0531 EU&IA. Badania impedancyjne prowadzone były przy potencjale korozyjnym. Amplituda sygnału napięciowego zmieniała się w przedziale ± 10mV, a zakres zmian częstotliwości sygnału wynosił: 100 khz 0,1 Hz. Zarejestrowanie parametrów procesu korozyjnego przeprowadzono za pomocą programu AtlasLab 2.0 natomiast do późniejszej obróbki uzyskanych danych zastosowano program EIS Spectrum Analyser. 1.4 Analizy strukturalne mikroskopia świetlna Badania metalograficzne wykonano przy wykorzystaniu optycznego mikroskopu świetlnego ZEISS Axiovert 25. Zastosowany mikroskop umożliwiał uzyskanie powiększeń do 500 razy. Próbki do badań przygotowano poprzez obróbkę mechaniczną i trawiono odczynnikiem Keller a, w celu ujawnienia granic ziaren oraz linii płynięcia. Dzięki temu możliwe stało się określenie występowania poszczególnych stref charakterystycznych dla złączy zgrzewanych. 2 WYNIKI BADAŃ 2.1 Statyczna próba rozciągania Właściwości mechaniczne stopu 7020 i jego złącz zgrzewanych metodą FSW, uzyskane podczas statycznej próby rozciągania przedstawiono w tabeli 3. Tab. 3. Właściwości mechaniczne stopu 7020 i jego złącz zgrzewanych metodą FSW Próbka R m [MPa] R p0,2 [MPa] A [%] Materiał rodzimy ,2 FSW ,8 3306

4 Właściwości mechaniczne złącz zgrzewanych metodą FSW są praktycznie takie same jak materiału rodzimego. Potwierdza to miejsce pęknięcia, które we wszystkich zbadanych przypadkach występowało w materiale rodzimym w odległości ok. 20 mm od linii wtopienia. Strefa wpływu ciepła (SWC), w przypadku zgrzewania, jest minimalna stąd wniosek, że w miejscu występowania pęknięcia występował materiał rodzimy niezmieniony ciepłem zgrzewania. Widok przykładowej próbki zgrzewanej metodą FSW poddanej statycznej próbie rozciągania przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Widok próbki ze stopu 7020 zgrzewanej metodą FSW, poddanej statycznej próbie rozciągania pęknięcie w materiale rodzimym 2.2 Próba twardości Wyniki uzyskane podczas próby twardości w złączu zgrzewanym metodą FSW przedstawiono graficznie na rysunku 3. Strefa spływu została zaznaczona okręgiem. Rys. 3. Rozkład twardości w złączu zgrzewanym metodą FSW stopu 7020 Badania twardości na przekroju poprzecznym połączeń zgrzewanych metodą FSW wykazały, iż zgrzeina charakteryzuje się wyższą wartością twardości niż materiał rodzimy. Twardość zgrzeiny jest o około 15 % wyższa od materiału rodzimego. Zauważalny jest niewielki wzrost twardości w samej linii wtopienia względem zgrzeiny, zarówno po stronie strefy natarcia jak i ze strony strefy spływu. Minimalnie większa jest wartość twardości ze strony strefy natarcia. Twardość w strefie spływu jest wyższa o około 3% względem zgrzeiny i o około 19% względem materiału rodzimego. 2.3 Badania odporności na korozję elektrochemiczną Zarejestrowane w trakcie badań wyniki elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) próbek z materiału rodzimego stopu 7020 oraz jego złącz spajanych metodą FSW poddano analizie przy użyciu programu EIS Spectrum Analyser. W jej wyniku wyznaczono parametry charakteryzujące proces korozji, których wartości średnie z pięciu próbek zostały przedstawione w tabeli 4. Parametry te określają poszczególne składowe modelu - zastępczego obwodu elektrycznego, wybranego zgodnie z metodyką badań. 3307

5 Tab. 4. Parametry elektrycznego obwodu zastępczego układu korozyjnego stopu 7020 i jego złącz spajanych metodą FSW Próbka Materiał rodzimy Strefa spływu R s [Ω cm 2 ] Odch. Std. R ct [Ω cm 2 ] Odch. Std. CPE dl [µf /cm 2 ] Odch. Std. n dl [-] Odch. Std Zgrzeina Analiza uzyskanych w badaniach spektroskopii impedancyjnej danych wykazała, że najmniejszą odporność na korozję elektrochemiczną wykazuje zgrzeina. Najważniejszy parametr określający odporność na korozję elektrochemiczną R ct (rezystancja transferu ładunku przez warstwę podwójną), zarejestrowany podczas badań, jest najmniejsza właśnie dla tej próbki, co wskazuje na stawianie najmniejszego oporu wymiany ładunku między materiałem i elektrolitem, a tym samym najniższą odporność na korozję elektrochemiczną na przekroju złącza zgrzewanego metodą FSW. Rezystancja R ct osiąga porównywalne wartości dla próbki z materiału rodzimego i dla próbki ze strefy spływu złącza zgrzewanego FSW, przy czym są one około 1,5 razy większe w porównaniu do próbki ze środka zgrzeiny. Składowa wykładnika potęgowego n dl impedancji pojemnościowej układu zastępczego, określająca jednorodność procesu korozyjnego występującego na powierzchni badanych próbek, najniższą wartość przyjęła dla próbki ze strefy spływu. Wskazuje to na największą skłonność do występowania korozji wżerowej właśnie dla tego obszaru złącza. Różnica między wartością parametru n dl dla próbki zgrzewanej FSW i wykonanej z materiału rodzimego jest niewielka, w związku z czym nie powinna mieć wpływu na charakter przebiegu procesu korozyjnego. Pomimo różnic w wartościach parametru n dl jakie występują dla poszczególnych próbek ich wartości są stosunkowo wysokie (przekraczające 0,9) co wskazuje na wysoką jednorodność zachodzących procesów korozyjnych. Składowa pojemnościowa CPE dl przyjmuje zbliżone wartości dla próbki z materiału rodzimego i próbki ze strefy spływu oraz blisko dwa razy większe dla próbki ze zgrzeiny. Niższe wartości pojemności oznaczają szybsze ładowanie się warstwy podwójnej na granicy faz metal elektrolit, po którym następuje zatrzymanie przepływu ładunków elektrycznych, a tym samym zahamowanie procesu korozyjnego. Parametr ten jednak nie jest tak istotny w ocenie odporności na korozję elektrochemiczną jak rezystancja przeniesienia ładunku R ct [11, 12]. Rezystancja elektrolitu stanowiącego środowisko korozyjne R s dla rozpatrywanych próbek przyjmowała bardzo niskie wartości (kilkaset razy mniejsze niż rezystancja przeniesienia ładunku), co świadczy o bardzo wysokim przewodnictwie elektrycznym tego roztworu. Parametr ten nie ma istotnego znaczenia w rozważaniach odporności korozyjnej badanych próbek [12]. 2.4 Analizy strukturalne mikroskopia świetlna Przykładową mikrostrukturę złącza zgrzewanego metodą FSW od strony strefy spływu przedstawiono na rysunku 4. W zgrzeinie słabo widoczne są charakterystyczne linie płynięcia materiału pod wpływem oddziaływania na niego narzędzia uplastyczniającego. Wyraźne ślady oddziaływania narzędzia są widoczne w strefie uplastycznienia termo-mechanicznego. Materiał rodzimy nosi ślady obróbki plastycznej (walcowania w procesie wytwarzania blach) oraz obróbki cieplnej, w postaci poziomych pasm jakie tworzą ziarna. Jednorodna struktura jądra materiału zgrzeiny (w porównaniu do materiału rodzimego) spowodowana jest częściową rekrystalizacją z jednoczesnym odkształceniem plastycznym mieszanych między sobą materiałów łączonych blach [8]. Dodatkowo rozbiciu i wymieszaniu uległy 3308

6 w czasie zgrzewania tlenki stanowiące warstwę pasywną oraz fazy międzymetaliczne występujące głównie na granicach ziaren. Różnica w zabarwieniu części jądra zgrzeiny spowodowana jest oddziaływaniem narzędzia zgrzewającego (jaśniejszy obszar był zgrzewany dwukrotnie z obu stron, ciemniejszy tylko z jednej strony). Rys. 4. Mikrostruktura złącza zgrzewanego metodą FSW stopu AW-7020 Zastosowane na rysunku 4 symbole oznaczają strefy złącza odpowiednio: MR materiał rodzimy, JZ jądro zgrzeiny, SUTM strefa uplastyczniona termo-mechanicznie. WNIOSKI Przeprowadzone badania wykazały, że właściwości wytrzymałościowe zgrzeiny oraz stref przyspoinowych (w tym strefy spływu) są porównywalne i jednocześnie większe niż właściwości materiału rodzimego. Potwierdzenie tych badań stanowi miejsce zerwania próbki podczas statycznej próby rozciągania wszystkie próbki zgrzewane metodą FSW pękały w materiale rodzimym. W celu wyjaśnienia przyczyn występowania pękania poza złączem przeprowadzono próbę twardości na przekroju poprzecznym badanego złącza zgrzewanego. Próba twardości wykazała większą twardość w złączu niż w materiale rodzimym. W samej strefie spływu zaobserwowano nieznaczny wzrost twardości w porównaniu do zgrzeiny (około 3 %). Analiza badań odporności na korozję elektrochemiczną, przy zastosowaniu metody elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS), wykazała, że materiał rodzimy ma większą odporność na korozję w porównaniu do zgrzeiny złącza stopu AW-7020 w środowisku wody morskiej. Właściwości korozyjne strefy spływu są praktycznie takie same jak materiału rodzimego. Rezystancja przeniesienia ładunku przez warstwę podwójną R ct jest na tym samym poziomie w przypadku próbki z materiału rodzimego i ze strefy spływu oraz około 1,5 razy mniejsza dla próbki ze środka zgrzeiny. Oznacza to stawianie mniejszego oporu wymiany ładunku (jony, elektrony) między materiałem i elektrolitem, a tym samym niższą odporność na korozję elektrochemiczną. Zarejestrowany podczas badań metodą EIS parametr n dl, określający jednorodność procesu korozyjnego, we wszystkich rozpatrywanych przypadkach przekraczał 0,9 co wskazuje na wysoką odporność na występowanie korozji wżerowej całego złącza zgrzewanego metodą FSW. 3309

7 Streszczenie W artykule przedstawiono właściwości mechaniczne i korozyjne strefy spływu złącza zgrzewanego metodą FSW. Do badań wykorzystano złącze zgrzewane stopu AW Badania przeprowadzono stosując następujące metody: - Badania właściwości mechanicznych przy wykorzystaniu statycznej próby rozciągania zgodnie z wymaganiami Norm PN-EN ISO 4136:2011 i PN-EN ISO : Próbę twardości na przekroju poprzecznym przeprowadzono metodą Vickers a HV5 zgodnie z wymaganiami Normy PN-EN ISO : Badania metalograficzne wykonano przy wykorzystaniu mikroskopu ZEISS Axiovert Badania odporności na korozję elektrochemiczną przeprowadzano stosując metodę elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) w 3,5 % wodnym roztworze NaCl. Podczas badań zarejestrowano większe właściwości wytrzymałościowe dla złącza zgrzewanego w porównaniu do materiału rodzimego wszystkie próbki pękały w materiale rodzimym. Próba twardości wykazała, że strefa spływu charakteryzuje się większą twardością niż zgrzeina. Większą odporność na korozję elektrochemiczną zarejestrowano dla próbki z materiału rodzimego i strefy spływu w porównaniu do spoiny zgrzewanej metodą FSW stopu AW Properties of retreating side of weld in joint welded by FSW of AW-7020 aluminium alloy Abstract The results of mechanical and corrosion properties research of chosen part of joint bonded by Friction Stir Welding - retreating side of the weld, were presented. AW-7020 aluminium alloy was used for research. Research included the following methods: - Mechanical properties was carried out using static tensile test in accordance with PN-EN ISO 4136:2011 and PN-EN ISO : Hardness testing in the cross-sections of joints was carried out using Vickers HV5 method in accordance with PN-EN ISO : Microscopic examination was performed by optical microscope ZEISS Axiovert The corrosion resistance research were carried out using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method in 3.5% water solution NaCl. During the study obtained higher strength properties for the FSW joint compared to the native material all samples cracked in the native material. The hardness test shown that the retreating side of the weld has higher hardness than the weld. Better resistance to electrochemical corrosion was found for the native material and retreating side of the weld then joint welded by FSW of 7020 aluminium alloy. BIBLIOGRAFIA 1. Anderson T., New developments within the Aluminium Shipbuilding Industry. Svetsaren, Vol. 58, No Anderson T., The history of aluminium welding. Svetsaren, Vol. 59, No Czechowski M., Low-cycle fatigue of friction stir welded Al-Mg alloys. Journal of Materials Processing Technology, (2005), Czechowski M., Własności złączy doczołowych blach ze stopów Al-Mg spajanych różnymi metodami. Materiały i Technologie, Politechnika Gdańska, Nr 1(1) 2003, Gdańsk Dudzik K., Charchalis A., EIS research of AW-7020 alloy joint welded by MIG. Journal of KONES Powertrain and Transport; Ryn 2012; Vol. 19/ No Dudzik K., Czechowski M., Analysis of possible shipbuilding application of Friction Stir Welding (FSW) method to joining elements made of AlZn5Mg1 alloy. Polish Maritime Research No.4/ Dudzik K., The influence of joining method of AW-7020 aluminium alloy on corrosion properties. Journal of KONES Powertrain and Transport; Kraków 2011; Vol. 18/ No

8 8. Etter A.L., Baudin T., Fredj N., Penelle R., Recrystallization mechanisms in 5251 H14 and 5251 O aluminum friction stir welds. Materials Science and Engineering, A (2007). 9. Ferraris S, Volpone L.M., Aluminium alloys in third millennium shipbuilding: materials, technologies, perspectives. The Fifth International Forum on Aluminium Ships. Tokyo, Japan Pietras A., Zadroga L., Łomozik M., Charakterystyka zgrzeiny utworzonej metodą zgrzewania z mieszaniem materiału zgrzeiny (FSW). Biuletyn instytutu spawalnictwa w Gliwicach, nr 3/ Starosta R., Corrosion of Ni-Al and Ni-Al-Al 2 O 3 flame sprayed coatings og "Casto-Dyn 8000" system in 0.01 M H 2 SO 4 and 3.5% NaCl solution. Solid State Phenomena vol. 183, Trzaska M., Trzaska Z., Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna w inżynierii materiałowej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa