WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH METODĄ MIG I ZGRZEWANYCH TARCIOWO METODĄ FSW

Transkrypt

1 Mirosław Czechowski Akademia Morska w Gdyni WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH METODĄ MIG I ZGRZEWANYCH TARCIOWO METODĄ FSW W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych oraz podatności na korozję naprężeniową złączy spajanych stopu AW-5083 H321 [AlMg4,5Mn], stosowanego obecnie do konstrukcji morskich. Badano złącza spawane metodą MIG oraz złącza zgrzewane tarciowo metodą Friction Stir Welding (FSW). Badania podatności na korozję naprężeniową przeprowadzono, stosując próbę odkształcania z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing SSRT). Badania wykonano w powietrzu i 3,5% wodnym roztworze NaCl. Podczas badań mierzono następujące parametry: wydłużenie względne w momencie zniszczenia próbki A 10 [%], maksymalną siłę F max [kn], maksymalne naprężenie R max [MPa], właściwą energię zniszczenia E [MJ/m 3 ] (powierzchnia wykresu pod krzywą naprężenie wydłużenie), przewężenie w momencie zniszczenia próbki Z [%], czas trwania próby do zniszczenia próbki T [godz.]. Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że złącza zgrzewane metodą FSW wykazują wyższe właściwości wytrzymałościowe oraz lepszą odporność na korozję naprężeniową w porównaniu z analogicznymi właściwościami złączy spawanych metodą MIG. Słowa kluczowe: stopy aluminium, spawanie, zgrzewanie metodą FSW. WSTĘP W praktyce przemysłowej spawanie stopów aluminium wykonuje się najczęściej w osłonie czystego argonu (o czystości 99,98%) elektrodą topliwą (metoda MIG). Główne trudności, jakie występują podczas spawania stopów aluminium, wynikają z: dużego powinowactwa aluminium do tlenu i powstawania trudno topliwego (2060 C) tlenku Al 2 O 3, wysokiej przewodności oraz dużej rozszerzalności cieplnej stopów aluminium, dużego skurczu odlewniczego (przyczyna odkształceń i naprężeń spawalniczych), znacznych spadków wytrzymałości w temperaturze spawania, utraty w czasie spawania pierwiastków stopowych, takich jak magnez, cynk czy lit [3]. Spośród spawalnych stopów aluminium do przeróbki plastycznej, w okrętownictwie stosuje się stopy układu Al-Mg (grupa 5xxx), o dobrej spawalności i względnie dobrych właściwościach w warunkach eksploatacyjnych. Zaletą tych stopów jest ich względna odporność na korozję warstwową i naprężeniowe pękanie korozyjne w wodzie morskiej, wadą słabsza wytrzymałość złącza spawanego od materiału rodzimego, nieprzewyższająca 300 MPa [1, 2, 5].

2 22 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 W ostatnich 10 latach bardzo dynamicznie rozwija się technologia Friction Stir Welding (FSW). Zgrzewanie tarciowe FSW wynaleziono i opatentowano w 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym sposobie zgrzewania wykorzystuje się niestapiające się obrotowe narzędzie uplastyczniające, które przesuwa się wzdłuż złącza pomiędzy dwoma elementami przeznaczonymi do zgrzewania, tworząc wysokiej jakości zgrzeiny czołowe lub zakładkowe [2, 4, 6, 7]. Proces FSM jest, podobnie jak konwencjonalne zgrzewanie tarciowe, procesem przebiegającym w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia materiału elementów zgrzewanych. Metodą tą można zgrzewać wszystkie stopy aluminium, łącznie z tymi, które normalnie nie mogą być łączone konwencjonalnymi technikami spajania ze stapianiem łączonych brzegów, takimi jak aluminium-lit. Mogą być także łączone ze sobą różnoimienne stopy aluminium. Żaden gaz ochronny ani spoiwo nie są potrzebne do tego rodzaju zgrzewania stopów aluminium [4, 6]. Celem pracy było porównanie właściwości mechanicznych i odporności na korozję naprężeniową złączy spajanych metodą MIG i zgrzewanych metodą FSW oraz, biorąc pod uwagę powyższe kryteria, zaproponowanie optymalnej metody spajania stopów grupy 5xxx, stosowanych w okrętownictwie. 1. METODYKA BADAŃ Do badań wybrano nowy stop aluminium, używany do konstrukcji morskich: AW 5083 H321 (AlMg5Mn0,7). Składy chemiczne w % mas. podano w tabeli 1. Tabela 1. Skład chemiczny badanych stopów aluminium (% mas) Table 1. Chemical composition of the tested aluminum alloys (wt. %) Stop 5083 Skład chemiczny Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 0,195 0,180 0,090 0,662 4,745 0,111 0,042 Ti B Zr Ni Sn Be Al 0,025 0,002 0,0037 0,005 0,0028 0,002 reszta Spawanie w osłonie argonu metodą MIG wykonano dwustronnie przy użyciu materiału dodatkowego w gatunku Blachę o grubości g = 12 mm ukosowano na X pod kątem 110 i 60. Blachy, wykonane ze stopu AW 5083, zgrzano tarciowo (FSW) doczołowo w dwóch przejściach (dwustronnie), stosując następujące parametry: I przejście narzędzie (D = 20 mm, d = 6 mm, h = 6 mm), V n = 900 obr/min, V z = 140 mm/min; II przejście narzędzie (D = 20 mm, d = 6 mm, h = 3 mm), V n = 900 obr/min, V z = 180 mm/min (rys. 1). Badania mikrostruktury zgrzeiny wykazały jej poprawną budowę, bez widocznych nieciągłości w obszarze materiału odkształconego plastycznie.

3 M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW 23 Rys. 1. Schemat FSW [2] Fig. 1. The diagram of FSW [2] Badania korozji naprężeniowej przeprowadzono, stosując próbę odkształcania z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing SSRT), zgodnie z PN-EN ISO Badania przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym stanowisku pomiarowym (Akademia Morska w Gdyni, KMOiTR), umożliwiającym rozciąganie próbek w środowisku korozyjnym, przy małej prędkości odkształcania od 10 3 do 10 7 s 1. Podatność na korozję naprężeniową (K x ) oceniano, porównując wartości średnie mierzonych parametrów, uzyskanych na identycznych próbkach eksponowanych na działanie środowiska korozyjnego (X SCC ) oraz obojętnego (X pow ), według zależności (1): K x = [1 (X SCC /X pow )] 100 (%), (1) gdzie: K x podatność na korozję naprężeniową [%], X wartość mierzonego parametru podczas badań w zastępczej wodzie morskiej (SCC) lub powietrzu (pow). Podczas badań rejestrowano komputerowo lub mierzono po zakończeniu pomiaru takie parametry, jak: wydłużenie względne w momencie zniszczenia próbki A 10 [%], maksymalną siłę F max [kn], maksymalne naprężenie R max [MPa], właściwą energię zniszczenia E [MJ/m 3 ] (powierzchnia wykresu pod krzywą naprężenie wydłużenie), przewężenie w momencie zniszczenia próbki Z [%], czas trwania próby do zniszczenia próbki T [h]. Próbę przeprowadzano na próbkach gładkich, cylindrycznych bez karbu. Próby wytrzymałościowe były wykonywane w zastępczej wodzie morskiej o temperaturze +20 C oraz w środowisku obojętnym suchym powietrzu, przy małych prędkościach odkształcania έ = 1, s 1, aż do całkowitego zniszczenia próbki. Przed ekspozycją próbki były polerowane i odtłuszczone. Badania przełomów wykonano za pomocą mikroskopu skaningowego elektronowego o dużej rozdzielczości Philips XL30 (Politechnika Gdańska, KIM).

4 24 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień WYNIKI I ANALIZA BADAŃ Wyniki badań właściwości mechanicznych materiału rodzimego i złączy spajanych, wykonanych na próbkach płaskich (zgodnie z PN-EN 895:1995), zamieszczono w tabeli 2. Tabela 2. Właściwości mechaniczne materiału rodzimego i złączy spajanych stopu aluminium 5083 (średnie z trzech próbek) Table 2. Mechanical properties of the native material and joints of 5083 alloy (average value from three specimens) Materiał / metoda spajania R m [MPa] R 0,2 [MPa] R m A 5 zgrzew/spaw [%] R m mat. rodzimy 5083 / materiał rodzimy , / FSW ,4 0, / MIG ,1 0,82 Przykładowe obrazy złącza stopu 5083 FSW spawanego metodą MIG oraz zgrzewanego metodą FSW, otrzymane po badaniach makroskopowych i mikroskopowych, przedstawiono na rysunkach 2, 3 i 4. Badania mikrostruktury zgrzein wykazały ich poprawną budowę, bez widocznych nieciągłości w obszarze materiału odkształconego plastycznie. Na rysunku 4 pokazano charakterystyczne mikrostruktury złącza zgrzewanego metodą FSW stopu Rys. 2. Przekrój złącza spawanego metodą MIG stopu Trawienie odczynnikiem Kellera Fig. 2. The section of the joint of 5083 aluminium alloy welded by MIG method. Etching with Keller s reagent Rys. 3. Przekrój złącza zgrzewanego stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW. Trawienie odczynnikiem Kellera. Pow. 5x Fig. 3. The section of the joint of 5083 alloy welded by FSW method. Etching with Keller s reagent

5 M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW µm 100 µm Rys. 4. Mikrostruktura stopu 5083 zgrzewanego tarciowo metodą FSW Fig. 4. Microstructure of 5083 alloy welded by FSW method Złącza spawane, wykonane metodami MIG, pękały podczas statycznej próby rozciągania w spoinie, natomiast wszystkie badane próbki stopów aluminium zgrzanych tarciowo metodą FSW pękały w linii zgrzeiny oddzielającej materiał rodzimy od materiału odkształconego plastycznie. Badaniom właściwości mechanicznych towarzyszyła analiza powierzchni przełomów za pomocą mikroskopu skaningowego (Philips XL30). Charakterystyczny przełom złącza zgrzewanego metodą FSW stopu 5083 przedstawiono na rysunku 5. Przełom próbki wykonanej ze stopu 5083 zgrzanego metodą FSW ma charakter mieszany łupliwy, z dużym udziałem obszarów o ciągliwym charakterze.

6 26 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 Rys. 5. Powierzchnia przełomu złącza stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW Fig. 5. The surface of the fracture zone of 5083 alloy welded by FSW method Wyniki prób SSRT, przeprowadzonych w powietrzu oraz w zastępczej wodzie morskiej, zamieszczono w tabeli 3, przedstawiając podatność na korozję naprężeniową dla materiału rodzimego stopu 5083 oraz dla złączy spajanych metodami FSW i MIG. Tabela 3. Podatność na korozję naprężeniową stopu 5083 i ich złączy spajanych Table 3. Susceptibility to stress corrosion of 5083 alloy and their joints Stop/Metoda spajania K E [%] K T [%] K A [%] K Z [%] ,5 3,3 0,4 0, /FSW 0 0, /MIG 4,6 0,4 0,7 0 K E średnie procentowe zmniejszenie energii zniszczenia, K T średnie procentowe zmniejszenie czasu do zniszczenia, K A średnie procentowe zmniejszenie wydłużenia w momencie zniszczenia próbki, K Z średnie procentowe zmniejszenie przewężenia. Powyższe badania SSRT odporności na korozję naprężeniową połączeń ze stopu 5083, zgrzewanych metodą FSW w warunkach stałej niskiej szybkości rozciągania (10 6 s 1 ), wykazały dobrą odporność na ten rodzaj degradacji środowiskowej. Wartości mierzonych parametrów podczas badań w powietrzu i sztucznej wodzie morskiej różnią się nieznacznie. Złącza zgrzewane metodą FSW pękały podczas próby SSRT transkrystalicznie przez ścinanie w linii zgrzania, pomiędzy materiałem rodzimym a zgrzeiną. W przypadku próbek rozciąganych w powietrzu, na powierzchni przełomu

7 M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW 27 obserwowano odkształcenie osnowy (roztworu stałego), poprzedzające zniszczenie próbki, o czym świadczą widoczne dołki i różne stadia koalescencji mikropustek. Na powierzchni pęknięcia obserwowano dołki ścinania (rys. 6). Ich powstanie było związane z lokalną dekohezją na granicach międzyfazowych cząsteczka/osnowa oraz z pękaniem cząstek. Przełom ma budowę niejednorodną, słabo rozwiniętą, objawiającą się różnymi rozmiarami dołków. Cechą charakterystyczną przełomu jest obecność na dnie dołków popękanych cząstek o różnych wymiarach. Dla próbek rozciąganych w sztucznej wodzie morskiej morfologia obserwowanych przełomów była zbliżona do tej, która występowała w próbkach rozciąganych w powietrzu. Próbki wykonane ze złączy spawanych metodą MIG pękały w spoinie z przełomem ciągliwym. Rys. 6. Powierzchnia przełomu stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW po ekspozycji w wodzie morskiej Fig. 6. The surface of the fracture zone of 5083 alloy welded by FSW method after exposition in 3,5% NaCl PODSUMOWANIE Właściwości wytrzymałościowe złączy zgrzewanych stopu 5083 metodą FSW są wyższe (R m zgrzeiny/r m mat. rodzimy = 0,93) w porównaniu ze złączami spawanymi tradycyjną metodą MIG (tab. 2). FSW jest metodą spajania w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia zgrzewanych stopów. Zgrzeina charakteryzuje się brakiem w złączu porowatości i pęknięć, właściwych dla metod spawania łukowego. Odporność na korozję naprężeniową złączy stopu 5083 zgrzewanych metodą FSW jest lepsza, w porównaniu ze złączami tego samego stopu, spawanymi

8 28 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014 metodą MIG. Wydłużenie próbek, wykonanych ze stopu 5083 zgrzewanych metodą FSW, rozciąganych w zastępczej wodzie morskiej, nie uległo zmianie w porównaniu z tymi badanymi w powietrzu. Zmniejszenie wartości wydłużenia dla połączeń spawanych metodą MIG wyniosło 0,7%. LITERATURA 1. Czechowski M., Low-cycle fatigue of friction stir welded Al-Mg alloys, Journal of Materials Processing Technology, 2005, , p Czechowski M., Pietras A., Zadroga L., Własności stopów aluminium serii 5xxx zgrzewanych nową technologią FSW, Inżynieria Materiałowa, 2003, nr 6 (137), s Davis J.R., Corrosion of Aluminium and Aluminium Alloys, ASM International, Materials Park, OH, Eriksson L.G., Friction stir welding, Svetsaren, 2001, Vol. 56, No. 2 3, p Lahti K., FSW possibilities in shipbuilding, Svetsaren, 2003, Vol. 58, No.1, p Nicholas E.D., Kallee S.W., Proces zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny ma już 10 lat, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2001, nr 3, s Thomas W.M., Friction stir welding. GB patent , , International patent application PCT/GB92/ PROPERTIES OF AW 5083 ALUMINIUM ALLOY JOINTS WELDED BY MIG AND FSW METHODS Summary The article presents the research results of the mechanical properties of AW-5083 aluminium alloy (AlMg4.5Mn) welded by MIG and friction stir welding FSW methods. Stress corrosion cracking was examined via the slow-strain-rate-testing (SSRT) according to EN ISO Tests were carried out in the air and in the 3.5% water solution of NaCl an artificial sea water. The following parameters were measured: time-to-failure T [h], obtained max. load F [N]; strain energy (the diagram surface under the stress-elongation curve) E [MJ/m 3 ]; relative elongation of the specimen A 11.3 [%]; max. tensile stress R [MPa] and narrowing Z [%]. On the basis of obtained test results, it can be said that AW-5083 alloy joints welded by FSW method are resistant to stress corrosion in sea water. Tests have shown that the joints of AW-5083 alloy welded by FSW method, has higher strength properties compared to the joints welded by traditional MIG method. Keywords: aluminium alloys, FSW method.