Analiza powierzchni przełomu próbki spawanej metodą MIG po próbie odkształcania z małą prędkością za pomocą mikroskopów skaningowych różnego typu

Transkrypt

1 DUDZIK Krzysztof 1 CHARCHALIS Adam 2 Analiza powierzchni przełomu próbki spawanej metodą MIG po próbie odkształcania z małą prędkością za pomocą mikroskopów skaningowych różnego typu WSTĘP Stopy aluminium znajdują szerokie zastosowanie w światowym przemyśle, w tym także w budownictwie 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 właściwościach 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 [1-7]. Alternatywę dla stopów Al-Mg mogą stanowić stopy układu Al-Zn- Mg (seria 7xxx). Charakteryzują się one wyższymi właściwościami wytrzymałościowymi od właściwości wytrzymałościowych stopów Al-Mg. Możliwość zastosowania w przemyśle stopu serii 7xxx, bardziej wytrzymałego niż powszechnie stosowane stopy serii 5xxx, uwarunkowane jest opracowaniem technologii spajania, która zapewni poprawę właściwości całej konstrukcji, czyli również złączy spajanych, a nie tylko samego stopu. Spawalność aluminium określa wiele fizycznych i chemicznych właściwości tego metalu, między innymi: duże powinowactwo chemiczne aluminium do tlenu, wysokie przewodnictwo cieplne, wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej i duży skurcz, bardzo niska wytrzymałość aluminium w temperaturach powyżej 500 C, brak zmiany barw przejściowych przy podgrzewaniu aluminium. Mimo wymienionych trudności występujących podczas spawania aluminium, metal ten uznaje się obecnie za łatwo spawalny. Wpłynął na to ogólny rozwój spawalnictwa, szczególnie opracowanie bardzo dobrych jakościowo topników oraz specjalnych, nowoczesnych metod spawania aluminium i jego stopów [1, 8, 76]. Zastosowanie metody MIG ograniczano kiedyś wyłącznie do połączeń mniej odpowiedzialnych z uwagi na mikroporowatość spoin, a tym samym spadek wytrzymałości. Zastosowanie nowoczesnej aparatury spawalniczej oraz coraz lepszych jakościowo materiałów spawalniczych sprawiły, że obecnie połączenia wykonane metodą MIG są porównywalne ze złączami uzyskiwanymi metodą TIG przy zapewnieniu większej wydajności. Celem prezentowanej pracy jest ocena powierzchni przełomu próbek spawanych metodą MIG stopu AW-7020 przy wykorzystaniu elektronowego mikroskopu skaningowego oraz pomiarowego skaningowego laserowego mikroskopu konfokalnego. 1. METODYKA BADAŃ Do badań użyto stop aluminium EN AW-7020 T6. Skład chemiczny stopu podano w tabeli 1. 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 1070

2 Tab. 1. Skład chemiczny badanego stopu AW-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 Złącza doczołowe z blach ze stopu 7020 o grubości g = 12 mm wykonano przy użyciu tradycyjnej metody spawania łukowego MIG. Złącza spawane zostały wykonane w jednej z firm produkujących konstrukcje morskie ze stopów aluminium stoczni Wisła Aluminium International Ltd. w Gdańsku. Złącza spawane wykonano zgodnie z procedurami wymaganymi przez przemysł okrętowy. Cięcie i ukosowanie brzegów - na Y (kąt 60º), wykonano za pomocą obróbki mechanicznej. Powierzchnie rowka i leżące w jego bezpośrednim sąsiedztwie, przed spawaniem zostały oczyszczone z tlenków za pomocą wirujących szczotek ze stali nierdzewnej, a następnie odtłuszczone benzyną ekstrakcyjną. Przygotowanie do spawania i spawanie złączy wykonano w pomieszczeniu zamkniętym w celu zabezpieczenia stanowiska przed działaniem czynników atmosferycznych. Aby uniknąć odkształceń złączy spawanie wykonano w oprzyrządowaniu, a zwolnienie zacisków nastąpiło dopiero po ostygnięciu złącza. Montaż elementów złączy przeprowadzono za pomocą spoin sczepnych. W czasie spawania pęknięte spoiny sczepne zostały wycięte, ze względu na możliwość wystąpienia pęknięć nawet po starannym przetopieniu pękniętych spoin. Po wykonaniu ściegów licowych wycięto dno spoiny licowej, a następnie położono warstwę graniową. Do spawania stopu 7020 zastosowano drut ze stopu AlMg5 (5356) w gatunku Nertalic AG5 firmy SAF. Drut elektrody bezpośrednio przed spawaniem był wytrawiony. Skład chemiczny stopu zastosowanego na drut spawalniczy został przedstawiony w tabeli 2. Jako gazu osłonowego użyto argonu o czystości 99,99%. Parametry spawania blach ze stopu 7020 metodą MIG przedstawiono w tabeli 3. Jakość spoin, którą sprawdzono metodą defektoskopii rentgenowskiej nie wykazała wad spawalniczych. Tab. 2. Skład chemiczny stopu zastosowanego na drut spawalniczy Stop Skład chemiczny [%] Mg Zn Cu Si Fe Mn Ti Al ,0 max. 0,10 0,10 max. 0,25 0,40 0,15 0,10 reszta Tab. 3. Parametry spawania blach ze stopu AW-7020 metodą MIG Średnica drutu Napięcie Natężenie prądu elektrodowego łuku spawania [A] [mm] [V] 1, Ilość warstw 4 + podpawanie Zużycie argonu [m 3 /h] Złącza spawane poddano próbie odkształcania z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing - SSRT) zgodnie z PN-EN ISO :2005. Próba polegała na poddaniu próbki narastającemu odkształceniu z zalecaną, dla stopów aluminium, prędkością odkształcania έ = 1,6 x 10-6 s -1, aż do całkowitego zniszczenia próbki. Badania przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym stanowisku pomiarowym, zbudowanym w Katedrze Materiałów Okrętowych i Technologii Remontów Akademii Morskiej w Gdyni. Widok stanowiska przedstawia rysunek

3 Rys.1. Widok stanowiska do przeprowadzania próby odkształcania z małą prędkością (SSRT) Zastosowano próbki gładkie, cylindryczne o średnicy Ø5 i początkowej długości pomiarowej L 0 = 50 mm. Przełomy próbek spawanych metodą MIG, po badaniach SSRT, poddano analizie przy wykorzystaniu elektronowego mikroskopu skaningowego Philips XL30 oraz pomiarowego skaningowego laserowego mikroskopu konfokalnego Olympus LEXT OLS WYNIKI BADAŃ Zdjęcia przełomów próbek spawanych, po badaniach odkształcania z małą prędkością, uzyskane za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego Philips XL30, przedstawiono na rysunkach 2, 3 i 4 (różne powiększenia). Rys. 2. Widok przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego 1072

4 Rys. 3. Widok przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (większe powiększenie w porównaniu do rys. 2) Rys. 4. Widok przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskany za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (większe powiększenie w porównaniu do rys. 3) Analiza powierzchni przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020, poddanej badaniom rozciągania z małą prędkością, przedstawiona na rysunkach 2,3,4, pozwala na wyciągnięcie wniosku, że mechanizm pękania miał charakter transkrystaliczny ciągliwy. Powierzchnia przełomu jest silnie rozwinięta ale występują tu także stosunkowo duże kratery świadczące o niejednorodności budowy spoiny. Niejednorodność ta może być spowodowana występowaniem ziaren różnej wielkości oraz faz międzymetalicznych zarówno w postaci pojedynczych wydzieleń jak i siatki na granicach ziaren. W dołkach widoczne są liczne popękane fazy międzymetaliczne, które prawdopodobnie inicjowały proces pękania materiału w wyniku oddziaływania obciążenia. W czasie narastania obciążenia próbka 1073

5 ulegała znacznym odkształceniom plastycznym a samo pęknięcie powstało przez oderwanie, dlatego krawędzie kraterów są bardzo wyraźne. Zdjęcia przełomów próbek spawanych oraz wizualizacja powierzchni przełomu, po badaniach odkształcania z małą prędkością, uzyskane za pomocą pomiarowego skaningowego mikroskopu konfokalnego Olympus LEXT OLS-4000, przedstawiono na rysunkach 5, 6 i 7. Rys. 5. Widok przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskany za pomocą pomiarowego skaningowego mikroskopu konfokalnego. Rys. 6. Trójwymiarowa wizualizacja przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskana za pomocą pomiarowego skaningowego mikroskopu konfokalnego. 1074

6 Rys. 7. Trójwymiarowa wizualizacja przedstawiająca topografię powierzchni przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT uzyskana za pomocą pomiarowego skaningowego mikroskopu konfokalnego. Analiza fotografii powierzchni przełomu próbki spawanej metodą MIG stopu AW-7020 po próbie SSRT, przedstawiona na rysunkach 5,6,7 pozwala odtworzyć topografię powierzchni. Zarówno widok 2D (rys. 5) jak i 3D (rys. 6) pozwala zidentyfikować pęknięcia występujące w spoinie. Wizualizacja przedstawiona na rysunku 7 umożliwia łatwą ocenę rozwinięcia powierzchni. Silne zróżnicowanie powierzchni przełomu wskazuje na plastyczny charakter pękania. Dzięki zastosowanej wizualizacji polegającej na zastosowaniu skali o zróżnicowanej kolorystyce możliwe jest określenie wysokości nierówności występujące na powierzchni przełomu próbki. WNIOSKI Metody oceny powierzchni przełomu próbki wykorzystujące skaningowy mikroskop elektronowy oraz pomiarowy skaningowy mikroskop konfokalny stanowią bardzo dobre uzupełnienie siebie nawzajem. Mikroskop konfokalny daje możliwość zobrazowania topografii powierzchni przełomu podczas gdy mikroskop SEM pozwala zdecydowanie bardziej precyzyjnie określić charakter i przebieg pękania. W przypadku oceny powierzchni przełomu za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego zaobserwowano popękane fazy międzymetaliczne, które mogły inicjować pękanie. Sam proces pękania miał charakter transkrystaliczny ciągliwy. Na podstawie widoku powierzchni przełomu próbki uzyskanego za pomocą skaningowego mikroskopu konfokalnego łatwiejsze było zidentyfikowanie powstałego podczas próby SSRT pęknięcia. Możliwość wygenerowania topografii powierzchni w 3D wraz z odpowiednią skalą o oznaczeniu kolorystycznym umożliwiła dokonanie pomiaru wysokości nierówności, co nie było możliwe w przypadku zastosowania mikroskopu elektronowego SEM. Ponieważ nie było to celem badań prezentowanych w niniejszym artykule wyniki tych pomiarów nie zostały tu przedstawione. Na powierzchni przełomu próbki zaobserwowano pęknięcie. Można je było zidentyfikować za pomocą obu wykorzystywanych w badaniach mikroskopów. Mogło ono powstać w trakcie próby odkształcania z małą prędkością lub stanowiło wadę spawalniczą. Badania radiograficzne złącza spawanego wykonane bezpośrednio po spawaniu nie wykazały jednak żadnych wad, co sugeruje, że przyczyną jego powstania było oddziaływanie sił podczas próby odkształcania z małą prędkością (SSRT). 1075

7 Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań przełomów próbki spawanej łukowo metodą MIG stopu AW Przełom uzyskano w wyniku poddania próbki odkształcaniu z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing - SSRT) zgodnie z PN-EN ISO :2005. Podano parametry spawania metodą MIG zastosowane do połączenia blach wykonanych z badanego stopu. Przełomy próbek spawanych metodą MIG, po badaniach SSRT, poddano analizie przy wykorzystaniu elektronowego mikroskopu skaningowego Philips XL30 oraz pomiarowego skaningowego laserowego mikroskopu konfokalnego Olympus LEXT OLS Za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego SEM określono, że pęknięcie próbki podczas odkształcania w próbie SSRT miało charakter transkrystaliczny ciągliwy, na co wskazuje silnie rozwinięta powierzchnia przełomu. Analiza powierzchni przełomu na podstawie widoku uzyskanego ze skaningowego mikroskopu konfokalnego pozwoliła zidentyfikować pęknięcia oraz określić wysokości nierówności powierzchni przełomu. Słowa kluczowe: stopy aluminium, spawanie, MIG, przełom, próba odkształcania z małą prędkością Analysis of the fracture surfaces of the sample welded by MIG after Slow Strain Rate Testing by means of various types of scanning microscopes Abstract The article presents the research results of fractures of samples welded by MIG alloy AW The fracture was achieved by Slow Strain Rate Testing - SSRT in accordance with EN ISO : MIG welding parameters used for welding the test sheets made of 7020 alloy were presented. Fracture of MIG welded sample after SSRT studies were analyzed using a scanning electron microscope, Philips XL30 and the measuring laser scanning confocal microscope Olympus LEXT OLS Using a scanning electron microscope SEM determined that the crack of the sample, caused by deformation in SSRT, has transcrystalic malleable nature, as indicated by the turn of highly developed surface. Analysis of the fracture surface on the basis of the view obtained with a scanning confocal microscope permitted to identify and determine the amount of crack fracture surface irregularities. Keywords: aluminium alloys, welding, MIG, fracture, Slow Strain Rate Testing - SSRT BIBLIOGRAFIA 1. Anderson T., New developments within the Aluminium Shipbuilding Industry, Svetsaren, Vol. 58, No Czechowski M., Low-cycle fatigue of friction stir welded Al-Mg alloys, Journal of Materials Processing Technology (2005) 3. Czechowski M.: Badania fraktograficzne spajanych stopów Al-Mg, Przegląd Spawalnictwa 5-6/ Davis J.R., Aluminium and Aluminium Alloys, ASM International, Materials Park, OH, 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/ Ferraris S, Volpone L.M., Aluminium alloys in third millennium shipbuilding: materials, technologies, perspectives, The Fifth International Forum on Aluminium Ships, Tokyo, Japan Groover M.P., Fundamentals of modern manufacturing. Materials, processes and systems, John Wiley and Sons, USA Klimpel A., Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali technologie, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa Nowacki J., Wolnomiejska A., Praktyczne aspekty spawania stopów aluminium, Przegląd Spawalnictwa Nr 11/