Krzysztof Dudzik Akademia Morska w Gdyni WPŁYW SPAWANIA NA ROZKŁAD TWARDOŚCI W ZŁĄCZU SPAWANYM NA PRZYKŁADZIE STOPU AW-7020 W artykule przedstawiono wyniki badań rozkładu twardości w złączu spawanym łukowo metodą MIG stopu AW 7020 (AlZn5Mg1). Podano parametry spawania zastosowane do połączenia blach wykonanych z badanego stopu. Do badań twardości zastosowano metodę Vickersa HV 5 zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy PN-EN 1043-1:2000. Badania przeprowadzono w przekrojach poprzecznych złączy spajanych przy obciążeniu wgłębnika wynoszącym 49 N. W celu określenia morfologii (makrostruktury, zgładu) w złączu spawanym, wycięte próbki poddano polerowaniu, a następnie trawieniu odczynnikiem Kellera. W złączu spawanym najniższa twardość występowała w samej spoinie. Słowa kluczowe: rozkład twardości, spawanie, stopy aluminium, MIG. WSTĘP Stopy aluminium znajdują szerokie zastosowanie w światowym przemyśle, w tym także w budownictwie okrętowym. Wykorzystanie 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 m.in. 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 zaś mała wytrzymałość złączy spawanych, nieprzewyższająca 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, uwarunkowana jest opracowaniem
K. Dudzik, Wpływ spawania na rozkład twardości w złączu spawanym na przykładzie stopu AW-7020 33 technologii spajania, która zapewni poprawę właściwości całej konstrukcji, czyli również złączy spajanych, a nie tylko samego stopu. Jedną z prób, wykonywanych w celu określenia właściwości mechanicznych połączeń spawanych blach ze stopu serii 7xxx, jest próba twardości na przekroju poprzecznym złącza. Celem prezentowanej pracy było określenie rozkładu twardości w przekroju poprzecznym złącza spawanego metodą MIG na przykładzie stopu AlZn5Mg1 (AW-7020). 1. METODYKA BADAŃ Do badań użyto stopu aluminium EN AW-7020 T6. Skład chemiczny stopu podano w tabeli 1. Skład chemiczny stopu AW-7020 Chemical composition of AW-7020 alloy Tabela 1 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 powstały zgodnie z procedurami wymaganymi przez przemysł okrętowy. Do cięcia i ukosowania brzegów na Y (kąt 60 ) wykorzystano obróbkę mechaniczną. 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. Przygotowania do spawania i spawania złączy dokonano 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 poszczególnych stopów wykorzystanych na drut spawalniczy przedstawiono w tabeli 2. Jako gazu osłonowego użyto argonu o czystości 99,99%.
34 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 71, grudzień 2011 Skład chemiczny stopu zastosowanego na drut spawalniczy Chemical composition of welding wire alloy Tabela 2 Skład chemiczny [%] Stop Mg Zn Cu Si Fe Mn Ti Al 5356 5,0 max. 0,10 0,10 max. 0,25 0,40 0,15 0,10 reszta Parametry spawania blach ze stopu 7020 metodą MIG ujęto w tabeli 3. Parametry spawania blach Welding parameters Tabela 3 Spawany stop Metoda spawania Średnica drutu elektrodowego [mm] Natężenie prądu spawania [A] Napięcie łuku [V] Liczba warstw Zużycie argonu [m 3 /h] 7020 MIG 1,6 190 230 28 4 + podpawanie 16 18 Jakość spoin, którą sprawdzono metodą defektoskopii rentgenowskiej, nie wykazała wad spawalniczych. Pomiary twardości w przekrojach poprzecznych złączy spajanych przeprowadzono metodą Vickersa HV 5, zgodnie z wymaganiami Polskiej Normy PN-EN 6507 [9] przy użyciu twardościomierza HPO-10. Obciążenie wgłębnika wynosiło 49 N. Położenie punktów pomiarowych w złączu doczołowym określono zgodnie z normą PN-EN 1043-1:2000 [8] twardość mierzono w trzech równoległych rzędach, od środka spoiny, poprzez strefę wpływu ciepła SWC aż do materiału rodzimego. Próbki do badań zostały wypolerowane oraz wytrawione odczynnikiem Kellera. Umożliwiło to dokładne określenie stref występujących w złączu spajanym, takich jak: spoina, strefa wpływu ciepła, czy materiał niezmieniony rodzimy, dzięki czemu możliwe stało się określenie twardości w wymienionych wcześniej obszarach. 2. WYNIKI BADAŃ Położenie punktów pomiarowych przedstawiono na rysunku 1. Linia A i C jest umieszczona w odległości 2 mm od krawędzi próbki, natomiast linia B w najwęższym miejscu spoiny, czyli w odległości 4 mm od krawędzi, mierząc od strony grani. Linia A Linia B Linia C Rys. 1. Widok próbki po badaniach twardości z widocznymi punktami pomiarowymi Fig. 1. Specimen after hardness research with measurement points
K. Dudzik, Wpływ spawania na rozkład twardości w złączu spawanym na przykładzie stopu AW-7020 35 Rozkład twardości w złączu spawanym metodą MIG stopu 7020 zaprezentowano w formie graficznej na wykresach przedstawionych na rysunkach 2 4. 110 [HV] Linia A twardość HV 5 100 90 80 70 60-30 -20-10 0 10 20 30 Odległość od osi spoiny [mm] Twardość HV Rys. 2. Rozkład twardości w złączu spawanym metodą MIG linia A Fig. 2. Hardness distribution in MIG welded joint Line A 110 [HV] Linia B twardość HV 5 100 90 80 70 60-30 -20-10 0 10 20 30 Odległość od osi spoiny [mm] Twardość HV Rys. 3. Rozkład twardości w złączu spawanym metodą MIG linia B Fig. 3. Hardness distribution in MIG welded joint Line B
36 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 71, grudzień 2011 110 100 [HV] Linia C twardość HV 5 90 80 70 Twardość HV 60-30 -20-10 0 10 20 30 Odległość od osi spoiny [mm] Rys. 4 Rozkład twardości w złączu spawanym metodą MIG linia C Fig. 4. Hardness distribution in MIG welded joint Line C Badania twardości na przekroju poprzecznym próbki spawanej metodą MIG wykazały, iż spoina charakteryzuje się najniższą wartością tego parametru dla całego połączenia. Wzdłuż osi spoiny przechodzi minimum twardości dla wszystkich trzech rozpatrywanych linii i wynosi ono średnio 62 HV. W linii wtopienia zauważalny jest minimalny wzrost twardości względem materiału rodzimego, a następnie spadek charakterystyczny dla strefy przegrzania występującej w strefie wpływu ciepła SWC. Nieco inaczej rozkład twardości prezentuje się w przypadku linii C, gdzie pik twardości w SWC przewyższa ten z linii wtopienia. Prawdopodobną przyczyną jest zmiana strukturalna, wywołana wcześniejszym spawaniem od strony lica i późniejszym od strony grani. Różnica pomiędzy najwyższą i najniższą wartością twardości, jaka występuje w strefie wpływu ciepła w liniach A i B, jest porównywalna i wynosi około 14%, natomiast w linii C różnica ta przekracza 26%. Po wahaniach twardości w SWC następuje jej ustabilizowanie w materiale rodzimym na poziomie 96 HV. PODSUMOWANIE Badania złączy spawanych metodą MIG wskazują jednoznacznie, że najniższą wartością twardości na przekroju poprzecznym charakteryzuje się spoina. Spoina różni się od materiału rodzimego składem chemicznym oraz strukturą, charakterystyczną dla materiału lanego, podczas gdy sam stop jest umocniony wydzieleniowo. Różnica w poziomach twardości pomiędzy materiałem rodzimym a spoiną wynosi tu ponad 45% na niekorzyść spoiny. Stąd wniosek, że spoina jest najsłabszym miejscem złącza spawanego, co potwierdzają badania wytrzymałościowe wszystkie próbki spawane, poddane badaniom wytrzymałościowym, pękały w spoinie.
K. Dudzik, Wpływ spawania na rozkład twardości w złączu spawanym na przykładzie stopu AW-7020 37 LITERATURA 1. Anderson T., New developments within the Aluminium Shipbuilding Industry, Svetsaren, 2003, Vol. 58, No.1, 3 5. 2. Bugłacki H., Wpływ technologii spawania na odporność korozyjną stopów Al-Zn-Mg. International Conference On Environmental Degradation of Engineering Materials, Politechnika Gdańska, Jurata 1999. 3. Cudny K., Puchaczewski N., Stopy metali na kadłuby okrętowe, Politechnika Gdańska, Gdańsk 1995. 4. Czechowski M., Effect of anodic polarization on stress corrosion cracking of some aluminium alloys, Advances in Materials Science, 2007, Vol. 7, No. 1(11), 13 20. 5. Czechowski M., Własności złączy doczołowych blach ze stopów Al-Mg spajanych różnymi metodami, Materiały i Technologie, 2003, nr 1(1), Politechnika Gdańska, Gdańsk 2003, 16 19. 6. Czechowski M., Chrzanowski J., Zieliński A., Naprężeniowe pękanie korozyjne złączy spawanych stopów aluminium, II Pomorska Konferencja Naukowa Inżynieria Materiałowa 2001, Politechnika Gdańska, Sobieszewo 2001. 7. Czechowski M., Zieliński A., Effect of cathodic polarization on failure and degradation of mechanical properties of some aluminium alloys, Scripta Metallurgy Materials, 1994, Vol. 30. 8. PN-EN 1043-1:2000: Spawalnictwo. Badania niszczące metalowych złączy spawanych. Próba twardości. Próba twardości złączy spawanych łukowo. 9. PN-EN 6507: Spawalnictwo. Pomiar twardości sposobem Vickersa. Badanie technologii spawania. INFLUENCE OF WELDING AW-7020 ALUMINIUM ALLOY FOR HARDNESS DISTRIBUTION IN THEIR JOINTS Summary The article presents the research results of hardness values distribution of MIG welded joint alloy AW 7020 (AlZn5Mg1). The parameters of MIG welding used to join metal alloy AlZn5Mg1 (7020) were presented. The study was carried out using Vickers hardness HV 5 accordance with the requirements of the Polish Standard PN-EN 1043-1:2000. The study was conducted in three rows, and the indenter load was 49 N. In order to determine the morphology (macrostructure, microsection) in the bonded joints, the samples were polished and then micro-etched KELLER reagent. In the MIG welded joint lowest hardness of the weld occurred in the middle of the joint. Key words: hardness distribution, welding, aluminium alloys, MIG.