WYBRANE ZAGADNIENIA WYTRZYMAŁOŚCI POŁĄCZEŃ ZGRZEWANYCH BLACH ALUMINIOWYCH I TYTANOWYCH Anna RUDAWSKA, Agnieszka GÓRA, Tomasz WARDA Streszczenie W artykule zaprezentowano wybrane zagadnienia montażu połączeń zgrzewanych blach aluminiowych i tytanowych. Do wykonania połączeń zgrzewanych wykorzystano blachę wykonaną ze stopu aluminium o oznaczeniu 2024 (wg normy europejskiej EN AW-2024 T42 AlCu4Mg1) oraz blachę wykonaną z czystego tytanu o oznaczeniu CP2 (wg normy amerykańskiej ASTM F 67:2000-Ti Grade 2). Analizowano połączenia zakładkowe, nakładkowe i dwunakładkowe, wykonane z blach o grubościach: oraz, obciążone na ścinanie. Połączenia wykonano przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania, metodą zgrzewania punktowego, zgodnie z normą PN-EN ISO 18592:2010 oraz według instrukcji technicznych IT 210 oraz IT 234, dotyczących wykonania połączeń zgrzewanych. Zgrzeiny rozmieszczono zgodnie z normą PN-74/M-69020. Badania doświadczalne polegały na analizie porównawczej wytrzymałości połączeń, wykonanych z różnych materiałów konstrukcyjnych, przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania. Analizując i porównując uzyskane wyniki, można stwierdzić, że wytrzymałość połączeń zgrzewanych zależy zarówno od parametrów technologicznych, jak również konstrukcyjnych. Wraz ze wzrostem grubości zgrzewanego wytrzymałość połączeń wzrasta. Ponadto materiały konstrukcyjne, które mają lepsze właściwości mechaniczne, wykazują zdecydowanie wyższą wytrzymałość, tak jak w przypadku tytanu technicznego. Słowa kluczowe połączenia zgrzewane, stop aluminium, tytan, wytrzymałość połączeń 1. Wprowadzenie Stopy tytanu i aluminium mają duże znaczenie przede wszystkim dla przemysłu lotniczego, a obecnie coraz częściej również tam, gdzie zmniejszenie masy konstrukcji umożliwia zmniejszenie zużycia energii. Przykładem może być przemysł samochodowy, w którym obserwuje się systematyczny wzrost zastosowania stopów aluminium. Wynika to nie tylko z dążenia do zmniejszenia kosztów eksploatacji, ale także związane jest z wymogami ochrony środowiska. Celem pracy jest przeprowadzenie analizy wytrzymałości połączeń wykonanych z blachy ze stopów aluminium i czystego technicznie tytanu, z wykorzystaniem zgrzewania punktowego. Analizowano połączenia jednozakładkowe, nakładkowe i dwunakładkowe, obciążone na ścinanie, ze względu na ich największą wytrzymałość. Połączenia wykonano przy różnych parametrach technologicznych zgrzewania. Badania doświadczalne polegały na analizie porównawczej wytrzymałości połączeń, wykonanych z różnych materiałów konstrukcyjnych, przy określonych parametrach technologicznych zgrzewania. Na podstawie wyników badań możliwe było porównanie siły niszczącej różnych rodzajów połączeń, wskazując na najbardziej korzystny rodzaj połączeń spośród badanych wariantów połączeń, m.in. pod względem konstrukcyjnym. Zamieszczone w pracy badania zostały wykonane w jednym z zakładów przemysłowych mieszczącym się na terenie Lubelszczyzny. Wyniki tych badań przyczyniły się do wprowadzenia zmian w technologii wykonywania połączeń zgrzewanych, zwłaszcza blach tytanowych. 2. Metodyka badań 2.1. Charakterystyka łączonych materiałów Do wykonania połączeń zgrzewanych wykorzystano próbki wykonane z blach ze stopu aluminium o oznaczeniu EN AW-2024 [1] (wg normy europejskiej EN AW- 2024 T42 AlCu4Mg1) oraz z blach z czystego tytanu o oznaczeniu CP2 [2] (wg normy amerykańskiej ASTM F 67:2000 Ti Grade 2) o dwóch grubościach i. Stop aluminium EN AW-2024 T42, jeden z podstawowych materiałów wykorzystywanych do produkcji tworzyw konstrukcyjnych, zwłaszcza w budowie samolotów i statków kosmicznych, ze względu na wysoki wskaźnik własności wytrzymałościowych odniesionych do gęstości, czyli tzw. wytrzymałości właściwej [3]. Symbol T42 oznacza stan utwardzenia materiałów, obrobionych cieplnie w kąpieli i starzonych w naturalny sposób. Niektóre właściwości mechaniczne badanych blach zamieszczono w normie PN-EN 485-2:2009 [4]. Do jednych z częściej stosowanych materiałów można zaliczyć czysty technicznie tytan CP2, najbardziej rozpowszechniony gatunek stosowany w wielu gałęziach przemysłu, w tym także w przemyśle lotniczym. 61
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Tabela 1. Wymiary geometryczne próbek wykonanych ze stopu aluminium i tytanu Table 1. Dimensions of aluminium alloy and titanium samples EN AW-2024 T42 CP2 Grubość Długość zakładki połączenia Liczba zgrzein 12 jednozakładkowe 2 24 nakładkowe 4 24 dwunakładkowe 4 16 jednozakładkowe 2 28 nakładkowe 4 28 dwunakładkowe 4 12 jednozakładkowe 2 24 nakładkowe 4 24 dwunakładkowe 4 16 jednozakładkowe 2 28 nakładkowe 4 28 dwunakładkowe 4 2.2. Charakterystyka konstrukcyjna połączeń zgrzewanych Połączenia zgrzewane zostały wykonane metodą zgrzewania punktowego, zgodnie z normą PN-EN ISO 18592:2010 [5], według zakładowych instrukcji technicznych IT-210 oraz IT-234, dotyczących wykonania połączeń zgrzewanych. Zgrzeiny rozmieszczono zgodnie z normą PN-74/M-69020 [6]. Określono także średnicę zgrzeiny (zależną od grubości łączonej blachy) oraz długość zakładki dla poszczególnych wariantów połączeń. Zestawienie wymiarów geometrycznych próbek przedstawiono w tabeli 1. Na rys. 1 przedstawiono schematy wybranych połączeń jednozakładkowych oraz dwunakładkowych, dwóch gatunków blach o różnych grubościach. Długość łączonych elementów wynosiła 100 ± 1,2 ; szerokość natomiast 25 ± 1,5. 2.3. Sposób przygotowania powierzchni Przygotowanie powierzchni łączonych materiałów wykonano zgodnie z instrukcjami przyjętymi w zakładzie przemysłowym, w którym były wykonywane połączenia. Powierzchnie próbek, wykonanych z blachy tytanowej, poddano operacji piaskowania, szlifowania oraz trawienia. W operacji piaskowania zastosowano ścierniwo elektrokorund, którymi została pokryta powierzchnia pod ciśnieniem 6 10 5 Pa. Szlifowanie wykonano za pomocą ściernicy listkowej. Ostatnią operacją było trawienie, które zostało poprzedzone operacją mycia poprzez płukanie materiałów w zimnej wodzie. Trawienie przeprowadzono w wodnym roztworze wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu 40 60 g/l przez około 10 minut w temperaturze 40 60 C, a następnie próbki zostały poddane operacji płukania w ciepłej wodzie i pozostawione do wyschnięcia. Powierzchnie stopu aluminium poddano operacji trawienia w wodnym roztworze wodorotlenku sodu NaOH o stężeniu 40 60 g/l przez około 3 4 minuty w temperaturze 40 60 C. Przed operacją trawienia badane próbki odtłuszczono poprzez zanurzenie w wodnym roztworze Emulsolu RN-1 (mieszanina związków organicznych i powierzchniowo czynnych). Po trawieniu przeprowadzono operację płukania w ciepłej wodzie i pozostawiono próbki do wyschnięcia. Przed wykonaniem połączeń na zgrzewarce, powierzchnie próbek zostały oczyszczone acetonem i pozostawione do odparowania na około 3 minuty. Rys. 1. Schemat połączeń: a) jednozakładkowych, b) dwunakładkowych Fig. 1. The scheme of joints: a) single-lap, b) double-sided strapped 2.4. Wykonanie połączeń zgrzewanych Wielkość dobranych parametrów zgrzewania w celu wykonania połączeń została przedstawiona w tabeli 2. Parametry do wykonania połączeń zostały dobrane w zależności od rodzaju i grubości materiałów. Dla blachy 62
Tabela 2. Parametry zgrzewania Table 2. Welding parameters Grubość połączenia Siła docisku elektrody N Natężenie prądu zgrzewania ka Czas przepływu prądu zgrzewania s EN AW-2024 T42 CP2 jednozakładkowe 225 21 0,08 nakładkowe 230 23 0,10 dwunakładkowe 230 23 0,10 jednozakładkowe 235 25 0,12 nakładkowe 240 27 0,14 dwunakładkowe 240 27 0,14 jednozakładkowe 200 5 0,10 nakładkowe 240 7 0,12 dwunakładkowe 240 7 0,12 jednozakładkowe 250 9 0,14 nakładkowe 260 11 0,16 dwunakładkowe 260 11 0,16 o większej grubości zostało przyjęte większe natężenie prądu i większa wartość siły docisku, zarówno dla stopu aluminium, jak również dla tytanu technicznego, zgodnie z instrukcjami zakładowymi. W przypadku stopu aluminium przyjęto znacznie większe wartości natężenia prądu ze względu na dużą przewodność cieplną oraz elektryczną tego. Dla tytanu technicznego zastosowano większą siłę docisku, którą dobrano ze względu na jego lepsze właściwości mechaniczne. Połączenia zgrzewane zostały wykonane na zgrzewarce ZPM 50, która posiada pneumatyczny układ dociskowy. Następnie partie próbek poddano próbie niszczącej w celu wyznaczenia wytrzymałości połączeń na ścinanie. Próbki połączeń zostały zamocowane w szczękach maszyny wytrzymałościowej Zwick/Roell Z150, a badania przeprowadzono zgodnie z normą DIN EN 1465 [7]. A zp pole przekroju 1 zgrzeiny, m liczba przekrojów ścinanych, m = 1 dla połączeń zakładkowych, nakładkowych, m = 2 dla połączeń dwunakładkowych, k t1 naprężenia dopuszczalne dla zgrzeiny ścinanej. Wyniki wytrzymałości połączeń zgrzewanych blach ze stopu aluminium o różnych wariantach konstrukcyjnych zaprezentowano na rys. 2, a na rys. 3 dla połączeń zgrzewanych blach tytanowych. Największą wytrzymałość uzyskały połączenia zakładkowe blach tytanowych o grubości (38,09 MPa), a najmniejszą połączenia dwunakładkowe, także o grubości (5,56 MPa). Większe wytrzymałości (poza połączeniami zakładkowymi), otrzymano w przypadku większej grubości blachy. 3. Wyniki badań Badaniom wytrzymałościowym poddano po 10 identycznie wykonanych połączeń jednozakładkowych, nakładkowych i dwunakładkowych. Odrzucono po dwa skrajne wyniki o najmniejszej i największej wartości siły niszczącej. Wytrzymałość zgrzein punktowych ścinanych w płaszczyźnie styku przyłączy została wyznaczona z następującej zależności [8]: τ = F / n m A zp k t1 (1) gdzie: F siła obciążająca połączenie, n liczba zgrzein, Rys. 2. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych blach ze stopu aluminium Fig. 2. Welded joints strength of aluminium alloy sheets 63
2/2014 Technologia i Automatyzacja Montażu Rys. 3. Wytrzymałość połączeń zgrzewanych blach tytanowych Fig. 3. Welded joints strength of titanium sheets Otrzymane wyniki badań poddano analizie statystycznej z wykorzystaniem odpowiednich modeli i testów statystycznych [9], na podstawie których zauważono, że brak jest statystycznie istotnych różnic w porównywanych wartościach średnich wytrzymałości na poziomie ufności α = 0,05. 4. Omówienie wyników Z przeprowadzonych badań wynika, że w przypadku połączeń zakładkowych z dwiema zgrzeinami, największą wytrzymałością charakteryzują się połączenia o grubości równej, wykonane z czystego technicznie tytanu, natomiast 6 razy mniejszą mają próbki wykonane z blachy aluminiowej o grubości. Porównując wyniki wytrzymałościowe połączeń dwunakładkowych, można stwierdzić, że największa wytrzymałość występuje w połączeniach wykonanych z blachy tytanowej o grubości, natomiast najmniejsza w próbkach z blachy aluminiowej o grubości. Większa wytrzymałość połączeń z blachy tytanowej wynika z lepszych własności wytrzymałościowych na rozciąganie, która w przypadku czystego technicznie tytanu wynosi 490 MPa [10], o wyższej wytrzymałości połączeń świadczy również jego lepsza zgrzewalność. Zauważono także, że w przypadku połączeń ze stopu aluminium nie występują tak duże różnice w otrzymanych wynikach w zależności od wariantu konstrukcji, niż w przypadku połączeń zgrzewanych blach tytanowych. 5. Wnioski Przeprowadzone badania miały na celu określenie wytrzymałości połączeń zgrzewanych wybranych materiałów konstrukcyjnych, stosowanych na elementy konstrukcji lotniczych. Analizie zostały poddane dwa gatunki materiałów w postaci blach ze stopu aluminium EN AW 2024 T42 oraz tytanu technicznego CP2. Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych można stwierdzić m.in., że: wraz ze wzrostem grubości łączonych elementów wzrasta także wytrzymałość; w większości przypadków najmniejszą wytrzymałością charakteryzuje się konstrukcja dwunakładkowa połączeń zgrzewanych, połączenia z dwiema zgrzeinami charakteryzują się wyższą wytrzymałością, zwiększenie siły docisku pozwala na otrzymanie połączeń o wyższej wytrzymałości, większą wytrzymałość otrzymano dla połączeń zgrzewanych blach tytanowych. Badania przeprowadzono, stosując określone parametry technologiczne procesu zgrzewania, odnoszące się do właściwości badanych materiałów oraz geometrii elementów z nich wykonanych. Analizując i porównując uzyskane wyniki, można stwierdzić, że wytrzymałość połączeń zgrzewanych zależy zarówno od parametrów technologicznych, jak również konstrukcyjnych. Materiały konstrukcyjne o lepszych właściwościach mechanicznych wykazują zdecydowanie wyższą wytrzymałość, tak jak w przypadku tytanu technicznego. Przeprowadzone badania potwierdzają informacje przedstawione w literaturze, iż w procesie zgrzewania wytrzymałość na ścinanie zgrzeiny punktowej zależy od gatunku, grubości, warunków zgrzewania, podziałki zgrzeiny i wielkości zakładki. LITERATURA 1. EN 573-3:2009: Aluminium and aluminium alloys. Chemical composition and form of wrought products. Chemical composition and form of products. 2. ASTM B265: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Strip, Sheet, and Plate. 3. Praca zbiorowa pod red. J. Pilarczyka, E. Śledziewskiego: Poradnik inżyniera. Spawalnictwo, Tom I i II. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2003. 4. PN-EN 485-2:2009: Aluminium i stopy aluminium. Blachy, taśmy i płyty. Część 2: Własności mechaniczne. 5. PN EN ISO 18592:2010: Zgrzewanie rezystancyjne Badanie niszczące zgrzein Metoda badania na zmęczenie próbek zgrzanych wielopunktowo. 6. PN-74/M-69020: Spawalnictwo. Klasyfikacja jakości zgrzein punktowych. 7. DIN EN 1465: Adhesives Determination of tensile lap-shear strength of bonded assemblies. 64
8. Rutkowski A.: Części maszyn. Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 2003. 9. Krysicki W. i in.: Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna w zadaniach. Cz. II. Statystyka matematyczna. PWN, Warszawa 1999. 10. Praca zbiorowa pod red. Dietricha M.: Podstawy konstrukcji maszyn. Tom II. Wydawnictwo Naukowo Techniczne, Warszawa 2007. Dr hab. inż. Anna Rudawska Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin, e-mail: a.rudawska@pollub.pl. Mgr inż. Agnieszka Góra PZL Świdnik SA, Aleja Lotników Polskich 1, 20-040 Świdnik. Mgr inż. Tomasz Warda Katedra Podstaw Inżynierii Produkcji, Politechnika Lubelska, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin. SELECTED ISSUES OF WELDED JOINTS OF ALUMINIUM AND TITANIUM SHEETS STRENGTH Abstract The article presents selected issues of aluminium and titanium sheets welded joints assembly. To make joints the aluminium alloy 2024 (according to European Standard EN AW-2024 AlCu4Mg1 T42) and pure titanium of CP2 (according to American standard ASTM F 67:2000-Ti Grade 2) were used. The following joints were analysed: single lap, single-sided strapped, double-sided strapped joints made from sheet metal of thicknesses: 0.64 and 0.81, and were subjected to shear. The connection is made with a variety of technological parameters of welding, spot welding method according to standard PN-EN ISO 18592:2010, and according to the technical instructions IT-210 and IT-234, regarding implementation of the welded connection. Welds are made according to standard PN-76/M-69020. Experimental study consists on the analysis of the joints strength made of various construction materials and that used different technological parameters of welding. By analysing and comparing the results, it can be concluded that the strength of the welded joints depends on both technological parameters as well. The increase of the thickness of the joining material causes the increase of the strength. In addition, construction materials, which have better mechanical properties, obtained the higher strength, as in the case of titanium. Keywords welded joints, aluminium alloy, titanium, joints strength 65