Badanie wpływu zmian natężenia prądu na spawanie stopu aluminium AW-7075 Stop aluminium AW-7075 zyskuje coraz większą popularność w zastosowaniach komercyjnych ze względu na jego wyjątkowe właściwości fizyczne i mechaniczne: małą gęstość, wysoką wytrzymałość, udarność i plastyczność, bardzo dużą odporność na zmęczenie i zadowalającą na korozję, łatwą obrabialność i przetwarzalność. Ze względu na te właściwości, stop ten (AlZn5,5MgCu), zwany też FORTAL-em, używany jest dla części narażonych na wysokie naprężenia. Materiał ten ma szeroki zakres zastosowań, takich jak poszycia samolotów, koła zębate i wały, części bezpieczników, części rakiet i pocisków, regulujące części zaworów, przekładnie ślimakowe, klucze i inne części samolotów komercyjnych oraz pojazdów kosmicznych [1]. Łukasz Bolewski, Marek Szkodo, Piotr Pękala Stop AW-7075, którego polskim odpowiednikiem jest PA9, pochodzi z serii 7xxx stopów aluminium z cynkiem i magnezem. Możliwość zastosowania w przemyśle stopu serii 7xxx, bardziej wytrzymałego niż powszechnie stosowane stopy serii 5xxx, uwarunkowana jest opracowaniem technologii spajania, która zapewni poprawę właściwości całej konstrukcji, czyli również złączy spawanych. Materiał AW-7075 należy do stopów słabo spawalnych, a jego łączenie wymaga odpowiedniej technologii, jak i dobranych parametrów spawania. Jedną z najczęściej stosowanych metod łączenia konstrukcji stalowych i aluminiowych jest spawanie łukowe elektrodą topliwą w osłonach gazowych (argonu i helu): MIG. Celem opisanych w artykule przeprowadzonych doświadczeń było zbadanie wpływu zmiany wartości prądowych przy spawaniu metodą MIG stopu AW- 7075 na wytrzymałość powstałych spoin. Metodyka Badań Badano stop AW-7075 w stanie T651 (materiał przesycany, wyprężany, w celu usunięcia naprężeń cieplnych i sztucznie starzony), w postaci walcowanej płyty o grubości 10 mm. Skład chemiczny materiału podano w tabeli 1, a właściwości wytrzymałościowe w tabeli 2. Do wykonania badań przygotowano cztery płyty o wymiarach 10x400x200 mm. Powierzchnie styku płyt zostały zukosowane pod kątem 45 o. Powierzchnie przed spawaniem zostały oczyszczone z tlenków za pomocą szczotek ze stali nierdzewnej, a następnie odtłuszczone benzyną ekstrakcyjną. Złącza zostały wykonane doczołowo w procesie 131 PA, w jednej Alu/Stop Mg [%] Mn [%] Fe [%] Si [%] Si+Fe [%] Cu [%] Zn [%] Cr [%] Mn+Cr [%] 7075 2,10-2,90 0,30 0,50 0,40-1,20-2,00 5,10-6,10 0,18-0,28 - Ti [%] Bi [%] Ni [%] Pb [%] Sn [%] Zr [%] Zr+Ti [%] Inne [%] Inne razem [%] Al 0,20 - - - - - 0,25 0,05 0,15 reszta Tab. 1 Skład chemiczny AW-7075 wg. PN-EN 573-1:2006 [3] 22 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień 2016 www.konstrukcjeinzynierskie.pl
Technologie Stop - stan Grubość Wytrzymałość na rozciąganie Rm min. Wytrzymałość na rozciąganie Rm max. 7075 T73/T7351 6-12.5 [mm] 475 [MPa] - [MPa] Granica plastycznści Rp 02 min. Granica plastycznści Rp 02 max. Wydłużene min. A 50mm Wydłużene min. A Promień gięcia 180 Promień gięcia 90 Twardość w skali Brinella 390 [MPa] - [MPa] 7 [%] - [%] - - 140 [HB] Tab. 2 Własności wytrzymałościowe blach gładkich AW-7075 o grubości 6-12,5 mm wg. PN-EN 485-2:2014-02 [4] z firm produkujących konstrukcje stalowe i aluminiowe w Gdańsku. Złącza wykonano w pomieszczeniu zamkniętym, w celu zabezpieczenia stanowiska przed działaniem czynników atmosferycznych. Aby uniknąć odkształceń złączy spawanie wykonano z utwierdzeniem, a zwolnienie zacisków nastąpiło dopiero po ostygnięciu złącza. Złącza doczołowe wykonano metodą MIG. Do spawania wykorzystano drut spawalniczy Autrod 4043 (skład chemiczny stopu zastosowanego na drut spawalniczy został przedstawiony w tabeli 3). Parametry spawania przedstawiono w tabeli 4. a Rys. 2 Zdjęcie makro spoiny czołowej próbki 1 (a) oraz próbki 2 (b) b Zn Fe Cu Ti Si Mn Cr 0.1 % <0.6 % <0.05 % <0.15 % 5.00 % <0.05 % <0.05 % Tab. 3 Skład chemiczny drutu spawalniczego Autrod 4043 [7] Próbki Średnica drutu elektrodowego [mm] Natężenie prądu spawania [A] Napięcie łuku [V] ALM1 1,2 190-220 23 4 ALM2 1,2 160-190 23 4 Tab. 4 Parametry spawania blach ze stopu AW-7075 metodą MIG Ilość warstw Rys. 3 Wymiary próbek do badań rozciągania zgodne z normą PN-EN-895. Wszystkie wymiary podane są w [mm] [5] Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień 2016 www.konstrukcjeinzynierskie.pl 23
Rys. 4 Wyniki metody rozciągania dla próbek litych wykonanych z materiału AW-7075 Dla pierwszej pary płyt (ALM1) ustawiono napięcie 23 V, a natężenie w przedziale 190-220 A. Dla drugiej pary płyt (ALM2) ustawiono napięcie 23 V, a natężenie 160-190 A. Jako gazu osłonowego użyto argonu o czystości 99,99%. Zdjęcia uzyskanych spoin przedstawiono na rysunku 2. Przygotowane próbki zgodnie z normą PN-EN-895 i wymiarami podanymi na rysunku 3 poddano próbie odkształcania (odkształcenie narastające z zalecaną, dla stopów aluminium, prędkością odkształcania, aż do całkowitego zniszczenia próbki). Powierzchnia rozciąganej spoiny próbki wynosiła 250 mm 2. Dla każdej spoiny doczołowej wykonano cztery próbki. Wyniki badań Wykonano również dwie próbki referencyjne z rodzimego materiału AW-7075 (AlP1, AlP2). Badania zostały przeprowadzone na maszynie Instron. Uzyskane wyniki przedstawione zostały na rysunku 4. Wszystkie badania wykonywano przy wilgotności powietrza 50% oraz temperaturze pomieszczenia 20 o C. Próbki rozciągane były z prędkością posuwu maszyny 3,00 [mm/min]. Próbki po próbie rozciągania zostały przedstawione na rysunku 5. Dla próbki pierwszej (AlP1) uzyskano siłę maksymalną rozrywania 146.906 kn, a dla próbki drugiej (AlP2) 146.990 kn. Mając te dane można policzyć granicę wytrzymałości Rm: Rm = Rm 1 = Rm 2 = Fu Su [Pa] 146.906 [kn] 250 [mm 2 ] 146.990 [kn] 250 [mm 2 ] Rys. 5 Próbki po próbie rozciągania = 587,62 [MPa] = 587,96 [MPa] 24 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień 2016 www.konstrukcjeinzynierskie.pl
Technologie Rys. 6 Wyniki rozciągania dla czterech próbek (ALM1) Średni wynik dla materiału litego PA9 wynosi Rm śr = 587,79 MPa. Uzyskany wynik będzie referencyjny, w celu porównania wyników wytrzymałości spoin. Uzyskano również wydłużenie, którego wartość średnia dla dwóch próbek wyniosła A = 11,3 %. Kolejne badania zostały przeprowadzone dla czterech próbek wyciętych z blachy zespawanej zgodnie z parametrami podanymi w tabeli 4 dla ALM1. Rysunek 6 przedstawia wyniki uzyskane dla badanego przypadku. Nr próbki Siły zrywające [kn] 1 66 058 264,23 2 66 172 264,69 3 62 339 249,36 4 56 391 225,56 Rm śr1, Rm śr2 250,96 Granica wytrzymałości [MPa] Tab. 5 Wyniki rozciągania czterech próbek (ALM1) Rys. 7 Wyniki rozciągania dla czterech próbek (ALM2) Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień 2016 www.konstrukcjeinzynierskie.pl 25
prądowych wykazały, iż spoiny charakteryzowały się niższą wartością granicy wytrzymałości, kolejno dla próbek ALM1 o 42,7% i dla próbek ALM2 37,7% wartości Rm śr materiału litego AW-7075 (tabela 7). Wykonane spoiny nie były badane metodami nieniszczącymi NDT. W przełomach próbek można ALM2, można było zauważyć liczne pęcherze, które znacząco wpływały na jakość spoiny. Nr próbki Rys. 8 Pęknięcie poprzeczne na próbce nr 2 Uzyskane wyniki dla czterech próbek ALM1 przedstawiono w tabeli 5. Uzyskana średnia granica wytrzymałości dla parametrów ALM1 wynosi Rm śr1 = 250,96 MPa. Następnie wykonano testy dla czterech próbek zespawanych zgodnie z parametrami ALM2 podanymi w tabeli 4. Wyniki przeprowadzonych testów przedstawiono na rysunku 7. Analizując uzyskane wyniki można zauważyć, że w tym przypadku dla próbki drugiej uzyskano znacząco gorszy wynik od pozostałych, wynikający z użytych parametrów procesu spawania. Po obserwacji złomu próbki można było zauważyć powstanie pęknięcia podłużnego usytuowanego równolegle do osi spoiny, w granicy ze strefą wpływu ciepła. Zaistniałą wadę ukazano na rysunku 8. Badania wytrzymałości spoin próbek aluminiowych spawanych metodą MIG dla dwóch różnych parametrów Próbka Siły zrywające [kn] 1 52 453 209,81 2 36 275 145,10 3 69 298 277,19 4 63 542 254,17 ALM1 42,7% ALM2 37,7% Naprężenie zrywające [MPa] 221,57 Tab. 6 Wyniki rozciągania czterech próbek (ALM2) Procentowy udział wytrzymałości spoiny względem wytrzymałości próbki referencyjnej Wnioski Badania dwóch złączy spawanych metodą MIG, o różnych parametrach prądów spawalniczych, wskazują jednoznacznie, że w celu uzyskania wyższej wartości granicy wytrzymałości, najlepszym parametrem do spawania stopu aluminium AW-7075 drutem z materiału dodatkowego Autrod 4043 są natężenia prądu w zakresie 190-220 A (przy napięciu łuku 23 V). Uzyskano o 13% lepsze wyniki dla tych parametrów niż dla warunków ALM2. Planowane jest przeprowadzenie badań spawania metodą MIG Puls stopu PA9 dla innych rodzajów drutów spawalniczych oraz różnych składów gazów osłonowych. mgr inż. Łukasz Bolewski lukaszbolewski@gmail.com dr hab. inż. Marek Szkodo inż. Piotr Pękala Politechnika Gdańska Katedra Inżynierii Materiałowej i Spajania Literatura: [1] G. E. Totten, D. S. MacKenzie: Handbook of aluminium Vol. 1, Physical Metallurgy and Processes (2003) 185 [2] T. Pfeifer, J. Rykała: Welding EN AW 7075 Aluminium Alloy Sheets Low-energy Versus Pulsed Current, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, No 5, 2014, s. 137-147 [3] PN-EN 573-1:2006 Aluminium i stopy aluminium - Skład chemiczny i rodzaje wyrobów przerobionych plastycznie - Część 1: System oznaczeń numerycznych [4] PN-EN 485-2:2014-02 Aluminium i stopy aluminium - Blachy, taśmy i płyty - Część 2: Własności mechaniczne [5] PN-EN 895:1997 Badania niszczące spawanych złączy metali. Próba rozciągania próbek poprzecznych Tab. 7 Procentowy udział wytrzymałości spoiny względem wytrzymałości próbki referencyjnej 26 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie wrzesień 2016 www.konstrukcjeinzynierskie.pl