Механические свойства сварных соединений из сплавов системы AI — Mg — Be

Свойства сварных соединений в сравнении со свойствами основного металла приведены в табл. 3.15 и 3.16.

Таблица 3.15

Механические свойства основного металла.

Видно, что предел прочности сварных соединений с присадкой АБМ-1 находится на уровне 0,85—0,9 от предела прочности основного металла. Предел прочности сварных соединений из кольцевых стыков (труба + труба) находится на уровне 0,75—0,8 от предела прочности основного металла. Наличие одной подварки или непровара приводит к снижению прочности сварного соединения соответственно до 0,71 и 0,64 от предела прочности основного металла.

Таблица 3.16

Механические свойства сварных соединений.

Натурный сварной узел из сплава АБМ-1 с диаметром 66 мм и толщиной стенки 2,5 мм разрушился при напряжении порядка 313 МПа (растяжение) и напряжении порядка 310 МПа (сжатие). Модуль упругости при растяжении 117 ГПа и при сжатии — 112 ГПа.

Свойства сварных соединений при циклических нагружениях

Для ряда сварных соединений из алюминиевых сплавов характерна невысокая частота приложения повторных нагрузок. Поэтому определенный интерес представляют данные по малоцикловой усталости. Так, согласно данным работы [21] имеются значительные различия в механизме уставания в малои многоцикловой области. Исследования проводили на образцах из алюминиевого сплава 1201 толщиной 3, 4, 5 и 6 мм. Использовали образцы, вырезанные из листа, горячекатаной и ковано-катаной плит и из прессполосы. Все образцы перед сваркой были в состоянии закалки и искусственного старения. Сварку образцов в зависимости от их толщины проводили в один или два прохода с присадкой Св.1201 неплавящимся вольфрамовым электродом на постоянном токе прямой полярности в среде гелия на специальной фрезерносварочной установке, созданной на базе серийного трехкоординатного фрезерного станка ФП-17 [81]. Испытания на малоцикловую усталость проводили на машинах НГП с частотой нагружения 5—8 циклов в минуту и коэффициентом асимметрии цикла 0,1.

Результаты испытаний показали, что большое влияние на число циклов до разрушения оказывает геометрия шва, а именно наличие усиления и проплава, а также смещения кромок. Снятие после сварки только проплава корня шва заподлицо с основным металлом приводит к значительному (в 2—4 раза) увеличению числа циклов до разрушения (табл. 3.17). Последующее снятие усиления заподлицо с основным металлом приводит к еще большему увеличению числа циклов до разрушения (в 1,2—1,8 раза) по сравнению с образцами только со снятым корнем шва и в 3,5—6 раз по сравнению с образцами с усилением и корнем шва.

Таблица 3. 7 7.

Влияние геометрии сварного стыка на число циклов до разрушения.

Примечания: 1) автоматическая сварка на постоянном токе прямой полярности в гелии; 2) образцы из листа; 3) напряжения при испытаниях 215 МПа.

Однако проведение операции по удалению корня шва и усиления весьма трудоемко и не всегда возможно. В этом случае, по-видимому, рационально нанесение клеевых покрытий на сварные швы (как со стороны усиления, так и со стороны корня шва). При этом за счет снижения концентрации напряжений и эффекта появления сжимающих напряжений от клеевого слоя отмечается повышение числа циклов до разрушения примерно в 1,5—2,5 раза (при наличии корня шва и усиления) и в 1,2—1,5 раз (при наличии только усиления шва). При этом чем меньше толщина свариваемого материала, тем больше эффект от нанесения клеевого покрытия.

Смещение кромок на величину порядка 10% от толщины деталей приводит к снижению числа циклов до разрушения в 1,4—2,0 раза (табл. 3.18).

Таблица 3.18

Влияние величины смещения кромок на число циклов до разрушения.

Примечания: 1) автоматическая сварка на постоянном токе; 2) образцы из листа.

Увеличение смещения кромок до 20—35% от толщины деталей приводит к снижению числа циклов до разрушения в 20—30 раз. Смещение кромок на величину 50—60% от толщины деталей приводит к снижению числа циклов до разрушения в 100—200 раз по сравнению с образцами без смещения кромок. Отмеченный порядок цифр снижения циклов до разрушения сохраняется при испытаниях с различными напряжениями — от 215 до 156 МПа. Исходя из вышесказанного, для ответственных конструкций необходимо обеспечивать жесткие требования к качеству сборки под сварку — величина смещения кромок не должна превышать 10%. Обеспечить такую величину смещения кромок для сложных пространственных конструкций возможно, по-видимому, только с использованием сварочных комплексов на станочной основе типа УПСФ-2. Эти комплексы обеспечивают механическую обработку, сборку, подготовку под сварку и сварку на одном рабочем месте с одного установа по единой программе.

Результаты проведенных испытаний показали (табл. 3.19), что тип полуфабриката: лист, плита, прессполоса — оказывает определенное влияние на долговечность сварных соединений.

Наибольшее число циклов до разрушения отмечается на образцах, изготовленных из листа и ковано-катаной плиты. На образцах из прессполосы отмечаются весьма малые величины долговечности сварных соединений — в 2—3 раза меньшие, чем на образцах из листа и кованокатаной плиты. При сварке сочетания прессполосы с горячекатаной плитой также отмечается малое число циклов до разрушения. Такое явление, по-видимому, связано со спецификой макроструктуры прессованных заготовок — резкая макрохимическая неоднородность по сечению. Исходя из этого, при проектировании новых изделий необходимо избегать применения прессованных заготовок для сварных конструкций.

Таблица 3.19

Влияние типа полуфабриката на число циклов до разрушения сварных соединений толщиной б мм.

Примечания: 1) напряжение при испытаниях — 220 МПа; 2) автоматическая сварка на постоянном токе в среде гелия; 3) образцы со снятым корнем шва; 4) определение момента возникновения трещины площадью 0,1 мм² с помощью ультразвукового метода с датчиком на образце; 5) горячекатаная и ковано-катаные плиты соответственно 30 и 80 мм.

При изготовлении сложных пространственных гермосиловых конструкций в ряде случаев для исправления дефектов (трещины, поры, несплавления) приходится применять подварки. Повторный нагрев и изменение структуры в местах подварок может изменить долговечность сварных соединений. Данные табл. 3.20 показывают, что проведение каждой подварки снижает число циклов до разрушения по сравнению с образцами без подварок. Особенно сильно снижается долговечность сварных соединений после проведения второй и третьей подварки (число циклов до разрушения уменьшается в 2—3 раза). После проведения четырех подварок число циклов до разрушения падает в 2—10 раз. Поэтому для высокоресурсных соединений число подварок необходимо строго регламентировать и не допускать более одной подварки.

Большинство конструкций после сварки подвергается различным видам правки. Проведение правки может оказать заметное влияние на малоцикловую усталость сварных соединений. Исследовали влияние различных способов правки сварных соединений на число циклов до разрушения образцов толщиной 8 мм, изготовленных из листа: ручная ударная правка молотком, ультразвуковая правка, механизированная ударная правка.

Таблица 3.20

Влияние подварок на число циклов до разрушения.

Примечание: образцы из листа сварены автоматической сваркой в среде гелия. Подварки выполнены аргонодуговой сваркой.

Ручную ударную правку проводили только по шву без применения каких-либо прокладок. Ультразвуковую механизированную правку проводили по околошовной зоне. Сам процесс ультразвуковой правки представляет собой способ высокоскоростной пластической деформации металла с наложением ультразвуковых колебаний на деформирующий элемент-ударник. В качестве источника ультразвуковых колебаний использовали тиристорный генератор типа УТГУ-1,2—27. В процессе работы генератора выходной торец преобразователя входит в контакт с набором ударников (или одним ударником), которые взаимодействуют с металлом с частотой 27 КГц. За счет различного числа проходов вдоль шва и выбора участков приложения ультразвуковой правки обеспечивается получение требуемой геометрической формы конструкций. В процессе работы ультразвуковой преобразователь неподвижно закрепляли на корпусе фрезерной головки станка ФП-17, что обеспечивало его точное перемещение вместе с ударником вдоль шва по программе. Для ультразвуковой правки использовали набор игольчатых ударников и полукруглый одиночный ударник.

Механизированную ударную правку проводили с использованием пневмомолотка с роликовыми прижимами, жестко закрепленного на корпусе фрезерной головки станка ФП-17, что обеспечивало его перемещение вдоль шва по программе. В качестве ударника использовали единичный полукруглый боек. Правку проводили только по шву. Перед началом правки корень шва удаляли шабером. Режим правки выбирали так, чтобы за два прохода загладить усиление шва заподлицо с основным металлом. При правке на подкладке с канавкой за счет пластического течения металла образуется как бы новый корень шва. При правке на гладкой подкладке как сверху, так и снизу образца получали шов заподлицо с основным металлом.

Анализ результатов испытаний сварных образцов с различными способами правки (табл. 3.21) показал, что применение ручной ударной правки приводит к чрезвычайно большому разбросу показателей долговечности; кроме того, сам способ весьма трудоемок и сопровождается сильным шумом. При использовании ультразвуковой правки с набором игольчатых ударников число циклов до разрушения понижается по сравнению с образцами без правки. Объяснить это явление можно только за счет резкого ухудшения микрогеометрии переходной зоны на образцах после ультразвуковой правки острыми стальными иглами ударника. При применении в качестве ударника полукруглого бойка число циклов до разрушения практически такое же, как и на образцах без правки.

Таблица 3.21

Зависимость числа циклов до разрушения от способа правки сварных соединений.

Примечание: лист толщиной 6 мм; автоматическая сварка в среде гелия.

Механизированная ударная правка на подкладке с канавкой приводит к резкому повышению числа циклов до разрушения (в 1,7—.

2,0 раза). Ведение процесса правки на гладкой подкладке приводит к еще большему возрастанию долговечности сварных соединений (в 2,1—3,5 раза) по сравнению с образцами без правки. При этом меняется сам характер разрушения и его место. Если на образцах без правки разрушение всегда происходит в зоне линии сплавления, то после ударной правки разрушение, как правило, происходит по сварному шву. Одна из причин этого явления — полное отсутствие усиления шва (при правке на подкладке с канавкой) и отсутствие усиления и проплава при правке на гладкой подкладке. Кроме того, после такой правки наблюдается заметное изменение макроструктуры в зоне линии сплавления. Таким образом, за счет применения рациональных методов правки можно получить требуемую геометрическую форму и значительно повысить долговечность ответственных сварных конструкций. Правку можно выполнять на том же самом рабочем месте, с одного установа по единой программе с управлением от ЧПУ, что и процесс сварки.

На алюминиевых сплавах системы А1 — Mg — Li, например типа 1420, малоцикловая выносливость образцов основного металла на базе 2 • 10³ циклов равна 250—260 МПа (состояние закалки на воздухе) и 290—.

320 МПа (состояние закалки и искусственного старения). Сварные соединения из сплавов этой системы, независимо от предварительной термической обработки, имеют показатели малоцикловой выносливости значительно ниже, чем у основного металла, — на уровне 240—250 МПа (табл. 3.22). Нанесение на сварные швы клеевых покрытий повышает малоцикловую выносливость в 1,3—2,2 раза.

Предел усталости образцов из основного металла на базе 2 • 10⁷ циклов равен 120—135 МПа (табл. 3.23). На образцах основного металла с концентратором напряжений в виде отверстия диаметром 0,8 мм предел усталости резко снижается до 95—100 МПа.

Таблица 3.22

Результаты испытаний на малоцикловую прочность.

Примечания: 1) приведены средние данные по числу циклов до разрушения; 2) образцы из сплава 1420 в состоянии закалки и искусственного старения.

* Аналог термина «выкрушка» — концентратор в виде отверстия.

Результаты испытаний на усталость.

Таблица 3.23

В ряде работ [32, 36] отмечается значительное влияние погонной энергии сварки на свойства сварных соединений. Поэтому исследовали процесс сварки сплава 1420 при различных скоростях сварки. Применяли ускоренную оценку пределов выносливости методом ступенчатого нагружения (метод Локати) по ГОСТ 19 533–80.

Предел выносливости оценивали на базе 10⁷ циклов при коэффициенте асимметрии цикла г = 0,1. Результаты испытаний приведены в табл. 3.24.

Таблица 3.24

Результаты ускоренных испытаний плоских сварных образцов со снятым усилением и проплавом.

Примечания: 1) автоматическая аргонодуговая сварка на переменном синусоидальном токе; 2) образцы толщиной 2 мм плавки 319; 3) испытания на машине УРМ-2000.

Анализ результатов (см. табл. 3.24) показывает, что увеличение скорости сварки не приводит к повышению циклической прочности. Проведение подварок резко снижает усталостные свойства сварных соединений.