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

Механические свойства сварных соединений определяются целым рядом факторов, и в первую очередь, составом основного металла, режимом его термообработки и маркой применяемой присадочной проволоки. Значительное влияние оказывают применяемый способ и режимы сварки.

В связи с таким многообразием факторов, действующих на механические свойства сварных соединений, рассматривали все переменные факторы последовательно.

Сначала исследовали влияние химического состава основного металла на свойства сварных соединений при использовании одной марки присадочной проволоки и на одном режиме автоматической сварки на переменном синусоидальном токе в среде аргона.

Исследования проводили на листовом материале толщиной 2, 2,5, 6 и 10 мм. Основной металл сваривали в двух состояниях: закалка с температуры 445—455 °С на воздухе с последующим искусственным старением при температуре 115—125 °С в течение 5 часов; закалка с температуры 445—455 °С в воду. Сварку образцов проводили неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне переменным током. В качестве присадочного материала применяли присадочную проволоку Св. АМгб диаметром 2 мм, травленную перед сваркой. Подготовку поверхности образцов под сварку (с целью исключения пористости) проводили химическим фрезерованием со снятием поверхностного слоя на 0,2—0,25 мм с двух сторон по методике работ [75, 78]. После химического фрезерования фактическая толщина образцов стала соответственно равна 1,6; 2,0; 5,6 и 9,6 мм.

Результаты механических испытаний сварных соединений в сравнении с основным металлом приведены в табл. 3.11 и 3.12. Самые высокие механические свойства основного металла (см. табл. 3.11) получены на образцах плавки 319 (464 МПа), а наиболее низкие свойства — на образцах плавки 318 (410 МПа). Угол загиба на образцах плавок 322 и 319 в среднем равен 110°, а плавок 313 и 320 — 90°. Наибольшее относительное удлинение на образцах плавки 318 (21%), а наименьшее — плавки 320 (13,5%).

Химический состав плавок оказывает заметное влияние на свойства сварных соединений (см. табл. 3.12). Наиболее высокие прочностные свойства на образцах с усилением и проплавом достигаются на плавках основного металла 322 (386 МПа), а наименьшие на образцах плавки 320 (356 МПа). На образцах без усиления и проплава наиболее высокие свойства также получены на плавке 322 (346 МПа). Угол загиба на образцах плавок 322, 318, 319 и 320 равен 94, 100, 74 и 75° соответственно.

Механические свойства основного металла.

Примечание: 3 — закалка; ИС — искусственное старение; С — сварка.

Таблица 3.12

Механические свойства сварных соединений.

Ударная вязкость по зоне сплавления наиболее высокая на образцах плавок 318 и 322 — 1,7—1,8 Дж/м².

Наилучший комплекс прочностных и пластических свойств сварных соединений достигается на образцах плавки 322. Снижение на 0,01% кремния и до 0,08% железа при 0,11% циркония обеспечивает наиболее оптимальные свойства сплава для сварных конструкций.

Предел прочности сварных образцов плавки 322 в состоянии «закалка + сварка» равен 295 МПа, что составляет 0,81 от предела прочности основного металла. В состоянии «закалка + искусственное старение + сварка» предел прочности равен 394 МПа, т. е. 0,9 предела прочности основного металла.

Основной металл и сварные соединения испытывали на двухосное растяжение (табл. 3.13). Прочность сварного соединения оценивали по величине напряжений в зените круговой выпучины, достигаемых к моменту разрушения сварного образца [21]. Основной металл после закалки и искусственного старения (для всех вариантов химического состава) при одноосном и двухосном растяжении имеет практически одинаковые прочностные свойства. Условное разрушающее напряжение для сварных образцов при двухосном растяжении на 29,4— 58,7 МПа ниже, чем при одноосном. Подварки оказывают весьма значительное влияние на величину условного напряжения при двухосном растяжении. При наличии одной, двух и трех подварок условное напряжение уменьшается на 6, 50 и 51%. Исходя из этого, для сплавов типа 1420 можно допускать только одну подварку.

Таблица 3.13

Условное разрушающее напряжение образцов при двухосном растяжении.

Примечание: толщина образцов — 2 мм.

С учетом вышесказанного устанавливаем, что наиболее высокий комплекс механических свойств сварных соединений из исследуемых сплавов достигается при снижении концентрации примесей железа (до 0,08%) и кремния (до 0,01%) при содержании циркония до 0,11% (плавка 322).

Предел прочности сварного соединения, выполненного по режиму «закалка + искусственное старение + сварка», составляет 0,8 от основного металла, а по режиму «закалка + сварка + искусственное старение» — 0,9 от основного металла. В дальнейшем исследовали влияние различных присадочных проволок марок АМгЗ, АМг4, АМгб, АМгбЗ, 1557,1419, 1 523, 1 545, 1 571 и ряда опытных плавок (например, № 1, № 3, № 4, № 26, № 27, № 28, № 29) на механические свойства сварных соединений из основного металла одной плавки (плавка 319) при сварке на переменном токе на одном режиме (скорость сварки — 14 м/час). Установили, что применение в качестве присадки основного металла приводит к получению соединений с низкой пластичностью при средних значениях предела прочности (350 МПа). Присадочная проволока АМгбЗ обеспечивает лучшее формирование шва, чем присадка АМгб, и несколько повышенную пластичность. Применение присадочной проволоки из гранулированного материала 1419 приводит к низким прочностным и пластическим свойствам. Низкие свойства обеспечивают присадки со скандием (1 523, 1 535 и 1 571). Применение присадок АМгЗ и АМг4 обеспечивает очень высокие пластические свойства при весьма низких прочностных.

В то же время применение ряда опытных присадок с условными марками № 4 (АМг4 с цирконием и хромом) и № 29 (АМг4 со скандием) обеспечивает получение предела прочности до 393 МПа при высоком угле загиба — 170° и выше (на толщинах 1,3—2,2 мм).

Ударная вязкость по шву и по зоне находится также на высоком уровне — 212 и 137 кДж/м² соответственно (присадка № 4) и 244 и 121 кДж/м² (присадка № 29). Следовательно, только за счет изменения химического состава присадочной проволоки можно заметно повысить прочностные и особенно пластические свойства сварных соединений.

Исследовали влияние различных способов сварки на механические свойства сварных соединений. Применяли:

• 1) сварку на переменно-симметричном токе в среде аргона;
• 2) сварку на постоянном токе прямой полярности в гелии;
• 3) сварку на переменном токе с вращением электрода;
• 4) сварку на переменном токе с электромагнитным перемешиванием;
• 5) импульсную сварку на переменном токе;
• 6) сварку на переменном токе с наложением на дугу мощных кратковременных импульсов тока.

Механические свойства сварных соединений в зависимости от способа сварки приведены в табл. 3.14. Видно, что при сварке на постоянном токе наблюдается неудовлетворительное формирование шва, особенно при сварке с присадкой. Прочность таких соединений заметно ниже, чем при сварке на переменном токе в аргоне.

Наиболее высокий комплекс прочностных и пластических свойств достигается при импульсной сварке на переменном токе и при сварке вращающимся электродом.

Механические свойства сварных соединений листов сплава 1420 толщиной 2 мм при автоматической сварке с присадкой Св.АМгб.

Примечание: в верхних строках приведены минимальные и максимальные значения; в нижних — средние значения.