8
Miroslaw Czechowski Akademia Morska w Gdyni WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH METODĄ MIG I ZGRZEWANYCH TARCIOWO METODĄ FSW W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych oraz podatności na korozję naprężeniową złączy spajanych stopu AW-5083 H321 [AlMg4,5Mn], stosowanego obecnie do konstrukcji morskich. Badano złącza spawane metodą MIG oraz złącza zgrzewane tarciowo metodą Friction Stir Welding (FSW). Badania podatności na korozję naprężeniową przeprowadzono, stosując próbę odkształcania z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing – SSRT). Badania wykonano w powietrzu i 3,5% wodnym roztworze NaCl. Podczas badań mierzono następujące parametry: wydłużenie względne w momencie zniszczenia próbki A 10 [%], maksymalną siłę F max [kN], maksy- malne naprężenie R max [MPa], właściwą energię zniszczenia E [MJ/m 3 ] (powierzchnia wykresu pod krzywą naprężenie – wydłużenie), przewężenie w momencie zniszczenia próbki Z [%], czas trwania próby do zniszczenia próbki T [godz.]. Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że złącza zgrzewane metodą FSW wykazują wyższe właściwości wytrzymałościowe oraz lepszą odporność na korozję naprężeniową w porównaniu z analogicznymi właściwościami złączy spawanych metodą MIG. Slowa kluczowe: stopy aluminium, spawanie, zgrzewanie metodą FSW. WSTĘP W praktyce przemysłowej spawanie stopów aluminium wykonuje się najczęściej w osłonie czystego argonu (o czystości 99,98%) elektrodą topliwą (metoda MIG). Główne trudności, jakie występują podczas spawania stopów aluminium, wynikają z: dużego powinowactwa aluminium do tlenu i powstawania trudno topliwego (2060°C) tlenku Al 2 O 3 , wysokiej przewodności oraz dużej rozszerzalności cieplnej stopów aluminium, dużego skurczu odlewniczego (przyczyna odkształceń i naprężeń spawalniczych), znacznych spadków wytrzy- małości w temperaturze spawania, utraty w czasie spawania pierwiastków stopowych, takich jak magnez, cynk czy lit [3]. Spośród spawalnych stopów aluminium do przeróbki plastycznej, w okręto- wnictwie stosuje się stopy układu Al-Mg (grupa 5xxx), o dobrej spawalności i względnie dobrych właściwościach w warunkach eksploatacyjnych. Zaletą tych stopów jest ich względna odporność na korozję warstwową i naprężeniowe pękanie korozyjne w wodzie morskiej, wadą – słabsza wytrzymałość złącza spawanego od materiału rodzimego, nieprzewyższająca 300 MPa [1, 2, 5].

WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

Mirosław Czechowski

Akademia Morska w Gdyni

WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH METODĄ MIG I ZGRZEWANYCH TARCIOWO METODĄ FSW

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych oraz podatności na korozję

naprężeniową złączy spajanych stopu AW-5083 H321 [AlMg4,5Mn], stosowanego obecnie do

konstrukcji morskich. Badano złącza spawane metodą MIG oraz złącza zgrzewane tarciowo metodą

Friction Stir Welding (FSW). Badania podatności na korozję naprężeniową przeprowadzono, stosując

próbę odkształcania z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing – SSRT). Badania wykonano

w powietrzu i 3,5% wodnym roztworze NaCl. Podczas badań mierzono następujące parametry:

wydłużenie względne w momencie zniszczenia próbki A10 [%], maksymalną siłę Fmax [kN], maksy-

malne naprężenie Rmax [MPa], właściwą energię zniszczenia E [MJ/m3] (powierzchnia wykresu pod

krzywą naprężenie – wydłużenie), przewężenie w momencie zniszczenia próbki Z [%], czas trwania

próby do zniszczenia próbki T [godz.].

Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że złącza zgrzewane metodą FSW wykazują

wyższe właściwości wytrzymałościowe oraz lepszą odporność na korozję naprężeniową w porównaniu

z analogicznymi właściwościami złączy spawanych metodą MIG.

Słowa kluczowe: stopy aluminium, spawanie, zgrzewanie metodą FSW.

WSTĘP

W praktyce przemysłowej spawanie stopów aluminium wykonuje się najczęściej w osłonie czystego argonu (o czystości 99,98%) elektrodą topliwą (metoda MIG). Główne trudności, jakie występują podczas spawania stopów aluminium, wynikają z: dużego powinowactwa aluminium do tlenu i powstawania trudno topliwego (2060°C) tlenku Al2O3, wysokiej przewodności oraz dużej rozszerzalności cieplnej stopów aluminium, dużego skurczu odlewniczego (przyczyna odkształceń i naprężeń spawalniczych), znacznych spadków wytrzy-małości w temperaturze spawania, utraty w czasie spawania pierwiastków stopowych, takich jak magnez, cynk czy lit [3]. Spośród spawalnych stopów aluminium do przeróbki plastycznej, w okręto-wnictwie stosuje się stopy układu Al-Mg (grupa 5xxx), o dobrej spawalności i względnie dobrych właściwościach w warunkach eksploatacyjnych. Zaletą tych stopów jest ich względna odporność na korozję warstwową i naprężeniowe pękanie korozyjne w wodzie morskiej, wadą – słabsza wytrzymałość złącza spawanego od materiału rodzimego, nieprzewyższająca 300 MPa [1, 2, 5].

Page 2: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

22 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014

W ostatnich 10 latach bardzo dynamicznie rozwija się technologia Friction

Stir Welding (FSW). Zgrzewanie tarciowe FSW wynaleziono i opatentowano w 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym sposobie zgrzewania wykorzystuje się niestapiające się obrotowe narzędzie uplastyczniające, które przesuwa się wzdłuż złącza pomiędzy dwoma elementami przeznaczonymi do zgrzewania, tworząc wysokiej jakości zgrzeiny czołowe lub zakładkowe [2, 4, 6, 7]. Proces FSM jest, podobnie jak konwencjo-nalne zgrzewanie tarciowe, procesem przebiegającym w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia materiału elementów zgrzewanych. Metodą tą można zgrzewać wszystkie stopy aluminium, łącznie z tymi, które normalnie nie mogą być łączone konwencjonalnymi technikami spajania ze stapianiem łączonych brzegów, takimi jak aluminium-lit. Mogą być także łączone ze sobą różnoimienne stopy aluminium. Żaden gaz ochronny ani spoiwo nie są potrzebne do tego rodzaju zgrzewania stopów aluminium [4, 6]. Celem pracy było porównanie właściwości mechanicznych i odporności na korozję naprężeniową złączy spajanych metodą MIG i zgrzewanych metodą FSW oraz, biorąc pod uwagę powyższe kryteria, zaproponowanie optymalnej metody spajania stopów grupy 5xxx, stosowanych w okrętownictwie.

1. METODYKA BADAŃ

Do badań wybrano nowy stop aluminium, używany do konstrukcji morskich: AW 5083 H321 (AlMg5Mn0,7). Składy chemiczne w % mas. podano w tabeli 1.

Tabela 1. Skład chemiczny badanych stopów aluminium (% mas)

Table 1. Chemical composition of the tested aluminum alloys (wt. %)

Stop Skład chemiczny

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn

0,195 0,180 0,090 0,662 4,745 0,111 0,042

Ti B Zr Ni Sn Be Al 5083

0,025 0,002 0,0037 0,005 0,0028 0,002 reszta

Spawanie w osłonie argonu metodą MIG wykonano dwustronnie przy użyciu materiału dodatkowego w gatunku 5183. Blachę o grubości g = 12 mm ukosowano na X pod kątem 110° i 60°. Blachy, wykonane ze stopu AW 5083, zgrzano tarciowo (FSW) doczołowo w dwóch przejściach (dwustronnie), stosując następujące parametry: I przejście – narzędzie (D = 20 mm, d = 6 mm, h = 6 mm), Vn = 900 obr/min, Vz = 140 mm/min; II przejście – narzędzie (D = 20 mm, d = 6 mm, h = 3 mm), Vn = 900 obr/min, Vz = 180 mm/min (rys. 1). Badania mikrostruktury zgrzeiny wykazały jej popraw-ną budowę, bez widocznych nieciągłości w obszarze materiału odkształconego plastycznie.

Page 3: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW 23

Rys. 1. Schemat FSW [2]

Fig. 1. The diagram of FSW [2]

Badania korozji naprężeniowej przeprowadzono, stosując próbę odkształcania

z małą prędkością (Slow Strain Rate Testing – SSRT), zgodnie z PN-EN ISO 7539-7. Badania przeprowadzono na specjalnie zaprojektowanym stanowisku pomiarowym (Akademia Morska w Gdyni, KMOiTR), umożliwiającym rozciąganie próbek w środowisku korozyjnym, przy małej prędkości odkształcania od 10–3 do 10–7 s–1. Podatność na korozję naprężeniową (Kx) oceniano, porównując wartości średnie mierzonych parametrów, uzyskanych na identycznych próbkach eksponowanych na działanie środowiska korozyjnego (XSCC) oraz obojętnego (Xpow), według zależności (1):

Kx = [1 – (XSCC/Xpow)] × 100 (%), (1)

gdzie:

Kx – podatność na korozję naprężeniową [%],

X – wartość mierzonego parametru podczas badań w zastępczej wodzie morskiej

(SCC) lub powietrzu (pow).

Podczas badań rejestrowano komputerowo lub mierzono po zakończeniu pomiaru takie parametry, jak: wydłużenie względne w momencie zniszczenia próbki A10 [%], maksymalną siłę Fmax [kN], maksymalne naprężenie Rmax [MPa], właściwą energię zniszczenia E [MJ/m3] (powierzchnia wykresu pod krzywą naprężenie – wydłużenie), przewężenie w momencie zniszczenia próbki Z [%], czas trwania próby do zniszczenia próbki T [h]. Próbę przeprowadzano na próbkach gładkich, cylindrycznych bez karbu. Próby wytrzymałościowe były wykonywane w zastępczej wodzie morskiej o temperaturze +20°C oraz w środowisku obojętnym – suchym powietrzu, przy małych prędkościach odkształcania έ = 1,6 × 10–6 s–1, aż do całkowitego zniszcze-nia próbki. Przed ekspozycją próbki były polerowane i odtłuszczone. Badania przełomów wykonano za pomocą mikroskopu skaningowego elektronowego o dużej rozdzielczości Philips XL30 (Politechnika Gdańska, KIM).

Page 4: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

24 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014

2. WYNIKI I ANALIZA BADAŃ

Wyniki badań właściwości mechanicznych materiału rodzimego i złączy spajanych, wykonanych na próbkach płaskich (zgodnie z PN-EN 895:1995), zamieszczono w tabeli 2.

Tabela 2. Właściwości mechaniczne materiału rodzimego i złączy spajanych stopu aluminium 5083 (średnie z trzech próbek)

Table 2. Mechanical properties of the native material and joints of 5083 alloy (average value from three specimens)

Rm

zgrzew/spaw Materiał / metoda spajania

Rm [MPa]

R0,2 [MPa]

A5 [%]

Rm mat. rodzimy

5083 / materiał rodzimy 346 270 19,7 –

5083 / FSW 322 238 10,4 0,93

5083 / MIG 282 206 15,1 0,82

Przykładowe obrazy złącza stopu 5083 FSW spawanego metodą MIG oraz zgrzewanego metodą FSW, otrzymane po badaniach makroskopowych i mikrosko-powych, przedstawiono na rysunkach 2, 3 i 4. Badania mikrostruktury zgrzein wykazały ich poprawną budowę, bez widocznych nieciągłości w obszarze ma-teriału odkształconego plastycznie. Na rysunku 4 pokazano charakterystyczne mikrostruktury złącza zgrzewanego metodą FSW stopu 5083.

Rys. 2. Przekrój złącza spawanego metodą MIG stopu 5083. Trawienie odczynnikiem Kellera

Fig. 2. The section of the joint of 5083 aluminium alloy welded by MIG method. Etching with Keller’s reagent

Rys. 3. Przekrój złącza zgrzewanego stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW. Trawienie odczynnikiem Kellera. Pow. 5x

Fig. 3. The section of the joint of 5083 alloy welded by FSW method. Etching with Keller’s reagent

Page 5: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW 25

100 µm

100 µm

Rys. 4. Mikrostruktura stopu 5083 zgrzewanego tarciowo metodą FSW

Fig. 4. Microstructure of 5083 alloy welded by FSW method

Złącza spawane, wykonane metodami MIG, pękały podczas statycznej próby rozciągania w spoinie, natomiast wszystkie badane próbki stopów aluminium zgrzanych tarciowo metodą FSW pękały w linii zgrzeiny oddzielającej materiał rodzimy od materiału odkształconego plastycznie. Badaniom właściwości mecha-nicznych towarzyszyła analiza powierzchni przełomów za pomocą mikroskopu skaningowego (Philips XL30). Charakterystyczny przełom złącza zgrzewanego metodą FSW stopu 5083 przedstawiono na rysunku 5. Przełom próbki wykonanej ze stopu 5083 zgrzanego metodą FSW ma charakter mieszany łupliwy, z dużym udziałem obszarów o ciągliwym charakterze.

Page 6: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

26 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014

Rys. 5. Powierzchnia przełomu złącza stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW

Fig. 5. The surface of the fracture zone of 5083 alloy welded by FSW method

Wyniki prób SSRT, przeprowadzonych w powietrzu oraz w zastępczej wodzie morskiej, zamieszczono w tabeli 3, przedstawiając podatność na korozję napręże-niową dla materiału rodzimego stopu 5083 oraz dla złączy spajanych metodami FSW i MIG.

Tabela 3. Podatność na korozję naprężeniową stopu 5083 i ich złączy spajanych

Table 3. Susceptibility to stress corrosion of 5083 alloy and their joints

Stop/Metoda spajania KE [%]

KT [%]

KA [%]

KZ [%]

5083 2,5 3,3 0,4 0,43

5083/FSW 0 0,6 0 0

5083/MIG 4,6 0,4 0,7 0

KE – średnie procentowe zmniejszenie energii zniszczenia, KT – średnie procentowe zmniejszenie czasu do zniszczenia, KA – średnie procentowe zmniejszenie wydłużenia w momencie

zniszczenia próbki, KZ – średnie procentowe zmniejszenie przewężenia.

Powyższe badania SSRT odporności na korozję naprężeniową połączeń ze stopu 5083, zgrzewanych metodą FSW w warunkach stałej niskiej szybkości rozciągania (10–6 s–1), wykazały dobrą odporność na ten rodzaj degradacji środowiskowej. Wartości mierzonych parametrów podczas badań w powietrzu i sztucznej wodzie morskiej różnią się nieznacznie. Złącza zgrzewane metodą FSW pękały podczas próby SSRT transkrysta-licznie przez ścinanie w linii zgrzania, pomiędzy materiałem rodzimym a zgrzeiną. W przypadku próbek rozciąganych w powietrzu, na powierzchni przełomu

Page 7: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

M. Czechowski, Właściwości złączy stopu AW 5083 spawanych metodą MIG i zgrzewanych tarciowo metodą FSW 27

obserwowano odkształcenie osnowy (roztworu stałego), poprzedzające zniszczenie próbki, o czym świadczą widoczne dołki i różne stadia koalescencji mikropustek. Na powierzchni pęknięcia obserwowano dołki ścinania (rys. 6). Ich powstanie było związane z lokalną dekohezją na granicach międzyfazowych cząsteczka/osnowa oraz z pękaniem cząstek. Przełom ma budowę niejednorodną, słabo rozwiniętą, objawiającą się różnymi rozmiarami dołków. Cechą charakterystyczną przełomu jest obecność na dnie dołków popękanych cząstek o różnych wymiarach. Dla próbek rozciąganych w sztucznej wodzie morskiej morfologia obserwowanych przełomów była zbliżona do tej, która występowała w próbkach rozciąganych w powietrzu.

Próbki wykonane ze złączy spawanych metodą MIG pękały w spoinie z prze-łomem ciągliwym.

Rys. 6. Powierzchnia przełomu stopu 5083 zgrzewanego metodą FSW po ekspozycji w wodzie morskiej

Fig. 6. The surface of the fracture zone of 5083 alloy welded by FSW method after exposition in 3,5% NaCl

PODSUMOWANIE

Właściwości wytrzymałościowe złączy zgrzewanych stopu 5083 metodą FSW są wyższe (Rm zgrzeiny/Rm mat. rodzimy = 0,93) w porównaniu ze złączami spawanymi tradycyjną metodą MIG (tab. 2). FSW jest metodą spajania w stanie stałym, poniżej temperatury topnienia zgrzewanych stopów. Zgrzeina charaktery-zuje się brakiem w złączu porowatości i pęknięć, właściwych dla metod spawania łukowego. Odporność na korozję naprężeniową złączy stopu 5083 zgrzewanych metodą FSW jest lepsza, w porównaniu ze złączami tego samego stopu, spawanymi

Page 8: WŁAŚCIWOŚCI ZŁĄCZY STOPU AW 5083 SPAWANYCH …zeszyty.umg.edu.pl/sites/default/files/ZN229.pdfw 1991 roku w Instytucie Spawalnictwa (TWI) w Cambridge w Wielkiej Brytanii. W omawianym

28 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 83, sierpień 2014

metodą MIG. Wydłużenie próbek, wykonanych ze stopu 5083 zgrzewanych metodą FSW, rozciąganych w zastępczej wodzie morskiej, nie uległo zmianie w porównaniu z tymi badanymi w powietrzu. Zmniejszenie wartości wydłużenia dla połączeń spawanych metodą MIG wyniosło 0,7%.

LITERATURA

1. Czechowski M., Low-cycle fatigue of friction stir welded Al-Mg alloys, Journal of Materials

Processing Technology, 2005, 164–165, p. 1001–1006.

2. Czechowski M., Pietras A., Zadroga L., Własności stopów aluminium serii 5xxx zgrzewanych

nową technologią FSW, Inżynieria Materiałowa, 2003, nr 6 (137), s. 264–266.

3. Davis J.R., Corrosion of Aluminium and Aluminium Alloys, ASM International, Materials Park,

OH, 1999.

4. Eriksson L.G., Friction stir welding, Svetsaren, 2001, Vol. 56, No. 2–3, p. 3–6.

5. Lahti K., FSW – possibilities in shipbuilding, Svetsaren, 2003, Vol. 58, No.1, p. 6–8.

6. Nicholas E.D., Kallee S.W., Proces zgrzewania tarciowego z mieszaniem materiału zgrzeiny ma

już 10 lat, Biuletyn Instytutu Spawalnictwa, 2001, nr 3, s. 30–39.

7. Thomas W.M., Friction stir welding. GB patent 9125978, 6.12.1991, International patent

application PCT/GB92/02203.

PROPERTIES OF AW 5083 ALUMINIUM ALLOY JOINTS WELDED BY MIG AND FSW METHODS

Summary

The article presents the research results of the mechanical properties of AW-5083 aluminium alloy

(AlMg4.5Mn) welded by MIG and friction stir welding FSW methods. Stress corrosion cracking was

examined via the slow-strain-rate-testing (SSRT) according to EN ISO 7539-7. Tests were carried out

in the air and in the 3.5% water solution of NaCl – an artificial sea water.

The following parameters were measured: time-to-failure – T [h], obtained max. load – F [N]; strain

energy (the diagram surface under the stress-elongation curve) – E [MJ/m3]; relative elongation of

the specimen – A11.3 [%]; max. tensile stress – R [MPa] and narrowing – Z [%]. On the basis of

obtained test results, it can be said that AW-5083 alloy joints welded by FSW method are resistant to

stress corrosion in sea water. Tests have shown that the joints of AW-5083 alloy welded by FSW

method, has higher strength properties compared to the joints welded by traditional MIG method.

Keywords: aluminium alloys, FSW method.