Особенности лазерной сварки высокопрочных алюминий-литиевых сплавов

Введение

Во ФГУП «ВИАМ» разработаны высокопрочные алюминий-литиевые сплавы третьего поколения марок В-1461 и В-1469. Сплав В-1469 рекомендован для элементов, работающих на сжатие длительно во всеклиматических условиях до температур 150°С (верхние поверхности крыла, лонжероны, балки, стрингеры и другие детали фюзеляжа). К сплаву В-1461 предъявляются основные требования по высокому уровню ресурсных характеристик и сохранению высокой прочности и пластичности в широком интервале рабочих температур – от -250 до +160°С. Сплав предназначен для применения в виде листов, плит и прессованых профилей для обшивки и внутреннего силового набора фюзеляжа современных самолетов различного назначения. Применение данных сплавов в сварных конструкциях позволит снизить массу изделий на 10–15% по сравнению с клепаными [1–4].

Все сложности при изготовлении сварных конструкций из высокопрочных сплавов системы Al–Cu–Li связаны с их склонностью к образованию горячих трещин и разупрочнением под воздействием термического цикла сварки. Применение такого высококонцентрированного источника энергии, как лазерный, в сочетании с присадочной проволокой, позволяет получить качественно новые результаты, недоступные при традиционных способах сварки.

Благодаря высокой концентрации энергии лазерного луча образуется малый объем сварочной ванны и тем самым значительно снижаются деформации свариваемых деталей по сравнению с традиционной аргоно-дуговой сваркой. Высокие скорости нагрева и охлаждения позволяют существенно уменьшить зону термического влияния. Тем самым снижается эффект фазовых и структурных превращений в околошовной зоне, приводящих к разупрочнению материала, трещинообразованию и снижению коррозионной стойкости сварных соединений [4–9]. Введение присадочной проволоки в расплав сварочной ванны позволяет повысить технологичность путем повышения стойкости к образованию горячих трещин сварного соединения. При этом достигаются оптимальные характеристики прочности и пластичности сварных соединений [10–14].

Материалы и методы

В данной работе исследовали свойства, структуру и коррозионную стойкость сварных соединений высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469, выполненных лазерной сваркой.

Лазерную сварку (ЛС) листовых полуфабрикатов толщиной 2–3 мм проводили в состоянии Т1 (закалка+искусственное старение) с использованием иттербиевого волоконного лазерного источника фирмы «ИРЭ-Полюс» марки ЛС-5 мощностью 5 кВт. Фокусировку лазерного излучения, передаваемого к месту обработки по волокну, осуществляли фокусирующей головкой Precitec YW50.

Стыковые сварные соединения выполняли как с использованием присадочных проволок Св-1201 (система Al–6Cu) и Св-1217 (система Al–10Cu–Sc) диаметром 1,2 мм, так и без присадочного материала.

Методы исследования и геометрические размеры образцов для определения механических характеристик (σ_в, α, KCU) сварных соединений соответствовали ГОСТ 6996–66 и ГОСТ 1497–84.

Исследования микроструктуры проводили на оптическом комплексе Leica. Фрактографические исследования образцов после испытаний на ударный изгиб проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-6490LV. Определяли стойкость сварных соединений к расслаивающей (РСК) и межкристаллитной коррозии (МКК) в лабораторных условиях в соответствии с ГОСТ 9.904–82 и ГОСТ 9.021–74 соответственно.

Испытания на РСК сварных соединений проводили в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 2 в течение 2 сут.

Испытания на МКК сварных соединений проводили в рабочих емкостях при полном погружении образцов в раствор 2 в течение 6 ч при 30°С.

Коррозионную стойкость сварных соединений определяли после ЛС и после полной термической обработки по режиму Т1 (закалка+искусственное старение).

Результаты

С применением волоконного лазерного источника проводили исследование влияния технологических параметров (W_л, V_св) лазерной сварки с присадочным материалом на качество формирования сварного соединения (занижение шва, провисание корня шва, размеры верхней и корневой части шва в соответствии с ГОСТ 30242–97) листовых полуфабрикатов из алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469. При выборе режимов сварки изменяли параметры мощности излучения (W_л) и скорости сварки (V_св). Мощность излучения выбирали в диапазоне от 1 до 3 кВт в зависимости от толщины свариваемого материала и от характера формирования шва. Скорость сварки изменяли в пределах от 1 до 2,5 м/мин исходя из условий формирования наиболее благоприятной геометрической формы шва. Скорость подачи проволоки (V_п.п) и параметры фокусировки (f, ΔF) оставались постоянными. Выбран способ защиты сварных соединений и определен расход защитных газов (аргон, гелий). Визуальный контроль показал, что на швах отсутствуют поверхностные дефекты, геометрические параметры сварных швов соответствуют требованиям ГОСТ 28915–91. По результатам рентгеновского контроля установлено, что в швах отсутствуют дефекты типа трещин, пор и оксидных включений. На основании полученных результатов выбраны оптимальные параметры ЛС.

Применение присадочного материала при ЛС улучшает формирование сварного шва и повышает механические свойства сварных соединений (табл. 1). При этом прочность сварных соединений повышается на 7–20%, а ударная вязкость – на 7–30% в зависимости от марки сплава и состава присадочного материала. Оптимальное сочетание прочности и пластичности получено для сварных соединений сплава В-1469 с присадкой Св-1201 и для сварных соединений сплава В-1461 с присадкой Св-1217.

Таблица 1

Механические характеристики сварных соединений сплавов
В-1461 и В-1469

Для микроструктур сварных швов сплавов системы Al–Cu характерно наличие хрупких интерметаллидных ободков по границам зерен или дендритных ветвей, что обуславливает пониженную пластичность. Особенно это касается  высоколегированных высокопрочных сплавов, к которым относятся сплавы В-1461 и В-1469.

Полученные значения механических свойств в значительной степени связаны со структурой сварных соединений. В связи с этим исследовано влияние состава присадочного материала на структурные особенности сварных соединений сплавов (рис. 1).

Структура сварного шва при ЛС характеризуется повышенной неоднородностью и резко отличается в центре шва и периферийной зоне (рис. 1, а, в, д). В переходной зоне при кристаллизации формируются последовательно чередующиеся мелкие равноосные и столбчатые кристаллы (рис. 1, б, г, е). Присутствует мелкая и более крупная субдендритная структура с размером зерна от 5 до 180 мкм. Зона структурных изменений основного металла после сварки весьма незначительна и составляет не более 100 мкм. Происходит резкий переход от структуры литой зоны к структуре основного металла.

Рис. 1. Микроструктура сварных соединений сплава В-1461 без присадки (а, б), с присадкой Св-1201 (в, г) и Св-1217 (д, е)

Высокие скорости охлаждения при ЛС приводят к неравновесным условиям кристаллизации, при которых возможно образование микрорыхлот (оплавлений по границам зерен) глубиной до 1 мкм. Наличие таких дефектов в сварном шве, особенно вблизи зоны сплавления, может привести к снижению механических характеристик [15].

Следует отметить, что при аргоно-дуговой сварке алюминий-литиевых сплавов подобные дефекты практически полностью отсутствуют, следовательно, их появление связано с наличием больших скоростей кристаллизации, типичных для процесса ЛС.

Влияние подобных дефектов на механические свойства сварных соединений можно проследить по результатам фрактографических исследований образцов после испытаний на ударный изгиб (KCU). В изломах образцов, полученных ЛС без присадочного материала, присутствуют вторичные трещины, развивающиеся по участку с рыхлотой (рис. 2 и 3). Разрушение образцов проходило преимущественно внутризеренно с формированием ямочного рельефа с различным размером ямок. В изломах образцов из сплава В-1461 при снижении значений KCU со 111 (сварка с присадкой Св-1201) до 74 кДж/м² (сварка без присадки) присутствуют мелкие поры и рыхлоты, по которым при испытании развиваются вторичные трещины. При ЛС с присадочным материалом Св-1217 количество таких дефектов значительно меньше, при ЛС с присадкой Св-1201 они практически отсутствуют. Для сварных соединений сплава В-1469 характерны более высокие значения KCU как в случае сварки с присадочным материалом (KCU=175 кДж/м²), так и при сварке без присадки (KCU=161 кДж/м²). Рыхлоты присутствуют только в сварных швах, выполненных без присадки.

Рис. 2. Рыхлота в изломе образцов из сплавов В-1461 (а) и В-1469 (б) при лазерной сварке без присадки

Рис. 3. Вторичные трещины в изломе образца из сплава В-1461

Таким образом, использование при ЛС присадочных материалов приводит к снижению вероятности образования вторичных трещин, хотя рыхлоты в отдельных образцах присутствуют. Наиболее вязкое строение изломов в образцах наблюдается при использовании присадочной проволоки марки Св-1201.

Проведены испытания сварных соединений на стойкость к расслаивающей и межкристаллитной коррозии (табл. 2).

Таблица 2

Результаты испытаний сварных соединений на стойкость к расслаивающей (РСК)
и межкристаллитной коррозии (МКК)

Анализ результатов показал, что для сварных соединений, выполненных ЛС без присадочного материала и с присадками Св-1201 и Св-1217, отсутствует склонность к РСК и МКК. Для сварных соединений, прошедших термическую обработку по режиму Т1, коррозионная стойкость несколько снижается.

Заключение

Применение при ЛС высокопрочных алюминий-литиевых сплавов В-1461 и В-1469 присадочных материалов на основе системы Al–Cu (Св-1201 и Св-1217) позволяет менять склонность к горячеломкости, структуру металла шва и переходной зоны, а также снижает вероятность образования дефектов типа рыхлоты по границам зерен, что в конечном итоге повышает комплекс механических свойств сварных соединений. Для сварных соединений, выполненных лазерной сваркой без присадочного материала и с присадками Св-1201 и Св-1217, склонность к РСК и МКК отсутствует.